Цифровая обработка сигналов атомарными функциями в радиофизических приложениях тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

Введение.

ГЛАВА 1. ЗОНДИРУЮЩИЕ СИГНАЛЫ НА ОСНОВЕ АТОМАРНЫХ ФУНКЦИЙ В РЛС

1.1. Новые весовые функции Кравченко-Рвачева и их применение при синтезе сложных сигналов.:.

1.1.1. Сложные зондирующие сигналы.

1.1.2. ЛЧМ сигналы.

1.1.3. Дискретно-кодированные сигналы.

1.1.4. Дискретно-кодированные по частоте сигналы.

1.1.5. Дискретно-кодированные по фазе сигналы.

1.2. Двумерная корреляционная функция и функция неопределенности зондирующего сигнала.

1.3. Численный эксперимент и анализ полученных результатов.

ГЛАВА 2. АНАЛИЗ СПЕКТРОВ СЛОЖНЫХ СИГНАЛОВ. АТОМАРНЫЕ ФУНКЦИИ В ЗАДАЧЕ СПЕКТРАЛЬНОГО ОЦЕНИВАНИЯ

2.1. Спектральное представление ЛЧМ сигналов. Согласованные фильтры.

2.2. Полосовые фильтры на поверхностных акустических волнах.

2.3. Оценки спектральной плотности временного ряда на основе атомарных сглаживающих окон.

2.4. Численный эксперимент и анализ полученных результатов.

ГЛАВА 3. ПРИМЕНЕНИЕ АТОМАРНЫХ ФУНКЦИЙ К ЗАДАЧАМ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ В АНТЕННАХ С СИНТЕЗИРОВАННОЙ АПЕРТУРОЙ

Введение.

3.1. Цифровая обработка сигналов в антеннах с синтезированной апертурой при боковом обзоре

3.1.1. Метод прямой свертки.

3.1.2. Двухэтапная обработка сигналов цифровой PC А.

3.2. Цифровая обработка сигналов в антеннах с синтезированной апертурой при произвольной ориентации оси синтезированной диаграммы направленности.

3.3. Цифровая обработки сигналов в антеннах с синтезированной апертурой при произвольном движении летательного аппарата.

3.4. Пространственно-временные характеристики сигналов радиолокационной станции с синтезированием апертуры.

3.5. Численный эксперимент и анализ полученных результатов.

ГЛАВА 4. НОВЫЙ КЛАСС ВЕЙ ВЛЕТ-ФУНКЦИЙ КРАВЧЕНКО-РВАЧЕВА И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ В ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКЕ СИГНАЛОВ

4.1. Новый класс W-систем функций Кравченко-Рвачева.

4.2. Применение семейства атомарных функций и вейвлет-анализа для обнаружения кратковременных знакопеременных и сверхширокополосных физических процессов.

4.3. Численный эксперимент и анализ полученных результатов

Цифровая обработка сигналов как направление развития науки зародилась в 1950-х годах и представляла поначалу слишком специфическую отрасль радиоэлектроники. Однако за прошедшие пятьдесят лет благодаря успехам микроэлектроники системы цифровой обработки сигналов получили огромное развитие и нашли широкое применение в разных областях науки и техники. Одной из таких областей науки является радиолокация, где требуется, как правило, обработка информации в реальном времени. Радиолокационные системы (PJIC) относятся к классу радиотехнических систем извлечения информации об объектах из принимаемого радиосигнала. Таким образом, PJIC осуществляю поиск и обнаружение радиосигнала с последующим измерением его параметров, содержащих полезную информацию. Физической основой радиолокации является рассеяние радиоволн объектами, отличающимися своими электрическими параметрами от соответствующих характеристик окружающей среды. Одним из направлений радиолокации, получившим в последнее время большое развитие, является радиовидение - наблюдение объектов в радиодиапазоне волн с детальностью оптических систем. Основной задачей для обеспечения радиовидения является получение высокой разрешающей способности по дальности и углу. Однако для этого были необходимы антенны большого размера. Для практической реализации высоко разрешения был разработан метод формирования (синтеза) большой апертуры антенны на борту летательного аппарата. Данный метод получил название синтезированием апертуры антенны.

