автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Оптимизация и анализ систем селекции движущихся целей с адаптивными режекторными фильтрами при вобуляции периода повторения

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Селекция движущихся целей

1.2. Оптимизация устройств подавления коррелированных помех

1.3. Методы адаптивной режекции коррелированных помех

1.4. Особенности режекции коррелированной помехи при вобуляции периода повторения

1.5. Выводы

2. СИНТЕЗ АДАПТИВНЫХ РЕЖЕКТОРНЫХ ФИЛЬТРОВ ПРИ ВОБУЛЯЦИИ ПЕРИОДА ПОВТОРЕНИЯ

2.1. Вводные замечания

2.2. Эффект "слепых" скоростей. Вобуляция периода повторения

2.3. Временное описание вобулированной последовательности

2.4. Статистическое описание вобулированной последовательности

2.5. Адаптивные режекторные фильтры с комплексными весовыми коэффициентами

2.6. Синтез адаптивных режекторных фильтров с действительными весовыми коэффициентами

2.7. Структурная схема АРФ с ДВК

2.8. Анализ предельной эффективности АРФ с ДВК

2.9. Влияние доплеровской фазы помехи на эффективность АРФ с ДВК

2.10. Синтез адаптивных режекторных фильтров с частичной адаптацией

2.11. Структурная схема АРФ с ЧА

2.12. Анализ предельной эффективности АРФ с ЧА

2.13. Каскадная реализация АРФ с полной адаптацией

2.14. Выводы

3. АНАЛИЗ АДАПТИВНЫХ РЕЖЕКТОРНЫХ ФИЛЬТРОВ

3.1. Вводные замечания

3.2. Эффективность АРФ с ДВК с учетом потерь адаптации

3.3. Эффективность АРФ с ЧА с учетом потерь адаптации

3.4. Анализ скоростных характеристик АРФ

3.5. Скоростные характеристики АРФ с ДВК

3.6. Скоростные характеристики АРФ с ЧА

3.7. Анализ скоростных-характеристик АРФ с АК

3.8. Скоростные характеристики АРФ с ДВК

3.9. Анализ скоростных характеристик АРФ с ЧА

3.10. Выводы 104 4. АНАЛИЗ СИСТЕМ АДАПТИВНОЙ ОБРАБОТКИ

4.1. Вводные замечания

4.2. Корреляционная матрица на выходе АРФ

4.3. Корреляционная матрица на выходе АРФ с ДВК

4.4. Корреляционная матрица на выходе АРФ с ЧА

4.5. Методы анализа характеристик обнаружения

4.6. Анализ характеристик обнаружения методом собственных значений

4.7. Анализ характеристик обнаружения методом следа

4.8. Математическое моделирование исследуемой системы

4.9. Анализ характеристик обнаружения

4.10. Анализ потерь адаптации

4.11. Сравнение точности методов анализа характеристик обнаружения

4.12. Реализация адаптивных режекторных фильтров

4.13. Выводы 144 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 145 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 149 ПРИЛОЖЕНИЕ

1 Программы моделирования АРФ с ДВК 160 1.1 Программа моделирования зависимости вероятности ложной тревоги от порога обнаружения

1.2 Программа моделирования зависимости вероятности правильного обнаружения от отношения сигнал/помеха на входе системы

2 Программы моделирования АРФ с ЧА

2.1 Программа моделирования зависимости вероятности ложной тревоги от порога обнаружения

2.2 Программа моделирования зависимости вероятности правильного обнаружения от отношения сигнал/помеха на входе системы

3 Акты внедрения

Актуальность темы:

Выделение сигнала от цели на фоне коррелированных помех, вызываемых переотражениями зондирующего сигнала от неподвижных либо медленно перемещающихся мешающих объектов, продолжительное время остается одной из основных проблем радиолокации. Для решения этой задачи используются различия, имеющиеся в радиальных скоростях целей и мешающих отражателей. В когерентно-импульсных радиолокационных системах (PJIC) высокой скважности решение задачи селекции движущихся целей (СДЦ) усугубляется наличием эффекта "слепых" скоростей, который заключается в пропуске сигналов от целей с радиальными скоростями, кратными периоду повторения зондирующих импульсов. В настоящее время распространенным методом борьбы с данной проблемой является вобуляция периода повторения зондирующих импульсов. Однако использование для режекции пассивной помехи при обработке вобулированной (неэквидистантной) последовательности фильтров со стационарными во времени параметрами приводит к существенному ограничению эффективности системы СДЦ.

