Содержание к диссертации
ОГЛАВЛЕНИЕ 2
ВВЕДЕНИЕ 4
1 Обзор литературы 10
1.1 Проблема селекции движущихся целей на фоне пассивных помех. 10
1.2 Методы и устройства СДЦ 11
1.3 Оптимизация устройств подавления пассивных помех 15
1.4 Адаптивные устройства подавления пассивных помех 18
1.5 Проблема реализации алгоритмов цифровой обработки сигналов 28
1.5.1 Алгоритмы ЦОС на основе специализированных БИС 30
1.5.2 Алгоритмы ЦОС на основе цифровых сигнальных процессоров общего назначения 31
1.5.3 Алгоритмы ЦОС на базе ПЛИС 33
1.6 Выводы 34
2 Синтез и анализ режекторных фильтров параллельной структуры 35
2.1 Вводные замечания 35
2.2 Статистическое описание сигналов и пассивных помех 37
2.2.1 Оптимальное обнаружение сигналов на фоне коррелированных помех 40
2.2.2 Квазиоптимальное обнаружение сигналов на фоне коррелированных помех 45
2.3 Параллельный алгоритм подавления пассивных помех 51
2.4 Анализ эффективности подавления пассивных помех 70
2.4.1 Анализ точности вычисления вектора коэффициентов режекторного фильтра 73
2.4.2 Влияние некоррелированной составляющей на эффективность режекции помех 76
2.4.3 Влияние формы СПМ помех на эффективность их подавления 83
2.4.4 Влияние некомпенсированной скорости помехи на эффективность подавления 87
2.5 Структурная схема синтезированного ПРФ 90
2.6 Выводы 93
3 Анализ адаптивного параллельного режекторного фильтра методом имитационного моделирования 94
3.1 Вводные замечания 94
3.2 Имитационные модели отражённых сигналов, пассивной помехи и белого шума 96
3.3 Анализ эффективности режекторного фильтра при ограниченном объеме обучающей выборки 98
3.3.1 Оценка коэффициентов адаптации и определение доверительного интервала 100
3.3.2 Влияние не стационарности пассивных помех на эффективность их подавления 103
3.3.3 Анализ эффективности неадаптивного варианта ПРФ в сравнении с адаптивным по критерию минимакса 106
3.4 Исследование характеристик обнаружения системы первичной обработки сигналов на основе фильтров параллельной структуры 108
3.5 Реализация алгоритма подавления пассивных помех на основе программируемых интегральных логических схемах 111
3.6 Выводы 117
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 119
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ 121
ПРИЛОЖЕНИЕ I Список аббревиатур и условных обозначений 134
ПРИЛОЖЕНИЕ II Копии актов о внедрении результатов работы 137
Введение к работе
Проблема селекции движущихся целей (СДЦ) с малой эффективной поверхностью рассеивания на фоне пассивных помех, до сих пор полностью не решена. Для подавления пассивных помех в ряде радиолокационных станций управления воздушным движением (РЛС УВД) используются режекторные фильтры высокого порядка, в т.ч. фильтры череспериодной компенсации (ЧПК). Пассивные помехи представляют собой отражения от подстилающей поверхности, гидрометеоров (облака, дождь, туман и т.д.) и сосредоточенных местных предметов, как правило, искусственного происхождения (инженерные сооружения, трубы заводов и т.д.). Пассивные помехи в общем случае нестационарны во времени и неоднородны в пространстве, их мощность может намного превышать мощность полезного сигнала. При этом спектрально-корреляционные свойства параметров полезных сигналов и пассивных помех неизвестны, что затрудняет реализацию оптимальных систем обнаружения. Для преодоления априорной неопределенности целесообразно использовать системы обнаружения, адаптирующиеся к неизвестным параметрам.
Решение данной задачи усложняется наличием эффекта слепых скоростей, который проявляется в невозможности обнаружения отраженного сигнала с доплеровской частотой, равной или кратной частоте повторения излученного импульсного сигнала, так как при этом спектр отраженного сигнала попадает в зону режекции. Кроме того, необходимо учитывать большое количество параметров, влияющих на структуру и рабочие характеристики систем обнаружения радиосигналов, ряд противоречивых требований, предъявляемых к современным радиолокационным системам, значительное число одновременно решаемых задач в различных режимах работы РЛС и т.п.
