автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Повышение эффективности функционирования радиотехнических средств охранных систем

На правах рукописи

ФЕДОТОВ ДМИТРИИ ВЛАДИМИРОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ОХРАННЫХ СИСТЕМ

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

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 5 'П10

Москва-2010

004599740

Работа выполнена в Московском государственном институте радиотехники, электроники и автоматики (техническом университете) на кафедре радиопередающих устройств.

Научный руководитель: кандидат технических наук

доцент, С.Н. Замуруев

Официальные оппоненты: доктор технических наук

профессор, А.Ф. Котов доктор технических наук профессор, Ю.С. Чесноков

Ведущая организация: «НИКИРЭТ" - филиала ФГУП

ФНПЦ «ПО«Старт» им.М.В.Проценко»

Защита состоится 23 апреля 2010 года в 15 ч. 00 м. на заседании диссертационного совета Д212.131.01 при Московском государственном институте радиотехники, электроники и автоматики (техническом университете) по адресу: 119454, Москва, проспект Вернадского, д. 78.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИРЭА.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим направлять по адресу: 119454, Москва, проспект Вернадского, дом 78, МИРЭА, диссертационный совет Д212.131.01

Автореферат разослан I? марта 2010 г. Ученый секретарь диссертационного совета

д.т.н., профессор Куликов Г.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

В современных социально-экономических условиях проблемы обеспечения безопасности различных объектов становятся особенно актуальными. Физическая защита объекта в значительной степени определяется эффективностью технических средств обнаружения, установленных на периметре, поскольку они должны первыми, с максимальной достоверностью информировать службу охраны о возникающих угрозах. Периметро-вая граница объекта является наилучшим местом для локализации попытки вторжения нарушителя, так как любое действие нарушителя, пытающегося проникнуть на охраняемый объект, сопровождается физическим контактом с периметром. При этом, если периметр представляет собой заграждение, то его необходимо разрушать. Если же периметр - открытая территория, то его нужно пересечь. Все эти действия создают реальную возможность для обнаружения нарушителя с помощью электронных средств.

В настоящее время на российском рынке представлены разнообразные средства электронной охраны, отличающиеся не только принципом действия (радиолучевые, оптические, индуктивные, емкостные, вибрационные, проводноволновые, контактные и резистивные, сейсмические, магнитометрические, комбинированные), но и областью применения, конструкцией, эксплуатационными характеристиками, стоимостью. Особое место в данном ряду занимают радиолучевые средства обнаружения, построенные по принципу радиолокационных систем ближнего радиуса действия (10-300м). Их отличительной особенностью среди средств обнаружения (СО) является наличие объемной невидимой зоны обнаружения, что является несомненным достоинством радиолучевых СО, так как благодаря этому их труднее преодолеть, используя подручные средства. К настоящему времени радиолучевые СО достигли высокой степени совершенства и дальнейшие пути их развития направлены на повышение информативности. Стремление улучшить характеристики радиолучевых СО с целью получения большей информации о зондируемых объектах привело к использованию в СО сигналов зондирования, обладающих меньшим импульсным объемом. Уменьшение импульсного объема зондирующего импульса СО позволяет уменьшить «мертвую зону» вблизи СО, что наиболее важно для однопозиционных радиолучевых СО, работающих на малых дальностях (10-50м), увеличить локализацию ЭПР в зоне обзора; повысить разрешающую способность. Обычные однопозиционные радиотехнические системы (РТС) СО имеют импульсный объем 25-30м, что соответствует длительности сигнала зондирования 100нс. Ширина спектра таких сигналов СО не превышает 2-3% от несущей частоты. К настоящему времени эти сигналы

з

практически исчерпали свои информационные возможности. Современные электронные средства охраны нуждаются в большей информации о зондируемой цели для создания алгоритмов классификации и распознавания целей. Поэтому переход к короткоимпулъсным сигналам со сверхширокой (3-54% от центральной частоты) полосой частот является закономерным шагом на пути эволюции РТС СО. Согласно определению, используемому федеральными агентствами по связи (США, Евросоюз, Япония), сигналы в диапазоне частот ЗЛ-ЮГГц, имеющие значение рабочей полосы частот сигнала более 500 МГц по уровню -ЮдБ, считаются сверхширокополосными. Однако при использовании СШП сигналов в СО возникают новые проблемы. Получение информации о цели начинается с ее обнаружения. Процедуры обнаружения сигналов, скрытых в шумах, исследованы достаточно подробно (см, например: Левин Б.Р. «Теоретические основы статистической радиотехники»). Однако эти исследования выполнены, в основном, для узкополосных гармонических сигналов зондирования. У этих сигналов в процессе локационного наблюдения цели может меняться амплитуда, частота, начальная фаза, может появиться модуляция любого из параметров, но гармонический характер колебания остается неизменным. У короткоимпульсного сверхширокополосного (СШП) сигнала при указанных выше преобразованиях изменяются не только параметры, но и форма сигнала зондирования. Изменение сигнала в процессе наблюдения цели происходит неоднократно. Особенно значительные изменения происходят при отражении сигнала от сложной цели. В результате на вход системы обработки приходит сигнал, форма которого существенно отличается от формы излученного. Именно в этом изменении формы сигнала содержится информация о цели. Однако отсутствие априорной информации о форме сигнала не позволяет использовать классическую оптимальную обработку с помощью согласованного фильтра или коррелятора, а алгоритмы, применяемые в традиционных узкополосных СО, не могут быть использованы для обнаружения цели.

Цель работы

Целью работы является повышение эффективности функционирования однопозиционных радиолучевых СО за счет использования СШП технологии и разработки алгоритма обнаружения СШП сигнала, отраженного от типовой цели СО (человек, транспортное средство). Это позволяет максимизировать отношение сигнал-шум на выходе системы обработки СО. В процессе поиска эффективных алгоритмов обнаружения в работе рассмотрены несколько типовых алгоритмов обнаружения короткоимпульсного СШП сигнала с неизвестными параметрами: одноканальный и многоканальный ранговые обнаружители, энергетический обнаружитель и так на-

4

зываемый обнаружитель «по точкам». Анализ известных алгоритмов показал их низкую энергетическую эффективность в случае применения в од-нопозиционных радиолучевых СО, поэтому решение этой задачи усиливает актуальность работы.

Методы исследования

Исследования выполнены с использованием методов теории вероятности и случайных процессов, методов статистической радиотехники, моделирования и расчетов на ЭВМ.

Научная новизна работы

В данной работе получены следующие новые результаты:

1. Разработан алгоритм обработки СШП сигнала для применения в РТС охранных систем. Энергетическая эффективность алгоритма достигает 6дБ по сравнению с известными квазиоптимальными методами обработки СШП сигнала (одноканальный и многоканальный ранговые обнаружители, энергетический обнаружитель).

2. Создана математическая модель охранной системы, позволившая провести анализ особенностей прохождения СШП сигнала через звенья однопозиционного радиолучевого СО.

3. Разработана новая антенна для применения в РТС охранных систем ближнего радиуса действия - компактная микрополосковая рупорная антенна.

Практическая ценность результатов

Практическая значимость работы заключается в следующем:

1. Применение СШП технологии в РТС охранных систем позволило повысить эффективность работы однопозиционных радиолучевых СО за счет увеличения информации о зондируемых объектах.

2. В результате проведенной работы построен экспериментальный образец сверхширокополосного датчика, который подтвердил эффективность разработанного метода. Экспериментальные результаты совпали с результатами математического моделирования с точностью 1дБ.

3. Спроектирован прототип однопозиционного радиолучевого СО на основе СШП технологии.

Реализация научно-технических результатов

Основные результаты работы используются при разработке СШП систем безопасности «Самсунг Электронике», в особенности алгоритм обработки СШП сигнала для однопозиционных СО. В рамках НИР, прово-

димой «НИКИРЭТ», построен экспериментальный образец сверхширокополосного датчика для контроля территории. Результаты диссертационной работы были использованы при разработке нормативно-методических документов на предприятии филиала ФГУП ФНПЦ «СТАРТ».

Апробация работы

Основные положения диссертации докладывались на следующих научных конференциях:

1. Международная Конференция «Цифровая обработка сигналов и ее применения» (DSPA199) Москва, 1999.

2. Международный симпозиум «International Symposium on Precision Approach and Automatic Landing» , ISPA 2000, Мюнхен, Германия, 2000.

3. Ежегодный семинар «Информационые технологии», секция «Радиолокационные системы», МГТУ им. Н.Э.Баумана, Москва, 2002.

4. Международная конференция «UWBST'02», Балтимор, США, 2002.

5. Международная Конференция «The Ultra Wideband and Ultra Short Impulse Signals» (UWBUSIS'02), Севастополь, Украина, 2002.

6. Конференция «Сверхширокополосная Радиолокация Связь Акустика» (СРСА 2003), Муром, Россия, 2003.

