автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Модели и алгоритмы безмультипликативной обработки сигналов в средствах радиомониторинга

На правах рукописи

ВОЛКОВ Алексей Витальевич

МОДЕЛИ И АЛГОРИТМЫ БЕЗМУЛЬТИПЛИКАТИВНОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ В СРЕДСТВАХ РАДИОМОНИТОРИНГА

Специальность: 05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы и устройства

телевидения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

15 АВГ 2013

Воронеж - 2013

005532103

Работа выполнена в ФГКВОУ ВПО ВУНЦ ВВС «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж)

Научный руководитель Болкунов Александр Анатольевич,

кандидат технических наук, доцент

Официальные оппоненты: Панычев Сергей Николаевич, доктор

технических наук, доцент, профессор кафедры технических комплексов охраны и связи Воронежского института ФСИН России;

Овчаренко Леонид Александрович, доктор технических наук, доцент, старший научный сотрудник ФГБНУ «ГНТЦ «Наука»

Ведущая организация ОАО «Технологии Радиоконтроля»

(г. Санкт-Петербург)

Защита состоится «19» сентября 2013 г. в 14.00 часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д212.037.10 ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» по адресу: 394026, г. Воронеж, Московский просп., 14.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»

Автореферат разослан «_»_2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Макаров Олег Юрьевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Функционирование современных радиоэлектронных систем извлечения информации характеризуется условиями сложного информационного и радиоэлектронного конфликта, которые нередко далеки от чисто стохастических, отличаются нестационарностью, нечеткостью, высокой динамикой. Характерен рост сложности подобных систем за счет всё большей тенденции к их интегрированию, совершенствованию способов радиоэлектронной защиты и алгоритмов обработки информации, увеличению количества структурных элементов и связей. С учетом этого актуальной остается задача поиска и использования способов повышения эффективности обработки сигналов в радиосистемах, а также изыскание возможностей создания многофункциональных устройств и алгоритмов на относительно однородной базовой структуре.

Важную специфическую группу в системах извлечения информации составляют средства радиомониторинга, широко применяемые в самых различных областях. Анализ работ ведущих специалистов в области проектирования подобных средств свидетельствует о том, что их успешное применение в значительной степени зависит не только от содержания алгоритмов функционирования систем радиомониторинга, но и от технических характеристик, реализованных в них подсистем первичной обработки информации (ПОИ), несущих основную функциональную нагрузку по добыванию сведений об объектах мониторинга. При этом основными техническими характеристиками подсистем ПОИ являются время выполнения процедур поиска и обнаружения сигналов, оценка их параметров и принятия решения, а также точность и достоверность извлекаемой в ходе этих процедур информации. Принципиальные ограничения по цифровой обработке сигналов в реальном времени обусловлены конечным быстродействием выполнения арифметических операций базового набора, на реализацию которых приходятся основные временные затраты.

Улучшение показателей эффективности решаемых средствами радиомониторинга задач может быть достигнуто за счет использования в алгоритмах ПОИ операций пересечение и объединение, позволяющих получить однородные по составу алгоритмические структуры, реализующие многообразие функциональных преобразований при исключении операции умножения, что приводит к снижению вычислительных затрат. При решении задач обнаружения, измерения, различения и идентификации сигналов алгоритмы, основанные на операциях пересечения и объединения, способны в силу наличия нелинейных свойств удерживать информационные характеристики и показатели качества в заданных пределах при значительных изменениях условий функционирования средств радиомониторинга.

Целью работы является расширение возможностей и повышение эффективности средств радиомониторинга за счет реализации моделей и

алгоритмов на основе применения процедур безмультипликативной обработки.

Для достижения цели необходимо решение следующих научных задач:

1. Обосновать возможность и целесообразность применения процедуры пересечения в задачах спектрального и вейвлет анализа, а также цифровой фильтрации, с целью сокращения вычислительных затрат.

2. Разработать способ повышения разрешающей способности и помехоустойчивости импульсных сигналов на основе модифицированного вейвлет-преобразования при использовании вейвлета Морле и процедуры пересечения.

3. Разработать модели и алгоритмические схемы пеленгаторов на основе совместного использования процедур пересечения и объединения, позволяющих при небольших размерах антенны определять местоположение источника радиоизлучения (ИРИ) с требуемой точностью.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использованы методы математического моделирования, теории вероятности и статистической радиотехники, теории обнаружения сигналов, цифровой обработки сигналов. Для проведения расчетов применялся пакет программ МаЛСАБ 11.

Научная новизна. При выполнении диссертационного исследования получены следующие основные результаты, характеризующиеся научной новизной:

1. Новые математические модели и методические рекомендации, определяющие возможность применения процедуры пересечения в алгоритмах спектрального и вейвлет анализа, а также цифровой фильтрации.

2. Способ фильтрации сигнала на основе использования процедуры пересечения, обеспечивающий исключение приёма вне основной полосы пропускания фильтра и регулировку полосы в широких пределах.

3. Способ повышения разрешающей способности и помехоустойчивости импульсных сигналов, основанный на использовании процедуры пересечения в прямом вейвлет-преобразовании на основе вейвлета Морле.

4. Модели и алгоритмические схемы пеленгаторов на основе совместного применения процедуры пересечения и объединения, позволяющие определить местоположение источников радиоизлучений при небольших размерах антенны с достаточно высокой точностью.

Практическая значимость результатов работы заключается в возможности применения разработанных алгоритмов спектрального и вейвлет анализа, цифровой фильтрации и алгоритмических схем радиопеленгаторов на основе процедур пересечения и объединения при проектировании средств радиомониторинга и реализации алгоритмов цифровой обработки сигналов.

Достоверность научных результатов. Достоверность полученных в диссертации результатов подтверждается корректным использованием основных положений и методов теорий: вероятности, статистической радио-

техники, обнаружения и цифровой обработки сигналов, использованием современных методов математического моделирования при реализации алгоритмов и схем обработки сигналов на основе безмультипликативных процедур.

Реализация н внедрение результатов работы. Модели и алгоритмические схемы обработки сигналов в радиопеленгаторах использованы при разработке макетов пеленгаторов в интересах решения задачи выявления и локализации специальных электронных устройств перехвата информации (НИР шифр «Лесогорье», заказчик - начальник войск РЭБ ВС РФ).

Математические модели спектрального и вейвлет анализа, а также цифровой фильтрации использованы при обосновании технического облика и требований к системе радиомониторинга пространственно-распределенной системы радиоподавления (ОКР шифр «Радиология», заказчик - Минпромторг России).

На защиту выносятся:

1. Математические модели и методические рекомендации, определяющие возможность применения процедуры пересечения в задачах спектрального и вейвлет анализа, а также цифровой фильтрации с целью сокращения вычислительных затрат при обработке радиотехнических сигналов.

