Баев А.Б. Идентификация объектов сверхширокополосной радиолокации с использованием кумулянтов высокого порядка (1015813), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Разработанные методы цифровой обработки сигналов сверхширокополосной радиолокации с использованием кумулянтов высокого порядка могут быть эффективно применены в системах неразрушающего контроля и диагностики крупных промышленных конструкций сложной геометриче- ской формы (металлических ферм, вышек и перекрытий), а также в экологических службах при дистанционном зондировании атмосферы, контроле водных бассейнов. Кроме того, они достаточно универсальны и могут быть использованы в учебном процессе как в традиционных дисциплинах кафедры 405, так и в дисциплинах специализации.
Реализация и внедрение результатов работы. Основные результаты диссертационной работы использованы и внедрены в Межотраслевом НТЦ «Радинтех» при выполнении договорных работ по теме «Конек». Акт о внедрении приведен в приложении к диссертации. Научные и практические результаты работы использованы в процессе выполнения научно-исследовательских работ по гранту Минобразования Российской Федерации, государственная регистрация № 01990012073, а также отражены в отчетах по нескольким хоздоговорным и госбюджетным НИР.
Достоверность полученных результатов обуславливается корректностью исходных положений и преобразований, использованием апробированного адекватного математического и статистического аппарата, компьютерных программ и логической обоснованностью выводов. Полученные результаты многократно подтверждены физическими и вычислительными экспериментами. Апробация результатов работы: Результаты исследования докладывались и обсуждались на: Международных научно-технических конференциях: «52-я международная научная сессия, посвященная Дню Радио», г. Москва: РНТО РЭС имени Попова А.С. (1997 г.); «Цифровая обработка сигналов и ее применения», г.
Москва: МЦНТИ (1999, 2002 гг.); «29-ая Европейская Микроволновая Конференция», Мюнхен (1999 г.); «30-ая Европейская Микроволно- вая Конференция», Париж (2000 г.); «31-ая Европейская Микроволновая Конференция», Лондон (2001 г.); «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», г. Москва: МЭИ (2002 г.). Международных научно-технических семинарах: «4, 5, 6 и 7-й научный обменный семинар. Радиотехнические устройства СВЧ диапазона», г. Москва: МАИ (1996, 1999 гг.), г. Мюнхен: МТБ (1997, 2000 гг.).
Всероссийских научно-технических конференциях: «Радиоэлектроника и электротехника в народном хозяйстве», г. Москва: МЭИ (1997, 1998 гг.); 1-я Всероссийская научно-техническая конференция по проблемам создания перспективной авионики, г. Москва: Фазотрон-НИИР (2002 г.). Публикации: По теме диссертации опубликовано 25 печатных работ, из них 5 научных статьей, 8 текстов докладов на английском языке, 11 текстов докладов на русском языке.
Основные положения, выносимые на защиту: 1. Синтезированная математическая модель собственных электромагнитных излучений объектов сверхширокополосной радиолокации позволила разработать эффективный алгоритм идентификации радиолокационных объектов на основе измерения параметров модели, аппроксимирующей сигнал, рассеянный целью. 2. Учет зависимости вычетов резонансной модели от ракурса цели в качестве дополнительной информации об идентифицируемых объектах при формировании банка данных позволяет увеличить достоверность идентификации.
3. Увеличение точности оценки параметров моделей собственных резонансных излучений объектов СШП радиолокации и уменьшение шумовой границы работоспособности алгоритма идентификации достигнуто за 1О счет правильного выбора одномерных сечений кумулянтных последовательностей высокого порядка. 4.Формирование сигнатур радиолокационных целей на основе использования информации об их резонансных частотах позволило автоматизировать процесс идентификации объектов сверхширокополосной радиолокации. 5. Результаты цифровой обработки сигналов реального активного сверхширокополосного радиолокатора и портативного носимого геолокатора подтвердили эффективность разработанного алгоритма идентификации радиолокационных объектов. Структура и объем работы: Диссертационная работа изложена на 152 машинописных страницах и состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы.
