Введение к работе
Актуальность проблемы. При отладке и испытаниях радиолокационных станций (РЛС) авиационных комплексов дальнего радиолокационного обнаружения (АК ДРЛО) используются технологические вычислительные системы, которые обеспечивают запись на накопитель радиолокационного сигнала с различных этапов его обработки. Зарегистрированная информация в дальнейшем используется для оценки качества работы тракта приемо-обработки РЛС, отладки новых алгоритмов обработки сигнала и построения «виртуальных испытательных полигонов». Все это позволяет значительно сократить сроки разработки новых образцов радиолокационной техники и затраты на разработку за счет уменьшения количества летных испытаний.
В работах А. В. Васильева, М. И. Чернышева, Н. Н. Коннова,
В. В. Гладкова, В. И. Устинова, Д. В. Пащенко, Hu Jian-ping, D. Sirmans,
S. L. Durden, M. Browning и других заложены концепция и методологическая база построения аппаратно-программных комплексов регистрации сигналов РЛС.
Регистрация радиолокационного сигнала представляет собой сложную техническую проблему из-за высокой скорости поступления данных, больших объемов регистрируемой информации и жестких условий эксплуатации. В связи с этим актуальна разработка алгоритмов сжатия радиолокационной информации для снижения нагрузки на каналы передачи данных и увеличения объема зарегистрированной информации.
Алгоритмы сжатия сигналов радиолокационных комплексов с синтезированной апертурой и метеорологических спутников рассмотрены в работах S. Rane, C. Li, G. A. Tammana, Y. F. Zheng, R. L. Ewing, N. Agrawal,
K. Venugopalan и других. Данные алгоритмы производят сжатие с потерей части информации, что при настройке и отладке радиолокационных комплексов не допустимо. В связи с этим целесообразна разработка алгоритма сжатия радиолокационной информации без потерь.
Кроме того, при проектировании вычислительных систем регистрации необходимо определить требования к размерам буферов, алгоритмам обработки и производительности отдельных компонентов вычислительной системы. Эта проблема может быть решена методами имитационного моделирования. Поэтому актуально создание имитационных моделей, позволяющих исследовать взаимное влияние потока регистрируемой информации и потоков данных, формируемых штатными системами РЛС, а также вероятностно-временные характеристики вычислительной системы.
Целью работы является улучшение эксплуатационных характеристик вычислительных систем регистрации радиолокационной информации за счет разработки и внедрения алгоритмов обработки информации,
а также совершенствование технической базы исследования и проектирования вычислительных систем регистрации за счет создания имитационных моделей.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
-
Анализ функционирования вычислительной системы регистрации радиолокационной информации с целью построения модели системы.
-
Разработка имитационных моделей, позволяющих исследовать вычислительную систему регистрации радиолокационной информации.
-
Анализ существующих алгоритмов сжатия информации и разработка алгоритма сжатия радиолокационной информации без потерь, определение возможности программно-аппаратной реализации разработанного алгоритма.
-
Разработка алгоритма разбора записей радиолокационного сигнала, повышающего надежность обработки данных за счет частичного восстановления данных при наличии ошибок.
-
Разработка компонентов программного обеспечения обработки зарегистрированной радиолокационной информации.
Объектом исследования диссертационной работы является вычислительная система регистрации радиолокационной информации.
Предмет исследования: модели и алгоритмы функционирования вычислительной системы регистрации радиолокационной информации.
Методы исследования: аппарат математической статистики, элементы теории информации, теория кодирования, теория ортогональных преобразований, математический аппарат недетерминированных автоматов, математический аппарат временных иерархических раскрашенных сетей Петри.
Научная новизна работы:
-
Впервые разработаны имитационные модели компонентов вычислительной системы регистрации (источника информации, канала передачи, регистратора) на базе цветных иерархических временных сетей Петри, позволяющие исследовать взаимное влияние потока регистрируемой информации и рабочих потоков РЛС, а также вероятностно-временные характеристики вычислительной системы регистрации.
-
Разработан алгоритм сжатия радиолокационной информации, отличающийся тем, что он учитывает структуру кадра данных импульсно-допплеровской РЛС, а также использует линейное предсказание сигнала с последующим арифметическим кодированием ошибки предсказания, благодаря чему сжатие производится без потерь.
-
Разработан алгоритм разбора записей зарегистрированного радиолокационного сигнала, обеспечивающий частичное восстановление данных при наличии ошибок и отличающийся ориентированностью на параллельную обработку информации в многопроцессорной вычислительной системе.
Практическая значимость работы:
-
Разработанные имитационные модели компонентов вычислительной системы регистрации позволяют определить требования к размерам буферов, алгоритмам обработки и производительности компонентов вычислительной системы регистрации при ее проектировании.