Вопросам повышения эффективности подавления коррелированной помехи при вобуляции периода повторения зондирующих импульсов посвящено множество научных работ, среди которых особо стоит отметить публикации Г. А. Эндрюса, X. Урковица, Т. Мюраками, Р. С. Джонсона, В. Е. Лернера. Поповым Д. И. и Афанасьевым А. Г. был синтезирован адаптивный режекторный фильтр (АРФ) с комплексными весовыми коэффициентами (КВК), позволяющий в условиях априорной параметрической неопределенности при вобуляции периода повторения достичь предельной эффективности подавления коррелированной помехи. Однако сложность практической реализации данного алгоритма существенно ограничивает область его применения.

Таким образом, представляет интерес рассмотреть системы селекции движущихся целей с адаптивными режекторными фильтрами, позволяющие при минимальных затратах на практическую реализацию обеспечить при вобу-ляции периода повторения зондирующих импульсов эффективное выделение сигнала от цели на фоне коррелированной помехи с априорно неопределенными спектрально-корреляционными свойствами.

Цель и задачи работы:

Оптимизация и анализ систем селекции движущихся целей с адаптивными режекторными фильтрами, обеспечивающих эффективное подавление коррелированной помехи в условиях априорной параметрической неопределенности при вобуляции периода повторения зондирующих импульсов.

Для достижения поставленной цели в данной работе решались следующие задачи:

1. синтез адаптивных режекторных фильтров с действительными весовыми коэффициентами при вобуляции периода повторения;

2. синтез адаптивных режекторных фильтров с частичной адаптацией (автокомпенсация доплеровской фазы помехи с последующей режекцией "остановленной" помехи режекторным фильтром с оптимизированными в априорно определенном диапазоне изменения нормированной ширины спектра помехи весовыми коэффициентами) при вобуляции периода повторения;

3. анализ предельной эффективности синтезированных АРФ и определение области их целесообразного применения;

4. анализ синтезированных АРФ с учетом потерь адаптации;

5. анализ систем обработки, построенных на основе синтезированных фильтров;

6. статистическое моделирование систем обработки, построенных на основе синтезированных фильтров.

Методы проведения исследований:

1. методы статистического описания вобулированной последовательности;

2. элементы теории матриц;

A W

3. метод оценивания погрешности измерения случайных параметров на основе матриц Фишера;

4. метод анализа характеристик обнаружения - метод следа;

5. метод анализа характеристик обнаружения - метод собственных значений;

6 с «» метод моделирования неэквидистантнои последовательности путем линейного преобразования;

7. метод Монте-Карло (метод статистического моделирования);

8. метод экстремальных статистик (метод статистического моделирования).

Основные объекты исследования:

1. адаптивные режекторные фильтры с переменными во времени действительными весовыми коэффициентами;

2. адаптивные режекторные фильтры с частичной адаптацией;

3. системы некогерентного обнаружения, построенные на основе вышеперечисленных фильтров.

Научная новизна:

1. синтезирован адаптивный режекторный фильтр с переменными действительными весовыми коэффициентами, предназначенный для обработки неэквидистантной последовательности;

2. синтезирован адаптивный режекторный фильтр, обеспечивающий автокомпенсацию доплеровской фазы помехи с последующей режекцией "остановленной" помехи фильтром с оптимизированными в априорно заданном диапазоне изменения ширины спектра помехи действительными весовыми коэффициентами;

3. осуществлен анализ скоростных характеристик фильтров с учетом потерь адаптации;

4. осуществлен анализ систем селекции движущихся целей с адаптивными ре-жекторными фильтрами при вобуляции периода повторения.

