Содержание к диссертации
Введение
1. Угломерные системы пассивной локации с обработкой информации в частотно-временном анализаторе с быстрым спектральным анализом 12
1.1. Методический подход к решению задачи структурного анализа адаптивных многопозиционных систем пассивной локации 14
1.2. Разработка алгоритма матричного преобразования получаемой информации в угломерных системах пассивной локации для отождествления результатов измерений 18
1.3. Математическое моделирование частоти о-временного анализатора с быстрым спектральным анализом 32
1.4. Математическое моделирование моноимпульсного пеленгатора с обработкой сигналов в частотно-временном анализаторе 40
2. Разработка алгоритмов распознавания - отождествления сигналов источников радиоизлучения в угломерных системах пассивной локации 46
2.1. Структурная схема модели моноимпульсного пеленгатора с цифровой обработкой информации 47
2.2. Блок моделирования физических устройств 50
2.2.1. Алгоритм геометрических расчетов 50
2.2.2. Алгоритм формирования сигналов 52
2.3. Алгоритмы первичной цифровой обработки сигналов 54
2.3.1. Алгоритм быстрого преобразования Фурье 55
2.3.2. Алгоритмы цифровой фильтрации и восстановления сигналов 63
2.4. Алгоритмы распознавания образов 65
2.4.1. Опознавание образов по критерию наименьшего расстояния 68
2.4.2. Синтез пороговых функций 71
2.4.3. Статистическая модель системы опознавания образов 76
2.4.4. Машинное обучение 80
2.4.5. Решающее правило 91
2.4.6. Разделение на два класса 94
2.4.7. Реализация и результаты оценки эффективности алгоритмов автоматической классификации 97
2.5. Руководство по работе с моделью 115
3. Разработка методов обработки информации в лазерных системах со сверх разрешением объектов в радиальном направлении на основе учёта взаимного влияния пространственных и временных параметров сигналов 129
3.1. Анализ применимости в лазерных информационных системах алгоритмов оптимальной обработки радиотехнических сигналов при априорной неопределенности их частотно-временной структуры 130
3.2. Оптимальная временная обработка сверх коротких лазерных импульсов в элементах пространственного разрешения 134
3.3. Пространственно-временная корреляционная функция флуктуации сверх короткого импульса, рассеянного на кривой шероховатой поверхности 137
3.4. Метод определения формы поверхности объекта 143
Заключение 152
Список литературы 153
Приложение 164
- Методический подход к решению задачи структурного анализа адаптивных многопозиционных систем пассивной локации
- Структурная схема модели моноимпульсного пеленгатора с цифровой обработкой информации
- Анализ применимости в лазерных информационных системах алгоритмов оптимальной обработки радиотехнических сигналов при априорной неопределенности их частотно-временной структуры
Введение к работе
Актуальность темы. Среди комплекса задач, возлагаемых на средства контроля воздушно-космического пространства, распознавание объектов по их координатным и некоординатным признакам и обработка получаемой информации представляют собой одну из сложных и актуальных научно-технических проблем. Решение этой проблемы осуществляется на основе применения информационных средств радио- и оптического диапазонов длин волн. Так, для контроля космического, пространства создан специальный радиооптический комплекс, содержащий активные радиолокационные и оптико-электронные информационные средства. Для решения задачи контроля воздушного пространства наряду с активными применяют автономные и многопозиционные системы пассивной локации (МСПЛ).
Качественные показатели систем получения и обработки информации можно повысить на основе совместного использования пространственных, временных и частотных параметров сигналов. В средствах МСПЛ, особенно в частотно-временном анализаторе (ЧВА) с быстрым спектральным анализом (БСА), в ходе первичной обработки информации взаимное влияние частотных и временных параметров сигналов, несомненно, учитывается. В то же время при вторичной обработке информации на пункте управления совместному использованию пространственных и частотно-временных параметров сигналов уделяется недостаточное внимание. В первую очередь это касается решения задачи отождествления результатов измерений в разнесенных пунктах приема.
