автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Адаптивные статистические методы восстановления гидролокационных изображений

П г г-

« / Ь ОД РОССИЙСКАЯ АКАДЙЙ1Я НАУК

ИНСТИТУТ ПРОШЛИ ПЕРЕДАЧИ икопшщ

На правах рукописи УДК 681.883.41

ЦХК СТАНИСЛАВ ЯКОВЛЕВИЧ

АДАПТИВНЫЕ СТАТИСТИЧЕСКИЕ ИКТОДУ ПОССТАНОШШШ ПЩРОЛОКАЦНОШШ ПЗОБРАМЗШ

Спэциалькость 0&Л3.01 Управление в технических системах

АВТОРЕФЕРАТ диссертации но соискание ученой степени кандидата технических наук

МОС1ША-19У4

Работа выполнена в Институте проблем передачи информации Российское Академии наук

Научнцй руководитель:

доктор технических наук

Д.С.ЛеОедев

Официальные оппоненты: 'доктор технических наук

В.Д.Сввт, кандидат ($изико-математичаских наук О.П.Милюкова

на ааседашш сивциалкзировошюго совота Д.003.¡¿9.01 в Институте проолэи передачи информации РАН по адросу: 101447, Москва, ГСП-4, ул. Ермоловой, 1У.

С даосертациаВ можно ознакомиться в биОлиотоке ИППИ РАН,

Авторефврат разослан *___ 1994 г.

Учецый секретарь слециалиЕировшшого оовета

доктор технических наук С.Н.Степанов

Тира* 60 «кз, Закг.з 157. С Ш0,

Печатный участок издательства У.а'а;овского государственного технического университета. Хабаровск,

ул.Тйхоог.еанскак, 136, ••-•

Ведущая организация:

институт проблем морских технологий ДНО РАН (г.Владивосток!

Ввдита состоится

,1934 г. в ".__часов

ОБЩАЯ ХЛРЛ1а'Е1Ч!СТШ(Л РАБОТЫ

Вакное мэ с то в практике ккмлексиого изучения и промыавоя-ного освоения Ярового окошга зшшйюг пуфоакустачеквв ¡трибор}. Так. ноэамонишмя npsOop&'si ляп зтолнония картогро&гсвскиж я

OflTCpl'.O-uohcltoeux работ OuD;8npK3¡ifjK'J ГЩфОЛОКаТО|Я1 бокового обзора (ГВО). которые удачно сочотпкт в собо высокую производительность оозора, высотой mplopíaníBiiocTb и удобство прэдстоз-лошя резу.чьпфуидой ивбормацяй в пяла изоброгющш (эхограммя) звукорассевватзй поверхности морского лш. Эхогршла подобво тояййкзкошюау изображений кмоот строчку» структуру. Скапяродо-нио дна вдоль горизонтальной дельности (ось ОХ}•осуществляется зп счет распространен зондирующего га.<лульса в пространства, а в курсооом напраьветш (ось ОУ) - посредством прямолзмйшго ра-ыюморюго дижашм носителя аятевии. П работе поворлность морского модолируотся горизонтальной плоскость?) ХОУ.

Разрешающая способность ГВО по горизоптольнЬЙ д&йшоста приблизительно опвештвтея следущам шракеккви:

U ?■. íQX/2)-(U¡f-/L¿ju'¿„ 1»

где с- скорость звука о вода; %- длитолъяоеть зовдярукцого ш-пудьев; üí- шсоуо антешш над дам; L - горизонтальная дальность до цели, Разрзшщая способность по путоеой дальности одрвдаяя-

0тся кгч

m

t „.гс ij 'ir i i e" „ ¡ u (jlíti) з

горизонтальной плоскости-.

Г pj tu t,r r-r с ¡o г- i о э i i г окет нем-

о с , } г ° о г" - -л дашюо-

оогл ПЛП * углошй г. рост/

:0 а ходо поисков:;.* и кпптогр&'.-гю-•u:-r:í:;:üS!hno о тлших способ а ропе-3 - су;.-о;п;о о.^ютявпой длл» scoto-¡ "згпспг'Х приемов п пятодоз»

- актуелы

-уволичоииэн размера антенны к утзпьиеи^зм ддшш волни: -применением.фазированных антошшх решеток (ФАР! ; -синтезированием апортуры.

При пароходе к Солао коротким волнам значительно умоньипотся дальность действия ГШ, поскольку такие водны гораздо сальнее затухают при распространений в водной ср-зде. -Применение aitîoiffi больших размеров весьма ограничено вследствие трудности их установки к ухудшошш гидродинамических и эксплуатационных характв-ристш: носителя антенны. Многочислешшо достоинства ФАР сводятся ыа нет низкими мзсс6гс0орт1тнкми показателями антенной системы. К тому ко использование динамической пэрофокусирстки по дальности • с помощь» САР для поыяюния углоьой разрешавшей способности дает ощутимый эффект даиь в Слизней и сродней зонах, б то время как для ГБО наиболее актуальна задача повышения разрзаащой способности. ¡з дальней зоне. Использование-метода синтезирования апертуры дат .ГЕО сдзряшаотсп трудность» создания навигациошшх тах.-начоскпх средств, -обеспечиваших определение отаосителыюго местоположения носителя оптлша на траектории с точность» до долог, длина liOJUEJ, а тагам сложностью обработки эхо-сигнала.