Радиолокационные станции с синтезированием апертуры (РСА) относятся к классу когерентно-импульсных радиолокационных станций. В когерентных радиолокационных системах в отличие от некогерентных используется информация об изменении не только параметров амплитуды, но и фазы отраженного сигнала. Когерентный приемопередающий тракт РСА включает в себя устройства формирования зондирующего сигнала, усиления и преобразования на промежуточную частоту принимаемого сигнала, фазовые детекторы, АЦП.

Выбор зондирующего сигнала РСА землеобзора определяется многими факторами. Получение высокой разрешающей способности по дальности требует применения широкополосного зондирующего сигнала. Для получения радиолокационного изображения малоотражающей местности и малоразмерных объектов при большой дальности обзора необходима значительная мощность излучаемого сигнала, малые потери приемопередающего тракта и малые шумы приемника. Обеспечение высокого динамического диапазона изображения требует малого уровня мощности боковых лепестков функции неопределенности зондирующего сигнала.

В связи с развитием цифровых систем обработки информации стали актуальны алгоритмы цифровой обработки сигналов в радиолокационных станциях, основанные на современных вычислительных методах. Одним из них является современный вейвлет-анализ. Так как свойства вейвлет-функций во многом схожи со свойствами сверхширокополосных сигналов, то нашли широкое применение методы обнаружения кратковременных знакопеременных и сверхширокополосных процессов в различных радиофизических приложениях. Их используют в тех случаях, когда результат анализа некоторого сигнала должен содержать не только простое перечисление его характерных частот, но и сведения об определенных локальных координатах, при которых эти частоты проявляют себя.

Актуальность работы. Основные характеристики современных РСА по разрешению, обнаружению и точности измерения координат объектов, а также скрытности и помехоустойчивости определяются модуляцией зондирующего сигнала. Выбор сигналов по большинству подобных критериев сводится к анализу функции неопределенности (ФН) зондирующего сигнала. Например, ширина главного пика ФН -динамический диапазон изображения; расстояние между основными и боковыми пиками ФН - неоднозначность измерения координат. Снижение уровня боковых лепестков достигается выбором закона модуляции. Используются согласованная фильтрация и весовая обработка. Общее правило снижения боковых лепестков заключается в сглаживании переходных процессов модуляции зондирующего сигнала как при формировании, так и при его обработке.

Целью диссертационной работы является исследование и разработка методов цифровой обработки сигналов атомарными функциями (АФ) в радиофизических приложениях, а также построение и исследование нового класса W-систем функций Кравченко-Рвачева в задачах обнаружения кратковременных знакопеременных и сверхширокополосных сигналов. Проведение сравнительного физического анализа новых подходов с классическими методами, а также выявление их достоинств и недостатков. Практическая значимость. Значимость полученных результатов связана с практической реализацией алгоритмов обработки радиолокационных сигналов, а также в дальнейшем развитии и совершенствовании теории АФ в радиофизических приложениях. Обоснованные и разработанные методы и алгоритмы могут найти широкое применение при решении широкого класса задач радиофизики, включая задачи обработки сигналов в радиолокационных станциях с синтезированием апертуры, радиовидении, дистанционном зондировании и др.

Методы исследования. В качестве методологической основы полученных в работе результатов следует выделить использование следующих результатов и средств научных направлений:

- радиотехнические системы;

- теория анализа и синтеза антенн;

- цифровая обработка сигналов;

- теория аппроксимации и интерполяции функций, в частности, теория целых функций экспоненциального типа и спектральный анализ;

- численный анализ;

- теория вейвлет-анализа.