Кардинальным решением проблемы отождествления результатов измерений пространственных координат источников радиоизлучения (ИРИ) может послужить использование результатов оценивания частотно-временных параметров сигналов (средняя несущая частота, спектр сигнала, длительность и период следования импульсов и др.). Идея параметрического отождествления результатов измерений высказывалась. Однако алгоритмы обработки информации не были разработаны и решение проблемы оставалось на уровне идеи. В связи с этим разработка и исследование алгоритмов обработки информации в
целях решения рассматриваемой проблемы требуют своего решения. Ввиду ее сложности необходимо выполнить широкомасштабное математическое моделирование.
В лазерных информационных системах необходимость учета взаимного влияния пространственных и временных параметров сигналов носит иной характер, особенно при облучении объекта импульсом со сверхразрешением в радиальном направлении. В то же время несмотря на особенности электромагнитного излучения в радио- и оптическом диапазонах длин волн, в вопросах обработки информации можно найти много общего. В связи с этим в плане постановки задачи не следует раздельно рассматривать обработку информации в различных диапазонах длин волн, целесообразно искать общность и взаимное использование полученных результатов. Эта общность наиболее ярко проявляется при рассмотрении алгоритмов оценивания частотно-временной структуры сигналов ИРИ в средствах радиотехнического контроля воздушного пространства и в лазерных информационных системах при пространственно-временной обработке сигналов со сверхразрешением в радиальном направлении. Проведенный краткий анализ дает основание считать тему диссертации актуальной.
Объектом исследования являются системы контроля воздушно-космического пространства.
Предметом исследования являются методы и алгоритмы обработки информации в угломерных системах пассивной локации и лазерных системах на основе совместного использования пространственных, временных и частотных параметров сигналов.
Целью диссертационного исследования является совершенствование методов и алгоритмов обработки радиотехнической и лазерной информации на основе совместного использования пространственных, временных и частотных параметров сигналов.
Для достижения поставленной цели сформулирована научная задача, а именно: разработка методов и алгоритмов обработки информации на основе совместного использования пространственных, временных и частотных параметров сигналов.
Декомпозиция поставленной задачи в диссертационной работе свелась к рассмотрению совокупности следующих частных логически взаимосвязанных задач:
-
Угломерные системы пассивной локации с обработкой информации в частотно-временном анализаторе с быстрым спектральным анализом.
-
Разработка алгоритмов распознавания - отождествления сигналов источников радиоизлучения в угломерных системах пассивной локации.
-
Разработка методов обработки информации в лазерных системах со сверхразрешением объектов в радиальном направлении на основе учёта взаимного влияния пространственных и временных параметров сигналов.
Совокупность указанных задач и определяет в основном структуру и содержание данной диссертационной работы.
Методы исследования: теоретические и математическое моделирование.
В результате проведенного диссертационного исследования в работе получен ряд новых научных результатов, основные из которых выносятся на защиту:
-
Математическая модель физических устройств моноимпульсного пеленгатора.
-
Алгоритмы распознавания-отождествления, разработанные на основе совместного использования пространственных и частотно-временных параметров сигналов.
-
Алгоритмы пространственно-временной обработки лазерных сигналов при априорной неопределенности формы поверхности объекта.
-
Метод определения формы поверхности объекта на основе совместного использования пространственных и временных параметров лазерных сигналов.
Научная новизна работы заключается в совершенствовании методов и алгоритмов обработки радиотехнической и лазерной информации на основе совместного использования пространственных, временных и частотных параметров сигналов и содержит следующие результаты:
1. Математическая модель физических устройств моноимпульсного пеленгатора.
-
Алгоритмы и математическое моделирование цифровой обработки информации в моноимпульсных пеленгаторах угломерной системы пассивной локации.
-
Алгоритмы распознавания-отождествления, разработанные на основе совместного использования пространственных и частотно-временных параметров сигналов.