К настоящему врекони роализовашшо характеристики ГБО Оливки к сюаыу физическому пределу, определяемому гадролого-акустк-чв&аш характеристиками среда распространения. гидроакустических сигналов-, аумами моря, дафвкционнши воаао«ыос'тяма антенн к нестабильностью их перемещения. Реальная океэвичоская сродл оказывает существшшов влитша на характеристики системы обработки вхо-ситиалов. .Уионьиение корреляций плоской акустической водам вдоль раскршзв антенны приводит к ограничении продольно достоянного разрешения по сетевой дальности независимо от размера антенны. Следовательно необходимо использовать ноша, нотрадидион-Ш1Э алгоритмы обработки эхо-сигналоа, отличные от прямых алгоритмов синтеза дадграмын направленности. Поотому большой практический интерес продстагшшт йльтерцатишшЯ способ повышения угловой разрэшаадай способности - апостериорная обработка ахограм-ка ¡1,2].

Реальную, вхограшу шрекого дав (давно рассматривать как ре зультат свертки вдэалыгой 'вхограмш (получощшй посредством воображаемого ГБО с бесконечно узкой ДНА) с функцией, описивашеГ: равльиую характеристику направленности внтошш <ХНА>. Подвергнув реальную вхограуму преобразование, обратному свертка (высолшш доконволюцию), могяо приблизиться к идеальной ехогралые й полу-

чить результируюаув угловую разрошаицую способность. ограничен-цуэ только дяскретнзпцисЯ угловой координат. ПроОлама деконво-лщий (восстановления) гвдролокацяогашх изображений усугубляется пространство то-прет иной иемоптивостьп гидрологически* условий распроствпяешш гидроакустических сигналов, о таюта влиянием различных случайшх факторов па формирование сигнала. Следовательно метода восствновлетт изображений должна учитывать азме-педая условий распрострашяйл и призма сигналов н бить основаны на теоршз стогястйчоскях решений [г],

В связи с втий разработка лота адаптивтах ствтмстячвскнх нотодоа иосствнойвешя гадролокацяошглх изображений является-необходимой и актуальной задачей. .......

¡Шъв работ» является разработка методов говцзайяп угжпсЯ раареиавдой способности гидролокатора Qov.ov.oro обзора, основании яа вяоотернорйоВ обработке вхогрямми.

Укоаопнач- цель доотвгйатся п результате ровогош' еявдоадйх задач:

-разработки метода адопташюа' норшшзацпн даноштесшго диапазона охо-сагнвлов ГБО;

-разработки матеквтнчэекоЯ »одаля процесса фзртроъшяя вхограм-

Ш ГБО ;

-постановка водочн оценка идеальной эхограчш яа основа разработавшей чатекатичоской модели»

-разработки. способа оцеккй характеристики шшрэйлопкоота аатвйш

ГЕО;,.; ; ,

-раэ'роббшг ••адоптнвша статистйчо.скйХ плгорятмав оаояка идеаль-' яон вхогр&йи; •

-окспйрЬгшгеалыгаго подтворвдмтя. голучзгагяг результатов пугш-,щ»Йзового, мдевлированая Ёсюсгановлвви^ щргрит Ш>..

'. чЛ1аутаак новизна - т- •

I'. .;_Разрз'одгаш новые вффекйшвые- газзйгчвокио рэввняя задачи '•ейяёуийарй' "ио|й4Йдадацаа данамкйввкрго ,диапазона эхо-сигналов

2. 15рэдяоЖ9наУ математической модель процесса формирований- ахо-

статистический, :сз^ез.,^птдакйьпоЙ сиотойа- восста-йовлв&кй ■*;'ЭХогрш<ми ГБО в условиях 'Параметрической априорной •веовроделшгаоста. •

4. Предложена статистическая формулировка и решение проблема по-

- Б -

определенной инверсной свертки двул сигналов при условии, что один из свернутых сигналов имеет гораздо большую длительность.

Б. Разработан способ оценки характеристики направленности антенны ГБО посредством цифровой обработки наблюдаемой вхограммы.

6. Предложено математическое обеспечение для решения задача восстановления эхограмш.

Практическая значимость работы. .

1. Разработанное устройство нормализации динамического диапазона ахо-сигиалов П>0 было принято, для испытания й использования в состава буксируемого ГБО Института проблем морских технологий (щя) дао РАК при выполнении отладо-ппи. обзорно-поисковых работ в -оябре 1991 года на акваторга,! Японского моря. В ходе ясштоний установлено, что данвоэ устройство обладает высокой приспособляемостью к изменяющимся условиям приема..

2. Разработанные мотода сценки идеальной эхограммы, реализованные в виде комплекса программ, апробировались при обработке реальных вхограым, полученных с помощью действувдего ГБО в состава автономного нэоОитвамого иодабдаого аппарата (AlfflA) ИШТ ЛВО РАЙ.

3. Основные теоратичосхио результаты ра£Х>ты могут Сыть использованы при оценке идевлышж изображений, подвергнутых простран-стB9KH0-JCтариантншл искажениям. Причем процедуре восстановления изображения будет предшествовать оценка оператора иска-ггенкй по наблюдаемому изображайте.

4. Результата доследования ыогут быть применеви также при решении Задачи идентификации среды распространения сигнала при передаче данных со каналу с памятью.

