Введение к работе
Актуальность проблемы. В современной электродинамике стремление расширить функциональные возможности радиосистем с целью получения дополнительной информации, содержащейся в электромагнитной волне, обусловило повышенный интерес к развитию методов целенаправленной обработки полей при активной организации пространственных радиосигналов. Так проблеме формирования радиоизображений, а тем более, получения проекционных данных, используя преобразование Радона к которым можно получить пространственный образ исследуемой области (объекта, явления или процесса), уделяется повышенное внимание: создается банк данных радиоизображений известных объектов (явлений, процессов) в целях решения задач идентификации, на что указано в работах Варганова М.Е., Горелика А.Л., Тучкова Л.Т., Небабина В.Г., Леонова С.А. и других авторов. Изменяя фазу радиоволны, можно активно воздействовать на различные параметры излучения: интенсивность, частоту, временную форму импульса и спектральный состав излучения. Кроме того, новые возможности открывает управление пространственным профилем фазы в задачах получения сверхкоротких импульсов.
Для достижения оптимальных условий работы информационных радиосистем необходимо не просто сфокусировать излучение в некоторую область пространства, а сформировать там заданное распределение интенсивности (или фронт волны). Радиофизические задачи такого рода возникают в радиоголографии и радиотомографии при формировании радиоизображений и получении проекционных данных, являются перспективными направлениями в радиофизике и широко используются в таких областях как дистанционное зондирование (среды, процесса, объекта в камере измерения радиолокационных характеристик объектов), ориентация (географическая, навигация) летательных аппаратов, локация, картография, астрономия, метеорология, биология, медицина, исследование подземных объектов, масштабное моделирование, автоматический контроль производственных процессов, связь, обработка информации и др.
Анализ научно-технической информации в нашей стране и за рубежом показывает, что интерес к данной тематике постоянно растет по мере развития прикладной электродинамики. К настоящему времени в электродинамике накоплен определенный опыт решения задач формирования волновых пучков в режимах излучения и приема, а приоритет в данной области принадлежит российским
ученым. Попытка решения задачи поворота фазового фронта (формирования волнового фронта требуемой геометрии), имеющей принципиальное значение для практических приложений, за счет формирования фазовой ДНА, нашедшая отражение, например, в работах Журавлева А.К., Лукошкина А.П., Самойлова Л.К., Монзинго Р.А. и других авторов, не привела к практически значимым результатам. Сегодня задачи формирования требуемой геометрии фронта волны (волнового пучка) с учетом запаздывания излучаемого радиосигнала (фокусировки), возникающие, например, при необходимости когерентного сложения сигналов на объекте или в радиоголографии, решаются многопозиционными радиосистемами, на что указано в работах Варганова М.Е., Астанина Л.Ю., Василенко Г.И., Гинзбург В.М., Горелика А.Л., Ключникова А.С., Цветаева В.В., Черняка B.C., Андреева Г.А. и других авторов. Приходящая от удаленного точечного источника излучения радиоволна в отсутствие возмущений является плоской, т.е. различие между фазой в точках поперечного сечения пучка неизменно и равно нулю. Если рассматривать когерентность как свойство сохранения фазовых соотношений между точками пространства, то поперечное расположение этих точек отражает пространственную когерентность, а вдоль распространения - временную когерентность, что имеет место при постоянстве частоты излучения (при монохроматическом сигнале). В случае существенного увеличения скорости сканирования (сверхсканирования) луча антенны эти условия не выполняются в традиционно известном плане.
