автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Метод повышения разрешающей способности некогерентных сканирующих радиояркостных измерителей

од

Григорченко Семён Алексеевич

На правах рукописи УДК 621.391

Метод повышения разрешающей способности некогерентных сканирующих радиояркостных измерителей

05.13.16 - применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях

Работа выполнена в Московском Физико-техническом иституте.

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор В.Н. Жигулёв.

Официальные оппоненты: доктор технических наук

профессор, член-корреспондент РАРАН Рахматулин Р.Ш., кандидат технических наук Егоров A.C.

Ведущая организация: ЦНИИ автоматики и гидравлики.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность.В настоящее время в системах управления (СУ) летательных аппаратов (ЛА) различного класса для повышения точности навигации широко используются радиолокационные измерители интенсивности электромагнитных волн, отраженных от земной поверхности (активные) или излученных земной поверхностью (пассивные), которые по сравнению с оптическими измерителями значительно менее критичны к погодным условиям и обладают более высокой помехозащищенностью. Сформированные измерителями, как правило, двумерные сигналы (изображения) подвергаются затем вторичной обработке с целью выделения информации, которая используется для определения ^лпппмняф .па.

не зависит от расстояния до исследуемой поверхности. Линейная РС по азимуту прямо пропорциональна азимутальной ширине диаграммы направленности (ДН) антенны, которая, в свою очередь, обратно пропорциональна соответствующему размеру антенны. Размеры антенны бортового радиолокатора и, следовательно, РС по азимуту ограничены габаритами ЛА. Анализ литературы, посвященной бортовым радиолокаторам корреляционно-экстремальных систем радиояркостного типа, предназначенных для работы в диапазоне высот 1000 - 8000м, показывает что, во-первых, РС по азимуту в несколько раз хуже РС по дальности (особенно на больших высотах), во-вторых, РС по азимуту часто недостаточно для обеспечения требуемой от таких СУ точности определения координат. Поэтому весьма актуальной является

описывающую искажения изображений, формируемых бортовым радиолокатором;

разработан критерий оценки эффективности, наглядно интерпретирующий результаты восстановления малоразмерных объектов;

разработан новый алгоритм восстановления радиояр-костного изображения, учитывающий особенности некогерентных радиолокационных имерений и ориентированный н< работу в темпе сканирования;

разработан пакет программ для моделирования алгоритма восстановления радиояркостных изображений. Практическое значение. Разработанный в диссертационно работе алгоритм позволяет повысить в 2-3 раза угловую разрешающую способность сканирующих измерителей радио

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается обоснование актуальности темы

и излагается краткое содержание диссертации.

В первой главе проводится сравнительный анализ методов повышения разрешающей способности по углу и обосновывается целесообразность использования для рассматриваемой прикладной задачи кибернетических методов восстановления изображений.

Во второй главе представлен метод восстановления радиояркостного изображения земной поверхности.

В §2.1 описывается математическая вероятностная модель измерительной системы. Модель имеет три составляющие: исходный сигнал, сигнал на выходе реального измерителя и сигнал на выходе эталонного измерителя.

Отраженный от земной поверхности радиосигнал-

ветствующие разным видам естественных покровов, отличаются средней яркостью, которая скачком изменяется на границе.

Исходный сигнал Yя представляет собой дискретные , значения средней по множеству флюктуаций амплитуды сигнала на выходе некоторого нешумящего измерителя, имеющего равномерную ДН в форме части кольца, совпадающего с полем зрения реального измерителя, размеры пятна которой (ДН) по азимуту и дальности равны соответствующим интервалам дискретизации, а принцип действия его (измерителя) аналогичен принципу действия реального измерителя:

Ук=М[|У1] = [уи(1, ;})= М[1у(1^)|], 1=0,...Ыг-1,

^0,...Ыа-13, (1)

моделируются реализациями случайных процессов в соответствии с их (фрагментов) типом.

Сигнал на выходе реального измерителя вычисляется по формуле:

Е « {±(к,1)=

N„-1

з=о

, к= 0, ... , Ыг-1, 1=0,.. .,Ыа-1},

(2)

где Аа - азимутальная ширина ДН антенны по

мощности; отсчет нормированной ДН антенны по

мощности; §а- угол смещения ДН антенны за длительность одного периода повторения зондирующих импульсов;

прочие характеристики равны соответствующим характеристикам реального измерителя.

