Введение к работе
Актуальность темы.
В настоящее время задача приема и обработки сигналов от нескольких источников продолжает оставаться актуальной, несмотря на большое количество проведенных исследований и полученные в этом направлении результаты. Решение данной задачи имеет важное значение в таких областях науки и техники, как космические исследования, авиация, медицина и биомедицина, радиосвязь, телевидение, акустика, гидрография, геофизика, радиолокация и радионавигация, радиотелеметрия, строительство, оптика, спектроскопия, радиоастрономия, исследование ионосферы и др. Для всех перечисленных областей необходима разработка современных систем передачи информации. Сегодня к этим системам предъявляются все более жесткие требования в связи с увеличением объема, разнообразия и видов, скорости и дальности передачи информации, усложнения внешних воздействий и помех. Повышение требований к точности и достоверности передачи информации, надежности, безопасности и стоимости аппаратуры, при необходимости уменьшения габаритов и веса, делает необходимым совершенствование существующих и исследование новых принципов построения систем.
Очень часто в информационных системах приходится сталкиваться с извлечением информации из множества однотипных неортогональных друг другу сигналов, присутствующих на входе. В этом случае извлечение информации заключается в решении задачи разрешения. Эта задача может состоять в принятии решения относительно присутствия одного сигнала на фоне всех мешающих («разрешение – обнаружение»), либо в различении одного сигнала на фоне всех остальных («разрешение – различение»), или в измерении вектора параметров всех сигналов, одновременно присутствующих на входе системы («разрешение – измерение»).
В той или иной мере задачи эти достаточно широко ставились и решались различными авторами до настоящего времени. Особо следует отметить работы К. Хелстрома «Статистическая теория обнаружения сигналов» и Я. Д. Ширмана «Разрешение и сжатие сигналов». Однако из-за сложности решения задачи в общем виде существует решение только для частных случаев. Так у Я.Д. Ширмана подробно рассмотрена задача «разрешение – обнаружение». Для задачи «разрешение – измерение» сформулирована только постановка.
В диссертационной работе решается задача оценки времени задержки при приеме нескольких когерентных сигналов в области релеевского и сверхрелеевского разрешения, когда разности задержек сигналов соизмеримы с длительностью их АКФ. На практике часто даже обычное релеевское разрешение наталкивается на большие трудности, если сигнал от одного источника на выходе согласованного фильтра (СФ) попадает в область боковых лепестков сигнала от другого, более мощного источника. Для частотно модулированных (ЧМ) и фазомодулированных (ФМ) сигналов, которые часто используются в различных системах передачи информации, сложной проблемой является уменьшение боковых лепестков на выходе приемного устройства (Оконешников, В. С. «Сжатие частотно-модулированных сигналов с небольшим произведением девиации на длительность импульса»; Родионов, В. В. «Методы формирования и обработки радиолокационных сигналов с малой базой и низким уровнем боковых лепестков функции неопределенности по дальности»; Монаков,А.А. «Метод обработки импульсных ЛЧМ сигналов с малой базой».
Таким образом, на современном этапе развития информационных систем остается актуальной задача повышения их разрешающей способности по времени прихода сигналов.
Цель работы. Повышение разрешающей способности и эффективности измерения времени прихода сигналов в условиях сильных взаимных интерференционных помех.
Основные задачи исследования.
-
Исследование потенциальной разрешающей способности систем извлечения информации по времени прихода сигналов.
-
Разработка методики синтеза сигналов с высокой разрешающей способностью по времени.
-
Синтез и анализ оптимального измерителя времени прихода сигналов, принимаемых на фоне сильных интерференционных помех и внутренних шумов.
-
Синтез линейных фильтров сжатия сигналов для получения сверхрелеевского разрешения по времени.
-
Синтез и анализ линейных фильтров сжатия сложных сигналов, позволяющих получить минимальный уровень боковых лепестков на выходе.
Методы исследования. Для решения поставленных задач были использованы общие методы системного анализа, методы теории автоматического управления, методы математического моделирования, методы цифровой обработки сигналов, методы статистического оценивания, методы спектрального оценивания, вычислительный эксперимент на ЭВМ.
На защиту выносятся
результаты исследований потенциальной разрешающей способности систем извлечения информации по времени прихода сигналов;
синтез сигналов с потенциально высокой разрешающей способностью по времени;
результаты исследований оптимального алгоритма разрешения по времени нескольких когерентных источников сигналов;
синтез и результаты анализа линейных фильтров сжатия сигналов, позволяющих при заданном уровне ОСШ получить сверхрелеевское разрешение по времени;
синтез и результаты анализа линейных фильтров сжатия фазоманипулированных и частотно-модулированных сигналов с минимальным уровнем боковых лепестков выходного сигнала.
Научная новизна
впервые получена нижняя граница Крамера-Рао для дисперсии оценки времени задержки одного из двух источников, сигналы которых принимаются на фоне белого шума;
впервые найдена зависимость предельной разрешающей способности времени задержки сигналов от ОСШ, от значений алгебраических моментов энергетического спектра и формы зондирующего сигнала;
решена задача синтеза системы обработки для разрешения двух когерентных точечных источников. Методами математического моделирования получены зависимости смещения, СКО и полной ошибки оценок времени задержки для различных типов сигналов от разности времен задержек при различных отношениях сигнал/шум.
Практическая ценность
предложен метод синтеза сложных сигналов с полиномиальными законами частотной модуляции, которые позволяют реализовать потенциальные возможности разрешения по времени при заданной ширине спектра и отношении сигнал/шум;
разработан алгоритм синтеза линейных фильтров, который позволяет получить сверхрелеевское разрешение при заданном уровне потерь в отношении сигнал/шум по сравнению с согласованными фильтрами;
предложены способы синтеза пары «сложный сигнал - линейный фильтр сжатия», которые позволяют получить минимальный уровень боковых лепестков сжатого сигнала при малых потерях в отношении сигнал/шум по сравнению с согласованными фильтрами.
Реализация результатов работы. Результаты работы использованы в ОАО «ВНИИРА» при проведении ОКР «Премьер-ВРЛ» для создания изделия «Б5», а также в учебном процессе при подготовке лекций по теме «Автоматизированные системы контроля радиолокационных средств» для слушателей курсов Института эксплуатационных технологий Гражданской авиации. Подтверждаются актами о внедрении.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на XIII международной научно-техническая конференция «Радиолокация, навигация и связь», Воронеж, 2007г.; XIV международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь», Воронеж, 2008г.; Международной научно-технической конференции «Четвертые Уткинские чтения», СПб, Военмех, 2009г.; Научной сессии ГУАП, 2010г., а также на научных семинарах на кафедре «Радиотехнических систем» в период с 2005 г. по 2010 г.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 6 работах, 2 из которых – статьи в изданиях, рекомендованных Перечнем ВАК России, 4 – публикации в материалах Российских и международных форумов и конференций.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 187 страницах машинописного текста и состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованных источников (102 наименования). Работа включает 112 рисунков и 9 таблиц.
Личный вклад автора. Основные результаты, выносимые на защиту, получены автором лично. Во всех работах, которые выполнены в соавторстве, соискатель непосредственно участвовал в постановке задач, обсуждении методов их решения, разработке программ расчетов, получении и анализе результатов.