7. Конференция «Сверхширокополосная Радиолокация Связь Акустика» (СРСА 2006), Муром, Россия, 2006.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 12 работ, в изданиях Перечня ВАК. Из них 7 тезисов докладов опубликовано в трудах Международных, Всесоюзных и Всероссийских научно-технических конференций и научных сессий.

Основные положения, выносимые на защиту

На защиту выносятся следующие положения диссертационной работы:

1. Метод повышения эффективности РТС охранных систем, построенный на использовании короткоимпульсных СШП сигналов с длительность 1-5нс. Уменьшение импульсного объема зондирующего сигнала, позволяет: уменьшить «мертвую зону» вблизи однопозиционных радиолучевых СО, работающих на малых дальностях (10-50м); увеличить локализацию ЭПР в зоне обзора; повысить разрешающую способность.

2. Алгоритм обработки СШП сигналов, отраженных от объектов, построенный на основе вычисления корреляции СШП сигналов в условиях, когда отраженный от цели сигнал приобретает сложную форму; его длительность, а также число, расположение и интенсивность максимумов

6

("блестящих точек") зависят от геометрии облучаемого объекта. Алгоритм при равных энергетических затратах на излучение сигнала зондирования имеет преимущество перед известными квазиоптимальными методами обработки СШП сигнала за счет повышения вероятности правильного обнаружения. При использовании разработанного метода энергетическая эффективность алгоритма достигает 6дБ.

3. Новое аппаратно-программное обеспечение, позволяющее анализировать режимы работы РТС охранных систем. Аппаратно-программное обеспечение позволяет объединить функции управления измерительными средствами и сбора экспериментальных данных; содержит набор средств анализа и обработки данных; функции математическое моделирования РТС охранных систем; единый графический интерфейс пользователя для приложений моделирования, измерения и автоматизации.

4. Способ излучения и приема короткоимпульсного СШП сигнала на основе антенного тракта нового типа - компактной микрополосковой рупорной антенны.

Структура и объем диссертации

Работа состоит из введения, пяти глав, заключения. Объем работы составляет 141 страниц, включая 46 рисунков в тексте и 19 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Структура диссертации представляет собой результат поступательного развития процесса исследования: начиная с анализа работ проведенных в области исследования СШП сигналов за последние 30 лет и заканчивая путями дальнейшего развития обработки СШП сигналов, основываясь на полученных результатах.

Первая глава данной работы посвящена обзору классических методов обнаружения сигнала. Основное внимание при этом уделялось квазиоптимальным методам обработки, поскольку они доминируют в СШП технологии. В начале первой главы рассмотрен классический случай оптимального обнаружения сигнала с полностью известными параметрами, позволяющий определить предельные характеристики системы обнаружения. Далее рассмотрено решение задачи обнаружения в более сложных условиях при уменьшении априорной информации о принимаемом сигнале. Анализ классических корреляционных обнаружителей позволил установить связь между уменьшением информации о параметрах сигнала СО (при равной вероятности правильного обнаружения) и увеличением отношения сигнал/шум. Исследование параметров сверхширокополосных сигналов, отраженных от реальных целей, показало, что СШП сигнал, отраженный от многоточечной це-

ли, приобретает сложную форму; его длительность, а также число, расположение и интенсивность максимумов ("блестящих точек") зависят от геометрии облучаемого объекта. Отсутствие данных о параметрах сигнала не позволяет выполнить его аналитическое описание, чтобы ввести некоторую априорную информацию в систему обработки. В процессе поиска эффективных методов обнаружения СШП сигналов в работе рассмотрено несколько квазиоптимальных алгоритмов обнаружения сигнала с неизвестными параметрами: одноканальный и многоканальный ранговые обнаружители, энергетический обнаружитель и так называемый обнаружитель "по точкам".

По данной главе сделаны следующие выводы:

1. Исследование параметров сверхширокополосных сигналов СО, отраженных от целей, показало, что в случае использования СШП сигналов зондирования в процессе наблюдения типового объекта нарушения (человек, транспортное средство) сигнал приобретает сложную форму с параметрами, отличными от параметров излучаемого сигнала.

2. Анализ существующих алгоритмов обработки СШП сигналов показал их низкую энергетическую эффективность, что послужило основой для поиска более эффективных алгоритмов обнаружения.

В главе 2 разработан новый алгоритм обработки СШП сигналов СО, который построен на основе автокорреляционной обработки сигналов (АКО), широко применяемой в радиосвязи и других областях радиотехники. Известно, что метод АКО наиболее эффективен при обнаружении в шумах гармонического сигнала неизвестной частоты. В случае бесконечно большой длительности анализируемой реализации АКО позволяет обнаруживать сколь угодно слабый гармонический сигнал в шумах. В реальных условиях длительность сигнала ограничена, особенно если этот сигнал является сверхширокополосным, имеющим длительность не более 1-5нс. Таким образом, нет очевидного основания для использования АКО в алгоритмах обработки СШП сигналов. Однако, принимая во внимание особенности использования сверхширокополосных сигналов в радиолучевых СО, а также особенности отражения сверхширокополосных сигналов от типовых целей радиолучевых СО (человек, транспортное средство), задача обнаружения может быть решена. Опираясь на результаты, полученные в первой главе, следует исключить из источников априорной информации параметры сигнала зондирования, зависящие от объекта нарушения и статических отражателей в зоне обнаружения. Радиолучевые СО работают с определенным периодом повторения сигнала зондирования, который не связан с видом излучаемого сигнала и не зависит от характеристик цели. Таким образом, период повторения является единственным параметром СШП сигнала, отраженного от сложной цели, который остается известным. Поэтому использование периода повторения в качестве априорной информации явилось ключом к решению задачи оптимального обнару-

жения сигнала в шуме для рассматриваемого случая. Автокорреляционная функция шума, являющегося случайным стационарным процессом, убывает при неограниченном увеличении аргумента. Поэтому шумы, принимаемые через интервал времени, равный периоду повторения, не коррелированны, в то время как сигналы, принимаемые в соседних периодах, коррелированны. Таким образом, параметр - период повторения зондирующих импульсов -может использоваться в радиолучевом СО как априорный сигнал. Наличие в СШП СО априорной информации об этом параметре позволяет ему играть в этом случае такую же роль, какую играет синусоидальная форма несущей в узкополосных радиолучевых СО. Во-вторых, практически во всех современных СО длительность периода повторения такова, что даже самые скоростные цели за это время не успевают существенно изменить свой ракурс относительно СО. Так, при радиальной скорости нарушителя 6 м/с и периоде повторения СО, равном 1 мкс, цель пройдет за период повторения 0,6 см, что при типовой ширине элемента разрешения в 1м является незначительным изменением. Следовательно, сигнал отраженный от цели в двух соседних периодах повторения, сохраняет свои параметры относительно периода повторения СО. Это позволяет, опираясь на принципы взаимного корреляционного приема периодического сигнала в шуме, сформировать отношение правдоподобия, аналогичное отношению правдоподобия для случая известного сигнала. Рассмотрим совместные статистические характеристики напряжения на входе системы обработки и(0 в двух интервалах наблюдения длительностью Т, разнесенных друг относительно друга на период повторения Тп . Отсчеты напряжения возьмем в дискретные моменты времени .^лг; Хги^,---^ в соответствии с теоремой Котельникова. Здесь первый индекс означает номер периода повторения, а второй - номер отсчета в интервале наблюдения Т, расположенном в данном периоде по-1:1к вторения Т„ (рис. 1). Шум является

нормальным стационарным процессом (белый шум), а сигнал представляет собой набор коротких импульсов, произвольно, но одинаково расположенных на интервале наблюде-Рис.1 ния в каждом периоде повторения.

Сигнал и шум некогерентны. В этом случае, межпериодная корреляционная функция процесса В^ц^ зависит только от разности двух переменных (¡, = г, то есть В(11,;121) = В(т). Тогда совместная плотность вероятности для двух отсчетов напряжения м/ и и2, представляющих собой смесь сигнала и шума и взятых соответственно в первом и втором интервалах наблюдения, будет равна:

Здесь: в] к - средние амплитудные значения сигнала в этих отсчетах, являющиеся математическими ожиданиями случайных величин и| и иг; с? - дисперсия шума;

Щт) =В(т)/с? - нормированный коэффициент корреляции между отсчетами и, и и2. В случае, когда и1 и и2 являются отсчетами суммы сигнала и шума, Щт) = Щт)1+Щт)п. Когда же они являются отсчетами только шума, то Щт) = Щт)п.

