Быстрый поиск

Реферат: Методи обробки динамічних сцен при впливі нестаціонарних завад у радіотехнічних системах супроводження надводних протяжних об'єктів

Міністерство освіти і науки України

Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського

“Харківський авіаційний інститут”

Жеребятьєв Денис Петрович

УДК 621.396.9

МЕТОДИ ОБРОБКИ ДИНАМІЧНИХ СЦЕН ПРИ ВПЛИВІ

НЕСТАЦІОНАРНИХ ЗАВАД

У РАДІОТЕХНІЧНИХ СИСТЕМАХ СУПРОВОДЖЕННЯ НАДВОДНИХ ПРОТЯЖНИХ ОБ'ЄКТІВ

05.12.17 - радіотехнічні та телевізійні системи

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків - 2008

Дисертацією рукопис.

Робота виконана в Національному аерокосмічному університеті ім. М. Є. Жуковського Харківський авіаційний інститут” Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Волосюк Валерій Костянтинович, Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”, професор кафедри “Проектування радіоелектронних систем літальних апаратів”.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Костенко Павло Юрійович, Харківський університет Повітряних Сил імени Івана Кожедуба Міністерства оборони України, професор кафедри “Радіотехнічні системи навігації та посадки”;

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Луценко Владислав Іванович, Інститут радіофізики та електроніки (ІРЕ) м. О.Я. Усікова Національної Академії наук України, старший науковий співробітник відділу “Фізичні основи радіолокації”.

Захист відбудеться “15” травня 2008р. о 14.30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.062.07 у Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського Харківський авіаційний інститут” Міністерства освіти і науки України за адресою: 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17.

З дисертацією можна ознайомитися в науково-технічній бібліотец Національного аерокосмічного університету ім. М. Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут” Міністерства освіти і науки України за адресою: 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17.

Автореферат розісланий “4” квітня2008року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої заради Д 64.062.07 Лукін В.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У світі щорічно зростають обсяги морських перевезень, відповідно росте і кількість суден, що проходять у прибережних водах, вузьких каналах, протоках і на підходах до портів, у тому числі й до портів країн Чорноморського басейну. За таких умов різко підвищуються вимоги до стандартів забезпечення безпеки мореплавання. Чимала увага при цьому приділяється морським лоцманам і лоцманам-операторам служб регулювання руху суден, а берегова радіолокаційна станція (БРЛС) - одна з підсистем, що входить у систему керування рухом суден (СКРС). СКРС - сучасний програмно-апаратний комплекс, що надає лоцманам різну навігаційну інформацію, необхідну для підвищення безпеки проведення суден по вузьких фарватерах і для захисту навколишнього середовища від шкідливих негативних наслідків судноплавства.

Для забезпечення ефективност безпеки судноплавства з використанням радіолокаційного контролю руху суден, модернізації існуючих засобів, комплексів і систем відповідного призначення, програмою Міністерства транспорту і зв’язку України на 2005-2010 рр. та космічною програмою на 2003-2007 рр передбачені кошти для комплексного розвитку наземно нфраструктури навігаційних і спеціальних інформаційних систем.

Стрімке зростання суднопотоку світового торгового флоту накладає нові вимоги до берегових диспетчерських служб, такі, як: ефективне супроводження та цілевказання місцезнаходження судна в складній метеообстановці; своєчасне радіолокаційне виявлення морських об'єктів, що враховує вплив схвильованої морської поверхні. Виділення об'єктів на фоні пасивних завад є однією з найважливіших проблем, яка виникає при розробц БРЛС. Особливо гостро стоїть ця проблема при радіолокації протяжних об'єктів у складних метеоумовах і завадовій радіолокаційній обстановці.

