Алгоритмы обнаружения сигналов пассивной радиолокации и оценка их фазочастотных параметров тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат технических наук Силин, Сергей Игоревич

• Силин, Сергей Игоревич
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Силин, Сергей Игоревич

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Исследование особенностей построения систем пассивной радиолокации.

1.1. Постановка задачи.

1.2. Используемые модели сигналов.

1.3. Исследование потенциальной точности оценки радиотехнических параметров сигналов.

1.4. Методика оценки эффективности вычислительных алгоритмов цифровой обработки сигналов в системах пассивной радиолокации.

1.5. Выводы по главе

Глава 2. Разработка алгоритмов обработки сигналов в системах пассивной радиолокации.

2.1. Исходные данные для разработки алгоритмов.

2.2. Разработка алгоритма обнаружения импульсных сигналов.

2.3. Разработка алгоритма оценки частоты монохроматического сигнала.

2.4. Разработка алгоритма оценки параметров частотномодулированного сигнала.

2.5. Разработка алгоритма обнаружения и оценки параметров ФКМ сигнала.

2.6. Разработка совместного алгоритма пеленгации.

2.7. Выводы по главе 2.

Глава 3. Имитационное моделирование разработанных алгоритмов.

3.1. Описание имитационной модели.

3.2. Численное моделирование работы алгоритмов.

3.3. Выводы по главе 3.

Глава 4. Экспериментальные исследования разработанных алгоритмов.

4.1. Описание экспериментальной установки.

4.2. Описание блока.

4.3. Описание схемы эксперимента.

4.4. Выводы по главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Алгоритмы обнаружения сигналов пассивной радиолокации и оценка их фазочастотных параметров»

Актуальность работы. Диссертация посвящена вопросам синтеза алгоритмов обнаружения и оценки параметров радиосигналов в условиях высокой априорной неопределенности, и исследованию их работы в различных условиях функционирования целевой многоканальной системы пассивной радиопеленгации.

За последние годы в мире наметилась тенденция перехода от построения бортовых систем обработки сигналов на базе аналоговой микроэлектроники к построению на базе цифровой. Это связано с совокупностью различных факторов, например, относительно высокой стабильностью работы цифровых алгоритмов по сравнению с работой алгоритмов, реализованных на аналоговых микросхемах. Аналоговая вычислительная электроника целиком построена на использовании различных включений усилительных каскадов и пассивных элементов. Производственный разброс параметров элементов приводит к необходимости настройки всех алгоритмических звеньев, что при реализации сложных алгоритмов приводит к большой трудоемкости регулировки изделий. Чувствительность всех элементов к условиям окружающей среды приводит к необходимости обеспечивать заданные климатические условия - влажность, температуру, давление - в противном случае рабочая точка может «уплыть», то есть выйти из диапазона значений, в которых возможна работа алгоритма. Третьим существенным недостатком является то, что даже простейшие арифметические операции, такие как сложение и вычитание, требуют использования большого числа элементов, а, следовательно, и места на платах, энергопотребления и прочего.

В противовес этому цифровые алгоритмы нечувствительны к изменениям окружающих условий, параметры фильтров, полиномиальные коэффициенты, порядок сортировки и выборки не изменяется ни от температуры, ни от влажности - цифровая микросхема в заданных условиях может либо работать, либо нет. Это устраняет необходимость обеспечения стабильности окружающих условий и регулировки элементов для достижения наилучших соотношений параметров алгоритмов. В дополнение к этому цифровые микросхемы позволяют реализовать объемные в плане вычислений и ресурсозатратные алгоритмы с использованием малого числа корпусов, что снижает, как размеры разрабатываемых блоков, так и весовые характеристики, что является весьма актуальным для бортовых систем, в которых всегда ограничено доступное для размещения пространство и грузоподъемность.

За последние годы цифровая техника претерпела экспоненциальный рост производительности и емкости, при параллельном снижении размеров. Современный уровень интеграции позволяет уместить несколько десятков тысяч логических элементов в одном корпусе, как снизив габариты, так и повысив быстродействие системы. Большое число элементов, размещенных на одном небольшом кристалле, позволяет практически устранить проблемы, которые возникают при трассировке печатных плат, тем самым можно реализовать устройство, в котором заложена большая функциональность по сравнению с предшествующими аналогами.

