автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Методика обработки сигналов и модели функционирования акустико-сейсмических информационно-измерительных систем наблюдения объектов

На правах рукописи

КАЗАКОВ КОНСТАНТИН ЮРЬЕВИЧ

МЕТОДИКА ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ И МОДЕЛИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ АКУСТИКО - СЕЙСМИЧЕСКИХ ИНФОРМАЦИОННО -ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ НАБЛЮДЕНИЯ ОБЪЕКТОВ

Специальность 05 11 16-информационно-измерительные и управляющие системы

(в промышленности)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ЧННРШ

иоз164252

ТУЛА 2007

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Тульский артиллерийский инженерный институт»

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент

Минаков Евгений Иванович

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Румянцев Владимир Львович

кандидат технических наук, доцент Ковалев Юрий Михайлович

Ведущая организация - ОАО «Акционерная компания «Цен-

тральный научно-исследовательский институт систем управления», г Тула

Защита состоится С)2008 г в /^Т часов на заседании диссертаци-

онного совета Д 212 271 07 при Тульском государственном университете (300600, г Тула, пр Ленина, 92, корпус 9 , ауд 101)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государственного университета

Автореферат разослан О/ 2008 г

Ученый секретарь

диссертационного совета Ф А Данилкин

Общая характеристика работы

Актуальность работы Информационно - измерительные системы в качестве источников получения исходной информации имеют в своем составе различные устройства, реагирующие на изменение характера физических полей (акустических, сейсмических, электромагнитных и т п), вызываемых в результате функционирования объектов естественного или искусственного происхождения

Среди многочисленных проблем, непосредственно связанных с созданием и совершенствованием самих информационно - измерительных систем наблюдения (ИИСН) обращают на себя внимание следующие

- разработка новых типов пассивных датчиков для обнаружения объектов, слежения за параметрами окружающей среды и контроля состояния технических средств,

- разработка средств и методов обработки, позволяющих автоматизировать процессы наблюдения за обстановкой, обнаружение, классификацию и распознавание объектов

Следует отметить, что информационно - измерительные системы наблюдения должны иметь такую дальность обнаружения, которая позволит при развертывании минимально возможного их количества непрерывно вести наблюдение за действиями потенциальных объектов одновременно во всей зоне ответственности информационно - измерительных систем наблюдения При этом увеличение радиуса действия информационно - измерительных систем наблюдения не должно влиять на снижение таких показателей, как вероятность обнаружения, погрешность определения количества одиночных объектов в составе группового, возможность распознавания типа одиночных объектов и класса группового объекта, которые характеризуют достоверность и полноту добываемых разведывательных сведений Создание таких информационно - измерительных систем наблюдения должно основываться на обработке акустических и сейсмических полей, поскольку именно они обеспечивают возможность достижения наибольшей дальности обнаружения при сохранении имеющихся положительных свойств, в первую очередь, по распознаванию типа вскрываемых одиночных и групповых объектов

Поэтому разработка методик и алгоритмов обработки сигналов и моделей функционирования акустико-сейсмических информационно - измерительных систем наблюдения является актуальной научно-технической задачей.

Объектом исследования диссертационной работы является акустико-сейсмическая информационно - измерительная система наблюдения, предназначенная для обнаружения несанкционированного допуска, классификации и определения координат объектов

Предметом исследования диссертационной работы является методика обработки сигналов и модель функционирования перспективной акустико-сейсмической информационно — измерительной системы наблюдения объектов

Цель диссертационной работы состоит в повышении качественных показателей акустико-сейсмических информационно - измерительных систем наблюдения объектов на основе разработки и совершенствования структур, алгоритмов функционирования систем и методик их проектирования

Поставленная цель достигается решением следующих задач, составляющих основные этапы исследования

- анализ принципов построения и функционирования акустических и сейсмических информационно - измерительных систем наблюдения,

- разработка методики учета параметров среды при расчете акустикой

сейсмического поля у поверхности земли,

- разработка методик и алгоритмов обработки сигналов акустико-сейсмическими информационно-измерительными системами наблюдения,

- разработка математических моделей функционирования и обработки сиг нала в перспективной акустической ИИСН

Научная новизна представлена следующими результатами

1 Предложены структурная схема и алгоритм работы многопроцессорной сейсмической информационно - измерительной системы наблюдения

2 Предложены геоакустические модели распространения акустико-сейсмического поля, учитывающие в отличие от существующих наличие "вытекающих волн", рассматриваемых как разновидность поверхностных волн

3 Разработана методика учета параметров среды при расчете акустико-сейсмического поля у поверхности земли, позволившая выявить новые

, зависимости между интенсивностями источника звука отраженных или преломленных составляющих акустико-сейсмического поля при заданном расположении источника и приемника

4 Разработана методика обработки акустических и сейсмических сигналов, отличающихся измерением трех ортогональных компонент колебательного ускорения и давления в точке приема, что позволяет повысить точность получаемой информации, а также решить задачу обнаружения

5. Разработан комплекс математических моделей, включающих в себя модели функционирования перспективного равносигнального акустического пеленгатора с суммарно - разностной обработкой сигнала и равно-сигнальным акустическим пеленгатором 6 Разработаны алгоритмы уточнения координат целей на основе информации, получаемой от двух 3-х координатных источников и 3-х координатного с 2-х координатным, позволяющие достигнуть существенного улучшения точностей определения местоположений цели при объединении решений

Практическая значимость работы заключается в следующем

1 Разработаны обобщенная структурная схема и принцип работы многофункциональной акустико-сейсмической информационно - измерительной системы наблюдения объектов, позволяющие осуществлять эскизное проектирование как системы в целом, так и ее отдельных блоков, а также задавать требования к ним на этапе проведения НИР и ОКР

2 Разработаны методики проектирования акустико-сейсмических ИИС, включающие в себя методику учета параметров среды при расчете акустико-сейсмического поля у поверхности земли, методику обработки сигнала для оценки параметров акустико-сейсмических полей, необходимые для повышения качественных показателей акустико-сейсмических информационно - измерительных систем наблюдения объектов при их разработке.

