Інформаційно–вимірювальна система ідентифікації джерел радіовипромінювання для пасивної локації об'єктів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Державний вищий навчальний заклад

“Донецький національний технічний університет”

На правах рукопису

05.11.16 Інформаційно-вимірювальні системи

УДК 006.951.1:621.396.96

Автореферат

дисертації на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук

Інформаційно-вимірювальна система ідентифікації джерел радіовипромінювання для пасивної локації об'єктів

Рябкін Юрій

Вікторович

Донецьк - 2007

Дисертація є рукописом.

Робота виконана в Державному вищому навчальному закладі “Донецький національний технічний університет” Міністерства освіти і науки України

Науковий доктор технічних наук, професор

керівник: Зорі Анатолій Анатолійович, завідувач кафедри “Електронна техніка” Державного вищого навчального закладу “Донецький національний технічний університет” МОН України, м. Донецьк

Офіційні доктор технічних наук, професор

Опоненти: Поджаренко Володимир Олександрович, завідувач кафедри “ Метрологія і промислова автоматика ” Вінницького національного технічного університету МОН України, (м. Вінниця) доктор технічних наук, професор Боличевцев Олексій Дмитрович, професор кафедри “Автоматика і радіоелектроніка” Української інженерно-педагогічної академії МОН України, (м.Харків)

Захист відбудеться „_24_” жовтня 2007 р. в 14 годин на засіданні спеціалізованої вченої ради К11.052.03 Державного вищого навчального закладу “Донецький національний технічний університет” за адресою: 83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, корп. 8, .ауд. 704.

З дисертацією можна ознайомиться в бібліотеці Державного вищого навчального закладу “Донецький національний технічний університет” за адресою: 83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, корп. 2.

Автореферат розісланий 17.09.2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради К11.052.03 кандидат технічних наук, доцент Г.В. Мокрий

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Захист національних інтересів держави в політичній, економічній, транспортній і військовій галузях припускає наявність можливості конфіденційно одержувати достовірну і своєчасну інформацію про стратегічно важливі об'єкти на суміжних територіях. До таких об'єктів відносяться літаки і судна, у тому числі і воєнного призначення, наземні транспортні засоби, що несуть озброєння і іншу військову техніку і т.п. Оснащеність названих об'єктів засобами активної локації, навігації та радіозв'язку дозволяє ідентифікувати їх по електромагнітному випромінюванню, формованому вказаними засобами, як джерелами радіовипромінювання (ДРВ). В даний час ця задача розв'язується станціями радіотехнічного контролю (РТК) методом пасивної локації. До складу кожної РТК, як найважливіша складова частина, входить інформаційно-вимірювальна система (ІВС), що дозволяє витягати первинну інформацію про появу ДРВ в контрольованій області, вимірювати параметри інформативних сигналів, що відображають випромінювання ДРВ, забезпечувати інформаційну і алгоритмічну підтримку при ідентифікації знайденого об'єкту, і в той же час бути практично невидимими для об'єктів радіовипромінювання (ОР).

Розробка станцій радіотехнічного контролю в світовій практиці ведеться не одне десятиріччя. До числа найбільш досконалих з них відносяться РТК пасивній локації “Тамара”, “Віра” (Чехія), “Вега” (Росія), “АВАКС” (США). На Україні в 2001 році був створений комплекс пасивної радіолокації “Кольчуга”, що перевершує за рядом технічних характеристик зарубіжні аналоги. Проте розвиток радіотехнічних засобів об'єктів пасивної локації, розширення їх номенклатури, використання складніших сигналів пред'являють все більш високі вимоги до ІВС, що входять до складу станцій контролю. Це вимагає неухильного вдосконалення характеристик ІВС, а у ряді випадків, перегляду концепцій їх побудови і організації. Вказане визначає актуальність даної дисертаційної роботи. Науково-дослідна задача роботи полягає в побудові і вдосконаленні структури ІВС, методів і засобів витягання первинної інформації про ДРВ, її відображення і зберігання, розробці методів підвищення техніко-експлуатаційних характеристик ІВС, створенні проблемно - орієнтованих баз даних і перспективних інтерфейсних систем візуальної ідентифікації. Перелічене вище і визначило напрям по створенню спеціалізованої ІВС ідентифікації ОР.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в рамках програм науково-технічного розвитку Донецької області на період до 2020 р.: “Складна радіоелектронна апаратура, вироби електронної промисловості, приладобудування і продукція електротехнічної промисловості” (2002-2004 рр.), “Розробка і впровадження у виробництво виробів спеціального призначення” (2004-2010рр.); госпдоговірної теми № 04-291 “Розробка і удосконалення методів і алгоритмів підвищення точності і достовірності даних вимірювальних каналів і підсистем візуалізації оперативного стану об'єктів контролю комплексу “Кольчуга”” (№ держреєстрації 0104U005750), в яких здобувач брав участь як виконавець.

Метою роботи є підвищення достовірності оцінювання параметрів об'єктів пасивної локації шляхом комплексного аналізу частотних і тимчасових характеристик реєстрованих високочастотних сигналів, що відображають електромагнітне випромінювання об'єктів.

Для досягнення поставленої мети в роботі вирішені наступні основні задачі:

1. Проаналізувати відомі методи і засоби оцінювання частотних і тимчасових характеристик високочастотних сигналів, які встановлені в основу побудови ІВС ідентифікації об'єктів радіовипромінювання.

2. Запропонувати і розробити методи підвищення достовірності оцінювання параметрів об'єктів пасивної локації.

3. Виконати структурно-алгоритмічний синтез ІВС параметрів об'єктів, що ідентифікуються.

4. Обґрунтувати параметри запропонованої структури системи, способи і засоби їх відображення для оперативного прийняття рішення.

5. Реалізувати розроблені методи і засоби у складі ІВС станції радіотехнічного контролю “Кольчуга”.

Об'єкт дослідження: Інформаційно-вимірювальні системи радіотехнічних комплексів для локації рухомих об'єктів.

Предмет дослідження: Методи і алгоритми програмно-апаратних засобів обробки сигналів джерел радіовипромінювання об'єктів пасивної локації.