В связи с этим весьма актуальной является разработка алгоритмов обнаружения сигналов и оценки параметров сигналов с высокой степенью априорной неопределенности и широкой вариативностью для бортовых систем на базе современной цифровой техники. Отличительной особенностью таких систем являются повышенные требования к массе и габаритам, что не позволяет применять большое число вычислительных кластеров, а это означает, что многие классические оптимальные схемы обнаружения, распознавания и оценки оказываются неприменимыми в данных условиях. Таким образом, для учета специфики бортовых устройств необходимо разработать некоторую методику, которая позволила бы наложить ограничения на разрабатываемые алгоритмы, а также позволяла бы произвести сравнительный анализ алгоритмов для выбора тех, которые наибольшим образом подходят для реализации в указанных условиях.

Обозначенная возможность сравнения приводит к необходимости разработки критерия или системы критериев качества. Для создания подобного критерия и ограничивающих условий в сложной системе взаимодействующих алгоритмов целесообразно воспользоваться соответствующими областями теории системного анализа.

Целью диссертационной работы является повышение вероятности обнаружения сигналов, точности оценки частотных параметров сигналов, надежности работы и эффективности использования доступных ресурсов в системах многоканальной пассивной радиопеленгации.

В соответствии с целью диссертационной работы были сформулированы и решены следующие задачи:

1. Исследование достижимой потенциальной точности оценок фазо-частотных параметров для многоканальных цифровых систем пассивной радиопеленгации;

2. Разработка методики оценки эффективности синтезируемых алгоритмов для обнаружения сигналов и измерения их фазо-частотных параметров при их использовании в многоканальных системах пассивной радиопеленгации;

3. Разработка алгоритмов обнаружения импульсных и непрерывных сигналов и оценка их фазочастотных параметров для систем пассивной радиопеленгации в условиях высокой априорной неопределенности;

4. Построение математической и имитационной моделей многоканальной системы широкополосной пассивной радиолокации, предназначенной для обнаружения сигналов, их пеленгации и измерения фазо-частотных параметров;

5. Проведение численного и экспериментального моделирования работы алгоритмов обнаружения сигналов и оценки их фазо-частотных параметров для систем пассивной радиолокации.

Методы исследований базируются на теории системного анализа, теории принятия решений, аналитических и численных методов, статистических методов обработки информации и математических методов обработки информации на ПЭВМ.

Научная новизна работы:

1. Разработана методика оценки эффективности алгоритмов для цифровой обработки сигналов в бортовых системах реального времени, предназначенных для пассивной радиолокации;

2. Разработаны алгоритмы обнаружения импульсных и непрерывных сигналов с априорно неизвестными параметрами и алгоритмы оценки фазо-частотных параметров принимаемых сигналов в многоканальных цифровых системах пассивной радиолокации.

Положения, выносимые на защиту:

1. Результаты исследований потенциальной точности оценки фазо-частотных параметров сигналов в многоканальных цифровых системах пассивной радиолокации;

2. Алгоритмы обнаружения сигналов и оценки их фазо-частотных параметров в многоканальных цифровых системах пассивной радиопеленгации;

3. Математическая модель многоканальной цифровой системы пассивной радиопеленгации;

4. Результаты математического и экспериментального моделирования работы алгоритмов обнаружения сигналов и оценки их фазо-частотных параметров в системах пассивной радиопеленгации.

Достоверность научных выводов подтверждается:

1. Корректностью исходных математически положений, обоснованностью принятых допущений, репрезентативностью статистических данных

2. Соответствием результатов теоретических исследований, результатов математического моделирования и результатов экспериментальных исследований.

Личный вклад автора:

Основные результаты, вывод и рекомендации, приведенные в диссертации, получены автором лично.

Практическая значимость работы:

В диссертации произведено исследование потенциальной точности оценки фазо-частотных параметров сигналов в системах пассивной радиопеленгации. Результаты исследования могут быть использованы для обоснования тактико-технических требований к системам пассивной радиолокации, а также для оценки возможностей таких систем.

Предложена методика оценка эффективности реализации алгоритмов цифровой обработки в бортовой аппаратуре цифровой обработки сигналов. Предложенная методика, критерий сравнения и система ограничивающих условий может быть использована для обоснования выбора алгоритмов цифровой обработки сигналов в системах пассивной радиолокации, а также для обоснования структуры подобных систем.

