автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Разработка методик и алгоритмов повышения быстродействия определения угловых координат априорно неопределенных источников радиоизлучения

На правах рукописи

Сидоренко Клим Андреевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДИК И АЛГОРИТМОВ ПОВЫШЕНИЯ БЫСТРОДЕЙСТВИЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛОВЫХ КООРДИНАТ АПРИОРНО НЕОПРЕДЕЛЕННЫХ ИСТОЧНИКОВ РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ

05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

005543623

Омск-2013

005543623

Диссертационная работа выполнена в открытом акционерном обществе «Омский научно-исследовательский институт приборостроения» и федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского» на кафедре «Экспериментальная физика и радиофизика».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Майстренко Василий Андреевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Тисленко Владимир Ильич профессор кафедры «Радиотехнические системы», федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники»

кандидат технических наук Короткое Павел Иванович

ректор, негосударственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Институт радиоэлектроники, сервиса и диагностики»

Ведущая организация: федеральное государственное автономное

образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Сибирский федеральный университет»

Защита состоится 26 декабря 2013 г. в 1200 часов на заседании диссертационного совета Д212.178.01 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет» по адресу: 644050, г. Омск, Мира проспект, 11, ауд. 8-421.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «ОмГТУ».

Автореферат разослан «_»_2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.178.01 д.т.н., доцент

В.Л. Хазан

1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

В последнее время все возрастающая загруженность радиодиапазонов приводит к интенсивному развитию систем радиомониторинга, призванных осуществлять контроль эфира в заданном диапазоне частот, обнаружение новых источников радиоизлучения (ИРИ), определение их местоположения, оценку их ценности или опасности. Определение местоположения ИРИ задача многоэтапная, решающаяся в сложной интерференционной обстановке, один из важнейших этапов которой заключается в пеленговании источников радиоизлучения по азимуту и углу места в условиях априорной неопределенности относительно вида модуляции сигнала и помеховой обстановки.

Современный этап развития техники радиомониторинга характеризуется применением пеленгационных алгоритмов, обладающих повышенной разрешающей способностью за счет либо использования многомерной оптимизации, либо идеи разделения входного пространства данных на сигнальное и шумовое подпространства. Однако следует учитывать, что вычислительная сложность данных алгоритмов нелинейно (квадратно или кубически) зависит от количества антенных элементов, что делает оправданным их применение в основном при постобработке данных и накладывает существенные ограничения на использование в реальном масштабе времени, когда сбор данных и их обработка осуществляется в одном приложении. В последнее время наиболее актуальное решение данной проблемы -использование методов, повышающих быстродействие вычислительных этапов пеленгационных алгоритмов, особенно при большом количестве антенных элементов.

Вопросам применения методов, повышающих скорость пеленгации, посвящены работы современных отечественных и зарубежных ученых, таких как: M.Haardt, T.Kailath, P. Stoica, R.Mitchley, H.L. Van Trees, Jian Li, А.Б. Гершман, В. Слюсар, Ю.Б. Нечаев, A.C. Макаров, М.Е. Шевченко, А.О. Чемаров.

Применение алгоритмов скоростной пеленгации позволяет своевременно отслеживать любые изменения в сигнально-помеховой обстановке, что делает их привлекательными для использования в многоэлементных антенных системах, входящих в состав комплексов радиомониторинга. Однако, большинство современных методов, решающих задачу повышения скорости пеленгации, обладают различными недостатками: не обеспечивают возможность работы в случае многолучевости, вносят погрешность в определение угловых координат, сокращают количество одновременно определяемых источников радиоизлучения. Данные недостатки ограничивают практическую реализацию пеленгационных алгоритмов в реальных системах.

Отмеченное выше делает вполне очевидной актуальность проведения анализа существующих и создания новых методик повышения быстродействия пеленгационных алгоритмов, а так же выбор таких из них, которые пригодны к реализации в современных пеленгационных системах и обеспечивающие многосигнальную пеленгацию с высокой точностью в режиме реального времени без априорной информации о сигнально-помеховой обстановке.

Таким образом, научная задача разработки методик повышения быстродействия современных пеленгационных систем в настоящее время не решена в достаточной мере и является актуальной.

Цель работы: повышение быстродействия определения угловых координат в многоканальных пеленгационных системах в условиях априорной неопределенности относительно вида сигнала и помеховой обстановки.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи: проведен сравнительный анализ методик, повышающих быстродействие современных алгоритмов пеленгации;

разработаны методики предварительной обработки входных данных, направленных на декорреляцию сигналов и повышение быстродействия; разработаны скоростные алгоритмы пеленгации, эффективно функционирующие при наличии когерентных сигналов;

создано специализированное программное обеспечение, позволяющее моделировать и проводить исследования процессов, протекающих в многоканальных пеленгационных системах при определении угловых координат;

подтверждена адекватность исследования путем анализа быстродействия и точности разработанных алгоритмов определения угловых координат. Методы исследования: в диссертационной работе для решения поставленных задач применены методы цифровой обработки сигналов, теории вероятностей, статистической радиотехники и линейной алгебры. При проведении экспериментальных исследований использовались записи реальных сигналов и применялось программное обеспечение, разработанное и отлаженное в среде Qt Creator 2.7.0. (язык С++ при использовании библиотек Qt 4.8.4.)

Достоверность и обоснованность результатов диссертационной работы подтверждается строгостью используемых математических методов и совпадением теоретических результатов с результатами численного моделирования и обработки реальных данных, полученных с антенной системы. Научная новизна работы.

1. Модифицирован метод усреднения «вперед-назад», который позволяет за счет осуществления перехода от комплексных вычислений к действительным, существенно снизить время работы пеленгационных алгоритмов (на 70-99%); модификация метода отличается возможностью совместного использования с алгоритмами скоростного определения собственных векторов;

2. Разработана методика предобработки входных данных, повышающая быстродействие и разрешающую способность пеленгационных алгоритмов путем формирования набора ортогональных диаграмм направленности с адаптивно подстраиваемыми нулями, призванными компенсировать помехи, находящиеся вне сектора обзора.

3. Разработана методика формирования скоростных пеленгационных алгоритмов, использующих априорно определенный сектор сканирования и способных разрешать когерентные сигналы (снижение времени расчета на 88-99.9%).

4. Проведена оценка совместного использования разработанных и существующих скоростных алгоритмов пеленгации, показывающая возможность обработки пеленгационной информации в режиме реального времени.

Практическая значимость работы. В диссертационной работе достигнуто повышение быстродействия пеленгационных систем за счет разработанных методик и алгоритмов. Предложенные методики позволяют помимо увеличения быстродействия обеспечить возможность работы в сложной интерференционной обстановке и повышение разрешающей способности.

Разработано специализированное программное обеспечение, позволяющее проводить моделирование процесса пеленгования при проектировании пеленгационной системы с целью выбора оптимальных параметров антенной решетки и алгоритма определения угловых координат. Так же данный программный продукт обеспечивает обработку реальных данных с возможностью их детального анализа.

Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы внедрены на ОАО «ОНИИП» в проводимой НИР, а так же используются в учебном процессе Омского государственного университета им. Ф.М.Достоевского на кафедре экспериментальной физики и радиофизики.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту: -модифицированный метод усреднения «вперед-назад», который позволяет за счет осуществления перехода от комплексных вычислений к действительным, существенно повысить быстродействие пеленгационных алгоритмов; модификация метода отличается возможностью совместного использования с алгоритмами скоростного определения собственных векторов;

-методика предобработки входных данных, повышающая быстродействие и разрешающую способность пеленгационных алгоритмов путем формирования набора ортогональных диаграмм направленности с адаптивно подстраиваемыми нулями, призванными компенсировать помехи, находящиеся вне сектора обзора;

-методика формирования скоростных пеленгационных алгоритмов, использующих априорно определенный сектор сканирования и способных разрешать когерентные сигналы, и алгоритмы, разработанные с ее помощью;

-оценка совместного использования разработанных и существующих алгоритмов, показывающая возможность обработки пеленгационной информации в режиме реального времени.

Структура и объем работы. Результаты исследований в соответствии с выбранным направлением изложены во введении, в четырех главах работы и заключении. Общий объем диссертации 112 страниц, включая 38 иллюстраций, 16 таблиц, список литературы из 130 наименований.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались

на 10 научно-технических конференциях:

- международная научно-техническая конференция «Радиолокация, навигация, связь» (RLNC-2011, RLNC-2012, RLNC-2013) 2011, 2012, 2013, г. Воронеж;

- международная научно-техническая конференция «Цифровая обработка сигналов и ее применение» (DSPA-2012, DSPA-2013) 2012, 2013, г. Москва;

- международная научно-техническая конференция «Радиотехника, электроника и связь» (РЭиС-2011), 2011. г. Омск;

- 67-ая всероссийская конференция с международным участием «Научная сессия, посвященная Дню радио», 2012, г. Москва;

- VI-ая всероссийская конференция «Радиолокация и радиосвязь», 2012, г. Москва;

- международная IEEE-Сибирская конференция по управлению и связи (SIBCON-2013), 2013, г. Красноярск.

Публикации. Основные научные и практические результаты опубликованы в 17 научных работах, в том числе 5 - в журналах из перечня ВАК, 1 - в иностранном журнале: «World applied science journal», «Успехи современной радиоэлектроники» (издательство «Радиотехника»), «Омский научный вестник»; «Вестник омского университета».

2 КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении определено направление исследований, обоснована актуальность темы, показано современное состояние вопроса, проанализированы основные результаты, достигнутые в области разработок методов увеличения быстродействия пеленгационных алгоритмов. Сформулирована цель и основные задачи диссертационной работы, дан краткий обзор содержания диссертации, приведены положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлена модель многоэлементной антенной решетки и наблюдаемых данных, сформулирована решаемая задача.

Рассмотрена антенная решетка, состоящая из N ненаправленных антенных элементов (АЭ), на которую приходят узкополосные сигналы от М источников радиоизлучения. Показано, что после аналого-цифрового преобразования сигнал Х„, принимаемый п-м элементом антенной решетки, может быть представлен в виде:

м

m=1

где n = l,N - номер антенного элемента, т = 1,М - номер источника радиоизлучения, ~ фазовый набег т-го сигнала на п-й антенный

элемент относительно опорного АЭ, j — мнимая единица, а„, /?„ — направление прихода т-го сигнала (азимутальный угол и угол места соответственно), п„(к) -

гауссов шум, sm(k) = AmeJ^e0mkT'l+^m^ - комплексный сигнал m-го ИРИ, ^ -амплитуда т-го сигнала, 0)т - частота т-го сигнала, (рт{к) - начальная фаза т-го

сигнала, к = 1, К - номер цифрового отсчета, Гд - период дискретизации.

Рассмотрены существующие алгоритмы многосигнальной пеленгации, среди которых для целей скоростного определения угловых координат можно выделить непараметрические, собствен! юструктурные, т.е. использующие при расчете собственные вектора корреляционной матрицы данных, и собственноструктурные алгоритмы параллельного обзора (ESPRIT(USA), Root-MUSIC(USA)), не использующие построение сканирующей сетки.

Проанализированы наиболее затратные, с точки зрения быстродействия, этапы пеленгационных алгоритмов. Показано, что расчет пеленгационного рельефа при большом секторе сканирования, занимает наибольшее время по сравнению с остальными этапами. На основе проведенного в главе анализа можно сделать вывод о том, что алгоритмы параллельного обзора, в силу отсутствия необходимости в сканировании по пространству, обладают лучшими показателями быстродействия. Следует отметить, что в литературе предложен способ сокращения времени расчета пеленгационного рельефа путем предварительной оценки положения ИРИ при помощи алгоритмов параллельного обзора.

х 10

В главе проведен обзор публикаций по известным методам повышения быстродействия, по итогам которого можно выделить ряд направлений по данной тематике: работа с входными данными [2,5], повышение быстродействия алгоритма в целом путем перехода от комплексных вычислений к вещественным [6] и сокращение времени выполнения наиболее ресурсоемких этапов расчета[3,6].

Вторая глава посвящена статистическому анализу алгоритмов скоростного определения собственных векторов при использовании в собственноструктурных пеленгационных алгоритмах.

Проведен обзор алгоритмов средней вычислительной сложности 0(NM) и низкой вычислительной сложности O(NM), где М - количество извлекаемых собственных векторов. Выявлены оптимальные по критерию тонность/быстродействие алгоритмы для более детального анализа: АРЕХ(1990), PASTd(1995), NIC(1998), FAPI(2005), PROTEUS2(1998), OPERA(1998).

Рассмотрена методика перехода к вещественным данным, реализуемая в PROTEUS2. 'На основе данной методики предложена возможность модификации алгоритма OPERA, повышая тем самым его быстродействие в случае большого количества антенных элементов. Из данных

представленных на рисунке 1 видно, что уже при 48 АЭ прирост быстродействия у алгоритма OPERA, работающего с

вещественными числами (OPERARD, OPERA with real data), составляет 27%.

В главе показана возможность модификации алгоритмов NIC и FAPI с целью получения

независимых собственных векторов и значений. Итоговые алгоритмы по аналогии с PASTd обозначены как NICd и FAPId.

Эффективность исследуемых математического моделирования. Для

24 28 32 36 40 44 Кйпичкство антенных элементов Рис. 1 Зависимость времени выполнения одной итерации алгоритмов OPERA и OPERA-RD от количества антенных элементов.

алгоритмов оценивалась методами этого использовалась линейная антенная решетка (ЛАР), состоящая из 16 антенных элементов, с расстоянием между ними 0,5)., где X - длина волны принимаемого сигнала. В качестве критериев эффективности алгоритмов были выбраны следующие параметры:

1. Ошибка определения подпространства еггез(£:) = ||и(Л)и" (&)- У(к)Ун >

где и(^)=[и,...им] и У(а) = [у,...ум] - матрицы размерностью Л^хА/, состоящие из наборов оцененных и истинных собственных векторов соответственно, N — размерность входных данных, " - знак эрмитова сопряжения.