Методи дослідження. У роботі застосовані теоретичні і експериментальні методи дослідження. Теоретичні дослідження засновані на хвильовій і корпускулярній теоріях світла, теорії радіолокації і статистичної теорії випадкових потоків і сигналів, теорії вимірювань частотних і тимчасових параметрів, теорії побудови акустооптичних аналізаторів спектру (АОАС) радіосигналів, статистичної теорії виявлення сигналів. Експериментальні дослідження проводилися в строгій відповідності з обґрунтованими методиками з використанням метрологічної атестації промислової контрольно-вимірювальної апаратури, засобів обробки сигналів і зображень.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

1. Вперше розроблено структурно-алгоритмічну організацію ІВС реального часу у складі станції радіотехнічного контролю, що заснована на паралельному аналізі спектральних і тимчасових характеристик радіосигналів з багатоальтернативною процедурою прийняття рішень по ідентифікації джерел радіовипромінювання.

2. Вдосконалено принцип сумісного вимірювання і аналізу векторів частотно-тимчасових параметрів радіосигналів, що відображають радіовипромінювання, яке дозволило підвищити достовірність ідентифікації джерел радіовипромінювання.

3. Вперше запропоновано використання акустооптичного аналізатора як широкодіапазонного і паралельного аналізатора частотно-тимчасових характеристик радіосигналів в режимі реального часу, що дозволило підвищити точність вимірювання спектральних характеристик радіосигналів малої тривалості.

4. Одержали подальший розвиток методи візуалізації радіосигналів, що дозволяють виявляти їх тонку частотно-тимчасову структуру, що дає змогу підвищити ефективність роботи оператора вимірювального комплексу за рахунок візуального порівняння графічних образів типових сигналів і поточного аналізованого сигналу.

Обґрунтування і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується коректним використанням математичного апарату, збігом результатів експериментальної перевірки з теоретичними оцінками.

Наукове значення роботи полягає в подальшому розвитку теоретичних і практичних аспектів сумісних частотно-тимчасових вимірювань для забезпечення достовірної ідентифікації об'єктів радіовипромінювання на основі акустооптичних аналізаторів спектру радіосигналів.

Практичне значення одержаних результатів складають алгоритми і програмно-апаратні засоби реалізації ІВС ідентифікації об'єктів пасивної локації. Одержали подальший розвиток методики обробки і засоби візуалізації тонкої структури спектру радіосигналів. Результати роботи використані при складанні технічного завдання на модернізацію радіотехнічного комплексу “Кольчуга”.

Апробації результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи докладалися і обговорювалися на 10-й Ювілейній Міжнародній конференції “Теорія і техніка передачі, прийому і обробки інформації”, м. Харків, 2004 р.; 14-й НТК „Наукові проблемі, модернізації та застосування інформаційних систем космічного і наземного базування”, м. Житомир, 2004 р.; 1-й Міжнародній науково-технічній конференції “Моделювання і комп'ютерна графіка”, м. Донецьк, 04-07 жовтня 2005 р.; ІІІ-й Науково-практичній конференції, м. Донецьк, 30 - 31 травня 2006 р.; восьмому міжнародному науково-практичному семінарі, м. Донецьк, 17-20 квітня 2007 р.

Публікації. Основні результати, що одержані в дисертаційній роботі, викладені у 5 статтях в спеціалізованих наукових журналах і збірках праць, 3 патентах України, тезах 5 доповідей на науково-технічних конференціях.

Структура і об'єм дисертаційної роботи. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел, що містить 126 найменувань, і додатків. Повний об'єм дисертації складає 173 сторінок друкарського тексту, з них 142 сторінок основного тексту, містить 60 рисунків і 6 таблиць (зокрема 10 рисунків і 3 таблиці на окремих сторінках).

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, визначено мету, поставлені наукові задачі дослідження, сформульовано основні наукові положення і результати, що виносяться на захист, наукова і практична цінність роботи. Приведені відомості про реалізацію та апробацію дисертаційної роботи.

У першому розділі - „ Стан питання і задачі дослідження” - на підставі специфіки вирішуваних задач РТК по виявленню і супроводу ОР і їх ідентифікації в умовах скритності і невидимості для ОР методом пасивної локації. Це вимагає повноти знання точнісних характеристик ДРВ для ІВС, що функціонує у складі багатопозиційних РТК.

На підставі огляду і аналізу поширених ДРВ виділено ОР: літакові, наземні і корабельні РЛС, - і встановлено параметри радіовипромінювання, що можуть бути використані як інформативні для ідентифікації ОР. До числа таких параметрів відносяться: частотні (значення частот, діапазони їх безперервної і дискретної перебудови, частота проходження імпульсів); тимчасові (режим радіовипромінювання - безперервний або імпульсний); частотно-тимчасові (характер зміни частот в часі або в межах імпульсу, частота проходження імпульсів та ін.). Аналізом встановлено наступні діапазони зміни параметрів : по частоті 400 МГц - 40 ГГц; оперативній перебудові частоти 5 - 10%; проходження імпульсів 70Гц - 2000 КГц; тривалості імпульсів 0,0025 - 400 мкс. Причому, оперативна і дискретна перебудови як частотних, так і тимчасових параметрів випромінювання, їх кількість можуть змінюватися в процесі функціонування РЛС по складному закону, що задається від управляючої ЕОМ, зокрема по псевдовипадковому і випадковому закону.

Нестаціонарність і складний характер зміни радіосигналів, діапазони можливих перекриттів інформативних параметрів радіовипромінювань для різних РЛС роблять не можливою однозначну ідентифікацію ОР за одним параметром (наприклад, частотним). Для підвищення достовірності ідентифікації необхідне комплексне використання максимальної кількості інформативних параметрів, що характеризують поточний стан ДРВ в умовах обмеженого зверху часу ідентифікації знайденого об'єкту. Задача ідентифікації фізичного об'єкту засобами пасивної радіолокації повинна бути віднесена до динамічних, вирішуваних в умовах, що безперервно змінюються. З урахуванням цієї специфіки при рішенні задачі ідентифікації доцільно виділити декілька етапів у виробленні остаточного рішення ідентифікації, останнім з яких є комплексний аналіз одержаних результатів вимірювання інформативних параметрів випромінювання і прийняття рішень про приналежність спостережуваного об'єкту до заданого класу, типу, зразка тощо.

