Автореферат (Идентификация переотраженных сигналов при радиолокационном обнаружении биологических объектов)

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИМосковский авиационный институт(национальный исследовательский университет)На правах рукописиНелин Игорь ВладимировичИДЕНТИФИКАЦИЯ ПЕРЕОТРАЖЕННЫХ СИГНАЛОВПРИ РАДИОЛОКАЦИОННОМ ОБНАРУЖЕНИИ БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВСпециальность 05.12.14 – «Радиолокация и радионавигация»АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 20132Работа выполнена на кафедре «Аналоговые и цифровые радиоэлектронныесистемы»факультетаРадиовтузМосковскогоавиационногоинститута(национального исследовательского университета).Научный руководитель:доктор технических наук, профессорКуприянов Александр ИльичОфициальные оппоненты:Горбунов Юрий Николаевич, доктор технических наук, старший научный сотрудник,Институт радиотехники и электроники имени В.А.Котельникова Российской академии наук, ведущийнаучный сотрудникСкосырев Вадим Николаевич, доктор технических наук, профессор, НИИ"Радиоэлектронная техника" МГТУ им.

Н.Э. Баумана,главный научный сотрудникВедущая организация:ОАО «Всероссийский научноисследовательский институтрадиотехники» (ВНИИРТ)Защита диссертации состоится «24» декабря 2013г. в 15 часов на заседаниидиссертационного совета Д 212.125.03 в Московском авиационном институте(национальном исследовательском университете) по адресу: 125993, г. Москва, А-80,ГСП-3, Волоколамское шоссе, д. 4.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского авиационногоинститута (национального исследовательского университета).Автореферат разослан «__» ноября 2013 года.Ученый секретарьдиссертационного советаД 212.125.03, д.т.н., доцент__________________М.И. Сычев3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работыВ последние годы во всем мире наблюдается интерес к такому направлениюрадиотехники, как радиолокация биологических объектов. Это направление внастоящее время начинает применяться в различных отраслях жизнедеятельностичеловека и интенсивно развивается.

Задача обнаружения движения человека занепрозрачными преградами стоит перед спецслужбами и армией. Обнаружениелюдей под обломками разрушенных зданий является одной из основных задачспасательных операций после терактов и разрушений, вызванных землетрясениями.Решать задачу обнаружения движения человека за оптически непрозрачнымипрепятствиями часто требуется внутри помещений, обычно не очень большихразмеров. Это приводит к тому, что цель (совершающий движение человек) можетнаходиться на фоне мешающих отражающих поверхностей, в том числе схарактеристиками отражения большими, чем у человека.

В итоге слабый полезныйсигнал от человека может быть потерян на фоне отражений от местных предметов(МП). Применение селекции движущихся целей позволяет в общем случае разделитьподвижные и неподвижные объекты, но так как отражения от МП интенсивные, товозможен случай, когда переотраженные целью или МП сигналы будут по своейинтенсивности и характеру соответствовать реальной цели, так как получатдополнительную модуляцию движением цели. Что приведет к ложному решению обобнаружении еще одной, «ложной» цели (рис. 1).Дополнительнойрадиолокационномоптическипроблемойобнаружениинепрозрачнымиприцелейзапреградамиявляется случай, когда в зоне обзора могутнаходиться несколько подвижных людей, чтоусложняет задачу обнаружения и определенияистинного количества реальных подвижныхцелей.Рисунок 1 – Появление ложнойцели в результате модуляциисигнала, отраженного от МПДлянаиболеерешенияширокопоставленныхприменяютсязадачметоды4частотной модуляции и фазового детектирования.

Использование широкополосных(ШП)исверхширокополосныхпространственнуюселекцию,(СШП)чтоимпульсовувеличиваетпозволяетточностьиосуществлятьчувствительностьиспользуемых методов. Исследования в этой области ведутся и в России, и зарубежом и направлены на создание новой аппаратуры и новых теоретическихмоделей. Рассмотрение процессов распространения электромагнитной волны даетвозможность построения математических моделей радиоустройств. Создание такихмоделейпозволитразрабатыватьоптимальныеалгоритмыобработки,даствозможность извлечения большей информации из сигналов, классифицировать ианализировать состояния целей, поможет сформулировать требования к аппаратнымсредствам радиолокаторов и определить наиболее перспективные направленияразвития рассматриваемой технологии.Разработка методов разделения сигналов реальных целей и переотраженныхсигналов от МП при сложном движении цели позволит синтезировать болееэффективные схемы селекции движущейся цели, а также алгоритмы идентификациитипа объекта.Таким образом, задача разработки алгоритмов устранения ложных целей приобнаружении целей, совершающих сложное движение, является актуальной.Цель работыРазработка алгоритма идентификации перотраженных от МП сигналов приналичии в зоне обзора подвижной цели для их исключения из результатов обработки,что позволит устранить при радиолокационном наблюдении ложные цели.Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи1.

Анализ существующих алгоритмов селекции движущихся целей на фонеотражений от МП применительно к целям, совершающим сложные движения, сцелью устранения ложных целей.2. Построениематематическихмоделейнаблюденияимпульсногосверхширокополосного радиосигнала, отраженного от объекта, совершающегосложные движения, с целью анализа и выявления особенностей при наблюдениитакой цели.3.

Синтез алгоритма принятия решения о наличии ложной цели приобнаруженииподвижногообъекта,совершающегосложныедвижения,при5использовании метода построения траектории подвижного объекта по двумквадратурам фазового приемника.4. Созданиепрограммноймоделииматематическоемоделированиеразработанных методов в условиях наличия шумов и сигналов, отраженных от МП, сцелью проверки их работоспособности.5.