На защиту выносится.

1 Структурная схема и алгоритм работы многопроцессорной сейсмической информационно - измерительной системы наблюдения

2 Геоакустическая модель распространения акустико-сейсмического поля, отличающаяся от известных, тем, что учитывает наличие "вытекающих волн", рассматриваемых как разновидность поверхностных волн

3 Методика обработки сигналов акустико-сейсмическими информационно-измерительными системами наблюдения, позволяющая повысить точность измерения координат и обеспечить решение задачи обнаружения

объекта

4 Комплекс математических моделей, включающих в себя модели функционирования перспективного равносигнального акустического пеленгатора

5 Алгоритмы обработки информации, включающие в себя алгоритм уточнения координат целей на основе информации, получаемой от двух 3-х координатных источников и 3-х координатного с 2-х координатным, алгоритм обнаружения объектов техники

Методы исследования включают:

- элементы теории волновых процессов в различных средах,

- методы статистической теории обнаружения, классификации,

- методы статистической теории связи,

- методы математического моделирования

Достоверность результатов диссертационной работы определяется следующими факторами

1 В основе исследований, проведенных в работе, лежат хорошо апробированные ранее положения статистической теории акустики и волновых процессов, протекающих в различных средах

2 Моделирование функционирования ИИСН и сопоставление их с реальными данными базируется на методах математической статистики

Апробация работы Основные положения работы были доложены на 3 научно-технических конференциях ВУЗов, Международных конференциях «1Ы-ТЕЛРОЫТЕХ» в период 2005-2006 г г, научно-технических конференциях НТО РЭС имени А С Попова в период с 2005-2007г г.

Реализация результатов работы. Разработанные в диссертации методики обработки сигналов в акустико-сейсмических ИИСН внедрены в учебный процесс при подготовке специалистов по направлению 210300 «Радиотехника» по дисциплинам «Устройства приема и преобразования сигналов», «Основы радиолокации» Комплекс математических моделей функционирования ИИСН использован при проведении НИР в ОАО «ЦКБА», г Тула

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 17 печатных работ, выполнено 2 НИР

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 165 страниц машинописного текста и содержит 44 рисунка, 11 таблиц Список литературы включает 82 наименования

Краткое содержание работы Во введении обосновывается актуальность проводимых исследований, дается общая постановка задачи, приводится аннотация работы

В первой главе осуществлен анализ моделей акустико-сейсмических и акустических информационно - измерительных систем наблюдения Предложен вариант многопроцессорной сейсмической информационно - измерительной систем наблюдения

Отмечается, что независимо от конкретного назначения, основное общее требование к ИИС состоит в том, чтобы исходная информация об объекте могла быть восстановлена на выходе с требуемой точностью и в течение заданного интервала времени, т е основными критериями качества ИИС являются точность (погрешность) и быстродействие

Показано, что среди ИИС достаточно обширный и практически важный класс измерительных систем составляют акустические и сейсмические Формально к акустическим и сейсмическим ИИС можно отнести системы, в которых акусти-

ческий сигнал используется на любом из этапов получения и преобразования информации. Однако обычно под ними понимают системы, в которых акустический (сейсмический) сигнал используются для получения первичной информации об объекте.

На основе проведенного анализа можно сделать вывод, что наиболее перспективным, с точки зрения разумных затрат и получаемой точности, для создания радиоакустических (сейсмических) информационно измерительных систем является комбинированный метод с использованием средств микропроцессорной техники.

Показано, что выполнение задач информационно - измерительной системой можно представить как некую иерархию, где в вершине пирамиды стоит задача обеспечения принятия решения. Ниже располагаются задачи сбора и обработки дополнительных данных, управления вспомогательными устройствами и т.д. Исходя из этого, структура ИИС может быть как однопроцессорной, так и многопроцессорной. В обоих случаях входным сигналом является акустический (сейсмический) сигнал, который используют для получения первичной информации об объекте с помощью акустических или вибрационных датчиков.

МП

декомпрессии и сравнения

Приемник

МП

распознавания текущих пакетов

■ +т

Передатчик

Блокрадиосшн 1

ЦАП

Основной коммутирующий МП

Шина данных 8 бит

ОЗУ

формирования потока данных

Приемник

Блок радиосвязи 8

Рисунок 1. Структурная схема многопроцессорной информационно-измерительной системы В диссертации предложено сейсмическое информационно измерительное устройство для многоканальной системы передачи данных от вибродатчиков наблюдения за движущимися объектами, которое представлено на рис. 1. Разработанное устройство является промежуточным звеном между вибродатчиками наблюдения за движущимися объектами и оконечным пунктом приема и обработки информации.