Совместная плотность вероятности N отсчетов, взятых на первом и втором интервалах наблюдения, будет равна:

1 V ( 1 "

Щ(ц!1,иа,т)= ехр ~2Р(т1и»

При отсутствии сигнала на входе приемника эта плотность вероятности равна:

Обнаружитель должен формировать отношение правдоподобия:

Щ(и1у,игу,т) __

(т)

•хР11

20^1-П г)Р

ехр

Используя некоррелированность отсчетов напряжения шума, взятых в соседних периодах повторения, преобразуем это выражение с учетом Щ(т)=0 и Щт)= Я/т). Далее учтем, что & = М0-Л/, где N0- спектральная плотность мощности шума, а Л/ =1/2Л1. И, наконец, вместо отношения правдоподобия будем для упрощения обработки формировать логарифм отношения правдоподобия 1пЛ=2.

С целью выявления общих закономерностей рассматриваемого метода, ограничим задачу обнаружения, соответствующую случаю неподвижной цели. В случае неподвижной цели з1=з2=8 и выражение для Ъ примет вид:

ю

Однако при St<=S2 коэффициент корреляции сигнала К/т)=1. Тогда:

Произведем переход к непрерывному времени наблюдения, для этого произведем переход к пределу при Л(—Ю:

т т т

2 = 2 - - /и; ('У'

О 0 0

Второе и третье слагаемое описывают алгоритм энергетического обнаружителя, производящего обнаружение сигнала или в первом или во втором периодах повторения зондирующих импульсов. Для упрощения алгоритма эти обнаружители, могут быть исключены из дальнейшего рассмотрения путем переноса в алгоритм процессора ложных тревог (установка порога). В результате упрощенный алгоритм обнаружения сигнала в рассматриваемом случае приобретает вид (двойка перед интегралом также может быть включена в значение порога):

т

г =

-НД

(а) Полная схема (б) Упрощенная схема

Рис.2 Блок-схема алгоритма обработки Блок-схема обнаружителя представлена на рис.2(а). Упрощенный вид алгоритма обработки (рис.2(б)) представляет собой метод АКО, также известен как череспериодная корреляционная обработка (ЧПКО), поскольку строится на основе корреляции сигналов, принятых в соседних периодах зондирования. ЧПКО имеет три отличия от классической корреляционной обработки: опорным является не излучаемый сигнал, а сигнал, отраженный от цели в предыдущий период; шумы поступают на оба входа коррелятора; время интегрирования Т определяется не длительностью излученного сигнала, а зависит от физической длины цели £ (протяженности ее портрета) и равно Г= Ь/с, где с - скорость света.

11

В результате сделаны следующие выводы:

1. Разработан новый алгоритм обработки СШП сигналов, который строится на основе корреляции сигналов РТС СО, принятых в соседних периодах зондирования.

2. Проведенный анализ работы алгоритма в качестве обнаружителя неподвижной цели (по аналогии с классическим оптимальным обнаружителем сигнала с полностью известными параметрами), позволил определить предельные характеристики СО для случая неподвижной цели.

3. Исследованы пути аналитического решения уравнений, описывающих процесс обработки СШП сигнала в СО. Поскольку такое аналитическое решение для данного алгоритма обработки реализовать не удалось, принято решение об использовании в дальнейшем средств математического моделирования.

Глава 3 посвящена проблеме моделирования процессов в приемнике охранной системы, использующей разработанный алгоритм. Для проведения указанного математического моделирования создано специальное программное обеспечение. Разработка специального программного обеспечения была вызвана необходимо совместить модель обнаружителя со средствами анализа и обработки реальных сигналов РТС охранных систем. Общедоступные пакеты программ, предназначенные для симуляции работы электронных схем, не поддерживают необходимого набора функции в одном программном пакете. Для полноценного математического моделирования СО необхо-

Систсам тоижння ЦОС (CAGE SCOPE} Л>«гупмкм tlMowt i «адстро!*«

1 1 ' 1

Ажа«9«гк*- «1; уш лишЛ птерфеяв улрамваня j

сх

Легенд*

■•VISA

Рис. 3. Структурная схема программного приложения.

димо использовать несколько узкоспециализированных программных продуктов или создать программное приложение, которое позволило бы интегрировать в одном пакете комплекс необходимых инструментов моделирования. В процессе разработки математической модели с целью уменьшения ресурсов на создание

программы математического моделирования был использован подход интеграции функциональных программных продуктов на одной платформе с общим интерфейсом пользователя. Структурная схема программного приложения представлена на рис.3.

В главе 3 получены результаты:

1. Средствами компьютерного математического моделирования создано новое программное обеспечение, позволяющая анализировать работу РТС охранных систем.

2. Проведенный анализ характеристик отражения целей СО на основе экспериментальных данных позволил повысить точность модели отражения при математическом моделировании.

3. Анализ характеристик обнаружения СО выявил преимущество разработанного алгоритма перед известными квазиоптимальными методами обработки СШП сигнала. Из рис.4 видно, что при использовании данного алгоритма энергетическая эффективность достигает 6дБ в условиях равных энергетических затратах на излучение сигнала зондирования.

В главе 4 на основе результатов предыдущей главы, построена имитационная модель однопозиционного радиолучевого СО с учетом действия внешних факторов. С целью максимального приближения модели к реальным условиям функционирования СО, в модели использованы типовые цели (нарушитель, транспортное средство, мелкое животное), характеристики которых были измерены в ходе экспериментальных работ (подробнее в Главе 3). Кроме этого, в модель введены объемно-распределенные цели для имитация пассивного заграждения в ЗО, а также создано траек-торное движение цели относительно однопозиционного радиолучевого СО: пересечение рубежа ЗО и движение вдоль рубежа 30. В ходе математического моделирования выявлены параметры сигнала, влияющие на устойчивость обнаружителя при его работе по движущейся цели. Показано, что потери, образующиеся при обнаружении движущейся цели с помощью

разработанного алгоритма, связаны с видом корреляционной функции принимаемых сигналов. Поэтому для уменьшения потерь необходимо использовать дополнительные цепи, позволяющие поддерживать корреляцию между сигналами в соседних периодах зондирования. Рассмотрено несколько способов

О 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 ! 11 Рис. 4. Характеристики обнаружения

■ решения этой задачи:

• квадратурные каналы в обнаружителе;

• многоканальная схема обнаружителя;

• последовательный обнаружитель с цепью регулировки коэффициента корреляции.

Изменения, внесенные в алгоритм формирования сигнала, отраженного от цели, позволили перейти к математическому моделированию многомерной цели. Переход от одномерной цели к многомерной расширил возможности моделирования и позволил на основе экспериментальных данных создать модель объекта. Это дало возможность проводить дальнейшее моделирование в условиях, максимально приближенных к реальным условиям. В данной главе получены следующие результаты:

1. В ходе математического моделирования однопозиционного радиолучевого СО с учетом действия внешних факторов выявлены параметры сигнала, влияющие на устойчивость обнаружителя при его работе по движущейся цели. Потери, образующиеся при обнаружении движущейся цели, связаны с видом корреляционной функции принимаемых сигналов.

2. Использование новой динамической модели отражения сигнала расширило возможности модели и позволило увеличить точность математического моделирования.

В главе 5 приведено описание и результаты экспериментальной проверки работы алгоритма обработки сигнала СО. Задачей эксперимента являлось исследование процессов обработки сверхширокополосных сигналов, а его целью - проверка правильности результатов теоретических исследований и математического моделирования методов обработки СШП сигналов. Эксперимент проведен в рамках НИР «Поле», проводимой ООО «Логические системы». Целью НИР «Поле» является обоснование вариантов построения экспериментального образца сверхширокополосного датчика для контроля территории от несанкционированного доступа. В ходе проведения НИР автором данной работы были проведены теоретические исследования и математическое моделирование узлов СШП СО. На основе этих исследований был создан прототип СШП датчика, который использовался в качестве экспериментальной установки данной работы. Для проведения эксперимента в датчике был отключен процессор обработки сигнала, а принимаемый сигнал транслировался на плату цифровой обработки сигнала GAGE SCOPE. Данная плата обеспечивала первичную обработки сигнала и передачу полученного сигнала в цифровом формате в программное обеспечение «RAM», где и производиться анализ и отображение сигнала. Поскольку программа позволяет работать не только с моделированными сигналами, но и с внешними данными, анализ экспериментальных данных может быть сопоставлен с результатами моделирования в рамках одного программного средства. Функциональная

блок схема экспериментальной установки представлена на рис 5.

Рис.5 Блок-схема экспериментальной установки.

СШП датчик представляет собой модульную схему объединенную на одном шасси. В состав радара входят следующие модули, исключая ЦОС:

• СШП передатчик, который предназначен для формирования СШП импульсов зондирования. В состав данного модуля входят: генератор несущей сигнала, модулятор СШП сигнала, буферный СВЧ усилитель и усилитель мощности.

• СШП приемник, который предназначен для приема отраженных от цели СШП импульсов зондирования. В состав СШП приемника входят следующие блоки: малошумящий СВЧ усилитель, СВЧ ключ, детектор и широкополосный усилитель.

