Введение к работе
Актуальность темы. Проблема определения параметров совокупности откликов при приеме нескольких сигналов с использованием согласованного фильтра является актуальной радиотехнической задачей, что обусловлено необходимостью обнаруживать и измерять параметры сигналов, поступающих на вход приемника практически одновременно, с минимальной задержкой друг относительно друга. Подобные ситуации возникают при многолучевом распространении сигналов в системах связи, сигнатурной обработке в задачах определения местоположения объектов, при разрешении групповых сосредоточенных целей в радиолокационных измерительных комплексах, в том числе при модернизации существующих радиолокаторов с приемными устройствами с заданной структурой.
Для определения параметров каждого из принятых почти одновременно радиосигналов необходимо разделить отклики на эти сигналы, присутствующие на выходе согласованного с одиночным сигналом фильтра. Наряду с традиционными способами повышения характеристик разделения откликов путем использования сигналов с соответствующими свойствами и изменения параметров антенной системы, существует возможность решения проблемы путем обеспечения сверхразрешения. Под сверхразрешением в работе понимается возможность измерения параметров совокупности откликов в случае, когда согласно классическому, так называемому рэлеевскому критерию разрешающей способности, эти параметры не могут быть измерены.
Справедливо говорить о сверхрэлеевском разрешении при использовании методов обработки сигналов, позволяющих преодолеть рэлеевский предел разрешения, в качестве которого используется ширина функции неопределенности (ФН) сигнала на уровне 0,5.
При проектировании современных радиотехнических систем большое внимание уделяется задаче уменьшения интервала разрешения. Для обеспечения узкого пика ФН применяются сигналы с большой базой, с частотной и фазовой модуляцией, находится компромиссное решение между шириной ФН и её многопиковой структурой, приводящей к неоднозначности измерений.
Меры, предпринимаемые для получения интервала разрешения, существенно меньшего, чем рэлеевский, являются затратными как с точки зрения построения антенных систем, так и с точки зрения использования мощных вычислителей для оптимальной обработки, в особенности в радиотехнических системах, находящихся в процессе эксплуатации. Поэтому при модернизации с использованием методов, основанных на рэлеевском критерии разрешения, задача обнаружения и измерения параметров сигналов, поступающих на вход приемника практически одновременно, не решается.
Однако задачу определения параметров сигналов можно решать даже при нахождении этих параметров внутри одного рэлеевского элемента разрешения, применяя алгоритмы сверхразрешения.
В отечественной науке к трудам, посвященным сверхрэлеевскому разрешению, можно отнести некоторые работы Я.Д. Ширмана. Значительный вклад в развитие теории разрешения внесли работы В.В. Абраменкова, А.А. Курикши, Л.Н. Коновалова по максимально правдоподобной оценке параметров совокупности сигналов.
Среди методов сверхразрешения стоит выделить алгоритмы спектрального оценивания. В последнее время заметен рост публикаций по данной тематике. Детальное описание различных алгоритмов теории спектрального оценивания можно найти в работах Марпла-мл. Среди обзорных отечественных публикаций можно выделить работы В.В. Дрогалина, Ю.Б. Нечаева.
Известна группа алгоритмов сверхразрешения, основанная на решении обратной задачи рассеяния с использованием регуляризации и проекционных методов решения операторных уравнений, в т.ч. методе Релея - Ритца, методе Петрова - Галеркина.
Перечисленные методы не могут быть успешно использованы для определения параметров совокупности откликов при приеме сигналов с использованием согласованного фильтра. Большинство радиотехнических систем используют именно согласованный с одиночным сигналом приемник, и необходимость определения параметров радиосигналов, поступающих на вход такого приемника с малой задержкой друг относительно друга, обуславливает актуальность темы диссертации.
Цель и задачи работы. Главной целью диссертации является разработка алгоритмов определения параметров совокупности откликов, получаемых в приемнике с согласованным фильтром, а также оценка эффективности этих алгоритмов при всевозможных сочетаниях параметров принимаемых сигналов в различной помеховой обстановке.