2. Ошибка ортонормализации

Drt(fc)=uw(/fc)u(*)-l J /у[м, где

■ норма Фробениуса, 1м - единичная матрица размерности М.

Согласно проведенным расчетам зависимости ошибки определения подпространства от количества цифровых отсчетов и отношения сигнал/шум (ОСШ) следует отметить, что наилучшие результаты демонстрирует алгоритм OPERA, (errss = -114дБ, при ¿=1000), в то время как точность определения подпространства алгоритмом APEX (errss = -48дБ, при ¿=1000) является худшей по сравнению с остальными алгоритмами. Так же следует обратить внимание на резкое ухудшение работы PROTEUS2 при понижении ОСШ. Алгоритмы PASTd, NICd и FAPId обладают схожими характеристиками (ошибка в районе -27...-32 дБ, при ¿=5000, для случая двух ИРИ).

Ошибку ортонормальности получаемых собственных векторов оценивали для случаев наличия одного, двух и трех ИРИ при времени накопления К=10000 отсчетов. Никаких дополнительных механизмов реортонормализации не применялось. Полученные результаты приведены в таблице 1.

Таблица 1 _Средняя ошибка ортонормальности алгоритмов

Алгоритм ОСШ=15 дБ ОСШ=-5 дБ

1 ИРИ 2 ИРИ 3 ИРИ 1 ИРИ 2 ИРИ 3 ИРИ

APEX -117 дБ -5 дБ -5 дБ -73 дБ -12 дБ -3 дБ

PASTd -117 дБ -27 дБ -26 дБ -73 дБ -28 дБ -24 дБ

NICd -117 дБ -29 дБ -24 дБ -73 дБ -30 дБ -23 дБ

FAPId -320 дБ -27 дБ -25 дБ -320 дБ -28 дБ -22 дБ

PROTEUS2 -320 ДБ -331 дБ -228 дБ -320 ДБ -334 дБ -329 дБ

OPERA -320 ДБ -323 дБ -318 дБ -320 ДБ -318 дБ -318 дБ

Исходя из таблицы 1, можно сделать вывод о том, что набольшая ошибка ортонормализации возникает у алгоритма APEX при увеличении числа одновременно отслеживаемых собственных векторов. Далее алгоритмы PASTd, NICd и FAPId демонстрируют схожие результаты в районе -30 дБ. Наилучшие результаты показали PROTEUS2 и OPERA, в районе -300 дБ, что свидетельствует о высокой численной устойчивости данных алгоритмов.

Представленные в главе алгоритмы были протестированы на персональном компьютере со следующими параметрами: процессор AMD Turion(tm) II Р540 Dual-Core, кэш первого уровня 128 КБ, кэш второго уровня 2048 КБ, оперативная память 4 ГБ DDR3. Каждый алгоритм оптимизирован по быстродействию, и проанализирован на «узкие места» кода.

Таблица 2. Среднее время выполнения одной итерации (3 ИРИ)

Среднее время выполнения одной итерации, мкс

N, шт APEX PASTd NICd FAPId PROTEUS2 OPERA

8 29,9 20,08 24,05 37,7 73,42 87,1

10 30,53 20,56 24,55 38,57 73,99 88,91

12 30,32 20,62 24,82 38,48 75,02 87,48

14 30,74 21,27 25,6 39,37 75,53 88,66

16 30,98 21,53 25,77 39,71 75,93 87,96

18 31,23 21,92 26,48 40,36 77,2 89,1

20 31,32 21,94 26,69 40,46 77,95 89,67

22 31,34 22,13 27,02 40,73 79,43 91,59

24 31,76 22,33 27,2 41,1 78,88 90,04

26 31,93 22,64 27,94 41,16 79,74 90,53

Исходя из полученных данных (таблица 2), можно сделать вывод о том, что наиболее быстрым является алгоритм PASTd. В случае трех ИРИ и 16 антенных элементов PASTd требует 21.53 мкс для выполнения одной итерации. При тех же условиях APEX, NICd и FAPId требуют 30.98, 25.77 и 37.71 мкс, соответственно. Расчет при помощи алгоритмов PROTEUS2 и OPERA занимает существенно больше времени. При увеличении числа сигналов и количества антенных элементов общая тенденция сохраняется.

Таким образом, исходя из полученных результатов, при разработке радиопеленгатора на основе собственноструктурного алгоритма, наиболее оптимально по критерию точность/быстродействие использовать алгоритмы OPERA и PASTd, обладающие средней вычислительной сложностью 0(NM2) и низкой вычислительной сложностью 0(NM), соответственно.

В третьей главе разработаны и исследованы методики предварительной обработки сигналов, повышающие быстродействие радиопеленгаторов.

Одной из важнейших проблем современных пелснгационных алгоритмов является появление аномальных ошибок определения угловых координат при работе с высококоррелированными или когерентными сигналами. Среди известных решений для скоростной обработки данных наибольшее распространение получил метод усреднения «вперед-назад» (forward-backward, fb), впервые предложенный Эвансом, Джонсоном и Саном. Суть данного метода заключается в получении усредненной корреляционной матрицы R/(l, с восстановленным рангом, вида:

здесь J„v - матрица размерностью NxN, на антидиагонали которой находятся единицы, остальные элементы равны нолю.

В литературе представлен способ перехода от комплексных вычислений к действительным, используя метод усреднения «вперед-назад». Общая суть данного подхода заключается в применении унитарного преобразования к корреляционной матрице (2):

RRe=Q"R^Q, (3)

здесь Q - матрица, определяющая унитарное преобразование. Для нечетных N обычно используют:

. "I* 0 flh ~

0Т -¡2 0Т Jh 0 — У J л J

здесь 0 - нулевая матрица размерностью Лх1, т — знак транспонирования. Для нечетного количества антенных элементов N в качестве унитарной матрицы Q возможен выбор:

Q»=T2

, где /г=(ЛМ)/2, (4)

q»=72

, где h=NI2. (5)

1а ЛА

Однако, при использовании скоростных алгоритмов определения собственных векторов, не вычисляющих корреляционную матрицу в явном виде, возникает необходимость в получении адаптивной версии выражения (3), зависящей от текущего набора отсчетов Х(к).

В главе представлен модифицированный метод усреднения «вперед-назад»[6]:

X

р

(*) = QjJ-^(x(*) + Jyx'(*)) (6)

Возможность использования (6) наглядно отражена на рисунке 2, где приведены графики зависимости ошибки определения сигнального подпространства errsub относительно способа, реализуемого по формуле (3) (усреднение проведено по 100 испытаниям).

Исходя из графиков, видно, ig -ю что даже при отрицательном соотношении сигнал/шум,

сигнальное подпространство,

полученное из данных

предобработанных согласно (6), сходиться к подпространству, извлеченному из усредненной «вперед-назад» корреляционной матрицы (при £=1000, ошибка = -29 дБ). При положительном ОСШ наблюдается дальнейшее

понижение ошибки (при ОСШ=15 дБ и ¿=1000, ошибка = -54 дБ).