При контроле параметрических полей возникает ряд задач, требующих теоретических исследований. Одной из таких задач является задача оптимизации закона сканирования, т.е. оптимального распределения поисковых усилий, на что обращено внимание, например, в работах Катыса Г.П., Гинзбург В.М., Бар-тона Д., Леонова С.А., Палия А.И., Воскресенского Д.И. и других авторов. Повышение радиальной разрешающей способности радиосистем привело к широкому применению систем идентификации объектов (явлений, процессов) и диагностики среды с обратным рассеиванием. В настоящее время в системах распознавания образов при формировании радиоизображений используются различные методы: квазиоптический, голографический, синтезирования апертуры, боковой обзор и сканирование диаграммы направленности антенны по определенному закону (сверхсканирование). При этом известный метод сверхсканирования при формировании радиоизображений использует информацию только об амплитудных характеристиках излучения. Для объектов, явлений и процессов радионаблюдения традиционно информативными признаками являются характеристики принимаемых волновых пучков и ограниченных импульсов, поэтому одна из главных задач системы распознавания состоит в разработке алгоритмов
распознавания, среди которых определяющими являются алгоритмы идентификации и методы измерения характеристик ограниченных импульсов. Рассматриваемые алгоритмы и методы взаимосвязаны и дополняют друг друга. Так как характеристики отраженных волновых пучков в сильной степени зависят от угла визирования, то в условиях измерения этого угла и, по возможности, прямым методом, при идентификации контрастного участка исследуемой области (параметрического поля, объекта, процесса или явления) можно с большей уверенностью прогнозировать его нестационарные параметры (характеристики ограниченных импульсов). Согласно работам, например, Горелика А.Л., Небабина В.Г., Бонгард М.М., Василенко Г.И., Ваккера Р.А., Льюнга М., Миленького А.В., Гон-салеса Р. решение задачи распознавания образов по характеристикам отраженных волновых пучков основывается на предположении, что априорно известно счетное множество характеристик отраженных волновых пучков классифицируемых образов. Т.е. среди известных методов распознавания с использованием: траекторных признаков, частотных параметров, пространственно-когерентной обработки принятых эхо-сигналов, поляризации, свойств матрицы рассеяния целей, получаемых видимых изображений образов и др., при решении задачи идентификации контрастных участков исследуемой области (объектов, явлений, процессов) часто рассматривают метод распознавания на основе характеристик отраженных волновых пучков (в том числе с использованием свойств матрицы рассеяния волновых пучков и траекторных признаков). Однако, на сегодняшний день нет единой методологической основы для математической теории оптимизации закона сверхсканирования луча антенны с учетом отражающих свойств контрастных участков исследуемой области (объектов, явлений, процессов).
Эффективное использование полей с пространственно модулированным волновым фронтом невозможно без развития соответствующих технических средств. В настоящее время использование радиосистем со сверхсканированием для решения насущных радиофизических задач ведется в различных направлениях разрозненно: обзор пространства, измерение координат, формирование радиоизображений, голография и пр. При этом производимая оценка достижимых характеристик и параметров сверхсканирующих систем не дает целостной картины построения таких радиосистем с учетом уже предложенных или предположительно возможных вариантов их построения. Первая попытка систематизированного анализа функционирования сверхсканирующих систем была осуществлена с геометрической точки зрения в работах Г.П. Катыса и отражала одну из сторон общего анализа таких радиосистем. На сегодняшний день наиболее полно возможности сверхсканирующих радиосистем и принципы их функционирования в различных режимах анализируются в работах В.М. Гинзбург. Однако
проведенный в них анализ не позволяет с достаточной для оценки полнотой предъявить взаимосвязанные требования к характеристикам антенной системы, блоку управления антенной и параметрам передатчика и приемника для обеспечения заданной функции, выполняемой радиосистемой со сверхсканированием. Более того, закон и скорость сканирования в значительной степени влияют на разрешение радиосистемы. Для получения высокого разрешения радиосистемами с малыми апертурами при распознавании образов используют математическую обработку на основе ортогональных базисных функций, образуемых из полученной выборки волновых полей с помощью алгоритма ортогонализации Грама - Шмидта. Поэтому при конструировании радиосистем со сверхсканированием необходимы компромиссные решения при выборе параметров: пространственного разрешения, времени накопления сигналов, ширины полосы пропускания по высокой частоте и скорости формирования радиоизображений (проекционных данных для томограммы), на что обращено внимание в обзорной работе Андреева Г.А. и Потапова А.А., в связи с чем известные цифровые методы обработки радиосигналов в ряде случаев не могут быть непосредственно использованы для организации работы радиосистем со сверхсканированием.
В рассматриваемом аспекте представляют научный интерес: разработка методов формирования волновых пучков в режимах излучения и приема сигналов радиосистемой в случае значительного увеличения скорости сканирования (сверхсканирования) луча антенны, исследование и разработка методов измерения характеристик принимаемых ограниченных импульсов при сверхсканировании луча антенны, исследование и разработка методологической основы и математической теории оптимизации законов сверхсканирования, разработка алгоритмов анализа радиосистем со сверхсканированием и обработки волновых пучков и ограниченных импульсов в случае быстропротекающих процессов. Все задачи объединены общей идеей анализа возможностей, возникающих за счет значительного увеличения скорости сканирования луча антенны, и взаимосвязаны, т.е. эффективное решение последующей задачи возможно при успешном решении предыдущей.
Таким образом, вопрос об анализе и разработке методологической концепции, математических основ и методов формирования волновых пучков и измерения характеристик принимаемых ограниченных импульсов в случае значительного увеличения скорости сканирования (сверхсканирования) луча антенны является важным и актуальным.
