Статистическая обработка пространственно-временных частично поляризованных радиоволн тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

рг6 од

2 1 ОНГ ад

На правах рукописи

ГОЛОСКОКОВА Людмила Шамильевна

СТАТИСТИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ПРОСТРАНСТВЕИЮ-ВРЕМЕННЫХ ЧАСТИЧНО ПОЛЯРИЗОВАННЫХ РАДИОВОЛН

01.04.03- радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Воронеж - 1998

Работа выполнена в 5 Центральном научно-исследовательском институте Минобороны РФ._

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор РАДЗИЕВСКИЙ В.Г.

Офншгальные оппоненты: доктор технических наук, профессор ХРОМЫХ В.Г., кандидат физико-математических наук, доцент ЛУКИН А.Н.

Ведущая организация - Воронежский научно-исследовательский институт связи.

Защита состоится «12 » ноября 1998 г. в 15 ч.20 м. На заседании диссертационного совета Д 063.48.06 при Воронежском Государственном университете по адресу: 394693, г. Воронеж, Университетская пл., 1, Воронежский государственны!! университет, физический факультет, ауд. _

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного университета.

Автореферат разослан «12» октября 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

фостр.гпстненная компенсация помехи осуществляется с учетом мляризационных свойств сигнала и помехи.

3. Показано, что эффективность иространственно-поляризационно-временной обработки сигналов в условиях внешних мешающих воздействий и внутреннего шума оказывается значительно выше эффективности как пространственно-временной, так и поляризационной обработок, реализуемых автономно; за счет использования более широкого спектра различий в статистической структуре сигналов и помех удается достичь близкого к потенциальному уровня качества приема для значительно большего диапазона вариантов сишально-помеховой обстановки. Приведенные соотношения позволяют оценить степень этого приближения для произвольных пространственно-поляризационно-в ременных характеристик внешних мешающих воздействий. Эффективность обработки возрастает с усилением корреляции поляризационно-ортогональных составляющих помехи, а также с увеличением различия их мощности.

Проведено имитационное моделирование, позволяющее оценивать влияние поляризационной обработки, проведенной на первом (предварительном) этапе, на эффективность алгоритмов адаптивной пространственной обработки..

4. Обобщены и развиты методы расчета дисперсии оценки энергетических и неэнергетических параметров эллиптически поляризованных пространственно-временных сигналов в условиях воздействия внешних помех и внутреннего шума , позволяющие производить анализ влияния неоптимальности остальных параметров, включая поляризационные, на конечный результат оценки.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ. Применение рассмотренной в работе пространственно-поляризационно-временной обработки сигналов позволяет существенно повысить качество функционирования радиофизических систем различных классов при наличии помех разнообразного происхождения. Определенное усложнение антенных систем, связанное с увеличением числа каналов обработки и обусловленное необходимостью приема двух поляризационных составляющих электромагнитной волны, а также некоторое усложнение вычислительных алгоритмов с учетом современных технических достижений не являются принципиальными. Таким образом, рассматриваемый способ обработки сигналов можно считать одним из перспективных путей улучшения помехозащищенности информационных радиосистем.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения работы

ДО"Т""осс1шской научно-технической конференции но направлению развили систем и средств радиосвязи. - Воров«. 1996 т.

?.. 3 -ей межвузовской научно-техническои конференции, 1996 г.

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертационной работы опубликовано пять научно-технических статей в центральных научных журналах (список - в конце автореферата).

труктур4 и ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИОННОЙ ГАЬОГЫ-

Работа состоит из введения, трех разделов, заключен^ списка литературы включающего 71 наименование, и содержит Щ -рантщ Ген о в ного т екст а, вш-его 27 рисунков, 1 таблицу и 7 страниц

списка литературы.

СОДЕРЖАНИЕРАБОТЫ

Во ВВЕДЕНИИ к диссертации обосновывается аюуальностъ темы исследования, анализируются основные тенденции совершенствования методов стамеской обработки эллиптически поляризовав» пространсгве1Шо-временных сигналов, формулируются цель и задач, работы, в аннотированном виде излагаются ее основные результаты.

ПЕРВЫЙ РАЗДЕЛ посвяшен обоснованию математически? моделей сигналов, имеющих как квазидетермиш.рованный сн£алы), так и случайный (мешающие воздействия) характер. Пр оГсГи пошфизашюнной структуры электромагнитных вол, используется нееторио-магрггашй аппарат, который также оказываете, удобен для представления электромагнитных полей на апертуре антенн

'"важного с практической точки зрения вариант расположения цели (источника излучения или переизлучения.1 в дальне зоне и в предположении плоского раскрыва поляризационная структур принимаемого поля оказывается не зависящей от координат точе раскрыва. В этом случае для непрерывного раскрыва обрабатываемы антенной пространственно-временной эллиптически поляризованны сигнал можно представить в вице

•> Предполагается, «гго сигнал обладает свойством пространственно временной узкополссносш.