В соответствии с поставленными в работе проблемами, использовался универсальный подход к их решению с помощью теории АФ. Научная новизна. В работе впервые рассмотрено применение нового класса весовых функций (окон) Кравченко-Рвачева, построенных на основе теории АФ к задаче обработки зондирующих сигналов в РСА. Проведено исследование новых весовых функций для построения опорной функции при различных видах обзора земной поверхности. Также построен новый класс W-систем на основе АФ и рассмотрено его применения для анализа сверхширокополосных процессов.

В первой главе рассмотрены методы весовой обработки зондирующих сигналов на основе нового класса функций Кравченко-Рвачева: линейно частотно модулированных, дискретно-кодированных по частоте, дискретно-кодированных по фазе. Проведено сравнение в классическими весовыми функциями по ряду физических характеристик. Во второй главе исследованы спектральные характеристики построенных сигналов. Также во второй главе построен класс корреляционных окон и рассмотрено его применение к задаче оценивания спектральной плотности мощности временного ряда. Показана эффективность нового метода на основании ряда физических параметров. В третьей главе проводится цифровая обработка сигналов в радарах с синтезированной апертурой на основе нового класса весовых функций. Рассматриваются разные режимы обзора земной поверхности, исследуются опорные функции для каждого из видов, определяются наиболее оптимальные для каждого случая. В четвертой главе проводится построение нового класса W-систем на основе АФ Кравченко-Рвачева, проводится сравнение с известными классическими вейвлетами. Рассматривается его применение в задаче обнаружения кратковременных знакопеременных и сверхширокополосных физических процессов. В работе имеется 3 приложения, в которых показывается: эффективность нового метода обработки широкополосных сигналах в сложных антенных системах, новый метод восстановления цифровых сигналов на основе алгоритма Зелкина-Кравченко-Басараба, реализация нового метода весовой обработки в морском радиолокаторе для разрешения большого числа земных целей.

Основные положения, выносимые на защиту. Автором получены и выносятся на защиту следующие результаты:

• новый класс весовых функций для обработки зондирующих сигналов в радиолокационных станциях;

• построение оптимальных фильтров на основе АФ;

• новый класс корреляционных окон для оценки спектральной плотности временного ряда;

• применение нового класса весовых функций Кравченко-Рвачева в PJIC с синтезированием апертуры при различных видах обзора земной поверхности;

• алгоритм построения нового семейства вейвлет-функций Кравченко-Рвачева и его применение в задачах анализа сверхширокополосных сигналов.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы неоднократно докладывались на всероссийских и международных конференциях, в том числе: 5-я Международная конференция и выставка, цифровая обработка сигналов и её применение, 12-14 марта, 2003, Москва; Всероссийская научная конференция-семинар «Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике», Муром, 1-3 июля, 2003; Proceedings 5-th European Conference on Synthetic Aperture Radar, Ulm, Germany, 21-25 May, 2004; The fifth international Kharkov symposium on physics and engineering of microwaves, millimeter and submillimeter waves, Kharkov, Ukraine, June 21-26, 2004; Second International Workshop Ultrawideband and Ultrashort Impulse Signals, Simpheropol, Ukrain, September 7-10, 2004; 60-я научная сессия, посвященная Дню радио, Москва, 17-19 мая, 2005; Первая международная конференция «Сверхширокополосные сигналы и сверх короткие импульсы в радиолокации, связи и акустике», Суздаль, 27-29 сентября, 2005; научно-квалификационном семинаре отдела ИРЭ РАН «Дистанционное зондирование неоднородных сред» (руководитель семинара профессор Б.Г. Кутуза), Москва, 14 декабря.

Выражаю искреннюю благодарность своему научному руководителю, заслуженному деятелю науки, доктору физико-математических наук, профессору В.Ф. Кравченко за постановку задач, постоянное внимание при выполнении диссертационной работы и ценные замечания при ее обсуждении.