Цель диссертационной работы состоит в развитии электродинамики для решения задач формирования исходящих и приема рассеянных волновых пуч-
ков, измерения характеристик принимаемых ограниченных импульсов и оптимизации процесса управления лучом антенны в случае значительного увеличения скорости сканирования (сверхсканирования) луча антенны. Основные задачи научных исследований:
обобщение и развитие электродинамического метода решения задач формирования волновых пучков с требуемым амплитудным распределением во фронте волны в дальней зоне сканирующей антенны;
разработка методов и алгоритмов электродинамической задачи измерения характеристик принимаемых ограниченных импульсов в случае сверхсканирования луча антенны;
разработка методов и алгоритмов оптимизации процесса распределения энергетических ресурсов сверхсканирующей антенны с учетом отражающих свойств исследуемой (анализируемой) области;
применения разработанных электродинамических методов и синтезированных алгоритмов для моделирования работы, анализа и исследования функционирования существующих и перспективных информационных радиосистем.
Научная новизна диссертации определяется целью работы, кругом поставленных задач, решаемой научной проблемой, заключающейся в адаптивном управлении процессами формирования исходящих и приема рассеянных волновых пучков и измерения характеристик принимаемых ограниченных импульсов радиодиапазона в случае значительного увеличения скорости сканирования (сверхсканирования) луча антенны, и результатами, полученными впервые:
-
На основе обобщения и развития методов решения электродинамической задачи формирования и распространения электромагнитных волн радио-диапазона (волнового пучка) в дальней зоне введено понятие "динамический фронт волны", возникающее только в случае значительного увеличения скорости сканирования (сверхсканирования) луча антенны и отличающееся от известного понятия волнового фронта ("статический фронт волны") тем, что при излучении электромагнитной волны учитывается влияние скорости сканирования луча антенны.
-
С учетом введенного понятия динамического фронта волны разработаны универсальные методы и синтезированы алгоритмы, отражающие влияние закона сканирования луча антенны на параметры распределения интенсивности исходящего волнового пучка в дальней зоне и формирование ширины и пространственной ориентации слоя видимости при приеме волнового пучка.
-
С помощью разработанных универсальных методов формирования динамического фронта волны с заданным распределением интенсивности (или за-
держки) предложен метод томографирования для однопозиционной радиосистемы со сверхсканированием, и впервые введено понятие "диаграмма позиционного рассеяния", отражающее специфику получаемых при томографировании данных.
-
На основе учета влияния нелинейности и различия законов сканирования при излучении и при приеме волновых пучков разработаны и проанализированы новые методы и алгоритмы решения электродинамической задачи измерения характеристик принимаемых ограниченных импульсов, отраженных от контрастных элементов (например, от "светящихся" точек протяженного объекта, точечного объекта) исследуемой (анализируемой) области пространства. Разработанные методы позволили учесть (определить) местоположение контрастных элементов внутри формируемых слоев видимости и являются обобщением известных методов измерения характеристик принимаемых ограниченных импульсов на случай значительного увеличения скорости сканирования (сверхсканирования) луча антенны.
-
На основании решения задачи оптимизации процесса распределения энергетических ресурсов сканирующей радиосистемы с учетом отражающих свойств контрастных участков (контрастных элементов протяженной структуры) исследуемой (анализируемой) области пространства разработаны универсальные методы и синтезированы алгоритмы расчета оптимальных и субоптимальных законов сканирования на основе диаграммы обратного рассеяния контрастного участка исследуемой (анализируемой) области. Разработанные методы и алгоритмы являются прототипом фильтра Норса во временной области в случае сверхсканирования луча антенны и могут быть использованы при классификации и идентификации контрастных участков известного типа путем сравнения с эталонами.
-
На основе обобщения и развития математической теории оптимальных процессов с запаздыванием как задачи приближения функции в пространстве L2(ii) с закрепленными границами и заданными ограничениями разработаны методы решения оптимизационной задачи для определения закона сканирования, отличающиеся от вариационных методов Галеркина и Ритца. Разработанные методы позволяют в рассматриваемом случае решать вариационную задачу аналитически: либо на основе модернизированного метода Галеркина, либо без предварительного выбора системы аппроксимирующих функций на основе решения синтезированного дифференциального уравнения относительно искомой функции (закона сканирования).