Решение комплекса возникающих проблем СДЦ основано на статистических методах теории обнаружения сигналов на фоне помех, методах адаптивной пространственно-временной фильтрации, цифровой обработки сигналов. Эти направления широко представлены в работах отечественных и зарубежных ученых Д. Миддлтона, Т. Мураками, Р. Джонсона, Д. Бартона, Л.А. Вайнштейна, В.Д. Зубакова, Ю.Б. Кобзарева, Г.П. Тартаковского, А.А. Курикши, П.А. Бакулева, Я.Д. Ширмана, Ю.Г. Сосулина, В.А. Лихарева, В.М. Стёпина, В.Н. Манжоса, М.В. Максимова, В.В. Григорина-Рябова, В.В. Васина, А.П. Лукошкина и др. Широко известны работы по режекции помех научных коллективов кафедры радиолокации МАИ (технический университет) и кафедры радиотехнических систем РГРТУ.
Актуальной задачей при разработке устройств СДЦ является создание новых высокоскоростных адаптивных алгоритмов подавления узкополосных помех на основе систолических структур. Рост интенсивности воздушного движения, а также требований к обеспечению безопасности полётов обуславливает необходимость создания алгоритмов, обеспечивающих высокую скорость обработки при максимальной эффективности обнаружения в условиях априорной неопределённости. Адаптивная обработка сигнала при малом объёме обучающей выборки имеет ряд специфических особенностей. Очевидно, что использование высокоскоростных компьютеров универсальной структуры в радиолокационных станциях не оправдано. Более эффективно применение специализированных вычислительных устройств, реализованных аппаратно на базе систолических структур, позволяющих гибко изменять параметры адаптивных систем СДЦ в условиях априорной неопределенности.
Перечисленные обстоятельства стимулировали проведение исследований, положенных в основу настоящей диссертационной работы.
Недаром на сайте «Радиотехнические системы» (www.rtsystem.narod.ru) написано: «Отец советской и русской СДЦ Пётр Александрович Бакулев ещё в прошлом веке сказал: "Проблема СДЦ также неисчерпаема, как и атом!"
Цель работы
Основной целью работы является разработка адаптивных режекторных фильтров различного порядка на основе параллельных систолических структур, обеспечивающих эффективное подавление коррелированной помехи в условиях априорной неопределённости при малом объеме обучающей выборки.
Для достижения цели работы необходимо решить следующие задачи:
1. синтезировать адаптивные режекторные фильтры параллельной систолической структуры;
2. проанализировать предельную эффективность синтезированных фильтров и определить области их целесообразного применения;
3. исследовать влияние нестационарности и некомпенсированной доплеровской скорости помехи на эффективность их подавления;
4. проанализировать характеристики обнаружения сигнала на фоне пассивных помех при применении синтезированных параллельных режекторных фильтров подавления узкополосных помех;
5. провести сравнительный анализ эффективности неадаптивного и, адаптивного вариантов режекторных фильтров параллельной структуры;
6. синтезировать рекуррентный алгоритм вычисления опорных весовых коэффициентов ПРФ, не требующий оценок параметров помех;
7. выполнить имитационное моделирование работы адаптивных режекторных фильтров для анализа их эффективности в условиях ограниченного числа колец дальности, и, как следствие, малом объёме обучающей выборке;
8. рассмотреть пути реализации синтезированных адаптивных фильтров подавления коррелированных помех на основе программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС).
Методы анализа
В работе использовались методы статистической радиотехники, математической статистики, матричного исчисления, численные методы вычислительной математики, параметрического моделирования случайных процессов. Данные теоретические методы сочетались с экспериментальными исследованиями на основе имитационного моделирования. Основные положения, выносимые на защиту
1. Алгоритм адаптации параллельного режекторного фильтра обеспечивает выигрыш в коэффициенте улучшения отношения сиг-нал/(помеха+шум) по отношению к двухканальным режекторным фильтрам (ДРФ) от 0,5 до 5 дБ, а по отношению к оптимальному ре-жекторному фильтру (ОРФ) - практически равную эффективность.