Б. Привэдешшв в работе технические решения нормализации динамического диапазона ахо-сигнвлов ГБО могут быть приняты на вооружение разработчиками гидролокациошшх картографических и обзорно-поисковых устройств, предназначенных для работы в необслуживаемом ре кто в автономных подводных роботах.

6. Программно реализованный алгоритм оценки характеристики направленности антенны по наблюдаемой sxoграмме мохет быть использован при калиОровка ентош! Щ>.

Практическая значимость работы подтверждена актами о внедрении.- -

Апробация работы. Результаты диссертации докладывались на

1-ом Всесоюзном соввщаняи-семинэре по глубоководным системам и

• - г -

комплексом (Чвркассц 1986), на конференциях ыолоднх ученых ИПШ РАК (Москва 1392,1993),на семинара отдала 30 ИШТ ДВО РАН (Владивосток 1993), на заседании кафедрц ЭВМ Хабаровского государственного технического университета (Хабаровск 1993),

Публикации. По теио диссертации опубликовано 5 печатных работ.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введена«, трех глав, заключения, опеке литературы и приложений.

КРАТКОЕ СОДЕИШШ ДйССЕРТА^ЮШЮИ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работа. 0[ормулирова!Ш цель и задачи исследования, приведены основные научнне результата, вшгасншо на защиту. Приводятся сведения о реализации и внедрении результатов. Кратко изложено оодорапнда по главам.

Парпоя глава диссертации посвящена адаптивной яормлкаацки ¿¡oiriwf'iociwro диапазона эхо-сигналов ГБО. Поскольку вхо-сигнал но входе приемного тракта ГБО является ностпционврнцм сигналом и отличается широким динамическим диапазоном (до 120 gâ), то процедуре оценки идеальной axorpaw&u предшествует первичная рб-рвботкэ ахо-сишала в реальном масштабе времени. Цель такой обработки- стационаризацкя и саатио дкншлгческого диапазона эхо-сигнала. В начале главы приводится математическая (.юдоль процесса формирования эхо-сигналов ГБО [3)

s(t) - parveo * nitj. (2)

где g(t) - наблвдеаmfí эхо-сигнал;

¡>(t ) - мультипликативная низкочастотная помеха; U(t) - информативная составлявшая &хо-спгаала; n(t) - аддитивная помеха, Составлящая ?(t¡ вклвчоат в себя вэлнчида о характерны!! временен изменения Т', орвшшкцм с периодом зондирования Т, например, затухание звука с ростом текущей дальности, изменение уровня ахо-сигнала в связи о расширением волнового фронта посилка, влияние неравномерности диаграмма направленности антенны ГБО (о учетом йамоиений висоты движения носителя) а т. д.

Задача нормализации дэтемичвского диапазона аго-сигнала сводится к шделонию 5аформативной стационарной соотавляпцай гда-смгаала Wit). Задача ваделеная шфорыативной составляющей ■J(t J включает оценку мультаплякаташоЯ помеха ?(t) я mmomsms

- а -

операции

p-*(t).g(t) - Vit) t p^tthnd). (3)

Оценка помехи p(t) производится na достаточно малом ннтервалг зроканн T^ (TjVr, j.i,2,. ,.,x), который получается, например, путем рааОиошал периода вотирования Т на L рашшх чаотог. Поскольку составляющая pft; является болов низкочастотная» чв» i//tj, то на временном интервале Tt ногшо считать, что pfi> ~p*conat. Пусть в результате дискретизации вхо-сигиала с времая-ш вагом Ai Интерпол Т^ разбивается на Я дадонтервалоЕ ']f J{»At, Тогда на основа вцборочнах значений сигиадн

g(i), аадашшх па материала вреыаш! Т1, моию поставить задачу оценка параметра р, где

gm-p*wi + nah (4)

Оценку параметра р выполним методой максималыюго правдаподо-daa. Пусть вектор п является гоуссоаоЭ последовательность» с шютшстью вероятности

■.am-- onrUitexp(--^ifo^n). m

где a mfn^r^,..,,»^) - 2-вектор шума; Сп-коварйациоштя Я«Д -матрица яуиа. Известно, что если иум п не зависит от вхо-сиг-кала g, то условная плотность вероятности наблюдаемого sxo-сиг-даде в при заданном параметре р есть

ЖВ/р) - Шп)

ЩЩ

ql&p) - (Waltet 0aruzexp(--±-(8-(U)ra-UB-fU)). (6)

где g-fg,gj^ - S-вектор отсчетов «аСлщаемого вхо-сиг-аалв; - к-век*. р оточетов отадиоаарвой состав-

лящаа вхо-сигншк. Тогда на основашда формулы Вая за получим

Пр/6) " t(B,pVP(ß) - qiß'PJi'W/rfg). ГП

Путь апркорлал плотность вероятности /-YpJ параметра р очищается неазвеотпоа. При вток юзшэ положить Р(р J-oonat в области мамсоошх значений параметра р. В етом случае оценку мак-

синельного правдоподобия парамотра р о уютом (7) получим

р: max In Р(р/$) " (conat/Píg))• юг In (8)

р Р

где In i'fp/gj- функция правдоподоОия. Условие максимума имеет

няд

ар1

Ллп qlg/p)I . - О. (9)

I Р'Р

Или с учетом (5).(6) и (Э) имеем

-W(2x)kctet cj- ■^(s-pofo^íg-pu))^ " 0

ш

pi/T0-'y - UT0'lg - О. (10)