2. Способ фильтрации сигнала с исключением внеполосного приема.

3. Способ повышения разрешающей способности и помехоустойчивости импульсного сигнала при использовании прямого вейвлет-преобразования на основе вейвлета Морле и процедуры пересечения.

4. Модели и алгоритмические схемы пеленгаторов на основе совместного использования процедур пересечения и объединения.

Апробацпя работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: Международной молодежной научной конференции «Гага-ринские чтения - XXXVI» (Москва, 2010); XII Всероссийской НПК «Актуальные вопросы разработки и внедрения информационных технологий двойного применения» (Ярославль, 2011); Всероссийской выставке «Диверсификация ОПК» (Москва, 2011); Всероссийской НПК «Современные проблемы и перспективные направления развития авиационных комплексов и систем военного назначения, форм» (Воронеж, 2012); Международном салоне промышленной собственности «Архимед - 2012» (Москва, 2012); XIII Международной научно-методической конференции «Информатика: проблемы, методология, технологии» (Воронеж, 2013), XIX Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, 2013).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 23 научные работы, в том числе 4 — в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

В работах, выполненных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, автором лично выполнены: в [1, 14] - моделирование алгоритмов обнаружения, измерения, определения местоположения ИРИ, реализо-

ванных в средствах радиомониторинга; в [2] - численные оценки показателей функционирования ботовых радиоэлектронных средств; в [4] - анализ методов формирования сигналов и помех; в [10, 12] — синтез и исследование помехоустойчивых алгоритмических схем; в [13, 15] - численная оценка способа исключения внеполосного приема; в [7, 8, 11, 23] - расчет способа обработки импульсного сигнала и импульсно-временного кода; в [3, 9, 16, 17, 18, 19] - расчет точностных характеристик пеленгаторов и построение моделей; в [20, 21, 22, 23] - расчет показателей качества радиотехнических схем на основе применения процедур безмультипликативной обработки.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы из 98 наименований. Основная часть работы изложена на 166 страницах, содержит 116 рисунков и 1 таблицу.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость работы, выносимые на защиту научные положения и результаты.

В первой главе проведен анализ процедур ПОИ средств радиомониторинга. На основе анализа сделан вывод, что независимо от сложности реализованных в ПОИ алгоритмов, в них, как правило, все вычисления сводятся к операциям дискретной свертки одномерных и (или) двухмерных матриц, которые реализуются через арифметические операции базового набора: сложение, вычитание и умножение. Проведена оценка скорости выполнения команд сигнальными процессорами при реализации процедур умножение, сложение и пересечение.

Дана краткая характеристика процедур пересечения Zn=xC\y = \x + y\-\x-)\ и объединения Zu=x\Jy = \x + y\ + \x-y\ (х и у - входные функции или сигналы), показана возможность их совместного использования для синтеза алгоритма обнаружения путем объединения выражений, а также обоснована возможность замены операции умножения процедурой пересечения.

В обобщенном виде представлена технологическая схема исследований и разработаны предложения по использованию методического аппарата безмультипликативной обработки сигналов.

Во второй главе обоснована целесообразность применения процедуры пересечения в алгоритмах цифровой обработки сигналов, при этом спектральное разложение сигнала проводилось в соответствии с выраже-

QC ОС со

нием: S(ja>) = ^s(t)nk--e-Já* =~*Ts(t)r\k-coso* - -sino/, где s(t) -

Í-Íl 1=0 1=0 входной сигнал, к - коэффициент включения базиса, выбор которого определяет возможность применения пересечения в алгоритмах спек-

:

л

» ... гс

2"

%

40 35 30 25 20 15 10 5

к°2

— — *

- Г.1 - . >

- - — * -Г*

трального анализа, - спектральная плотность комплексной амплитуды, / — время, со - частота.

Различия в амплитудных и фазовых спектрах сложных сигналов, полученные с помощью преобразования Фурье на умножении и пересечении в процентах в зависимости от коэффициента включения базиса к представлены на рис. 1 и 2, где обозначено соответствие спектров: 1 - для ФКМ сигнала, 2 - для ФКМ сигнала с неравномерной огибающей, 3 - для ЛЧМ сигнала.

Наличие минимумов в графиках позволяет выбрать коэффициент включения базиса к = 2°, 21. Погрешность, обусловленная применением процедуры пересечения, зависит от вида сигнала, ширины полосы анализа, решаемой задачи, априорных сведений о параметрах сигнала и не превышает единиц процентов для амплитудных и фазовых спектров при оптимальном коэффициенте включения.

Исследование алгоритмов цифровой фильтрации на основе операции 16

пересечения ут = ^хапк-Ьт_а,т = 0,\,2-Л6 (на примере нерекурсивного

о=0

цифрового фильтра 16 порядка, рис. 3) показало, что при коэффициенте включения к = 23 погрешность АЧХ в полосе пропускания цифрового фильтра (ЦФ) не превышает 4-5%, для ФЧХ это значение еще меньше, вне полосы пропускания АЧХ отличается на 30-40%, а ФЧХ на сотни процентов. Выбор коэффициента к = 25 определил возможность применения пересечения в алгоритмах цифровой фильтрации. На основе различий ФЧХ вне полосы пропускания известного и предлагаемого ЦФ был разработан способ обработки сигнала с исключением внеполосного приема (рис. 4).

т' 2" 2' г'

Рис. 1. Различия в амплитудных спектрах

2' 2' 23 к

Рис.2. Различия в фазовых спектрах

Вх

ШПУ

АЦП

ЦФ

на«*

I

^-Юн

Ьлок

«П»

ФНЧ

ПУ

Рис. 3. Схема ЦФ на операции пересечении

I,. ЦФ

^ на «П

Рис. 4. Структурная схема способа обработки сигнала

Сущность предлагаемого способа заключается в сравнении ФЧХ сигналов с выхода ЦФ на умножении (рис. 5, график 2) и пересечении (рис. 5, график 3) в блоке пересечения, на основе чего ФЧХ на выходе блока ФНЧ будет иметь вид, представленный на рис. 5 (график 1). При анали-

зе ФЧХ схемы для различных входных сигналов был определен порог принятия решения, который позволяет регулировать полосу пропускания схемы от единиц до 100% от несущей.

ТРоб!

\ ) t h Vji Ж

у

1 1

210' 610'

.410' 1.8-10'/ 210*

У 1—V-

■атЛ

равен 5 Т

} Ь 1

V

\

\

Свгвал/шуч ранен 15

610' 110' / б

Рис. 6. Вероятность обнаружения сигнала при отношении сигнал/шум равном 5(а) и 15(6)

Рис. 5. Характеристики способа обработки

Зависимости вероятности приема сигнала в широкой полосе частот, при фиксированном отношении сигнал/шум, представлены на рис. 6 (а, б), где обозначено: 1 - зависимость для обнаружителя на пересечении, 2 - на умножении.

