Содержание к диссертации
Введение
1 Методы и алгоритмы обработки сигналов атмосфериков 10
1.1 Вводные замечания 10
1.2 Основные свойства грозовых разрядов 12
1.3 Модели сигналов атмосфериков 16
1.4 Методы обработки сигналов атмосфериков 20
1.5 Статистические методы обнаружения и оценивания параметров сигналов 30
1.6 Постановка задач диссертационного исследования 35
1.7 Выводы 38
2 Оптимальная обработка сигналов атмосфериков в базисе Фурье 39
2.1 Вводные замечания 39
2.2 Разработка математической модели сигналов атмосфериков 40
2.3 Синтез алгоритма многопараметрической обработки сигналов атмосфериков 50
2.4 Методика анализа алгоритма обнаружения сигналов атмосфериков 60
2.5 Анализ алгоритма многопараметрического оценивания сигналов атмосфериков 67
2.6 Исследование влияния границ частотного диапазона на погрешность оценивания параметров сигналов атмосфериков 72
2.7 Выводы 77
3 Обработка сигналов атмосфериков в условиях статистической априорной неопределенности 79
3.1 Вводные замечания 79
3.2 Алгоритм адаптации при многопараметрическом оценивании сигналов атмосфериков на фоне помех 81
3.3 Инвариантное обнаружение сигналов атмосфериков 84
3.4 Реализация алгоритмов обработки сигналов атмосфериков на базе цифровых сигнальных процессоров 92
3.5 Выводы 100
4 Экспериментальное исследование алгоритмов обработки сигналов атмосфериков 101
4.1 Вводные замечания 101
4.2 Описание экспериментальной установки 102
4.3 Экспериментальное определение распределения значений токового момента грозовых разрядов 104
4.4 Исследование эффективности алгоритмов оценивания дальности до грозовых разрядов 106
4.5 Оценивание параметров сигналов атмосфериков на основе экспериментально полученных данных 113
4.6 Исследование эффективности алгоритма адаптации при оценивании на фоне помех 116
4.7 Выводы 119
Заключение 121
Библиографический список 123
Приложения 132
- Статистические методы обнаружения и оценивания параметров сигналов
- Синтез алгоритма многопараметрической обработки сигналов атмосфериков
- Реализация алгоритмов обработки сигналов атмосфериков на базе цифровых сигнальных процессоров
- Исследование эффективности алгоритмов оценивания дальности до грозовых разрядов
Введение к работе
Актуальность темы. Атмосферики - электромагнитное излучение грозовых разрядов (ГР) - являются представителями класса импульсных сигналов природного происхождения. Радиотехнические устройства (РТУ) обработки сигналов атмосфериков (СА) находят широкое применение на транспортных, взрывоопасных и пожароопасных объектах для предупреждения грозовой опасности, а также в целях экологического мониторинга. Ряд отраслей хозяйства, такие как энергетика, нефте- и газоперерабатывающая промышленность, наливные терминалы, склады взрывоопасных и пожароопасных средств, лесное хозяйство, службы экологического мониторинга и транспорта являются потребителями РТУ оперативного обнаружения и оценивания параметров СА.
Проблеме обработки СА посвящены работы И.И. Кононова [1-5], В.Д. Степаненко [6, 7], СМ. Гальперина [3, 6-9], Н.А. Файзулина [10, 11], М.С. Александрова [12-14], В.А. Епанечникова [12, 15, 16], Ю.Н. Паршина [17-23], М.А. Юмана [24], Е.П. Крайдера [24], Д.Е. Проктора [25] и других ученых. В известных работах наиболее остро ставится вопрос об оценивании дальности до ГР.
Обработка СА затрудняется неопределенностью формы и неизвестными моменты появления сигналов. Для решения данной задачи используются мно-гопунктовые и однопунктовые, активные и пассивные, алгоритмы ближней и дальней зон и т.д. Однако, известные алгоритмы не учитывают в комплексе неопределенность формы СА, различия облачных (ОГР) и ГР облако-Земля (03), их протяженность в пространстве, высоту точки наблюдения (ТН) и наличие шумов.
