Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время во всем мире имеет место устойчивая тенденция к возрастанию роли РЛС с синтезированной апертурой антенны (РСА) в обеспечении экономической, политической и других сфер деятельности ведущих мировых держав. Перспективные информационные технологии дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) радиолокационными средствами позволяют получать ценную информацию о земной поверхности (ЗП), используемую в интересах решения широкого круга научных, оборонных и хозяйственных задач. На сегодняшний день реализован ряд проектов по созданию космических радиолокационных систем наблюдения на базе РСА. К наиболее известным из них относятся X-SAR/SIR-C, Lacrosse (США), ERS-1/2, ENVISAT-1 (Европейское космическое агентство), RADARSAT-1,2 (Канада), JERS-1 (Япония), SAR-Lupe, TerraSAR-X (Германия), COSMO SkyMed (Италия) и др.
Повышение информативности радиолокационных данных за счёт достижения в РСА сверхвысокой (менее 1 м.) разрешающей способности требует качественного скачка в подходе к разработке современных систем ДЗЗ.
К настоящему времени можно утверждать, что ряд западных фирм в научном плане эту задачу решили, и теперь в эксплуатацию уже начинают поступать РЛС, способные формировать детальные радиолокационные изображения (РЛИ). Но на фоне космических успехов других стран усилия России выглядят более, чем скромно, поскольку все (за исключением «Кондор-Э») отечественные проекты («Монитор-Р» (Центр им. Хруничева), «Север» (КБ Арсенал), «Аркон-2» (НПО им. Лавочкина), «Стрелка» (РКК Энергия и Газком)) находятся в зачаточном состоянии.
Вместе с тем во всех ведущих в области космической деятельности державах проводится интенсивная работа по разработке и продвижению новых теоретических положений и идей, позволяющих расширить возможности РСА. Такие шаги особенно важны, если дают заметное качественное улучшение функционирования космических радиолокаторов. Одним из направлений совершенствования РСА является разработка новых оптимальных способов обработки радиоголограмм на основе последних достижений в области теории анализа и синтеза радиотехнических систем.
Ведущие специалисты отмечают ограничения традиционных способов обработки траекторных сигналов и необходимость в создании более совершенных алгоритмов. Наиболее широкий размах исследований приходится, прежде всего, на США. Поэтому, помимо повышения престижа России на мировой научной сцене, исследование и внедрение перспективных способов обработки сигналов поможет занять пустующую нишу получения радиолокационных данных с такими измерительными свойствами, которые обеспечат их эффективное использование в задачах крупномасштабного картографирования и разведке, а также будут востребованы в ряде других отраслей социально-экономической сферы. Однако сегодняшнее положение дел вызывает тревогу, поскольку Россия способна навсегда потерять все шансы и возможности догнать мировое научное сообщество.
Именно с задачей разработки оптимального способа обработки радиоголограмм, который назван способом рекуррентного оценивания (РО) и который привносит в работу РСА новое качество, связана тема данной диссертационной работы. Применение алгоритмов РО на основе методов марковской теории оценивания случайных процессов при решении наиболее актуальных задач, таких как повышение разрешения по азимуту и оперативное получение РЛИ, является хотя и скромной, но очень важной частью в новом научном подходе, направленном на развитие современной теории радиолокации, что сегодня представляется весьма актуальным шагом.
Состояние вопроса. Существующая ныне методология статистического анализа и синтеза устройств обработки сигналов сформировалась на основе фундаментальных результатов теории марковских процессов, определяемых стохастическими дифференциальными уравнениями. Первые результаты были получены в 60-70-х годах прошлого века в трудах Р.Л. Стратоновича и Р.Э. Калмана. На основе этих работ за последние годы были решены задачи оптимального статистического синтеза алгоритмов фильтрации полезных сообщений для различных областей науки и техники. Вклад ученых России представлен в известных монографиях Б.Р. Левина, B.C. Пугачева, В.И. Тихонова, В.Н. Харисова, М.А. Миронова, М.С. Ярлыкова, ГО.Г. Сосулина, А.И. Перова, СВ. Первачева, В.И. Меркулова. Заметный вклад в развитие этой теории в области радиотехнических систем внесли американские ученые Э.П. Сейдж, Дж. Меле.
