Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМИ. Проблема повыаения помехоустойчивости инфориацинно-измерительных систеи и систем передачи информации является одной из центральных для теории и практики.
В настоящее время развитие теории и техники обработки сигналов в различных применениях достигли такого уровня совер-венства.что возмовна реализация систем фильтрации случайных сигналов, маскируемых разного рода помехами, в одномерном и многомерном представлениях.При этом в ряде случаев извлечение информации из сигналов ..принятых от одного или нескольких источников пространственно-разнесенными элементами имеет принципиальное значение для реаения обратных задач восстановления параметров источников поля и задач помехоустойчивого приема сигналов.Это относится к таким направлениям техники обработки сигналов как радио-гидролокация.радиосвязь, радиоастрономия, сейсморазведка в геофизике,электрофизиология и др.
Обычный способ выделения сигнала из смеси с поаехами состоит в тои;чтобы пропустить эту смесь через фильтр, который обеспечивает подавление помехи,оставляя относительно неизменным сигнал.Синтез таких фильтров составляет область оптимальной фильтрации и требует значительной априорной информации о характеристиках сигнала и помех.
В том случае,когда спектральные,временные или другие характеристики сигнала и помех неизвестны и могут быт> идентичны, а интенсивность помех ыояет превосходить сигнал,задача фильтрации параметров сигнала суцественно условняется и применение методов Колаогорова-Винера.Калиана-БьЕси й других классичес-
- 4 -ких методов становится невозможным.Только учет пространственных,а иногда и поляризационных характеристик сигнала и помех м'ояет оказаться реиащии.При этом эффективными методами борьбы с помехами признаны методы компенсации помех за счет дополнительных пространственных отведений,среди которых наиболее перспективны адаптивные методы.Им уделяют внимание по ряду причин: из-за высокой эффективности подавления помех при спектральном перекрытии сигналов и помех с преобладанием последних; простоты реализации; возможности изменения конфигурации пространственных каналов ( сигнального и помехового); наличие многих разработанных адаптивных алгоритмов;возыо8-ности реализации адаптивного " самообучения";требуется минимальная априорная определенность относительно других адаптивных методов.
Однако сумествуит проблемы в выборе пространственной структуры приемников и адаптивных алгоритмов обработки сигналов. Пространственные фильтры чаще всего пр'едставляют собой эквидистантные реиетки антенн,приемников или датчиков и не учиты-вавт достаточно полно корреляционные свойства поля сигналов и помех. При этом сигнальный и помеховнй входы компенсатора не всегдв оптимально размерены в.поле.Поэтову актуальным является определение алгоритма поиска оптимальных пространственных координат приемников в реветках или при их произвольном располояении.
В известных адаптивных алгоритмах временной и спектральной обработки сигналов учитывается фильтруемый, сигнал в виде опорного, который заранее определен и мовет играть ваянув роль в каналах обработки.Однако в ряде случаев бпределить даае приб-дмяенно вид и характеристик» опорного сигнала не представлй-ется возмовнмм. Таким образом , актуальной остается проблема
. - 5 -
фориироваийя опорного сигнала в каналах адаптивной обработки
смеси сигналов "и помех. Крове того,актуальна проблема оценки
Слояности алгоритмов и систем адаптивной пространственно-вре
менной фильтрации.В настоящее время решение , этой -.проблемы
сводится в основном к оценке вычислительной сложности и не
учитываатся особенности кноговходов'ых пространственных струк
тур .способы реализации' вычислительных процессов и их взаимо
связь с точностью восстановления информационных параметров
сигналов.Кроме указанных обн.их проблем пространсгвенно-времен-
ной фильтрации случайных сигнальных полей существупт ряд час
тных: обучение адаптивного компенсатора,помеу без "учителя"
в случае неоднородного анизотропного поля сигналов и помех ;
получение максимальной скорости адаптации при минимальном
шуме адаптации;обеспечение заданной точности компенсации по
мех -и другие проблемы. . -.
Для ревения'указанных актуальных проблем необходимо разработать и исследовать адаптивные алгоритмы'компенсации помех для систем пространственно-временной обработки сигналов, дать оценку их слоаности и реализуемости.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Цельи работы является разработка и исследование эффективных алгоритмов фильтрации случайных сигнальных полей по принципу адаптивной компенсации помех при учете пространственннх статистических характеристик сигналов и.помех, исследование слоаности и способов нх реализации.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.Примененные в данной работе методы исследования основаны на теории дифференциальных уравнений, линейной алгебри,вариационного исчисления,теории графов,теории . вероятности и''- математической статистики, теории алгоритмов цифровой, обработки сигналов.Для реализации разработанных алгоритмов использовалось моделирование на ЭВН.