Неопределенность формы сигналов, наличие шумов и помех в сверхнизкочастотном диапазоне являются одними из отличительных особенностей задач обработки СА, решаемых методами статистической радиотехники. Методы статистической обработки сигналов во временном и спектральных базисах нашли отражение и развитие в работах отечественных и зарубежных ученых:
5 В.А. Котельникова [26], Б.Р. Левина [27, 28], A.M. Трахтмана [29], А.П. Трифонова [30, 31], В.И. Тихонова [32-35], Ю.Г. Сосулина [36-38], В.Г. Гусева [39], М.С. Бартлетта [40], Г. Ван Триса [41], Д. Бриллинджера [42], К.Р. Рао [43] и др.
В связи с быстрым развитием средств цифровой техники и широкими возможностями обработки сигналов на их основе актуальна разработка алгоритмов обработки СА, использующих дискретное представление процессов. Обработка информации в спектральном базисе Фурье обусловлена вычислительной эффективностью компенсации сосредоточенных по спектру помех, фильтрации сигналов и выполнения линейных операций интегрирования и дифференцирования, в частности, при описании трасс распространения СА. Значительное разнообразие вариантов пространственной ориентации ГР обуславливает необходимость оценивания множества параметров СА, характеризующих положение разрядов.
Вышесказанное подтверждает актуальность разработки и исследования алгоритмов многопараметрической обработки СА в спектральном базисе Фурье и РТУ, реализованных на их основе, с использованием методов статистической радиотехники, обеспечивающих инвариантность к изменению формы реализаций СА, учет типа и пространственной протяженности ГР, высоты ТН, что в совокупности позволяет повысить эффективность обработки Основной целью данной работы является повышение эффективности обработки СА РТУ путем синтеза однопунктовых алгоритмов обнаружения и многопараметрического оценивания СА в спектральном базисе Фурье. Задачи исследований.
1. Разработка математической модели СА в спектральном базисе Фурье, включающей стохастическую, учитывающую в среднем неопределенность в форме обрабатываемых сигналов, и квазидетерминированную, описывающую положение пространственно протяженных произвольно ориентированных линейных ГР с учетом высоты ТН, составляющие, где
линейный разряд рассматривается как аппроксимация ГР со сложной пространственной конфигурацией.
Синтез и анализ оптимального алгоритма совместного обнаружения на основе критерия Неймана-Пирсона и максимально-правдоподобного оценивания вектора параметров (далее алгоритма многопараметрического оценивания) СА в базисе Фурье на основе разработанной математической модели с учетом шумов наблюдения.
Разработка алгоритма адаптации при многопараметрическом оценивании СА в базисе Фурье на фоне стационарных сосредоточенных по спектру помех.
Разработка инвариантного относительно плотности распределения вероятностей (ПРВ) шумов с фиксированной формой спектральной плотности мощности (СПМ) для вероятности ложной тревоги (ВЛТ) алгоритма обнаружения СА.
Экспериментальное исследование полученных алгоритмов обработки СА с помощью численного имитационного моделирования и натурных испытаний.
Методы исследований. При проведении исследований по диссертационной работе использовались методы статистической радиотехники, математической статистики, спектрального анализа и матричного исчисления. Анализ полученных решений проводился с использованием аналитических методов, численного имитационного моделирования и натурного эксперимента.
Научная новизна. В рамках данной работы получены следующие новые научные результаты.
1. Разработана математическая модель СА в спектральном базисе Фурье, учитывающая в среднем неопределенность в форме обрабатываемых сигналов на основе стохастического описания токового момента ГР, положение пространственно протяженных произвольно ориентированных линейных разрядов и значение высоты ТН с помощью уравнений распространения электромагнитного поля (ЭМП) при квазидетермини-
7 рованных параметрах.