На рисунке приняты следующие обозначения: 1- приемо-передатчик

цифрового радиосигнала с п - числом каналов и передатчик для обратной связи (ОС) с датчиками, 2- основной коммутирующий (селектор каналов) и управляющий процессор (ведущий), 3- оперативная память для всех микропроцессоров, 4-процессор разуплотнения и сравнения пакетов по методу суммирования по модулю два эталонного и текущего цифровых пакетов, 5- процессор распознавания текущих пакетов, 6 - энергонезависимая память, содержащая базу эталонных пакетов, 7- процессор формирования потока данных об обработанных пакетах, 8 -блок радиосвязи

Как известно, термин "датчики" охватывает широкий диапазон технологий и устройств - от простых, как, например, непосредственное измерение локальной температуры с помощью термопары, до новейших, осуществляющих формирование и обработку изображений для всех погодных условий с использованием РЛС

В диссертации отмечается, что во всех случаях при любых типах датчиков взаимодействие между датчиком и локальной физической окружающей средой приводит к генерации соответствующего сигнала, интерпретация которого путем обработки, синтеза данных и т п в конечном итоге обеспечивает получение нужной информации Поэтому развитие и совершенствование парка современных датчиков можно выделить как одно из важнейших направлений повышения эффективности ИИС

Проведен анализ и классификация существующих датчиков и показано, что для наблюдения и идентификации движения воздушных объектов сопровождаемых шумом, генерируемым двигателем, необходимо использовать акустические датчики Установлено, что для идентификации движущихся наземных объектов, лучше подходит сейсмический сигнал, поэтому используют вибродатчики

Отмечается, что водные транспортные средства можно разделить на надводные и подводные, дальше их можно классифицировать по размерам, структуре корпуса, предназначению Однако все они являются источниками различных видов сигналов

- акустический сигнал создается вибрацией машин, и зависит от структуры корабля, винтов, потока воды вдоль корабля,

- амплитуда и продолжительность сигнала, характеризующего давление, зависят от геометрии судна, скорости и расстоянием от судна до дна,

- магнитный сигнал состоит из двух компонент Постоянное намагничивание -функция, зависящая от размера судна, материала и типа судна Наведенное намагничивание зависит от текущего географического положения и ориентации судна относительно магнитного поля Земли,

- электрический сигнал возникает из-за модуляции, отражающей вращение механических масс Токи генерируются путем иммерсии неоднородных металлов, таких как стальной корпус и бронзовые винты

На основании исследований в работе делается вывод, что для идентификации каждого типа движущегося объекта можно выделить свой тип сигнала, следует также учитывать и такие факторы, как размер объектов, их количество, скорость движения, расстояние от датчиков, атмосферные факторы, тип среды распространения сигнала и т д Поэтому при создании информационно — измерительных систем наблюдения за движущимися объектами проведен анализ характеристик сигналов, учитывающий все выше перечисленные факторы и использующий различные чувствительные элементы

Во второй главе на основе рассмотрения особенностей распространения акустико-сейсмических сигналов разработана методика обработки сигналов аку-стико-сейсмическими информационно-измерительными системами наблюдения

Установлено, что инвариантными для неоднородных плоских волн будут показатели экспоненты а"2 = 2лрх 2 / к[ 2( - для продольных волн и

= 2жРх 2 / - для поперечных волн Эти показатели определяют степень

изменения амплитуд колебаний частиц среды, удаленных от поверхности раздела на расстояние, равное длине однородной волны в этом полупространстве

Из соотношений для потенциалов смещений плоских гармонических (на час юте со) волн, распространяющихся в плоскости ХУ в однородных упругих полупространствах следует, что при падении на поверхность раздела неоднородной плоской волны как отраженные, так и преломленные плоские волны будут неоднородными Амплитуды смещений частиц среды в неоднородных плоских волнах, падающих на поверхность раздела, будут экспоненциально увеличиваться при удалении от этой поверхности, а амплитуды смещений частиц среды в преломленных или отраженных плоских волнах будут экспоненциально уменьшаться при удалении от поверхности раздела При наклонном падении неоднородных плоских волн (Ф)2е ^ О, Ф 1,21*0) их амплитуда на поверхности раздела будет экспоненциально убывать по мере увеличения координаты точки наблюдения по оси х Такие неоднородные волны называются "еытекающими волнами" и рассматриваются как разновидность поверхностных волн Амплитуда "вытекающих" поверхностных волн, в отличие от обычных поверхностных волн, экспоненциально убывает при продвижении в направлении распространения вдоль границы за счет частичного излучения волновой энергии в соседнее полупространство Неоднородная плоская волна, распространяющаяся вдоль плоской границы упругого полупространства, является обычной поверхностной волной при условии, что знаменатель Д в выражении

-ЕйЕрг Св2+А2Е2 -Се, + Л2у2 ~х2у,

+ АГ + тдД+^Д -Ве.+Л^-хА Ву, + А2е, + х,е2 + Щ+',С0,+4е1+х,е2 Се, -А,у, + х,У2

где А = СП 4 ВЕ+А ¡Р,+А2Р2 +%, щ+Хг Пь

Д

(1)

Т] 1,2 = е, 22 + у, 2вп, XI2 = а,22

2*

А, 2 = а21р1ге, В - с =

В = 8,02+8201, Е - 81 у2+е2 Уь = е, 2е2 ,-у, 202,, стремится к 0 «1,2 ^1,2 — величины проекций волновых векторов продольных и поперечных волн на ось ХкХ

В диссертации для решения задачи обнаружения и определения местоположения различных ' типов объектов с помощью одной многофункциональной сейсмоакустической ИИС реализован принцип многоканальной обработки, сущность которого заключается в применении нескольких одиночных датчиков, разнесенных относительно друг друга на некоторой площади и конструктивно объединенных с помощью центрального прибора (ЦП) (блока обработки) в многопунктную систему, функционирующую в едином масштабе времени