Системи спостереження і контролю об'єктів радіовипромінювання є складними радіотехнічними комплексами, в роботі яких задіяні не тільки апаратні і програмні засоби, бази знань і даних, але і інтелектуальні ресурси експертів. Все це вказує на необхідність удосконалення структури засобів ідентифікації у складі спеціалізованих ІВС пасивної локації, розробки спеціальних алгоритмів їх функціонування в реальному режимі часу з тим, щоб максимальне число задач багатоетапної ідентифікації розв'язувалося з мінімальною участю людини-оператора.

На підставі проведеного аналізу сформульовані задачі дослідження.

Другий розділ - “Структурно-алгоритмічний синтез ІВС ідентифікації джерел радіовипромінювання” - присвячено обґрунтуванню структурно-алгоритмічної організації ІВС ідентифікації джерел радіовипромінювання, розробці алгоритмів прийняття рішень при ідентифікації ОР. В процесі дослідження виділені базисні функції ІВС, до яких віднесено:

а) виявлення інформативних радіосигналів у всій контрольованій частотній області одночасно;

б) оцінювання частотної області зосередження енергії знайдених сигналів ;

в) оцінювання рівня енергії знайдених сигналів;

г) спектральний аналіз знайдених сигналів;

д) аналіз знайдених сигналів в тимчасовій області і виділення періодичностей;

е) тимчасову селекцію імпульсних послідовностей, властивих знайденим сигналам і виділення на цій множині інформативних сигналів;

ж) вимірювання частотних і тимчасових параметрів інформативних сигналів;

з) комплексний аналіз зміряних частотних і тимчасових параметрів інформативних сигналів і прийняття рішень щодо ідентифікації джерел радіовипромінювань.

Проведено аналіз базисних функцій ІВС і шляхів їх реалізації. Встановлено, що вимога широкосмуговості при обмеженій ефективній смузі частот сигналів, що знаходяться, входить в суперечність з вимогою чутливості системи при реалізації функції виявлення. Запропоновано розділення всього частотного діапазону станції між декількома паралельними частотними каналами на піддіапазони і аналіз сигналів усередині піддіапазонів, де такі сигнали виявляються.

Обґрунтовано необхідність використання для реалізації функції спектрального аналізу знайдених сигналів паралельного аналізатора спектру, що охоплює весь аналізований частотний піддіапазон. Найперспективнішим і економічним рішенням задачі паралельного аналізу в даний час вважається використання АОАС. Оскільки в межах піддіапазону можуть одночасно спостерігатися декілька сигналів одночасно, а для ідентифікації джерела необхідний аналіз знайдених сигналів в тимчасовій області і виділення періодичностей, яка може бути здійснена на основі вимірювання тимчасових параметрів імпульсної послідовності на виході каналу і кореляційній обробці вказаної послідовності.

Обґрунтовано необхідність тимчасової селекції радіоімпульсів, що відповідають виділеним (інформативним) сигналам. Реалізація цієї функції дозволяє придушити всю решту (неінформативні для даної фази аналізу) сигналів і тим самим виключити їх вплив на результати вимірювання параметрів інформативного сигналу. Сумісне використання результатів вимірювань тимчасових і частотних параметрів одного і того ж інформативного сигналу, а так само використання інформативних ознак про сигнали відомих джерел, що зберігаються в базі даних системи, дозволяє ідентифікувати джерело радіовипромінювання, віднести його до одного з відомих класів і видів, або ж сформувати новий клас, або вигляд. Розглянуто засоби, що реалізовують базові функції ІВС, об'єднані в систему і доповнені засобами радіоканалів, що представлені у вигляді структурної схеми ІВС, наведеної на рис. 1.

Виконано синтез структури і алгоритмів для вирішення задач виявлення радіовипромінювання в заданому діапазоні частот для двох взаємовиключних умов: - джерело випромінювання в зоні виявлення станцією є (гіпотеза ); - джерела випромінювання в зоні виявлення станцією немає (гіпотеза ). У цих умовах засобами станції контролю може бути прийняте рішення , що класифікує поточну ситуацію: - джерело випромінювання в зоні виявлення станцією є (рішення); - джерела випромінювання в зоні виявлення станцією нема (рішення ); - достатньо інформації для прийняття рішення про виявлення джерела випромінювання в зоні виявлення станцією із заданою достовірністю (рішення ).

Рис.1 Структурна схема ІВС параметрів радіосигналів у складі станції радіотехнічного контролю джерел радіовипромінювання

Прийняття рішень в умовах , , приводить до однієї з наступних ситуацій з відповідною імовірністю : - - правильне виявлення об'єкту, що випромінює; - - пропуск у виявленні об'єкту, що випромінює; - - правильне невиявлення об'єкту, що випромінює; - - помилкове виявлення об'єкту, що випромінює; - - достатньо інформації для прийняття рішення за умови відсутності об'єкту, що випромінює, в зоні виявлення станції; - - достатньо інформації для прийняття рішення за умови наявності об'єкту, що випромінює, в зоні виявлення станції. Кожна з вказаних ситуацій може бути охарактеризована платою за недозволенність невизначеності або помилкові рішення . В основу побудови алгоритму прийняття рішень покладене відношення правдоподібності

а як критерій оптимальності прийняття рішень вибраний умовний нормований середній ризик від помилкових рішень, або недозволенності невизначеності ситуації

Показано, що критерію відповідає оптимальне правило прийняття рішень: Розроблена оптимальна процедура прийняття рішень при ідентифікації ДРВ для обмеженої кількості гіпотез M, коли мають місце втрати від прийнятих рішень. Для об'єктів ідентифікації, що розглядаються в роботі , виконується , де j- номер вірної гіпотези, i-номер гіпотези, вибраної за наслідками прийняття рішення. У цих умовах обґрунтоване використання критерію мінімуму середнього ризику

де - апріорна імовірність - ї гіпотези; - апостеріорна щільність розподілу імовірності спостереження при істинності гіпотези ; - область простору спостережень з , в якій вибирається .