Из рис. 6 видно, что чем мощнее сигнал, тем эффективнее его компенсация вне основной полосы приёма. При одновременном действии помехи вне полосы приема и сигнала в полосе схема обеспечит приём только для случая превышения полезным сигналом помехи. Приём практически исключается уже при полуторном превышении помехой полезного сигнала. В случае разновременного поступления сигнала и помехи предлагаемая схема также с высокой вероятностью исключает приём помехи вне основной полосы. Таким образом, помехоустойчивость предлагаемого способа существенно выше известного.

Исследование способа прямого и обратного вейвлет преобразования (ПВП и ОВП) сигналов с использованием МНАТ и HAAR вейвлетов на основе операции пересечения проводилось на основе схемы, представленной на рис. 7. Применение про-

S„(t)l

;ПВП

пно-

ОВП

\V(a,b)

4"(a,b,t)-k

Рис. 7. Способ вейвлет-преобразования

_(1) цедуры пересечение в ПВП и

П Ы Я ОВП повышает скорость преоб-

разования и обеспечивает то же качество восстановления при меньшем числе масштабных коэффициентов а.

Результаты количественной оценки качества восстановления сигнала от числа используемых при реконструкции масштабных коэффициентов показаны на рис. 8 (а, б), где обозначено: 1 - погрешность восстановления при использовании процедуры пересечения в ПВП и ОВП, 2 - при использовании процедуры умножения. Соответствие процедуры пересечения умножению для HAAR вейвлета составляет не более 3%, для МНАТ вейвлета применение пересечения дает существенно лучшие результаты восстановления.

На рис. 9 показан выигрыш в отношении сигнал/шум от числа используемых при восстановлении масштабных коэффициентов а при организации ПВП и ОВП на пересечении по сравнению с умножением, который имеет место во всем диапазоне значений а.

- 2

\

/

/

/

V

> - "

'я. ш т IX / А

"123456789 123456789

а б

Рис. 8. Оценка качества восстановления сигнала для HAAR и МНАТ вейвлета

1 23456789

Рис. 9. Выигрыш в отношении сигнал/шум

Оценка качества восстановления сигнала от коэффициента включения элементов базиса к показана на рис. 10 (а, б), где обозначено: 1 - погрешность восстановления прямоугольного видеоимпульса в процентах при ПВП на пересечении в зависимости от коэффициента включения; 3 -погрешность восстановления в результате вейвлет-преобразования на умножении, 2 - степень соответствия вейвлет преобразования на пересечении умножению. Вид восстановленного сигнала с шумом для HAAR и МНАТ вейвлетов показан на рис.11 (а, б), где обозначено: 1 - восстановленный сигнал с использованием пересечения; 2 - восстановленный сигнал с использованием умножения. Качество восстановления сигнала при использовании операции пересечения отличается от преобразования на умножении не более 3%. Для МНАТ вейвлета применение пересечения даёт существенно лучшие результаты, чем умножение, и при коэффициенте включения, равном 16, погрешность представления составляет 10%.

lS(t]

2-1 2« jl 24 26 J» 21 2» 21 24 26 2,

а б

Рис. 10. Качество восстановления сигнала для HAAR (а) и МНАТ (б) вейвлетов

щ

щ г

55 90 20 60 10

а б

Рис. 11. Вид восстановленных сигналов для HAAR (а) и МНАТ (б) вейвлетов

Предложен и исследован способ обработки импульсных сигналов на основе вейвлет-преобразования и процедуры пересечения (рис. 12) с целью повышения разрешающей способности и помехоустойчивости приемных устройств (рис. 12). Особенность способа заключается в использовании в приемнике импульсного сигнала блока, реализующего модифицированное прямое вейвлет-преобразование (МПВП) на основе вейвлета Морле,

-Н шпуНмпвп|-

<д]-■

Разрешающий канал I Помехоустойчивый канал 2

Рис. 12. Способ обработки импульсного сигнала

П'(а, Ь) = |5(() г> к ■ у/(а, ,

Ь-с-а

где - входной сигнал блока, ]¥(а,Ь) - выходной сигнал блока, ¡//(а,Ь,г) -базис, конструируемый с помощью масштабного коэффициента а и переноса Ь в пределах длительности принимаемого сигнала, к - коэффициент включения, удовлетворяющий неравенству к >>£„, где - амплитуда сигнала на входе блока; с - постоянный множитель, удовлетворяющий условию с >3.

С выхода блока МПВП амплитудно-модулированный фазоманипу-лированный сигнал в виде двух пар парциальных радиоимпульсов сжимается в согласованном фильтре, что обеспечивает улучшение разрешения по времени, или сворачивается в один импульс на основе включенных с элементами задержки блоков пересечения, что ослабляет нестационарные помехи типа импульсных и шумовых вспышек. Достижение технического результата возможно при значениях а = 9, к = 25. Эпюры результатов обработки импульсного сигнала в блоках приемника представлены на рис. 13.

Процесс обработки

Разрешение сигнала

Сигнал на входе

Выход МПВП

лцчгчмяг-

. » » вей влетМорле —-

Выход СФ

-лма—Л —

И Выход

Сигнал на входе

Выход МПВП

М*»-.....

Эпюры помехоустойчивого канала

—-—гй

1кая оочех/ шумовая/

Выход детектора

1Выход 2 пересечения

Для сравнения выход оптимального приемника

Рис. 13. Эпюры сигналов при двухканальной обработке

Сравнение выходных сигналов для устройства, реализующего предлагаемый способ, свидетельствует об очевидном выигрыше в разрешающей способности (В = 4) и точности за счет применения МПВП. Количественная оценка показателей качества предлагаемого способа показывает выигрыш в помехоустойчивости примерно от 15 дБ до 22 дБ в зависимости от вида распределения помех.

В третьей главе диссертации проведена оценка возможности определения местоположения ИРИ с учетом сферичности фронта волны в одном пункте приема при ограниченной базе антенной системы угломерно-дальномерным способом на основе измерения фазовых сдвигов в элемен-

тах антенных пар. Решение этой задачи в горизонтальной плоскости представлено на рис. 14, где обозначено: Л0,Л1,Л2 - элементы антенной системы; с! - расстояние между элементами (база); /? - расстояние до центрального элемента АО, г — разность хода волн при сферическом фронте.

Зависимости фазового сдвига от дальности до ИРИ на рис.15 соответствуют следующим параметрам: 1) / = 2,4 ГГц (Л = 0,125 м). сП X = 6, 2с] = 1,5 ; 2) / = 460 МГц (Я = 0,65.«), (1 / X = 2, 2а = 2,6 м.

Анализ зависимостей показал: рабочими участками дальности при заданных с! и X являются десятки-сотни метров, выбор рабочего участка для заданной зоны обзора по дальности определяется отношением с]IX, которое должно быть существенно больше 1 для дальностей более ста метров.

