Алгоритмы предварительной обработки сигналов в задаче пассивной моноимпульсной пеленгации

Семенова, Марина Юрьевна

Алгоритмы предварительной обработки сигналов в задаче пассивной моноимпульсной пеленгации тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

Семенова, Марина Юрьевна АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Нижний Новгород МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.03 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Алгоритмы предварительной обработки сигналов в задаче пассивной моноимпульсной пеленгации»

Автореферат диссертации на тему "Алгоритмы предварительной обработки сигналов в задаче пассивной моноимпульсной пеленгации"

На правах рукописи

005536233

-Ж—

Семенова Марина Юрьевна

АЛГОРИТМЫ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ В ЗАДАЧЕ ПАССИВНОЙ МОНОИМПУЛЬСНОЙ ПЕЛЕНГАЦИИ

01.04.03 - Радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

3 1 ОКТ 2013

Нижний Новгород - 2013

005536233

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского»

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук

Логинов А.А.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Флаксман А.Г.

кандидат технических наук Маврычев Е.А.

Ведущая организация: ОАО «Федеральный научно-

производственный центр «Нижегородский научно-исследовательский институт радиотехники» (ОАО «ФНПЦ «ННИИРТ»)

Защита состоится « О^/ » Ф^&С^Ьл 2013 г. в часов

на заседании диссертационного совета Д 212.166.07 при Нижегородском государственном университете им. Н.И. Лобачевского по адресу: 603950, Нижний Новгород, пр. Гагарина, 23, корп. У , ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского.

Автореферат разослан« » 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.ф.-м.н., доцент

Черепенников В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ

Актуальность темы

Задача точного определения координат источника радиоизлучения (ИРИ) малой мощности при наличии сильных аддитивных помех актуальна во многих областях науки и техники (радиолокации, радиоастрономии, радионавигации и связи) и представляет собой одно из важных направлений исследований современной радиофизики. Для развития этой области науки фундаментальными являются работы М.И. Сколника, Я.Д. Ширмана, В.И. Тихонова, Ч. Кука, М. Бернфельда, Ю.С. Лезина, Ю.Г. Сосулина, Ю.М. Казаринова, П.А. Бакулева, М.И. Финкельштейна, А.И. Леонова, К.И. Фомичева, С.М. Шермана и многих других ученых.

При определении положения источника излучения традиционно используют методы (дальномерный, разностно-дальномерный, триангуляцию), которые требуют наличия как минимум двух антенных систем. В частности, для применения разностно-дальномерного метода необходимо знание временной задержки принятого сигнала при многоканальном распространении и наличие набора приемных устройств, разнесенных в пространстве и синхронизованных по времени. Для достижения высокой точности определения координат требуются значительные расстояния между приемными устройствами, например, несколько летательных аппаратов, что не всегда возможно. В условиях работы только одной приемной станции для решения данной задачи традиционно применяют методы пеленгации.

Современные методы определения угловых координат (пеленгации) можно разделить по количеству приемных каналов на одноканальные и моноимпульсные (многоканальные). Одноканальные методы пеленгации, отличаясь сравнительной простотой, не всегда обеспечивают достаточную точность измерения, так как данные в одноканальном методе принимаются последовательно, и наличие флуктуаций излучения сказывается в виде искажения огибающей принимаемого сигнала. В моноимпульсных методах, получивших широкое распространение, сигналы принимаются одновременно несколькими независимыми каналами, что позволяет измерить угловые координаты источника излучения по одному принятому импульсу. Это обеспечивает одно из главных преимуществ моноимпульсного метода пеленгации - малую чувствительность к мультипликативным флуктуациям амплитуды принятого сигнала, что позволяет уменьшить ошибку определения угловых координат.

Особенно остро стоит вопрос уменьшения ошибок определения амплитуд принимаемых сигналов в задаче пассивной пеленгации. В большинстве практических случаев для определения координат объекта используют активную локацию, обработка данных в которой заключается в приеме сигнала и последующем его сравнении с излученным сигналом. В активных методах радиолокации оптимальная оценка координат источника

излучения обычно производится корреляционным поиском, что обусловлено наличием точной информации о принимаемом сигнале. Априорная неопределенность структуры и свойств принимаемого сигнала в задаче пассивной пеленгации существенно снижает точность расчетов.

Большинство методов амплитудной моноимпульсной пеленгации разработаны для антенных систем, обычно формирующих четыре парциальных канала приема, вместе обеспечивающих прямоугольную конфигурацию. Основная причина выбора такой структуры приемной системы (или других похожих структур, например из пяти каналов) состоит в том, что при этом существенно упрощается задача пеленгации. Определение двух угловых координат источника излучения сводится к двум независимым подзадачам методом разделения переменных. В настоящее время возникает практическая возможность создания многоканальных многолепестковых амплитудных моноимпульсных антенн, конфигурации каналов которых существенно отличаются от традиционных. Наличие большего количества приемных каналов позволяет, например, увеличить рабочую область угловых координат, в которой может располагаться источник излучения для точного определения его местоположения. Однако переход к таким антеннам с многолепестковыми диаграммами направленности (ДН) сопряжен с трудностями адаптации (переноса) алгоритма обработки сигналов с целью получения информации о пеленге на случай произвольной конфигурации. Для ряда конфигураций разделение переменных (угловых координат) может быть выполнено, однако для каждой антенны необходимо отдельно формировать методику получения «сигнала ошибки» для каждой угловой координаты. Для произвольной конфигурации невозможно применить такой подход к решению задачи пеленгации.