Синтезирован алгоритм однопунктового совместного обнаружения на основе критерия Неймана-Пирсона и многопараметрического оценивания СА в спектральном базисе Фурье с использованием разработанной математической модели, позволяющий проводить оценивание параметров сигналов, полностью характеризующих положение линейных пространственно протяженных произвольно ориентированных ГР, и повысить точность их оценивания по сравнению с известными алгоритмами.
Исследовано влияние границ частотного диапазона принимаемых С А на погрешность оценивания их параметров с использованием уравнений для границ Рао-Крамера.
Разработан алгоритм адаптации при оценивании вектора параметров С А в базисе Фурье на фоне стационарных сосредоточенных по спектру помех.
Разработан инвариантный относительно ПРВ шумов с фиксированной формой СПМ для ВЛТ алгоритм обнаружения СА.
Практическая значимость и внедрение результатов работы. Представленные в работе алгоритмы и структурные схемы РТУ обработки сигналов могут найти применение в системах метеонавигации, грозопредупреждения и экологического мониторинга, а также в устройствах обработки сигналов с датчиков звуковых и электромагнитных колебаний. Реализация результатов исследований позволит повысить точность оценивания параметров СА по сравнению с существующими алгоритмами, в том числе на фоне стационарных сосредоточенных по спектру помех; оценивать параметры, полностью характеризующие положение произвольно ориентированных пространственно протяженных линейных ГР; реализовывать эффективные обнаружители СА.
Результаты диссертационной работы внедрены в разработку изделия по Государственному оборонному заказу №5145 от 02.06.2004 под шифром "Родонит", а также в учебный процесс ГОУ ВПО "Рязанский государственный радиотехнический университет" (РГРТУ), что подтверждается соответствующими
8 актами.
Достоверность и обоснованность основных результатов диссертационной работы обеспечиваются применением при разработках и исследованиях методов, которые базируются на основе статистической теории обнаружения и оценивания сигналов; согласованием результатов, полученных временными и спектральным алгоритмами; сходимостью в частных случаях полученных и известных результатов; работоспособностью алгоритмов, показанной на основе натурных испытаний.
Основные положения, выносимые на защиту.
Алгоритм однопунктового совместного обнаружения на основе критерия Неймана-Пирсона и многопараметрического максимально-правдоподобного оценивания СА в спектральном базисе Фурье с использованием разработанной математической модели, позволяющий проводить оценивание параметров сигналов, полностью характеризующих положение линейных пространственно протяженных произвольно ориентированных ГР, исключить вычислительно затратные операции обращения матриц и вычисления определителей и повысить точность оценивания дальности в 1,5-11 раз по сравнению с импульсным ЕН-методом на основе фильтров антитрасс.
Алгоритм адаптации при многопараметрическом оценивании СА в базисе Фурье на фоне сосредоточенных по спектру помех, обладающих интервалом стационарности на порядок большим, чем длительность принимаемых сигналов, позволяющий повысить точность оценивания дальности до ГР в 1,1-2,0 раза.
Инвариантный относительно ПРВ шумов с фиксированной формой СПМ алгоритм обнаружения СА, обеспечивающий постоянство ВЛТ и позволяющий снизить в 6,0-9,8 раз вычислительные затраты на обнаружение по сравнению с синтезированным оптимальным алгоритмом обнаружения.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на
9 следующих конференциях: 7-я Всероссийская научно-техническая конференция (НТК) студентов, молодых ученых и специалистов "Новые информационные технологии в научных исследованиях и в образовании", Рязань, РГРТА, 2002 г.; 38, 39-я НТК РГРТА, Рязань, РГРТА, 2004, 2006 гг.; Всероссийская научно-практическая конференция "Радиолокационная техника-2004: устройства, станции, системы", Муром, МЗРИП, 2004 г.; 3-я Международная НТК "Авиация и космонавтика-2004", Москва, МАИ, 2004 г.; 13, 14-я Международные НТК "Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций", Рязань, РГРТА, 2004, 2005 гг.; 17-я Всероссийская НТК студентов, молодых ученых и специалистов "Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы-2004", Рязань, РГРТА, 2004 г.; 23-й Всероссийский симпозиум "Радиолокационное исследование природных сред", С. Петербург, НИЦ-2 4-ЦНИИ МО РФ, 2005 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ. Из них 3 статьи в межвузовских и ведомственных сборниках научных трудов, 1 в журнале, включенном в перечень ВАК, и 9 тезисов докладов на конференциях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 112 наименования и трех приложений. Диссертация содержит 150 страниц, в том числе 131 страницу основного текста, шесть таблиц и 37 рисунков.