• Синхрогенератор, который обеспечивает синхронное управление цепями СШП передатчика и СШП приемника. Синхрогенератор построен на основе ПЛИС что позволяет обеспечивать высокую точность управления и гибкость программирования ПЛИС.

• Блок питания предназначен для формирования стабилизированного напряжения питания (5В,ЗВ,2.5В,1.25В) цепей датчика.

• Антенный блок включает в себя две СШП антенны, одна из которых предназначена для излучения СШП сигнала, а вторая для приема сигнала. Современная постановка задачи заключается в создании СШП антенны СО с минимальной высотой (толщиной) и

Рис. 6. Микрополосковая рупорная антенна

минимальным уровнем боковых лепестков, но с максимальным антенным усилением. В этом случае технический результат достигается за счет создания антенны, объединяющей положительные качества двух различных типов антенн: микрополосковой антенны и рупора. Антенна сконструирована как комбинация микрополоскового дискового излучателя (14) и металлического экрана-рефлектора (12) (также называемого иногда экраном-отражателем) в виде фрагмента конического рупора (рис.6)

Комбинация двух типов антенны позволяет получить оптимальное распределение электромагнитного поля по апертуре антенны, совпадающее с распределением поля в подобной, но более высокой конической рупорной антенне. Данная конструкция позволяет также увеличить усиление антенны до 10,5 при толщине Ь=0,37А., что дает возможность уменьшить габариты конструкции в три с лишним раза по сравнению с типовыми антеннами СО. Микрополосковая дисковая антенна, объединенная с

конической поверхностью заземленного экрана, имеет более широкий диапазон рабочих частот, превосходящий диапазон существующих прототипов антенн СО на 15%. При применении данной антенны в устройствах с разделёнными каналами приема и передачи, круговая форма апертуры антенны позволяет добиться более высокой взаимной развязки между парой смежных антенн до уровня 50<1В. Эксперимент проводился в безэховой камере (см.рис. 7), внутри камеры находятся абсорбирующие плиты типа ДИЛ7, позволяющие снизить электромагнитную мощность переотражений внутри камеры на 40-70дБ в диапазоне частот 2-10ГГц. Экспериментальные работы проводились по двум направлениям:

• Эксперимент по зондированию имитируемой неподвижной цели. Цель данного эксперимента создать случай зондирования неподвижной точечной цели. Под точечной целью, следует понимать изотропный отражатель, физические параметры которого не влияют на импульс зондирования, т.е. отраженный сигнал не искажается. Условия точечной цели являются наиболее распространенными при моделировании работы СО, что позволят проводить прямое сопоставление результатов моделирования и эксперимента.

• Эксперимент по зондированию имитируемой подвижной цели. Цель данного эксперимента - создать случай зондирования подвижной

Рис. 7. Схема расположения экспериментального оборудования

цели, с целью проверки работы алгоритма для нестационарных условий работы. Как было показано в Главе 4, в случае флюктуации ЭПО цели или изменении ракурса цели (т.е. изменения угла диаграммы отражения (ДОР) относительно СО) происходит деградация характеристики обнаружения цели для алгоритмов типа АКО\ЧПКО, поскольку взаимная корреляция между принимаемыми сигналами в разные периоды зондирования однопозицион-ным СО, не является постоянной величиной. В случае движения цели скорость изменения ракурса и автокорреляционная функция ДОР является определяющим фактором стабильности характеристики обнаружения цели. В главе 5 получен следующий результат:

Сравнение экспериментальных данных и данных, полученных в ходе математического анализа, подтвердило правильность теоретического решения задачи обнаружения для случая использования короткоимпульсного СШП сигнала при зондировании однопозиционных радиолучевых СО.

Выводы

1. Применение короткоимпульсных СШП сигналов в РТС охранных систем позволило: уменьшить «мертвую зону» вблизи СО до 0.5м; увеличить локализацию ЭПО в зоне обзора; повысить разрешающую способность до 0.45м и тем самым повысить их эффективность работы.

2. Разработан алгоритм обработки СШП сигнала для применения в РТС охранных систем. Энергетическая эффективность алгоритма достигает 6дБ по сравнению с известными квазиоптимальными методами обработки СШП сигнала (одноканальный и многоканальный ранговые обнаружители, энергетический обнаружитель).

3. Методами математического анализа создана программное обеспечение, позволившие провести анализ алгоритма обработки СШП сигнала в РТС охранных систем.

4. В ходе экспериментальной работы разработана компактная мик-рополосковая рупорная антенна для применения в СО ближнего радиуса действия, которая позволила сократить массогабаритные размеры РТС.

5. Спроектирован экспериментальный образец однопозиционого радиолучевого СО на основе СШП технологии, который послужил прототипом для создания современных РТС охранных систем.

6. Результат данной работы направлен на повышение функционирования электронных средств безопасности, что подтверждается внедрением результатов работы на предприятии. Полученные результаты позволяют вести дальнейшее совершенствование РТС охранных систем посредством разработки алгоритмов классификации и распознавания целей.

Публикации по теме диссертации:

Результаты диссертации опубликованы в 12 работах, основными из кото-

17

рых являются следующие:

1. Федотов Д.В., Иммореев И.Я. Оптимальная обработка радиолокационных сигналов с неизвестными параметрами. Радиотехника, №10,1998.

2. Федотов Д.В., Зиганшин Э.Г., Иммореев И.Я. Цифровая обработка сверхширокополосных радиолокационных сигналов. Вторая Международная Конференция «Цифровая обработка сигналов и ее применения» (DSPA'99) Москва, Россия, 1999.

4. Fedotov D.,Immoreev I., Low-price radar system for the control of runway occupancy. International Symposium on Precision Approach and Automatic Landing, ISPA 2000, Munich, Germany, 2000.

5. Федотов Д.В., Иммореев ИЛ. Обнаружение сверхширокополосных сигналов, отраженных от сложных целей. Доклад на 8-м Семинаре секции «Информационные технологии в радиолокации» Научного Совета «Новые информационные технологии» Отделения информатики, вычислительной техники и автоматизации РАН, МГТУ им. Баумана, Москва, Россия, 2002.

6. Федотов Д.В., Иммореев ИЛ. Применение череспериодной корреляционной обработки для обнаружения радиолокационных сигналов с неизвестной формой. Радиотехника, №4,2002.

7. Fedotov D., Ziganshin E.,Immoreev I. Processing UWB signals. IEEE International Symposium "UWBUSIS'02", Sevastopol, Ukraine, 2002.

8. Федотов Д.В., Зиганшин Э.И., И.Я.Иммореев, Черняк B.C. Проблемы обнаружение сверхширокополосных сигналов, отраженных от сложных целей. Сборник докладов конференции CRCA2003, Муром, Россия, 2003.

9. Федотов Д.В, Замуруев С.Н., СудаковА.А. Сигналы, используемые в СШП радиосистемах, Наукоемкие технологии, №7,2005.

10. Федотов Д.В, Замуруев С.Н., СудаковА.А. Генератор коротких импульсов для элемента активной сверхширокополосной сканирующей антенной решетки, Наукоемкие технологии, №10,2005.

11. Федотов Д.В., Судаков A.A. Проблемы энергопотребления в современных СШП системах. Сборник докладов конференции CRCA2006, Муром, Россия, 2006.

12. Федотов Д.В., Крылов К.Н. Сверхширокополосная компактная рупорномикрополосковая антенна с высокой направленностью. Сборник докладов конференции CRCA2006, Муром, Россия, 2006.

Подписано в печать 02.03.2010. Формат 60x84 1/16. Усл. печ. л. 0,93. Усл. кр.-отг. 3,72. Уч.-юд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 147

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет)" 119454, Москва, пр. Вернадского, 78

Введение.

1. Обзор классических методов обнаружения радиолокационного сигнала и анализ их применения для СШП сигналов.

1.1. Основные положения.

1.1.1. Формулировка задачи обнаружения.

1.1.2. Ограничения для решения задачи обнаружения.

1.1.3. Форма описания узкополосного сигнала для решения задачи обнаружения.

1.1.4. Особенности СШП сигнала при решении задачи обнаружения.

1.2 . Классические оптимальные методы обнаружения сигнала.

1.2.1. Сигнал с полностью известными параметрами.

1.2.2. Сигнал со случайной начальной фазой.

1.2.3. Флюктуирующий сигнал (с неизвестной амплитудой и фазой).

1.3 Квазиоптимальные методы обнаружения СШП сигнала.

1.4 Вычисление характеристик обнаружения.

1.4.1. Вычисление вероятности ложной тревоги.

1.4.2. Вычисление вероятности правильного обнаружения.

1.5. Вывод.

2. Обнаружение СШП сигналов с неизвестными параметрами отражения.

2.1 Постановка задачи обнаружения.

2.1.1. Ограничения задачи обнаружения.