Возможность использования (6) в скоростных пеленгационных системах оценена на основе алгоритма ESPRIT. На рисунке 3 представлены графики зависимости среднеквадратичной ошибки оценки угловых координат от отношения сигнал/шум для алгоритмов unitary-ESPRIT и aFB-ESPRIT, где aFB - adaptive FB. Время накопления устанавливалось равным 1000 отсчетам, параметры антенной решетки и сигналов те же, что и для предыдущего

графика. Видно, что при

2000 4000 6000 8000 10000 Врежя накопления (в отсчетах)

Рис. 2 Ошибка определения подпространства при адаптивной обработке данных

о «

и

V • V \ \ -unitary-ESPRIT -»-аПЗ-ESPRIT

отрицательном ОСШ

пеленгационный алгоритм на основе модифицированного

метода незначительно уступает стандартному (0.01° при ОСШ=-6 дБ), при положительном ОСШ значения эквиваленты. В итоге можно сделать вывод о возможности применения

адаптивного усреднения «вперед-назад» в скоростной обработке данных.

В данной главе предложена методика формирования ортогональных диаграмм направленности с управляемыми нулями. Основная суть заключается в обработке сигналов с выходов диаграммообразующих устройств (ДОУ), формирующих максимумы диаграмм направленности в различных направлениях (рис. 4).

Вектор сигналов с выходов ДОУ может быть представлен следующим образом:

У = \УЯХ, (7)

здесь \¥ = [\у|,...,лув] - матрица размерностью состоящая из В весовых

векторов, с помощью которых формируется набор из В диаграмм направленности. В

ОСШ, дБ

Рис. 3 Ошибка определения подпространства при оперативной обработке данных

работе показано, что при формировании ортогональных ДН с управляемыми нулями XV будет определяться как:

\У = СС?-1, (8)

где <} = [я(а;„) ... ч(ал) ч(а„,) ... ч(«„,„.„,)]> се51 ... а$в - углы, соответствующие

максимумам в секторе сканирования, С: О ■•• 0 ••• О"

G =

О 1

О

О

(9)

О 0 ■•• 1 ••• О

Рис. 4 Ошибка определения Подобный подход позволяет компенсировать

подпространства при оперативной влияние сигналов, вне сектора обзора, тем обработке данных самым повышая разрешающую способность

пеленгационных алгоритмов. В предложенной методике, для повышения быстродействия, проработан способ адаптивной коррекции весовой матрицы ЧУ. Удаление информации о расположении к-го нуля а,1к осуществляется по формуле:

W

new

■ W + V^W

(10)

где w

= [iVj I IVi 2 ... fVi B] - i-ая строка матрицы W, i=2...N,

у t = d cos(a „к )j, А- длина волны, d - расстояние между соседними

антенными элементами. Соответственно, добавление ¿-го нуля апк будет осуществляться при помощи выражения:

о

Wu

u

о

Щ.В

WK

(11)

yN-\,B

В итоге, в условиях изменения сигнально-помеховой обстановки пересчет весовой матрицы W занимает О (NB) операций вместо О (TV3).

Применение разработанной методики проанализировано, используя численное моделирование. На рисунке 5 представлен набор ортогональных диаграмм направленности, формируемый согласно предложенной методике, для линейной антенной решетки с числом антенных элементов N = 16. Направление сканирования установлено а,=90°, сектор сканирования Да=30°. На антенную решетку моделировался приход трех сигналов с направлений ai = 100°, a2 = 102° и a3 = 155°, с отношениями сигнал/шум ОСШ, = ОСШ2 = 15 дБ, ОСШ3 = 35 дБ, сигналы 1 и 3 полностью коррелированны. Следует отметить, что ноль сформирован строго на помеху. На рис. 6 приведены пеленгационные характеристики алгоритмов BS-MUSIC (BeamSpace-MUSIC), использующего стандартное формирование ДН, и BSNS-MUS1C (BeamSpace with Null Steering MUSIC). Видно, что наличие высококоррелированного сигнала вне зоны обзора влияет на разрешающую способность базового алгоритма BS-MUSIC, применяющего ортогональные ДН, в то время как MUSIC, использующий

ортогональные ДН с управляемыми нулями, способен определить угловые координаты обоих сигналов в секторе обзора.

В итоге, можно сделать вывод, что рассмотренный подход позволяет компенсировать влияние помех, находящихся вне сектора обзора, тем самым повышая разрешающую способность пеленгационной системы, а так же существенно сокращает количество вычислений, необходимых для отслеживания положения ИРИ в реальном масштабе времени.

Азимут, град

Рис. 5 Ортогональные диаграммы направленности для JIAP из 16 АЭ направленные на at=90°, в секторе Да=30°, помеха с направления 155°

тт I 'I 1 I 1 ргт-р-гп

20 40 60 80 100 120 140 160 180 Азимут, град Азимут, град

а) б)

Рис. 6 Пеленгационная характеристика алгоритмов a) BS-MUSIC и б) BSNS-MUSIC

В четвертой главе представлена методика формирования скоростных пеленгационных алгоритмов на основе разработанных и существующих методик и алгоритмов.

Применение модифицированного метода усреднения «вперед-назад» при формировании пеленгационного алгоритма позволяет не только осуществить переход от комплексных к вещественным вычислениям, но и обеспечивает разрешение двух когерентных сигналов. В случае наличия высококоррелированных источников

радиоизлучения вне требуемого сектора обзора для компенсации их влияния возможно применение разработанной методики формирования ортогональных диаграмм направленности с управляемыми нулями. Тем не менее, могут возникнуть ситуации требующие разрешения более двух ИРИ в секторе обзора. В работе получено одно из решений данной проблемы [6].

В литературе представлена возможность модификации метода пространственного сглаживания путем объединения со скоростным алгоритмом определения собственных векторов. В основе лежит представление вектора данных Х(к) в виде:

02)

здесь Х^- вектор данных с /-ой подрешетки, Р - количество подрешеток, <2 -

количество антенных элементов в каждой подрешетке.

Подставляя в выражение для модифицированного метода усреднения «вперед-назад» (6) матрицу данных (12), получаем вещественную матрицу Х';,(/с):

(13)

Применяя (13) совместно с алгоритмом определения угловых координат TLS-ESPRIT, был получен алгоритм SPUT-ESPRIT (Spatial Smoothing - PASTd -Unitary -TLS -ESPRIT), способный разрешать более двух когерентных ИРИ. На рисунке 7 представлены графики зависимости времени выполнения одной итерации и среднеквадратичной ошибки для алгоритмов unitary-TLS-ESPRIT, в основе которого лежит выражение (3) и SPUT-ESPRIT, где применена формула (9) совместно с PASTd и методом пространственного сглаживания.