Показано, что создание такой ИИС позволяет использовать его, как локальную разностно-дальномерную систему с увеличенной дальностью обнаружения, способную определять текущие полярные координаты движущихся одиночных и групповых объектов Одновременно ИИС может более эффективно решать задачи обнаружения, определения количества и распознавания типа одиночных объектов, входящих в состав группового, класса группового объекта

В диссертации установлено, что ИИС может быть реализована в виде антенной решетки с адаптивной обработкой информации, поступающей от одиночных приемников (датчиков)

В работе для решения задачи определения местоположения объекта разностно-дальномерным методом по акустическим сигналам с учетом влияния ветра в качестве еще одного неизвестного параметра предложено ввести значение момента проявления объекта (t0)

Отмечается, что в этом случае исходная система уравнений для трех сейсмоакустических приемников будет иметь вид

'[x.-x.+fvcosajt.-tjj + [Y„-Yi+WSmaJtl-tj}2=Pi > (2) [X4-X2+WCosajtг -1„jf + [У, -Г2 + W Sina„(t2-t0)}2 = p2 [x„ -X,+W Cosa JU - L ;]2 + [У, - Y3 + W Sma. (t, - ta )f = p, где p = C(tj -tg), p = C(t2 -tg), p = C(t3 - tj

Установлено, что при большем количестве сейсмоакустических приемников (например, шести) можно в качестве неизвестных принимать не только Хц,

Уц и t0, но и скорость и направление ветра W и а^,, а также скорость звука С

В общем векторном виде приведенная система нелинейных уравнений в работе представляется следующим выражением

W = 0, (3)

где i - номер переменной

Предложенная методика определения местоположения объекта для ИИС, состоящих из п приемников, прошла теоретическую и экспериментальную проверку, в том числе по точности определения координат В результате этой проверки было установлено, что с помощью одной ИИС удовлетворительно может решаться задача только определения пеленга При этом среднеквадратичная ошибка его вычисления по экспериментальным данным составляет один градус при радиусе расстановки 5-ти одиночных акустических приемников, равным 25 м Увеличение радиуса расстановки до 50 м приводит к уменьшению ошибки в два раза Дальнейшее увеличение радиуса расстановки нецелесообразно, поскольку это приводит к значительному снижению корреляционной зависимости акустических сигналов Снижение этой зависимости резко увеличивает ошибки в определении временных (фазовых) задержек, что делает невозможным решение задачи определения пеленга Очевидно, что с помощью ИИС может быть решена задача определения пеленга и на импульсные источники сейсмического, акустического излучения Точность определения пеленга в этом случае, может быть несколько выше, поскольку выше точность определения временных задержек по переднему фронту импульсного сигнала на малых дальностях до объекта

Полученные в диссертации экспериментальные данные по дальности обнаружения свидетельствуют, что при количестве датчиков в составе ИИС, равном 20, и дальности обнаружения одиночного ИИС равной 300 м, суммарная дальность обнаружения по акустическим сигналам может составить 1,3 1,4 км, по сейсмическим - 6 8 км

В качестве иллюстрации в таблице 1 приведены результаты экспериментального определения пеленга на объект

Таблица 1 Ошибки определения пеленга на движущийся объект, полученные в ходе натурных испытаний акустического РСУ, состоящего из 5-ти одиночных акустических приемников

Дальность до объекта, м Истинное направление на объект, град Опыт № 1 Опыт №2 Опыт №3 Опыт №4

ОСизи Да ОСизм Да ССнэм Да аиш Да

200 241 241 0 241 0 241 0 241 0

246 264 263 -1 261 -2 262 -2 .

346 278 278 0 279 1 278 0 276 -2

401 287 284 -3 287 0 288 1 283 -4

499 290 289 -1 289 -1 291 1 290 0

584 293 293 0 - - 293 0 291 -2

678 297 296 -1 296 -1 296 -1 298 1

775 299 298 -1 - - 300 1 297 -2

869 301 - - 301 0 . - -

200 241 241 0 243 2 - . 241 0

246 264 262 -2 263 -1 265 1 263 -1

346 278 277 -1 277 -1 278 0 -

401 287 287 0 285 -2 287 0 - -

499 290 - - 289 -1 288 -2 286 3

584 293 291 -2 - - 292 -1 -

678 297 - - 297 0 295 -2 - -

775 299 - - - - 297 -2 - -

869 301 - - - - 301 0 - -

В третьей главе предложена функциональная схема вспомогательного равносигнальЕюго акустического пеленгатора, которая приведена на рисунке 3

При классической обработке сигнала отношение мгновенных значений напряжений, измеренных в один и тот же момент времени, определяется следующей формулой

пк=и/и2, (4)

где

И1=КУ1и0щЬ1 , и2=Ку3и0и2^2 и,, ¿/^-мгновенные значения напряжений на выходе сумматоров сигналов , II(г мгновенное значение напряжения на выходе сумматоров сигналов при нахождении источника сигнала на рабочей оси ХН линейной группы (ЛГ) ЗВП, Ку1,Ку2-коэффициенты усиления 1 и 2 'фактов обработки сигналов соответственно

Значения и, определяются по следующим формулам

и, = \81п[пЬт(вс - а)], = \тт[Ьт(вс - а)],

и2 = 15т[пк$т(вс + а)], ^ = \тт[Ып(вс + а)]. Ь= л (1/о/с„,

где п - число ЗВП в каждой из ЛГ, с? - расстояние между рабочими осями соседних ЗВП, /0 - основная гармоника амплитудного спектра сигнала, с11,=с+и'со5 (р -скорость звука с учетом скорости и направления ветра в приземном