Разработаны алгоритмы обнаружения широкополосных сигналов в условиях высокой априорной неопределенности и широкой номенклатуры видов модуляций, а также алгоритмы оценки их фазо-частотных параметров. Разработанные алгоритмы могут быть использованы в широкополосных многоканальных цифровых системах пассивной радиолокации.

Разработаны математические и имитационные модели многоканальных цифровых систем пассивной радиолокации. Модели могут быть использованы для разработки и оценки результатов работы алгоритмов, предназначенных для подобных систем. Модели позволяют производить сравнение различных алгоритмов, а также производить исследования отличий аппаратно реализованных систем от математической модели для поиска и устранения неисправностей, а также для внесения корректив в алгоритмы, которые позволяют учесть отличие реальной и модельной систем.

Апробация работы:

1. Доклад на XXXVII Всероссийской научно-технической конференции. - М., 2011.

2. Доклад на Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России». - М., 2011.

3. Доклад на Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России». - М., 2012.

4. Доклад на XXXIX Всероссийской научно-технической конференции «Проектирование систем». - М., 2012.

Внедрение результатов работы:

1. Результаты диссертации внедрены в ОКР «Фракция» ЦНИРТИ им. А.И. Берга, что подтверждается актом внедрения.

2. Результаты диссертации внедрены в ОКР «Антракт» ЦНИРТИ им. А.И. Берга, что подтверждается актом внедрения.

3. Результаты диссертации внедрены в ОКР «Литограф» ЦНИРТИ им. А.И. Берга, что подтверждается актом внедрения.

4. Результаты диссертации используются в учебном процессе на кафедре СМ-5 «Автономные информационные и управляющие системы» МГТУ им. Н.Э. Баумана, что подтверждается актом об использовании.

Публикации. Результаты диссертации отражены в 8 научных работах, из них в журналах по перечню ВАК - 1.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (наименований), приложения, и изложена на 148 листах машинописного текста, включая 61 рисунок.

Заключение диссертации по теме «Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)», Силин, Сергей Игоревич

7. Результаты работы внедрены в ОКР «Фракция» и ОКР «Антракт», а также используются в учебном процессе и НИР кафедры автономных информационных и управляющих систем МГТУ им. Н. Э. Баумана

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Силин, Сергей Игоревич, 2012 год

1. Марка Д., МакГоуэн К. Методология структурного анализа и проектирования. М.: МетаТехнология, 1993. 240 с.

2. Месарович М., Мако Д., Такахара М. Теория иерархических многоуровневых систем. М.: Мир, 1973. 344 с

3. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. М.: Советское радио, 1975. Книга 2. 391 с.

4. Тихонов В. И. Статистическая радиотехника. М.: Радио и связь, 1982. 624 с.

5. Васильев К.К. Методы обработки сигналов: Учебное пособие. Ульяновск, 2001. 80 с.

6. Puranen М., Eskelinen P. Improved methods for frequency measurement of short radar pulses // Proceedings of the 21 st European Frequency and Time Forum (EFTF 2007), Geneva, 2007. P. 970-973.

7. Светлов А.Ю. Адаптивные алгоритмы обнаружения радиолокационных целей на фоне пассивных помех в когерентно-импульсных РЛС: Диссертация . кандидата технических наук. Челябинск, 2006. 173 с.

8. Манелис В.Б. Оценка и адаптация параметров сигналов подвижных телекоммуникационных систем: Диссертация . доктора технических наук. Воронеж, 2010. 386 с.

9. Болденков Е. Н., Перов А. И. Синтез алгоритма оценки задержки сигнала и доплеровского сдвига частоты в системе межспутниковых измеренийРадиоэлектроника, электротехника и энергетика: Сборник тезисов докладовконференции. Москва, 2005. Т. 1. С. 120-121.

10. Горкин В.Н. Оптимизация алгоритмов многоканальной спектральной обработки сигналов в доплеровском процессоре РЛС: Диссертация . кандидата технических наук. Рязань, 2002. 148 с.

11. Болденков Е. Н. Разработка и исследование оптимальных алгоритмов обработки сигналов в аппаратуре спутниковой навигации: Диссертация . кандидата технических наук. Москва, 2007. 226 с.