-
Аналитическое выражение для пространственно-временной корреляционной функции флуктуации сверхкороткого импульса, рассеянного на кривой шероховатой поверхности.
-
Алгоритмы пространственно-временной обработки лазерных сигналов при априорной неопределенности формы поверхности объекта.
-
Метод определения формы поверхности объекта на основе совместного использования пространственных и временных параметров лазерных сигналов.
Научная значимость результатов исследования заключается в совершенствовании методов и алгоритмов обработки информации на основе совместного использования пространственных, временных и частотных параметров сигналов. Разработанный подход к решению задачи структурного анализа адаптивных многопозиционных систем пассивной локации может служить основой для проведения научных исследований по рассматриваемой тематике. Созданные математические модели можно использовать для дальнейшего совершенствования алгоритмов обработки информации в многопозиционных системах пассивной локации. Установленная применимость в лазерных информационных системах алгоритмов оптимальной обработки радиотехнических сигналов при априорной неопределенности их частотно-временной структуры оказывается весьма плодотворной в проведении научных исследований.
Кроме того, полученные новые научные результаты расширяют представления о возможностях математического моделирования в решении задач обработки информации.
Практическая значимость результатов исследования заключается в следующем:
1. Обоснованный подход к решению задачи структурного анализа позво-
ляет вести разработку адаптивных многопозиционных систем пассивной локации, обеспечивающих высокие качественные показатели.
-
Внедрение разработанных алгоритмов распознавания-отождествления в МСПЛ может повысить их эффективность.
-
Разработанные алгоритмы распознавания образов применимы не только для решения задачи отождествления результатов измерений в УС, но и в решении задачи распознавания носителей ИРИ.
-
Метод определения формы поверхности объекта составляет основу для измерения оптической передаточной функции (ОПФ) системы атмосфера-телескоп, что, в свою очередь, открывает возможность решать задачи восстановления искаженных изображений.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечена корректностью постановки задач, всесторонним анализом возможных вариантов их решения на основе использования многочисленных литературных источников и опыта разработки станций радиотехнической разведки (РТР). Достоверность математических моделей физических устройств получения и первичной обработки информации в моноимпульсном пеленгаторе подтверждается совпадением вида сигналов на выходе реальных физических устройств и их соответствующих моделей. В основу разработки алгоритмов отождествления результатов измерений в УС положены фундаментальные достижения в теории опознавания образов по критерию наименьшего расстояния.
Полученные новые научные результаты имеют ясную физическую трактовку и не противоречат общепринятым представлениям.
Апробация результатов исследования. Основные теоретические положения и практические результаты работы докладывались и обсуждались на XI международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация связь» (RLNC * 2005) в Воронеже, а также на научно-технических конференциях Ярославского ЗРИ ПВО в 2002 г., ЦНИИП в 2005 г. (Моск. обл., г. Жуковский) и 2 ЦНИИ МО РФ в 2005 г.
Материалы диссертационной работы были опубликованы в 10 печатных работах, из них статей 8.
Структура и объем диссертационной работы. Работа состоит из введения, 3 разделов, заключения, списка использованных источников из 128 наименований и приложения. Содержание работы изложено на 174 листах машинописного текста, иллюстрируется 51 рисунком и 4 таблицами.
Личный вклад автора в проведённое диссертационное исследование со-стоит в следующем. Лично автором выполнено математическое моделирование физических устройств получения и первичной обработки информации в моноимпульсном пеленгаторе, а также разработаны алгоритмы и математические модели распознавания-отождествления сигналов ИРИ в МСПЛ. Кроме того, лично автором разработаны алгоритмическая и программная реализация задачи генерации последовательностей случайных объектов на основе их законов распределения для оценки эффективности алгоритмов автоматической классификации. Указанные положения составляют основу выполненного диссертационного исследования. При этом две статьи опубликованы без соавторов, причем одна из них в издании перечня ВАК [10].