Задача увеличения количества каналов приема и, соответственно, задача адаптации к таким системам алгоритма пеленгации особенно актуальны для работы антенных систем, устанавливаемых на летательных аппаратах, например искусственных спутниках Земли, поскольку из-за больших расстояний до пеленгуемых объектов на земной поверхности характерный размер зоны покрытия может составлять сотни километров, а значит, существует ненулевая вероятность того, что в этой области функционируют несколько излучающих объектов. Наличие двух и более источников со сравнимыми мощностями приводит к значительному повышению погрешностей измеряемых угловых координат. Существующие критерии позволяют определить факт наличия других источников излучения рядом с пеленгуемым объектом, однако не дают возможность определить количество излучающих целей и пеленг.

Исходя из анализа ограничений традиционных схем пеленгации, можно выделить ряд трудностей, связанных с практическим применением традиционных схем. Основная часть теоретических исследований по амплитудной моноимпульсной радиолокации основывается на ряде упрощений, которые редко выполняются на практике. В частности, при

рассмотрении этих методов на ДН антенны часто накладываются следующие ограничения: идентичность ДН приемных каналов антенны (т.к. при этом достигается оптимальная эффективность определения угловых координат источника излучения), специальная (прямоугольная) конфигурация приемных каналов антенной системы, идеальность ДН (в частности, отсутствие боковых лепестков ДН), ограниченность рабочей области угловыми координатами, соответствующими главному лепестку ДН. В случае пассивной радиолокации усложняется возможность обнаружения сигнала и последующей его обработки. Существенным ограничением моноимпульсных методов также является требование присутствия только одного источника излучения в области работы антенной системы. На практике указанные допущения не всегда выполняются. Для учета этих и других проблем практической применимости методов моноимпульсной пеленгации необходима адаптация существующих или разработка новых алгоритмов цифровой обработки сигналов, поскольку многие задачи радиолокации, радионавигации, связи требуют повышенной точности оценки амплитуд, которая не может быть достигнута традиционными методами.

Цель работы

Целью диссертационной работы является разработка и исследование эффективности алгоритмов, позволяющих повысить по сравнению с традиционными методами точность определения угловых координат источника излучения амплитудным моноимпульсным методом пассивной пеленгации. Особое значение имеет задача обеспечения устойчивости разрабатываемых алгоритмов к присутствию в канале распространения аддитивных шумов высокого уровня в общей спектральной полосе и диапазоне углов антенной системы, наличию неидеальности и неидентичности ДН приемных каналов, а также сигналов нескольких источников излучения.

Научная новизна

• Предложен подход к анализу конфигурации приемных каналов антенной системы, позволяющий определить рабочую область и степень доверия к результатам пеленгации источника излучения амплитудным моноимпульсным методом. Преимуществом данного подхода является возможность применения для произвольных конфигураций многоканальных многолучевых систем.

• Предложены методы обработки сигналов с повышенной точностью определения угловых координат одного источника излучения по сравнению с традиционными алгоритмами в условиях наличия аддитивных шумов в принимаемых данных.

• Для многолучевой моноимпульсной антенной системы с парциальными каналами приема предложены алгоритмы, позволяющие в рамках общего порогового подхода определить число источников излучения и одновременно оценить их угловые координаты.

Научная и практическая значимость

Полученные в диссертационном исследовании теоретические результаты и алгоритмы обработки сигналов могут быть использованы при проектировании эффективных систем связи, навигации и мониторинга, использующих принципы моноимпульсной пеленгации. Проведенные исследования устойчивости работы алгоритмов по отношению к аддитивным шумам, а также неидеальности и неидентичности каналов приема, дают основания для их применения на практике в задаче амплитудной моноимпульсной пеленгации в условиях присутствия шумов высокого уровня и нескольких источников излучения. Разработанные алгоритмы могут быть использованы при обработке данных моноимпульсной антенной системы с многолепестковыми ДН приемных каналов.

Основные положения, выносимые на защиту

• Метод анализа конфигурации многоканальной многолепестковой амплитудной моноимпульсной антенной системы на основе оценки обусловленности матрицы линеаризованной системы уравнений пеленгации.

• Двухэтапный алгоритм амплитудной моноимпульсной пеленгации, включающий предварительную аппроксимацию ДН приемных каналов.

• Метод оценивания амплитуд сигналов, принятых многоканальной моноимпульсной антенной системой, на основе предварительной оценки энергии шума.

• Алгоритмы оценивания числа источников излучения и их угловых координат многоканальной многолепестковой амплитудной моноимпульсной антенной системой на основе:

- оптимизации функционала рассогласования для системы уравнений пеленгации;

- предварительной нейросетевой обработки данных.

• Результаты моделирования и исследования устойчивости работы предложенных алгоритмов моноимпульсной пеленгации по отношению к уровню аддитивных шумов.

Апробация работы

Основное содержание диссертационной работы отражено в 19 опубликованных работах, в числе которых 5 статей в журналах, рекомендованных ВАК РФ [1-5], 14 тезисов докладов и статей в сборниках трудов отечественных и международных конференций [6-19]. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

• научных конференциях по радиофизике, Нижний Новгород, ННГУ, 2008, 2009, 2010, 2011, 2012, 2013 гг.;

• международных научно-технических конференциях «Информационные системы и технологии», Нижний Новгород, НГТУ, 2009, 2010, 2011, 2012, 2013 гг.;

• международных конференциях «Цифровая обработка сигналов и ее применение», Москва, ИПУ РАН, 2010, 2011 гг.;

• всероссийской научно-технической конференции «Радиолокация и радиосвязь», Москва, 2011 г.;

• научно-технической конференции «Радиолокация. Теория и практика», Нижний Новгород, 2012 г.;

• международной конференции «Signal Processing, Pattern Recognition, and Applications», Австрия, 2013 г.