700 г

- unitary-TLS-ESPRIT

—▼— unitary-TLS-ESPRIT . • SPUT-ESPRIT

!ii! ¡7"Щ ♦ н

10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16

Количество шггешгых элементов ОСПТ, дБ

а) б)

Рис. 7 Характеристики пеленгационных алгоритмов а) Время выполнения одной итерации, мс б) Зависимость СКО от ОСШ

Из графиков следует, что, используя предложенный вариант, возможно в несколько раз ускорить работу ТЬЙ-ЕЗРШТ. Анализ характеристик 8Р1!Т-Е8РМТ, показал, что при положительном значении ОСШ предложенный алгоритм сравним по точности с ипкагу-ТЬЯ-ЕйРКГГ.

В главе описано разработанное программное обеспечение, на основе которого для каждой рассмотренной методики проведена оценка вклада в сокращение времени работы итогового алгоритма.

Расчет сокращения времени работы пеленгационного алгоритма при комбинации с разработанными и существующими методиками проводился по формуле:

д^ _ 1 BASE_ ALGORITHM ~ 'MOD ALGORITHM «^qqo/ 1 BASE _ ALGORITHM

здесь l к ase algorithm - время выполнения одной итерации базового алгоритма (MUSIC или ESPRIT), ímod algorithm - комбинированный алгоритм.

В таблице 3 представлены данные о сокращении времени выполнения одной итерации алгоритмов, разработанных на базе ESPRIT. Под BSNS(60) понимается методика формирования ортогональных диаграмм направленности с управляемыми нулями с сектором сканирования 60°.

Таблица 3 Влияние методик повышения быстродействия на время работы алгоритма _ESPRIT, %_

Базовые алгоритмы aFB BS(60) PASTd OPERA

61-81 64-89 89-99.7 81-99.7

Комбинированные алгоритмы (двойные) aFB, BS(60) aFB, PASTd BS(60), PASTd aFB, OPERA BS(60), OPERA

85-98 93-99.8 90-99.8 89-99.8 82-99.7

Комбинированные алгоритмы (тройные) aFB,BS(60), PASTd aFB,BS(60), OPERA

94-99.9 89-99.9

Исходя из представленных данных, можно сделать вывод о том, что наибольший вклад в повышения скорости работы вносят алгоритмы, адаптивно извлекающие собственные вектора и значения (до 99.7% при 40 антенных элементах). Так же видно, что при комбинировании каждый следующий алгоритм незначительно повышает общее быстродействие, при двойной комбинации снижение времени расчета в среднем на 1-10%, при тройной — на 0.1-0.5%. Тем не менее, учитывая способность к деккореляции и повышению разрешающей способности алгоритмов aFB и BSNS, их использование остается целесообразным.

В работе проведена оценка влияния методик и алгоритмов, повышающих быстродействие, на точность пеленгации алгоритма ESPRIT. На АР смоделирован приход двух сигналов с угловыми координатами 88° и 92° и коэффициентом корреляции между ними 0.7. Среднеквадратичная ошибка (СКО) оценки пеленгационных углов определялась по 1000 выборкам и усреднялась по источникам:

где âv— оценка пеленгационного угла ¡'-го источника при р-м испытании, Р- общее количество испытаний.

Из рисунка 8 видно, что ввиду присутствия корреляции между сигналами, значение СКО алгоритма ESPRIT выше, чем у комбинированных методик. Применение адаптивного усреднения «вперед-назад» позволяет деккорелировать ИРИ и повысить точность (на 77% при 8 АЭ). Использование OPERA и PASTd увеличивает значение СКО, в силу меньшей точности определения сигнального подпространства данных методик. Тем не менее, СКО комбинированных алгоритмов незначительно отличается от aFB-ESPRIT. Так же следует отметить, что при повышении количества АЭ, точность определения угловых координат становится

практически эквивалентной для рассмотренных алгоритмов

В главе на примере записей реального набора данных полученных с 12 элементной линейной антенной решетки проанализировано практическое использование разработанных методик и алгоритмов. Частота дискретизации используемых

данных составляла 8кГц, из чего следует, что интервал получения очередного набора отсчетов равняется 125 мкс. В таблице 4 представлены значения СКО определения угловых координат

для пеленационных алгоритмов в односигнальном случае.

-ESPRIT —•— aFB-ESPRIT • - aFB-ESPRIT «и№ OPERA -*— aFS-ESPRíT wtt PASTd ->— BS-aFB-ESPRIT with OPERA —«— BS-eFB-E SPRIT wtth PASTd

—* » ..i

Рис.8. Зависимость СКО от количества антенных элементов

Измеренный азимут ESPRIT unitary-ESPRIT aFB - ESPRIT with PASTd aFB - ESPRIT with OPERA

0,424 0,449 0,404 0,195 0,169

Как следует из таблицы 4, сравнимой с классическим алгоритмом точностью обладают алгоритмы ESPRIT и unitary-ESPRIT. Однако наличие импульсных помех в некоторых радиограммах искажает структуру данных, приводя к ошибке в оценке угловой координаты. Использование адаптивных алгоритмов с установленным фактором памяти системы позволяет обойти этот недостаток. Видно, что алгоритмы aFB-ESPRIT with PASTd и aFB-ESPRIT with OPERA обладают более низким значением СКО. Так же следует учесть длительность одной итерации aFB-ESPRIT with PASTd и aFB-ESPRIT with OPERA при использовании процессора AMD Turion(tm) II P540 составляет 35 мкс и 48 мкс, соответственно, что позволяет говорить о возможности обработки в реальном масштабе времени.

В работе так же рассмотрен случай наличия двух сигналов. На примере снижения уровня боковых максимумов пеленгационной характеристики алгоритма MUSIC, показано преимущество применения разработанной методики формирования ортогональных диаграмм направленности с управляемыми нулями при компенсации одного из источников радиоизлучения. Так же следует отметить, что совместное использование разработанных и существующих методик и алгоритмов позволило снизить время работы алгоритма MUSIC с 3630 до 125 мкс - 110 мкс, обеспечивая тем самым возможность обработки в режиме реального времени.

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в процессе работы над диссертацией.

3 Основные результаты работы

В рамках проведенного диссертационного исследования получены следующие результаты и выводы:

1. Выполнена оценка быстродействия и точности работы известных алгоритмов скоростного определения собственных векторов и значений. Среди известных

алгоритмов наилучшими параметрами в своем классе обладают OPERA и PASTd.

2. Предложена возможность модификации алгоритма скоростного определения собственных векторов OPERA, путем перехода от комплексных вычислений к вещественным. Подобный подход позволяет сократить время работы алгоритма на 5-40% в зависимости от количества антенных элементов.

3. Модифицирован метод усреднения «вперед-назад», который позволяет за счет осуществления перехода от комплексных вычислений к действительным, существенно повысить быстродействие пеленгационных алгоритмов; модификация метода отличается возможностью совместного использования с алгоритмами скоростного определения собственных векторов;

4. Разработана методика предобработки данных, основанная на формировании ортогональных диаграмм направленности с управляемыми нулями. Практическое значение предложенной методики заключается в том, что помимо увеличения быстродействия пеленгационных алгоритмов появляется возможность компенсировать влияния сигналов, приходящих вне сектора обзора, что повышает точность и разрешающую способность пеленгационных систем.

5. Разработана методика формирования скоростных алгоритмов пеленгации, используя которую при проектировании пеленгационной системы, возможно получить уменьшение времени работы по определению угловых координат источников радиоизлучения на 99.9%.