-
Разработанный комплекс сервисных программ в математическом пакете Matlab позволяет проводить статистическую обработку результатов моделирования вычислительной системы регистрации.
-
Разработанный алгоритм сжатия радиолокационного сигнала обеспечивает сжатие регистрируемой информации в 2,6–3,7 раза без потерь, за счет чего снижается нагрузка на каналы передачи информации и обеспечивается регистрация большего объема информации при неизменной емкости накопителя. Кроме того, ориентированность алгоритма на покадровую обработку данных делает возможным его реализацию с учетом требований реального времени.
-
Предложена структура аппаратного компрессора, использующего разработанный алгоритм сжатия, и проведена оценка ресурсов ПЛИС, требуемых для его реализации.
-
Разработанное программное обеспечение на основе предложенного алгоритма разбора записей зарегистрированного радиолокационного сигнала позволяет сократить время разбора записей в 1,5 раза.
-
Разработанное программное обеспечение позволяет имитировать цифровую обработку сигнала в приемном тракте РЛС на зарегистрированных радиолокационных данных. Предложенные решения нашли применение при создании технологического комплекса для АК ДРЛО нового поколения.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Имитационные модели компонентов вычислительной системы регистрации (источника информации, канала передачи, регистратора) радиолокационной информации, построенные на базе цветных иерархических временных сетей Петри.
-
Алгоритм покадрового сжатия радиолокационной информации импульсно-допплеровской РЛС, использующий линейное предсказание сигнала с последующим арифметическим кодированием ошибки предсказания.
-
Алгоритм разбора записей зарегистрированного радиолокационного сигнала.
-
Комплекс программ, реализующих алгоритмы разбора радиолокационной информации и алгоритмы цифровой обработки радиолокационного сигнала в приемном тракте РЛС.
-
Комплекс сервисных программ в математическом пакете Matlab для статистической обработки результатов моделирования вычислительной системы регистрации.
Реализация и внедрение результатов работы. Диссертация является теоретическим обобщением научно-исследовательских работ, выполненных автором в Пензенском государственном университете, а также в ОАО «НПП «Рубин» (г. Пенза) при выполнении опытно-конструкторской работы по заказу ОАО «Концерн радиостроения «Вега» (г. Москва), что подтверждено соответствующими документами.
Достоверность научных положений, выводов и практических рекомендаций, сформулированных в диссертации, обеспечивается использованием методов исследования, адекватных предмету, цели и задачам работы, проверкой алгоритмов на тестовых и реальных данных, результатами имитационного моделирования, результатами опытной эксплуатации созданных программно-аппаратных средств, использующих научные результаты диссертации, а также апробацией на международных конференциях.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на международных и всероссийских научно-технических конференциях: ХХVI научно-технической конференции молодых ученых и специалистов «Датчики и системы» (Пенза, 2007); Международной научно-технической конференции «Современные информационные технологии» (Пенза, 2007, 2008); Международной научно-практической конференции «Математические методы в технике и технологиях (ММТТ-21)» (Саратов, 2008); Международной научно-технической конференции «Новые информационные технологии и системы» (Пенза, 2008, 2010); XXII Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях (ММТТ-22)» (Псков, 2009);
3-й Всероссийской научно-технической конференции «Перспективные системы и задачи управления» (Таганрог, 2008); Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России» (Москва, 2008); 17-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Микроэлектроника и информатика» (Москва, 2010); Всероссийской конференции с элементами научной школы «Проведение научных исследований в области обработки, хранения, передачи и защиты информации» (Ульяновск, 2009); VIII Всероссийской научно-технической конференции «Современные методы и средства обработки пространственно-временных сигналов» (Пенза, 2010).
Магистерская диссертация автора по теме «Разработка метода сжатия радиолокационной информации» получила диплом за 3-е место во Всероссийском конкурсе выпускных квалификационных работ по специальности «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети» (2008).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 печатных работ, из них 6 – в журналах, входящих в перечень ВАК РФ. Зарегистрировано 2 программных продукта в Роспатенте.
Все результаты работы, составляющие содержание диссертации, получены автором самостоятельно. Работы [1, 3, 10, 12, 13, 18] опубликованы в соавторстве с научным руководителем, которому принадлежат разработка концепции решаемой проблемы и постановка задачи исследования.
В зарегистрированных программных продуктах (работы [20, 21] выполнены в соавторстве) диссертантом разработаны алгоритмы и подпрограммы разбора радиолокационной информации, цифровой обработки зарегистрированного радиолокационного сигнала. Все программное обеспечение аппаратно-программных комплексов регистрации радиолокационной информации, описанное в приложениях к диссертации, разработано диссертантом самостоятельно.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Объем работы: 145 страниц основного машинописного текста, 49 рисунков, 25 таблиц,
6 приложений на 21 странице. Список литературы содержит 153 наименования.
