автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Повышение помехоустойчивости системы автоматического измерения дальности в условиях нестационарных помех

На правах рукописи

ГУСЕВ Александр Игоревич

ПОВЫШЕНИЕ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО ИЗМЕРЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ В УСЛОВИЯХ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ПОМЕХ

Специальность 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (в технике и технологиях)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт - Петербург 2006

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения» (ГУАП).

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор Осипов Леонид Андроникович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Изранцев Виталий Васильевич

кандидат технических наук, доцент Бестугин Александр Роальдович

Ведущая организация -

ОАО «ВНИИРА», г. Санкт-Петербург

Защита состоится "¿О" СЦ-омЛ 2006 г. в /£ часов на заседании диссертационного совета Д 212.233.02 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения» по адресу: г. Санкт-Петербург, ул. Б. Морская, д.67, ГУАП.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУАП.

Автореферат разослан 2006 г.

РОС. НДЦИ01! ЬНАЯ

Б *' '};ОТЕК \ ие^.пр!

■»>£акт У#

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

^Ак^Э

Осипов Л.А.

ЛйШ;

■ЦШ з

Общая характеристика работы

Актуальность работы. В настоящее время важным направлением развития систем обработки информации является обеспечение их работоспособности в условиях различного рода помех, априорные сведения о которых отсутствуют. К таким системам можно отнести измерители угловых координат, дальности и скорости объектов, установленные на подвижных носителях.

При этом наиболее опасными являются мощные коррелированные помехи - мешающие сигналы от земной, водной поверхностей и метеообразований, средняя частота спектральной плотности которых, как правило, не известна, а уровень помех может на несколько порядков превышать уровень полезного сигнала.

Решение задачи обработки информации при наличии мощных нестационарных коррелированных помех связано с созданием адаптивных систем, что в свою очередь требует разработки высокоточных измерителей средней частоты спектральной плотности коррелированной помехи.

Следует отметить, что адаптивные системы являются перспективными системами, позволяющими значительно увеличить подавление помех и тем самым повысить точность измерения параметров сигнала.

В диссертации рассматривается вопрос разработки и исследования чувствительного элемента системы автоматического измерения дальности, установленной на подвижном носителе, с использованием адаптивных средств подавления коррелированных помех.

Таким образом, тема диссертационной работы, связанная с решением вопроса повышения точности измерения дальности в условиях воздействия мощных коррелированных помех с неизвестной средней частотой спектральной плотности является актуальной.

Целью работы является разработка и исследование чувствительного элемента системы автоматического измерения дальности с адаптивной системой подавления коррелированных помех.

Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие основные задачи:

- разработка и исследование многоканального измерителя средней частоты спектральной плотности коррелированной помехи;

- разработка и исследование помехоустойчивого чувствительного элемента системы автоматического измерения дальности;

- проведение математического моделирования предложенных структур измерителя средней частоты спектральной плотности коррелированной помехи и чувствительного элемента измерителя дальности с адаптивной системой подавления коррелированных помех.

Методы исследования. При выполнении теоретических исследований в диссертационной работе широко используются методы теории случайных процессов и теории вероятности, методы математической статистики и методы общей теории автоматического управления.

При выполнении математического моделирования в работе используются метода вычислительной и дискретной математики, методы статистического

моделирования и методы статистической обработки данных.

Основные положения, выносимые на защиту:

- синтез и анализ структуры многоканального измерителя средней частоты спектральной плотности коррелированной помехи;

- структура и результаты анализа чувствительного элемента системы автоматического измерения дальности на базе квадратурных каналов с адаптивным блоком подавления коррелированных помех;

- алгоритм и результаты математического моделирования чувствительного элемента системы автоматического измерения дальности с адаптивным блоком подавления коррелированных помех.

Научная новизна работы:

- синтез многоканального измерителя средней частоты спектральной плотности коррелированной помехи отличается тем, что позволяет учитывать протяженность коррелированной помехи, ее слабую корреляцию внутри периода повторения и сильную межпериодную корреляцию;

- структура и результаты анализа измерителя средней частоты спектральной плотности коррелированной помехи, отличающегося наличием многоканального частотного детектора, что позволяет снизить ошибки измерения средней частоты помехи;

- структура, алгоритм синтеза и результаты анализа помехоустойчивого чувствительного элемента системы автоматического измерения дальности. Чувствительный элемент отличается наличием квадратурной обработки и адаптивных средств подавления коррелированной помехи, обеспечивающих меньшую ошибку измерения дальности.