6. Проведены исследования предложенных методик повышения быстродействия на записях экспериментальных данных, полученных с 12-ти элементной линейной антенной решетки. Полученные результаты позволяют однозначно сделать вывод о возможности пеленгации в режиме реального времени и преимуществе предложенных алгоритмов по сравнению с существующими.

7. Разработано специализированное программное обеспечение, позволяющее проводить моделирование процесса пеленгования при проектировании пеленгационной системы, с целью выбора оптимальных параметров антенной решетки и алгоритма определения угловых координат. Так же данный программный продукт обеспечивает обработку экспериментальных данных с возможностью их детального анализа.

Личный вклад. Диссертационная работа выполнена непосредственно её автором. Все работы, кроме работ [6] и [17] написанных самостоятельно, написаны в соавторстве. Из совместных публикаций в диссертацию включен лишь тот материал, который принадлежит непосредственно соискателю. Все результаты, сформулированные в положениях, выносимых на защиту, и составляющие научную новизну работы, получены лично автором, либо при его непосредственном участии.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

Статьи в журналах из перечня ВАК

1. Сидоренко, К.А. Исследование влияния смещения несущей частоты сигналов от заданного значения на характеристики пеленгации алгоритма MUSIC / И.Д. Золотарев, В.А. Березовский, Е.Ю. Михайлов, К.А. Сидоренко// Вестник Омского университета, 2011. -№2 - С. 93-97

2. Сидоренко, К.А. Исследование возможности увеличения чувствительности метода сверхразрешения MUSIC в условиях низкого отношения сигнал/шум/ И.Д. Золотарев, В.А. Березовский, Е.Ю. Михайлов, К.А. Сидоренко// Успехи современной радиоэлектроники, 2011. - №7. - С. 32-37.

3. Сидоренко, К.А. Способ повышения быстродействия алгоритмов оценки количества источников радиоизлучения / И.Д. Золотарев, К.А. Сидоренко // Успехи современной радиоэлектроники, 2012. - №11. - С. 58-62.

4. Сидоренко, К.А. Влияние ошибки определения угла места на точность однопозиционного местоопределения/ В.А. Березовский, К.А. Сидоренко, A.A. Васенина, A.B. Бензик // Омский научный вестник, 2013.-№2.-С.299-305.

5. Сидоренко, К.А. Формирование ортогональных диаграмм направленности ФАР с управляемыми нулями в задаче пеленгации сигналов/ К.А. Сидоренко, В.А. Березовский // Успехи современной радиоэлектроники, 2013. - №10 - С. 30-35

Статьи в зарубежных журналах

6. Sidorenko, К.А. Subspace adaptive DOA estimation in the presence of coherent signals/ K.A. Sidorenko// World Applied Sciences Journal, 2013. - Issue 21 (Special Issue on Techniques and Technologies). - pp 01-07.

Заявки на патенты на изобретения

7. Заявка 2012128240 Российская Федерация, МПК G01S 5/04. Способ обнаружения и пеленгации источников радиоизлучения на одной частоте / Золотарев И.Д., Березовский В.А., Сидоренко К.А. (Россия); заявитель ОАО «ОНИИП»; № 2012128240/07; заявл. 04.07.12; 12 с.

Материалы конференций

8. Сидоренко, К.А. Исследование алгоритма сверхразрешения MUSIC при смещении несущей частоты сигналов от заданного значения / В.А. Березовский, И.Д. Золотарев, Е.Ю. Михайлов, К.А. Сидоренко// Сборник докладов международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь» (RLNC-2011), 2011.-Т.1-С. 2324-2330.

9. Сидоренко, К.А. Исследование многолучевой диаграммы направленности антенной решетки для оценки угловых координат методом MUSIC/ И.Д. Золотарев, В.А. Березовский, Е.Ю. Михайлов, К.А. Сидоренко //Сборник докладов международной научно-технической конференции «Радиотехника, электроника и связь» (РЭиС-2011), 2011 -т.1- С. 266-273.

10. Сидоренко, К.А. Повышение быстродействия радиопеленгаторов со сверхразрешением/ К.А. Сидоренко, Е.Ю. Михайлов// Сборник докладов международной научно-технической конференции «Цифровая обработка сигналов и ее применение» (DSPA-2012), 2012 -т. 1. - С. 226-229.

11. Сидоренко, К.А. Метод увеличения быстродействия алгоритмов оценки количества источников радиоизлучения / В.А. Березовский, И.Д. Золотарев, К.А.

Сидоренко, Е.Ю. Михайлов // Сборник докладов международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь» (RLNC-2012),

2012.-Т.1-С. 2007-2013.

12. Сидоренко, К.А. Исследование возможности применения адаптивного подхода для повышения быстродействия радиопеленгаторов со сверхразрешением/ В.А. Березовский, И.Д. Золотарев, К.А. Сидоренко, Е.Ю. Михайлов //Сборник докладов всероссийской конференции с международным участием «Научная сессия, посвященная Дню радио», 2012-т. 1.-С. 132-136.

13. Сидоренко, К.А. Исследование адаптивного подхода в задаче разрешения когерентных сигналов /И.Д. Золотарев, К.А. Сидоренко// Сборник докладов всероссийской конференции «Радиолокация и радиосвязь», 2012. — т.1. - С. 306310.

14. Сидоренко, К.А. Исследование возможности повышения быстродействия TLS-ESPR1T/ И.Д. Золотарев, К.А. Сидоренко// Сборник докладов международной научно-технической конференции «Цифровая обработка сигналов и ее применение» (DSPA-2013), 2013 - т.1. - С. 307-311.

15. Сидоренко, К.А. Анализ ошибок однопозиционного местоопределения /В.А. Березовский, A.A. Васенина, К.А. Сидоренко, A.B. Бензик // Сборник докладов международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь» (RLNC-2013), 2013.-Т.1-С. 2019-2029.

16. Сидоренко, К.А. Оценка возможностей однопозиционного местоопределения /В.А. Березовский, К.А. Сидоренко, A.A. Васенина, A.B. Бензик // Ргос. International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON-2013),

2013.-vol.l-4p.

17. Сидоренко, К.А. Методы повышения быстродействия собственноструктурных алгоритмов пеленгации/К.А. Сидоренко// Ргос. International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON-2013), 2013,-vol. 1-4 p.

Подписано в печать 25.11.2013. Формат 60x84/16. Бумага писчая. Оперативный способ печати. Усл. печ. л. 1,25. Тираж 100 экз. Заказ № 679

Отпечатано в «Полиграфическом центре КАН» тел. (3812) 24-70-79, 8-904-585-98-84.