л n w

й, наконец, если матрица {Лг'ц имеет обратную, то моамо полу-

тать

р - (и^иг'и^в- Ш>

Эта оценка максимального правдоподобия. Если вум белый (Г'-о"2®, где о^-. диспепсия шума; Я-едитвгошя матрица, то оценку (II) иокно пореписать в виде

р - (иЧг' и^в . (12 )

Если априорная информация отсутотвдот, то оценку параметра р можно выполнить методом пакмоньикх квадратов, в соотвототшзд с которым нэоОходимо минимизировать функцию потерь:

%(Р) - Е ¡8(4 - Р U(t))z

i-t ' <

или k

ZSfiWd/

Р - ф- • (13)

2 WU)f

1тЛ

Следовательно, оценка (12) совпадает о оценкой, полученной методом наименьших квадратов (13), Заметим, что числитель н знаменатель выражения (13) представляют собой средние по времени значения произведений, коториа являются аппроксимациями взаимной хор-

реляционной, и автокорроляцаошюя функция.

Устройство норашшвции дянашио'ского диапазона охо-свгна-лов IVO, Ьюгавшшое йи одошю (13), раолязовоио в тле адаятив-ЙОГО фильтра. Это устройство Обй'СИеЧИВПОТ шсокоо качост.по НОр-шлпашивд. дзгавшгеоекого диапазона оха-сцгнвлз в« счот введения второго приемного канал», в котором формируется оценка р (13). Такая раздольная сбрг,Сотка эхо-сигнала g(t) в двух прмешшх каналах позволяет Coji.so полно учесть iiroJopMaiono- oö измолешш ус-лэиШ приема, блогодпрн чему дучаа согласуется широки» дапа«и-чэскай диапазон -пршюмааивс ало-Сйпюлоз с узким д«на«ическка диапазоном самопиоцп. Рмрвботшшоо приемноо устройство ГБО (в соавторство с В.В.Золотйравим, В.Й.Ыилятюшм, В.П.Чеботарем) била üciiuTiaio в состава Суксирувшго ГБО Института проблем морских технологий ДВО РАЛ при выполнения отладочных обгорно-поискоеих работ на шеваторли Лионского моря й 1991 году. Натурша испита-тя показали шсску» приспособляемость приемного устройства ГБО и нзданятакмея условиям приемами в результате ого вксплуа щаи повышена достоверность охоинфораащш, улучаона структура схо-грдом. ш данному устройству офорспонн и- поданы две .заявки на изобретения.

Вторая глава постыдна статаотидескаау синтезу опткмалыюЗ сястеми ваоствновлаиия гидролсяшциотшх изображений при параметрической априорной 7-.оопртдолошюсти. В начала главк приводится математическая модель процесса фаршрошмтая иаодадвоиов вхогрш-ни морского дат. -Аяташт' ГБО установлена на носатедэ, которы43 ^пэтея поступательно с постоянной скоростью У на определенной шеота ¡1 над дно:«!. Акустическая ось онтешш л-jssit в плоскости, парязндакулярной к линии курса, и слегка наклонена в сторону дно, »14 емоот■ веерообразную Форду шириной' 0 2й в курсовом направленна в ЗсЯ+ 5СР в вертикальном плоскости. Пусть а вомант излучения (t-О) (-го воддарукцэго кзщудьоа S(t) ко-ордшюти носителя ацтошм ра^иы у » - i -V-T & х-0. Тогда в 'аюмант вроиопи t на сиходо. адаптивного фильтра шшои шз$ораа-тащун состшумщую U(t) охо-евгншт g(t). отраженного от алаквнтарцого учаитки дна * окрестности точка с координатами

x(t) - {(а/2}г-иг)1/г,

y(t) ' Vi * Yt/2 , t>2H/a. (14)

Дао предполагается шгашош,-то есть и*со,иа. Поскольку У « о,

■о зависимостью координаты уа) ит времени мои» пренебречь, голсмш у С г; - Информативная составляющая аю-скгнало визуализируется и отображается в виде Я^х') - 1-е Я строки изобра-гания, где х'-координата строчпой развертки регистратора. Сово-(ушость строк

Я - ( Я^хЧЛ'ОЛ.....Г > >бразует изображение морского дна.

Как показнвает практика, для охограмм, полученных с п&ющьв ТЗО среднего радиуса действия-, влиянием полюй сродн па времеи-109 размытио сигнала можно пренебречь. Поэтому в работа вопроси, звязвшшо с исправлением искажений, вноекмих средой, па рассна-гриваются.

Отражательные свойства норского дна мозшо описать функцией у) - пространствтспхм распрвдэлонйом силц обратного допного рассеяния. Тогда информативная соствшшщая (2) тс/г 1

- | ( <ич ыв,юо +

-%/г о

* п(т. (15)

гдэ - алдатптшй шум; Ы&) - функция угла .0, опиенвав-

з^вя ХНА. Величина - зависит от пкустичоских свойств Морс-

кого дна вблизи окрестности точки (14). Размер оавучнваейого ¡гчастеа <1) в момент времени X определяется шириной ДЗЦ вдоль путевод дальности и -.длительность» ч оопдирувэдго кмпуль-оэ '3( I) вдоль горизонтальной дальности. По каре, распространения аоидарувдэго импульса в пространстве ям- шслэдоватвльно озвучиваются узкие клшговщцшо подоски дна, вытянутые перпендикулярно к линии. куров. Обозначим выреа&тю в квадратных скобгтх (15) через т

. ;<_(хц),$) » I К(х(г-г'),у1-в-хеш (16)

о

тогда „

и,а) - [ ьго;йв г ЩИ), (175

Очевидно, что /jf.rrtj.ot представляет строку идеальной зхо-.в • отсутствие.' аддитивного вуна и при бесконечно узкой -ДИ&, когда функция угла Ъ({5] есть дольто-фушшия. Возком дяскрог-.