Методический подход к решению задачи структурного анализа адаптивных многопозиционных систем пассивной локации
Первый уровень основан на триангуляционном методе определения координат ИРИ угломерной системой, где производится измерение координат и параметров излучаемых сигналов всех ИРИ, а затем параметрическое их распознавание. В качестве приемных пунктов можно предложить использование станций 85В6-Е «Орион». Высокая точность (12...15 мин. по угловым координатам и 2...3% от дальности) определения координат ИРИ достигается за счет остронаправленных антенн станции «Орион» и моноимпульсного метода пеленгования сигналов.
Второй уровень высокоточного определения угловых координат ИРИ (3...6 мин) достигается угло мерно-разно стн о-дальномерной системой (УРДС), построенной на базовых корреляционных модулях (БКМ). БКМ представляет собой систему, состоящую из центрального приемного пункта (станции РТР типа «Орион») и 3-4 вынесенных на 5...6 км и более простых приемных пунктов с всенаправленными антеннами (станция типа «Охота»).
Третий уровень представляет собой систему, построенную на основе УС с вынесенными БКМ в качестве пеленгаторов, где осуществляется высокоточное определение координат ИРИ (1..2 мин. по угловым координатам и 1.,.2% от дальности). В процессе обнаружения принимаемых колебаний обе системы могут работать автономно или совместно. В последнем случае появляется возможность заметного повышения точностных характеристик по дальности за счет использования более точных пеленгов УРДС по сравнению с автономной станцией РТР.
Таким образом, по результатам проведённого исследования можно сделать вывод о том, что комбинированная система обладает свойствами устойчивости, живучести и гибкости. В зависимости от требуемых характеристик можно менять её облик, используя тот или иной состав многопозиционной системы. При этом такая система является адаптивной к различным видам сигналов.
Решение задачи структурного анализа адаптивных систем пассивной локации связано с перспективными разработками, поскольку в нашей стране среди возможных МСПЛ, к сожалению, нашли применение лишь угломерные системы. Так, например, создана, поставлена инозаказчику и находится в эксплуатации угломерная система 85В6 «Вега» с 2000-ого года. В связи с этим совершенствование алгоритмов обработки информации в таких системах до сих пор остаётся актуальным.
Структурная схема модели моноимпульсного пеленгатора с цифровой обработкой информации
Психология восприятия учит нас [36], что человек, на органы чувств которого действуют соответствующие возбуждения, распознает образ, если он способен выполнить следующие операции:
- сопоставлять полученные возбуждения с теми, которые он получил ранее, и устанавливать аналогии между ними;
- отличать эти возбуждения от тех, которые соответствуют другим образам.
Таким образом, возникают понятия восприятия информации, ее анализа и классификации.
Первая фаза — восприятие — имеет очень большое значение. Даже самый лучший метод распознавания не позволит эффективно обрабатывать исходные данные, если они содержат ошибки или не относятся к данному образу. В дальнейшем будем считать, что физическое устройство восприятия (в нашем случае — приемник) свободно от этих недостатков в достаточной степени, но сами образы имеют отклонения от своих эталонов. Поэтому первый действительно алгоритмический блок модели представляет устройство цифровой обработки сигнала для улучшения его информативных свойств и устранения посторонних признаков, приводящих к увеличению вероятности ошибки дальнейшего распознавания образа.
Содержание дальнейших рассуждений составляют вторую и третью фазы восприятия информации — анализ и классификация.
Вторая фаза представляет собой описание объекта с помощью признаков. Любой датчик отражает только собственное состояние (например, термометр показывает, по существу, лишь свою собственную температуру), и он служит для того, чтобы формировать сигналы (признаки), по которым затем происходит распознавание объекта наблюдения.
Каждый может убедиться в том, что мы воспринимаем не сам объект, а скорее конкретные понятия, связанные с его представлением. Это представление соответствует совокупности свойств, связанных с объектом, и оно может быть различно у каждого наблюдателя.
