Введение к работе
Актуальность темы. Повышение точности измерения траекторных характеристик летательных объектов (ЛО) малых размеров непосредственно связано с повышением разрешающей способности по дальности и скорости соответствующих наземных радиотехнических информационно-измерительных систем, к которым относятся доплеровские информационно-измерительные системы (ДИИС) с непрерывным облучением ЛО в гигагерцовом диапазоне частот. Эта связь обусловлена увеличением соотношения «шум/сигнал» отраженных сигналов от ЛО малых размеров, связанным, главным образом, с увеличением дальности их полета.
Реальные ДИИС, как отечественные (например, разработанные СКБ ФКП «НТИИМ», г. Нижний Тагил), так и зарубежные для выделения информативных колебаний (ИК) в большинстве случаев используют следящие системы фильтрации доплеровских колебаний. Анализ указанных доплеровских систем показал, что лежащие в их основе методы обнаружения и выделения измерительной информации из доплеровских зашумленных сигналов используются на пределе своих возможностей и не имеют очевидной перспективы по увеличению точности определения параметров доплеровских колебаний. Граница распознавания функции частоты Доплера у подобных отечественных и зарубежных ДИИС находится при отношении «шум/сигнал» на уровне не более 20-25 дБ, при этом минимальная погрешность измерения частоты доплеровского колебания на уровне 0,5 % обеспечивается только при небольших ускорениях ЛО (до 15-30 м/с2). Таким образом, задача поиска возможностей совершенствования и создания новых элементов ДИИС, связанная с повышением разрешающей способности распознавания и точности измерения частоты Доплера в зашумленных доплеровских сигналах при увеличении дальности полета ЛО малых размеров, является актуальной.
Целью работы является повышение разрешающей способности распознавания и измерения частоты зашумленного быстроубывающего по амплитуде доплеровского колебания на основе использования свойств спектрально-временного преобразования (СВП) при целенаправленном изменении масштаба времени зарегистрированного доплеровского сигнала.
Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:
определить характер зависимости разрешающей способности распознавания и точности определения частоты Доплера спектральным методом от динамики параметров доплеровского колебания: убывания по амплитуде, изменения функции частоты, длительности фрагмента (сечения) колебания;
разработать методику СВП фрагментов зарегистрированного доплеровского колебания на основе целенаправленного изменения масштаба времени - вплоть до вырождения доплеровского колебания в немодулированный по частоте радиоимпульс, преследующую своей целью увеличение амплитуды спектра ИК в определенной области частот для улучшения условий распознавания ИК в условиях шумов;
разработать программные средства, реализующие СВП для обозначенного класса задач и осуществляющие функции распознавания и измерения зашумленного быстроубывающего доплеровского колебания;
разработать способ воспроизведения зашумленных доплеровских сигналов для исследования и аттестации разработанных средств распознавания и измерения параметров доплеровских колебаний в условиях шумов и метрологическую оценку разработанного способа воспроизведения зашумленных доплеровских сигналов;
исследовать повышение разрешающей способности распознавания и измерения быстроубывающего зашумленного доплеровского колебания при использовании разработанного СВП в качестве усовершенствованного элемента ДИИС.
Методы исследования: спектральный метод, методы статистической радиотехники, аппроксимации, объектно-ориентированного и нелинейного программирования, методы функционально-логического и математического моделирования.
Научная новизна работы:
разработана методика СВП фрагментов зарегистрированного доплеровского колебания на основе его переноса в нелинейную систему времени, сформированную с учетом производных функции частоты Доплера таким образом, что в новой системе времени доплеровское колебание вырождается в немодулированный радиоимпульс, а его спектр в области частоты колебания достигает максимума;
установлена зависимость для оценки погрешности определения несущей частоты радиоимпульса по положению максимума модуля его спектра;
установлена зависимость модуля спектра на центральной частоте фрагмента доплеровского колебания, функция частоты которого ограничена первой производной, от его длительности и девиации;
разработана методика формирования модели зашумленного доплеровского сигнала для удаляющихся по инерции (свободный полет) ЛО малых размеров на конечном интервале времени, получившего положительное ускорение в первый момент времени полета;
получено аналитическое решение спектрального преобразования для сигнала с неравномерной дискретизацией, аппроксимированного степенным полиномом.
Практическая значимость результатов работы.
Разработанный способ реализации СВП на основе быстрого преобразования Фурье (БПФ) позволяет повысить разрешающую способность распознавания на 15-20 дБ и точность определения в 2-3 раза функции частоты Доплера на участках сильно зашумленных доплеровских сигналов по отношению к аналогам, используемым в современных ДИИС.
Разработанный способ воспроизведения модели зашумленного доплеровского сигнала позволяет обеспечить метрологическими средствами (погрешность воспроизведения менее 0,004 %) как существующие, так и разрабатываемые средства измерительной обработки зашумленных доплеровских сигналов, входящие в состав современных ДИИС.
Результаты работы использованы и внедрены:
-в производство - при разработке программных адаптивных фильтров, используемых в ДИИС для реализации режима обработки сильно зашумленных участков доплеровских сигналов на ФКП «НТИИМ» (г. Н. Тагил);
- в учебный процесс ГОУ ВПО «Оренбургский государственный университет» в виде учебно-методических разработок и программных средств для изучения дисциплины «Цифровая обработка сигналов».
Основные положения, выносимые на защиту:
методика СВП фрагментов зарегистрированного доплеровского колебания;
результат исследования погрешности спектрального метода определения значения несущей частоты радиоимпульса в виде установленной методической погрешности, аппроксимированной аналитическим выражением;
результат исследования зависимости модуля спектра на центральной частоте фрагмента доплеровского колебания, функция частоты которого ограничена первой производной, от его длительности и девиации, - в виде универсального аналитического выражения с установленной погрешностью оценки указанной зависимости;
методика формирования модели зашумленного доплеровского сигнала;
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на XI международной конференции «Проблемы управления и моделирования в сложных системах» (Самарский научный центр РАН, г. Самара, 2009), VII всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике» (г. Чебоксары, 2010), всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУСУР - 2010» (г. Томск, 2010), VII всероссийской научно-практической конференции (с международным участием) «Современные информационные технологии в науке, образовании и практике» (г. Оренбург, 2008), а также представлены на областной выставке научно-технического творчества молодежи «НТТМ-2010» (диплом лауреата за пакет программ обработки доплеровского сигнала с высокой разрешающей способностью).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 1 статья в журнале из перечня изданий, рекомендованных ВАК РФ; 10 публикаций в материалах и сборниках трудов конференций международного и российского уровня.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованных источников из 118 наименований, включает 6 приложений. Основная часть изложена на 133 страницах, содержит 69 рисунков, 6 таблиц.