Исследование зависимостей фазовых сдвигов от угла поворота между антенными элементами в области пеленга Р = 90° (рис. 16) позволило синтезировать алгоритм обнаружения-измерения при совместном применении процедуры пересечения и объединения, позволяющий выделить узкую область отчета измеряемого параметра, удовлетворяющий следующей системе:

(в) = 0,5(|Фко (0) + Ф20 (6>)| - |Ф,.0 (0) - Ф2.„ (0)|) (О) = 0.5(|ф, 0 (в) + Ф20 (0)| + |Ф, 0 (в) - Ф20 «?)) Система имеет решение, если Ф,О(0)=Ф2О(6>), что возможно при условии в = р, т.е. в направлении пеленга. Решающее правило с учетом действия шумов имеет вид:СФг,(в)>Ф^(0), где С>1 - коэффициент, значение которого зависит от требуемых показателей качества обнаружения-измерения. Указанный подход иллюстрируется на рис. 17, где показаны зависимости: 1)для Я/Х = 200; 2) ДЛЯ Л/Я = 400; 3) ДЛЯ Ш X = 800 при аГ/Л = 6. Значения функций в экстремумах пропорциональны дальности до ИРИ.

(1)

/

\\

\ ^ •

V

Ч,

\Фц

у ч.

/ \

/ \ ч

90,5 91

Рис. 14. Разность Рис. 15. Зависимость Рис.16. Зависимость фаз Рис. 17. Сигналы пересе-хода волн фазового сдвига от К в области пеленга чения и объединения

На основе проведенной оценки синтезирована алгоритмическая схема дальномера-пеленгатора с обработкой во временной области (рис. 18).

Входные сигналы вида £/0п,2>(')= ^(в)' *т ^¡"[й' + Ихиг)]+"(')> подвергаясь преобразованию и усилению на радиочастоте, поступают в блоки пересечения 1, 2, 3, где происходит сравнение их фаз. После блоков ФНЧ-

1, 2, 3 сигналы, пропорциональные разности фаз от угла поворота антенной решетки, имеют вид:

иФнч-кг,3) (ф.-и<2-.и-2) )= Р{в)--

:де.1. иир«

А2

[>*1пп-кз [

л

Ао

Пг|-НФНч-1

шь

[>-Нпр-к г"

|"|1-ифнч-1

~Г

и о редел.

ПУ

ПЗ »5>нч-Г

ТТ

т

С датчика угла

а1

иП1 иП2

Рис.18. Структурная схема дальномера-пеленгатора

Далее блок пересечения 4 и блок объединения фиксируют равенство фазовых сдвигов Ф, 0 и Ф2 0 и формируют сигнал пеленга в узкой области измерения в виде обостренного пика (рис. 19). Блок определения дальности рассчитывает принятый сигнал в соответствии с выражением:

»•—к

-агс51ц-г=—

\ 2^2

•л'-З-Ю

, где а = -

4 Ч^/Н.

Сигнал с выхода блока сигнала пеленга, сформированный в виде: и,,а, (О)=иФИЧ_, (О) - сигА (О) поступает на пороговое устройство, где порог ит выбирается исходя из дальней границы требуемой зоны обзора по дальности /?,„„, разделяя гипотезы о сферичном или плоском фронте волны, а порог иП2 выбирается в соответствии с ближней границей этой зоны , определяемой решаемой задачей. Блок спектрального анализа Гй и определения частоты формирует оценку частоты Е .

88 89 90 91 92 Рис. 19. Сигналы в области пеленга

>

М

-у-

*

0,5 1 2 2,5 3

IV«»

§

Рис. 20. Результат работы схемы

Рис. 21. Вероятность правильного обнаружения

2 4 6 8 10 12 14 16 IV«!.,

Рис. 22. Оценка измерения дальности

При реализации схемы в частотной области особенность заключается в определении фазовых спектров сигналов в каждом из каналов, затем производится сравнение фаз, формируется сигнал пеленга и дальности. При этом, так же, как и при обработке во временной области, решается задача выделения узкого участка отсчета измеряемых параметров с помощью процедур пересечения и объединения. Результаты работы схемы представлены на рис. 20, где 1 - измеренная дальность; 2 - пеленг на ИРИ; 3 - местоположение ИРИ; 4 - нормированная диаграмма направленности антенного элемента. Результаты получены для схемы с обработкой в частотной области при отношении сигнал/шум равном пяти. На рис. 21 показана зависимость вероятности правильного обнаружения от отношения сигнал/шум, где обозначено: 1) во временной области при Р1т = 10 2, 2) в частотной области при Р1т = 10~3. Из рис. 21 видно, что гарантированное измерение пеленга и дальности возможно при отношении сигнал/шум более 3. На рис. 22 показаны: 1,3- зависимости относительной погрешности измерения дальности от отношения сигнал/шум во временной и частной областях соответственно; 2, 4 - зависимости измеренной дальности от отношения сигнал/шум при истинной дальности 50 метров. Результаты моделирования свидетельствуют о существенном выигрыше показателях эффективности для схемы, реализованной в частотной области, при отношениях сигнал/шум равным трем и менее.

Разработка и исследование схемы ручного пеленгатора с механическим сканированием в азимутальной и электронным в угломестной плоскости проводились с целью решения задач оперативного обнаружения ИРИ на ограниченной территории. Алгоритмическая схема пеленгатора приведена на рис. 23.

рп^^Ёйцу"? ,—. Принцип работы

' 1 пеленгатора заключа-

ется в формировании в азимутальной и угломестной плоскостях узких пеленгационных характеристик (ПХ) на основе совместного использования процедур безмультипликативной обработки. Для этого облучатели, обеспечивающие формирование антенной двух лучей, в горизонтальной плоскости наклонены друг к другу на угол 2есл„ а в вертикальной плоскости разнесены на расстояние (1, что обеспечивает пеленгование ИРИ в горизонтальной плоскости амплитудным, а в вертикальной - фазовым методом.

Для получения ПХ в азимутальной плоскости используются огибающие разнесенных диаграмм направленности из которых формируются сигналы пересечения П и объединения и (рис. 24а). После умножения сигнала пересечения на пороговый коэффициент С производится

Рис. 23. Алгоритмическая схема пеленгатора

сравнение усиленного сигнала пересечения и сигнала ооъединения в компараторе С-П^и в окрестностях пиков, где крутизна максимальна и взаимно противоположна. В результате ПХ представляет собой узкую прямоугольную область, симметричную относительно равносигнального направления (РСН).