Иллюстративный материал представлен в виде 58 рисунков и 3 таблиц. Список литературы включает 86 наименований. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность разработки новых методов идентификации объектов сверхширокополосной радиолокации, сформулирована цель и задачи исследований, показаны научная новизна и практическая значимость работы, представлена структура диссертации. В первой главе выполнен обзор литературы по материалам отечественных и зарубежных источников по тематике исследования.
Показано, что сверхширокополосные радиолокационные системы используются в различных отраслях науки и техники: при обнаружении и распознавании космических аппаратов, ракет и самолетов, надводных кораблей и подводных лодок, мин, археологических, геологических и других подповерхностных объектов и т.д.
11 Установлено, что основными перспективными направлениями исследований в области сверхширокополосной радиолокации на сегодняшний день являются: — радиолокационные системы ближнего радиуса действия, предназначенные для обнаружения перемещающихся объектов, скрытых стенами или листвой; — бортовые радиолокационные системы ближнего радиуса действия, предназначенные для обнаружения военных целей под навесом или в лесистом ландшафте; — воздушные радиолокационные системы защиты среднего радиуса действия (до 20 км), предназначенные для обнаружения и несовместной идентификации воздушных целей, включая вертолеты на линии деревьев; — морские радиолокационные системы среднего радиуса действия (до 20 км), предназначенные для обнаружения ракет, движущихся над морской поверхностью. Рассмотрены вопросы рассеяния электромагнитной энергии объектами произвольной формы, дано понятие эффективной площади рассеяния.
Показана ее связь с характеристиками рассеяния радиолокационных объектов в зависимости от соотношения их размеров и длины волны возбуждающего электромагнитного поля. Показано, что рассеяние радиолокационных объектов в резонансной области частот, когда длина волны возбуждающего излучения соизмерима с характерными размерами цели, носит осциллирующий характер.
В этом случае рассеянное объектом электромагнитное поле может быть представлено в виде суммы затухающих гармонических колебаний, параметры которых определяются размерами и геометрической формой этого объекта. Приведены основные положения метода сингулярных разложений Баума.
Согласно этому методу модель рассеяния объектов СШП радиолокации содержит в себе параметры двух типов; зависящие от параметров 12 возбуждающего сигнала (поляризации, формы, направления облучения) и не зависящие от них. Использование параметров первого типа позволяет решать задачи определения ракурса цели, селекции геометрически подобных целей и другие.
В то же время, применение для описания цели параметров второго типа, — собственных комплексных резонансных частот рассеяния (полюсов), — позволяет существенно уменьшить число используемых признаков распознавания и тем самым частично решить проблему снижения размерности банка данных. Каждому радиолокационному объекту ставится в соответствие свой уникальный ряд полюсов, которые практически не изменяется от ракурса наблюдения и определяется геометрией объекта. Для распознавания целей в условиях недостаточной априорной информации об их геометрической форме и материале могут быть использованы данные о резонансных частотах рассеяния отдельных элементов конструкции. Согласно методу сингулярных разложений резонансную модель поздневременной компоненты отклика объектов сверхширокополосной радиолокации можно представить в следующем виде: К у[и] = х[л] + и [л] = ~ А е '" ' сов (2г ~~ пТ, + щ ) + и [л] где и = О, ..., Х вЂ” 1, Х вЂ” число отсчетов данных; К вЂ” число гармонических составляющих сигнала; и [и] — отсчеты шума; А~, и~„|~ и р~ — значения амплитуд, коэффициентов затухания, частот и начальных фаз компонент сигнала соответственно; Т, — период дискретизации.
В главе произведен синтез резонансной модели рассеяния радиолокационных объектов сверхширокополосной радиолокации, основанной на экспериментальных данных откликов масштабных макетов самолетов Г-4 и МИГ-27, которая использовалась для сравнительного анализа методов оценки параметров резонансной модели объектов. Синтез резонансной мо- 13 дели выполнен с учетом возможности изменения ракурса радиолокационными объектами.