Практическая ценность работы:

1. определены области целесообразного применения синтезированных фильтров;

2. показана целесообразность использования при обработке неэквидистантной последовательности режекторных фильтров с нестационарными от периода к периоду параметрами;

3. на основе матриц Фишера получены выражения, позволяющие осуществлять анализ эффективности синтезированных фильтров с учетом потерь адаптации;

4. получены выражения, позволяющие проводить анализ скоростных характеристик синтезированных адаптивных режекторных фильтров с учетом потерь, обусловленных адаптацией;

5. на основе метода собственных значений получены выражения, позволяющие проводить анализ характеристик обнаружения некогерентных систем обнаружения, построенных на основе синтезированных алгоритмов режекции;

6. устранено противоречие между задачей достижения высокой эффективности подавления коррелированной помехи при вобуляции периода повторения и обеспечением требуемой линейности скоростной характеристики в зоне прозрачности;

7. осуществлено статистическое моделирование некогерентных систем обнаружения, построенных на основе синтезированных фильтров.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Адаптивные режекторные фильтры с коммутируемыми действительными весовыми коэффициентами, обеспечивающие эффективное подавление коррелированной помехи в условиях априорной параметрической неопределенности при вобуляции периода повторения.

2. Нерекурсивные режекторные фильтры с авто компенсацией доплеровской фазы помехи и оптимизированными в априорно заданном диапазоне изменения нормированной ширины спектра помехи коммутируемыми действительными весовыми коэффициентами, обеспечивающие эффективное подавление коррелированной помехи в условиях априорной параметрической неопределенности при вобуляции периода повторения.

3. Метод анализа скоростных характеристик адаптивных режекторных фильтров при вобуляции периода повторения в зависимости от объема обучающей выборки.

Апробация работы:

Полученные в диссертационной работе результаты докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

1. Международная научно-техническая конференция "К. Э. Циолковский - 140 лет со дня рождения. Космонавтика. Радиоэлектроника. Геоинформатика." Рязань, 1997г.

2. Всероссийская молодежная научная конференция "XXIV Гагаринские чтения" Москва, Московский государственный авиационный технологический университет, 1998г.

3. 2-я международная научно-техническая конференция "Космонавтика. Радиоэлектроника. Геоинформатика." Рязань, 1998г.

4. 5-я международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" Москва, Московский энергетический институт, 1999г.

5. Международная научно-техническая конференция "Современные научно-технические проблемы гражданской авиации" Москва, Московский государственный технический университет гражданской авиации, 1999г.

6. 36-я научно-техническая конференция. Рязань, Рязанская Государственная радиотехническая академия, 1999г.

Внедрение результатов: Результаты диссертационной работы внедрены в производственный процесс ФГУП ОКБ «Спектр» (г. Рязань) и учебный процесс Рязанской Государственной радиотехнической академии.

Публикации: По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, из них 7 статей, 6 тезисов докладов на конференциях, одно методическое пособие.

Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 124 наименований и прило

4.13. Выводы

В данной главе были рассмотрены некогерентные системы обнаружения, в которых для режекции коррелированной помехи при вобуляции периода повторения используются АРФ с ДВК и АРФ с ЧА.

В результате проделанной работы получены следующие результаты:

1. В ходе исследования были получены выражения, позволяющие определить корреляционную матрицу обрабатываемой последовательности на выходе АРФ с ДВК и АРФ с ЧА. На основе данных выражений методом собственных значений выполнен разносторонний анализ характеристик обнаружения синтезированных АРФ.

2. Выбран метод анализа характеристик обнаружения на основе сравнения результатов теоретических методов с результатами статистического моделирования.

3. Осуществлен анализ характеристик обнаружения, подтвердивший целесообразность использования синтезированных АРФ в системах обнаружения.

4. На основе полученных ранее структурных схем и алгоритмов осуществлено математическое моделирование исследуемых систем, которое подтвердило высокую эффективность их использования и точность используемых при анализе методов.