Якщо ввести відношення правдоподібності то правило прийняття рішень по ідентифікації ОР може бути приведене до вигляду

Відносини правдоподібності можуть бути одержані на основі обробки результатів вимірювання інформативних параметрів, що характеризують дане джерело. Передбачається, що вектор реалізації представлений своїми незалежними проекціями , кожна з яких ототожнюється зі скалярною оцінкою з нормальним законом розподілу. Тоді відношення правдоподібності (5) може бути визначено підстановкою

,

а в якості прийнята “нульова” гіпотеза, відповідна відсутності якого-небудь джерела випромінювання. Вектор реалізації , що складений на скалярах інформативних параметрів, повинен бути одержаний при введенні ІВС в експлуатацію і зберігатися в базі даних ІВС, як еталон.

Для випадку, коли похибки визначення скалярних оцінок діагностичних параметрів rn однакові, одержимо де - величина, що одержана за наслідками оцінювання інформативних параметрів при виконанні гіпотези .

У третьому розділі - “Розробка квазіоптимальних алгоритмів визначення частотно-тимчасових параметрів джерел радіовипромінювання в акустооптичних спектроаналізаторах”, - виконані дослідження, метою яких є підвищення ефективності АОАС при вимірюванні частотних характеристик і спектрального аналізу сигналів, що приймаються, а також синтезу квазіоптимальних алгоритмів виявлення вихідних сигналів АОАС.

Для оперативного моніторингу ОР необхідно визначати в реальному масштабі часу такі параметри ДРВ, як потужність, тривалість, час приходу радіоімпульсу, частоту несучої радіосигналу. Найбільш інформативним параметром, що дозволяє визначати тип РЛС, є несуча частота. Цю функцію виконує апаратура вимірювання частотних характеристик і спектрального аналізу сигналів АОАС, що приймаються. Проте практична реалізація АОАС у складі РТК при зменшенні тривалості радіоімпульсу зустрічає ряд труднощів.

Для оптимізації алгоритмів виявлення сигналів у вихідній площині АОАС розроблений математичний опис оптичних сигналів з урахуванням нелінійності передавальних функцій структурних елементів АОАС при проходженні коротких сигналів, хвильової і корпускулярної структури оптичного сигналу.

Джерело когерентного випромінювання формує світловий потік, який проходячи через акустооптичний модулятор (АОМ), взаємодіє з акустичною хвилею, що біжить і розповсюджується з швидкістю Vзв в акустооптичному кристалі, під час появи на одному з його входів радіосигналу тривалістю . Оптичне випромінювання, що виходить з АОМ, містить інформацію про спектральні характеристики аналізованого радіосигналу. Лінза виконує Фурьє-перетворення в просторовий розподіл інтенсивності в площині фотокатода ФК, який здійснює перетворення потоку квантів світла в потік носіїв заряду NC, описуваний виразом:

де (b1 - коефіцієнт використання просторового розміру А апертури АОМ); N0 - потік носіїв, що формується при повному використанні апертури АОМ, коли ; (b - коефіцієнт, що враховує параметри оптичної системи); х - поточна просторова координата в площині фотоприймача; х0 - координата максимуму інтенсивності.

Окрім сигнального потоку зарядів NC, що виникають унаслідок взаємодії квантів оптичного випромінювання з речовиною фотокатода, утворюється шумовий потік носіїв NП, обумовлений внутрішніми шумами фотокатода. Фотоприймач виробляє інтеграцію потоків NC і NП по просторово-часових осередках xi, обмежених розмірами елементу дозволу фотокатода і часом накопичення TН. Потоки носіїв заряду NC і NП утворюють пуасоновські потоки. Тоді багатовимірна щільність імовірності для незалежних дискретних величин ni зарядів для поміхової складової визначається виразом:

а сигнальної - виразом: де NП - середня швидкість лічення поміхових зарядів на одиничному просторовому інтервалі.

Вирази (8) і (9) дозволяють синтезувати оптимальні і квазіоптимальні алгоритми виявлення вихідних сигналів АОАС. Для формування правил вибору якісного рішення для прийнятої реалізації прийнятий критерій відношення правдоподібності , тобто при приймається рішення про наявність сигналу, а при - рішення про його відсутність. У разі виявлення слабкого сигналу справедлива нерівність , тоді логарифм відношення правдоподібності представимо у вигляді:

Величина wC пропорційна енергії сигналу, що приймається, і не залежить від прийнятої реалізації , тому величина логарифма відношення правдоподібності визначається значенням функції . Звідси алгоритм виявлення слабкого сигналу у вихідній площині АОАС можна представити у вигляді блок-схеми.

Для оцінки ефективності запропонованого алгоритму необхідно визначити характеристики виявлення: умовну імовірність правильного виявлення РОБ і умовну ймовірність помилкової тривоги РЛТ, використовуючи обчислення інтегралів ймовірності

і ,

де ,- щільність ймовірності величини u=, у разі наявності адитивної суміші сигнал+поміха і поміха відповідно. У роботі приведена методика обчислення середніх значень і дисперсій поміхової і сигнальної складових, визначуваних виразами,

для поміхи: , ;

сигналу : , ,

використовуючи які одержані вирази для обчислення РОБ і РЛТ, коли прийнята реалізація оптичного сигналу має граничну гаусову статистику. Проведена оцінка ефективності розробленого алгоритму по критерію відношення сигнал/шум у вигляді . При порівнянні з - класичний випадок, можна зробити висновок, що даний алгоритм виявлення оптичних сигналів дозволяє значно підвищити ефективність ІВС РТК. високочастотний сигнал вимірювальний радіовипромінювання

У дисертації виконано дослідження алгоритмів виявлення з урахуванням тимчасової еволюції просторового спектру в межах часу накопичення сигналів фотоприймачем в режимі аналізу коротких радіосигналів , коли відгук спектроаналізатора, сформований в процесі входу і виходу ультразвукового імпульсу в кристал АОМ, має складну просторово-часову структуру в інтервалі 0<t<TH. В цьому випадку оптична тривалість імпульсу оптри, і достатньо добре описується виразом: опт=ри+0, де - час розповсюдження ультразвукової хвилі в АОМ. Це вимагає врахувати тимчасову залежність просторового розподілу інтенсивності оптичного сигналу в задній фокальній площині Фурьє-лінзи на всіх підінтервалах часу накопичення. У вираз (7) для підрахунку числа носіїв зарядів NC(t,x) введений параметр c(t) - коефіцієнт використання апертури АОМ, вид якого на інтервалі опт приведено на рис.4.