5(|,р) = 1(р).С.А(1-«з)е!ф|].2^о+Гд)1 + ^-р« |ехр^Фз}.|, (1)

где Йр) - функция раскрыва антенны; р - радиус-вектор точки раскрыва; ЛИ) - медленно меняющаяся комплексная амплитуда излучаемого сигнала. предполагаемого узкополосным; Г о, Гл - несущая частота сигнала

и се доплеровское смещение; а - единичный вектор направления на цель; <р3 - случайная начальная фаза сигнала; С - коэффициент, учитывающий ослабление сигнала на трассе распространения; с - скорость света; ц -время задержки; I - вектор, характеризующий поляризационную структуру принимаемого сигнала.

В ортогонально-круговом базисе вектор 2 выражается через поляризационные параметры сигнала (коэффициент эллиптичности К и угол ориентации эллипса поляризации 9) следующим образом:

М1+к21

1 + Ю (1-К)ехр!.12е|||. (2)

В качестве внешних мешающих воздействий в работе рассматривались две основные модели шумов: узкополосный стационарный шум и белый шум. В общем случае наличия М внешних источников частично поляризованных независимых мешающих воздействий, а также пространственно-временного белого шума корреляционные матрицы для рассматриваемых моделей на раскрыве приемной антенны могут быть представлены в виде :

1) для источников узкополосного шума с равномерным спектром: N0 г{

| 1(р1)-1(р2.) ^ ппя&'дЦч ~ 12 ~ |Р1 - Р2 )§Дт / с

х ехр[у■ 2«пДч -12 - (я - Р2)9пт 1 с]} '^т'-2) для источ1ППсов белого шума:

Каиь121Р1.Р2) = -^-5(Ч -'2)-5(Р1 +

*

(3)

II

где

1 о л 1 Ит^ки^т

Л__и1 I лг =-

N010 N02!' 1

-спектральные-юштноети-мощности-

пространственно-временного белого шума и помехи т-го источника в ортогональных по поляризации каналах;

N0 = N01 + N92; Nm = NIm + N2Ia;

Дт =Мт \ - коэффициент корреляции иоляризашюнно-

ортогональных компонент помехи ш - го источника; ,Д/Пт -центральная частота и ширина спектра помехи гп - го источника соответственно; а - единичный вектор направления на т-й источник

^ет

помехи; вэ - эквивалентная площадь антенны.

Во ВТОРОМ РАЗДЕЛЕ рассматриваются вопросы синтеза оптимальных систем обнаружения эллиптически поляризованных пространственно-временных сигналов на фоне мешающих воздействий. Оптимизация основывается на методе максимального правдоподобия, при этом в качестве выходного эффекта, формируемого с целью принятия решения об обнаружении, используется логарифм функционала отношения правдоподобия для сигнала со случайной начальной фазой. Опорный сигнал, определяющий структуру оптимальной системы обработки, может быть получен из интегрально-матричного уравнения:

^ ] 1£(мьр,Р1)-\г{»,РЛ)<МР= Щ'ч.рьТ), (5)

где к(М1,р,р1) " корреляционная матрица комплексных амплитуд помехи; ¡^р.Г), у(1,р,Г) - комплексные амплитуды полезного и опорного сигналов соответственно, Ь - раскрыв антенны.

Решение уравнения (5) находится с использованием приближенных методов для различных типов внешних мешающих воздействий, корреляционные матрицы которых в сочетании с пространственно-временным белым шумом в общем виде характеризуются выражениями (3), (4).

Получены следующие формулы для опорных сигналов;

а) для пространствешю-премешюго белого шума :

рД) = ^ ~ I з ) ■ I (р) ехр] ^ 0

б) для внешнего мешающего воздействия типа белого шума и пространственно-временного белого шума:

%рД) = ~ ■ А(1 - ц) • 2 ■ Й^1 • 1(р) • ехр|] • 2^0 • *

-с) С р-'^у, -£>)] .- >, 1и) -ехр<1)-2^0 -

-11

-!