Личный вклад автора

Автору принадлежит метод анализа произвольных конфигураций амплитудных моноимпульсных антенных систем, двухэтапный метод пеленгации, метод оценивания амплитуд сигналов, принятых многоканальной антенной системой, на основе предварительной оценки уровня шума в каналах, методы определения числа источников излучения. Выбор направления исследования, постановка целей и задач и обсуждение полученных результатов проводилось совместно с научных руководителем доцентом кафедры ИТФИ физического факультета ННГУ, к.ф.-м.н. Логиновым A.A., профессором кафедры ИТФИ, д.ф.-м.н. Морозовым O.A., заведующим кафедрой ИТФИ, профессором, д.т.н. Фидельманом В.Р. и с.н.с. НИФТИ ННГУ, к.ф.-м.н. Овчинниковым П.Е. Аналитические и численные расчеты, программная реализация предложенных алгоритмов выполнены лично автором.

Достоверность

Достоверность результатов исследования обеспечена

использованием математически обоснованных современных методов цифровой обработки информации, корректным использованием теоретических и численных подходов. Работоспособность и эффективность предложенных алгоритмов подтверждается результатами компьютерных экспериментов, сравнением результатов обработки предложенных методов с результатами традиционных методов.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Общий объем диссертации составляет 135 страниц, включая 65 рисунков, 5 таблиц и список литературы из 121 наименования.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ Во введении обосновывается актуальность работы, формулируются ее цели, кратко излагается содержание диссертационной работы, отражается научная новизна и практическая значимость полученных результатов, приводятся основные положения, выносимые на защиту, а также сведения об апробации результатов.

Первая глава содержит краткий обзор современных методов моноимпульсной обработки сигналов и сформулированы проблемы,

связанные с влиянием различных факторов на точность пеленгации.

В п. 1.1 изложены существующие подходы к определению угловых координат одного источника излучения в рамках одномерной задачи пеленгации, описан традиционный подход к расширению методики одномерной пеленгации на двумерную задачу (определения двух угловых координат). Рассмотрены традиционно применяемые конфигурации приемных каналов, отмечено их общее свойство - возможность выполнения разделения переменных.

В п. 1.2 описаны традиционные оптимальные методы определения амплитуды сигнала в случае активной и пассивной локации. Отмечено, что для пассивной локации присутствие шумов в сигнале оказывает значительно большее влияние в связи с априорной неопределенностью принимаемого сигнала.

В п. 1.3 представлен обзор работ по вопросу определения нахождения источника излучения в рабочей области пространства моноимпульсной антенной системы для традиционной четырехканапьной конфигурации. Проведен анализ аналогичных методик для произвольной конфигурации.

В п. 1.4 приведено описание методик работы с сигналами от нескольких источников излучения. Рассмотрены два типа моноимпульсных антенных систем - с фазированной антенной решеткой и с парциальными каналами приема. Основное внимание уделено работе антенной системы с парциальными каналами приема. Отмечено, что для таких систем существуют критерии наличия в принимаемых данных сигналов более одного ПРИ, однако существенные трудности вызывает определение числа ИРИ и их совместная (одновременная) пеленгация.

В п. 1.5 сделаны выводы о необходимости адаптации традиционного алгоритма пеленгации для случая произвольной конфигурации приемных каналов амплитудной моноимпульсной системы, разработки методов, позволяющих повысить точность пеленгации для случая пассивной локации, создания методики определения рабочей области и вхождения ИРИ в нее, разработки алгоритма оценки числа ИРИ и определения их угловых координат.

Вторая глава посвящена вопросу анализа конфигурации многоканальной многолепестковой амплитудной моноимпульсной антенной системы (АС). В связи с тем, что в последнее время появились возможности создания многоканальных многолучевых АС нетрадиционной конфигурации с числом каналов более 4-х, в данной главе обсуждаются возможные варианты конфигураций многоканальных антенных систем (рис. 1) и особенности работы с ними.

В п. 2.1 для антенных систем с идентичными ДН приемных каналов, описываемых двумерными функциями Гаусса (с одинаковыми дисперсиями), показано, что система уравнений пеленгации

где F — функционал пеленгационной характеристики, Ai - амплитуда сигнала, принятого г'-м каналом, ft - ДН ¿-того канала, сводится к переопределенной системе линейных уравнений:

Rx = q,

где х = (х,у)т - вектор угловых координат, элементы матрицы R зависят только от параметров антенной системы, а вектор правых частей q зависит также от амплитуд Aj принятых сигналов. Такая система традиционно решается сведением к системе нормальных уравнений Гаусса:

RrRx = Rrq

В работе предложено применение метода решения системы линейных уравнений пеленгации на основе разложения матрицы системы уравнений по сингулярным числам и отмечено, что такой подход позволяет для некоторых конфигураций (например, конфигурации на рис. 1г) уменьшить ошибки пеленгации по сравнению с традиционными методами решения. Предложен алгоритм анализа конфигурации антенной системы, в основе которого лежит сравнение величины обусловленности (отношения максимального сингулярного числа к минимальному) матрицы RrR системы линейных уравнений пеленгации с пороговым значением. Показано, что для некоторых конфигураций приемных каналов применение критерия «ограниченности» обусловленности позволяет уменьшить

№ »

а) о -8

-'S

1.5 0.75

в) ч

•0.75

ошибку пеленгации Дх (рис. 2).