Рис. 4. Графік тимчасової залежності коефіцієнта c(t) АОМ

Аналогічно вищенаведеним міркуванням, проведено аналіз і одержано багатовимірні двопараметричні розподілення щільності імовірності дискретних величин для поміхи і сигнальної складової і двопараметрична функція правдоподібності , де матриця, що складається з елементів розбиття апертури лінійки фотоприймачів на просторово-часові ij-осередки . Ці дані використані при реалізації алгоритму просторово-часової обробки сигналу в АОАС і оцінки критерію його ефективності у вигляді

,

тобто ц , що дозволяє одержати істотний виграш при спектральному аналізі коротких радіосигналів. Аналіз оцінки показує, що при NП0 відношення сигнал/шум прийме кінцеве значення, залежне від тривалості імпульсу ри і кількості сигнальних зарядів NС, як . Даний висновок указує на принципову неможливість нескінченно точних вимірювань параметрів оптичних сигналів, оскільки похибка вимірювань обмежена знизу власною дисперсією сигнальної складової, обумовленої корпускулярною структурою і випадковим характером оптичного випромінювання.

У роботі проведені дослідження впливу ефекту кінцевого часу реєстрації і тривалості вхідних радіоімпульсів в некогерентних АОАС з просторовою інтеграцією. У цьому випадку істотно впливає інтерференційна складова поля плоскої світлової хвилі першого дифракційного порядку. Так для розрізнення несучих частот вхідних імпульсів при середніх =0,01 і малих =0,005 величинах розстроєння загальною необхідною умовою є достатньо великий час реєстрації, який перевищує сумарну тривалість вхідного радіоімпульсу і тимчасову апертуру спектроаналізатора. Для підвищення розділової здатності АОАС по частоті, що використовують у якості реєструючих пристроїв нелінійні елементи, необхідно проводити градуювання апертури як функцію вхідного сигналу з виділенням максимального значення розстроєння несучої частоти, що відповідає биттю коливань на комбінаційних частотах, якому відповідає своя ширина дифракційної плями.

Розроблено метод розпізнавання при паралельній обробці сигналів великої енергії в широкій смузі частот в реальному масштабі часу по нелінійному відгуку АОАС, що приводить до невизначеності відносно визначення частоти вихідного радіосигналу. Метод заснований на порівнянні реалізації сигналу, що приймається з виходу АОАС, із значеннями відгуку АОАС на вхідний радіосигнал, що заданий еталонними значеннями частоти і інтенсивності. Запропонована реалізація методу, яка заснована на використанні навчальної вибірки. Результати навчання поміщаються в базу даних, що має багатошарову структуру, в якій поточний (оперативний) рівень p-го шару відповідає кількості вихідних сигналів на виході спектроаналізатора. Кожен рівень характеризує еталонні описи вихідної сукупності сигналів, як векторів, залежних від двох параметрів вхідних сигналів - інтенсивності I і частоти , представлені параметричним простором векторів B=(I, )T розмірністю К - відповідною класам вхідних дій.

Розроблений алгоритм процедури еталонних описів, який зводиться до обчислення векторів вибіркових середніх і вибіркової кореляційної матриці для кожного класу оперативного p-го шару банку даних, і які є оцінками правдоподібності. Вирішальне правило розрізнення еталонних класів побудовано на критерії виділення ознак, які пов'язані з верхньою межею для ймовірності помилкової класифікації для пари класів, рівної відстані між класами. Далі приймається рішення відносити спостереження на виході спектроаналізатора до того класу, для якого оцінна функція правдоподібності максимальна.

У четвертому розділі - “Візуалізація частотно-тимчасових характеристик і підтримка ідентифікації джерел сигналів”, визначені основні задачі і вимоги до візуалізації частотно-тимчасових характеристик сигналів інформаційною системою виявлення і ідентифікації ДРВ, розглянуто моделі тестових сигналів РЛС, проведено розробку прототипу системи візуалізації комплексно частотно-тимчасових характеристик джерел сигналів і прототипу системи візуальної ідентифікації джерел сигналів.

Один з етапів рішення задачі ідентифікації об'єктів радіолокації по параметрах, формованих ними випромінювань, пов'язаний з комплексним аналізом оператором одержаних результатів вимірювання інформативних параметрів і прийняття їм рішення про приналежність спостережуваного об'єкту до заданого типу. З урахуванням обмеженої кількості ознак, які сприймає оператор в системах обробки інформації, найефективнішим є візуальне представлення інформації. Пропонована структура РЛК з інформаційною системою підтримки ідентифікації представлена на рис.6.

Виконаний аналіз інформативних параметрів радіовипромінювання різних джерел дозволяє зробити висновок, що для підвищення ефективності і достовірності ідентифікації типів ДРВ, що відстежуються, оператору системи виявлення і ідентифікації повинні відображатися такі характеристики і параметри джерел, як частотно-тимчасові, розподіл сигналу на основі його спектрального аналізу, частота проходження імпульсів, тривалість імпульсів, середня, мінімальна, максимальна і миттєва частота заповнення імпульсу, девіація частоти, а також дані про найближчі за своїми характеристиками радіовипромінювання об'єкти. При цьому інформаційна система виявлення і ідентифікації повинна виконувати: - прийом і аналіз характеристик ДРВ (блок комплексного аналізу); - накопичення в базі даних інформативних комплексних оцінок і характеристик сигналу ДРВ (база даних типових джерел радіовипромінювань); - кількісну частотно-тимчасову візуалізацію інформативних характеристик і параметрів сигналу ДРВ (блок візуалізації характеристик); - експертну ідентифікацію джерела радіовипромінювань на основі наведеного вище (оператор).