Останнім часом велике значення мають задачі, пов'язані з обробкою динамічних сцен, що відображають розвиток у час різних просторово-протяжних процесів. Переважна більшість досліджень щодо обробки динамічних зображень просторово-протяжних об'єктів (ППО) як отриманих за допомогою БРЛС, так і з застосуванням космічних засобів дистанційного зондування, присвячена аналізу динамічних сцен – зображень, що містять набір просторово-рознесених об'єктів, які змінюють положення, форму, масштаб, орієнтацію в міру свого просторового переміщення. Задачі даного напрямку необхідно вирішувати в умовах обмеженого ресурсу часу, враховуючи просторову протяжність об'єктів.

Пріоритетним напрямком вирішення цих задач є застосування адаптивних алгоритмів обробки радіолокаційних сигналів, що являють собою стохастичні оптимізаційні процедури. Теоретичні основи синтезу алгоритмів статистичної обробки сигналів, відбитих від просторово-протяжних об'єктів, закладені у роботах авторів В.І. Тихонова, П.О. Бакута, І.О. Большакова, Ф.О. Басалова, А. Ісимару, Е.А. Штагера, Р.В. Островітянова, І.Я. Кремера, С.Є. Фальковича та інших.

Існуючі на даний час методи і засоби радіолокації протяжних об'єктів радіотехнічними системами базуються головним чином на обробці вихідних сигналів, яка є оптимальною при прийомі ехо-сигналів від точкового об'єкта. Для підвищення ступеня спостереження радіолокаційних відміток обробку сигналів і одержання інформації в радіолокаційних системах необхідно робити з урахуванням апріорної просторової довжини радіолокаційних об'єктів в умовах складної завадової обстановки, зумовленої наявністю відбиття від гідрометеорів і земної, морської поверхні. Одержання інформації про об'єкт починається з моменту його виявлення, тому першочерговою задачею є процедура виявлення ППО при обмеженому часовому ресурсі. Оцінюваними параметрами є: радіолокаційний портрет; конфігурація об'єкта (його радіолокаційний контур); координати місцезнаходження; статистичні характеристики і т. ін.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження проводилися автором відповідно до планів держбюджетних НДР Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського “ХАІ” (м. Харків), державного підприємства “Дельта-лоцман” (м. Миколаїв), НДІ Радіосистем (м. Житомир). Результати дослідження включені в звіти з НДР: “Теоретичні основи та математичний інструментарій просторово-часової обробки вимірювально нформації в радіоелектронних комплексах аерокосмічного базування” (№ ДР 0100U003431); Високоефективні технології для обробки вимірювальної інформації у супутникових радіонавігаційних системах, радіотехнічних комплексах керування та засобах дистанційного дослідження параметрів природних середовищ земної поверхні з аерокосмічних носіїв” (№ ДР 0206U005068).

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи розробка методів виявлення, селекції й оцінювання параметрів просторово-протяжних об'єктів з підвищеними показниками якості на основі статистичної оптимізац спільної просторово-часової обробки сигналів і динамічних сцен у радіотехнічних системах.

Відповідно до поставленої мети в дисертаційній роботі були сформульовані й розв’язувалися такі задачі:

1. Синтез методів і відповідних алгоритмів оптимальних оцінок комплексного коефіцієнта розсіювання і статистичних характеристик ППО за наявності обмежень щодо зони його можливої локалізації.

2. Розробка алгоритмів оптимальної локалізації ППО на фоні завадових відбиттів від земної та морської поверхн для функціонально-детермінованої й стохастичної моделей прийнятих сигналів.

3. Обґрунтування можливост реалізації оптимальних і квазіоптимальних алгоритмів локалізації ППО на підстав статистичного моделювання й аналізу динамічних сцен та розробка рекомендацій щодо х практичної реалізації.

4. Розробка практичних варіантів реалізації алгоритмів локалізації ППО для вирішення задач високоточного проведення суден по вузьких фарватерах Дніпро-Бузького лиману.

5. Розробка методів і алгоритмів селекції рухомих ППО на фоні завадових відбиттів від морської поверхні та гідрометеорів.