Рис. 1. Примеры конфигураций ДН приемных каналов многоканальной многолепестковой антенной системы

В п. 2.2 для АС с неидентичными ДН приемных каналов (в частности, ДН, описывающимися двумерными функциями Гаусса с разными дисперсиями или другими функциями) введен предварительный этап линеаризации системы уравнений пеленгации путем аппроксимации ДН приемных каналов идентичными функциями Гаусса (рис. 3). Аппроксимирующие функции используются при анализе конфигурации антенной системы, который выполняется аналогично случаю идентичных ДН приемных каналов. Проведено сравнение точности пеленгации с применением критерия и без него. В результате сравнения определено, что предложенный анализ конфигурации антенной системы позволяет определить рабочую область угловых координат, в которой задача определения пеленга путем решения системы линейных уравнений без дополнительной обработки является устойчивой, и показано, что для некоторых конфигураций антенной системы применение предложенного критерия позволяет улучшить статистические характеристики пеленгации (уменьшить ошибки пеленгации).

В п. 2.3 сформулированы выводы по второй главе.

|4Х|.'

0,4

* « !

------Я-а ;

и—■—* ---- X ---------- Хх ~ —,-,—. »—■ ?

ОСШ. дБ

Рис. 2. Средние ошибки пеленгации для конфигурации, показанной на рис. 1г (а - в области с ограниченной обусловленностью, б - во всей исследуемой области)

А, Расчет ошибок

Оценка А? пеленгации

амплитуды Ч Р(А„А>)

тм

Переопределенная системе линейных уравнений

Предобработка данных ■

Алпроксимац ия ДН функцией Гаусса^ Г и ГъГ3/ \

ДН с боковыми лепестками

Анализ

обуслов-

ленности

"ШуГ

Постобработка

Рис. 3. Схема амплитудной моноимпульсной пеленгации с предварительной аппроксимацией ДН антенн

В третьей главе рассматриваются алгоритмы, позволяющие повысить устойчивость пеленгации одного ИРИ к аддитивным шумам.

В п. 3.1 предложен двухэтапный алгоритм пеленгации. Вследствие неидеальности ДН приемных антенн, в т.ч. наличия боковых лепестков, задача решения системы уравнений пеленгации путем оптимизации функционала среднеквадратичного рассогласования

Ф (*,У) = X(F(fnfj)-F(Ai>Ajf min

i*j

является многоэкстремальной. На первом этапе производится переход от реальных ДН приемных антенн к идеальной модели путем аппроксимации главных лепестков ДН функциями Гаусса с одинаковыми дисперсиями, при этом функционал рассогласования для системы уравнений пеленгации становится одноэкстремальным, положение минимума этого функционала принимается за начальное приближение пеленга. На втором этапе вблизи найденного начального приближения определяется решение с использованием реальных ДН путем локальной оптимизации многоэкстремального функционала. Приведены результаты компьютерного моделирования.

В п. 3.2 исследована модификация корреляционного моноимпульсного метода. Традиционный метод оценки амплитуд основан на расчете энергии принятого сигнала, при этом значительное влияние на точность оценки амплитуды оказывают аддитивные шумы. Для увеличения отношения сигнал-шум (ОСШ) в сигналах в корреляционном методе используется переход от обработки непосредственно сигналов, принятых различными каналами антенной системы, к обработке их взаимных корреляционных функций (ВКФ). В рамках этой модели осуществляется переход к системе «мнимых» антенн, в которой угловые координаты источника излучения не изменяются, сигнал, принимаемый этой системой, определяется автокорреляционной функцией исходного сигнала, а ДН мнимых антенн задаются взаимными произведениями ДН реальных антенн. Для уменьшения влияния аддитивных внешних шумов предложено в алгоритме оценки амплитуды производить дополнительную фильтрацию ВКФ сигнала. Проведено исследование точности определения амплитуд традиционным и корреляционным алгоритмом. Показано, что учет специфики моноимпульсной пеленгации (синфазности приема сигнала различными каналами) в корреляционном методе позволяет повысить точность определения амплитуд. Исследована точность пеленгации в условиях присутствии в сигнале аддитивного внутреннего шума аппаратуры и внешних шумов. На рис. 4 показаны результаты исследований точности пеленгации двухэтапным методом и корреляционным для трех различных случаев расположения ИРИ. Исследована устойчивость корреляционного моноимпульсного метода к неточности знания ДН и коэффициентов усиления приемных трактов. Отмечена меньшая устойчивость корреляционного метода к влиянию

указанных факторов, что объясняется двойным вкладом ошибок в данных в алгоритм пеленгации - при расчете ДН мнимых антенн и при решении системы уравнений пеленгации.

В п. 3.3 предложен алгоритм оценки амплитуд сигналов на основе предварительной оценки энергии шума. Для сигналов с низким ОСШ влияние аддитивного шума на точность определения амплитуд может быть уменьшено путем исключения некоррелированной шумовой составляющей Еп из энергии принятого сигнала. Для этого применяется эталонный сигнал 5Э(/), содержащий только полезную составляющую, принятый синфазно с сигналами £,•(/) в каждой из приемных антенн:

где и,-(0 - шум в г-м канале, Аэ - амплитуда эталонного сигнала. Выбор приемного канала с эталонным сигналом осуществляется на основе критерия максимума энергии. Угловые координаты ИРИ определялись путем решения системы уравнений пеленгации по полученным оценкам амплитуд. Исследована точность определения амплитуд и точность пеленгации для сигналов на фоне шумов различного рода. На рис. 4 представлены результаты исследования точности.