Проведениеэкспериментовсиспользованиемсверхширокополосныхрадиолокационных устройств для апробации предложенных алгоритмов в реальныхусловиях.Предмет исследованияПредметом исследования является алгоритм обработки импульсных сигналовсверхширокополосных радиолокаторов с фазовым приемником, обеспечивающийидентификацию переотраженных от МП сигналов и устранение ложных целей приобнаружении подвижного человека.Объект исследованияОбъектом исследования является алгоритм принятия решения о наличии ложнойцели при обнаружении подвижного человека при использовании метода построениятраектории подвижного объекта по двум квадратурам фазового приемника скоррекцией нелинейных искажений.Методы исследованияРешение поставленных задач осуществляется с использованием методовстатистической радиотехники и математического анализа, аналитического иимитационногостохастическогомоделирования,экспериментальнымиисследованиями.Научная новизнаРадиолокационные методы обнаружения человека являются дистанционными ине требуют визуального контакта с целью, что обуславливает их неоспоримыепреимущества перед традиционными контактными и визуальными средстваминаблюдения.Радиолокационноеобнаружениеподвижногои,особенно,малоподвижного человека открывает новые возможности и ставит новые задачи.

Кним относятся задачи обработки сигналов, отраженных от подвижного человека и6переотраженных МП, сигналов, отраженных от МП и переотраженных подвижнымчеловеком.Разработаны новые алгоритмы идентификации переотраженных от МП сигналови алгоритмы устранения ложных целей при обнаружении подвижного человека прииспользовании метода построения траектории движениячеловека по двумквадратурам фазового приемника.Созданы программные модули для сверхширокополосного радиолокатора,реализующие предложенные алгоритмы. Программные модули сочетают в себевозможности обработки данных, полученных как от реального радиолокатора, так исгенерированных при помощи программы.Получены качественные и количественные результаты, подтверждающиеработоспособность предложенных алгоритмов и эффективность их использования.Приведеныновыеэкспериментальныерезультаты,полученныесиспользованием предложенных алгоритмов.Практическая ценность и значимостьПредложены алгоритмы, позволяющие эффективно решить задачу принятиярешения о наличии ложной цели по восстановленной траектории движения прирадиолокационном обнаружении биологического объекта.Исследование предложенных алгоритмов с помощью математического иимитационного моделирования позволяет сравнить их эффективность в различныхситуациях.Реализованные в программе моделирования алгоритмы обработки сигналапозволяют оценить вычислительные затраты на обработку сигнала.

Это имеетбольшое значение при выборе алгоритма с учетом вычислительных ресурсов системыобработки сверхширокополосного радиолокатора и при реализации потокового (вреальном времени) процесса обработки сигнала.ДостоверностьОбоснованностьнаучныхположенийивыводов,содержащихсявдиссертационной работе, подтверждается использованием апробированных методовстатистическогоанализаивысокойстепеньюсовпадениярезультатовматематического и имитационного моделирования, а также проверка предложенныхалгоритмов на реальных данных в ходе проведенных экспериментов.7Проведенныеэкспериментальныеисследованияпоказалиэффективностьиспользования предложенного алгоритма в сверхширокополосных радиолокаторахдля решения задач обнаружения биологических объектов на фоне переотражений отМП с устранением возникающих ложных целей.Использование результатов работыПредложенные методы и результаты математического и имитационногомоделирования использовались в следующих научно-исследовательских и опытноконструкторских работах, выполненных в Московском авиационном институте:1.

СЧ ОКР «Создание аппаратно-программногокомплекса, реализующегоимпульсное электромагнитное воздействие на технические средства и измерениехарактеристик отраженных от них сигналов», шифр «Воланд-М», контракт № 4046014440/018/Ю-2010 от «10» июня 2010 года – заказчик ЗАО «Группа Защиты-ЮТТА».2. СЧНИР«Исследованиевозможностиопределенияместоположенияперсонала, работающего на объекте с повышенной опасностью» Государственныйконтракт от 01 февраля 2008 года № 1649-03/35580-14440 СЧ НИР «Мокасин», шифр«Мокасин-МАИ», заказчик - Федеральное государственное унитарное предприятие«Научно-исследовательский институт «Квант».3.

Грант Российского фонда фундаментальных исследований «Обнаружение иизмерениепараметровживыхмалоподвижныхинеподвижныхобъектовсиспользованием сверхширокополосных радиолокационных систем малой дальности».Шифр «09-02-13581-офи_ц».4. Грант Российского фонда фундаментальных исследований «Исследованиеособенностей работы и методов построения сверхширокополосных радиосистем сбольшими антеннами с учетом деформации структуры сигналов и диаграммнаправленности, возникающей в процессе излучения и приема».

Шифр «11-07-00732а».5. ОКР «Создание ряда высокоточных аппаратно-программных комплексов длядистанционного обнаружения и наблюдения живых объектов в интересах медицины,охраны и безопасности», шифр «2011-2.4-524-043-001», государственный контракт №07.524.11.4011 от «3» ноября 2011 года – заказчик Министерство образования и наукиРоссийской Федерации.8Апробация работыОсновные положения работы докладывались и обсуждались на следующихконференциях:1. Международная конференция «Ultra wideband and Ultra short Impulse Signals».Ukraine, Sevastopol, 15-19 September, 2008.2. 3-я международная конференция «Акустооптические и радиолокационныеметоды измерений и обработки информации». Россия, Суздаль, 22-24 сентября, 2009.3.