слое атмосферы, с « 331,5(1 4-1|273/ 5 - скорость звука атмосферы с учетом температуры воздуха в этом слое атмосферы, г — температура воздуха в этом слое атмосферы, м> — скорость ветра в этом слое атмосферы, (р — наименьший угол между вектором скорости ветра в рассматриваемом слое атмосферы и направлением источник акустического сигнала - точка пересечения ЛГ, вс — угол

и

смещения рабочих осей главных (рабочих) лепестков ХН первой и второй ЛГ в горизонтальной плоскости относительно равносигнального направления (РСН), си-пеленг на источник акустического сигнала (угол между РСН и направлением точка пересечения ЛГ- источник акустического сигнала)

Вышеприведенные формулы позволяют получить пеленгационную характеристику (ПХ) рассматриваемого пеленгатора, когда задаются значения пеленга в диапазоне -0С < а<0с Уравнение (4) относительно а является трансцендентным

При пеленговании источников звука в рассматриваемом пеленгаторе определяется величина т}к Поэтому в диссертации разработана математическую модель функционирования пеленгатора, которая обеспечивает определение пеленга по известной величине т;к При построении этой модели принят метод Ньютона при решении трансцендентных уравнений, когда значения пеленга можно определить при помощи следующей приближенной формулы

при \а,|<£, -&с <а£0с, (5)

где Е - заданное значение этой разности, а1 и х определяются из следующего выражения = а] — /(а] )//* (а} ), при у = 0,1,2, , 7-1, J

Анализ результатов расчета показывает следующее уменьшение математического ожидания (МО) амплитуды напряжения т(/о, возникающего при пеленговании источника сигнала на выходах амплитудных детекторов 1-го и 2- го каналов обработки сигналов, ведет к уменьшению значения функции плотности вероятности (ФПВ) и, следовательно, - к увеличению флюктуаций отношения разности суммы амплитуды напряжения, возникающего при пеленговании источника сигнала на выходе амплитудного детектора 1-го канала, и мгновенного напряжения теплового шума пеленгатора на выходе этого детектора к сумме этих значений напряжений на выходе амплитудного детектора 2-го канала (это объясняется также уменьшением отношения «сигнал/шути», т к СКО мгновенного значения напряжения, вызванного тепловым шумом пеленгатора остается постоянным, а МО амплитуды напряжения, возникшего при пеленговании источника сигнала на выходе амплитудных детекторов 1-го и 2- го каналов обработки сигналов уменьшается) Увеличение СКО мгновенного значения напряжения шума также увеличивает эти флюктуации (это объясняется уменьшением отношения «сигнал/шум») Вполне очевидно, что площадь под кривыми ФПВ равна единице, те. условие нормировки ФПВ выполняется Все максимумы ФПВ наблюдаются при г)ср да 0 »

т е, когда источник сигнала находится на РСН

При этом ошибка измерения пеленга может быть описана соотношением

аа ~ "¿о, + т1 +<1. )'2 ЮОО, мрад, (6)

о I ц-р 1&>СР Ър ЧИср Ц.Р ЧипУ

30 00

Где тпсг = ¡Чср^ЧсрМср- = ](г1ср-тПср)2Ш(г1СР)с1г,^

—30 —00

Полученное в работе Соотношение (6) и ее составляющие, представляют математическую модель случайных ошибок пеленгования равносигнального акустического пеленгатора с суммарно — разностной обработкой сигнала с учетом его теплового шума, которая позволит исследовать влияние параметров сигнала, среды его распространения и пеленгатора с данной обработкой сигнала на рассматриваемую ошибку пеленгования

В диссертации разработана математическая модель случайных ошибок

пеленгования рассматриваемого акустического пеленгатора. ПХ в этом случае можно определить с помощью следующего выражения:

Ш2_ (7)

Па'П и, + U, + иш + U2n + ит + иш2 • Задавая значения угла а в диапазоне от -0С < а<0с и рассчитывая значения г)п,п при ИД, нетрудно рассчитать ПХ.

Путем решения уравнения (7) относительно а при рассматриваемых (малых) углах пеленгования (-0С < а<0с), получена приближённая формула для расчета ПХ в следующем виде:

асгп ~ (~ВСРП ~ -J^cpn ~ 4АсрпСсрп )/2Асрп , (8)

где

асрп = Von2k2cos(nk&c)cos(k0c)(Kyr Ку2-Т]СРПКу,-Г1СРПКу2)-'срп n2k2cos2 (k&c);

Тактовые импульсы

Рисунок 2. Функциональная схема вспомогательного равносигнального акустического пеленгатора

в<.™ = U0nksin(nk&c )cos(k0c )(rjcpn Ку, - Ку, - Ку2 - г]„п КУ;) + + U0n2kcos(nkQc )sin(k&c )(Ку, + Ку2 - г/српКу, + ЧСРПКу2);

Отя = и„п *т(пШс )$т(Юс)(Ку2 - Ку, + г}српКу, + т](рпКу2) + + А1Српп15т2(к10С1),

Л]срп = г?< рп^ш + Ш! + ЧстУ2П + *7сРП^ Ш2 ~ ^ш ~

-иш,+и2П +иШ2

Проведенный в работе анализ влияния параметров сигнала, помехи, среды их распространения и параметров пеленгатора на ПХ показывает следующее при отсутствии помехи и равных коэффициентах усиления каналов обработки сигнала они проходят через начало координат, в диапазоне углов пеленга от - 0,01 до 0,01рад ПХ в рассматриваемых случаях, рассчитанные по формуле (7), практически совпадают с ПХ, рассчитанными по (8), ПХ можно аппроксимировать прямыми (в общем случае, не проходящими через начало координат)