(7)

где = ¡1(р)рекр1]-^-р-(д-Эп)}ар- (8)

"э I, Iе )

пространственная взаимно-корреляционная функция сигнала и внешней

помехи; - единичная матрица второго порядка;

в) для внешнего мешающего воздействия, аппроксимируемого узкополосиым шумом:

__ гАт 2с-йр) , _

! ,'р.»П )1 . .. х ехр-|) *<о11--t3j рю (

V с

J

(9)

где О и (о) с - ю о) - спектр комплексной огибающей полезного сигнала единичной мощности:

г) для М внешних источников узкополосного шума в совокупности с пространственно-временным белым шумом:

у(1,р,Г) = §(1,р,Г)

_ п 2КШ1 2С 1(р)

N0 х х

2'Кп,1 х

О

м

О т=1 [

М

п „ ,

(10)

; 1 ^ /- л

где Wm 2 Ч^.Э^Мщ!, Мш11 -А(21-2+1Х2т-2 + к)' и = 1А

Ь - определитель линейной системы М векторных уравнений относительно вектора С2ш(ец) :

~_N0_Х т _____

А* - алгебраическое дополнение & - го элеменгаТГопределтеле: г-Из следует что для помехи типа пространственно-временного белого ^ао^ная обработка в случае узкополосных в просг^™^ 1™ смысле эллиптически поляризованных сигналов разделяется

последовательности поляризационную, Поляризационная о=а 'том заключается во взвешенном суммировании мощностей ^Г1ю"ртогональных компонент сишала с компенсацией их , Оптимальная обработка сишала на фоне внешнего мешающего воздействия ( ттша белого шума или У-опоЛосного) в "Гокупносш с аддитивной помехой типа

баюго пима разделяется на временную и пространственно ^з^ Последняя з—. в коми

—еннГо—^^^

энергетическими и поляризационными харак^ериспжами а™ „

помехи а также зависящим от их пространственной коррелтцти с полным сигналом, ш результата согласованной прострш.етвенно-Г^—ой обработки последнего. В общем ^ пространственной и поляризационной обработок

Дш, узкополосной помехи степень ее компенсации дополшпельнозазисит Соотношения ее временного спектра со спектром

случае наличия на входе мешшощих воздействии от несколь^ источников и некоррелированных помех оптимальная обработка осуществляется с Дом' взаимной пространственной коррелят»

помеховых источников.

Рассчитанный для рассмотренных выше случаев параметр обнаружения соответственно выражается в виде:

(11)

а) = г ,

где ч5=^ВэТа2({-1з)Л - (12)

" N0 -да

отношение сипшт-шум на выходе системы в отсутствие поляризационнои обработки сигнала;

где 45(1) определяется выражением (11), а - (12);

в) ч2(Т) =

¿.м-1

1 Сх-Вэ

2* N0 а

1} -®о) |2<1®1

х 2-М

ш

(14)

г)Ч2(Г) =

с- -Во

а

I

с

(15)

для пространственно-некоррелированных источников [ 4* } = 01

последнее выражение упрощается:

г

I

г I П-

¡и-

1 Ш

1-1

I

(16)

На рис. 1.2 представлены зависимости относительного показателя эффективности я2(Т)/ чо(Г) от значений параметра К сигнала для случая наличия на входе приемника пространственно-временного белого шума в совокупности с помехой от одного внешнего источника (случаи б) или в)), а на рис.3 - от двух внешних источников (случай г)), при условии совпадештя направлений прихода сигнала и помех. Рис.4 иллюстрирует изменение этого показателя в зависимости от рассогласования направлений прихода сигнала и помехи р для фиксированных значений К. Горизонтальные линии на этом рисунке характеризуют предельные возможности поляризационной обработки для соответствующих значений параметров. Расчет проводился для десятиэлеменгной антенной решетки с межэлементным расстоянием к 12. Предполагалось, что

X

Ч^Й-ЛБ о 05_i К

Рис. 3

qs(l)/qj(0

1

0.9

0.6 0,7

0,6 0.5 0.4 0.3 0,2 0,1

t K=1

¡K=0.5

! /1:1 г l/É ¡ —-Г /iß 1 i K=0.3 K=0,1

^f fi <=-0,1

JÇ! . í K=-0,

я J S' V ¡K=-O.Í

/1 ___" 1 k-.

-i- .. . _¡... .

10 15 20 25 ß,rp Рис. 4

5

N01- 'ч'02> ^'т/'^О ~ 10з параметры, характеризующие поляризационные свойства внешних помех, принимались следующими '': ц=0 (рис I); ц "0,95, (29-фц (соответственно сплошные и

штриховые линии на рис.2); К^=0; 0,25; 0,5; 0,75; 1,0 (соответственно кривым 1,2,3,4,5 на рис. 1 и 2); Кх=-1; (рис.3); К^=-1 (рис.4).