В широком смысле, для определения одного и того же объекта может быть выбрано бесконечное множество характерных признаков. Это приводит к парадоксальному заключению о том, что множество объектов не может быть априори расклассифицировано.
Если 9 есть множество рассматриваемых объектов, то на практике основываются на множестве, состоящем из сокращенного набора признаков, иначе говоря, на отображении в в пространство заданных признаков. Эта задача типична для факторного анализа [27]. При выборе этого пространства, обычно существенного для процедуры распознавания, руководствуются ранее полученными знаниями.
На практике представление образа базируется на рассмотрении п символов, которые объединены либо в упорядоченной последовательности, где само их расположение в последовательности несет в себе информацию, либо в список различных составляющих (признаков), которые могут быть оценены либо качественно, либо количественно. В нашем случае мы будем иметь дело с количественными величинами, которые измеряются без потери информативности. Некоторых данных иногда не хватает [45]. Исходные измерения относятся достаточно часто к большему числу признаков. Если р — число первичных признаков, то система предварительной обработки уменьшает число признаков до и, причем всегда п р.
Анализ применимости в лазерных информационных системах алгоритмов оптимальной обработки радиотехнических сигналов при априорной неопределенности их частотно-временной структуры
В начале 60-х годов после создания лазеров началось интенсивное развитие теории и техники обработки сигналов в лазерных информационных системах. К числу первых фундаментальных достижений следует отнести работы А. А. Курикши [61], П. А. Бакута [76, 77], Дж. Гудмена [78], и др. В основу проводимых исследований были положены достижения теории радиолокации, а оптическая локация в 70-е годы оформилась в самостоятельное научное направление.
В то же время теория и техника обработки радиотехнических сигналов продолжали развиваться, и вполне естественным является рассмотрение вопроса о применимости в лазерных информационных системах последних достижений в области обработки радиотехнических сигналов. Обратимся к методам и алгоритмам обработки сигналов источников радиоизлучения, которая реализуется в станциях радиотехнической разведки (РТР) и осуществляется при априорной неопределенности частотно-временной структуры сигналов. К числу основных неизвестных параметров радиосигналов можно отнести: несущую частоту и параметры модуляции, время прихода, длительность, частоту повторения импульсов, амплитуду и начальную фазу. Из-за наличия большого количества неизвестных параметров сигналов вопросы их оптимальной обработки до сих пор разработаны явно недостаточно.
В работе [79] и в последующей [80] решены частные задачи обработки сигналов, рассмотрены вопросы раздельного измерения угловых координат объектов, несущей частоты, длительности и частоты повторения сигналов. При этом структура сигналов в основном полагалась простой, время измерения их параметров достаточно большим, плотность потока сигналов достаточно малой, а методы их обработки полагались в основном эвристическими. В результате такие подходы к обработке радио- и радиотехнических сигналов сопровождаются большими энергетическими потерями, не позволяют производить обработку реальном масштабе времени в условиях плотных информационных потоков, а также конструктивно решать задачи надежного определения их параметров и последующего распознавания. Такая возможность, однако, появилась в результате развития теории статистического синтеза информационных систем в условиях априорной неопределенности [67,68,81].
В рамках общей постановки и решения задачи диссертационного исследования следует обратить внимание на два обстоятельства. Во-первых, теория статистического синтеза алгоритмов оптимальной обработки радиотехнических сигналов до середины 80-х1 годов развивалась в основном при условии раздельного оценивания параметров сигналов. Во-вторых, совершенствование этой теории проходило параллельно с развитием теории обработки информации в лазерных системах, однако, взаимные ссылки на получаемые результаты исследования практически отсутствуют. Покажем, что последние достижения в теории и технике радиотехнической разведки [66, 82] можно применить для решения задачи пространственно-временной обработки сверхкоротких лазерных импульсов [83-85].
Похожие диссертации на Разработка методов и алгоритмов обработки информации на основе совместного использования пространственных, временных и частотных параметров сигналов