Благодарности. Автор выражает глубокую признательность научному руководителю Паршину Юрию Николаевичу за предоставленную возможность работы над темой, руководство при организации теоретических и экспериментальных исследований и написании диссертации. Автор благодарен преподавателям и сотрудникам РГРТУ, принимавшим участие в обсуждении данной работы.
Статистические методы обнаружения и оценивания параметров сигналов
В отдельную группу можно выделить методы на основе использования данных спутниковых систем [64], однако, привлечение многозадачных спутников для анализа грозовой активности не нашло широкого применения и далее рассматриваться не будет. Отметим некоторые принципиальные особенности построения РТУ обработки СА, которые особо важны при их использования на транспортных средствах: - устройство должно иметь минимально возможные конструктивные вес и объем, - потреблять минимально возможную энергию, - не создавать значимых помех другим РТУ.
Активные методы обработки СА сводятся к использованию метеорологических радиолокаторов, позволяющих осуществлять наблюдение за эволюцией облако в грозовое, и с некоторой вероятностью обнаруживать ионизированные каналы молний двух видов: облако-облако и 03 [8]. Основным недостатком этих алгоритмов является излучение ЭМП с вытекающими отсюда: необходимостью планирования электромагнитной совместимости РТУ, относительно высоким энергопотреблением и большими массогабаритными показателями радиолокатора. Существуют системы, включающие в себя активные и пассивные методы [9], однако, вместе с повышением точностных характеристик возникает необходимость комплексирования измерений и остаются указанные недостатки, связанные с излучением ЭМП. Поэтому, методы пассивной обработки СА, использующие знание особенностей ЭМП ГР, его трансформации при распространении над земной поверхностью, получили наибольшее развитие.
Многопунктовые пассивные методы построены на основе обработки результатов многократных измерений параметров СА от одного и того же ГР сетью пространственно разнесенных ТН и подразделяются на системы, использующие пеленгационный и разностно-дальномерный методы местоопределения [5,14]. В пеленгационных системах линии положения определяются значениями пеленгов на ГР, а в разностно-дальномерных системах линии положения определяются величиной разностей времен прихода сигнала в разнесенные ТН системы. Наибольшей точностью при оптимальном расположении пунктов характеризуются разностно-дальномерные системы. Для широкого коммерческого применения в 80-х годах в США была развернута система "LPATS" (Lightning Positioning And Tracking System). Подобные системы развернуты также в Бразилии, Швеции, Германии, Японии и других странах. Однако, большое число пунктов регистрации, необходимость их высокоточной, с точностью до единиц микросекунд синхронизации, проблемы с идентификацией принятых в этих пунктах сигналов, приводящие к значительным их потерям - все это снижает вероятностные характеристики обнаружения не только СА, но и отдельных гроз и ограничивает применимость этих систем. Серьезный недостаток пелен-гационных систем был обусловлен трудно-устранимыми поляризационными ошибками, связанными в ближней зоне с влиянием наклона ГР 03, а в дальней -с деполяризующим влиянием ионосферы, особенно значительным в ночных условиях распространения. Однако, после того как для определения пеленга было предложено использовать переднюю часть временной формы СА, соответствующую развитию начальной части канала обратного удара 03, удалось минимизировать ошибки измерений параметров СА от ГР 03, связанные с наклоном [24]. В настоящее время такими пеленгаторами оборудована американская система местоопределения гроз "NLDN" (National Location And Detection Network), покрывающая всю территорию США, а также многочисленные системы подобного типа, применяемые в большинстве стран мира [5]. Кроме систем, использующих низкочастотный диапазон, исследуются и разрабатываются системы, работающие в ультракоротковолновом диапазоне длин волн [25, 65, 66]. Развитию и совершенствованию многопунктовых методов посвящено большое количество работ, например [67, 68], однако, у них сохраняются серьезные недостатки: отсутствие мобильности и сложности синхронизации измерений.
