Введение к работе
Актуальность темы, В теории и технике систем радиолокации и связи одним ;п важнейших вопросов является обнаружение сигналов на фоне помех. Физическая природа помех может быть различной, однако их общей особенностью является то, что в реальных системах помехи, как правило, носят нерегулярный апериодический характер. Такой характер может объясняться воздействием ряда случайных факторов, в связи с чем для математического описания помех традиционно используют аппарат случайных процессов. В то же время исследования последних лет показывают, что нерегулярный "случайноподобный" характер могут носить процессы, сформированные с помощью простых нелинейных детерминированных систем. Такое поведешге детерминированных систем принято обозначать термином "хаос|Г, а процессы соответственно "детерминированные хаотические".
После открытия явления динамического хаоса многие физические процессы, для описания которых ранее использовался аппарат случайных процессов, стали моделировать с позиций детерминированного хаоса. Такие тенденции наблюдаются, например, в биологии, медицине, механике, гидродинамике и радиотехнике.
В технике радиолокационных систем к такого рода процессам относятся помехи, вызванные отражением зондирующего сигната от взволнованной морской поверхности (ВМП). Вопросам моделирования отражений от ВМП детерминированным хаотическим процессом и синтеза обнаружителей сигналов на фоне детерминированных хаотических помех (ДХП) посвящены работы С.Хайкина, Г.Льюинга, Дж.Палмера и ряда других зарубежных ученых (в первую очередь США, Канады и Японии). Адекватность детерминированной хаотической модели помех от ВМП подтверждается экспериментальными результатами оценки фрактальной размерности и показателей Ляпунова, полученными независимо несколькими коллективами исследователей [(С. Хайкин и С. Пафуссерипади, 1997), (Дж. Палмер и др, 1998), (Дж. Чен и др., 1994)]. Существует ряд других примеров, когда динамика помех носит детерминированный хаотический характер.
В го же время в известных работах, посвященных математическому моделированию помех с позиций детерминированного хаоса, не учитываются свойства полезных сигналов, собственные шумы и другие искажения в приемном тракте РЛС, которые при использовании метода переменных состояния обычно входят в уравнение наблюдения. Такой подход не позволяет провести строгий математический синтез алгоритмов обнаружения сигналов на фоне ДХП, поэтому разработка таких алгоритмов проводится эвристическими методами [см. (Г. Льюинг, Т. Ло, 1993), (С. Хайкин и В. Ли, 1995), (Дж. Палмер и др., 1998)], а их эффективность и потенциальные возможности остаются практически неизученными. Кроме того, недостаточно рассмотрены вопросы практической реализации указанных алгоритмов; отсутствует анализ влияния собственных шумов, нелинейности приемного тракта, ограниченной разрядности АЦП и других ха-
рактеристик тракта обработки на показатели качества алгоритмов обнаружения сигналов на фоне ДХП.
В последнее время наблюдается повышенный интерес к исследованиям в данной области, что обусловлено с одной стороны постоянным ростом производительности современных вычислительных средств, с другой - практическими приложениями указанных алгоритмов. Данное обстоятельство определяет актуальность темы диссертации, связанной с разработкой и исследованием новых нетрадиционных методов обработки сигналов на фоне помех.
Цель работы. Целью настоящего диссертационного исследования является разработка и анализ алгоритмов обнаружения сигналов на фоне помех, динамика которых носит детерминированный хаотический характер.
Поставленная цель достигается решением следующих задач:
-
Разработка математической модели реализации на входе решающей схемы приемника с учетом хаотической динамики помех и основных характеристик тракта обработки.
-
Идентификация разработанной модели ДХП по экспериментальным данным.
-
Синтез алгоритмов обнаружения сигналов на фоне детерминированных хаотических помех при непараметрической неопределенности относительно вида динамической системы, формирующей такие помехи.
-
Оценка численных значений показателей качества синтезированных алгоритмов при воздействии ДХП, имеющих различную размерность.
-
Исследование влияния искажений приемного тракта на показатели эффективности работы синтезированных алгоритмов и выработка рекомендаций по практическому применению таких алгоритмов.
Методы исследования. При теоретических исследованиях использованы теория статистических решений, теория классификации нелинейных динамических систем, методы аппроксимации нелинейных функций, методы математического и имитационного моделирования, а также математико-эвристические подходы к синтезу устройств, работающих в условиях априорной неопределенности.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Предложена математическая модель реализации на входе решающей схемы приемника с учетом хаотической динамики помех, собственных шумов и искажений сигналов в приемном тракте РЛС. На основе данной модели с использованием математико-эвристического подхода разработаны алгоритмы обнаружения сигналов на фоне ДХП.
-
Исследовано влияние нестационарного характера помехи на оценку фрактальной размерности; предложен метод формирования суррогатных данных для нестационарных временных последовательностей.
-
Методом статистического моделирования проведен сравнительный анализ эффективности алгоритмов с линейным декоррелятором помехи и синтезированных алгоритмов при воздействии ДХП разной размерности.
-
Исследовано влияние собственных шумов приемного тракта и ограниченной разрядности аналогово-цифрового преобразования на показатели качества синтезированных алгоритмов.
-
Проведено исследование устойчивости разработанных алгоритмов при изменении вида и параметров динамической системы, формирующей ДХП.
Достоверность и обоснованность результатов исследований подтверждается численным моделированием, обработкой экспериментальных записей эхо-сигналов, отраженных от морской поверхности, корректным использованием математического аппарата, апробацией работы в виде докладов на Международных и Всероссийских конференциях и публикаций в научных изданиях.
Практическая значимость работы определяется тем, что разработанные и исследованные алгоритмы могут быть использованы для построения устройств обнаружения малозаметных объектов на фоне отражений от ВМП. Проведенные исследования позволяют сформулировать требования к тракту обработки, при которых становится целесообразным переход к алгоритмам с нелинейным предсказанием. Результаты работы могут быть использованы при определении путей модернизации существующих РЛС, при создании новых образцов береговых обзорных РЛС, а также при разработке имитаторов эхо-сигналов от морской поверхности.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Структурные схемы алгоритмов обнаружения сигналов на фоне детерминированных хаотических помех.
-
Результаты статистического моделирования синтезированных алгоритмов обнаружения на фоне ДХП.
-
Требования к уровню собственных шумов приемного тракта и узлам, осуществляющим аналогово-цифровое преобразование, при которых синтезированные алгоритмы оказываются эффективнее алгоритмов с линейным декоррелятором помехи.
-
Рекомендации по практическому использованию и программно-аппаратной реализации разработанных алгоритмов.
Апробация работы, реализация и внедрение результатов исследований. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
Проблемы системного обеспечения качества продукции промышленности, (Ижевск, 1997),
XXXI и XXXII научно-техническая конференция ИжГТУ, (Ижевск, 1998, 2000),
4-я Международная научно-техническая конференция РАДИОЛОКАЦИЯ, НАВИГАЦИЯ, СВЯЗЬ (Воронеж, 1998),
3-й Международный симпозиум СИБКОНВЕРС'99 (Томск, 1999).
Международная конференция "Информационные технологии в инновационных проектах" (Ижевск, 2000)
По теме диссертации опубликовано 8 работ.
Теоретические и практические результаты работы использованы в НИР, а также внедрены в учебный процесс ао специальности 20.07 "Радиотехника" при изучении дисциплины "Цифровая обработка радиолокационных сигналов", что подтверждается соответствующими актами.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложена на 196 страницах, включая 93 рисунка, 5 таблиц, и список использованной литературы из 112 наименований (основной текст составляет 139 машинописных страниц).