Анализ приведенных зависимостей показывает. что

поляризационная обработка позволяет существенно улучшить качество обнаружения пространственно-временных сигналов, особенно в тех случаях, когда эффективность пространственно-временной обработки оказывается невысокой, в частности, когда источники сигнала и помех обладают сильной пространственной корреляцией. Например, для рассматриваемого случая, при угловом рассогласовании источников сигнала и помех, составляющем 3°, за счет пространственной обработки обеспечивается значение отношения сигнал-шум на выходе, составляющее 15% от уровня согласованного приема В результате дополнительной поляризационной обработки, например, при Кк) =0,5 это значение составит от 45% Гд=0) до 88% (¡1=0,95), а при К. ^ =0,75 -соответственно от 79% до 97%. С увеличением отношешш N/N0 эти показатели несколько уменьшаются. Снижение эффективности поляризационной обработки в общем случае происходит также при увеличении числа источников помеховых воздействий.

Приводятся результаты исследования, проведенного методами машинного моделирования, зависимости скорости сходимости алгоритма минимизашш средней квадратической ошибки, отражающего этап адаптивной пространственной обработки, от эффективности поляризационной обработки, выполненной на первом (предварительном ) этапе. В частности, показано, что уменьшение за счет поляризационной обработки в 4 раза мощности одного из двух воздействующих по главному лепестку диаграммы направленности антенны источников может привести к уменьшению времени адаптации примерно втрое.

В ТРЕТЬЕМ РАЗДОЕ в предположении уверенного приема определяются статистические характеристики (смещение и дисперсия) оценки параметров эллиптически поляризованного пространственно-временного сигнала в условиях внешнего мешающего воздействия типа белого шума и пространственно-временного белого шума при реализации

"' Кх;- поляризационный параметр помехи, введенный по аналогии с коэффициентом эллиптичности сигнала.

в системе совместной пространсгвенно-поляризациошю-временнои обработки. На примере ряда неэнергетических (смещение частоты сигнала, время прихода) и энергетических (длительность импульса) параметров рассматривается оценка максимального правдоподобия, а к-,ка~пиеттпп;цотся-потсри-качества, оценки за счет неоптимальности опорного сигнала Показано, что в первом приближении оценки параметров несмещенные, а изменение значений их дисперсии по сравнению со случаем одноканального приема определяется множителем, характеризующим влияние просгранственно-пояяризационной обработки —Г-

в3 где

1(К,0,Кд:0д) =

(1 + К2|(1 + КдГ

N

N + N0

41

N0

N+N0

П2(КД,€

П1(Кд,вд] =

п;(Кд,вд

(1 + Ю2(1 + Кд)2 +2(1-К2)(1-К2д)-соз2(0д -9) + (1- К)2(1-К 1-Км)(1-Кд) ) (1-Км)2(1-К

1 + К

2(1 + К2Ы)

1 + К^

1 + 2 ¡Щ ■ 7

1 + КНД1 + Кд)

•соЦ2Эд

.(И-Киг(1 + К

О + Кд)*

При множитель 4('к,е,Кд,вд) характеризует

изменение дисперсии за счет поляризационной обработки; рис.5,6 иллюстрируют это при К=К.д, 0 = вд соответственно для м=0 и ц = 1. Как и ранее, кривые 1.2,3,4,5 соответствуют значениям параметра 0; 0,25; 0,5; 0,75; 1,0, сплошные линии - значению (2 9-<ру)=я, штриховые - (29-<Рц)=- я; N/N0 = 10. Из анализа приведенных зависимостей следует, что дисперсия оценки параметра уменьшается по сравнению со значением при одноканальной обработке тем значительнее, чем больше величины К^ и ц: диапазон этого уменьшения составляет от 3 дБ (для ц = О, К^ = 0) до 13 дБ (при ±1 для ¡1=0 и при ц, близких к 1, для

произвольного Км). С увеличением N/N0 уменьшение дисперсии может быть более значительным и достигает, например, для N/N9 =100. величины 23 дБ.

На рис.7 представлена зависимость, г(к,0,кд,0д) от Кд лги 6 = 9д, при(20-фц)=-к, ц=1, К=-0,5, иллюстрирующая

" Предполагается, что N01 = N02 ■

-0,5 О

Рис. 5

0,5

1,0

K.Q.K^.Qj) 10

л i . ,г -L ' X .• 1 • ' 1. Y

1 .•■ .- !