5. Рассмотрены вопросы реализации синтезированных АРФ.

Таким образом, в данной главе показано, что в зависимости от ставящихся перед проектируемой PJIC задач использование АРФ с ДВК или АРФ с ЧА позволяет существенно повысить эффективность обнаружения целей на фоне коррелированных помех ценой относительно малых технических затрат на реализацию.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе, направленной на оптимизацию и анализ систем селекции движущихся целей с адаптивными режекторными фильтрами при вобуляции периода повторения, получены следующие результаты:

1. На основе статистического описания вобулированной последовательности синтезированы адаптивные режекторные фильтры с переменными во времени действительными весовыми коэффициентами.

2. Синтезирована структурная схема адаптивного режекторного фильтра с действительными весовыми коэффициентами, позволяющая осуществлять его практическую реализацию с минимальными техническими затратами.

3. Осуществлен анализ предельной эффективности адаптивного режекторного фильтра с действительными весовыми коэффициентами. Показана целесообразность использования синтезированного фильтра, обусловленная получаемыми энергетическими выигрышами по сравнению с известными алгоритмами обработки вобулированной последовательности. В результате проведенного анализа показана инвариантность достигаемой эффективности подавления АРФ с ДВК к параметрам вобуляции. Определена область целесообразного применения АРФ с ДВК, представляющая собой область малых доплеровских фаз помехи.

4. На основе статистического описания вобулированной последовательности синтезированы адаптивные режекторные фильтры с частичной адаптацией, представляющие собой последовательное включение автокомпенсатора доплеровской фазы помехи и режекторного фильтра с переменными от периода к периоду действительными весовыми коэффициентами, оптимизированными в априорно заданном диапазоне изменения нормированной ширины спектра помехи. В качестве предпочтительного правила решения выбран принцип минимакса к величине относительных потерь в предельной эффективности. Синтезирована структурная схема адаптивного режекторного фильтра с частичной адаптацией, позволяющая осуществить его практическую реализацию с минимальными техническими затратами.

5. Осуществлен анализ предельной эффективности адаптивного режекторного фильтра с частичной адаптацией. Показана целесообразность использования синтезированного фильтра, обусловленная получаемыми энергетическими выигрышами по сравнению с известными алгоритмами обработки вобулированной последовательности. В результате проведенного анализа показана инвариантность достигаемой эффективности подавления АРФ с ЧА к параметрам вобуляции. Показано, что использование в АРФ с ЧА автокомпенсатора доплеровской фазы помехи позволяет избежать ограничения области целесообразного применения диапазоном малых доплеровских фаз помехи, характерного для АРФ с ДВК.

6. На основе матриц Фишера получены выражения, позволяющие проводить анализ потерь в эффективности подавления коррелированной помехи синтезированными фильтрами в зависимости от объема обучающей выборки. В результате проведенного анализа показано, что уже при и —» 32 потери адаптации для синтезированных фильтров составляют менее 0.5дБ, что говорит о хорошей сходимости алгоритмов.

7. На основе матриц Фишера получены выражения, позволяющие проводить анализ скоростных характеристик синтезированных фильтров в зависимости от объема обучающей выборки. В результате проведенного на основе данных выражений анализа показано, что потери адаптации, обусловленные ограничением объема обучающей выборки, обусловлены недоформированием скоростной характеристики АРФ в зоне режекции. Зона прозрачности при этом от объема обучающей выборки не зависит.

8. Анализ скоростных характеристик синтезированных фильтров позволяет сделать вывод, что использование при вобуляции периода повторения переменных от периода к периоду весовых коэффициентов позволяет достичь инвариантности зоны режекции скоростной характеристики фильтра к параметрам вобуляции и тем самым исключить противоречие между задачами достижения предельной эффективности подавления коррелированной помехи и обеспечения желаемой линейности скоростной характеристики в зоне прозрачности.

9. На основе матриц Фишера получены выражения, позволяющие определять корреляционную матрицу обрабатываемой вобулированной последовательности на выходе адаптивного режекторного фильтра с действительными весовыми коэффициентами с учетом объема обучающей выборки.