2.1.2. Использование априорной информации.

2.2 Синтез оптимального обнаружителя.

2.2.1. Отношение правдоподобия.

2.2.2. Обобщенная схема обнаружителя СШП сигнала.

2.2.3. Череспериодная корреляционная обработка.

2.3 .Вывод.

3. Математическое моделирование.

3.1. Программа математического моделирования.

3.1.1.Структура программного приложения.

3.1.2.Математическое ядро.

3.1.3.Моделирование детерминированных и случайных сигналов.

3.3. Моделирование целей СО.

3.3.1. Алгоритм моделирования многоточечной цели.

3.3.2. Модель цели СО на основе экспериментальных данных.

3.4. Анализ схемы обнаружителя.

3.4.1. Анализ прохождения шума через обнаружитель.

3.4.2. Анализ прохождения смеси сигнал-шум через обнаружитель.

3.4.3. Ложная тревога.

3.3.3. Правильное обнаружение.

3.4. Вывод.

4. Обработка СШП сигналов в СО при их флюктуации и отражении от подвижных целей.

4.1. Моделирование подвижных целей с учетом флюктуаций.

4.2 Движение цели по дальности.

4.3 Схемы обнаружителей движущихся целей.

4.3.1 Использование квадратурных каналов в обнаружителе.

4.3.2 Многоканальная схема обнаружителя.

4.3.3 Последовательный обнаружитель.

4.4 Выводы по результатам моделирования.

5. Проведение эксперимента и анализ полученных данных.

5.1 Описание экспериментальной установки.

5.2 Условия проведения эксперимента.

5.3 Эксперимент по зондированию имитируемой неподвижной цели.

5.4 Эксперимент по зондированию имитируемой подвижной цели.

5.5 Обработка и анализ данных экспериментов.

5.6 Выводы по результатам проведенных экспериментов.

Бурное развитие микроэлектронники в мире привело к появлению «умных» радиотехнических средств в том числе и в области охранных техологий. Так, благодаря «искуственному интеллекту» в извещателях охранных и пожарных систем стали применяться новые алгоритмы обработки сигнала, что позволило перейти от алгоритмов простых бинарных обнаружителей к алгоритмам «нечеткой логики». Наиболее широко радиотехнические средства охраны с «искуственным интелектом» применяются в коммерческих изделиях зарубежом, что позволяет иностранным производителям повышать интерес к их продукции за счет создания новых функциональных возможностей.

В современных условиях повышенной криминогенной обстановки для обеспечения безопасности охраняемого объекта, необходимо внедрять новые технологии и в нашей стране. В значительной степени защита объекта зависит от эффективности технических средств раннего обнаружения, используемых в охранных системах, поскольку своевременное извещение о нарушителе, позволяет не только информировать службу охраны о возникающих угрозах, но и позволяет получить время для организации реагирования силовых структур. Наилучшем сценарием предотвращения нападения на охраняемый объект является локализация нарушителя на подступах к объекту или на периметровой границе объекта. Поэтому радиотехнические средства раннего обнаружения обычно размещаются по периметру охраняемого объекта, непосредственно на инженерных сооружениях или пассивных заграждениях. Наличие пассивных заграждений облегчает задачу раннего обнаружения нарушителя, поскольку для пересечения периметра нарушителю требуются дополнительные усилия. Кроме этого попытка вторжения сопровождается физическим контактом нарушителя с пассивным заграждением, что может быть использовано как сигнал тревоги в средствах обнаружения.

В настоящее время на отечественном рынке представлен широкий спектр радиотехнических средств электронной охраны для обнаружения нарушителя.

Среди них особое место занимают радиолучевые средства обнаружения, построенные по принципу радиолокационных систем ближнего радиуса действия (10-300м). Достоинством радиолучевых СО несомненно является невидимая зона охраны, так как благодаря этому нарушитель не видит границ охраняемой зоны, тем самым создаются трудности в преодолении радиотехнических средств охраны объекта. К настоящему времени техническое совершенствование радиолучевых СО достигло своего предела, и дальнейшие пути их развития направлены на повышение информативности.

Стремление улучшить характеристики радиолучевых СО с целью получения большей информации о зондируемых объектах привело к использованию в СО сигналов зондирования, обладающих меньшим импульсным объемом [1,2]. Уменьшение импульсного объема зондирующего импульса СО позволяет уменьшить «мертвую зону» вблизи СО [3], что наиболее важно для однопозиционных радиолучевых СО, работающих на малых дальностях (10-50м), увеличить локализацию ЭПР в зоне обзора; повысить разрешающую способность [4,5]. Обычные однопозиционные радиотехнические системы (РТС) СО имеют импульсный объем 25-3Ом, что соответствует длительности сигнала зондирования 100нс[6]. Ширина спектра таких сигналов СО не превышает 2-3% от несущей частоты. К настоящему времени эти сигналы практически исчерпали свои информационные возможности. В большинстве случаев, узкополосные обнаружители основаны на использовании только эффекта Доплера. У таких средств обнаружения нет параметра разрешения по дальности, а принятие решения основано на количественном изменении частоты сигнала. Причиной изменения частоты, может быть не только нарушитель в зоне охраны, но и любой другой движущийся объект. Так причиной многих ложных срабатываний узкополосных средств обнаружения становятся естественные помехи — животные и птицы. Отсутсвие возможности идентифицировать объект, затрудняет дальнейшее развитие средств обнаружения нарушителя.

Современные электронные средства охраны нуждаются в большей информации о зондируемой цели для создания алгоритмов классификации и распознавания целей. Применение новых сигналов зондирования должно повысить эффективность работы охранной системы. Поэтому переход к короткоимпульсным сигналам со сверхширокой (3-54% от центральной частоты) полосой частот является закономерным шагом на пути эволюции радиотехнических средств обнаружения.

Согласно определению, используемому федеральными агентствами по связи (США, Евросоюз, Япония), сигналы в диапазоне частот 3.1-10ГТц, имеющие значение рабочей полосы частот сигнала более 500 МГц по уровню -ЮдБ, считаются сверхширокополосными. Однако при использовании короткоимпульсных сверхширокополосных сигналов в СО возникают новые проблемы. Процесс обнаружения сигнала зондирования изучен достаточно подробно [13,14,15], приминительно к использованию в СО узкополосных сигналов зондирования. Однако вопросы обработки короткоимпульсных сигналов, отраженных от различных объектов освещены в литературе не достаточно полно, что является стимулом к проведению исследований в данном направлении. Из литературы [7,11] также известно, что при отражении короткоимпульсного сверхширокополосного сигнала зондирования от различных объектов или от сложной цели, состоящей из ансамбля отражателей, на вход приемника поступает сигнал форма которого отличается от излучаемого импульса зондирования СО. Изменение импульса зондирования в процессе отражения не позволяет использовать классические методы оптимальной обработки сигнала, широко используемые при приеме узкополосных сигналов зондирования в СО.

Цель работы

Целью работы является повышение эффективности функционирования СО путем использования СШП технологии и разработки алгоритма обнаружения СШП сигнала отраженного от типовой цели СО (человек, транспортное средство). Это позволяет максимизировать отношение сигнал-шум на выходе системы обработки СО. В процессе поиска эффективных алгоритмов обнаружения в работе рассмотрено несколько квазиоптимальных алгоритмов обнаружения сигнала с неизвестными параметрами: одноканальный и многоканальный ранговые обнаружители, энергетический обнаружитель и, так называемый, обнаружитель «по точкам». Анализ квазиоптимальных алгоритмов показал их низкую энергетическую эффективность, поэтому решение этой задачи усиливает актуальность работы.

Методы исследования

Исследования выполнены с использованием методов теории вероятности и случайных процессов, методов статистической теории радиотехники, моделирования и расчетов на ЭВМ.

Научная новизна работы

В данной работе получены следующие новые результаты:

1. Разработан алгоритм обработки СШП сигнала для применения в РТС охранных систем. Энергетическая эффективность алгоритма достигает 6дБ по сравнению с известными квазиоптимальными методами обработки СШП сигнала (одноканальный и многоканальный ранговые обнаружители, энергетический обнаружитель).

2. Создана математическая модель охранной системы, позволившая провести анализ особенностей прохождения СШП сигнала через звенья одно-позиционного радиолучевого СО.

3. Разработана новая антенна для применения в РТС охранных систем ближнего радиуса действия — компактная микрополосковая рупорная антенна.

Практическая ценность результатов

Практическая значимость работы заключается в следующем:

1. Применение СШП технологии в РТС охранных систем позволило повысить эффективность работы однопозиционных радиолучевых СО за счет увеличения информации о зондируемых объектах.

2. В результате проведенной работы построен экспериментальный образец сверхширокополосного датчика, который подтвердил эффективность разработанного метода. Экспериментальные результаты совпали с результатами математического моделирования с точностью 1дБ.