E-mail: pc_kan@mail.ru 644050, г. Омск, ул. Красный Путь, 30 Лицензия ПЛД № 58-47 от 21.04.97

ОАО «Омский научно-исследовательский институт приборостроения» ФГБОУ ВПО «Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского»

На правах рукописи

/П

04201454765

// /

7/>Г -

/

С

Сидоренко Клим Андреевич

Разработка методик и алгоритмов повышения быстродействия определения угловых координат априорно неопределенных источников радиоизлучения

Специальность 05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы и устройства

телевидения

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Майстренко Василий Андреевич

Омск -2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................4

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ СКОРОСТНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛОВЫХ КООРДИНАТ ИСТОЧНИКОВ РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ В ПЕЛЕНГАДИОННЫХ СИСТЕМАХ...............................12

1.1. Модель входных данных...................................................................................12

1.2 Алгоритмы оценки угловых координат источников радиоизлучения.........16

1.2.1 Непараметрические алгоритмы.....................................................................16

1.2.2 Собственноструктурные алгоритмы.............................................................20

1.2.3. Алгоритмы параллельного обзора.................................................................23

1.3 Сравнительный анализ пеленгационных алгоритмов.....................................27

1.4 Современные способы повышения быстродействия.......................................29

Выводы.......................................................................................................................33

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ СКОРОСТНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОБСТВЕННЫХ ВЕКТОРОВ.....................................................................................35

2.1 Алгоритмы скоростного определения собственных векторов средней и низкой вычислительной сложности........................................................................36

2.2 Повышение быстродействия алгоритма OPERA.............................................46

2.3. Выделение собственных векторов в алгоритмах адаптивного определения сигнального подпространства..................................................................................48

2.4 Анализ точности и быстродействия алгоритмов определения собственных векторов......................................................................................................................53

Выводы.......................................................................................................................61

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИК ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ ВХОДНЫХ ДАННЫХ..................................................................................................62

3.1 Разработка модифицированного метода усреднения «вперед-назад»..........63

3.2. Формирование ортогональных диаграмм направленности...........................68

3.3. Способ определения весовых векторов в задаче построения диаграммы направленности с управляемыми нулями...............................................................73

3.4. Разработка методики предобработки входных данных.................................76

Выводы.......................................................................................................................81

ГЛАВА 4. ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РАЗРАБОТАННЫХ АЛГОРИТМОВ..............................................................................................................82

4.1 Методика формирования скоростных пеленгационных алгоритмов............83

4.1.1 Пеленгационные алгоритмы на базе MUSIC................................................83

4.1.2 Пеленгационные алгоритмы на базе ESPRIT................................................84

4.1.3 Пеленгационный алгоритм SPUT-ESPRIT....................................................86

4.2 Описание программного обеспечения для формирования скоростных пеленгационных алгоритмов....................................................................................90

4.3 Оценка влияния методик повышения быстродействия на характеристики собственноструктурных алгоритмов пеленгации..................................................96

4.4 Результаты обработки экспериментальных данных по пеленгации одного и двух источников радиоизлучения.........................................................................103

Выводы.....................................................................................................................107

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................................................................109

ЛИТЕРАТУРА.............................................................................................................113

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Акты об использовании диссертационных материалов.........128

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Дипломы международных конференций............................130

ВВЕДЕНИЕ

В последнее время увеличение количества радиосредств как гражданского таки и военного назначения приводит к интенсивному развитию систем радиомониторинга, призванных осуществлять контроль эфира в заданном диапазоне частот, обнаружение новых источников радиоизлучения (ИРИ), определение их местоположения и оценку степени опасности [1]. Определение местоположения ИРИ задача многоэтапная, решающаяся в сложной интерференционной обстановке, один из важнейших этапов которой заключается в пеленговании источников радиоизлучения по азимуту и углу места в условиях априорной неопределенности относительно вида модуляции сигнала и помеховой обстановки [2].

Современное состояние развития техники радиомониторинга характеризуется применением пеленгационных алгоритмов, обладающих повышенной разрешающей способностью. Среди данных алгоритмов в системах скоростной пеленгации находят отражение два основных класса: непараметрические, использующие при оценке угловых координат ИРИ корреляционную матрицу сигналов [3-4] и собственноструктурные, эксплуатирующие идею разделения входного пространства данных на сигнальное и шумовое подпространства [5-6]. Однако следует учитывать, что вычислительная сложность этих алгоритмов нелинейно (квадратно или кубически) зависит от количества антенных элементов, что накладывает существенные ограничения на их использование в реальном масштабе времени, когда сбор и обработка данных осуществляется в одном приложении[7]. Наиболее актуальное решение этой проблемы - использование методов повышающих быстродействие вычислительных этапов пеленгационных алгоритмов, особенно при большом количестве антенных элементов. Данным методам посвящены работы отечественных и зарубежных ученых, таких как: R.D. DeGroat, M.D. Zoltowski, С.Р. Mathews, G.H. Golub, J.R. Bunch, I. Karasalo, P. Strobach, B. Yang, G.W. Stewart, M. Wax, J. Karhunen, P.A. Thompson, B.D. Rao, R. Roy, V.U. Reddy, M.

Barcelo, M. Haardt, T. Kailath, P. Stoica, R.Mitchley, H.L. Van Trees, Jian Li, А.Б. Гершман, В. Слюсар, Ю.Б. Нечаев, A.C. Макаров, М.Е. Шевченко, А.О. Чемаров.

В зависимости от типа выбранного пеленгационного алгоритма применяют различные методы повышения быстродействия. В работах [8-10] приводятся методы, понижающие вычислительную сложность с помощью предобработки данных на основе априорной информации о секторе сканирования. Варианты сокращения временных затрат на формирование сканирующей сетки приведены в работах [11-14]

Среди известных алгоритмов определения угловых координат ИРИ для скоростной пеленгации отдельно следует выделить алгоритмы параллельного обзора[15-17], являющиеся подклассом собственноструктурных. Ввиду отсутствия необходимости сканирования по пространству их быстродействие существенно выше, чем у непараметрических и остальных собственноструктурных алгоритмов.

Для собственноструктурных алгоритмов разработаны итеративные методы, определяющие собственные вектора и значения [18-20], обладающие гораздо меньшей вычислительной сложностью, чем классический метод на основе QR-итераций[21]. В ряде работ [22-24] предложен способ повышения быстродействия алгоритмов параллельного обзора (ESPRIT) используя унитарные преобразования для перехода от комплексных входных данных к вещественным.

Использование алгоритмов скоростной пеленгации, позволяет своевременно отслеживать любые изменения в сигнально-помеховой обстановке, что делает их привлекательными для применеиия в многоэлементных антенных системах входящих в состав комплексов радиомониторинга. Однако, большинство современных методов решающих задачу повышения быстродействия пеленгации, обладают различными недостатками: не обеспечивают возможность работы в случае многолучевости, вносят погрешность в определение угловых координат, сокращают количество одновременно определяемых источников радиоизлучения.

Данные недостатки ограничивают практическую реализацию пеленгационных алгоритмов в реальных системах.

Отмеченное выше делает вполне очевидной актуальность проведения анализа существующих и создания новых методик повышения быстродействия пеленгационных алгоритмов, а так же выбор таких из них, которые пригодны к реализации в современных пеленгационных системах и обеспечивают многосигнальную пеленгацию с высокой точностью в режиме реального времени, без априорной информации о сигнально-помеховой обстановке.