низ значения угла в, равные - J^Л6, J•0,t1,...,t где

^ '.У ч/цха))г*^1иг.

Тогда, заиавнв интеграл в выражении (17) суммой и учитывая, чтс /^(x(t),JYT)-/^fJ(x(t),0), получим приближенное равенство

Ы^г) Ти1(хП).0)Ъ(Ъ3) * п^и. <18

Таксы образом, строки реальной вхограммы близки к сумме шума | свертки строки идеальной ахограмнц с набором 2J+1 коэф&щиен-ТОВ Ъ(0), Ъ(гЬО),.. Шскольку искажения в систем)

формирования небольшие фрзшонтов гидролокоциошшх изображений полученных о помощью ГБО, можно описать разделимой пространс-.твеяно-юшариаити"С1 фушщией рассеяния тачке, то коррекция смаз1 вхограммы вдоль кетовой дальности сводится к одномерной задаче Поэтому при оценке идеальной ехограмми в диссертации были «о-Шльаоваш одномерные фрагменты изобрелоиия морского дна, орнвн тировашаю параллельно курсовой лиши (ось 0У>.

Для восстановления фрагменте ахогромш и осуществления процедуры оценивания М1А (из определенной дальности хк) определи) векторы, значения которых намерялись с шагом л -ТУ:

У - - »-вектор фрагмента реаль-

ной вхограмми;

/ - (/1-/1 (х±).... ~ п-воктор фрагмента идеаль-

ной вхогршли;

я - (ъх«пл(х)1.),.,.*пх*па(хУ1}) - я-вектор шума; 6 » - вектор отсчетов ХНА.

Где п-и¿«я.п.

Тогда на основании уравт'пния (18) получим линейаое преобра вовенав векторе / в вектор

а ' В/ *■ я.

где

(19

0 ... .0 - щ • п - матрица отсчетов

...Ь0.....Ь, 0. .0 характеристики направлен

ности антенны.

0 0...

Целью работа является оценка идеальной эхограммы / при неизвестной матрице ХНА В.

В работе для статистического синтеза оптимальной системы оценивания идеальной эхограммы используотся адаптьвный бвйасов подход (2,4), который включает следующие элемента:

- вывод формулы для оптимальной байвсовой оцонки /оС(/.0) при известном значении В путам максимизации апостериорной плотности вероятности идеальной эхограммы при заданной реальной Рр я(//и,В)1

- наховденио оценки максимального правдоподобия ё = Ё(и) путем решения уравнения правдоподобия;

- отыскание оптимальной байосовой .цепки }0(1),Ь) посредством замош ноиэвастной матрицы В се оценкой 6 = Ё(Ц).

Согласно пргашипу максимума апостериорной вероятности оптимальная оценка идеальной эхограммы мокат быть найдена из условия

/о- = "«Г Р?3(/Л),В).

(20)

Апостериорная Плотность вероятности идеальной эхограммы при заданной реальной есть

Ргв(ГА),0) -

| Р(Г)-д(и//,ВМ

(21)

где Р(/> - априорная плотность вероятности идеальной эхограммы;

- условная плотность вероятности реальной эхограммы и при заданных идеальной / и матрица ХЩ В. Поскольку знаменатель <21) пе зависит от /. достаточно максимизировать числитель. Таким образом, получение оптимальной шыкн предполагает задание плотностей 1?({) и д(Ц//,В). Известно, что если шум п не зависят от реальной эхограммы и, то условная плотность вероятности есть

q(U/f,B) - Щп).

(22)

где Щп) - плотность вероятности шума.

В роботе используются гауссова модели идеальной эхограммы а шума

(23)

Щп) - (Sxra/Z(fet ОпГигехр(-±-п*СГ?п), (24)

где Cf- ковариационная п > п - матрица идеальной вхогракмы;

■С - ковариационная п « к - матрица шума. В соответствии с принципом максимума апостериорной вероятности (20) и с учетом (22).(23),(24) оптимальная оценка идеальной вхограшы юцачся посредством решения на безусловный минимум фушсци-онала

- Т/1'0^/ * Т (U-8f)TC^ (V-Bf;, (25)

В результате минимизация этого функционала получаем выражение для оптимальпой оценки адэалыюй ахограмма при известном опора-торе искажений:

/0 - C^fBG^tCj-'U.

(26)

Такое восстановление называется винарайской фильтрацией.

Следующем этапом статистического синтеза оптимальной системы восстановления вхограммы является оцониванио неизвестного оператора йсйагшкнК В.

