Введение к работе
Актуальность темы. Одной из важных задач информационных роботов, используемых при мониторинге окружающей обстановки в системах антитеррора, экологии, разведки, ликвидации последствий техногенных катастроф и т.п., является задача своевременного обнаружения подвижных наземных объектов (ПНО) и принятие решения о стратегии поведения при их наличии. Указанная задача решается с помощью дистанционного бесконтактного измерения интенсивности излучаемых и/или отраженных от ПНО акустических или электромагнитных волн, модулированных по какому-либо информативному параметру, и регистрируемых сенсором в удаленной точке наблюдения.
В простейших случаях задача селекции ПНО может быть решена по признаку превышения мощности наблюдаемого сигнала некоторого заданного порога. Однако подобный метод обнаружения применим только в тех случаях, когда цель хорошо различима на фоне окружающих ее других предметов сцены, и совершенно неприемлем, если сигнал является слабоконтрастным, нестационарным, и/или поступает на сенсор информационно-измерительной системы в сопровождении естественных или искусственно созданных помех.
С учетом того, что наблюдаемый ПНО меняет свое пространственное положение с течением времени, при решении задачи селекции более продуктивным представляется подход, когда сенсором системы вырабатывается сигнал, представляющий собой функцию времени и/или пространственных координат, параметры которой связываются с параметрами движения наблюдаемого объекта. Изучение сигналов как параметрических функций времени и пространственных координат позволяет сформировать систему идентификационных признаков, основанную на априорной информации о динамике движения наблюдаемого объекта, а также отличать ПНО данного типа от других движущихся предметов сцены. При этом информационно-измерительная система должна решать как задачу обнаружения участка сигнала с заданными свойствами в общем потоке данных, формируемых сенсором, так и задачу определения местоположения участка с известной функцией в сигнале.
Таким образом, поиск параметрической многомерной функции с априорно известными свойствами в сигнале, формируемом сенсором информационно-измерительной системы, является основной задачей селекции ПНО. Подобная задача инвариантна к типу сенсора и отличается только размерностью сигнала и величиной пространственно-временных интервалов обрабатываемых данных. Ее решение сводится к построению системы классификационных признаков, связанных с моделью движения, на основании которых формируется область признакового пространства, соответствующая идентифицируемым объектам.
Вопросы формирования, на основании аналитического моделирования движения ПНО по пересеченной местности, признакового пространства, позволяющего выделить в сигнале сенсора области, содержащие информацию об объекте, в настоящее время изучены недостаточно. Это делает задачу исследования свойств сигналов, формируемых информационно-измерительными системами дистанционного бесконтактного обзора сцены и выделения из них информации о подвижных наземных объектах, весьма актуальной.
Таким образом, объектом исследования диссертационной работы является система бесконтактного измерения интенсивности излучаемого и/или отраженного от предметов сцены акустического или электромагнитного сигнала, информативный параметр которого имеет вид функции, характеризующей движение ПНО, находящегося на сцене.
Предметом исследования диссертационной работы является связанные с параметрами движения ПНО свойства сигнала, формируемого сенсором информационно-измерительной системы, а также методы обнаружения и идентификации данного сигнала в потоке данных, формируемых сенсором.
Общей теорией обработки и идентификации сигналов в информационно-измерительных системах различных типов типа занимались К.Блаттер, Р.Гонсалес, А.Л.Горелик, У.Гренандер, И.Добеши, Р.Дуда, В.В.Еремеев, В.К.Злобин, Дж.Купер, К.Макгиллем, В.В.Моттль, Л.В.Новиков; А.Розенфельд, Л.И.Розоноэр, В.С.Титов, К.Фукунага, П.Харт, Л.П.Ярославский и др. Основы моделирования движения ПНО изложены в трудах А.А.Силаева.
Ниже предлагается общий подход к исследованию информационно-измерительных систем обнаружения и идентификация ПНО, который опирается на аналитические методы математического моделирования объекта измерения, спектральную теорию сигналов и теорию вейвлет-анализа.
Цель диссертационной работы состоит в повышении эффективности обнаружение функций с формой, определяемой движением ПНО, в сигнале сенсора информационно-измерительной системы дистанционного бесконтактного обнаружения и идентификации подвижных наземных объектов.
В соответствии с поставленной целью в диссертации решены следующие задачи.
1. На основании анализа типовой конструкции ПНО разработана аналитическая математическая модель его движения по пересеченной местности, с учетом случайного профиля дороги, в виде системы дифференциальных уравнений, описывающих продольные управляемые движения объекта и поперечные собственные колебания его корпуса, несущего отражающие и/или излучающие сигнал поверхности.
2. Из системы дифференциальных уравнений получены спектральные плотности параметров движения (углов тангажа, крена и курса, скорости продольного движения и значения вертикальной линейной координаты), создающих модуляцию отраженного и/или излучаемого сигнала.