Цель работы: повышение быстродействия определения угловых координат в многоканальных пеленгационных системах в условиях априорной неопределенности относительно вида сигнала и помеховой обстановки.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: проведение сравнительного анализа методик, повышающих быстродействие современных алгоритмов пеленгации;

разработка методик предварительной обработки входных данных, направленных на декорреляцию сигналов и повышение быстродействия; разработка скоростных алгоритмов пеленгации, эффективно функционирующие при наличии когерентных сигналов; создание специализированного программного обеспечения, позволяющего моделировать и проводить исследования процессов, протекающих в многоканальных пеленгационных системах при определении угловых координат;

анализ быстродействия и точности разработанных алгоритмов определения угловых координат.

Методы исследования: в диссертационной работе для решения поставленных задач применены методы цифровой обработки сигналов, теории вероятностей, статистической радиотехники, линейной алгебры. При проведении экспериментальных исследований использовались записи реальных сигналов, и

применялось программное обеспечение, разработанное и отлаженное в среде Qt Creator 2.7.0. (язык С++ при использовании библиотек Qt 4.8.4.)

Достоверность и обоснованность результатов диссертационной работы подтверждается строгостью используемых математических методов, совпадением теоретических результатов с результатами численного моделирования и обработки данных, полученных с антенной системы. Научная новизна работы.

1. Модифицирован метод усреднения «вперед-назад», который позволяет за счет осуществления перехода от комплексных вычислений к действительным, существенно снизить время работы пеленгационных алгоритмов (на 70-99%); модификация метода отличается возможностью совместного использования с алгоритмами скоростного определения собственных векторов;

2. Разработана методика предобработки входных данных, повышающая, быстродействие и разрешающую способность пеленгационных алгоритмов путем формирования набора ортогональных диаграмм направленности с адаптивно подстраиваемыми нулями, призванными компенсировать помехи, находящиеся вне сектора обзора.

3. Разработана методика формирования скоростных пеленгационных алгоритмов, использующих априорно определенный сектор сканирования и способных разрешать когерентные сигналы (снижение времени расчета на 88-99.9%).

4. Проведена оценка совместного использования разработанных и существующих скоростных алгоритмов пеленгации, показывающая возможность обработки пеленгационной информации в режиме реального времени.

Практическая значимость. В диссертационной работе достигнуто повышение быстродействия пеленгационных систем за счет разработанных методик и алгоритмов. Предложенные методики позволяют помимо увеличения

быстродействия обеспечить возможность работы в сложной интерференционной обстановке и повышение разрешающей способности.

Разработано специализированное программное обеспечение, позволяющее проводить моделирование процесса пеленгования при проектировании пеленгационной системы с целью выбора оптимальных параметров антенной решетки и алгоритма определения угловых координат. Так же данный программный продукт обеспечивает обработку реальных данных с возможностью их детального анализа.

Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы внедрены на ОАО «ОНИИП» в проводимой НИР, а так же используются в учебном процессе Омского государственного университета им. Ф.М.Достоевского на кафедре экспериментальной физики и радиофизики.

Структура и объем работы. Результаты исследований в соответствии с выбранным направлением изложены во введении, в четырех главах работы и заключении. Общий объем диссертации 112 страниц, включая 38 иллюстраций, 16 таблиц, список литературы из 129 наименований. Основные результаты работы опубликованы в [25-41]

В первой главе представлена модель многоэлементной антенной решетки и входных данных, сформулирована решаемая задача. Рассмотрены существующие методы многосигнальной пеленгации, среди которых можно выделить: непараметрические (классическое формирование сканирующего луча, метод Кейпона, IAA); собственноструктурные (MUSIC, EV), методы параллельного обзора, т.е. не использующие построение сканирующей сетки (ESPRIT, TLS-ESPRIT, Root-MUSIC). Проанализированы наиболее затратные, с точки зрения быстродействия, этапы пеленгационных алгоритмов.

В главе проведен обзор публикаций по известным способам повышения быстродействия, которые можно разделить на группы: предобработка данных, с целью понижения размерности входного пространства данных; сокращения количества сканирующих векторов; повышения быстродействия расчета

собственных векторов и значений; переход от комплексных к вещественным вычислениям.

Вторая глава посвящена статистическому анализу алгоритмов скоростного определения собственных векторов и значений, использующихся для повышения быстродействия собственноструктурных пеленгационных алгоритмов.

Проведен обзор алгоритмов средней вычислительной сложности 0{NM) и низкой вычислительной сложности 0(NM), где TV-количество антенных элементов, М — количество извлекаемых собственных векторов. Эффективность адаптивных алгоритмов оценивалась методами математического моделирования. Проанализированы характеристики: быстродействия, ошибки определения искомого подпространства и ошибки ортонормальности для алгоритмов: APEX, PASTd, NIC, FAPI, PROTEUS2, OPERA.

Предложена возможность повышения быстродействия исследуемых алгоритмов за счет осуществления перехода от комплексных вычислений к вещественным. Из каждой группы к дальнейшему использованию выделены алгоритмы, обладающие наилучшим соотношением между характеристиками точности и быстродействием.

В третьей главе представлен анализ и синтез методик предобработки сигналов повышающих быстродействие радиопеленгаторов.

Предложена модификация стандартного метода усреднения «вперед-назад», отличающаяся возможностью применения при скоростной обработке данных. Эффективность предложенной модификации оценивалась методами математического моделирования.

Предложена методика формирования ортогональных диаграмм направленности с управляемыми нулями. В данной методике, для повышения быстродействия, проработан способ адаптивной коррекции весовой матрицы антенной решетки. Возможность компенсации влияния помех, находящихся вне сектора обзора и как следствие повышение разрешающей способности при

использовании предложенной методики проанализирована, используя численное моделирование.

В четвертой главе Предложена методика формирования скоростных пеленгационных алгоритмов на основе разработанных и существующих методик и алгоритмов.

В главе описано разработанное программное обеспечение, на основе которого для каждой рассмотренной методики проведена оценка вклада в повышение быстродействия итогового алгоритма.

На примере записей реального набора данных полученных с 12 элементной линейной антенной решетки проанализировано практическое использование разработанных методик. Получены результаты, характеризующие точность и время оценки угловых координат в одно- и двухсигнальных ситуациях.

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в ходе работы над диссертацией.

Основные результаты и положения, выдвигаемые на защиту: -модифицированный метод усреднения «вперед-назад», который позволяет за счет осуществления перехода от комплексных вычислений к действительным, существенно повысить быстродействие пеленгационных алгоритмов; модификация метода отличается возможностью совместного использования с алгоритмами скоростного определения собственных векторов;

- методика предобработки входных данных, повышающая быстродействие и разрешающую способность пеленгационных алгоритмов путем формирования набора ортогональных диаграмм направленности с адаптивно подстраиваемыми нулями, призванными компенсировать помехи, находящиеся вне сектора обзора;

- методика формирования скоростных пеленгационных алгоритмов, использующих априорно определенный сектор сканирования и способных разрешать когерентные сигналы и алгоритмы, разработанные с ее пом