Методы однопунктовой пассивной обработки СА подразделяют на методы ближней зоны, когда значения дальности до ГР составляют не более 200-300 км, и дальней зоны - свыше 200-300 км. Методы дальней зоны строятся на использовании закономерностей распространения ЭМП, вытекающих из модельных представлений ЭМП в волноводном канале Земля-ионосфера. В соответствии с двумя основными видами представлений полей: разложение по скачкам (или лучам) и по нормальным волнам (или модам) выделяют две группы методов дальнометрии [4]. Методы дальней зоны являются достаточно хорошо развитыми и нашедшими отражения в значительном количестве работ. Наибольшее распространение получил лучевой метод определения дальности до ГР [15, 16]. Данный метод использует лучевое представление распространения ЭМП, когда волна, поступающая в ТН, описывается как распространяющийся вдоль поверхности Земли земной сигнал и отраженный от ионосферы - пространственный сигнал. Для оценки дальности до ГР определяют интервал времени запаздывания прихода пространственного сигнала относительно земного.
Методы ближней зоны также достаточно давно и активно развиваются. В работах [1-4, 6, 7, 15-19, 69], посвященных обработке СА в ближней зоне, оценивание параметров СА сводится к оцениванию азимута и дальности до ГР. Оценивание азимута осуществляется на основе методов амплитудной, фазовой пеленгации и их комбинации с использованием направленных свойств приемных антенн [1, 70]. Погрешности методов оценивания азимута зависят от реального наклона ГР, который чаще всего принимается вертикальным [1-3]. Шумы наблюдения и температурные колебания также вызывают погрешности оценивания. Тем не менее, задача оценивания азимута на ГР в настоящее время решается с приемлемой для большинства практических приложений точностью, что нельзя сказать о задаче определения дальности до ГР.
Подробней рассмотрим основные однопунктовые методы пассивного оценивания дальности до ГР в ближней зоне, так как именно методы ближней зоны представляют значительный практический интерес, охватывая территорию радиусом 200-300 км, что удовлетворяет запросам практически любого хозяйствующего субъекта России.
Синтез алгоритма многопараметрической обработки сигналов атмосфериков
Проведенные исследования эффективности оценивания дальности до ГР на фоне стационарных сосредоточенных по спектру помех с использованием алгоритма адаптации при многопараметрическом оценивании СА, позволяют сделать вывод, что применение данного подхода приводит к повышению точности оценивания в 1,1-2,0 раза при заданной помеховой обстановке и количестве обучающих реализаций равном 10.