ПХ

\

азимут

угол ^места

рсн' угол места б

ген' азимут а

Рис. 24. Формирование ПХ в азимутальной (а) Рис.25. Общая ПХ

и угломестной (б) плоскостях

В угломестной плоскости информация об угловом положении ИРИ извлекается из фазовых различий сигналов, принимаемых антеннами, поэтому организация РСН обеспечивается созданием двух подканалов на выходе одной из антенн с фазовращателями с фиксированными и взаимно противоположными фазовыми сдвигами - ¡3 и + р (рис. 246). Электронное сканирование РСН производится с помощью фазовращателя с управляемым фазовым сдвигом. Формирование результирующей ПХ в угломестном канале происходит также, как и в азимутальном. ПХ двух каналов обработки представлена на рис. 25.

На основе проведенного анализа были получены точностные характеристики азимутального и угломестного канала: ширина ПХ

Ае = 2 ^ и среднее значение ПХ Л£ = 1,25-£05„ ^ при коло-

(С + 1).Г(*„) "(С + 1)

кольной аппроксимации диаграмм направленности антенн азимутального

канала, где е05р - ширина ДНА по половинной мощности; ширина ПХ

АЯ 2Я1(1-С) (1-^Д/2)| „ агат то

Ав= —г!т:-г^- _ ._(! И ВЫИГРЫШ В =

(1 + С)-(1 + ®9/2)

(1-С)-(1-®9/2)

по сравне-

лс1:{1 + сУ(1 + 18/1/2)\ г 2

нию с известным способом угломестного канала, а также рассчитана средняя величина сектора сканирования РСН, равная -36° <ДФ<36°, и определен диапазон допустимых значений фазовращателей равный 10° < р < 45°.

Результаты исследования показателей качества азимутального и угломестного канала схемы представлены на рис. 26 и 27.

На рис. 26 (а, б) показаны зависимости правильного обнаружения от отношения сигнал/шум при заданных значениях порогового коэффициента С азимутального и угломестного канала. На рис. 27 представлен выигрыш в ширине ПХ от порогового коэффициента С по сравнению с известным способом.

О 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Роь 09" 03" 0,7 '' 0Ä" ог-0403-1____

Wo. 012 345678 ил» 1.1 U U М 15 1(6 1.7 С

1 у

Ли У

•1.9 Ii' . *V . 2 J

jf ;

j /

t

1 7

/

fr

V

а б

Рис. 26. Вероятность правильного обнаружения Рис. 27. Выигрыш

азимутального (а) и угломестного (б) канала в ширине ПХ

Анализ показывает, что при больших отношениях сигнал/шум 20дБ) и значении порогового коэффициента С«1, ширина ПХ может достигать долей градуса, а выигрыш составлять 8 и более раз.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Предложены математические модели и методические рекомендации, определяющие возможность применения процедуры пересечения в задачах спектрального и вейвлет анализа, а также цифровой фильтрации с целью сокращения вычислительных затрат. Погрешность спектрального анализа для амплитудных спектров составляет 0,2-1% для фазовых спектров 1-10%, цифровой фильтрации в АЧХ 4-5%, в ФЧХ 1-2% при оптимальном коэффициенте включения. Качество восстановления сигнала для HAAR вейвлета при ПВП и ОВП на пересечении ухудшается на 3%, для МНАТ вейвлета пересечение дает выигрыш в восстановлении сигнала 16%.

2. Разработан способ исключения внеполосного приема сигнала, который позволяет регулировать полосу пропускания в широких (от единиц до 100% от несущей) пределах без перестройки параметров фильтра, а также по-новому подойти к задаче синтеза ЦФ с учётом относительной независимости требований к избирательности, уровню боковых лепестков АЧХ и перестройке.

3. Предложен способ обработки импульсного сигнала при использовании МПВП на основе вейвлета Морле и процедуры пересечения, который позволяет получить выигрыш в помехоустойчивости от 15 дБ до 22 дБ в зависимости от вида распределения помех и в разрешающей способности (при предельном случае в четыре раза).

4. Разработаны модели и алгоритмические схемы ручных дальномер-пеленгаторов на основе использования сферичности фронта волны и процедур безмультипликативной обработки, которые позволяют определить местоположение ИРИ в одном пункте приема при отношении сигнал/шум более трех (для частотной области) и более 8 (для временной области) с достаточно высокой точностью, а также пеленгатор с механическим сканированием в азимутальной и электронным в угломестной плоскости, ко-

торый позволяет получить выигрыш в ширине ПХ (в 8 раз при значении порогового коэффициента С = 1,1).

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Душкин A.B. Устранение интервальной неопределенности при распознавании признаков угроз безопасности информационным телекоммуникационным системам / A.B. Душкин, A.B. Волков, С.П. Соколовский // Системы управления и информационные технологии. - 2007. - №3(29). -С. 70-73.

2. Болкунов A.A. Оценка возможности реализации скрытого управления аппаратурой по сигнальным цепям бортовой PJIC / A.A. Болкунов, O.A. Булычев, A.B. Волков // Телекоммуникации. - 2010. -№7. - С.31-42.

3. Волков A.B. Синтез схемы дальномера-пеленгатора на основе процедур пересечения и объединения с обработкой сигнала во временной области / A.B. Волков, В.М. Питолин, H.A. Самоцвет // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2013. Т.9. №4. С. 12-16.

4. Волков A.B. Анализ методов формирования сигналов и помех с заданными законами распределения параметров / A.B. Волков, В.М. Питолин, H.A. Самоцвет // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2013. Т.9. №5. (в печати).

Статьи и материалы конференций

5. Волков A.B. Применение операций пересечения и объединения при решении задачи повышения скрытности и помехоустойчивости фазо-манипулированного сигнала/ A.B. Волков // Способы и техника обеспечения безопасности органов уголовно-исполнительной системы: сб. ст. науч.-метод. материалов. - Воронеж, 2010. - С.27-35.

6. Волков A.B. Применение операции пересечения и объединения при решении задачи помехоустойчивости фазоманипулированного сигнала / A.B. Волков // Перспектива-2010: сб. ст. по материалам XX межвуз. науч.-практ. конф. - Воронеж: ВАИУ, — 2010.- Вып. №1. Ч. 6.-С. 23-25.

7. Волков A.B. Синтез и обработка нерегулярного импульсно-временного кода / A.B. Волков К.В. Гонченко, Р.И. Рюмшин // Перспектива-2010: сб. ст. по материалам XX межвуз. науч.-практ. конф. — Воронеж: ВАИУ, - 2010,- Вып. №1. Ч. 6. - С. 30-32.

8. Волков A.B. Способ приема простого импульсного сигнала / A.B. Волков, Д. В. Духанин, Р.И. Рюмшин // Перспектива-2010: сб. ст. по материалам XX межвуз. науч.-практ. конф - Воронеж: ВАИУ, - 2010— Вып. №1. 4.6.-С. 42-44.