Заключение впервые на основе атомарных функций построен класс весовых функций Кравченко-Рвачева и рассмотрено его применение для обработки зондирующих сигналов; показана эффективность нового метода по сравнению с классическими весовыми окнами: Хемминга, Блэкмана-Харриса, Кайзера-Бесселя, Чебышева на основе ряда физических параметров; впервые построены оптимальные фильтры на основе теории атомарных функций для радиолокационных станций и разработана аппаратная модель; показана эффективность разработанных алгоритмов методов в задачах обработки сигналов в радиолокационных станциях с синтезированной апертурой при различных видах земного обзора; впервые построен и апробирован новый класс корреляционных окон для задач оценки спектральной плотности временного ряда; впервые разработан алгоритм и построен новый класс вейвлет-функций Кравченко-Рвачева; рассмотрено применение новых вейвлет-функций в задачах анализа сверхширокополосных сигналов;

1. Радиолокационные станции с цифровым синтезированием апертуры антенн. Под ред. Горяинова В.Т. М.: Радио и связь, 1988

2. Ширман Я.Д. Разрешение и сжатие сигналов. М.: Сов. радио, 1974.

3. Кук Ч., Бернфельд М. Радиолокационные сигналы. Пер. с английского под ред. B.C. Кельзона. М. Изд-во "Советское радио", 1971.

4. Бакулев П.А. Радиолокационные системы. М.: Радиотехника, 2004.

5. Merrill I. Skolnik, Introduction to Radar Systems 3rd ed., McGraw-Hill International Edition, 2001.

6. Слока B.K. Вопросы обработки радиолокационных сигналов. М.: Сов. радио, 1970.

7. Пленкин В.Я., Нгуен Тхань Хынг, Формирование функции неопределенности дискретно-кодированных по частоте сигналов с заданными свойствами. Изв. вузов, Радиоэлектроника. 2004. т.47. №1. с.3-12.

8. Бакитько Р.В., Васильев М.Б., Виницкий А.С. Радиосистемы межпланетных космических аппаратов. Под ред. А.С. Виницкого. М.: Радио и связь, 1993.

9. Кравченко В.Ф., Пономарев В.И., Смирнов Д.В., Лобода И.И., Экамийя-Хэрнандес Э. Применение функций Кравченко-Рвачева в радиолокаторе для разрешения большого числа целей. Радиотехника. 2005, №11.

10. Кравченко В.Ф. Новые синтезированные окна. ДАН РАН. 2002. т. 282.2. с. 190-198.

11. Кравченко В.Ф., Голубин М.В. Спектральные свойства новых весовых функций в цифровой обработке сигналов. Электромагнитные волны и электронные системы. 2002. т. 7. №2. с. 25-37.

12. Кравченко В.Ф., Пустовойт В.И. Новый класс весовых функций и их спектральные свойства. ДАН РАН. 2002. т. 386. №1. с. 38-42.

13. Кравченко В.Ф. Лекции по теории атомарных функций и некоторым их приложениям. М.: Радиотехника, 2003.

14. Кравченко В.Ф,, Смирнов Д.В., Федоров И.Б. Зондирующие сигналы на основе атомарных функций в радиолокационных системах. Электромагнитные волны и электронные системы. 2005, т. 10, № 7, с. 36-48.

15. Кравченко В.Ф., Смирнов Д.В., Федоров И.Б. Метод обработки зондирующих сигналов на основе атомарных функций. ДАН РАН. 2005, т. 403, №2, с. 193-197.

16. Астанин Л.Ю., Костылев А.А. Основы широкополосных радиолокационных измерений. М.: Радио и связь, 1989.

17. Ширман Я.Д., Манжос В.Н. Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех. М.: Радио и связь, 1981.

18. David P. Morgan, Surface-Wave Devices for Signal Processing, Elsevier Science Publisher B.V., 1985.

19. Морган Д. Устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах: Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1990.

20. Орлов B.C., Бондаренко B.C. Фильтры на поверхностных акустических волнах. М.: Радио и связь, 1984.

21. Гуляев Ю.В., Кравченко В.Ф., Смирнов Д.В. Новые временные весовые функции для обработки сигналов в устройствах на поверхностных акустических волнах. Успехи современной радиоэлектроники. 2003, т.8, №8, с. 3-7.