В диссертационной раОоге рассматриваются два случая, наиболее часто встречающиеся в практике гидролокации. В первом случае ¡СНА задана с точностью до неизвестных параметров. Так, в работе 1Ы приводится Формула характеристики направленности для лкнэй-ной дискретной антенны

bfBJ

atп{ "BîBtnfi

п Bin(

va sine

(27)

где n - число .элементов в антешю; d - расстояние ыавду элементами; К - длина волны.. Очевидно, чтойн получить набор коэффициентов Ъ(в^). достаточно подставить в формулу (27) дисвротные

щачемгаа угля

О, - -HfrTTS-J. ■ (28)

да J-0,21... .iJ . Парвмэтрц У а 11 сштаяаоь ненавэотниая. Зо втором üauae осдом случае ХНА Сила из измсгаа. В атси случпэ качеств» няизвестних параметров Оралась сс.мл отсчета MU.. !1э-азяастиые параметры кик и первом, гек-.и ио агорой случае оцени-заяясь иатодоа максхзиальпого [фавдодадоаил. Условном призюнешя аатодч аексвяалыюго правдоподобия является ногате априорное информации о плотностях вероятности дискретна* реализация вдэ-алшоа. вхограшш / й шума п. Если поверхность царского два представить горизонтальной шгаскоатьа, иа которой случвлш рпо-прэдолепи неаввисюага дцскрэтпав рассошштоли, то функция К(х,у) иавю моделировать я видз реализаций гауссоного' случайного поля. Тогда на основании ляноЗного ггрэоОразошпыя (16) / является гауссовой- послодователыюсть» с плотностии вероятности (23). Згограмму / fsoara трактовать как случпШвгй r.üöop аз йпсвмйяя siDrpB-.üi {/>, определяемого сошзствоа плотноотьа ввроятноста (23). Шотгюсть (23) хвршстяризуот структурные свойства пзвгпшх aiorpwsi ancaMöJrt.

Суть катода ииксииука правдоподобия замотается а та'4, что оцоншзаемцэ параметры яшаятся пораштращ фушадш совазотаоЗ плотности вероятности совокупности отсчетов раадьшй ахограшя! P(U/¡}). .Функция In Р(ИУВ) йазкваатся фуикциеа правдоподобия. Найдиы ату фугашда. Известка, что нмtäbsm полная апфзрнацая о раалыюЯ а сб идеальной axorpmasas содоркагсл з кх сспаоспгоЗ плотности вероятности при заданной матрица В отсчетов SÜ, катару» -пра условии веаавасдаости матрицу В от идеальной eso-гршеш / иошо представать в' взде

l'W.f/a) - q(U/f,B)-P(f). (29)

йсдазиоз supssaiiBo для Фуюсцка правдстодоЗия надува еттзграро-ВВИИеЫ (29) со / ' •

D5 '

m/3) - I q(U/f,B)P(fW. " ' (30)

Тогда из (22),(23),(24) а (30) получал разульгируюарв пнраязппэ для функции 1гравдоподо0ил

- :;б -

т р(и/в) - -^-ы I(г%)Шп)ш{сп*ж!гв,:)) -

В случаи задания ХНА иирцжотои (27) нокзвоствдв параметра V и II оценивались в хода поиска максимального значения функции

(31)

9,6 " шг 1п р(и/и) . (32)

У,И

В ситуации, когда ХЛЛ не известна, ее отсчета оценивались также при поиска максимального значения футсции (31)

6 - юхЧп РЩ/В) . ♦ (33)

Ь

В работе для определения максимального значения функции правдоподобия (31) был использован метод сопряженных градиентов.

Одаозночность рошоиия уравнений максимального правдоподобия

(32) я (33) обеспечивоотся специфической треугольной теплицевой Структурой матрицу В. В диссертации рассмотрен вопрос достижимой точности оценок параметров ХНА. На основании неравенства Крашра- Рао (б] виводится, что точность оценок отсчетов ХНА методом максимального правдоподобия зависит от длины выборки и реальной эхограмми, а такка от отношения сихнол/шум и от свойств идеальной эхограмш /. Чек блика свойства идеальной ахограшв к белому геуссовому иуму, тем полнев удовлетворяется условие постоянного аозбувдания (5]

Р(п»>0 , (34)

гдо Р(м) - спвктр идеальное эхограмми. Выполнение условия пос-тошшого возбуждения для идеьльной ахограмма / на практика означает, что ширина его спектра додана Сыть не меньше ширины спектра XI !Д. Именно так и обстоит дало в действительности.

В о той же главе рассмь/ривается вопрос устойчивости оценок Й от точности задания параметров функций распределения идоаль-ной вхограммн а шума и Сп. Из призпденнцх в работе данных можно судить, что при изменении параметров распределения С4 и Сп в широких пределах точность оценок В является высокой, ' Для проверки метода статистической оценки ХНА были проведе-

т числегаше эксперимента. В иде проварки идеальная ахоградаа моделировалась в вида отсчетов реализации нормального случаемого цроцесса о вкспоноициальноЗ функцией корреляции

- 0^ ехр(-\г1\/%л) соэ(*0г1) , <35)

где (-!,?,...,256; 0^=0.0394 - дисперсия идеальной эхограммы; я0-256к - на суда л частота; т, - постотшая времени. Далоэ к результату свертки идеальной эхограф /.в ХНА добавлялся аддитивный белый гауссошй оум с нуловцм средним а дисперсией о£»в.ЗЗ-1СГ5, Затем по сформированной таким обра-зо» рояльной йхограшлэ I/ и с исцользовонием функции правдоподобия (31) шполиялась оценке отсчетов ХНА ,62,&3,&4,6а;. Результата цифрового моделирования статистического оценивания отсчатоа ХНА представлены в таблицах I и 2. В таблица I представлены результаты оценок ХНА в зависимости от числа я отсчетов реальной вхограмиц. используемых в процедуре оценивания. Сродна-¡гаадратичноо отклонение оцоиошшх отсчотов ХНА от истинных вычислялось по фабуле

з - П/ЬДгьг5£/;1/2. (29)

Как и следовало ожадать, точность оценок отсчетов ХНА возраотаат с увеличением объема выборочных дашшх т. Поскольку яра ъ*20>24 метод максимального правдоподобия дааг вполне приемлемую точность оценок отсчетов ХНА» то .поолодувдив акстэриманты проведены при т-24. В таблице 2 привадени результата оценивания отсчотов Х1Ц для разных истинных значений Ь.