Установлено следующее, что различные параметры помехи вызывают различное смещение максимума ФПВ относительно точки 0 на оси абсцисс, уменьшение МО амплитуды напряжения сигнала на выходах амплитудных детекторов ведет к уменьшению амплитуды этой ФПВ и, следовательно, - к увеличению флюктуаций отношения разности суммы амплитуд напряжений, возникающих при одновременном пеленговании источника сигнала, помехи на выходе амплитудного детектора 1-го канала, и мгновенного напряжения теплого шума пеленгатора на выходе этого детектора к сумме этих значений напряжений на выходе амплитудного детектора 2-го канала

Использование математической модели функционирования пеленгатора позволило получить следующие формулы для определения пеленга источника акустического сигнала при воздействии помехи при 1-ом испытании

асп, — (~ВКППК+ -^Вкппк— 4А КПГцРкппкУ^Л. кппк при

Ъ<цккп <1,

где аСп. - пеленг на источник акустического сигнала (угол между рав-носигнальным направлением и направлением точка пересечения линейной группы - источник акустического сигнала) при воздействии акустической помехи, Т|ККп - отношение мгновенных значений напряжений на выходах амплитудных детекторов 1 и 2 каналов обработки сигнала, измеренных в один и тот же момент времени,

Л КПК: = ~ Вкк<' В КПК! = ' С/ШЮ = ^КЮ ~ ккпи

■Ацжпк — ЦкИП и2ПГ!К+ Ц/СКпУ Ш21 ~ и 1ППК~ иШ1! •

А» = ПкшКУ2ио,с°Фс)- Ку!ио,соз(вс ), вкк, = 1ккпКуи0^т(вс ) + Куи0^т(вс ), итпк~ Ку1и0шРо*(вс - а„,), ишт= Ку2и0ГПро.фс + а,„)

где Ос - угол смещения рабочих осей главных (рабочих) лепестков ХН первой и второй линейной группы в горизонтальной плоскости относительно рав-носигнального направления, КУ1,КУ2 — коэффициенты 1 и 2 трактов обработки сигналов соответственно, иШ1( иШ2 - мгновенные значения напряжений на выходах амплитудного детектора 1 и 2 каналов обработки сигналов соответственно, вызванные тепловым шумом электронных устройств этих каналов и ветром, и пило и2ппк - амплитуды напряжений на выходе амплитудного детектора 1 и 2 каналов обработки сигналов соответственно, вызванные воздействием помехи, и0пп - амплитуда напряжения на выходе звукоприемника каналов обработки сиг-

налов при пеленговании источника акустической помехи, находящегося на рабочей оси нормированной характеристики направленности (НХН) звукоприемника, и0, - амплитуда напряжения на выходе звукоприемника каналов обработки сигналов при пеленговании источника сигнала, находящегося на рабочей НХН звукоприемника

При получении информации от нескольких источников ее качество может быть повышено за счет объединения наблюдений При работе источников информации в различных диапазонах, измерения, проводимые каждым из них, можно считать независимыми Следовательно, дисперсии оценок координат при совместном оценивании должны уменьшаться

Истинное положение цели, подлежащее оцениванию, обозначим через вектор Яр , а оценки, полученные первым и вторым источником через Я] и ■ соответственно

В общем случае ошибки по различным координатам для каждого источника нельзя считать независимыми, и они описываются недиагональной (л х п) матрицей ковариаций А] для первого источника и Л2, для второго Матрицы А] и А2 являются симметричными и положительно определенными

При объединении информации от двух источников, необходимо на основе двух векторов и %2 построить оценку, обладающую наилучшими в некотором смысле характеристиками Так как рассматривается задача повышения точности определения координат, естественно, в качестве показателя качества повышения точности координат, была выбрана дисперсия полученной оценки, и она была минимизирована

При этом задача объединения информации решается относительно просто в одномерном случае При этом оценки координат для каждого источника яв-

2 2

ляются скалярными величинам Х| и Х2, имеющими дисперсии сг и (Х2 , соответственно Линейная комбинация ( К^) этих величин

х1 = ахх + /Зх2 (9)

, также подчиняется нормальному распределению с математическим ожиданием (а + /?) х0 и дисперсией О^, равной

<х2 = а2 <7\ + р2 от] (10)

Для построения наилучшей оценки необходимо найти минимум величи-

2

ны <7Ь при условии а + /? = 1 Очевидно, что минимум достигается при

а\ + °2 а\ + °2 Дисперсия полученной оценки описывается выражением

а= -2 . Р=---1-

—.2 __2 2 2 аг = Г 2 ах +а2

и меньше любой из дисперсий <Т[ и <Т2 Причем, улучшение относительно наименьшей из величин СГ| и О2 достигается при их равенстве В этом

случае дисперсия уточненной оценки меньше исходных оценок в два раза

Действительно, так как измерения двух источников предполагаются независимыми, функция правдоподобия для совместных двух измерений записывается в виде

(*1-х0)2 _ (х2Г?о)2

ь(х)= -- е ' (11)

2 яс,сг2

Оценка максимального правдоподобия, как известно, есть такая оценка, на которой достигается максимальное значение Ь{х) Следовательно, оценка максимального правдоподобия для одиночной координаты, измеренной двумя источниками равна

Х,= 1 \ --V1". (12)

что точно совпадает с оценкой, полученной выше, то есть оценка максимального правдоподобия одновременно является оценкой, на которой достигается минимум дисперсии

В случае многомерных координат задача существенно усложняется Дисперсия полученной оценки уже не является скалярной величиной, а описывается (п х п) матрицей А Для выбора наилучшей оценки, отвечающей объединению информации, на множестве этих матриц было введено отношение порядка, удовлетворяющее требованиям потребителей информации