Сигнал на выходе эталонного измерителя удовлетворяет соотношениям:

х "г"1 Ш2

1 = 0 3 = т1

Ш1=к-Нт, т2=П11+Ыт-1, Мт=Дав/5а, Ии= Ма/Ыт},

(3)

N„-1

2 ьэ (3 ) -у (к, 1+э ,

з=о

к= 0,. ..,Ыг-1, 1=0, . . . ,Ыа-1}, (4)

где - число измерений за время смещения ДН на один интервал восстановления; Аав - размер интервала восстановления в угловых единицах измерения; Ыи - количе-

ного восстановления фрагмента сигнала Рв{1) понимается вероятность следующего события:

' АВ(Л)=П АувЦ, Я , 3 =0, . . .,N-1, (5)

где Аув{1^) - событие, состоящее в том, что е^Ц,;}) $ 5 Ув(1/:]) 5 б2в(1, Я ; Ув (1 г 3 ) - з-ая компонента 1-ого фрагмента восстановленного сигнала; е1в(1,;з), е2в(з-,:))-- пороги, определяющие область значений, попадая в которую соответствующая компонента считается правильно

восстановленной; О - символ операции пересечения событий.

Вводится средняя вероятность правильного восстановления Рв , равная среднему арифметическому Р„(1), вычис-

Под средней эффективностью Кэ по критерию эквивалентной диаграммы понимается отношение ширины ДН реального измерителя к ширине ДН эталонного измерителя, удовлетворяющей условию | Рв - Рэ I <6р/ где 8Р - малая величина.

В §2.3 описывается алгоритм восстановления. Задача поиска оператора (алгоритма) восстановления ставится как задача поиска параметров оператора с фиксированной структурой:

А=А(с[) : Рв(А(ч),Тэ)=1паж [Рв(А(<1),Тз] ,

q

■"•з ь А зтах г (7)

где я - вектор подбираемых параметров. Выбор структуры оператора обработки осуществлялся на

Ш1=к-Ыт, т2=Ш1+Нт-1; ап е [О, 1] - весовой коэффициент; остальные обозначения соответствуют используемым ранее.

Условием эффективного применения предварительной обработки является статистическая независимость в совокупности измерений !:(•). При этом использование при вычислении взвешенной суммы оценок максимального

значения ГмзИ и выборочного среднего £вс(') позволяет, с одной стороны, измерять сумму амплитуд "ярких" квазиточечных объектов, с другой стороны, эффективно подавлять флюктуации сигналов, отраженных от объектов различных типов.

Процедура восстановления имеет рекурентную структуру и описывается следующим соотношением:

компоненты сигнала £п. Оператор обращения (один шаг процедуры):

у ™ (ц) =Р3Р2 [у (Ц) +Ку (И) -^п(ц) ] ] , (Ю)

где Ку - матрица коэффициентов усиления размерностью ^•Моо; Моб=Нд+£}м-1; число интервалов восстановления,

одновременно накрываемых ДН; в - матрица "скользящей" системы уравнений формирования размерностью Моб*Ми;

Л .

£ п (М-) = ^ ^п (Ц) г • • • г £п 3 г оператор ограничения

динамического диапазона; Рз - оператор стабилизации. Матрицы в, Ку формируются из ДН антенны измерителя с учетом размера интервала восстановления. Оператор Р2 при отсутствии дополнительной априорной информации обеспечивает неотрицательна

получение оценок эффективности разработанного метода .

Для проведения эксперимента разработан пакет программ, моделирующих измерительную систему и алгоритм обработки, а также программ оценки эффективности.

Эксперимент проводился в два этапа: исследование предварительной обработки и моделирование алгоритма восстановления в целом.

В §3.1 приводятся результаты исследования предварительной обработки. Определяются диапазоны значений параметров Тв, Ыт и Ыг для конкретной задачи. Показано, что количество статистически независимых измерений, приходящихся на один интервал восстановления

при Аав=Аз5/ (2-гЗ) , принадлежит диапазону 8 < Ыпо ^ 24 0.

персии флюктуаций фона, количества объектов Ы), с другой стороны, от -параметров предварительной обработки (вида оценки и длины выборки Ыпо) ;

МЗ имеет преимущество перед ВС при оценивании

суммы модулей N£{2,3,4,5} точечных объектов в определенном диапазоне значений дисперсии флюктуаций фона, который (диапазон) зависит, в свою очередь, от количества объектов Ы;

входное отношение сигнал/помеха Шпо^) для практически интересных случаев зондирования N>2 точечных объектов на флюктуирующем фоне не превосходит двух.

Рассматривается вопрос о стационарности ошибки оценки сигнала после предварительной обработки 1:п в процессе зондирования групповой цели. При сканирована

В §3.2 приводятся результаты математического моделирования алгоритма восстановления. Рассматриваются следующие вопросы:

сходимость алгоритма;

оптимизация параметров алгоритма по критерию максимума вероятности правильного восстановления;

оценка эффективности метода восстановления. Описываются условия эксперимента. Множество исходных сигналов формировалось из перечисленных ниже типов импульсных и фоновых фрагментов. Группу импульсных фрагментов составляли:

одиночный положительный импульс;

два и три положительных импульса, энергетические центры которых на оси времени распологались на рас-гфппнмм нр мрярр. чрм гтя тактя сканиоования. т.е. —

средней яркости которого составляет регулярная составляющая ; 1 - нефлюктуирующий фон}.