9. Волков A.B. Построение фазового пеленгатора на основе процедур пересечения и объединения / A.B. Волков, P.A. Мамонтов, Р.И. Рюмшин //

Перспектива-2010: сб. ст. по материалам XX межвуз. науч.-практ. конф. -Воронеж: ВАИУ, -2010.- Вып. №1. Ч. 6. - С. 81-83.

10. Болкунов A.A. Исследование возможностей повышения помехоустойчивости алгоритмических схем обработки сигналов в комплексах военного назначения / A.A. Болкунов, A.B. Волков, Р.И. Рюмшин // Актуальные вопросы разработки и внедрения информационных технологий двойного применения: сб. докл. XI Всерос. науч.-практ. конф- Ярославль: ЯВЗРУ ПВО,-2010.-С. 133-140.

11. Способ повышения разрешающей способности и помехоустойчивости сигналов в нелинейных радиолокаторах / A.A. Болкунов, A.B. Волков, В.П. Лихачев, Р.И. Рюмшин // Материалы I Всерос. науч.-практ. конф. молодых ученых. М.: ГШ ВС РФ, - 2010. - С. 34-37.

12. Разработка и исследование помехоустойчивых алгоритмических схем обработки фазоманипулированных импульсных сигналов с применением процедуры пересечения / A.A. Болкунов, A.B. Волков, Р.И. Рюмшин, СЛ. Сахаров // Гагаринские чтения — XXXVI: материалы междунар. практ. конф. М.,-2010.-С. 130-131.

13. Болкунов A.A. Способ обработки сигнала с исключением внепо-лосного приема на основе применения процедуры пересечения / A.A. Болкунов, A.B. Волков, Р.И. Рюмшин // Вестник Воронежского института ФСИН России. - 2011. - №2. - С. 90-97.

14. Волков A.B. Система формирования навыков обнаружения, измерения, определения местоположения радиоэлектронных средств и выявления технических каналов утечки информации / A.B. Волков, Е.В. Кравцов // Связь и телекоммуникации - новые возможности в регионе: материалы межрегион, форума IT-технологий. - Воронеж, 2011. - С. 21.

15. Болкунов А.А.Способ исключения внеполосного приема на основе использования процедуры пересечения / A.A. Болкунов, A.B. Волков, Р.И. Рюмшин // Актуальные вопросы разработки и внедрения информационных технологий двойного применения: сб. докл. XI Всерос. науч.-практ. конф.- Ярославль: ВУНЦ ВВС «ВВА», - 2011. - С. 29-34.

16. Малобазовый дальномер-пеленгатор на основе использования сферичности фронта волны / A.A. Болкунов, A.B. Волков, В.А. Мамонтов, Р.И. Рюмшин // Современные проблемы и перспективные направления развития авиационных комплексов и систем военного назначения, форм и способов их боевого применения: материалы Всерос. науч.-практ. конф-Воронеж: ВУНЦ ВВС «ВВА», - 2011. - С. 56-60.

17. Волков A.B. Моделирование схемы ручного пеленгатора с механическим сканированием в азимутальной и электронным в угломестной плоскости / A.B. Волков, A.A. Гребенщиков, Р.И. Рюмшин // Информатика: проблемы, методология, технологии: материалы XIII Междунар. науч.-метод. конф. - Воронеж: ВГУ, - 2013. - С. 285-289.

18. Волков A.B. Моделирование схемы пеленгатора-дальномера с использованием сферичности фронта волны и обработкой в частотной об-

ласти / A.B. Волков, М.Б. Макухин, Р.И. Рюмшин // Информатика: проблемы, методология, технологии: материалы XIII Междунар. науч.-метод. конф,- Воронеж: ВГУ, - 2013. - С. 289-293.

19. Болкунов A.A. Дальномер пеленгатор на основе использования сферичности фронта волны и процедур безмультипликативной обработки/ A.A. Болкунов, A.B. Волков, Р.И. Рюмшин // Радиолокация, навигация, связь: материалы XIX междунар. науч.-техн. конф - Воронеж: ВГУ, - 2013. -С. 2086-2093.

20. Разработка и исследование алгоритмов обработки сигналов в радиотехнических информационных подсистемах на основе операции пересечения и объединения: отчет о НИР / № ГР 1607340 - Воронеж: ВАИУ. -2009.- 128 с.

21. Исследование возможностей повышения быстродействия и помехоустойчивости алгоритмов обработки радиосигналов отчет: отчет о НИР / № ГР 1604325; - Воронеж: ВАИУ. - 2009. - 174 с.

22. Научно-методическое обеспечение подготовки специалистов в интересах Единой системы комплексного технического контроля ВС РФ: отчет о НИР / № ГР 1607226. - Воронеж: ВАИУ. - 2011. - 128 с.

23. Пат. 2474842 Российская Федерация, МПК G01S 13/28. Приемник простого импульсного сигнала / Болкунов A.A., Волков A.B., Рюмшин Р.И., Сахаров СЛ.; заявитель и патентообладатель ВУНЦ ВВС «ВВА им. профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина»; заявл. 03.08.2011; опубл. 10.02.2013.

Подписано в печать «15» июля 2013г. Формат 60х84/16. Бумага для множительных аппаратов. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 80 экз. Заказ №153 ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» 394026, г. Воронеж, Московский просп., 14

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ КАЗЕННОЕ ВОЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ВОЕННЫЙ УЧЕБНО-НАУЧНЫЙ ЦЕНТР ВВС «ВВА ИМЕНИ ПРОФЕССОРА Н.Е. ЖУКОВСКОГО И Ю А. ГАГАРИНА» (Г. ВОРОНЕЖ)

На правах рукописи

04201361206

Волков Алексей Витальевич

МОДЕЛИ И АЛГОРИТМЫ БЕЗМУЛЬТИПЛИКАТИВНОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ В СРЕДСТВАХ РАДИОМОНИТОРИНГА

05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: к. т. н., доцент Болкунов А.А.