3. Разработана модель формирования полезного сигнала и шумового фона, вытекающая из условий наблюдения ПНО сенсором информационно-измерительной системы для случая, когда цель сама является источником сигнала, когда она подвергается облучению неконтролируемого источника и когда облучающий источник является зондирующим.
4. Исследованы принципы сужения поля зрения сенсора и получены выражения для определения диаграммы направленности, в зависимости от диаграммы направленности преобразующего элемента и конструкции сенсора.
5. Показано, что для расширения поля зрения информационно-измерительной системы необходимо пространственное перемещением линии визирования, и получены выражения, описывающие пространственные и временные характеристики сканирующих систем.
6. Сформированы идентификационные признаки ПНО, содержащиеся в сигнале, формируемом сенсором информационно-измерительной системы с широкой диаграммой направленности и сканирующим сенсором.
7. На основе анализа особенностей сигналов, формируемых в информационно-измерительной системе, и несущих информацию о перемещении подвижных наземных объектов на сцене, сформулирована задача идентификации цели с помощью вейвлет анализа, который позволяет не только обнаружить объект на сцене по спектральным характеристикам сигналов, но и идентифицировать его местоположение на сцене.
8. Определены требования к вейвлету, обеспечивающему оптимальное соотношение сигнал/шум, показано, что вейвлет указанного типа может быть сформирован по частотному спектру идентифицируемого сигнала.
9. Разработаны методики формирования одномерных и двумерных вейвлетов, непрерывных и дискретных, обеспечивающих оптимальное соотношение сигнал/шум и выделяющих идентификационные признаки ПНО, присутствующего на сцене.
10. В соответствии с методиками разработано программное обеспечение, позволяющее выделять идентификационные признаки объекта в информационно-измерительной системе дистанционного бесконтактного обнаружения и идентификации ПНО.
Научная новизна диссертации заключается в следующем.
1. На основании исследования аналитической динамической модели продольного движения транспортного средства, поперечных колебаний его кабины относительно движителей и математической модели формирования сигнала излучающими и/или отражающими поверхностями, определена система признаков, позволяющих идентифицировать подвижный наземный объект.
2. Показано, что идентификационные признаки подвижного наземного объекта, связанные с параметрами движения, проявляются в одномерном сигнале в виде модуляции одного или нескольких информативных параметров, а в многомерном сигнале - в виде межкадрового изменения дискретной матричной модели сцены.
3. Разработана методика формирования вейвлета, обеспечивающего соотношение сигнал/шум при обработке сигнала с выхода сенсора, близкое к оптимальному, и сформированы внйвлеты, позволяющие выделять идентификационные признаки ПНО по характерным частотам сигнала, несущего информацию о перемещении объекта по сцене.
Практическая ценность диссертации заключается в том, что методики генерации вейвлетов, обеспечивающих выделение идентификационных признаков наличия и движения объекта по сцене, позволяют снизить трудоемкость инженерного проектирования информационно-измерительных систем дистанционного бесконтактного анализа сцены, а также повысить качество проектирования за счет снижения объемов экспериментальных работ.
Достоверность полученных теоретических результатов подтверждается корректным применением методов теоретической механики при описании подвижного наземного объекта, спектральной и пространственно-спектральной теории при анализе генерируемых сенсором сигналов, а также экспериментальными исследованиями информационно-измерительной системы на реальных сигналах.
Научные положения, выносимые на защиту.
1. Аналитическая математическая модель генерации сигнала излучающими и/или отражающими поверхностями подвижного наземного объекта, включающего систему признаков, связанных с параметрами движения объекта.
2. Связь идентификационных признаков подвижного наземного объекта с информативными параметрами одномерных и двумерных сигналов.
3. Методика формирования вейвлета, обеспечивающего соотношение сигнал/шум, близкое к оптимальному, при обработке сигналов, несущих информацию о перемещении подвижного наземного объекта по сцене.
Реализация и внедрение результатов. Предложенные в диссертации методики использовались при выполнении совместных работ с ФГУП «НИИ «Стрела»», а также внедрены в учебный процесс кафедры РТиАП при преподавании следующих дисциплин: «Основы информационных устройств роботов», «Основы технического зрения и цифровой обработки изображений».
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на следующих конференциях и семинарах.
1. XXVIII Научная сессия, посвященная Дню радио. - Тула, Тульский государственный университет, 2010.
2. Проблемы управления электротехническими объектами. - Тула, Тульский государственный университет, 2010.
3. Проблемы проектирования и производства систем и комплексов. - Тула, Тульский государственный университет, 2010.
4. Научно-технические конференции профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета 2009 - 2011 гг.
По теме диссертации опубликовано 10 статей, включенных в список литературы, в том числе 1 статья в сборнике ВАК РФ и 5 статей, представляющие собой материалы межрегиональных научно-технических конференций.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, изложенных на 136 страницах машинописного текста и включающих 51 рисунок и 1 таблицу, заключения, списка использованной литературы из 155 наименований и приложения.