22. Хеннан Э. Многомерные временные ряды. М.: Мир, 1974.

23. Журбенко И.Г., Кожевникова И.А. Стохастическое моделирование процессов. М.: Изд-во МГУ, 1990.

24. Марпл.-мл. C.JI. Цифровой спектральный анализ и его приложения. Пер. с англ. М.: Мир, 1990.

25. Журбенко И.Г. Анализ стационарных и однородных случайных систем. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1987.

26. Айфичер Э.С., Джервис Б.У. Цифровая обработка сигналов: практический подход, 2-е гадание. Пер. с англ. М.: Издательский дом «Вильяме», 2004.

27. Кравченко В.Ф., Смирнов Д.В., Федоров И.Б. Оценки спектральной плотности временного ряда на основе семейства атомарных сглаживающих функций. Электромагнитные волны и электронные системы. 2005, т. 10, №8, с. 40-47.

28. Кравченко В.Ф., Басараб М.А. Булева алгебра и методы аппроксимации в краевых задачах электродинамики. М.: Физматлит, 2004.

29. Зелкин Е.Г., Кравченко В.Ф., Гусевский В.И. Конструктивные методы аппроксимации в теории антенн. М.: Сайнс-Пресс, 2005.

30. Кондратенков Г.С., Фролов А.Ю. Радиовидение. Радиолокационные системы дистанционного зондирования Земли. Под ред. Г.С.Кондратенкова. М.: Радиотехника, 2005.

31. Soumekh, М., Synthetic Aperture Radar Signal Processing, NY, John Wiley & Sons, Inc., 1999.

32. David K. Barton and Harold R. Ward, Handbook of Radar Measurement, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, 1969.

33. Вопросы перспективной радиолокации. Под ред. А.В. Соколова. М.: Радиотехника, 2003.

34. Радзиевский В.Г., Сирота А. А. Информационное обеспечение радиоэлектронных систем в условиях конфликта. М.: ИПРЖР, 2001.

35. Радзиевский В.Г., Сирота А.А. Теоретические основы радиоэлектронной разведки. 2-е изд., испр. и доп. М.: «Радиотехника», 2004.

36. Вопросы подповерхностной радиолокации. Под ред. А.Ю. Гринева. М.: Радиотехника, 2005.

37. Зелкин Е.Г., Кравченко В.Ф. Аппроксимация диаграмм направленности атомарными функциями. Антенны, 1999, № 2(43), с. 47-49.

38. Минкович Б.М., Яковлев В.П. Теория синтеза антенн. М.: Сов. радио, 1969.

39. Kravchenko, V.F., Basarab, М. A., The Use of Weighting Windows Based on Atomic Functions in SAR Digital Signal Processing, Electromagnetic Waves and Electronic Systems, vol. 7, no. 4-5, 2002, pp. 134-140.

40. Kravchenko, V.F., Basarab, M.A., Weighting windows based on atomic functions and their use in SAR digital signal processing, Proceedings 4-th European Conference on Synthetic Aperture Radar 2002, pp. 101-104.

41. Кравченко В.Ф., Смирнов Д.В. Применение нового класса весовых функций к задачам цифровой обработки сигналов в антеннах с синтезированной апертурой. Электромагнитные волны и электронные системы. 2004. т.9. №8. с. 29-38.

42. Kravchenko, V.F. and Smirnov D.V., Synthesis of Aperture using Direct Convolution Method Based on Family of Atomic Functions, Proceedings 5-th European Conference on Synthetic Aperture Radar, Germany, 2004, vol. 2, pp. 705-707.

43. Smirnov D.V. Atomic Functions in the Two-Stage Digital Signal Processing Scheme of SAR, "The fifth international Kharkov symposium on physics and engineering of microwaves, millimeter and submillimeter waves". Kharkov, Ukraine, June 21-26, 2004.

44. Смирнов Д.В. Весовая обработка зондирующих сигналов функциями Кравченко-Рвачева в радиолокационных системах. Юбилейная 60-я Научная сессия, посвященная Дню радио, Москва, 2005, с. 243-246.