-
В строгой постановке исследовано влияние конечных размеров ширины луча антенны и закона сканирования на достижимые энергетические харак-
теристики процесса оптимизации закона сканирования. Разработанный метод учета влияния конечных размеров анализирующего пятна и закона управления поисковыми усилиями является универсальным и позволяет учитывать энергетические затраты (потери) радаосистемы со сверхсканированием на излучение (при приеме) волновых пучков вне углового сектора сканирования.
8. Проведены исследования и разработаны новые цифровые методы регулируемой задержки сигналов и их корреляционной обработки, как с целью определения максимума корреляционной функции сильнокоррелированных сигналов, так и с целью повышения эффективности формировании логарифма функционала отношения правдоподобия на основе применения дискретных мультипликативных преобразований.
Кроме того, новизна проведенных исследований подтверждается авторскими свидетельствами СССР и патентами РФ на изобретения по оригинальным техническим решениям и способам, основанным на использовании введенного автором понятия динамического фронта волны, а также отсутствием публикаций других авторов с аналогичными результатами в открытой печати.
Научная и практическая значимость диссертационной работы.
Наибольшую научную значимость имеет обобщение и существенное развитие нового научного направления радиофизики, связанного с процессами формирования исходящих и приема рассеянных волновых пучков и их преобразования в случае существенного увеличения скорости сканирования (сверхсканирования) луча антенны. На основе впервые введенного автором понятия динамического фронта волны разработана теория процессов излучения, приема и обработки волновых пучков радиосистемами со сверхсканированием, позволяющая принципиально по-новому взглянуть на процессы формирования исходящих и приема рассеянных волновых пучков (динамический фронт волны), на возможности использования томографических принципов (однопозиционная совмещенная стационарная радиосистема и неподвижный объект наблюдения) и физическую интерпретацию получаемых проекционных данных (диаграмма позиционного рассеяния), дающая возможность сформулировать и решить принципиально новые классы задач:
оптимизации поисковых усилий и адаптации радиоснстем распознавания образов (объектов, явлений, процессов);
радиоконтроля и радиопротиводействия;
организации борьбы с направленными источниками преднамеренных и непреднамеренных помех;
информационного конфликта в спектре радиоволн;
пространственно-временной скрытности сигналов;
исследования окружающей среды и мониторинга;
измерения характеристик принимаемых ограниченных импульсов в случае сверхсканирования луча антенны для разнесенных (многопозиционных) радиосистем;
измерения характеристик принимаемых ограниченных импульсов в случае существенного относительного движения излучателя и приемника (или объекта);
повышения радиальной разрешающей способности радиосистем за счет генерации сверхширокополосных сигналов в режиме сверхсканирования;
повышения метрологических характеристик формирования сверхкоротких импульсов.
Практическая ценность работы заключается в том, что разработаны рекомендации по построению цифровых регулируемых линий задержки сверхширокополосных сигналов и дискриминаторов нового типа и алгоритмизации процесса формирования логарифма функционала отношения правдоподобия на основе дискретных мультипликативных лреобразований. Кроме того, разработанные теоретические положения о физических процессах, связанных с излучением, приемом и преобразованием волновых пучков однопозиционными радиосистемами со сверхсканированием являются основой для создания широкого класса алгоритмов:
функционирования радиотомографов,
оптимизации процесса сканирования фазированных антенных решеток,
обработки получаемых проекционных данных,
формирования динамического фронта волны исходящих волновых пучков и требуемых пространственного распределения и ширины слоев видимости, формируемых при приеме волновых пучков,
измерения характеристик отраженных ограниченных импульсов. Результаты разработки теоретических основ формирования и измерения
волновых пучков нашли применение в плановых, фундаментальных, заказных, поисковых и хоздоговорных научно-исследовательских работах по темам 2Н08605ПР (1987, 1988), 1АН08604Р (1988), 1АН08605Р (1989), 1Н08804 (1990, 1991), 1АН09001Р (1992), 1Н09103 (1992), 1АН09401Р (1994), АН09311 (1994, 1995), 1Н09404 (1995) и других, что отражено в 24 отчетах о НИР. Результаты были использованы на предприятии, в научно - исследовательских институтах, научно-техническом комитете и учебном заведении:
Ростовском военном институте ракетных войск в дисциплинах: "Устрой-
ства приема и передачи сигналов в сетях АСУ и связи", "Цифровые измерительные приборы", "Информационно-измерительные системы";
Центральном научно-исследовательском институте автоматики и гидравлики (согласно руководимым х/д НИР №1493, инв.№2/НИО РВИ РВ, и х/д НИР №794, инв.№7/НИО РВИ РВ):
при обосновании модели функционирования комплекса и оценке соответствия его эффективности тактико-техническим требованиям;
при экспертизе эскизных и технических проектов. Научно-исследовательском институте МО:
при разработке и обосновании математической модели функционирования информационно - измерительных систем обнаружения, идентификации и измерения параметров движения целей;
при экспертизе эскизных проектов перспективных информационно -измерительных систем;
при научно-техническом сопровождении работ по созданию информационно - измерительных систем нового поколения и обоснования ее тактико-технических характеристик.