/ </. ■.. /1 . ' Г • • 1

1 1

-0,5 0 Рис. 6 0.5

1,0

i i 1 i 1 I i 1 fio 1 1 f jS

¡ "0,5 i i k. ]\ i X 1 0,1 0,5

К*

Рис. 7

ВЩИ1Ц„ отклонения параметров опорного сигнала от оптимальных. В данном примере рассогласование параметров может ухудшить качество измерения на два порядка

влияние

-в зцШОЧЕНИИ подведены- итоги-проделанной-работы—И-

сформулированы основные результаты, которые сводятся к следующему:

Показано что максимизирующая отношение правдоподобия на н^ле обработка эллиптически поляризованного цространствсшю-в ременного сигнала в условиях наличия мешающего воздейспшя-ттша-просгрансгвенно-временного белого шума для узкополосных в пространственно-временном смысле., сигналов разделяется на выполняете в произвольно« последовательности времшнук,

пр остр анств енную и поляризационную оораоопси. Последняя заключается во взвешенном суммировании мощностей поляризационно-ортогональных компонент сигнала с компенсацией их фазового сдвига В случае приема сигнала на фоне пространственно-временного белого шума в сочетании с мешающим воздействием от внешнего источника типа белого или узкополосного шума обработка обеспечивающая максимальное отношение правдоподобия на выходе, разделяется на временную и пространственно-поляризационную, которая заключается в вычитании результата согласованной пространственной обраоотки мешающего воздействия с весовым коэффициентом, определяемым энергетическими и поляризационными характеристиками полезного сигнала в помехи, а также зависящим от пространственной корреляции их источников. из результата согласованной пространственно-поляризационной обработки полезного сигнала Для узкополоснои помехи степень компенсации дополнительно зависит от соотношения ее временного спектра со спектром полезного сигнала

Установлено, что поляризационная обработка позволяет существенно улучшить качество обнаружения пространственно-временных сигналов и измерения их параметров, особенно в тех случаях, когда эффективность пространственно-временной обраоотки невысока, например, если источники сигнала и помех обладают сильнои пространственной корреляцией. Результат улучшается с увеличением степени поляризации помехи, т.е. усилением корреляции ее ортогональных составляющих, а также с увеличением различии 1 мощности последних: указанные особенности позволяют обеспечить лучшую компенсацию помехи, обеспечивая приближение к потенциальному уровню приема Показано, например, что дл* совпадающих направлений прихода сигнала и помехи, в десять ра

превышающей по мощности уровень внутреннего шума, при равномерном распределен!™ мощности по поляризаоионно-ортогонадышм составляющим помехи увеличение коэффициента корреляшш помеховых составляющих от 0 до 0,9 приводит к увеличению отношешы сигнал-шум на выходе оптимальной системы обработки от уровня 10% значения этого показателя при согласованном приеме до уровня 50%, а при перераспределении мощности составляющих в отношении 1:18 эта величина составляет 80%. Снижение дисперсии оценки рассматриваемых параметров по отношению к ее значению при одноканальной обработке для этих случаев соответственно составляет 3,10 и 12 дБ. Отклонение опорного сигнала от оптимального приводит к уменьшению указанных значений.

При реализации пространственной обработки с помощью адаптивных систем поляризационная обработка, проведенная на первом этапе, позволяет во многих случаях в несколько раз увеличить скорость сходимости алгоритмов адаптации.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Радзиевский В.Г., Голоскокова Л.Ш. Поляризационная обработка сигналов в многоканальных приемопередающих системах.// Радиотехника и электроника-1987.-т.32, .N23.

2.Радзиевсгаш В.Г., Голоскокова Л.Ш. Прием эллиптически поляризованного пространственно-временного сигнала при наличии помех, создаваемых внешними источниками.// Изв.ВУЗов. Радиоэлектроника,- 1987. -т.30, №7.

3.Радзиевский В.Г., Голоскокова Л.Ш. Оценка параметров пространствешю-временного эллиптически поляризованного сигнала при приеме на фоне помех.// Изв.ВУЗов. Радиоэлектроника.-1991 ,Л°7.

4.Радзиевский В.Г., Голоскокова Л.Ш. Адаптивный прием пространственно-временного эллиптически поляризованного сигнала на фоне помех внешнего источника и шума// Радиотехника-1996, №6.

5. Голоскокова Л.Ш. Анализ адаптивного приема эллиптически поляризованного пространственно-временного сигнала при наличии помех внешних источников и шума// Материалы научно-технической конференшш «Направления развития систем и средств радиосвязи» , Воронеж, 1996.

б.Радзиевский В.Г., Голоскокова Л.Ш. Анализ эффективности совместной пространственно-временной и поляризационной обработки сигналов в задачах обнаружения и оценки параметров на фоне помех.// Материалы III межвузовской научно-техгшческой конференции «Труды ИРЭ», Воронеж, 1996.