В данной главе решены следующие задачи: - методом натурного эксперимента на основе записей СА от одной грозы показана эффективность синтезированного алгоритма многопараметри ческого оценивания СА по измерению дальности до ГР с использовани ем альтернативного метода оценивания по тем же экспериментальным данным - импульсного .ЕЯ-метода на основе фильтров антитрасс; рас хождение оценок дальности, полученных данными методами, составило 2,6 км, значения выборочных средних - соответственно: 10 и 8,5 км. Установлено: - синтезированный алгоритм многопараметрического оценивания СА имеет в 1,5-11 раз меньшую погрешность оценивания дальности до ГР, чем импульсный #-метод на основе фильтров антитрасс при равных условиях; - использование алгоритма адаптации при оценивании параметров СА на фоне стационарных сосредоточенных по спектру помех позволяет повысить точность оценивания дальности в 1,1-2,0 раза; количество обучающих реализаций, необходимое для преодоления априорной неопределенности относительно характеристик рассмотренных помех, составляет порядка 10. Основные научные и практические результаты диссертационной работы заключаются в следующем. 1. На основе натурных исследований и известных представлений о распространении ЭМП разработана математическая модель СА в спектральном базисе Фурье, включающая стохастическую и квазидетерминированную составляющие и учитывающая важные при обработке С А особенности: неопределенность в форме сигналов, положение и пространственную протяженность произвольно ориентированных линейных ГР, высоту точки наблюдения. 2. Синтезирован оптимальный алгоритм совместного обнаружения и многопараметрического оценивания СА на фоне шумов в базисе Фурье с использованием разработанной математической модели, позволяющий проводить оценивание параметров сигналов, полностью характеризующих положение линейных пространственно протяженных произвольно ориентированных ГР, повысить точность их оценивания и реализуемость по сравнению с известными алгоритмами. 3. Разработана методика анализа синтезированного алгоритма обнаружения СА в базисе Фурье. 4. Получены уравнения, описывающие границы Рао-Крамера для алгоритма многопараметрического оценивания СА, и на их основе исследовано влияние границ частотного диапазона принимаемых сигналов на погрешность оценивания параметров. Установлено, что существуют некоторые отдельные участки спектра, наиболее сильно влияющие на величины ошибок оценивания параметров СА. 5. Предложен алгоритм адаптации при оценивании вектора параметров С А в базисе Фурье на фоне сосредоточенных по спектру помех, обладающих интервалом стационарности на порядок большим, чем длительность принимаемых сигналов, позволяющий повысить точность оценивания параметров СА. На основе экспериментальных данных установлено, что количество обучающих реализаций, необходимое для преодоления априорной неопределенности относительно характеристик помех, составляет порядка 10. 6. Разработан алгоритм обнаружения СА на фоне шумов с фиксированной формой СПМ инвариантный относительно ПРВ шумов, позволяющий снизить вычислительные затраты на обнаружение и обеспечивающий постоянство ВЛТ. Результаты диссертационной работы свидетельствуют о решении задачи, состоящей в повышении эффективности обнаружения и оценивания параметров СА однопунктовыми пассивными алгоритмами. Разработанные алгоритмы позволяют повысить точность оценивания параметров СА по сравнению с существующими, в том числе на фоне стационарных сосредоточенных по спектру помех; оценивать параметры, полностью характеризующие положение произвольно ориентированных пространственно протяженных линейных ГР; реали-зовывать эффективные обнаружители СА.
Представленные в работе алгоритмы и структурные схемы РТУ обработки сигналов могут найти применение в системах метеонавигации, грозопредупре-ждения и экологического мониторинга, а также в РТУ обработки сигналов с датчиков звуковых и электромагнитных колебаний.
Реализация алгоритмов обработки сигналов атмосфериков на базе цифровых сигнальных процессоров
Подробней рассмотрим основные однопунктовые методы пассивного оценивания дальности до ГР в ближней зоне, так как именно методы ближней зоны представляют значительный практический интерес, охватывая территорию радиусом 200-300 км, что удовлетворяет запросам практически любого хозяйствующего субъекта России.