ОСШ (ест.), дБ

Рис. 4. Зависимости средней ошибки пеленгации от ОСШ для внешнего естественного шума (ОСШ аппаратуры = 10 дБ) при различных положениях ИРИ (а - на границе рабочей области, б - на оси антенны, в - на «среднем» удалении от оси антенны) для трех алгоритмов (1 - двухэтапный, 2 - корреляционный, 3-е применением оценки амплитуд на основе предварительной оценки энергии шума) для конфигурации, показанной на рис. 1а

По результатам компьютерного моделирования (рис. 4) сделаны следующие выводы об областях применимости предложенных алгоритмов. Применение двухэтапного алгоритма пеленгации с традиционным методом оценки амплитуд обосновано в случае, если АС работает в режиме с обратной связью (ось антенны «следит» за целью). Применение корреляционного метода и метода на основе предварительной оценки энергии шума целесообразно в случае, если АС работает в режиме без обратной связи и возможны значительные отклонения цели от равносигнального направления. Эффективность метода на основе предварительной оценки энергии шума сравнима с эффективностью корреляционной обработки и превосходит ее при приближении к границе рабочей области.

В п. 3.4 сформулированы выводы по третьей главе.

Четвертая глава посвящена проблеме обработки сигналов, принятых многоканальной амплитудной моноимпульсной системой пеленгации, в случае, когда в рабочей области антенной системы находится более одного источника излучения. Предложены два алгоритма, позволяющие оценить число источников излучения в рабочей области пространства.

В п. 4.1 предложен алгоритм оценки числа ИРИ методом оптимизации функционала среднеквадратичного рассогласования, составленного для системы уравнений пеленгации:

Ф(х,у)= Л; , ]Гу;.2(хк,ук), £//{хт,Ут))~Г(А,,А,)

к=1 V »1=1

где х = (хи...,хК)Т, у = {ух,...,уы)Т - векторы угловых координат N ИРИ. Операция поиска минимума функционала выполняется для всех возможных значений числа ИРИ N. Рещение о числе источников принимается путем анализа минимума функционала оптимизации на основе порогового метода. Значение порога / (уровня принятия решения) определяется по критерию минимума суммы условных вероятностей ошибки, соответствующему минимуму вероятности принятия неверного решения рК.

В п. 4.2 предложен алгоритм оценки числа ИРИ с применением нейросетевой обработки данных, полученных моноимпульсной антенной системой. Суммарно-разностные отношения амплитуд (или мощностей) сигналов, принятых различными приемными каналами, подаются на вход нейронной сети, на выходе которой формируется функция распределения излучения р{хк,ук) по пространству (дискретной сетке (хк,ук)) угловых координат (рис. 5). При обучении сети в качестве модели распределения излучения от одного ИРИ использовалась двумерная функция Гаусса. Положения источников излучения определяются по функции

распределения излучения путем подбора параметров указанной модели, описывающей выходные данные нейронной сети, на основе оптимизации соответствующего функционала рассогласования. Данная операция проводится для всех возможных значений числа ИРИ. Рещение о числе источников производится аналогично первому алгоритму — пороговым методом; значения порога определяется по критерию минимума суммы условных вероятностей ошибки.

Оба предложенных метода позволяют одновременно с оценкой числа ИРИ определять их угловые координаты. В п. 4.3 на примере антенной системы с 19 приемными каналами проведено сравнение предложенных методов. Зависимости рп, от уровня принятия решения, приведенные на рис. 6, показывают, что выбор оптимального уровня принятия решения / в алгоритме оптимизации для системы уравнений пеленгации позволяет достичь меньшей вероятности принятия неверного решения =0.04

при малом уровне шума (при ОСИ! = 50 дБ). Проведено исследование влияния условий приема на вероятность принятия неверного решения о числе ИРИ: наличие в сигналах различий мощностей ИРИ и аддитивных шумов. Определены разрешающие способности и точности пеленгации обоих методов. Показано, что в условиях наличия аддитивных шумов оптимальное значение порогового уровня зависит от шумовой обстановки (уровня шума), поэтому на практике для обоих методов необходим дополнительный канал обработки, который позволяет оценить уровень шума в обрабатываемых данных, и выбрать соответствующий оптимальный уровень. Выявлено, что обучение нейронной сети по данным, содержащим шумы того же уровня, что и в обрабатываемых данных, позволяет получить значительное преимущество - меньшую вероятность принятия неверного решения по сравнению с оптимизационным методом в условиях наличия аддитивных шумов высокого уровня (ОСШ=15дБ). Однако во всех исследованиях выявлено, что метод оптимизации для системы уравнений пеленгации обладает более стабильными характеристиками относительно выбора уровня принятия решения. Также в случае, когда возможна работа с несколькими источниками, различающимися по мощности в 2-3 раза, или необходимо высокое разрешение двух источников излучения, применение алгоритма оптимизации для системы уравнений пеленгации предпочтительней.

Оценка амплитуд

Расчет ошибок пеленгации

Нейросетееая обработка

Р(*ь У*)

Определение параметров распределения излучения

* Хь ..., Хц, Уь-.Ун.

Рис. 5. Схема нейросетевого метода моноимпульсной обработки В п. 4.4 сформулированы выводы по четвертой главе.