3. Спроектирован прототип однопозиционного радиолучевого СО на основе СШП технологии. Предложен и проверен компьютерным моделированием эффективный алгоритм обработки СШП сигнала отраженного от сложной цели.

Реализация научно-технических результатов

Основные результаты работы используются при разработке СШП систем безопасности «Самсунг Электронике», в особенности методы корреляционной обработки СШП сигналов отраженных от движущихся объектов. В рамках НИР, проводимой «НИКИРЭТ» - филиала ФГУП ФНПЦ «ПО«Старт» им.М.В.Проценко», построен экспериментальный образец сверхширокополосного радиолокатора обзора поля для контроля территории. Результаты диссертационной работы были использованы при разработке нормативно-методических документов на предприятии.

Апробация работы.

Основные положения диссертации докладывались на следующих научных конференциях:

1. Международная Конференция «Цифровая обработка сигналов и ее применения» (DSPA' 99) Москва, 1999

2. Международный симпозиум « International Symposium on Precision Approach and Automatic Landing» , ISPA 2000, Мюнхен, Германия, 2000.

3. Ежегодный семинар «Информационые технологии», секция « радио-локационые системы», МВТУим.Баумана, Москва, 2002.

4. Международная конференция «UWBST'02», Балтимор, США, 2002.

5. Международная Конференция "The Ultra Wideband and Ultra Short Impulse Signals" (UWBUSIS'02), Украина, 2002.

6. Конференция Сверхширокополосная Радиолокация Связь Акустика (СРСА 2003), Муром, Россия, Июль 2003.

7. Конференция Сверхширокополосная Радиолокация Связь Акустика (СРСА 2006), Муром, Россия, Июль 2006.

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 12 работ, из которых 4 — в изданиях, включенных в Перечень ВАК, 7 тезисов докладов опубликовано в трудах Международных, Всесоюзных и Всероссийских научно-технических конференций и научных сессий. Основные положения, выносимые на защиту

На защиту выносятся следующие положения диссертационной работы:

1. Метод повышения эффективности РТС охранных систем, построенный на использовании короткоимпульсных СШП сигналов с длительность 1-5нс. Уменьшение импульсного объема зондирующего сигнала, позволяет: уменьшить «мертвую зону» вблизи однопозиционных радиолучевых СО, работающих на малых дальностях (10-50м); увеличить локализацию ЭПР в зоне обзора; повысить разрешающую способность.

2. Алгоритм обработки СШП сигналов, отраженных от объектов, построенный на основе вычисления корреляции СШП сигналов в условиях, когда отраженный от цели сигнал приобретает сложную форму; его длительность, а также число, расположение и интенсивность максимумов ("блестящих точек") зависят от геометрии облучаемого объекта. Алгоритм при равных энергетических затратах на излучение сигнала зондирования имеет преимущество перед известными квазиоптимальными методами обработки СШП сигнала за счет повышения вероятности правильного обнаружения. При использовании разработанного метода энергетическая эффективность алгоритма достигает 6дБ.

3. Новое аппаратно-программное обеспечение, позволяющее анализировать режимы работы РТС охранных систем. Аппаратно-программное обеспечение позволяет объединить функции управления измерительными средствами и сбора экспериментальных данных; содержит набор средств анализа и обработки данных; функции математическое моделирования РТС охранных систем; единый графический интерфейс пользователя для приложений моделирования, измерения и автоматизации. 4. Способ излучения и приема короткоимпульсного СШП сигнала на основе антенного тракта нового типа — компактной микрополосковой рупорной антенны.

Структура и объем диссертации.

Работа состоит из введения, пяти глав, заключения. Объем работы составляет 141 страницу, из них рисунков - 75, таблиц в тексте — 6. Первая глава данной работы посвящена обзору классических методов обнаружения сигнала. Основное внимание при этом уделялось корреляционным методам обработки, поскольку они доминируют в СШП технологии. Во второй главе разработан новый алгоритм обработки СШП сигналов СО, который построен на основе корреляционной обработки сигналов. Проведен анализ правомерности использования алгоритма в качестве оптимального обнаружителя неподвижной цели, что является аналогией классического оптимального обнаружителя сигнала с полностью известными параметрами. Полученные результаты позволили определить предельные характеристики системы обнаружения СО.

Третья глава посвящена проблеме моделирования процессов в приемнике охранной системе использующей разработанный алгоритм. Для проведения указанного математического моделирования создано специальное программное обеспечение.

В четвертой главе произведено изменение математической модели с целью ее приближения к реальным условиям. В модель введено движение цели относительно радиолучевого СО. В ходе математического моделирования выявлены параметры сигнала, влияющие на устойчивость обнаружителя при его работе по движущейся цели.

В пятой главе приведено описание и результаты экспериментальной проверки работы алгоритма обработки сигнала СО.

5.6 Выводы по результатам проведенных экспериментов.

Проведенные эксперименты по зондирования точечной цели СШП сигналом, подтвердили результаты математического моделирования. Результаты сравнения кривых обнаружения, полученных в ходе эксперимента с кривыми обнаружения, полученными в ходе математического моделирования подтвердили, что при приеме СШП сигнала, возможно, применить корреляционный приемник, использующий в качестве опорного сигнал, принятый в предыдущем периоде зондирования. Таким образом, экспериментальные данные подтвердили правильность теоретического решения задачи обнаружения СШП сигнала с неизвестными параметрами, что является достаточным для утверждения правильности теоретических выводов представленных в данной работе.

Заключение

Как было показано во введении, задача повышение эффективности функционирования однопозиционных радиолучевых СО является актуальной в области разработки современных технических средств охраны. Современные электронные средства охраны нуждаются в большей информации о зондируемой цели для создания алгоритмов классификации и распознавания целей. Стремление улучшить характеристики РТСО с целью получения большей информации о зондируемых объектах привело к использованию в СО сигналов зондирования, обладающих меньшим импульсным объемом - коротко-импульсным СШП сигналам. Однако при использовании СШП сигналов в РТСО возникают новые проблемы в условиях, когда отраженный от цели сигнал, приобретает сложную форму; его длительность, а также число, расположение и интенсивность точек отражения зависят от геометрии облучаемого объекта. Использование типовых алгоритмов обработки сигнала СО основано на применении узкополосных сигналов зондирования, не имеющих таких особенностей. Поэтому возникла необходимость разработки нового алгоритма обнаружения сигнала зондирования СО отраженного от типовой цели (человек, транспортное средство), который позволяет максимизировать отношение сигнал-шум на выходе системы обработки.

Первая глава данной работы посвящена обзору классических методов обнаружения сигнала в технических средствах однопозиционных СО. Основное внимание при этом уделялось корреляционным методам обработки, поскольку они доминируют. Анализ классических корреляционных обнаружителей позволил установить связь между уменьшением информации о параметрах сигнала (при равной вероятности правильного обнаружения) и увеличением энергетического отношения сигнал/шум. Исследование параметров коротко-импульсных сигналов зондирования СО отраженных от реальных целей показало, что сигнал, отраженный от типовой цели СО, приобретает сложную форму; его длительность, а также число, расположение и интенсивность максимумов "блестящих точек" зависят от геометрии облучаемого объекта. Отсутствие данных о параметрах сигнала не позволяет выполнить его аналитическое описание, чтобы ввести некоторую априорную информацию в систему обработки. В процессе поиска эффективных методов обнаружения сигналов СО в работе рассмотрено несколько квазиоптимальных алгоритмов обнаружения сигнала с неизвестными параметрами: одноканальный и многоканальный ранговые обнаружители, энергетический обнаружитель и, так называемый, обнаружитель "по точкам". В данной главе получены следующие выводы:

1. Исследование параметров сверхширокополосных сигналов СО отраженных от целей, показало, что в случае использования СШП сигналов зондирования, параметры отраженных сигналов становятся полностью неизвестными.

2. Анализ квазиоптимальных алгоритмов обработки СШП сигналов показал их низкую энергетическую эффективность, что послужило основой для поиска более эффективных алгоритмов обнаружения.

В главе 2 разработан новый алгоритм обработки СШП сигналов СО, который построен на основе автокорреляционной обработки сигналов (АКО), широко применяемой в радиосвязи и других областях радиотехники. Известно, что метод АКО наиболее эффективен при обнаружении в шумах гармонического сигнала неизвестной частоты. Теоретически АКО позволяет обнаруживать сколь угодно слабый гармонический сигнал в шумах. Но эта возможность по обнаружению реализуема при бесконечно большой длительности анализируемой реализации. В реальных условиях длительность сигнала ограничена, особенно если этот сигнал является сверхширокополосным, имеющим длительность не более 1-5нс. Таким образом, нет очевидного основания для использования АКО в алгоритмах обработки

СШП сигналов. Однако, принимая во внимание особенности использования сверхширокополосных сигналов в радиолучевых СО, а так же особенности отражения сверхширокополосных сигналов от типовых цели радиолучевых СО (человек, транспортное средство), задача обнаружения может быть решена.