2. Алгоритм адаптации весовых коэффициентов к ширине спектра флюктуации помех позволяет приблизиться к эффективности системы оптимальной обработки при объеме обучающей выборки (количество колец дальности) М 4.
3. Алгоритм адаптации параллельного режекторного фильтра, позволяет достичь на 4 дБ более высокого коэффициента подавления помех по сравнению с неадаптивным вариантом его построения при синтезе последнего по критерию минимакса в диапазоне изменения ширины спектра флуктуации AFnT (0,05 ч- 0,2).
Научное и практическое значение
В рамках данной диссертационной работы получены следующие новые научные результаты:
• синтезированы новые структуры адаптивного режекторного фильтра параллельной систолической структуры;
• разработан рекуррентный алгоритм вычисления опорных весовых коэффициентов для различных порядков фильтра;
• проведён анализ системы селекции движущихся целей с адаптивным режекторным фильтром при нестационарной корреляции и некомпенсированной доплеровской скорости пассивной помехи, а также при малом объёме обучающей выборки;
• проведён сравнительный анализ эффективности неадаптивного варианта параллельного режекторного фильтра (ПРФ) в сравнении с адаптивным, при этом показана целесообразность применения адаптации. Предложенный в работе алгоритм позволяет значительно более экономичным способом осуществлять адаптацию фильтров подавления пассивных помех без предварительной оценки корреляционной матрицы и процедуры ее обращения (или определения собственного вектора). При этом требуется незначительная длина обучающей выборки и приемлемое число вычислительных операций при цифровой реализации устройства.
Реализация результатов исследований позволяет повысить эффективность обнаружения, что обеспечит улучшение показателей качества РЛС в условиях пассивных помех.
Внедрение научных результатов
Результаты диссертационной работы внедрены в НИИ «Рассвет», г. Рязань, а также в учебный процесс Рязанского государственного радиотехнического университета при преподавании дисциплин «Теоретические основы радиоэлектронной борьбы» и «Средства радиоэлектронной защиты РЭС», «Радиолокационные системы», в т.ч. в форме программно-методического . обеспечения к лабораторным работам, что подтверждено соответствующими актами.
Апробация работы
Результаты работы докладывались на следующих конференциях:
1. XII ВНТК "Методы и средства измерений физических величин". Нижний Новгород, 2005.
2. Вторая международная научно-практическая конференция "Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности". Санкт-Петербург, 2006.
3. 39-я научно-техническая конференция "Радиотехнические системы и устройства". Рязань, 2006.
4. Международная научно-техническая конференция "Информационные системы и технологии — ИСТ-2007", посвященная 90-летию Нижегородского государственного технического университета. Нижний Новгород, 2007. 5. Международная научно-техническая конференция "Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций". Рязань, 2008.
6. 40-я научно-техническая конференция "Радиотехнические системы и устройства". Рязань, 2008.
7. 10-я международная конференция и выставка "Цифровая обработка сигналов и ее применение". Москва, 2008.
8. VII Международная научно-техническая конференция "Физика и технические приложения волновых процессов", Самара, 2008.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 9 работ. Из них 1 статья в журнале входящего в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий рекомендованный ВАК, 2 статьи в межвузовских сборниках научных трудов, 6 тезисов докладов на конференциях, получен патент на изобретение "Адаптивный режекторный фильтр параллельной структуры".
Структура и объём диссертации
Диссертация состоит из введения, трех разделов, заключения и приложений. Общий объём диссертации 139 страницы, включая библиографический список из 138 источников.
Благодарности
Автор выражает искреннюю признательность заслуженному деятелю науки и техники, основателю отечественной научной школы СДЦ Бакулеву П.А. за ценные идеи, положенные в основу исследований, и научному руководителю д. т. н., проф. Кошелеву В.И. за неоценимую помощь и огромную моральную поддержку, оказанную в процессе работы над диссертацией. Автор также благодарит своих коллег, аспирантов и научных сотрудников кафедры радиотехнических систем РГРТУ за высказанные замечания, содействие и помощь в процессе работы и оформлении диссертации. Выражаю особую благодарность своим родным и близким за предоставленную возможность заниматься научной деятельностью.