Воронеж 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение...................................................................... 5

ГЛАВА 1 ОБОСНОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ И ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПРОЦЕДУР БЕЗМУЛЬТИПЛИКАТИВНОЙ ОБРАБОТКИ В СРЕДСТВАХ Р А ДИОМОНИТОРИГ А..................................................................... 12

1.1 Анализ факторов, определяющих эффективность функционирования средств радиомониторинга................................................... 12

1.2 Общая характеристика алгоритмов и аппаратурной реализации задач пространственно-частотно-временной обработки сигналов в средствах радиомониторинга...................................................... 14

1.3 Оценка возможностей использования процедур безмультипликативной обработки сигналов в средствах радиомониторинга........ 21

1.4 Цели и задачи исследования............................................ 30

1.5 Выводы по первой главе................................................ 32

ГЛАВА 2 ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ПРЕДЛОЖЕНИЙ

ПО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ АЛГОРИТМОВ СПЕКТРАЛЬНОГО И ВЕЙВЛЕТ АНАЛИЗА, И ЦИФРОВОЙ ФИЛЬТРАЦИИ НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ ПРОЦЕДУР БЕЗМУЛЬТИПЛИКАТИВНОЙ ОБРАБОТКИ........................................................................... 34

2.1 Алгоритмы спектрального анализа на основе процедуры пересечения в средства радиомониторинга..................................... 34

2.2 Исследование и разработка предложений по применению операции пересечения в алгоритмах цифровой фильтрации средств радиомониторинга.......................................................................... 40

2.3 Алгоритмы вейвлет-преобразований на основе процедуры пересечения в средствах радиомониторинга................................. 53

2.4 Способ обработки импульсных сигналов на основе применения вейвлет-преобразования и процедуры пересечения....................... 67

2.5 Выводы по второй главе................................................ 78

ГЛАВА 3 СИНТЕЗ АЛГОРИТМОВ И АЛГОРИТМИЧЕСКИХ СХЕМ МАЛОБАЗОВЫХ ПЕЛЕНГАТОРОВ НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ ПРОЦЕДУР БЕЗМУЛЬТИПЛИКАТИВНОЙ ОБРАБОТКИ...................... 80

3.1 Оценка возможности определения местоположения источника радиоизлучения с учетом сферичности фронта волны в одном пункте приема при ограниченной базе антенной системы............................ 80

3.2 Синтез и исследование алгоритмической схемы дальномера-пеленгатора с обработкой во временной области........................... 91

3.3 Синтез и исследование алгоритмической схемы дальномера-пеленгатора с обработкой в частотной области.............................. 104

3.4 Синтез алгоритмической схемы пеленгатора с механическим сканированием в азимутальной и электронным в угломестной плоскости.... 113

3.5 Выводы по третьей главе............................................... 153

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................... 155

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ......................... 156

ПЕРЕЧЕНЬ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ

БПФ - Быстрое преобразование Фурье

ВП - Вейвлет-преобразование

ДНА - Диаграмма направленности антенны

ДПФ - Дискретное преобразование Фурье

ИРИ - Источник радиоизлучения

МП - Местоположение

овп - Обратное вейвлет-преобразование

пвп - Прямое вейвлет-преобразование

пои - Первичная обработка информации

пх - Пеленгационная характеристика

РСН - Равносигнальное направление

РЭС - Радиоэлектронные средства

РЭО - Радиоэлектронное обеспечение

ско - Среднеквадратическая ошибка

СЭУПИ - Специальные электронные устройства перехвата информации

ЦОС - Цифровая обработка сигналов

ЦФ - Цифровой фильтр

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Функционирование современных радиоэлектронных систем извлечения информации характеризуется условиями сложного информационного и радиоэлектронного конфликта, которые нередко далеки от чисто стохастических, отличаются нестационарностью, нечеткостью, высокой динамикой [14, 55, 76, 80]. Характерен рост сложности подобных систем за счет всё большей тенденции к их интегрированию, совершенствованию способов радиоэлектронной защиты и алгоритмов обработки информации, увеличения количества структурных элементов и связей [61, 62]. С учетом этого актуальной остается задача поиска и использования способов повышения эффективности обработки сигналов в радиосистемах, а также изыскание возможностей создания многофункциональных устройств и алгоритмов на относительно однородной базовой структуре.

Важную специфическую группу в системах извлечения информации составляют средства радиомониторинга, широко применяемые в самых различных областях. Анализ работ ведущих специалистов в области проектирования подобных средств [27, 44, 80, 86, 88, 89] свидетельствует о том, что их успешное применение в значительной степени зависит не только от содержания алгоритмов функционирования систем радиомониторинга, но и от технических характеристик, реализованных в них подсистем первичной обработки информации (ПОИ), несущих основную функциональную нагрузку по добыванию сведений об объектах мониторинга. При этом основными техническими характеристиками подсистем ПОИ являются время выполнения процедур поиска и обнаружения сигналов, оценки их параметров и принятия решения, а также точность и достоверность извлекаемой в ходе этих процедур информации. Принципиальные ограничения по цифровой обработке сигналов в реальном времени обусловлены конечным быстродействием выполнения арифметических операций базового набора, на реализацию которых приходятся основные временные затраты.

Улучшение показателей эффективности, решаемых средствами радиомониторинга задач, открывает использование в алгоритмах ПОИ операций пересечение и объединение [28, 29, 30], позволяющих получить однородные по составу алгоритмические структуры, реализующие многообразие функциональных преобразований при исключении операции умножения, что приводит к снижению вычислительных затрат. Кроме того в задачах обнаружения, измерения, различения и идентификации алгоритмы, основанные на операциях пересечения и объединения, оказываются способными в силу наличия нелинейных свойств удерживать информационные характеристики и показатели качества в заданных пределах при значительных изменениях условий функционирования.

Целью работы является расширение возможностей и повышение эффективности средств радиомониторинга за счет реализации моделей и алгоритмов на основе применения процедур безмультипликативной обработки.

Для достижения цели необходимо решение следующих научных задач:

1. Обосновать возможность и целесообразность применения процедуры пересечения в задачах спектрального и вейвлет анализа, а также цифровой фильтрации, что позволит сократить вычислительные затраты средств радиомониторинга;

2. Разработать способ повышения разрешающей способности и помехоустойчивости импульсных сигналов при использовании модифицированного вейвлет-преобразования на основе вейвлета Морле и процедуры пересечения;

3. Разработать модели и алгоритмические схемы пеленгаторов на основе совместного использования процедур пересечения и объединения, позволяющих при небольших размерах антенны определять местоположение источника радиоизлучения (ИРИ) с требуемой точностью.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использованы методы математического моделирования, теории вероятности и

статистической радиотехники, теории обнаружения сигналов, цифровой об-

6

работки сигналов. Для проведения расчетов применялся пакет программ МаЛСАЭ 11.

Научная новизна. При выполнении диссертационного исследования получены следующие основные результаты, характеризующиеся научной новизной:

1. Новые математические модели и методические рекомендации, определяющие возможность применения процедуры пересечения в алгоритмах спектрального и вейвлет анализа, а также цифровой фильтрации.

2. Способ фильтрации сигнала на основе использования процедуры пересечения, обеспечивающий исключение приёма вне основной полосы пропускания фильтра и регулировку полосы в широких пределах.

3. Способ повышения разрешающей способности и помехоустойчивости импульсных сигналов, основанный на использовании процедуры пересечения в прямом вейвлет-преобразовании на основе вейвлета Морле.

4. Модели и алгоритмические схемы пеленгаторов на основе совместного применения процедуры пересечения и объединения, позволяющие определить местоположение источников радиоизлучений при небольших размерах антенны с достаточно высокой точностью.