Это позволит более гибко формировать банк данных идентифицируемых объектов с учетом априорной информации о зависимости амплитуд вычетов от угла наблюдения. Во второй главе проведен обзор существующих методов оценки параметров резонансной модели объектов. Сформулированы основные требования к алгоритмам обработки: высокая вычислительная эффективность, максимальная автоматизация, низкая чувствительность результатов к шумам экспериментальных данных и априорной оценке числа резонансных частот.
Представлены теоретические аспекты работы нелинейного метода матричных пучков (Репс11-оГ-Гипс11оп Ме1Ьой). На основании проведенных нами ранее исследований установлено, что этот метод позволяет получить наиболее точные оценки параметров собственных электромагнитных излучений объектов сверхширокополосной радиолокации.
Метод использует специальные матрицы, составленные из отсчетов принятого сигнала, операции псевдоинверсии и сингулярного разложения. Показано, что каждый из полюсов резонансной модели 1 г~ = ех1э (и~ + ~2т ~~), 1 = 1, ..., К1 есть число, понижающие ранг матрицы Ъ', — ~Ъ', (ее собственное число), где Уо, У~ — матрицы, составленные из отсчетов исследуемого сигнала (1), ~ — полюс резонансной модели. Показано, что предпочтительным критерием сравнения качества работы методов оценки параметров резонансной модели объектов является величина дисперсии полюсов, зависящая от отношения сигнал/шум. Использование этого критерия позволяет проводить оценку абсолютной точности методов при сравнении результатов обработки с границей Рао-Крамера.
В главе также представлен алгоритм определения потенциальной точности оценки информационных параметров резонансной модели объектов 14 сверхширокополосной радиолокации по критерию максимума функционала правдоподобия, позволивший определить нижнюю границу Рао-Крамера для выбранной модели сигналов при разных значениях отношения сигнал/шум. Отношение сигнал/шум резонансной модели объектов оценивалось по формуле: 32 — 1 11 =101я 2 Хх'[22] Л''у„=о (2) т1 1х[1т], х[А-+ т1],..., х[1т+ т, 1]1= =М1х[1т] х[1т+т,] ...
х[1т+т,,]1=т,'[т„т„..., т,,], где М1 '1 обозначает математическое ожидание. Исходя из этого, можно оп- ределить кумулянтные последовательности ССП 1х[к]1: с,'[т1] = и,'[т,]; 3[1~ 2] 3[1~ 2]~ 4[1~ 2~ 3] 4[1~ 2~ 3] 2[1] 2[ 3 2] (4) г где У вЂ” дисперсия шума; Х вЂ” число отсчетов сигнала. В третьей главе на примере резонансной модели объектов СШП радиолокации рассмотрены основные свойства статистик высокого порядка случайных процессов, детерминированных импульсных и периодических сигналов.
Определены основные способы повышения точности оценки информативных параметров модели собственных электромагнитных излучений объектов за счет применения предварительной кумулянтной обработки. Последовательность моментов и-го порядка вещественного стационарного случайного процесса (ССП) с нулевым средним 1х[Й]1, 1т = О, +1, +2, ... определяется по формуле: 16 лизируемой последовательности данных, что при использовании быстрого преобразования Фурье может значительно уменьшить время обработки. Проведенный сравнительный анализ статистик высокого порядка резонансных моделей самолетов показал, что: — кумулянты второго порядка (автокорреляция) резонансной модели объектов сверхширокополосной радиолокации позволяют уменьшить уровень шума в данных по сравнению с исходным сигналом; — в куму лянтной последовательности третьего порядка наряду с уменьшением мощности шума происходит значительное уменьшение уровня сигнала, поскольку кумулянты третьего порядка для симметричных сигналов тождественно равны нулю; — в одномерном сечении последовательности кумулянтов четвертого порядка произошло значительное уменьшение уровня шума при сохранении уровня сигнала, что позволило увеличить точность оценки параметров резонансных излучений объектов сверхширокополосной радиолокации, благодаря чему возможно увеличение дальности действия системы идентификации.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