Реальные импульсные радиолокационные системы работают с определенным периодом повторения, который не связан с видом излучаемого сигнала и не зависит от характеристик цели. Таким образом, период повторения является единственным параметром СШП сигнала, отраженного от сложной цели, который остается известным. Поэтому использование периода повторения в качестве априорной информации явилось ключом к решению задачи оптимального обнаружения сигнала в шуме для рассматриваемого случая. Корреляционная функция шума, являющегося случайным стационарным процессом, совпадает с его автокорреляционной функцией и убывает при неограниченном увеличении аргумента. Поэтому шумы, принимаемые через интервал времени, равный периоду повторения, не коррелированны, в то время как сигналы, принимаемые в соседних периодах, -коррелированны. Таким образом, параметр - период повторения зондирующих импульсов может использоваться в СО как априорный сигнал. Наличие в СШП СО априорной информации об этом параметре позволяет ему выполнять в этом случае такую же роль, какую выполняет синусоидальная форма несущей в узкополосных СО. Во-вторых, практически во всех современных СО длительность периода повторения такова, что даже самые скоростные цели за это время не успевают существенно изменить свой ракурс относительно СО. Тогда сигнал, отраженный от цели в двух соседних периодах повторения, можно полагать детерминированным. Это позволяет, опираясь на принципы корреляционного приема периодического сигнала в шуме, сформировать отношение правдоподобия, аналогичное отношению правдоподобия для случая известного сигнала. Обнаружение сигнала с неизвестными параметрами является прикладной задачей сверхширокополосной технологии. Актуальность решения этой задачи связана с требованиями, предъявляемыми к современным СШП СО (см. "Введение"). Сложность решения данной задачи обусловлена отсутствием структурированной теоретической базы СШП технологии, а так же трудностями, возникающими при использовании стандартных (классических) методов разработки радиолокационных обнаружителей применительно к СШП СО. При решении отношения правдоподобия были приняты указанные выше допущения: сохранение когерентности между принимаемыми сигналами за период повторения и декорреляция шумов за этот период. Это позволило упростить громоздкие математические выражения и получить замкнутое решение. Анализ полученного решения позволил сформировать схему алгоритма обработки СШП сигнала. АО СО строится на основе взаимной корреляции сигналов радиолокатора, принятых в соседних периодах зондирования. СО имеет три отличия от классической корреляционной обработки:

• опорным является не излучаемый сигнал, а сигнал, отраженный от цели в предыдущий период;

• шумы поступают на оба входа коррелятора;

• время интегрирования Т определяется не длительностью излученного сигнала, а зависит от физической длины цели L (протяженности ее портрета) и равно Т= L/c, где с - скорость света.

Показана правомерность использования АКО СО в качестве оптимального обнаружителя неподвижной цели, что является аналогией классического оптимального обнаружителя сигнала с полностью известными параметрами. Полученные результаты позволили определить предельные характеристики системы обнаружения с АКО СО. В результате анализа получены следующие выводы:.

1. Разработан новый алгоритм обработки СШП сигналов, который строится на основе корреляции сигналов радиолокатора, принятых в соседних периодах зондирования.

2. Показана правомерность использования алгоритма в качестве оптимального обнаружителя неподвижной цели, что является аналогией классического оптимального обнаружителя сигнала с полностью известными параметрами. Полученные результаты позволили определить предельные характеристики системы обнаружения СО.

3. Исследованы пути аналитического решения уравнений, описывающих процессы в алгоритме обработки. Поскольку такое аналитическое решение для АО СО реализовать не удалось, для анализа использовано математическое моделирование.

Так же исследованы пути аналитического решения уравнений, описывающих процессы в АО СО. Поскольку такое аналитическое решение для АО СО реализовать не удалось, для анализа использовано математическое моделирование процессов в системе СО. Этому вопросу посвящена глава 3. Эта глава посвящена проблеме моделирования процессов в приемнике охранной системе использующей разработанный алгоритм. Для проведения указанного математического моделирования создано специальное программное обеспечение. Разработка специального программного обеспечения была вызвана необходимо совместить модель обнаружителя СО со средствами анализа и. обработки реальных сигналов СО. Доступные программы, симулирующие электронные схемы, не поддерживают необходимого набора функции в одном программном пакете. Для полноценного математического моделирования необходимо использовать несколько узкоспециализированных программных продуктов или создать программное приложение, которое позволило бы интегрировать в одном пакете комплекс необходимых инструментов моделирования. В процессе разработки математической модели с целью уменьшения ресурсов на создание программы математического моделирования был использован подход интеграции функциональных программных продуктов на одной платформе с общим интерфейсом пользователя. Для проведения указанного математического моделирования создано специальное программное обеспечение. В главе 3 получены результаты:

1. Средствами компьютерного математического моделирования, проведен анализ прохождения через звенья алгоритма смеси регулярных электрических сигналов и случайных, шумовых сигналов, имеющих различные статистические параметры.

2. Проведен анализ характеристик отражения для типовых целей СО, который позволил увеличить точность модели отражения при математическом моделировании СО. Анализ построен на экспериментальных данных.

3. Использование математического моделирования дало возможность произвести расчет параметров сигнала на различных этапах его прохождения через звенья. Эти данные позволили выполнить анализ работы схемы обработки сигнала СО.

В главе 4 произведено изменение математической модели с целью ее приближения к реальным условиям. В модель введено движение цели относительно СО. Поскольку движение цели может носить произвольный характер, рассмотрен важный случай линейного перемещения цели относительно радиолокатора по дальности. В ходе математического моделирования выявлены параметры сигнала, влияющие на устойчивость обнаружителя при его работе по движущейся цели. Показано, что потери, образующиеся при обнаружении движущейся цели с помощью разработанного алгоритма, связаны с видом корреляционной функции принимаемых сигналов. Поэтому для уменьшения потерь необходимо использовать дополнительные цепи, позволяющие поддерживать корреляцию между сигналами в соседних периодах зондирования. Рассмотрено несколько способов решения этой задачи: квадратурные каналы в обнаружителе; многоканальная схема обнаружителя; последовательный обнаружитель с цепью регулировки коэффициента корреляции.

Полученные результаты позволили внести изменения в алгоритм формирования сигнала, отраженного от цели, и перейти к математическому моделированию многомерной цели. Переход от одномерной цели к многомерной расширил возможности моделирования и позволил на основе экспериментальных данных создать модель объекта. Это дало возможность проводить дальнейшее моделирование в условиях, максимально приближенных к реальным условиям. В данной главе получены следующие результаты:

1. Проведен анализ эффективности алгоритма в случае движущийся цели относительно СО. В ходе математического моделирования выявлены параметры сигнала, влияющие на устойчивость обнаружителя при его работе по движущейся цели.

2. Показано, что потери, образующиеся при обнаружении движущейся цели, связаны с видом корреляционной функции принимаемых сигналов.

В экспериментальном разделе представлены результаты проверки работы алгоритма обработки сигнала СО на практике. Задачей эксперимента являлось исследование процессов обработки сверхширокополосных сигналов, а его целью - проверка правильности результатов теоретических исследований и математического моделирования методов обработки СШП сигналов. Эксперимент проведен в рамках НИР «Поле», проводимой ООО «ЛОГИС» (г. Москва). Целью НИР «Поле» является обоснование вариантов построения экспериментального образца сверхширокополосного радиолокатора для контроля территории от не санкционированного доступа. НИР направлена на выполнение теоретических и технических исследований, обеспечивающих создание экспериментального образца сверхширокополосного радиолокатора. В ходе проведения НИР, автором данной работы были проведены теоретические исследования и математическое моделирование узлов СО. На основе этих исследований был создан прототип СШП радара, который использовался в качестве экспериментальной установки данной работы.

В качестве экспериментальной установки использовался модифицированный прототип СШП радара. Для проведения эксперимента, в радаре был отключен процессор обработки сигнала, а принимаемый сигнал транслировался на плату цифровой обработки сигнала GAGE SCOPE. Данная плата обеспечивала первичную обработки сигнала и передачу полученного сигнала в цифровом формате в программное обеспечение «RAM», где и производиться анализ и отображение сигнала . Поскольку программа позволяет работать не только с симулированными (моделированными сигналами) данными СО, но и с внешними данными, то анализ экспериментальных данных может быть сопоставлен с результатами моделирования в рамках одного программного средства. Экспериментальные работы проводились по двум направлениям:

• Эксперимент по зондированию имитируемой неподвижной цели. Цель данного эксперимента создать случай зондирования СО неподвижной точечной цели. Под точечной целью, следует понимать изотропный отражатель, физические параметры которого не влияют на импульс зондирования, т.е. отраженный сигнал не искажается. Условия точечной цели являются наиболее распространенными при моделировании работы СО, что позволят проводить прямое сопоставление между результатами моделирования и результатами эксперимента.