параметров пространственно-временного эллиптически поляризованного радиосигнала при приеме на фоне помех.// Радиотехника,- 1997, №6

ч

Заказ от 1998 г. Тир. /Л?экз. Лаборатория оперативной полиграфии ВГУ

5 ЦЕНТРАЛЬНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИСПЫТАТЕЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ МИНИСТЕРСТВА ОБОРОНЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ГОЛОСКОКОВА Людмила Шамильевна

СТАТИСТИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫХ ЧАСТИЧНО ПОЛЯРИЗОВАННЫХ РАДИОВОЛН

01.04.03- радиофизика

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

На правах рукописи

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор РАДЗИЕВСКИЙ В.Г.

Воронеж - 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Введение...........................................................................................................4

Глава [.Пространственно-временные частично поляризованные полезные н мешающие воздействия.............................................................. 13

1.1. Модели пространственно-временных эллиптически поляризованных сигналов, создаваемых неподвижными и движущимися источниками....................................................................................................................13

1.2. Модели преднамеренных и непреднамеренных пространственно-временных частично поляризованных мешающих воздействий..................................................................................................................20

1.2.1. Модели помех, создаваемых внешними источниками.....................20

1.2.2. Модели коррелированных помех типа пространственно-временного белого шума...................................................................................................23

Глава 2. Прием пространственно-временных эллиптически поляризованных сигналов на фоне преднамеренных и непреднамеренных мешающих воздействий.................................................................................25

2.1. Синтез оптимальной системы обнаружения эллиптически поляризованных сигналов при некоррелированных помехах...................................25

2.2. Синтез оптимальной системы обнаружения эллиптически поляризованных пространственно-временных сигналов при наличии помехи одного внешнего источника и некоррелированных помех..................................................................................................................30

2.3. Синтез оптимальной системы обнаружения эллиптически поляризованных сигналов при наличии помех М внешних источников и некоррелированных помех.........................................................................................39

2.4. Анализ оптимального приема эллиптически поляризованных пространственно-временных сигналов в условиях преднамеренных и непреднамеренных помех..........................................................................................42

2.5. Адаптивный прием эллиптически поляризованных сигналов в условиях преднамеренных и непреднамеренных помех.....................................61

Глава 3. Оценка параметров эллиптически поляризованных пространственно- временных сигналов при наличии преднамеренных и яеареднамеренных мешающих воздействий...........................................69

3.1. Потенциальная: точность определения параметров эллиптически поляризованных пространственно-временных сигналов при наличии помех...................................................................................................................69

3.2. Точность определения параметров эллиптически поляризованных пространственно-временных сигналов в случае рассогласования поляри-

ашюнных параметров опорного сигнала...................................................73

¿с

3.3. Расчет точности оценки параметров эллиптически поляризованных пространственно-временных сигналов.........................................................79

3.3.¡.Точность оценки доплеровского смещения частоты..........................79

3.3.2.Точность оценки времени прихода сигнала ......................................82

3.3.3. Точность оценки длительности импульса..........................................83

Заключение.««....«...».—«.........................................................«.«««....«...95

Список литературы.

101

4

Введение.

Совершенствование радиотехнических систем извлечения информации, содержащейся в электромагнитных полях, неразрывно связано с улучшением качества приема полезных сигналов в условиях мешающих воздействий и внутриприемного шума. Исследованию вопросов приема сигналов посвящено значительное количество работ [ напр., 1-11], в которых получены фундаментальные результаты, определяющие потенциальные возможности основных классов систем. Однако, постоянное развитие антенной и цифровой техники, микроэлектроники позволяет находить и реализовывать все более совершенные способы обработки сигналов. Физической основой прогресса в этой области является более полное извлечение информации из принимаемых электромагнитных полей и, как следствие. возможность достаточно гибкого использования различий в тонкой структуре полезных и мешающих воздействий для максимально возможного подавления последних на основе определенной априорной и текущей информации о полезном сигнале.

Анализ показывает, что на смену системам одноканального приема, позволяющим использовать в процессе обработки лишь спектрально-временные различия полезных и мешающих воздействий, пришли системы пространственно-временной обработки сигналов, благодаря которым стало возможным значительно повысить обшую эффективность приема полезных сигналов за счет анализа пространственной структуры принимаемых электромагнитных полей. Теория пространственно-временной обработки получила значительное развитие а работах [ 1,2,4 Д 8 и др.]. На базе статистической теории оптимального приема сигналов созданы основы теории оптимальной обработки пространственно-временных сигналов при наличии внутренних и внешних помех , благодаря чему стало

возможным проведение синтеза и анализа систем пространственно-временной обработки сигналов. Полученные результаты позволяют судить о достаточно высокой эффективности таких систем по сравнению с системами одноканального приема, поскольку даже при значительной степени сходства спектрально-временных характеристик полезных и мешающих воздействий за счет различий их пространственных характеристик достигается высокая степень подавления помех. Технически этот эффект обеспечивается формированием диаграммы направленности антенной системы, '"'нули" которой выставляются на направления источников помех, при этом в зависимости от того, насколько близко эти направления находятся по отношению к направлению, с которого поступает полезный сигнал, в той или иной степени может снижаться мощность последнего в цепях приемника. Эта особенность позволяет сделать вывод о снижении эффективности пространственной обработки в условиях, когда направления прихода полезного и мешающих воздействий близки или совпадают.