12. Савин А. А. Статистический синтез и исследование алгоритмов определения координат наземных источников радиоизлучения в космических системах: Диссертация . кандидата технических наук. Москва, 2008. 203 с.

13. Брусин Е.А. Использование БПФ для оценивания несущей частоты ФМ сигналов в демодуляторах спутниковых систем связи // Цифровая обработка сигналов (Москва) 2007. № 2. С. 14-18.

14. Дмитриенко А.Н. Параметрически-непараметрическое обнаружение сигналов при разбиении принимаемой выборки // Радиотехника. 1998.1. С.14-18

15. Шевченко М. Е. Алгоритм совместного обнаружения и оценивания параметров источников радиоизлучения // Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника. 2009. № 1. С.23-30.

16. Нахмансон Г. С., Бакаева Г. А. Эффективность обнаружения фазоманипулированного широкополосного сигнала квадратурнымприемником с входным полосовым и режекторными фильтрами // Успехи современной радиоэлектроники. 2010. № 11. С.21-33

17. Трифонов А. П., Сморгонский А. В. Характеристики квазиправдоподобного обнаружения финитного сигнала с неизвестным временем прихода // Известия вузов. Радиоэлектроника. 2008. Т. 51, № 8. С.3-17

18. Нахмансон Г. С., Бакаева Г. А. Обнаружение фазоманипулированного широкополосного сигнала, принимаемого на фоне шумов квадратурным приемником с входным полосовым фильтром // Известия вузов. Радиоэлектроника. 2008. Т. 51, № 9. С.20-29.

19. Былинкин А. А. Анализ эффективности двухканального алгоритма обнаружения сигналов в среде Matlab // Промышленные АСУ и контроллеры. 2012. № 3. С.57-60.

20. Быстров Н. Е. Синтез сигналов с псевдослучайным законом амплитудно-фазовой манипуляции и методы их обработки в PJIC с квазинепрерывным режимом работы: Диссертация . доктора технических наук. Великий Новгород, 2005. 260 с.

21. Саватеев Ю. И., Назаров О. В., Скворцов Ю. В. Синтез оптимальных алгоритмов многоканального приема бинарных и непрерывных сигналов на фоне непрерывной помехи и шума // Радиотехника. 2008. N 4. С.80-107.

22. Сорохтин М. М. Алгоритмы обнаружения и оценивания параметров ФМ-сигналов в условиях ограниченной длины информационных пакетов: Диссертация . доктора технических наук. Нижний Новгород, 2008. 132 с.

23. Багдагюлян А. А. Алгоритмы оценки частоты сигнала биений на основе методов параметрического спектрального анализа для дальномеров счастотной модуляцией зондирующего сигнала: Диссертация . доктора технических наук. Рязань, 2007. 191 с.

24. Адаптивное обнаружение и выделение широкополосного сигнала с линейной частотной модуляцией при сжатии его в частотной области / В. А. Иванов и др. . // Электромагнитные волны и электронные системы. 2009. Т. 14, № 8. С.34-45.

25. Варламов Д. JL, Костров В. В., Бернюков А. К. Применение атомарных функций для весовой обработки JI4M сигнала // Радиотехника. 2009. № 5. С.126-129.

26. Манелис В. Б., Сергиенко А. И. Алгоритм оценки частотного сдвига радиосигнала, использующий JI4M опорный сигнал // Известия вузов. Радиоэлектроника. 2007. Т. 50, № 4. С.59-67

27. Марычев Д. С., Морозов О. А., Хмелев С. J1. Оценка параметров JI4M сигналов методом цифровой адаптивной фильтрации // Журнал радиоэлектроники. 2012. № 3. URL/ http://jre.cplire.rU/alt/marl2/3/text.pdf (дата обращения: 15.01.2012).

28. Sethares W.A., Walsh J.M., Johnson C.R. Jr. An adaptive view of synchronization // Circuits and Systems, 2002. MWSCAS-2002. The 2002 45th Midwest Symposium.NY, 2002. Vol.2. P. 521-524.

29. Синхронизация в радиосвязи и радионавигации: Учебное пособие /В.В. Сизых и др.. М.: Горячая Линия-Телеком, 2011. 278 с.

30. Караван О.В. Различение созвездий сигналов с квадратурной амплитудной модуляцией в условиях параметрической априорной неопределенности: Диссертация . кандидата технических наук. Ярославль, 2010. 120 с.