В заключении содержится сводка основных результатов диссертационного исследования.

В приложении 1 отражен подход к решению системы линейных уравнений на основе разложения матрицы по сингулярным числам. В приложении 2 приведен вывод взаимных корреляционных функций сигналов с выходов различных каналов приемной антенной системы. Показано, что некоррелированные в различных каналах шумы аппаратуры не оказывают влияния на результаты корреляционной обработки. В приложении 3 представлен алгоритм выбора оптимальной частоты дискретизации непрерывных сигналов на основе информационной оптимальности временного ряда отсчетов. Показано повышение эффективности алгоритмов обработки сигналов, использующих матричные подходы, в случае применения оптимальной частоты дискретизации.

0.8 0.6 0.4 0.2 о

10'

10"

- 0.8 / 0.6

0.4

0.2

4-/0 1 10

Л-

10'

■V?'

10'

(а) (б)

Рис. 6. Вероятность принятия неверного решения о числе ИРИ от уровня принятия решения для метода оптимизации системы уравнений пеленгации (а) и для метода нейросетевой обработки (б)

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ

Основные результаты диссертационной работы заключаются в

следующем.

• Разработан метод анализа конфигурации приемных каналов многоканальной многолепестковой амплитудной моноимпульсной антенной системы, основанный на предварительной линеаризации и оценке обусловленности матрицы системы линейных уравнений пеленгации, исследовано влияние конфигурации на точность алгоритма пеленгации,

• Разработан двухэтапный алгоритм амплитудой моноимпульсной пеленгации, основанный на традиционном алгоритме пеленгации с добавлением предварительного этапа аппроксимации диаграмм направленности функциями Гаусса.

• Предложен алгоритм оценивания амплитуд сигналов, принятых многоканальной моноимпульсной антенной системой, на основе предварительной оценки энергии шума. В качестве эталонного сигнала предложено использовать данные канала с максимальной энергией сигнала.

• Исследовано влияние аддитивных шумов на точность пеленгации

двухэтапным алгоритмом, модифицированным корреляционным алгоритмом и с применением алгоритма оценивания амплитуд на основе предварительной оценки энергии шума, и определены предпочтительные условия применения каждого из них. • Разработаны и исследованы алгоритмы оценивания числа источников излучения и их угловых координат в рабочей области амплитудной моноимпульсной антенной системы с пороговым методом принятия решения:

— путем оптимизации функционала рассогласования для системы уравнений пеленгации;

- с применением предварительной нейросетевой обработки данных для формирования распределения излучения по пространству угловых координат.

Предложенные алгоритмы позволяют повысить точность пеленгации источника излучения пассивным методом амплитудной моноимпульсной пеленгации многоканальными многолепестковыми системами в условиях присутствия аддитивных шумов высокого уровня, неидеальности и неидентичности ДН приемных каналов и сигналов от нескольких объектов.

СПИСОК РАБОТ ПО ДИССЕРТАЦИИ

Основное содержание диссертационной работы отражено в следующих публикациях:

1. Логинов A.A., Морозов O.A., Семенова М.Ю. Алгоритмы повышения точности оценки пеленга в задаче амплитудной моноимпульсной пассивной локации // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. 2010. №5(2). С.358-362.

2. Логинов A.A., Морозов O.A., Семенова М.Ю. Влияние погрешностей настройки каналов приема на устойчивость алгоритмов моноимпульсной пеленгации // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. 2012. №4(1). С.114-117.

3. Логинов A.A., Морозов O.A., Семенова М.Ю. Алгоритмы предварительной обработки сигналов в задаче моноимпульсной пассивной пеленгации // Проектирование и технология электронных средств. 2012. №3. С. 15-19.

4. Логинов A.A., Морозов O.A., Семенова М.Ю. Оптимальная дискретизация фазоманипулированных сигналов в задаче определения взаимной временной задержки //Автометрия. 2012. Т. 48. №4. С. 120-125.

5. Логинов A.A., Морозов O.A., Семенова М.Ю. , Фидельман В.Р. Метод оценки числа источников излучения в задаче амплитудной моноимпульсной пеленгации // Известия ВУЗов. Радиофизика. 2013. Т. LVI. №7. С. 513-520.

6. Логинов A.A., Морозов O.A., Семенова М.Ю. Применение метода минимальной дисперсии Кейпона в задаче декодирования 4M сигналов // Труды 12й Научной конференции по радиофизике, ННГУ, 2008. С.112-113.

7. Логинов A.A., Морозов O.A., Семенова М.Ю. Исследование влияния различных видов шумов на эффективность корреляционной схемы пеленгации моноимпульсным методом // Труды 11й междунар. конф. «Цифровая обработка сигналов и ее применение» (DSPA'09). Москва. 2009. С.349-352.

8. Логинов A.A., Морозов O.A., Семенова М.Ю. Корреляционная схема пеленгации амплитудным моноимпульсным методом // Материалы XV международной научно-технической конференции «Информационные системы и технологии» (ИСТ-2009), НГТУ, 2009. С. 41-42.

9. Логинов A.A., Морозов O.A., Семенова М.Ю. Алгоритм амплитудной моноимпульсной пеленгации с учетом влияния боковых лепестков ДН // Труды 1 Зй Научной конференции по радиофизике, ННГУ, 2009. С.97-98.

10. Логинов A.A., Морозов O.A., Семенова М.Ю. Алгоритм предварительной обработки сигналов в задаче пассивной амплитудной моноимпульсной пеленгации // Труды 12й междунар. конф. «Цифровая обработка сигналов и ее применение» (DSPA'10). Москва. 2010., Вып. XII-2, С.26-29.