Для дослідження методів візуалізації використаний набір тестових сигналів РЛС, створений на основі аналізу сигналів типових РЛС і побудовано їх математичні моделі. Запропонована структура програмного комплексу візуалізації, початкові дані для якої представляються у вигляді потоку даних, що складається із зрізів комплексних частотно-тимчасових характеристик сигналу. Програмний комплекс підтримує два режими візуалізації: режим візуалізації у вигляді поля кольоровості - колірна матриця, стовпці якої відповідають різним частотам, рядки - різним моментам часу, а осередки - агрегованим значенням елементів матриці “вікна”; режим геометричної візуалізації - графіки частотно-тимчасового розподілу представлено у вигляді тривимірної поверхні або набору кривих, які виводяться в косокутній проекції на екран. Є можливість отримання точних кількісних характеристик сигналу, що візуалізується, за допомогою маркера.

Запропоновано і розроблено прототип системи візуальної ідентифікації джерел сигналів на основі порівняльного аналізу оператором графічного зображення сигналу і основних чисельних його характеристик. При цьому, в базі даних типових ДРВ повинні бути представлені як характерні чисельні значення параметрів і характеристики джерела, так і його візуальне представлення в частотно-тимчасовій області.

Побудовано експериментальну базу даних типових ДРВ і проведено експериментальне тестування системи, яке показало, що при виборі характерних для кожного сигналу візуальних ознак (стрибки частоти, швидкість девіації тощо) значно полегшується ідентифікація оператором типу сигналу. Таким чином, проведені дослідження і їх результати, що представлені в розділі 4, показали, що для підвищення ефективності і достовірності ідентифікації типів відстежуваних ДРВ необхідне застосування спеціалізованих ІВС ідентифікації і візуалізації, що здійснюють кількісну частотно-тимчасову візуалізацію інформативних комплексних характеристик і параметрів сигналу ДРВ і експертну ідентифікацію на цій основі джерела радіовипромінювань. Розроблено загальну концепцію роботи системи візуальної ідентифікації, загальну структуру системи, структуру бази даних, алгоритм розрахунку і візуалізації частотно-тимчасових розподілів сигналів, структуру і склад програмного інтерфейсу, прототип системи. Проведено випробування роботи прототипу програмної системи для різних типів тестових сигналів, яке підтвердило працездатність системи і правильність запропонованих підходів.

П'ятий розділ - “Метрологічна атестація ІВС і оцінка достовірності ідентифікації джерел радіовипромінювання ” - присвячений оцінюванню технічної ефективності пропонованих в роботі рішень, визначенню реальних метрологічних характеристик ІВС. Для виконання метрологічних досліджень розроблена і створена експериментальна установка, що складається із станції радіотехнічного контролю і випробувального стенду-імітатора сигналів випромінюючого об'єкту. Технічні засоби станції радіотехнічного контролю доповнені засобами реєстрації і обробки результатів метрологічних експериментів (комп'ютерами з відповідним програмним забезпеченням). Випробувальний стенд складається з генератора тестових радіоімпульсів і антен, змонтованих на щоглі. Метрологічна атестація вимірювальних каналів ІВС здійснювалася за методикою, що розроблена відповідно до нормативних документів і, крім загальних вимог стандартів, відображає специфіку об'єкту вимірювань, а також обумовлених нею вимог до устаткування, організації і проведення експериментів. Результати метрологічної атестації показали, що розроблені методи і засоби забезпечують достатньо високу технічну ефективність функціонування ІВС. Значення відносної похибки вимірювання періоду проходження імпульсів не перевищує 0,0375%. Відносна похибка вимірювання тривалості імпульсів, не більш ніж 2,2%.Середнєквадратичне відхилення при вимірюванні несучої частоти не перевищує 0,4МГц.

ВИСНОВКИ

Дослідження, що проведені в дисертаційній роботі, є теоретичним обґрунтуванням і новим рішенням наукової задачі, яка полягає в підвищенні достовірності оцінювання параметрів об'єктів пасивної локації шляхом комплексного аналізу частотних і тимчасових характеристик реєстрованих високочастотних сигналів, що відображають електромагнітне випромінювання об'єктів. Теоретичні і експериментальні дослідження, що виконані в роботі, можуть бути узагальнені наступними висновками:

1. На основі аналізу характеристик об'єктів ідентифікації, існуючих розробок предметної області і відомих методів ідентифікації джерел радіовипромінювання встановлено, що поставлена мета може бути досягнута шляхом використання методів, що засновані на комплексній оцінці доступних до вимірювання параметрів радіовипромінювання об'єктів в частотно-тимчасовій області і в широкому діапазоні вимірюваних величин. Діапазони параметрів радіовипромінювань різних об'єктів, що перекриваються, не дають можливості однозначної ідентифікації джерел радіовипромінювання. Рішення задачі ідентифікації слідує шукати методами теорії статистичних рішень.

2. Запропоновано концепцію і структурно-алгоритмічну організацію спеціалізованої ІВС у складі станції радіотехнічного контролю. Обґрунтована трьохальтернативна процедура прийняття рішення з результатами “є випромінювання об'єкту”, “немає випромінювання об'єкту”, “достатньо інформації для прийняття рішення”. Виконано синтез алгоритму прийняття рішень виходячи з критерію мінімального умовного середнього ризику.

3. Для реалізації процедур прийняття рішень при ідентифікації об'єктів радіовипромінювання обґрунтоване використання комплексного параметра, що включає спектральні, частотні і тимчасові параметри у якості простих. Проведений синтез оптимального алгоритму прийняття рішень з критерію середнього ризику. Одержані співвідношення і параметри, що реалізовані в алгоритмі.

4. Обґрунтована доцільність сумісного вимірювання частотних і тимчасових параметрів сигналів, що відображають знайдене радіовипромінювання, а також необхідність застосування пристрою паралельного частотного аналізу радіосигналів для оцінювання частотних параметрів радіовипромінювання об'єктів. Запропоновано використання акустооптичного аналізатору і необхідність додаткового дослідження його частотно-тимчасових і метрологічних характеристик при використанні у складі ІВС.