В этом случае в качестве основного критерия был выбран минимум среднего квадрата ошибки

Действительно в многомерном случае функцию правдоподобия для двух источников можно записать в следующем виде

1 _ (*!-*)' ЛГ'(*|~*) (хг-х)т А?{хг-*)

Ф) =------1-е 2 " 2 (13)

(2ж)" .А^М2

Если, как это принято в статистике, рассмотреть логарифм функции правдоподобия, получим

- 21пШ) = (*-*,) V + А2 )(* -Ф

где через Адоп обозначена матрица, не зависящая от Я Очевидно, что

максимум функции правдоподобия достигается при Я = Яь

Значение логарифма функции правдоподобия в этом случае равно

-21п(ф,)) = (*,-Х2)Г (А1 + А2У! (*, -*г) (14)

Эта величина может рассматриваться как мера схожести координат ^ и Я2 В случае независимости и одинакового распределения составляющих координат с дисперсиями СГ, и СГ2 , соответственно, данная величина принимает хорошо известный вид

Таким образом, был получен алгоритм получения оптимальной оценки Я+. координат цели по информации от двух источников информации

X, - А2(А, + А2)~' Хх + А,(Л, + А2)~'Х2 (16)

Оценка имеет дисперсию

в(х,) = (А1-,+А2-1У', (17)

которая меньше чем дисперсия каждого из источников Понятие меньше определяется указанной выше среднеквадратической абсолютной ошибкой измерения координат, которая рассчитывается по следу (сумме диагональных элементов) матрицы дисперсии Одновременно полученная оценка является оценкой максимального правдоподобия и может использоваться для расчета меры близости векторов и Я2

Следует отметить, что, хотя было рассмотрено объединение информации от 2 источников, алгоритм легко обобщается на произвольное количество источников информации

При наличии двух и более независимых источников информации естественно ставится задача повышения вероятностей обнаружения целей за счет объединения информации, поэтому в диссертации предложены алгоритмы повышения вероятности обнаружения целей при объединении информации от двух источников

В общей форме проблема объединения информации может быть сформулирована в следующем виде необходимо выбрать решение а е {о, 1} из дихотом-

ного множества, когда неопределенность о бинарном событии ы е |о, 1} (есть цель

или нет) описывается вектором X = , х2, хп) вероятностей Хх = Н {№=1} , которые обеспечиваются П различными источниками информации Каждой паре событие-решение сопоставляется значение с?(а, йг) , описывающее потери для ошибочных решений Целью эффективного комплексирования информации является выбор такого решения, которое минимизирует эти потери, которые в общем вцце можно описать условным математическим ожиданием потерь Е^с^а, Мерой измерения потерь при большом количестве решений является

Я = Е,

Ш1П Е,

ф(а, ы)\х]

(18)

Общие схемы объединения информации от нескольких источников могут быть Схема 1 Объединение наблюдений Схема 2 Объединение решений Схема 3 Объединение вероятностей

В работе установлено, что наиболее эффективной для объединения информации от нескольких источников является схема 3

Пусть система состоит из П источников Обозначим через

Г (х,, , хп совместную плотность для вероятностей обнаружения (х|, • хп) при фиксированном событии vi При априорной вероятности появления сигнала д = р(ы = 1) общая совместная плотность дается выражением

|(х„ . ,хп) = г(х,, . ,хп,1)д + г(х1;.. ,хп0)(1-д) (19)

Соответственно апостериорная вероятность, в соответствии с теоремой Байеса, запишется в виде

J 1 J \ f(xi>

ф„ ,x,J = P\w = l|x„ ,хп)= -J - \

>Хп)

( (

ч(х„ .,х„) =

/ I

1+

.Я f(x4 1-g f(x„.. ,xJo).

(20)

(21)

где

l(x, x)=- / 1' - - - отношение правдоподобия

v ' n> ,xn;o)

При этом решения оценим по функции потерь d(a, w) Из естественного порядка предпочтения следует, что

d(a, w) > 0 , d(l, О) > d(0,0) , (22)

d(o,l)>d(l,l)

Так как оптимальное байесовское решение не зависит от положительных линейных преобразований, можно заменить d на

, ч d(a, w)-d(l, i) (23)

cria, wj= V- f -7- -y '

имеющую значения а(\, l) = 0 и er(0, l) = 1 Другими словами, решающий критерий полностью описывается парой (j(l, О) > <т(0, l) Удобно определить

и = <у{\, о) - <т(о, l) ,

Минимальные средние потери как функция вектора вероятностей наблюдения задаются выражением

d(x) = min {cr(a, о) (l - iixj) + а(а, l) ¡ix))

a<={ 0,1)

Критерий в результате принимает форму байесовской решающей функции

, 10 еслихеХ

а -< >

[1 еслихеХ

где

а значение порога П (или пороговой вероятности) для обнаружения определяется требованиями потребителя

Выбор между альтернативными системами комплексирования источников информации можно делать на основе сравнения их байесовских рисков При этом может оказаться, что при различных априорных вероятностях разные системы будут предпочтительными

Таким образом, для наилучшего, с точки зрения вероятностных характеристик обнаружения, объединения информации от двух источников необходимо на устройстве, принимающем решения, иметь отношения правдоподобия по целям от каждого из источников

В заключении сделаны выводы по работе в целом

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1 Предложен вариант многопроцессорной сейсмической информационно — измерительной систем наблюдения