Об'єкт дослідження – виявлення та селекція просторово-протяжних об'єктів у радіотехнічних системах.

Предмет дослідження – локалізація й оцінка параметрів просторово-протяжних об'єктів на основі статистичної оптимізац обробки радіолокаційних сигналів.

Метод дослідження – методи статистичної просторово обробки випадкових процесів і полів, теорія розпізнавання образів на основ нейромережної технології, елементи теорії математичного моделювання з використанням сучасних комп’ютерних технологій та реальних початкових даних.

Наукова новизна отриманих результатів. У дисертаційній роботі були отримані такі результати:

1. Запропоновано новий метод просторово-часової обробки радіолокаційних сигналів, який дозволяє підвищити точність локалізації ППО на фоні нестаціонарних завадових відбиттів від земно та морської поверхні з використанням оптимальних ковзаючих вікон і вейвлет-перетворення та синтезувати нові алгоритми їхньої обробки.

2. Удосконалена методика визначення координат просторово-протяжних об'єктів з урахуванням апріорно нформації про просторову протяжність об'єкта, що дозволяє підвищити завадостійкість точність берегових радіотехнічних систем.

3. Вперше отримано ефективн алгоритми обробки динамічних зображень в умовах параметричної апріорно невизначеності відносно електрофізичних та геометричних характеристик ППО, що дають можливість вирішувати радіолокаційні задачі при обмеженому часовому ресурсі.

4. Запропоновано нові методи виявлення просторово-протяжних об'єктів на основі нейромережних технологій, як забезпечують збереження характерних ознак радіолокаційного портрету ППО в умовах високої імовірності появи імпульсних завад.

5. Розроблено та запропоновано нові методи селекції рухомих просторово-протяжних об'єктів на основі адаптивно сегментації динамічних сцен з використанням нейромережної технології, як стотно підвищили характеристики виділення ППО.

Практичне значення отриманих результатів. Запропоновані методи й алгоритми селекції протяжних об'єктів з урахуванням міжперіодної обробки радіолокаційних сигналів, розсіяних просторово-протяжними об'єктами, що дозволяють ефективно вирішувати задачі виявлення і селекції рухомих об'єктів складної форми. Розроблені алгоритми селекції рухомих об’єктів дозволили автоматизувати обробку інформації імпульсної радіолокаційної станції, підвищити ефективність і надійність прийнятих рішень. Відмінністю отриманих алгоритмів від снуючих є висока швидкодія і завадостійкість. Результати досліджень впроваджені в автоматизовану інформаційно-обчислювального систему (АІОС) навігаційного комплексу “Лиман” ДП “Дельта-лоцман” (м. Миколаїв), що дозволило комплексно підвищити якісні показники БРЛС, безпеку й ефективність руху великотоннажних суден по вузьких фарватерах Дніпро-Бузького лиману в складних метеоумовах.

Особистий внесок здобувача. Дисертаційна робота результатом самостійної праці автора. В роботах, виконаних і опублікованих у співавторстві особистий внесок автора полягає в наступному: в статті [1] розроблено та проаналізовано алгоритм оцінювання радіолокаційного центру протяжного об'єкта; в статті [2] розроблено метод селекції рухомих об'єктів на основ методу моментів; в роботі [3] розроблено метод виявлення ППО для тих випадків, коли корисні сигнали є випадковими процесами; в роботі [4] розв’язано оптимізаційну задачу оцінки комплексного коефіцієнта розсіювання; в роботах [8-11] розроблен методи виявлення та селекції просторово-протяжних об'єктів та проаналізован відповідні алгоритми.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційно роботи були подані й обговорені на Міжнародній науково-практичній конференції “Інформаційні технології управління екологічною безпекою, ресурсами та заходами у надзвичайних ситуаціях (сел. Рибаче, 2002 р.), семінарах кафедри “Проектування радіоелектронних систем літальних апаратів Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського “ХАІ”.