5. Розроблено математичний опис оптичних сигналів у вигляді аналітичних виразів для середнього і дисперсії випадкового потоку фотонів, який враховує хвильові і корпускулярні представлення структури оптичного випромінювання, що дозволило синтезувати оптимальні алгоритми просторової і просторово-часової обробки оптичних сигналів малої тривалості в АОАС. Одержано оцінки ефективності розроблених алгоритмів за критерієм величини відношення сигнал/шум, яке залежить від тривалості рад аналізованого радіоімпульсу. Так, для алгоритму просторової обробки вихідного сигналу в АОАС значення критерію пропорційно , а для алгоритму просторово-часової обробки - пропорційно , що порівняно з класичним дає істотний виграш при спектральному аналізі коротких радіосигналів. Одержано вирази для умовної імовірності правильного виявлення і помилкової тривоги, коли сигнал і поміха прийнятої реалізації оптичного сигналу мають гаусову статистику.

6. Для підвищення розділової здатності АОАС по частоті з урахуванням кінцевого часу реєстрації і тривалості вхідних радіоімпульсів з просторовою інтеграцією необхідно проводити градуювання апертури АОМ як функцію вхідного сигналу, з виділенням максимального значення розстроєння несучої частоти, відповідної биттю коливань на комбінаційних частотах.

7. Розроблений метод розпізнавання при паралельній обробці сигналів великої енергії в широкій смузі частот в реальному масштабі часу по нелінійному відгуку АОАС, що приводить до невизначеності за визначенням частоти радіосигналу. Реалізація методу заснована на використанні результатів навчальної вибірки, що поміщаються в базу даних, яка має багатошарову структуру, в якій кожен рівень характеризує еталонні описи сукупності сигналів, як векторів, залежних від інтенсивності і частоти вхідних сигналів. Вирішальне правило розпізнавання еталонних класів побудовано на критерії виділення ознак, для яких оцінна функція правдоподібності максимальна.

8. Розроблена концепція роботи системи візуальної ідентифікації, структура системи і структура бази даних, структура і склад програмного інтерфейсу прототипу системи, а також алгоритм розрахунку і візуалізації частотно-тимчасових розподілів сигналів на основі його спектрального аналізу.

9. Запропоновані способи візуалізації у вигляді поля кольоровості і геометричної візуалізації, які виявляють тонку частотно-тимчасову структуру сигналу і забезпечують відображення реальних об'ємів інформації на екрані протягом часу, достатнього для сприйняття оператором. А візуальне порівняння графічних образів типових сигналів і поточного аналізованого сигналу істотно полегшують оператору ідентифікацію і розпізнавання ОР.

10. Використання у складі станції радіотехнічного контролю спеціалізованої ІВС дозволяє досягти підвищення точності вимірювання тимчасових параметрів сигналів джерел радіовипромінювання, збільшити кількість вимірюваних параметрів складних (вобулюючих) сигналів, що у свою чергу дасть можливість досягти ймовірності визначення типу радіотехнічного засобу за повним набором параметрів понад 0,9, а імовірність визначення конкретного екземпляра радіотехнічного засобу - понад 0,85.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ ОПУБЛІКОВАНІ В НАСТУПНИХ ПУБЛІКАЦІЯХ

1. Рябкин Ю.В. Установление информативных параметров типовых источников радиоизлучений для их идентификации // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: “Обчислювальна техніка та автоматизація” . Вип..88. - Донецьк: ДонНТУ, 2005. - С. 145 - 152.

2. Рябкин Ю.В., Зори А.А. Анализ структуры системы обнаружения радиоизлучения в составе станции радионаблюдения и её усовершенствование // Інформаційні технології та комп'ютерна інженерія. - 2006. - №3(7). - Вінниця: ВНТУ, 2006. - С. 53 - 59.

3. Рябкин Ю.В., Карнаух В.В. Квазиоптимальная обработка коротких радиоимпульсов в акустооптическом спектроанализаторе // Автоматика, автоматизация, электротехнические комплексы и системы. - Херсон: ХНУ. - 2006. - Вып. 2(18). - С. 113 - 116.

4. Стрелков А.И., Барсов В.И., Рябкин Ю.В. Принципы расширения динамического диапазона акустооптического анализатора спектра // Системи обробки інформації. - Харків: НАНУ, ПАНМ, ХВУ. - 2004. - Вип. 9. - С. 173 - 178.

5. Стрелков А.И., Барсов В.И., Рябкин Ю.В. Потенциальные возможности совместной оценки параметров радиосигналов в задачах электромагнитной оценки // Системи обробки інформації. - Харків: НАНУ, ПАНМ, ХВУ. - 2004. - Вип. 7. - С. 208 - 215.

6. Рябкин Ю.В. Обоснование алгоритма оценивания частотных параметров радиоимпульсов большого уровня по информативным сигналам акустооптического спектроанализатора // Материалы 1-й международной научно-технической конференции “Моделирование и компьютерная графика”, г.Донецк, 04-07 октября 2005 г. - Донецк, ДонНТУ, МОН Украины, 2005. - С. 243 - 247.

7. Рябкин Ю.В. Подсистема визуализации частотно-временных характеристик сигналов радиолокационных станций // Матеріали ІІІ - ої науково-практичної конференції , „Донбас-2020: наука і техніка - виробництву”, м. Донецьк, 30 - 31 травня 2006 р. - Донецк, ДонНТУ, МОН України, 2006. - С. 505 - 513.

8. Стрелков А.И., Барсов В.И., Рябкин Ю.В. Метод совместной оценки параметров радиосигналов при анализе электромагнитной обстановки // 14-я НТК „Наукові проблеми, модернізації та застосування інформаційних систем космічного і наземного базування”. - Житомир: ЖВІРЕ, 2004. - С. 89.

9. Стрелков А.И., Барсов В.И., Рябкин Ю.В. Оценка параметров сигналов с различным динамическим диапазоном при анализе ЭМО // 10-я Юбилейная Международная конференция “Теория и техника передачи, приема и обработки информации”. Сб. тезисов докладов. Ч. 1. - Харьков: ХНУРЭ. - 2004. - С.283 - 284.