Поскольку прием сигналов обычно ведется в условиях априорной неопределенности о координатах источников помет, подавление последних предполагает определение этих координат в процессе функционирования радиоэлектронной системы. Это может быть реализовано с помощью адаптивных устройств, общие принципы построения которых в настоящее время достаточно разработаны [ 29, 30 и др.]. Широкое исследование таких устройств в большой степени связано с возрастающими возможностями средств вычислительной техники, при этом важным вопросом практической реализации является поиск путей ускорения сходимости используемых алгоритмов; это становится особенно насущным при мощных мешающих воздействиях и в случае, когда направления прихода сигнала и помех слабо различаются.

Отмеченные выше особенности пространственно-временной обработки, связанные с ограничением ее возможностей для ряда практически важных случаев, обусловливают необходимость поиска путей дальнейшего совершенствования радиофизических систем приема сигналов. Анализ ряда публикаций по теме поляризационно-временной обработки сигналов [ 43-48 ] позволяет предположить, что одним из таких путей может стать развитие систем пространственно-поляризационно-временной обработки сигналов, использующих, наряду с пространственно-временной, поляризационную информацию, заключенную в принимаемых электромагнитных полях. В пользу таких систем свидетельствуют результаты, полученные в области исследования поляризащюнно-временных методов обработки сигналов [ 47,48 ]. Показано, что выигрыш в эффективности, получаемый при применении этих методов, является в ряде случаев не меньшим, чем для частотно-временной или пространственно-временной обработок. Непрерывное совершенствование технических возможностей систем приема

____V/

позволяет предположить, что реализация систем совместной пространственно-временной и поляризационной обработок является в настоящее время технически вполне осуществимой. Конструктивно антенна, реализующая этот тип совместной обработки, может быть выполнена в виде решетки, в узлах которой размещены антенные элементы, позволяющие осуществлять прием двух поляризационно-ортогональных составляющих поля. Естественно предположить, что реализация такой системы обработки позволит в определенной степени скомпенсировать уязвимые стороны систем пространственно-временной обработки, отмеченные выше. Однако в большинстве работ, посвященных пространственно-временной обработке сигналов, такая возможность не исследуется: обычно предполагается, что антенна согласована по поляризации с полезным сигналом [ 2 ], и, таким образом, особенности обработки, связанные с различением поляри-

зационной структуры полезных и мешающих полей, либо не рассматриваются вообще, либо о них вскользь упоминается [ 4 ]. Предположение о возможности построения совместной системы пространственно-временной и поляризационно-временной обработки высказывается в [43], однако там оно не получило необходимого развития с точки зрения количественного анализа преимуществ и недостатков данного вида обработки.

Из изложенного видно, что исследование вопроса о возможности улучшения эффективности систем статистической обработки пространственно-временных частично поляризованных радиоволн в условиях мешающих воздействий внешних источников и внутреннего шума является достаточно важным, что и определяет актуальность темы диссертационной работы.

Целью работы является синтез алгоритмов приема пространственно-временных сигналов с учетом их поляризационной структуры в условиях мешающих воздействий внешних источников и внутреннего шума, реализуемых с использованием единой системы пространственно-временной и поляризационной обработки в режимах обнаружения и измерения параметров сигналов, а также анализ эффективности синтезирован-ныл алгоритмов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

1. Разработать математические модели пространственно-временных эллиптически поляризованных сигналов и частично поляризованных помех, обеспечивающие адекватность описания исследуемым процессам и одновременно достаточную простоту формы математических представлений.

2. Синтезировать обеспечивающие максимум отношения правдоподобия алгоритмы и реализующие их схемы устройств обработки пространственно-временных сигналов с учетом их поляризационной структуры в условиях наличия мешающих воздействий внешних источников и шума для режимов обнаружения и измерения параметров сигналов.

3. Получить расчетные соотношения, позволяющие количественно оценить эффективность синтезированных алгоритмов обнаружения сигналов и измерения их параметров для различных условий приема

4. Выполнить сравнительный анализ эффективности предложенных алгоритмов совместной пространственно-поляризационно-временной обработки и известных [ 1,2 и др. ] алгоритмов пространственно-временной обработки сигналов без учета их поляризационной структуры, а также оценить влияние поляризационной обработки на сходимость некоторых из известных алгоритмов адаптивной пространственно-временной обработки сигналов.