Широкое распространение получил метод амплитудной селекции, или амплитудный метод оценивания дальности [1-3]. Он основан на измерении напряженности электрического поля СА ет в ТН, отстоящей от ГР на расстояние г , и соотнесении с некоторой нормированной напряженностью е$ поля на расстоянии го. Оценка дальности вычисляется по формуле: Данный метод требует априорного знания распределения амплитуд СА на некоторой дальности от ГР. Таким образом, задача сводится к статистической проверке гипотез, связанных с принадлежностью принятых из данного грозового очага сигналов к тому или иному интервалу дальностей. Как правило, оценка дальности на расстояниях г 100 км проводится по амплитуде сигнала в предположении
Погрешности оценивания метода составляют свыше 50% и определяются разбросом амплитуд тока ГР. Наличие межочагового разброса амплитуд тока ГР ограничивает возможность получения несмещенной оценки дальности [3]. Однако, простота реализации делает возможным его применение для зоны 100-300 км, и он используется в серийно выпускаемых грозопеленгаторах-дальномерах "Stormscope" и "Очаг-2П" в качестве одного из режимов измерения. Большую группу методов дальнометрии составляют ЕН-методы [1-3]. В основе данных методов лежит идея использования различных зависимостей от дальности электрической и магнитной составляющей ЭМП. Как правило, в расчет берется вертикальная компонента электрического поля ег(/ю) и горизонтальная компонента магнитного поля hfjijoo), определяемые выражениями (1.2), при этом Земля принимается плоской бесконечно проводящей поверхностью, влияние ионосферы не учитывается, а излучателем представляется вертикальный ДГ. Различают широкополосный (импульсный) и узкополосный #-методы. В импульсном ЕН-дальномере, получившем наибольшее распространение на практике, для определения дальности используется равенство откликов фильтров антитрасс, имеющих передаточные характеристиками в Е- и Я-каналах, представленные выражениями (1.5) или (1.6) [1-3]: где a„ = с/ту - условный параметр, /у - дальность, на которую настроен фильтр антитрасс. Один из распространенных подходов состоит в анализе взаимного положения нулевых переходов фильтров антитрасс - моментов времени, в которых сигнал в Е- и Я-каналах первый раз проходит через нулевой уровень. Имея набор фильтров, настроенных на разные дальности, путем интерполяции разностей нуль-переходов получают оценку дальности. Преимущество данного метода состоит в некотором уменьшении влияния формы СА на точность оценивания дальности до ГР.
Меньшее распространение получили фазовые однокомпонентные (Е или Я) методы, основанные на использовании зависимости от дальности фаз спектральных составляющих вертикальной электрической или горизонтальной магнитной компонент ЭМП от ГР и проводящие измерения фаз на одной или кратных частотах. Точность оценивания дальности оказывается практически нечувствительной к пространственным вариациям ГР, но сильно зависящей от изменений формы тока ГР [4]. Одночастотный Я-метод используется в устройстве "ФАГ-1", проводящем оценку дальности в диапазоне 0-70 км с шагом 10 км.
Известен модульный метод, являющийся модификацией импульсного ЕН-метода [69], использующий для оценивания дальности модуль волнового импеданса поля где f измеряется в децибелах относительно 1 км, /о - частота, на которой 1 (/ )1 в пеРвыи раз становится равным своему значению в вакууме zw = 12071, выраженная в децибелах относительно 1 Гц, либо по формуле: где соответствующие значения также выражены в децибелах, a /mjn - частота, на которой достигается первый минимум zw(/co). Главное преимущество данного метода - независимость от спектра тока ГР.
В работах [1, 71] описан спектральный метод, использующий представления о волноводном механизме распространения сигнала в канале Земля-ионосфера и являющийся модификацией метода дальней зоны. Наиболее известна "амплитудная" версия спектрального метода, основанная на различном затухании амплитуд спектральных составляющих СА, зависящем от дальности.
Исследование эффективности алгоритмов оценивания дальности до грозовых разрядов
Повышение эффективности обработки СА РТУ путем синтеза однопункто-вых алгоритмов обнаружения и многопараметрического оценивания СА в спектральном базисе Фурье является актуальной радиотехнической задачей, решение которой затрудняется неопределенностью формы и неизвестными моментами появления СА.
Известные методы обработки С А (п. 1.4) не учитывают в комплексе неопределенность формы СА, пространственную протяженность и ориентацию ГР, высоту ТН, действие шумов и помех. Следовательно, целесообразен синтез оптимального алгоритма обнаружения и многопараметрического оценивания параметров СА на основе статистических методов обработки с учетом указанных замечаний. Проведенный в п. 1.5 анализ методов обнаружения и оценивания показывает, что наиболее подходящим для решения данной задачи и технического воплощения является совместное обнаружение по критерию Неймана-Пирсона (1.9) и МП оценивания (1.10) вектора параметров СА. Благодаря высокой вычислительной эффективности проведения линейных операций интегрирования и дифференцирования, удобству фильтрации сосредоточенных по спектру помех спектральный базис Фурье является привлекательным для задач статистической обработки СА. Из асимптотических свойств дискретного преобразования Фурье (ДПФ) следует асимптотическая независимость получаемых комплексных спектральных отсчетов при стремлении времени наблюдения к бесконечности [42]. Спектральные отсчеты реализации стационарных случайных - операция комплексного сопряжения, М{»} - операция вычисления математического ожидания [39].