10. Рябкин Ю.В. Специализированная информационно-измерительная система идентификации объектов радиоизлучений // Практика и перспективы развития партнерства в сфере высшей школы: Материалы восьмого международного научно-практического семинара, г.Донецк, 17-20 апреля 2007г. В 3-х томах. Том 3. - Донецк, ДонНТУ, 2007. - С. 264-276.

11. Патент України №39604 А. Акустооптичний вимірювач частоти. Бюл. №5, 15.06.2001.

12. Патент України №39422 А. Станція радіотехнічного контролю. Бюл. №5, 15.06.2001.

13. Патент України №39605 А. НВЧ-Змішувач. Бюл. №5, 15.06.2001.

АНОТАЦІЯ

Рябкін Ю.В. Інформаційно-вимірювальна система ідентифікації джерел радіовипромінювання для пасивної локації об'єктів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.16 - інформаційно-вимірювальні системи. - Донецький національний технічний університет, Донецьк, 2007.

Дисертація присвячена розробці методів підвищення вірогідності оцінки параметрів об'єктів пасивної локації шляхом комплексного аналізу частотних і тимчасових характеристик високочастотних сигналів, що реєструються. Запропоновано концепцію і структурно-алгоритмічну організацію спеціалізованої ІВС у складі станції радіотехнічного контролю. Обґрунтовано використання комплексного параметра для прийняття рішень по ідентифікації об'єкта. Зроблено синтез оптимального алгоритму прийняття рішень із критерію середнього ризику.

Обґрунтовано доцільність паралельного частотного аналізу радіосигналів на основі використання акустооптичного аналізатору і необхідність дослідження його частотно-тимчасових і метрологічних характеристик у складі ІВС. Розроблено математичний опис оптичних сигналів у виді аналітичних виражень для середнього і дисперсії випадкового потоку фотонів, що дозволило синтезувати оптимальні алгоритми просторової і просторово-тимчасової обробки оптичних сигналів малої тривалості. Розроблено метод розпізнавання при паралельній обробці сигналів великої енергії в широкій смузі частот у реальному масштабі часу.

Розроблено системи візуальної ідентифікації, структура бази даних, склад програмного інтерфейсу прототипу системи, а також алгоритм розрахунку візуального порівняння графічних образів типових сигналів і поточного сигналу, що істотно полегшують операторові розпізнавання ОР і ідентифікацію, і дозволяють досягти імовірності визначення типу радіотехнічного засобу понад 0,9.

Ключові слова: об'єкт радіовипромінювання, пасивна локація, ідентифікація, інформаційно-вимірювальна система, радіотехнічний комплекс, радіосигнал, джерело радіовипромінювання, критерій ефективності, вірогідність, акустооптичний спектроаналізатор, комплексний аналіз сигналу, алгоритм виявлення, база даних джерел випромінювання, система візуальної ідентифікації.

Рябкин Ю.В. Информационно-измерительная система идентификации источников радиоизлучения для пассивной локации объектов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.16 - информационно-измерительные системы. -Донецкий национальный технический университет, Донецк, 2007.

Диссертация посвящена разработке методов повышения достоверности оценки параметров объектов пассивной локации путем комплексного анализа частотных и временных характеристик регистрируемых высокочастотных сигналов. Предложена концепция и структурно-алгоритмическая организация специализированной ИИС в составе станции радиотехнического контроля. Обосновано использование комплексного параметра, включающие спектральные, частотные и временные параметры для принятия решений по идентификации объекта. Произведен синтез оптимального алгоритма принятия решений из критерия среднего риска. Получены соотношения и параметры, реализуемые в алгоритме.

Обоснована целесообразность совместного измерения частотных и временных параметров сигналов, отображающих обнаруженное радиоизлучение, а также необходимость применения устройства параллельного частотного анализа радиосигналов на основе использования акустооптического анализатора и необходимость дополнительного исследования его частотно-временных и метрологических характеристик в составе ИИС.

Разработано математическое описание оптических сигналов в виде аналитических выражений для среднего и дисперсии случайного потока фотонов, учитывающее волновые и корпускулярные представления структуры оптического излучения, что позволило синтезировать оптимальные алгоритмы пространственной и пространственно-временной обработки оптических сигналов малой длительности в акустооптическом анализаторе. Разработан метод распознавания при параллельной обработке сигналов большой энергии в широкой полосе частот в реальном масштабе времени по нелинейному отклику акустооптического анализатора .

Разработана концепция работы системы визуальной идентификации, структура системы и структура базы данных, структура и состав программного интерфейса прототипа системы, а также алгоритм расчета и визуализации частотно-временных распределений сигналов на основе его спектрального анализа.

Использование в составе станции радиотехнического контроля специализированной ИИС дает возможность достигнуть вероятности определения типа радиотехнического средства по полному набору параметров свыше 0,9, а вероятности определения конкретного экземпляра радиотехнического средства - свыше 0,85.

Ключевые слова: объект радиоизлучения, пассивная локация, идентификация, информационно-измерительная система, радиотехнический комплекс, радиосигнал, источник радиоизлучения, критерий эффективности, достоверность, акустооптический спектроанализатор, комплексный анализ сигнала, алгоритм обнаружения, база данных источников излучения, система визуальной идентификации.

Y.B. Ryabkin. Information and Measuring System of Identification of Radio Sources for the Object Passive Location. -Manuscript.

Ph.D thesis on the speciality of 05.11.16 -Information and Measuring Systems.- Donetsk National technical University, Donetsk, 2007.

The thesis deals with the development of the methods to raise the reliability of evaluation of the passive location object parameters by making complex analysis of frequency characteristics and time behaviour of the registered carriers. The concept and structural and algorithmic organization of the specialized IMS consisting of the radio-engineering control station are proposed. The complex parameter application to make a decision as to the object identification is founded. The optimal algorithm of decision making out of the average risk criterion is made.

Expediency of the parallel frequency analysis of the radio signals based on the application of acousto-optic analyzer as well as the necessity to research its time and frequency and metrological characteristics consisting of the IMS are founded. The mathematical description of optic signals as the formulae for average and dispersion of photon random streams is developed. That made it possible to synthesize the optimal algorithms of spatial and spatial and time processing of the optic short duration signals. The method to recognize big power signals in the wide band in the real time under the signal parallel processing is developed.

...