Повышение разрешения РСА и одновременное получение РЛИ высокой чёткости оказывается сложным в практическом плане, а решение обратной задачи, связанной с формированием РЛИ, возможно только при достаточно высокой производительности вычислительной системы обработки. В связи с этим, в последнее время значительно повысился интерес специалистов по радиолокации к использованию методов РО при обработке траекторных сигналов, так как при этом возможно получить требуемое разрешение по азимуту практически в реальном масштабе времени (РМВ) и удовлетворяющее решению поставленной радиолокационной задачи.
Несмотря на разнообразие методов, в некоторых научно-технических приложениях проблема практического освоения результатов теории марковской филырации по-прежнему существует. Таким образом, задача разработки алгоритмов функционирования радиотехнических систем с синтезированием апертуры авиационного и космического базирования для получения РЛИ с высоким разрешением является актуальной. Выбор, обоснование метода и алгоритма обработки траекторных сигналов позволит в
будущем сформулировать требования для построения перспективных радиолокационных систем. Для имитации и обработки сигналов в таких системах необходимо развивать известные методы моделирования и статистического анализа многомерных данных.
Таким образом, в настоящее время существует назревшая научно-техническая задача совершенствования и разработки новых алгоритмов обработки сигналов и информации в РСА, обеспечивающих необходимое качество РЛИ в РМВ. В связи с этим тема настоящей диссертационной работы является актуальной.
Объектом исследования являются радиолокационные станции с синтезированной апертурой антенны авиационного и космического базирования. А в качестве предмета исследования используются алгоритмы РО для обработки траекторных сигналов в РСА.
Цель и задачи работы. Основной целью настоящей диссертационной работы является повышение эффективности многофункциональных бортовых РЛС путем получения сверхвысокого разрешения по азимуту с помощью методов РО.
Для достижения поставленной цели представляется необходимым рассмотрение следующих вопросов:
провести анализ взглядов на современную теорию обработки радиолокационных сигналов при синтезировании апертуры;
синтезировать алгоритм РО, оптимальный по критерию минимума среднего квадрата ошибки, для обработки траекторных сигналов;
осуществить программное моделирование синтезированного алгоритма на основе калмановской фильтрации;
провести сравнительный анализ эффективности алгоритма РО с традиционными методами обработки траєкторного сигнала в РСА;
оценить работоспособности разработанных алгоритмов с использованием цифровых моделей, а также в ходе обработки реальных радиолокационных данных;
исследовать влияние параметров системы обработки радиоголограмм на оперативность получения и качество РЛИ;
выявить проблемы, возникающие при применении методов РО;
провести апробацию полученных научных методик и изысканий на действующем макете радиолокатора с синтезированной апертурой антенны.
Методы проведения исследований. Перечисленные задачи решались методами теории оптимальной фильтрации, теории статистического анализа систем радиоавтоматики, а также методами имитационного моделирования, в том числе с использованием экспериментальных данных, прикладного и системного программирования.
Научная .новизна диссертационной работы заключается в применении результатов исследования оптимальных алгоритмов РО, направленных на улучшение разрешения по азимуту и получение радиолокационной информации в РМВ, что ведёт к повышению эффективности использования РСА в решении ряда научных и прикладных задач. Кроме того, научная новизна содержится в исследовании свойств предложенного алгоритма и определении способов повышения быстродействия системы обработки.
В рамках данной работы впервые получены следующие новые научные результаты:
-
Синтезирован алгоритм обработки траекторных сигналов в РСА, оптимальный по методу среднего квадрата ошибки.
-
Выполнен анализ синтезированного алгоритма относительно заданного значения оценки.
-
Разработаны алгоритмы РО на основе калмановской фильтрации для обработки сигналов и формирования РЛИ на ЭВМ в пакете MATLAB.
-
Получены результаты обработки реального сигнала действующего макета РСА с помощью алгоритма РО.
-
Определено влияние параметров радиолокационной съёмки на время достижения заданного значения оценки и качества получаемого РЛИ.
-
Подтверждена способность алгоритмов РО более эффективно разделять близкорасположенные цели на ЗП, чем алгоритмы согласованной фильтрации.