31. Тупицын А. Н. Распознавание сигналов и анализ нестационарных точечных процессов с использованием вейвлет-преобразования: Диссертация . кандидата физико-математических наук. Саратов, 2009. 138 с.

32. Холопов И. С., Алгоритмы распознавания типов комбинированных помех для обнаружителей радиосигналов: Диссертация . кандидата технических наук. Рязань, 2010. 145 с.

33. Дворников С. В., Дворников С. С., Коноплев М. А. Алгоритм распознавания сигналов радиосвязи на основе симметрических матриц // Информационные технологии. 2005. № 3. С. 75-77.

34. Дворников С. В., Алексеева Т. Е. Распределение Алексеева и его применение в задачах частотно-временной обработки сигналов // Информация и Космос. 2006. № 3. С. 9-21

35. Johnson H.W., Graham М., High-Speed Digital Design. Englewood Cliffs (NJ). Prentice Hall, 1993. 384 p.

36. Николаев В.И., Брук B.M. Системотехника: методы и приложения. JL: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1985. 199 с.

37. Шаллоуей А., Тротт Дж. Р. Шаблоны проектирования. Новый подход к объектно-ориентированному анализу и проектированию. М: Вильяме, 2002. 288 с.

38. Встраиваемые системы. Проектирование приложений на микроконтроллерах / С.Ф. Баррет и др. М.: ДМК Пресс, 2007. 640 с.

39. Шахтарин Б.И. Случайные процессы в радиотехнике. 3-е издание, переработанное. М.: Гелиос АРВ, 2006. Т. 1. Линейные преобразования. 464 с.

40. Скляр Бернард. Цифровая связь. М.:Вильямс, 2003. 1104 с.

41. Давенпорт Б.В., Рут В. Л. Введение в теорию случайных сигналов и шумов. М.: Издательство иностранной литературы. 1960. 459 с.

42. Comprehensive Identification from Frequency Responses: an interactive facility for system identification and verification. Preprint № 4.1.00 NASA Ames Research Center. Moffet Field, (CA), 2000. 56 p.

43. Астапов Ю. M., Медведев В. С. Статическая теория систем автоматического регулирования и управления. М.: Наука, 1982. 304с.

44. Левин Б. Р. Теоретические основы статистической радиотехники, В 3-х кн. М.: Сов. радио, 1974. Кн. 1. 552 с

45. Левин Б. Р. Теоретические основы статистической радиотехники, В 3-х кн. М.: Сов. радио, 1975. Кн. 3. 392 с.

46. Киселев Н.В. Методы построения систем распознавания и классификации негауссовых сигналов. Л.: Изд.-во Ленинградского Университета, 1986. 188 с.

47. Андерсон Т. Введение в многомерный статистический анализ: Пер. с англ. / Под ред. Б.В. Гнеденко М.,1963. 500 с.

48. Бендат Дж., Пирсол А. Прикладной анализ случайных данных: Пер. с англ. / Под ред. И.Н. Коваленко. М.:Мир, 1989. 540 с.

49. Справочник по радиолокации: В 4-х томах / Под ред. М. Сколника. М.: Сов. Радио , 1976-1979. Т. 4. 376 с.

50. Печенкин А. О., Ляпин Б.Д. Частотно-модулированные радиопередатчики со спектральной обработкой результирующего сигнала. М.: ЦНИИНТИ, 1982. 121с.

51. Седякин Н.М. Элементы теории случайных импульсных потоков. М.: Сов. Радио, 1965. 261 с.

52. Уоррен Г. Алгоритмические трюки для программистов: Пер. с англ. М.: Вильяме, 2003. 288с.

53. Буч Г. Объектно-ориентированный анализ и проектирование с примерами приложений, 3-е изд.: Пер. с англ. М.: ООО «И.Д. Вильяме», 2008. 720 с.

54. Кузьмин С.З. Цифровая обработка радиолокационной информации. М.: Сов. Радио, 1967. 400 с.

55. Жураковский В.Н., Казаков Д.Л., Шанаев O.K. Методика анализа цифровых систем обнаружения при зависимых отсчетах входного воздействия//Радиотехника. 1987. № 10. С. 3-5.

56. Лихарев В.А. Цифровые методы и устройства в радиолокации. М.: Сов. Радио, 1973. 456 с.