Научно-техническом комитете МО:
при разработке и обосновании математической модели функционирования перспективных информационно - измерительных систем поиска и сопровождения целей;
при научно-техническом сопровождении фундаментальных работ по разработке облика перспективной информационно - измерительной системы на базе новых информационных технологий и исследованию возможностей обнаружения и идентификации воздушных целей.
Ростовском научно-исследовательском институте радиосвязи при создании экспериментального образца дискриминатора и цифровой регулируемой линии задержки.
Внедрение результатов исследований подтверждено соответствующими документами.
Основные результаты и выводы диссертации могут быть рекомендованы для использования в МИРЭА, ЦНИИАГ, ЦНИИРТИ, МАИ, КАИ, КуАИ, ИРЭ РАН, МГУ, ВА им. Петра Великого, ВА им. Можайского, РНИИРС, ТГРТУ и Пр., а также на предприятиях радиотехнического профиля для исследования окружающей среды и подземных объектов, локации, навигации и т.д.
Достоверность и обоснованность результатов, полученных в диссерта-тии, обеспечиваются строгой постановкой решаемых задач, использованием ма-
тематических методов оптимизации, выбором математических моделей, адекватно отражающих рассматриваемые физические процессы, и подтверждаются внутренней сходимостью используемых методов решения и полученных результатов к известным результатам других авторов путем соответствующих предельных переходов и четким ограничением условий функционирования разработанных методов и алгоритмов, положительными результатами обсуждения работ автора на научных конференциях, положительными отзывами на статьи и выступления автора, в которых отмечается его приоритет, а также успешным внедрением и практическим подтверждением авторскими свидетельствами и патентами результатов, полученных в диссертации.
Основные результаты и положения, выносимые на защиту:
-
Разработанные основы, методы и алгоритмы формирования волновых пучков с учетом особенностей сверхсканирования луча антенны применительно к решению задач электродинамики по распространению электромагнитных волн.
-
Новый метод отображения внешней контролируемой области пространства во внутреннюю область наблюдения стационарной совмещенной приемо-передающей радиосистемой за счет целенаправленного управления процессами формирования исходящих волновых пучков и слоев видимости при приеме рассеянных волновых пучков.
-
Обобщение и развитие методов измерения характеристик принимаемых ограниченных импульсов на случай непостоянства законов сканирования луча антенны и неоднозначности положения контрастного элемента исследуемой области внутри формируемого слоя видимости.
-
Новые теоретические результаты и закономерности, установленные при оптимизации законов управления процессом распределения энергетических ресурсов радиосистемы с учетом отражающих свойств исследуемой области (контрастных участков), полученные на основе развитых, разработанных или используемых в работе методов и алгоритмов.
-
Разработанный метод и алгоритмы для решения задачи учета энергетических потерь радиосистемы со сверхсканированием вне угловых размеров идентифицируемых контрастных участков исследуемой (анализируемой) области пространства, возникающих за счет конечных размеров ширины луча антенны и непостоянства закона сканирования.
-
Обобщение и развитие методов и алгоритмов для решения задач практического применения цифровых методов обработки быстропротекающих процессов, анализ и синтез устройств практической реализации разработанных методов.
Личный вклад автора. Основные результаты диссертационной работы получены и опубликованы автором самостоятельно (37 работ из 78 публикаций автора, приведенных в списке литературы). Некоторые материалы получены в соавторстве при рассмотрении общих задач исследований (21 работа из 78 публикаций автора, приведенных в списке литературы) [4, 9, 12 - 18, 22, 23, 25 - 29, 31, 33, 35, 44, 61]. Основная часть материалов, полученная в соавторстве, носит прикладной характер и отражает практическую направленность реализации теоретических положений работы. Автору принадлежат идеи, определяющий вклад в постановку задач, либо получение основных результатов. Остальные материалы получены под непосредственньм руководством автора его последователями и учениками (20 работ из 78 публикаций автора, приведенных в списке литературы).
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 357 страницах текста, включая 277 страниц основного текста, состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 295 наименований на 23 страницах, включая 78 публикаций автора, и содержит 59 рисунков на 56 страницах.