2 Предложены геоакустические модели распространения акустико-сейсмического поля, рассмотрены основные параметры распространения акусти-ко-сейсмических сигналов, особенности трансформации акустико-сейсмического поля Показано, что основным информативным параметром акустико-сейсмического поля объектов является распределение поля избыточных давлений, смещений, скоростей или ускорений

3 Разработаны методики учета параметров среды при расчете акустико-сейсмического поля у поверхности земли и обработки информации для оценки параметров акустико-сейсмических полей

4 Разработана обобщенная структурная схема и принцип работы многофункциональной акустико-сейсмической информационно — измерительной системы наблюдения объектов

5 Разработана структурная схема равносигнального акустического пеленгатора

6 Предложен комплекс математических моделей, включающих в себя модели функционирования перспективного равносигнального акустического пеленгатора при отсутствии акустической помехи и без учета его теплового шума, случайных ошибок пеленгования равносигнальным акустическим пеленгатором с суммарно - разностной обработкой сигнала, случайных ошибок пеленгования равносигнальным акустическим пеленгатором

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах

1 Казаков К Ю , Иванов К В , Гончаров В В Обобщенная схема получения, передачи и обработки информационных комплексов сигнализационных

средств//Сб научных трудов ТАИИ - Тула ТАИИ -2006 - С 225-229

2 Казаков К Ю, Иванов К В, Минаков Е И Разведывательно-сигнализационный прибор с микропроцессорной обработкой сигналов на основе вибродатчика// Сб научных трудов ТАИИ - Тула ТАИИ -2006 - С 417-421

3 Казаков К Ю, Хайрулин Р Б Стец М И, Канищев А Е Анализ влияния архитектуры, алгоритмов и информационных потоков на производительность специализированных вычислительных устройств // Сборник материалов XIX Всероссийской межвузовской НТК Ч 1 - Казань КВАКУ -2007 г - С 260-262

4 Казаков К Ю , Хайрулин Р Я Математическая модель распределения центров хранения и обработки информации в АСУ // Сборник материалов XIX Всероссийской межвузовской НТК. Ч 1 - Казань КВАКУ -2007 г - С 262-263

5 Казаков К Ю, Анкудинов К А, Хайрулин Р Я Классификация радиолокационных целей на основе деполяризующих свойств // Сборник научных трудов по материалам межведомственной конференции «Системы управления электротехническими объектами» - Тула ТулГУ -2007 -С 43-45

6. Агафонов Ю.М., Акиншин Н.С., Акиншин Р.Н., Анкудинов К.А, Анкудинов А.И. Казаков К.Ю. Статистический анализ и вероятностная оценка работоспособности памяти данных БЕРНОМ микроконтроллеров при синтезе цифровых конечных автоматов. // Изв. ВУЗов Электроника. -№ 5. -2007. -С.40-44.

7 Казаков К Ю, Канищев А Е, Стец М И Математическая модель определения числа и месторасположения центров обработки и хранения информации // Сборник материалов XXVIНТС - СПб МВАА - 2007 -С 246-247

8 Казаков К Ю, Стец М И Математическая модель распределения баз данных по центрам хранения и обработки информации // Сборник материалов XXVI НТС - СПб МВАА - 2007 -С 248-249

9 Казаков К Ю , Емельянов А В, Глаголев О А, Кохан П Г Решающее правило обнаружения-распознавания целей // Сб научных трудов НТО РЭС им А С Попова - Тула- ТулГУ.-2007 -С 83-85

10 Казаков К Ю, Фалеторов А В Методы устранения мешающего влияния помех на полезную информацию о параметрах измерений // Сб научных трудов ТАИИ - Тула ТАИИ -2007 - С 52-54

11 Казаков К Ю, Фалеторов А В Сравнительный анализ применения медианной и линейной низкочастотной фильтрации в задаче первичной обработки импульсных сигналов управления // Сб научных трудов ТАИИ - Тула ТАИИ -2007-С 82-85

12 Казаков К Ю Характеристика координатной информации о воздушных целях, получаемая в МП РЛС // Сб научных трудов ТАИИ - Тула ТАИИ -2007-С 91-94

13 Казаков К Ю, Корольков С М , Стец М И Алгоритм обработки изображений при использовании генетического подхода // Сб научных трудов ТА-ИИ-Тула ТАИИ -2007 - С 94-97

14 Казаков КЮ Анализ задач системы пассивных средств разведки // Сб научных трудов ТАИИ - Тула ТАИИ -2007 - С 100-104

15 Казаков К Ю Антенные устройства разведывательно-сигнализационных средств. // Труды XV Международной конференции «Радиолокация и радиосвязь» - М. ИРЭ РАН -2007-С.308-311

16 Казаков К Ю , Тархов Н С , Акиншин Р Н Аппаратно-программный комплекс для исследований антенных систем и канала связи через орбитальные ИСЗ // Труды XV Международной конференции «Радиолокация и радиосвязь» -М ИРЭ РАН - 2007 - С 502-506

17 Казаков К Ю, Минаков Е И Принципы построения микропроцессорных акустико-сейсмических информационно-измерительных систем // Труды XV Международной конференции «Радиолокация и радиосвязь» - М ИРЭ РАН -2007 - С 439-442

Изд лиц. ЛР № 020300 от 12 02 97. Подписано в печать_//, Of О$. Формат бумаги 60x84 1/16 . Бумага офсетная. Усл.-пет л. Уч.-изд. л. , Тираж/до экз Заказ Л. Тульский государственный университет 300600, г. Тула, пр. Ленина, 92 Отпечатано в издательстве ТулГУ 300600, г. Тула, уд Бодаина, 151

\