Эксперимент по зондированию имитируемой подвижной цели. Цель данного эксперимента создать случай зондирования СО подвижной цели, с цель проверки работы алгоритма для не стационарных условий работы. Как было показано в Главе 4, в случае флюктуации ЭПО цели или изменении ракурса цели (т.е. изменения угла ДОР относительно СО) происходит деградация характеристики обнаружения цели для алгоритмов СО, поскольку взаимная корреляция, между принимаемыми сигналами в разные периоды зондирования СО, не является стационарной величиной. В случае движения цели, скорость изменения ракурса и автокорреляционная функция ДОР является определяющим фактором стабильности характеристики обнаружения цели. Результаты сравнения экспериментальных данных, и данных полученных в ходе математического анализа подтвердили, что при приеме СШП сигнала оптимальным является корреляционный приемник, использующий в качестве опорного сигнал, принятый в предыдущем периоде зондирования. Таким образом, экспериментальные данные подтвердили правильность теоретического решения задачи обнаружения СШП сигнала с неизвестными параметрами.

Таким образом, в диссертации разработан научно-обоснованный алгоритм обработки СШП сигнала в радиотехнических средствах охранных систем, обеспечивающий повышение эффективности функционирования СО. Результат данной работы направлен на повышение функционирования радиолокационных средств безопасности, что подтверждается внедрением результатов работы на предприятии.

1. James D. Taylor. Introduction to Ultra-Wideband Radar Systems. London: CRC Press Boca Raton, 1994. 688c.: ил. ISBN 9780849344404.

2. Иммореев И.Я. Сверхширокополосная локация: основные особенности и отличия от традиционной радиолокации // Электромагнитные волны и электронные системы. 1997. №1. С. 28-30.

3. Gordon.O. Airborne Impulse Radar systems. New-York: CCL., 2000. 340c.

4. Fleming.R. Integrated Ultra-Wideband Localizers // Электронный ресурс. UWB conference'99. Baltimore. USA. [1999]. URL: http://uwbst99.org/pdf.htm (дата обращения: 12.03.2001).

5. Immoreev I., Samkov S. Ultra Wide Band radar for measure vital parameters of human body// IEEE International Workshop: The Ultra Wideband and Ultra Short Impulse Signals /сб.док. конф. UWBIS02, окт. 2002.

6. Fullerton L. Time Modulated Ultra-Wideband For Wireless Applications // Time domain сайт. URL: http://www.timedomain.com/whitepaper.html (дата обращения: 10.01.2001).

7. Mast J., Azevedo S., Haddad W. Micropower Impulse Radar Technology and Applications //U.S. Department of Energy: UCRL-ID-13 0474,1998. C. 125-126.

8. Office of the Secretary of Defense: Assessment of Ultra-wideband (UWB) Technology. // Defense Advanced Research Projects Agency: R-6280 OSD/DARPA: 1990.

9. Fedotov D., Immoreev I. Detection of UWB Signals Reflected from Complex Targets // IEEE Conference: Ultra Wideband Systems and Technologies / сб. док. конф. UWBST 2002 (Baltimore, USA), 20 мая 2002. C.64-68.

10. Кардо-Сысоев А.Ф., Ефанов B.M., Ярин П.М. Полупроводниковый генератор высоковольтных прямоугольных импульсов с регулируемой длительностью. //Приборы и техника эксперимента. № 4. 1997. С.32-36

11. Каррга К., Нарр L., Bennett М. Foliage and Ground Penetrating Radar Experiments // сб. науч. трудов. Tri-Service Radar Symposium (Denver, USA). 1996. C.43-48.

12. Ressler M. The Army Research Laboratory: Ultra-wideband Boom SAR// сб.док. конф. IGARSS '96. 43.1996.C. 1886-1888.

13. Дулевич B.E. Теоретические основы радиолокации. М.: Радио и связь, 1978. 608с.

14. Ширман Я.Д. Теоретические основы радиолокации. М.: Сов. Радио, 1970. 560с.

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

16. Ицхоки Я.С. Справочник по радиолокации. М.: Мир, 1976. 470с.

17. Гуткин JT.C. Теория оптимальных методов радиоприема при флюктуационных помехах. Л.: Гос. Энергоиздат,1961. 488с.

18. Анодина Т.Г ., Кузнецов А.А ., Маркович Е.Д . Автоматизация управления воздушным движением: Учебник для вузов . М.: Транспорт, 1992. 280с.

19. Сосулин Ю.Г. Теоретические основы радиолокации и радионавигации. М.: Радио и связь, 1993. 416с.

20. Клиначёв Н. В. Основы моделирования систем или 7 доменов законов Ома и Кирхгофа. Челябинск: Высшая школа, 2003. 275с.

21. Герберт Шилдт. Самоучитель C/C++: пер. с англ. 3-е издание. СПб.: БХВ, 2001.С.96-99.

22. Клиначёв Н. В. Введение в технологию мультидоменного физического моделирования с применением ненаправленных графов. Челябинск: Высшая школа, 2003. С. 12-24.

23. Бакулев П.А. Обработка сигналов с постоянным уровнем ложных тревог. М.: Радиоэлектроника, 1989. С.56-68.

24. Duei G.M. Mean-level detection of non fluctuating signals/ЛЕЕЕ Trans.: V.AES-10-N6.1974. C.64-69.

25. Бакулев П. А., Степин B.M. Методы и устройства селекции движущийся цели. М.: Радио и связь, 1986. 288с.

26. Bucciarelli Т., Nardone A., Robustness of a modified greatest of CFAR detector.// IEEE Electronic Letters:V.23. №3. 1987.

27. Duei G.M. False-alarm regulation in log-normal and weibull clutter// IEEE Trans.:V.AES-9. №3. 1973.C.25-34.

28. Антифеев B.H., Борзов А.Б., Быстров Р.П. Математическая модель рассеяния электромагнитных волн на объектах сложной формы //Вопросы защиты информации. 1995. № 3. С. 18-20.

29. Борзов А.Б. Анализ радиолокационных характеристик объектов сложной формы методом математического моделирования// Боеприпасы. №3.1994. С.32-38.

30. Хенл X., Мауэ А., Вестпфаль К. Теория дифракции. М: Мир. 1964. 428с.

31. Фелсен Л., Маркцвиц Н., Излучение и рассеяние волн: пер. с англ. под ред. Левина М.Л. .М:Мир,1978. Т1-458с. Т2-556.

32. Штагер Е.А., Рассеяние радиоволн на телах сложной формы. М.: Радио и связь,1986. 184с.

33. Сеньор Т.Б. Обзор аналитических методов оценки поперечных сечений рассеяния //ТИИЭР.Т.53. №8. 1965. С.63-71.

34. Медьеши Митшанг Л.М. Гибридные методы анализа отражений от объектов сложной формы // ТИИЭР.Т.77. №5. 1965.С.147-158.

35. Юсеф Н.Н. Эффективная площадь отражения сложных радиолокационных целей //ТИИЭР.Т.77. №5. 1989. С.25-30.

36. Уфимцев П.Я. Метод краевых волн физической теории дифракции. М.: Советское радио, 1962. 243с.

37. Уфимцев П.Я. Краевые волны в теории дифракции: дисс. докт. физ.-мат. наук №39123//Горький: ЦНИИРТИ. 1969. С.50-78.

38. Боровиков В.А., Кинбер Б.Е. Геометрическая теория дифракции. М.:Связь, 1978. С.47-49.

39. James G.L. Geometrical J. Theory of Diffraction for Electromagnetic Waves. London: Peter Peregrinus Ltd., 1976. C.54-75.

40. Майзельс E.H., Торгованов B.A. Измерение характеристик рассеяния радиолокационных целей. М.: Сов. Радио, 1972. С.34-42.

41. Swerling P. Propability of detection for fluctuating targets //IRE Transactions on Information Theory.VIT-6. 1960. C.259-267.

42. Федотов Д.В., Иммореев И.Я. Оптимальная обработка радиолокационных сигналов с неизвестными параметрами // Радиотехника. №10. 1998.С.84-88.

43. Cutler С.С. Microwave Antenna measurements // Proc.IRE. №35.1947. 120c.

44. Бакулев П.А., Сосновский A.A. Радиолокационные и радионавигационные системы. М.: Радио и связь, 1994. С.25-27.

45. Федотов Д.В., Крылов К.Н. Сверхширокополосная компактная рупорно-микрополосковая антенна с высокой направленностью // Муром: электрон, версия сб. док. конф. CRCA 2006. 1электрон. опт. диск (CD-ROM).

46. Панченко Б.А., Нефёдов Е.И. Микрополосковые антенны. М.: Радио и Связь, 1986. 144с.