последним этапом статистического синтеза оптимальной енотами восстановления является отыскание оптимальной баВвсовой оценки путем законы в формула !26)пвйзвэстной матрицы В на еэ оцежу 8

К * * <»»

Тратья глава посвящена цифровому моделирования восстановления . азоораканий морского дна, полученных посредством ГВО. Строки идеального изобразгатш представлялись в вцде отрезков случайного сигнала типа белого гауссова шума. Для контроля по-зшшшя угловой разреиаваой способности ГВО по всену полэ изо-

Срежшшя в качестве объектов локации Сила выбрани малоразмерные протяженные цели.

Таблица 1

Зависимость точности оценок отсчетов Х31А от числа Я шборочных значений мо-сигиала

И 15 18 го 24

Йотизпаю оточоты ни ь 0.1 0.1 0.1 0.1

Л о.г о.г " 0.2 0.2

ьз 0.5 0.5 0.5 0.5

о.г 0.2 0.2 0.2

ои 0.1 0.1 ОИ

Оценка отсчетов 0.35В -0.033 0.099 0.093

0.436 О.ЗОЗ 0.240 0.207

ХН4 6. А 0.434 0.497 0.496 0.469

Л 0.436 . 0.303 0.240 0.207

&5 0.358 -0.033 0.089 о.оаз

беднее каалратичоское отклонение от иогиикого е о.ггз 0.106 0.026 1 0,018

Ти&гащв 2 Оцршш оточотоа ХНА при рвзвих вотшпих зиечакапх ХНА

Щ 1 2 3 4

Иатшяаде ■• отсчета ХШ. ь о.в ■г 1.0 0.1 ОИ

■ ьг 0.8 1.0 0.8 о.г

ьз 0.8 1.0 1.5 0.5

О.В 1.0 о.а 0.2

о.а Л.О 0.1 ОН

Оценки отсчетов, зои. Ь ' Л 0.769 <0.961 0.073 0.083

V 0.313 1.015 0.755 0.207

0.743 0.9Э5 ».44» 0.469

Л 0.В13 1.015 0.755 0.207

. к 0.769 0.961 0.073 0.033

Пралзрио так могла Ои ¡шгяядэть кара ряде» расположенных подвох

их кабелей или трубопроводов. Объекта локации моделировались в ладо строк с постоянными уровнями сйгналов. В работе приведена йзультяты моделирования идоалышх зхограмм. Реальная ахограмма f формировалась в соответствии о уравнением <19). При формиро-sbhbh реальной ахограммы парвнотрн ГБО принимали следующие злв-101гоя: п-6. сЫ 00мм, \'Т. 176см, Т»1с, Д-7БМ, У»1м/с* Горязоп-голышя дальность г измэнялаоь от 100 до 140 метров. По сформированной реальной охограшо V па использованием функция травдоподоСия (31) находились оценки параметров 7 и Я' (для случая задания ХНА (27Если ХНА была на известна, то в качестве оцениваемых пареметров были сами отсчэти ХНА. На основе вычисленной оценки ХНй осуществлялось оценивание идеальной эхосрамки f. В работе пряводени результаты восстановлен®^ ахогрш при отношениях сигнал/шум, равных 100 и 350, 1й воссш|овлэшаа вхо-грашох хорошо шдащ объект локвции, которно не различались ив роалышх вхограшах,

щвода И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ работы

1. Разра^чад адаггпшшй алгоритм статистического оценивания му-льткп.г;'л;зташ!ой низкочастотной составляпцой эхо-сигнала ГБО. Рассмотрен вопрос о достижимой точности оиэкшзаяия мультишш-

' каткспой помехи.

2. Разработано и иепцтано в лабораторных и морских -условиях адаптивное устройство нормализации даншяачоского диапазона вхо-с.-тгналов ГБО. В ходе исдатаяиЯ установлено. Что Дштоа -устройство обладает шеркой^ приспособляемость» к нзданяхвдамся условиям приема.

3. рззрзбогаиэ мотаивтгпвскоя модель процесса формирования эхо-грамма ГБО» основанная на моделировании йскззшнйЗ рвздалижзй ГЕрострЩ1СТВ51шо-югЕаркантаой фушщлвй рассеяния точки. Реальную мограмму морского дна можно рассматривать Как результат ; свертки идеальной ахограша (получайной посредство» воображаемого ГБО с бесконечно узкой ДНА) о функцией,: описывающей ре-алыгув характеристику направлениоста вдтеиш.