Достижение поставленной цели требует решения следующих основных задач:
-
Анализ особенностей формы совокупного отклика согласованного фильтра при различных сочетаниях параметров входных сигналов.
-
Анализ влияния помех на работоспособность алгоритмов.
-
Определение статистических характеристик получаемых оценок.
-
Определение условий эффективной работы алгоритмов.
-
Создание математической модели, позволяющей проводить исследования при различном количестве и способе модуляции сигналов, разнообразных помеховых воздействиях.
Методы исследований. При проведении исследований в диссертационной работе использовались математический аппарат теории случайных процессов и математической статистики, методы статистической радиотехники, матричный анализ, методы математического моделирования.
Научная новизна. В процессе проведения исследований получены следующие новые результаты:
-
Разработаны алгоритмы определения параметров совокупности откликов фильтра, основу которых составляет формирователь функции правдоподобия, использующий информацию согласованной фильтрации принятых сигналов.
-
Получены зависимости характеристик оценок параметров откликов от параметров входных сигналов.
-
Проведена оценка эффективности алгоритмов и сравнение с результатами оптимального приема при различном отношении сигнал-шум.
-
Разработан метод определения границ применимости предлагаемых алгоритмов.
Практическая значимость работы.
-
Разработанные алгоритмы обеспечивают получение оценок параметров принимаемых сигналов в часто случающихся на практике ситуациях, когда отклики фильтра, согласованного с одиночным сигналом, не могут быть разделены согласно критерию Рэлея.
-
Диапазон задержек, измеряемых с помощью предложенных алгоритмов, как минимум в 5 - 7 раз превосходит рэлеевский предел разрешения, что существенно расширяет возможности согласованного приема во многих радиотехнических задачах, в том числе при решении задач модернизации существующих радиолокаторов.
-
По сравнению с оптимальным приемником вычислительная сложность разработанных квазиоптимальных алгоритмов на 4 - 5 порядков меньше, что дает возможность организовать обработку в реальном времени.
-
Алгоритмы измерения параметров совокупности откликов и сформулированные рекомендации по их использованию позволяют разработать комплекс вычислительных процедур, реализующий обработку информации со сверхразрешением.
Основные результаты и положения, выносимые на защиту.
-
Алгоритмы, основанные на обработке части совокупного отклика согласованного фильтра в области главного максимума, позволяют определить параметры принимаемых сигналов при отсутствии возможности их раздельного наблюдения.
-
Разработанные квазиоптимальные алгоритмы определения параметров совокупности откликов уступают оптимальному алгоритму, однако проигрыш по требуемому значению отношения сигнал-шум невелик, не более 6 дБ, в то время как вычислительная сложность последнего на 4-5 порядков превышает сложность квазиоптимальных алгоритмов.
-
Процедура предварительного анализа отклика фильтра по его ширине и энергетическим характеристикам повышает эффективность применения разработанных алгоритмов за счет исключения возможности получения заведомо недостоверных результатов.
Апробация работы. Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 60-й научно-технической конференции МИРЭА (г. Москва, 2011 г.), XVII Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь» (г. Воронеж, 2011 г.), 1-й Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы и перспективы развития радиотехнических и инфокоммуникационных систем» (г. Москва, 2013 г.), 15-й Международной конференции «Цифровая обработка сигналов и ее применение DSPA-2013» (г. Москва, 2013 г.).
По теме диссертации опубликовано 8 работ, в том числе 3 работы в трудах Всероссийских и Международных конференций и 4 работы в журналах, включенных в Перечень ВАК.
Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс МГТУ МИРЭА, использованы в материалах отчета по НИР «Полоса» МГТУ МИРЭА, а также в материалах ОКР «РИК ВКО МБ»
ОАО «НІЖ «НИИДАР», что подтверждается соответствующими актами об использовании.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы 128 страниц, в том числе основной текст - 120 с, рисунков-60, список литературы, включающий 51 наименование отечественных и зарубежных источников.