Основные научные результаты и и ж новизна состоят в следующем:

1. Обоснованы адекватные изучаемым процессам математические модели пространственно-временных эллиптически поляризованных сигналов и частично поляризованных помех различного происхождения для произвольных поляризационно-ортогональных базисов на входе многоканальных по пространству радиофизических систем, позволяющие в сравнительно удобной форме и с достаточной степенью физической наглядности отражать осуществляемые преобразования.

2. Определена обеспечивающая максимум отношения правдоподобия структура приемника, реализующего пространсгвенно-поляризационно-временную обработку сигналов при наличии мешающих

воздействий нескольких пространственно-разнесенных источников и внутриприемного шума. Особенностью синтезированной структуры является разделение обработки на временную и пространственно-поляризационную, существо которой заключается в том, что пространственная компенсация помехи осуществляется с учетом поляризационных свойств сигнала и помехи; с этим связано увеличение числа каналов обработки и некоторое усложнение последней по сравнению со случаем пространственно-временной обработки.

3. Показано, что эффективность совместной пространственно-временной и поляризационной обработки сигналов в условиях наличия внешних мешающих воздействий и внутреннего шума оказывается значительно выше эффективности как пространственно-временной, так и поляризационной обработок, реализуемых автономно; за счет использования более широкого спектра различий в статистической структуре сигналов и помех удается достичь близкого к потенциальному уровня качества приема для значительно большего диапазона вариантов сигнально-помеховой обстановки. Это особенно ощутимо в предельных случаях, когда возможности одного из видов обработки ограничены (например, когда источники сигнала и помехи находятся на одном и близких пространственных направлениях, либо когда совпадают или близки их поляризационные характеристики). Наибольший эффект при поляризационной обработке обеспечивается в случае существенно различающихся по мощности поляризационно-ортогональных составляющих помехи при условии их значительной коррелированности : при этом даже в условиях совпадения направлений прихода полезного и мешающих воздействий отношение сигнал-помеха на выходе приближается к уровню согласованного приема, обеспечивая выигрыш по отношению к одноканальному приему, сравни-

мый с отношением мощностей мешающего воздействия и внутриприем-ного шума.

В результате проведенного имитационного моделирования установлено, что поляризационная обработка сигналов позволяет ускорить сходимость алгоритмов адаптивной пространственно-временной обработки сигналов, осуществляемой после поляризационной обработки.

4. Обобщены и развиты методы расчета дисперсии оценки энергетических и неэнергетических параметров эллиптически поляризованных пространственно-временных сигналов в условиях воздействия внешних помех и внутреннего шума, позволяющие производить анализ влияния неоптимальности остальных параметров, включая поляризационные, на конечный результат оценки.

Достоверность полученных результатов подтверждается наглядностью их физической интерпретации, а также совпадением в частных случаях раздельного использования пространственно-временной и поля-ризационно-временной обработок с известными.

Практическая ценность работы.

Применение рассмотренной в работе совместной пространственно-поляризационно-временной обработки сигналов позволяет существенно повысить качество функционирования радиофизических систем различных классов в присутствии помех различного происхождения. Определенное усложнение антенных систем, связанное с увеличением числа каналов, обусловленным необходимостью осуществления полного приема обеих поляризационных составляющих электромагнитной волны, и некоторое усложнение вычислительных алгоритмов с учетом прогресса, достигнутого в области фазированных антенных решеток, цифровой техники

не являются в настоящее время принципиальными. Можно считать, что рассматриваемый способ обработки сигналов является одним из перспективных путей улучшения помехозащищенности информационных радиосистем. Полученные в диссертации результаты внедрены в 5 ЦНИИИ МО, что подтверждается соответствующим актом.

Апробация работы.

Основные положения работы докладывались на:

1. Всероссийской научно-технической конференции по направлению развития систем и средств радиосвязи. - Воронеж, 1996 г.

2. 3-ей межвузовской научно-технической конференции, 1996 г.

Публикации.

По теме диссертационной работы опубликовано пять научно-технических статей в центральных научных журналах.

Результаты исследований изложены в трех разделах работы.

В первой главе формируются модели электромагнитных полей, излучаемых и принимаемых системой пространственно-поляризационно-временной обработки, включающие модели полностью поляризованных полезных сигналов и частично поляризованных помеховых воздействий. Приводятся описания статистических характеристик пространсттвенно-временных частично поляризованных помеховых сигнал