4. Произведен статистический синтез оптимальной систегш восста-новлокия аХограмм ГБО в условиях параметрической априорной неопределенности. В раОото для статистического синтеза оптимальной сметами оценивания йдаадьней зхограмма используется адаптивный байасов подход, который включает еледутаре гшзмэн-

. ты: '

- вавод формула для оптимальной йайесовоЯ оценки при изеост ном значении В путам максимизации, апостериорной плотност вероятности идеальной вхограммн при заданной наблюдаемо Ррв(!Л!,В); :.

- наховдшюэ оцешси максимального правдоподобия B^BCU) ку тем решения уравнения правдоподобия;

- отыскание оптимальной Оайосовой оценки f^fU.B) путем за даны неизвестной матрицы В ее оценкой Д.

Впервые формализована и решена задача компенсации смазо ехо граммы вдоль путевой дальности, который вызивзогоя конечно] шириной диаграммы направлогагасгй антенну, что позволяет новы сить угловую разрошащую способность ГБО.

5. Решение проблемы неопределенной* шшерсяой свэрт1Ш двух сиг налов удалось найти в рамках статистической формулировки зв дочк при условий, что один из своротах сигналов имеет гораз до большув длительность, чем другой.

На основании гауссово* кадета ансамблей вдоолыюй ахограшд и шуыа шведона функция правдоподобия. Из-за весьмз специфической структуры тогшщовой матрицы В удоатся найти единственное реаеиие уравнения максимального правдоподобия.

6. РазреОотшм методика калибровки антешш ГЁО, основанная m программно реализованной алгоритма оценки характеристики направленности антензш по наблюдаемой зхограмме.

7. ПроЕодона экспериментальная проварка разработанного метод;; . статистического оцешшанкя идеальной зхограммы посредство;*

численного моделирования • аа Ш типа IBM ЕС. Проверка шка-. . sana увеличение разрешающей способности по путевой дальности '•I не менее чем в два- раза.при горизонтальных дальностях от IOC до 140 кетров и отношении сигнал/шум, равном 350. ч,>.в;,Разра0оташшз метода оценивания идеальной ехогрешы, рэвлизо-. - -- - ¡заншо в виде ко!<щлвкса проградл, использовались для 1бфровоа ' ; оррьботея реальных вхограша, поязпюшшх с покощью- дэйствуицв-; ■ . ■ ^ , •го ГБО в составе ввтоцойного' шооитаешго подводного ойварэта ЖМТ ЯВО РАН.

, - .Основные теоретические ' результата работа могут Сыть использо-. t вана при оцедашашш идеалышх изоорааешй-, подвергнутых прос-

s-s i ..<4?.* ». транствеяно-й^^р'актшйг йскаяокиям. • Причем процедуре ' вос-- становления изображения Судет предшествовать оценивание оператора искажений по наблвдаемому изображении. ÎO. Результаты исследования могут быть пр.моно5Ы также при решэ-

пин задачи идентифпшщш среда рэспрострпноши: -угнала при поредачо дашшх по каналу с памятью.

СПИСОК РАБОТ, ОПЭТЗЛИКОВАИШХ ПО ТШЕ ДИССЕРТАЦИИ

. Золотаров В.В.,Цм> С.П.. Обработка зхограмм ГЕО о использово-1шом цифрових методов улучпганш» качество изображений //Все-союзн. совет.-сом. по глубок, системам и комплексам: Тезисы докладов: В 2 ч. Черкассы, ■ IS86. 4.2. C.34-3G.

:. Золотвреп В.В., Цка С.Я. Адаптивная обработка эхосигавлов гидролокатора бокового обзора в измоняиеихся условиях приема //Подводае робота и гос системи/Трудн ИПМТ ДВО РАК. Владивосток. 1992. Внп.5. С.141-144.

I. toe С.Я. Адаптивная нормализация динамического диапазона зхо-сипюлов а гидролокаторе бокового обзора //27-ая -конференция молода учсш!Х ИПЛТЛ РАН: Тезисы докладов, м, 1932. С.10-12..

!. Лебедев Д.С., !1хо С.К. Повишоние угловой разревзкхзэй способности гидролокатора сокового обзора посредством .обработки эхо-сигпала //2В-ая конференция молодит, учених И РАН: То-ЗИОТ Д-,•••.годов. М, 1993. С.34-3?,

>. Лебод«-!. Л.С., Цхо С.Я. Поьшяошга угловой рчзрошвшой способности гидролокатора Сокового обзора при неизвестной характе-' рнетте.е направленности штотш: Сборник научных трудов НИК КТ/Иод род. Т.Н.Силуковой. Хабаровск:л^д-во Хабар, roo. тшеи, уь-то, iviO. burr.I.

ЛИТЕРАТУР/,

[. Василенко Г.И., Таратора! A.M. Восстановление изобраяэняя. К.: Советское радио, IS8S. 304 с.

г. Лебедев Л.С. Статастическая теория обработал вцдооинфоргящяч. ■U.: МФТИ, 1983. 80с.

3. Золотарев В.В. Автоматизация получения н обработки вхояя-формашш ГБО в подводных роботах //' Подводнно робота и их

. система. Владивосток, 1987. C.2I8-240. .•

4. Репин В.Г., Тортаковский Г.П. Статистический синтез'при априорной неопределенности и адаптация гафрнацйоншос систем. М.:Советское радио, 1977 . 432 с. . •

5. Уркк РоСерт Да." Осиоец гадроакустики. Л. Судостроение, 1978. 448 с.

3. эшафф П. Основы идонтийжащш систем управлений. И.: Мир, 1975. 683 п.