-
Показана целесообразность применения метода РО для получения радиолокационных данных в РМВ.
-
Предложен метод повышения эффективности использования в РСА способов РО с помощью теории игр.
Практическая значимость и внедрение результатов работы.
В связи с тем, что за последние годы в развитии радиолокационной и вычислительной техники произошел качественный скачок, у основных потребителей данных появился огромный спрос на алгоритмическое обеспечение, позволяющее эффективно решать задачи, возникающие в контексте формирования детальных РЛИ. Практическая ценность синтезированных в данной работе алгоритмов обработки заключается именно в том, что они могут служить основой для построения современных РСА авиационного и космического базирования. Представлено наглядное
математическое описание и программный код для системы MATLAB, допускающие их непосредственное практическое применение в процессе проектирования перспективных систем ДЗЗ. Структура разработанных способов РО предоставляет возможность эффективной программно-аппаратной реализации на различных типах вычислительных систем. Полученные научные результаты (методы и алгоритмы обработки траекторных сигналов) рекомендованы к применению в режимах картографирования различных бортовых РЛС. Результаты работы внедрены в разработки ГУП НПЦ «СПУРТ» (г. Москва).
Обоснованность научных положений и достоверность результатов исследований подтверждается согласованностью результатов теоретических исследований, компьютерного моделирования и экспериментальной проверки на авиационных радиоголограммах и аппаратуре действующего макетного образца космической РСА.
Достоверность полученных в диссертации результатов основывается на корректном использовании математического аппарата синтеза и анализа радиотехнических систем, прозрачной физической интерпретации процесса синтезирования апертуры антенны, результатах поставленного имитационного моделирования, а также подтверждается качеством РЛИ, сформированных в ходе обработки реальных радиоголограмм, зарегистрированных в лабораторных условиях на действующем макете космической РСА и на самолёте во время полёта.
Апробация работы. Научные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:
1. 14-ая Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция
студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика - 2007"
(Зеленоград, 18-20 апреля 2007г.).
2. 4-ая научно-техническая конференция "Системы наблюдения,
мониторинга и дистанционного зондирования Земли" (г. Адлер, 17-21 сентября 2007г.).
-
18-ая Международная Крымская конференция "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии" КрыМиКо'2008 (Севастополь, 8-12 сентября 2008г.).
-
5-ая научно-техническая конференция "Системы наблюдения, мониторинга и дистанционного зондирования Земли" (г. Адлер, 15-20 сентября 2008г.).
-
16-ая Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика - 2009" (г. Зеленоград, 22-24 апреля 2009г.).
-
17-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика - 2010" (г. Зеленоград, 28-30 апреля 2010г.).
Личный вклад автора состоит в том, что на основе общей теории марковской фильтрации, задания, выданного научным руководителем, и совместных обсуждений проблемных вопросов выполнен синтез оптимальных алгоритмов обработки траекторных сигналов в РСА при заданных условиях и ограничениях. Автором диссертационной работы проведено математическое моделирование алгоритмов на ЭВМ в пакете MATLAB и получены результаты в виде, удобном для представления в диссертации. Исследованы свойства алгоритма РО, выявлены его достоинства и недостатки по сравнению с традиционными методами обработки. Проведены экспериментальные исследования на действующем макете радиолокатора. Определены и реализованы способы получения РЛИ в РМВ.
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 10 работ. Из них 3 статьи опубликованы в научно-техническом журнале РФ из перечня ВАК Минобразования.
На защиту выносятся следующие научные положения:
-
Способ и алгоритмы дискретного РО при синтезировании апертуры антенны в телескопическом обзоре.
-
Свойства РСА в случае использования при обработке радиоголограмм способа РО.
-
Особенности динамики формирования РЛИ при использовании способа РО.
-
Предложения по уменьшению объёма вычислительной работы при формировании РЛИ в РСА способом РО.
-
Рекомендации по организации вычислительного процесса в случае обработки сигналов РСА способом РО.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 70 наименований и 4 приложений. Диссертация содержит 160 страницы, в том числе 125 страниц основного текста 68 рисунков и 6 таблиц.