Публікації. Основні результати дисертац відображені в 11 роботах: 5 статтях у наукових спеціалізованих журналах науково-технічних збірниках, що входять до переліку ВАК України, у тезах 2 доповідей на науково-технічної конференції і 4 звітах з НДР.

Структура й обсяг дисертаційно роботи. Дисертація складається з вступу, п’яти розділів, висновків, додатків та списку використаних джерел. Загальний обсяг дисертації становить 197 сторінки, у тому числі: 26 рисунків на 10 окремих сторінках, 7 таблиць на 4 окремих сторінках, 2 додатків на 28 сторінках і список використаних джерел з 123 найменувань на 11 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ дисертаційної роботи містить так положення: актуальність задач обробки радіолокаційних сигналів та динамічних сцен з урахуванням впливу завад, як просторово-часових нестаціонарних процесів, в РТС виявлення, селекції та супроводження просторово-протяжних об'єктів; зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами; мету і задачі дослідження; методи дослідження; наукову новизну отриманих результатів; практичне значення отриманих результатів; обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій. Наведено дані про впровадження, публікації, апробацію особистий внесок здобувача.

У першому розділі розглянуто проблематику задач радіолокації протяжних об'єктів, основні статистичні характеристики відбиттів від точкових і протяжних об'єктів. Розглянуто моделі сигналів і характеристики відбиттів від складних об'єктів, визначено їхні статистичні характеристики, необхідні для складання умовних функціоналів щільностей ймовірностей наступного вирішення оптимізаційних задач просторово-часової обробки сигналів, відбитих від складних об'єктів. Проведено аналіз методів і підходів просторово-часової обробки сигналів, розсіяних розподіленими об'єктами на фон завад, що дозволило обґрунтувати основні напрямки досліджень.

Реальний складний об'єкт має деяку сукупність блискучих точок” в елементі, розміри якого визначаються роздільною здатністю РЛС, тому положення еквівалентного фазового центру об'єкта є випадковим у межах його геометричного розміру, а в деяких випадках виходить за фізичні межі об’єкта. Складною задачею в РЛС кругового огляду є вимір дальності за кривизною хвильового фронту електромагнітного поля для випадку багатоточкового об'єкта й наявності морської поверхні. На основі аналізу багатоточкової моделі ППО сформульовані задачі оцінок його радіолокаційного зображення (РЛЗ) відповідного контуру, що визначають місцезнаходження й характерні параметри ППО з урахуванням його руху.

Особливістю поля, розсіяного ППО та навколишнім середовищем, є стохастичний характер сигналу внаслідок зміни ракурсу об'єкта, висот схвильованої морської поверхні, наявності гідрометеоутворень на шляху поширення ехо-сигналу, внутрішніх шумів апаратури й т. ін. Поле, розсіяне складним об'єктом, лінійні розміри якого становлять десятки-сотні тисяч довжин хвиль, описується сумою полів еквівалентної сукупності локальних джерел. При цьому окремі “блискучі точки” об'єкта не розрізняються, у цьому випадку оптимальною процедурою оцінки параметрів сигналу , де – вектор оцінюваних параметрів, на фоні завад , є узгоджена просторово-часова обробка прийнятого коливання . Вихідний ефект системи узгодженої обробки сигналів на тлі загальної гауссової завади за один період обзору визначається комплексним кореляційним інтегралом:

, (1)

де – матриця обернених кореляційних функцій, – номер радіолокаційного огляду.

У випадку, коли відношення сигнал/завада набагато більше одиниці, що характерно для ближньої радіолокації, матриця буде погано обумовленою. Крім того, для отримання оберненої кореляційної матриці потрібна висока точність обчислень і значні часові ресурси при великому обсязі вибірки. Це зумовлю необхідність переходу до адаптивних алгоритмів обчислення коваріаційної матриц завад.