Параметры процесса измерения, определяющие вместе с множеством исходных сигналов множество сигналов на выходе реального и эталонного измерителей:

азимутальная ширина ДН антенны по уровню половинной мощности -(2-т-З) интервала восстановления; ртношение фон/шум - 10.

Исследовалась сходимость алгоритма. Сходимость алгоритма полностью определяется сходимостью процедуры восстановления. Для оценки ¿ходимости вычислялась зависимость максимального относительного среднеквадра-тического изменения восстановленного сигнала е^х для тоех значений параметра Ыме{1, 3, 5}:

эталонного измерителя и восстановленного. В импульсном фрагменте импульс считался правильно восстановленным, если его энергетический центр с точностью до интервала восстановления совпадал, а амплитуда составляла не менее 75% от своего среднего значения. Подбор параметров и исследование сходимости осуществлялись с одинаковой ДН на одном и том же множестве исходных сигналов. В качестве оценки средней вероятности правильного восстановления использовалась средняя относительная частота , являющаяся несмещенной, состоятельной оценкой Рв . Средняя вероятность правильного восстановления вычислялась с относительной погрешностью не более ±0.5% с доверительной вероятностью 0.95. Эксперимент

по критерию эквивалентной диаграммы лежит в диапазоне 2ч-3 при Мпое[36, 72] и совпадает с отношением Дд5/Лав.

При исследовании влияния априорной неопределенности ДН на эффективность обработки отдельно оценивалось влияние систематической и случайной погрешности

ДН. Неискаженной считалась ДН, ширина которой А°'5 =

—2.5-Дав • Систематическая ошибка моделировалась путем изменения ширины ДН. Влияние систематической ошибки

ДН характеризовалось относительным уменьшением ув , которая оценивалась при Ыпо=36. Эксперимент показал, что при изменении ширины ДН на ±5% и ±10% средняя относительная частота уменьшается соответственно не более, чем на 3% и 10.7%. Флюктуационная ошибка ДН моде-

л

а оценка среднеквадратического отклонения ав не превышает 5.6% от увЬ .

В четвертой главе рассматриваются вопросы технической реализации алгоритма восстановления. Основными характеристиками алгоритма, определяющими сложность реализующего его цифрового ВУ, являются качественный и количественный состав математических операций и объем запоминающего устройства, необходимого для хранения и выполнения программы обработки.

§4.1 посвящен анализу вычислительных свойств алгоритма. Отмечается, что в алгоритме используется всего 5 типов операций, причем все они кроме умножения являются простейшими и входят в систему команд любо— ТТГП/-Л тэ Л ПТППМТ-

ВУ осуществляет вычисления с фиксированной точкой и оперирует 16 разрядными двоичными данными. Требуемая производительность ВУ при рабочих значениях параметров алгоритма и длительности интервала восстановления Тв=2-10~3с - П « 80000000 коротких операций в секунду (далее оп/с). Следовательно, для реализации алгоритма в темпе сканирования необходимо использование специализированного ВУ, адаптированного под быстрое выполнение процедур обработки.

В §4.2 оцениваются характеристики памяти ВУ. Расчеты,, проведенные по моделирующей алгоритм программе, написанной на языке высокого уровня, показывают, что ВУ достаточно иметь ПЗУ емкостью не менее 4Кбайт, причем из них 3Кбайт отводится под программу, а 1Кбайт

Аппаратурные способы вместе с программно-алгоритмическими возможностями сокращения времени обработки • свидетельствуют о том, что алгоритм восстановления может быть реализован на двух-трехпроцессорном специализированном вычислителе. Приводится структурная схема спецвычислителя.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработан метод повышения угловой разрешающей способности сканирующих, активных, импульсных, некогерентных измерителей радиояркости земной поверхности. Метод включает в себя математическую модель измерительной системы, критерий оценки эффективности и алгоритм обработки.

2. Поовелено математическое моделирование алго-

Получены количественные оценки влияния погрешностей ДН на эффективность обработки.

3. Проработаны вопросы технической реализации алгоритма обработки в реальном масштабе времени. Показано, что при длительности интервала восстановления 20мс алгоритм может быть выполнен на двух-трехпроцессорном спецвычислителе, каждая секция которого имеет в своем составе процессор с производительностью 10000001500000 коротких операций в секунду и сопроцессор для быстрого умножения и вычисления скалярного произведения векторов. Проработан вариант структурной схемы спецвычислителя.

4. Проведено исследование алгоритма обработки с использованием реальных сигналов. Не смотря на то, что пряльные изображения не соответствовали требованиям

мальных системах наведения радиояркостного типа. -ВОТ, 1992, серия 9, выпуск 6-7.

3. Андреева М.В.,Григорченко C.Ä.,Павельев В.А., Жигулёв В.Н. Решение задачи восстановления некогерентного импульсного сигнала в корреляционно-экстремальных системах наведения радиояркостного типа. - ВОТ, 1992, серия 9, выпуск 6-7.

Практические результаты работы отражены в ряде научно-технических отчетов ЦНИИ автоматики и гидравлики.