Ю.На основе матриц Фишера получены выражения, позволяющие определять корреляционную матрицу обрабатываемой вобулированной последовательности на выходе адаптивного режекторного фильтра с частичной адаптацией с учетом объема обучающей выборки.

11 .На основе результатов статистического моделирования показана целесообразность использования в качестве методики анализа характеристик обнаружения систем некогерентной обработки метода собственных значений. Данное решение обусловлено тем, что метод собственных значений позволяет добиться более высокой точности вычислений по сравнению с методом следа.

12.Осуществлен анализ характеристик обнаружения некогерентных систем обнаружения, использующих для режекции коррелированной помехи при вобуляции периода повторения адаптивные режекторные фильтры с переменными от периода к периоду действительными весовыми коэффициентами. Проведенный анализ подтвердил эффективность использования АРФ с ДВК в диапазоне малых доплеровских фаз помехи.

13 .Осуществлен анализ характеристик обнаружения некогерентных систем обнаружения, использующих для режекции коррелированной помехи при вобуляции периода повторения адаптивные режекторные фильтры с частичной адаптацией.

14.Осуществлен анализ зависимости порогового отношения сигнал/помеха в зависимости от объема обучающей выборки при использовании для режекции коррелированной помехи адаптивного режекторного фильтра с действительными весовыми коэффициентами. Показано, что уже при п -» 32 потери адаптации составляют менее 0.5дБ. Результаты анализа подтверждены результатами статистического моделирования, что говорит о высокой точности разработанного математического аппарата.

15.Осуществлен анализ зависимости порогового отношения сигнал/помеха в зависимости от объема обучающей выборки при использовании для режекции коррелированной помехи адаптивного режекторного фильтра с частичной адаптацией. Показано, что уже при п -» 32 потери адаптации составляют менее 0.5дБ. Результаты анализа подтверждены результатами статистического моделирования, что говорит о высокой точности разработанного математического аппарата.

1 б.Рассмотрены вопросы реализации синтезированных фильтров на основе цифровых процессоров обработки сигналов. Показано, что использование ЦПОС позволяет достичь высокой производительности фильтров при относительно малых технических затратах.

1. Харкевич А. А. Борьба с помехами. М.: Наука, 1965. - 276с.

2. Бакулев П. А. Радиолокация движущихся целей. М.: Сов. радио, 1964. -334с.

3. Бакулев П. А., Степин В. М. Методы и устройства селекции движущихся целей. М.: Радио и связь, 1986. - 288с.

4. Теоретические основы радиолокации / Под ред. Ширмана Я. Д. М.: Сов. радио, 1970.-560с.

5. Богомолов А. Ф. Основы радиолокации. М.: Советское радио, 1954. -302с.

6. Сивере А. П., Суслов Н. А. Основы радиолокации. М.: Советское радио, 1959. -350с.

7. Бартон Д. Радиолокационные системы: Пер. с англ./ Под ред. К. Н. Трофимова. М.: Воениздат, 1967. - 480с.

8. Вайнштейн Л. А., Зубаков В. Д. Выделение сигналов на фоне случайных помех. М.: Сов. радио, 1960. - 448с.

9. Сосулин Ю. Г. Теория обнаружения и оценивания стохастических сигналов. М.: Сов. радио, 1978. - 320с.

10. Справочник по радиолокации / Под ред. М. Сколника. М.: Советское радио, 1978.-528с.

11. Ширман Я. Д., Манжос В. Н. Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех. М.: Радио и связь, 1981. - 416с.

12. Бакут П. А. и др. Обнаружение движущихся объектов. М.: Советское радио, 1980.-288с.

13. Попов Д. И. Проектирование радиолокационных систем. Рязань, 1975. — 194с.

14. Хелстром К. Статистическая теория обнаружения сигналов. М.: Изд-во иностранной литературы, 1963. - 431с.

15. Ван Трис Г. Теория обнаружения, оценок и модуляции: Пер. с англ./ Под16