Практическая значимость результатов работы заключается в возможности применения разработанных алгоритмов спектрального и вейвлет анализа, цифровой фильтрации и алгоритмических схем радиопеленгаторов на основе процедур пересечения и объединения при проектировании средств радиомониторинга и реализации алгоритмов цифровой обработки сигналов.

Достоверность научных результатов. Достоверность полученных в диссертации результатов подтверждается корректным использованием основных положений и методов теорий: вероятности, статистической радиотехники, обнаружения и цифровой обработки сигналов, использованием современных методов математического моделирования при реализации алгоритмов и схем обработки сигналов на основе безмультипликативных процедур.

Реализация и внедрение результатов работы. Модели и алгоритмические схемы обработки сигналов в радиопеленгаторах использованы при разработке макетов пеленгаторов в интересах решения задачи выявления и локализации специальных электронных устройств перехвата информации (НИР шифр «Лесогорье», заказчик - начальник войск РЭБ ВС РФ).

Математические модели спектрального и вейвлет анализа, а также цифровой фильтрации использованы при обосновании технического облика и требований к системе радиомониторинга пространственно-распределенной системы радиоподавления (ОКР шифр «Радиология», заказчик - Минпром-торг России).

На защиту выносятся:

1. Математические модели и методические рекомендации, определяющие возможность применения процедуры пересечения в задачах спектрального и вейвлет анализа, а также цифровой фильтрации с целью сокращения вычислительных затрат.

2. Способ фильтрации сигнала с исключением внеполосного приема.

3. Способ повышения разрешающей способности и помехоустойчивости импульсного сигнала при использовании прямого вейвлет-преобразования на основе вейвлета Морле и процедуры пересечения.

4. Модели и алгоритмические схемы пеленгаторов на основе совместного использования процедур пересечения и объединения.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: Международной молодежной научной конференции «Гагаринские чтения -XXXVI» (Москва, 2010); XII Всероссийской НПК «Актуальные вопросы разработки и внедрения информационных технологий двойного применения» (Ярославль, 2011); Всероссийской выставке «Диверсификация ОГЖ» (Москва, 2011); Всероссийской НПК «Современные проблемы и перспективные направления развития авиационных комплексов и систем военного назначения, форм» (Воронеж, 2012); Международном салоне промышленной собственности «Архимед -

8

2012» (Москва, 2012); XIII Международной научно-методической конференции «Информатика: проблемы, методология, технологии» (Воронеж, 2013), XIX Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, 2013).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 23 научных работы, в том числе три отчета о НИР, один патент на изобретение Российской Федерации, 4 статьи опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК России.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы из 98 наименований. Работа изложена на 165 страницах машинописного текста, содержит 116 рисунков и 1 таблицу.

В первой главе проведен анализ факторов, определяющих эффективность функционирования средств радиомониторинга. Из анализа видно, что основную функциональную нагрузку по добыванию сведений об источниках радиоизлучений (ИРИ) несут процедуры ПОИ средств радиомониторинга. Независимо от сложности этих алгоритмов, в них, как правило, все вычисления сводятся к операциям дискретной свертки одномерных и (или) двухмерных матриц, которые реализуются через арифметические операции базового набора: сложение, вычитание и умножение. Проведена оценка скорости выполнения команд сигнальными процессорами при реализации процедур умножение, сложение и пересечение. Дана краткая характеристика процедур пересечения и объединения, показана возможность их совместного использования для синтеза алгоритма обнаружения путем объединения выражений, а также обоснована возможность замены операции умножения процедурой пересечения, за счет эквивалентности корреляций, вычисленных на основе скалярного произведения векторов и их скалярного пересечения.

Разработаны предложения по использованию методического аппарата безмультипликативной обработки сигналов, сформулирована цель и задачи исследования. В обобщенном виде представлена технологическая схема исследований и структура взаимодействия основных факторов, определяющих

содержание и эффективность радиомониторинга.

9

Во второй главе с использованием методов статистической радиотехники и математического моделирования проведено исследование алгоритмов спектрального анализа и цифровой фильтрации на основе процедуры пересечения, обоснованы условия замены операции умножения на процедуру пересечения. Получены зависимости различий в амплитудных и фазовых спектрах, при спектральном анализе, и в АЧХ и ФЧХ при цифровой фильтрации. На основе различий ФЧХ вне полосы пропускания известного и предлагаемого цифрового фильтра (ЦФ), и свойств процедуры пересечения разработан способ обработки сигнала с исключением внеполосного приема.

Показана возможность применения процедуры пересечения при декомпозиции и реконструкции сигнала на основе МНАТ и HAAR вейвлетов. Получены количественные оценка качества восстановления сигнала при непрерывном ПВП и обратном вейвлет преобразовании (ОВП) на пересечении, а так же рассчитан выигрыш в отношении сигнал/шум от числа используемых при восстановлении масштабных коэффициентов, обусловленный применением процедуры пересечения в вейвлет-анализе.

Разработан и исследован способ повышения разрешающей способности и помехоустойчивости импульсных приемников, за счет использования в приемнике блока реализующего ПВП на основе вейвлета Морле и процедуры пересечения. Проведен выбор масштабного коэффициента и коэффициента включения. Рассчитан выигрыш в разрешающей способности и помехоустойчивости предлагаемого способа по сравнению с известными.

На основе полученных результатов сформулированы выводы, которые говорят о целесообразности применения операции пересечения в подсистемах ПОИ средств радиомониторинга.

В третьей главе проведена оценка возможности определения местоположения источника радиоизлучения с учетом сферичности фронта волны в одном пункте приема при ограниченной базе антенной системы. На основе проведенной оценки был синтезирован алгоритм обнаружения-измерения

при совместном использовании процедур пересечение и объединение, кото-

10

рый позволяет сформировать узкую область измеряемых параметров. Разработаны и исследованы алгоритмические схемы ручных дальномеров-пеленгаторов с обработкой во временной и частотной областях, а также произведен расчет их показателей качества.

На основе совместного применения процедур безмультипликативной обработки разработана и исследована алгоритмическая схема ручного пеленгатора с механическим сканированием в азимутальной и электронным сканированием в угломестной плоскости. Получены точностные характеристики угломестного и азимутального канала, произведен расчет показателей качества. Полученные результаты позволили сделать вывод, что применение операций пересечение и объединение при построении пеленгаторов позволяет получить узкие пеленгационные характеристики (ПХ), что повышает точность измеряемых параметров.

В заключении подводится итог работы, формулируются основные результаты и выводы.

и

ГЛАВА 1 ОБОСНОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ И ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПРОЦЕДУР БЕЗМУЛЬТИПЛИКАТИВНОЙ ОБРАБОТКИ В СРЕДСТВАХ РАДИОМОНИТОРИНГА

1.1 Анализ факторов, определяющих эффективность фу