- в -
НАУЧНАЯ НОВИЗНА. В диссертационной работе получены следув-щие новые научные результаты:
i.Ha основе оценки радиуса пространственно-временной корреляции разработаны новые алгоритмы пространственной фильтрации. В этих алгоритмах учтены случайный характер поля сигнала и помех и возмовности его рекурсивной и нерекурсивной пространственной обработки.
2.Разработан и исследован адаптивный алгоритм многоканальной фильтрации сигнала по методу компенсации помех в каждом канале обработки при одновременном синтезе опорного сигнала. Теоретически и экспериментально доказана его сходимость и устойчивость.
3.Получены результаты.обосновывайте необходимые и достаточные условия сходимости и устойчивости адаптивного алгоритма при минимизации уровни зума градиента на выходе системы фильтрации.
4.Получены результаты.показываючие необходимость согласования алгоритмов пространственной обработки сигналов с адаптивными алгоритмами временной (частотнцй) фильтрации для конечного времени сходимости и ограниченного числа выборок усреднения при заданной точно фильтрации информационных параметров сигнала.
5.В качестве критерия сложности алгоритмов и систем пространственно-временной фильтрации сигналов предложено использовать оценку точности фильтрации сигнала в ее взаимосвязи с функцией сложности,полученной на основе разработанной методики графоаналитического представления алгоритма или системы фильтра ции.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Проведенные теоретические и зкспери нентальные-'исследсвания позволяет создать базу для проектиро-
- 7 -ванна устройств и программ адаптивной пространственно-временной обработки сигналов в условиях аддитивно-мультипликативных понех .перекрывающих их по спектру частот,в пространстве и по интенсивности.Результати исследований прныенииы для разработки систем передачи информации с пространственно-вреиешшип каналами,систем измерения сейсмической активности отдельных зон земли у крупных инженерных сооруаений.для измерения пара-ветров пространственно-распределенных источников биоэлектрических потенциалов в электрофизиологии и других применений.
Особув ценность,рассмотренные в диссертации вопросы,приобретают вследствие все более аирокого использования сигнальных систолических микропроцессоров с высоким быстродействием и применением быстрых вычислительных алгоритмов (конвейерных, параллельных . встречно-волновых и других).Кроме того .разработанные в диссертации програшжне модели алгоритмов фильтрации применимы для обработки сигналов , записанных предварительно .вычислительными мавинами любого быстродействия.
Предложен и применен критерий оценки точности фильтрации :игнала в зависимости от функции сложности, являвшейся наибо-іее обцим показателем алгоритма и систеаы обработки сигнала, [ритерий точности позволяет форыировать простуй и наглядную іценку сложности фильтрации,проияводить оптимизации алгорит-!а и его сравнение с другими.
РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ .Результаты работы реализованы в виде рограйяных моделей пространственно-вреаенной обработки сиг-алов с ограниченным спектров, а такає п системах телеметрии, азработанных по темам "КйРННА"."КПРИНА-М"."РЙДНАН".
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ.Основные полозенкя диссертационной работи окладывались и обсуждались на аездународных конференциях: 4нфоркатика и проблемы телекоммуникаций"(Новосибирск і995),
- 8 - '
"Идентификация,измерение характеристик и имитация . случайных
сигналов'ЧНовосибирск 1994).на Российской научно-технической
конференции "Информатика и проблемы -телекоммуникаций'^ Новоси- ,
бирск-1994,),на Всероссийской научно-технической конферен-^
ции (Новосибирск 1993) и конференциях профессорско-препода
вательского состава НЗИС (1986-1993). .
ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано 17 работ.
СТРУКТУРИ И ОБЬЕМ ДИССЕРТАЦИЙ.Диссертационная работа состо-
ит из введения, четырех глав ',заключения.Работа содержит 191
страницу, в той числе 126 страниц текста, 41 страницу рисун
ков и,таблиц,библиографию из .136 наименований на 12 страниц.
ОСНОВНЫЕ НОШЕНИЯ'ВЫНОСИМЫЕ НА ЗОДИТН. 1..Обоснование методов адаптивной пространственно - временной
фильтрации стохастических полей на основе адаптивной компен- ' сации помех.
2.Методы определения оптимальных пространственных координат размещения датчиков-приемников в поле случайных сигналов. 3.Адаптивный алгоритм компенсации помех в многоканальной системе фильтрации.Теретическое исследование. 4.Критерий слокности алгоритмов и.систем адаптивной пространственно-временной обработки сигналов и его приложение.Оптими-, зация слокности адаптивного алгоритма по точности фильтрации сигнала.
5.Экспериментальное исследование моделей одноканального к -многоканального компенсаторов помех.