11. Логинов A.A., Морозов O.A., Семенова М.Ю. Повышение точности пассивной пеленгации источника излучения на фоне аддитивных шумов амплитудным моноимпульсным методом // Труды 14й Научной конференции по радиофизике, ННГУ, 2010. С. 167-168.

12. Логинов A.A., Морозов O.A., Семенова М.Ю. Оценка погрешности пеленгации амплитудным моноимпульсным методом на основе анализа конфигурации антенной системы // Материалы XVII международной научно-технической конференции «Информационные системы и технологии» (ИСТ-2011), НГТУ, 2011.С. 62.

13. Логинов A.A., Морозов O.A., Семенова М.Ю. Анализ конфигурации антенной системы для оценки погрешности измерений в задаче амплитудной моноимпульсной пеленгации // Труды 15й Научной конференции по радиофизике, ННГУ, 2011. С. 129-131.

14. Логинов A.A., Морозов O.A., Семенова М.Ю. Влияние выбора оптимальной частоты дискретизации на эффективность алгоритма определения временной задержки // Доклады 5й Всероссийской научно-технической конференции «Радиолокация и радиосвязь». Москва. 2011. С.338-340.

15. Логинов A.A., Морозов O.A., Семенова М.Ю. Влияние частоты дискретизации на устойчивость алгоритма определения взаимной временной задержки // Материалы XVIII международной научно-технической конференции «Информационные системы и технологии» (ИСТ-2012), НГТУ, 2012. С. 28.

16. Семенова М.Ю. Зависимость эффективности алгоритмов цифровой обработки сигналов от шага эквидистантной дискретизации // Труды 16й Научной конференции по радиофизике, ННГУ, 2012. С.141-142.

17. Loginov A.A., Morozov O.A., Semenova M.Yu. FSK signals detection by digital filtration based on Capon approach // Proc. of IV International Congress on Ultra Modern Telecommunications and Control Systems, St. Petersburg, Russia, 2012. P. 258-261.

18. Loginov A.A., Semenova M.Yu. Optimal sampling of PSK signals in mutual time delay estimation problem // Proc. of the 10th IASTED International Conference on Signal Processing, Pattern Recognition, and Applications (SPPRA 2013), Innsbruck, Austria, 2013. P. 547-550

19. Логинов A.A., Морозов O.A., Семенова М.Ю. Определение числа источников излучения при амплитудной моноимпульсной локации // Материалы XIX международной научно-технической конференции «Информационные системы и технологии» (ИСТ-2013), НГТУ, 2013. С. 29.

ОГЛАВЛЕНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. МЕТОДЫ МОНОИМПУЛЬСНОЙ ПРЕЛЕНГАЦИИ ИСТОЧНИКОВ РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ (ОБЗОР)

1.1 Традиционные подходы в моноимпульсной пеленгации

1.2 Определение амплитуд

1.3 Определение нахождения ИРИ в рабочей зоне

1.4 Работа моноимпульсной системы в помеховых условиях

1.5 Выводы по первой главе

Глава 2. АНАЛИЗ КОНФИГУРАЦИИ МОНОИМПУЛЬСНОЙ АНТЕННОЙ СИСТЕМЫ

2.1 Анализ конфигурации АС с идентичными гауссовыми ДН

2.2 Анализ конфигурации АС с предварительной аппроксимацией ДН

2.3 Выводы по второй главе

Глава 3. МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ ПАССИВНОЙ ПЕЛЕНГАЦИИ ОДНОГО ИРИ

3.1 Двухэтапный алгоритм пеленгации

3.2 Исследование модификации корреляционного моноимпульсного метода

3.3 Алгоритм оценки амплитуд на основе предварительной оценки энергии шума

3.4 Выводы по третьей главе

Глава 4. МОНОИМПУЛЬСНАЯ ПЕЛЕНГАЦИЯ В УСЛОВИЯХ НАЛИЧИЯ НЕСКОЛЬКИХ ИРИ

4.1 Определение числа ИРИ методом оптимизации для системы уравнений пеленгации

4.2 Определение числа ИРИ с применением нейросетевой обработки

4.3 Сравнение метода оптимизации для системы уравнений пеленгации с алгоритмом нейросетевой обработки

4.4 Выводы по четвертой главе Заключение

Литература

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Решение системы линейных уравнений на основе разложения матрицы по сингулярным числам

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Взаимная корреляция сигналов с выходов различных каналов приемной системы

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Выбор оптимальной частоты дискретизации

Подписано в печать 14.10.2013. Формат 60><84 1/16. Бумага офсетная. Печать цифровая. Гарнитура Тайме. Усл. печ. л. 1. Заказ № 837. Тираж 100 экз.

Отпечатано в типографии Нижегородского госуниверситета им. Н.И. Лобачевского 603000, г. Нижний Новгород, ул. Б. Покровская, 37.

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Семенова, Марина Юрьевна, Нижний Новгород

НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. Н.И. ЛОБАЧЕВСКОГО

На правах рукописи

04201 451670

Семенова Марина Юрьевна

АЛГОРИТМЫ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ В ЗАДАЧЕ ПАССИВНОЙ МОНОИМПУЛЬСНОЙ ПЕЛЕНГАЦИИ

Специальность: 01.04.03 - Радиофизика

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель; к.ф.-м.н. Логинов А.А.