45. Mallat Stephane, A Wavelet Tour of Signal Processing, Academic Press, 1998

46. Mallat Stephane, Multiresolution approximation and wavelets, Trans Amer. Math. Soc., 1989.

47. Goswami J.C., Chan A.K. Fundamental of Wavelets, John Wiley & Sons Inc, 1999.

48. Meyer Y. Wavelets, vibrations and scalings, American Mathematical Society, 1998.

49. Hernandez E., Weiss G. A First Course on Wavelets, CRC Press, 1996.

50. Кравченко В.Ф., Смирнов Д.В. Построение нового класса вейвлет-базисов на основе атомарных функций. Электромагнитные волны и электронные системы. 2003, т.8, №4, с. 15-18.

51. Кравченко В.Ф. Новый класс W-систем функций Кравченко-Рвачева на основе семейства атомарных функций. Радиотехника. 2005, №8, с.61-66.

52. Гуляев Ю.В., Кравченко В.Ф., Смирнов Д.В. Новый класс вейвлетов на основе атомарных функций, 5-я Международная конференция и выставка. Цифровая обработка сигналов и её применение. 12-14 марта 2003, Москва, с.6-8.

53. Урядников Ю.Ф., Аджемов С.С. Сверхширокополосная связь. Теория и применение. М.: COJIOH-Пресс, 2005.

54. Гантмахер В.Е., Быстров Н.Е., Чеботарев Д.В. Шумоподобные сигналы. Анализ, синтез, обработка. СПб.: Наука и техника, 2005.

55. Лазоренко О.В., Лазоренко С.В., Черногор Л.Ф. Применение вейвлет-анализа к задаче обнаружнения кратковременных знакопеременных и сверхширокополосных процессов. Электромагнитные волны и электронные системы. 2004, т. 9, №9-10, с. 31-61.

56. Лазоренко О.В., Лазоренко С.В., Черногор Л.Ф. Вейвлет-анализ нелинейных волновых процессов. Успехи современной радиоэлектроники. 2005, №10, с. 3-21.

57. Кравченко В.Ф., Смирнов Д.В. Широкополосные сигналы на основе временных атомарных функций в сложных антенных системах. Электромагнитные волны и электронные системы. 2005, т. 10, № 4, с. 21-26.

58. Kravchenko V.F., Smirnov D.V., Wideband signals processing with atomic functions in antenna systems. Second International Workshop Ultrawideband and Ultrashort Impulse Signals, Simpheropol, 2004, pp. 31-33.

59. Хургин Я.И., Яковлев В.П. Финитные функции в физике и технике. М.: Наука, 1971.

60. Гольдеберг Л.М., Матюшкин Б.Д., Поляк М.Н. Цифровая обработка сигналов. М.: Радио и связь, 1990.

61. Кириллов С.Н., Дмитриев В.Т. Помехоустойчивость и реализуемость процедуры восстановления сигналов на основе алгоритма Хургина-Яковлева. Радиотехника, 2003, № 1, с. 73-75.

62. Зелкин Е.Г., Кравченко В.Ф., Басараб М.А. Интерполяция сигналов с финитным спектром с помощью преобразований Фурье атомарными функциями и её применение в задачах синтеза антенн. Радиотехника и электроника, 2002, т. 47, № 4, с.461-468.

63. Кравченко В.Ф., Басараб М.А. Применение атомарных функций для восстановления сигналов с финитным спектром. ДАН, 2002, т. 385, № 1, с.36-40.

64. Гуляев Ю.В., Кравченко В.Ф. Атомарные функции в цифровой обработке сигналов различной физической природы. 5-я Международная конференция и выставка. Цифровая обработка сигналов и её применение. 12-14 марта 2003, Москва, с. 3-4.

65. Смирнов Д.В. Реализация процедуры восстановления цифровых сигналов на основе алгоритма Зелкина-Кравченко-Басараба, Успехи современной радиоэлектроники. 2003, т. 8, №9, с. 37-39.