При синтезе алгоритмов одним из важных вопросов является разработка математической модели СА, в определенной степени адекватной реальным процессам. Широко применяемая детерминированная модель тока ГР в виде ДГ, рассмотренная в п. 1.3, не учитывает пространственную протяженность, ориентацию ГР и неопределенность формы СА. Фрактальная модель не отвечает требованию конструктивности, обладая вычислительной сложностью при восстановлении в ТН фрактальной структуры ГР, которая не является информативной для широкого круга практических задач. В связи с этим целесообразна разработка математической модели СА в спектральном базисе Фурье, учитывающей неопределенность в форме обрабатываемых сигналов, положение пространственно протяженных произвольно ориентированных линейных ГР и высоту ТН.
Быстрое развитие средств цифровой техники, широкие возможности реализации сложных математических алгоритмов на базе современных цифровых сигнальных процессоров (ЦСП) предопределяют синтез алгоритмов при дискретном представлении СА.
С целью уменьшения времени обнаружения СА, являющейся актуальной в случае затяжных грозовых явлений со значительным изменением пространственного положения грозовых облаков, и стабилизации ВЛТ, что важно при реализации необслуживаемыми ряда модулей устройства обработки и в условиях редких гроз, целесообразно провести разработку инвариантного относительно ПРВ шумов с фиксированной формой СПМ для ВЛТ алгоритма обнаружения СА.
Наличие априорной неопределенности относительно потенциальных помех наблюдения показывает целесообразность разработки алгоритма адаптации при многопараметрическом оценивании СА в базисе Фурье. Исходя из вышеизложенного, в данной диссертационной работе решены следующие задачи.
Разработка математической модели СА в спектральном базисе Фурье, включающей стохастическую, учитывающую в среднем неопределенность в форме обрабатываемых сигналов, и квазидетерминированную, описывающую положение пространственно протяженных произвольно ориентированных линейных ГР с учетом высоты ТН, составляющие, где линейный разряд рассматривается как аппроксимация ГР со сложной пространственной конфигурацией.
Синтез и анализ оптимального алгоритма совместного обнаружения на основе критерия Неймана-Пирсона и многопараметрического оценивания СА в базисе Фурье на основе разработанной математической модели с учетом шумов наблюдения. 3. Разработка алгоритма адаптации при многопараметрическом оценивании СА в базисе Фурье на фоне стационарных сосредоточенных по спектру помех. 4. Разработка инвариантного относительно ПРВ шумов с фиксированной формой СПМ для ВЛТ алгоритма обнаружения СА. 5. Экспериментальное исследование полученных алгоритмов обработки СА с помощью численного имитационного моделирования и натурных испытаний. Структура последующих глав выглядит следующим образом. Вторая глава посвящена решению первой и второй задач, в третьей главе решаются третья и четвертая задачи, в четвертой главе решается пятая задача. Результаты анализа доказывают преимущества разработки математической модели СА в спектральном базисе Фурье, учитывающей априорную неопределенность в форме СА, положение пространственно протяженных произвольно ориентированных линейных ГР и высоту ТН для дискретных значений частот. На основе предлагаемой математической модели СА целесообразно провести синтез оптимального алгоритма совместного обнаружения на основе критерия Неймана-Пирсона и многопараметрического оценивания СА с учетом шумов наблюдения. С целью уменьшения времени обнаружения СА и стабилизации ВЛТ целесообразно провести разработку инвариантного относительно ПРВ шумов с фиксированной формой СПМ алгоритма обнаружения СА. Наличие априорной неопределенности относительно потенциальных помех наблюдения показывает целесообразность разработки алгоритма адаптации при многопараметрическом оценивании СА.