Нижний Новгород - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ...........................................................................................................3

ГЛАВА 1. МЕТОДЫ МОНОИМПУЛЬСНОЙ ПРЕЛЕНГАЦИИ ИСТОЧНИКОВ РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ (ОБЗОР)...............................................13

1.1. Традиционные подходы в моноимпульсной пеленгации....................13

1.2. Определение амплитуд...........................................................................21

1.3. Определение нахождения ИРИ в рабочей зоне....................................24

1.4. Работа моноимпульсной системы в помеховых условиях..................27

1.5. Выводы по первой главе.........................................................................37

ГЛАВА 2. АНАЛИЗ КОНФИГУРАЦИИ МОНОИМПУЛЬСНОЙ АНТЕННОЙ СИСТЕМЫ.....................................................................................39

2.1. Анализ конфигурации АС с идентичными гауссовыми ДН...............43

2.2. Анализ конфигурации АС с предварительной аппроксимацией ДН. 52

2.3. Выводы по второй главе.........................................................................56

ГЛАВА 3. МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ ПАССИВНОЙ ПЕЛЕНГАЦИИ ОДНОГО ИРИ...........................................................................58

3.1. Двухэтапный алгоритм пеленгации......................................................59

3.2. Исследование модификации корреляционного моноимпульсного метода..................................................................................................................63

3.3. Алгоритм оценки амплитуд на основе предварительной оценки энергии шума......................................................................................................78

3.4. Выводы по третьей главе........................................................................85

ГЛАВА 4. МОНОИМПУЛЬСНАЯ ПЕЛЕНГАЦИЯ В УСЛОВИЯХ НАЛИЧИЯ НЕСКОЛЬКИХ ИРИ........................................................................86

4.1. Определение числа ИРИ методом оптимизации для системы уравнений пеленгации.......................................................................................86

4.2. Определение числа ИРИ с применением нейросетевой обработки... 93

4.3. Сравнение метода оптимизации для системы уравнений пеленгации с алгоритмом нейросетевой обработки............................................................101

4.4. Выводы по четвертой главе..................................................................106

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................................................108

ЛИТЕРАТУРА.....................................................................................................109

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Решение системы линейных уравнений на основе

разложения матрицы по сингулярным числам................................................118

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Взаимная корреляция сигналов с выходов различных

каналов приемной системы................................................................................119

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Выбор оптимальной частоты дискретизации..................121

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы

Задача точного определения координат источника радиоизлучения (ИРИ) малой мощности при наличии сильных аддитивных помех актуальна во многих областях науки и техники (радиолокации, радиоастрономии, радионавигации и связи) и представляет собой одно из важных направлений исследований современной радиофизики. Для развития этой области науки фундаментальными являются работы М.И. Сколника, Я.Д. Ширмана, В.И. Тихонова, Ч. Кука, М. Бернфельда, Ю.С. Лезина, Ю.Г. Сосулина, Ю.М. Казаринова, П.А. Бакулева, М.И. Финкелыитейна, А.И. Леонова, К.И. Фомичева, С.М. Шермана и многих других ученых.

активных методах радиолокации оптимальная оценка координат источника излучения обычно производится корреляционным поиском, что обусловлено наличием точной информации о принимаемом сигнале. Априорная неопределенность структуры и свойств принимаемого сигнала в задаче пассивной пеленгации существенно снижает точность расчетов.

Цель работы

Научная новизна

Научная и практическая значимость

Основные положения, выносимые на защиту

- оптимизации функционала рассогласования для системы уравнений пеленгации;

- предварительной нейросетевой обработки данных.

Апробация работы

Основное содержание диссертационной работы отражено в 19 опубликованных работах, в числе которых 5 статей в журналах, рекомендованных ВАК РФ [74, 76, 80, 82, 111], 14 тезисов докладов и статей в сборниках трудов отечественных [61, 65, 77, 112, 115, 119] и международных [62, 72, 73, 75, 81, 114, 116, 118] конференций. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

• научных конференциях по радиофизике, Нижний Новгород, ННГУ, 2008, 2009, 2010, 2011, 2012, 2013 гг.;

• международных научно-технических конференциях «Информационные системы и технологии», Нижний Новгород, НГТУ, 2009, 2010, 2011, 2012,

2013 гг.;

• международных конференциях «Цифровая обработка сигналов и ее применение», Москва, ИПУ РАН, 2010, 2011 гг.;

• всероссийской научно-технической конференции «Радиолокация и радиосвязь», Москва, 2011 г.;

• научно-технической конференции «Радиолокация. Теория и практика», Нижний Новгород, 2012 г.;

• международной конференции «Signal Processing, Pattern Recognition, and Applications», Австрия, 2013 г.

Личный вклад автора

Достоверность

Достоверность результатов исследования обеспечена использованием математически обоснованных современных методов цифровой обработки информации, корректным использованием теоретических и численных подходов. Работоспособность и эффективность предложенных алгоритмов подтверждается результатами компьютерных экспериментов, сравнением результатов обработки предложенных методов с результатами традиционных методов.

Структура и объем диссертации

Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность работы, формулируются ее цели, кратко излагается содержание диссертационной работы, отражается научная новизна и практическая значимость полученных результатов, приводятся основные положения, выносимые на защиту, а также сведения об апробации результатов.

Первая глава содержит краткий обзор современных методов моноимпульсной обработки сигналов и сформулированы проблемы, связанные с влиянием различных факторов на точность пеленгации.

В п. 1.3 представлен обзор работ по вопросу определения нахождения источника излучения в рабочей области пространс