Практическая ценность полученных в диссертации результатов:

- синтезированный измеритель средней частоты спектральной плотности коррелированной помехи дает возможность реализовать адаптивную систему подавления помех для повышения эффективности работы измерителя дальности и угловых координат;

- предложенная структура помехоустойчивого чувствительного элемента системы автоматического измерения дальности с квадратурной обработкой позволяет повысить точность измерения дальности;

- полученные в диссертационной работе результаты внедрены в ОАО "НИИ "РАДАР ММС" (г. Санкт-Петербург) в НИЭР "СКОЛ-Л" (в системе селекции движущихся целей с внутренней когерентностью), в ОАО "ВНИИРА" (г. Санкт-Петербург) в комплексе "Турбулентность" (в измерителе скорости движения метеообразований);

- результаты диссертационной работы используются в учебном процессе Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения".

Апробация результатов работы. Публикации

Основные положения работы докладывались на ассамблее молодых ученых и специалистов (Санкт-Петербург 2000 г.), международной конференции "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" (Санкт-Петербург 2002 г.), всероссийской конференции "Современные проблемы радиоэлектроники" (Санкт-Петербург 2004 г.).

Были сделаны доклады на четырех научных сессиях аспирантов и соискателей ГУАП с 2001 по 2004 год.

Основные результаты диссертации опубликованы в двенадцати научных работах.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех к разделов, заключения и приложений. Работа изложена на 112 страницах машинописного текста и содержит 72 рисунка. Приложения насчитывают 41 страницу. Список литературы содержит 72 наименования.

Краткое содержание работы

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, определена цель и сформулированы решаемые в работе задачи. Перечислены новые научные результаты, полученные при выполнении работы, показана практическая ценность и апробация работы. Приведены основные положения выносимые на защиту.

В первой главе обоснована актуальность работы и поставлена ее цель. Даются общие понятия нестационарных коррелированных помех.

Разработана укрупненная схема измерителя дальности с адаптивным блоком подавления коррелированных помех.

Для анализа работы системы подавления коррелированных помех и системы автоматического измерения дальности использовались следующие математические модели сигналов.

Корреляционные функции межпериодных флюктуации коррелированной помехи и ее квадратурных составляющих записывались следующим образом

, * « ( т2Лш*\ ■ , I 0)

■®п1г(т)=£Гп ехР1--4—Ьш^т),

где а*, Ла)п, шп - соответственно дисперсия помехи, ширина и нескомпенсированная средняя частота спектральной плотности межпериодных флюктуаций коррелированной помехи.

Корреляционные функции полезного сигнала и его квадратурные составляющие определялись соотношениями

В.(т)=^-сов(«»>.т), ВЛ2(т)=^+Щт.т), (2)

где сос, ис - частота и амплитуда полезного сигнала.

Корреляционная функция шума описывалась выражением

Ви(т)=<£ехр(-«*т*), (3)

где сг^, а2ш - дисперсия и ширина спектральной плотности шума, определяемая полосой пропускания приемного устройства.

Используемые в диссертации корреляционные функции полезного сигнала, помехи и шума представляют собой комплексную модель составляющих входного воздействия, что позволяет ввести анализ и обработку сигналов на видео частоте без потери информации о средней частоте спектральной плотности полезного сигнала и коррелированной помехи, которая может принимать как положительные, так и отрицательные значения.

Во второй главе на основе моделей сигналов и помех проведен синтез и анализ измерителя средней частоты спектральной плотности коррелированной помехи.

На рисунке 1, обведенная пунктирной линией, показана схема блока измерения средней частоты коррелированной помехи следящего типа с использованием схемы автоматической подстройки частоты. Блок измерения состоит из двух основных узлов: следящего контура автоматической подстройки с перестраиваемым гетеродином и схемы принудительного управления частотой гетеродина сигналами с датчиков "грубой" оценки средней частоты коррелированной помехи.

Информация с указанных датчиков поступает в вычислитель, который рассчитывает в каждый текущий момент времени значение средней частоты коррелированной помехи и управляет частотой перестраиваемого гетеродина.

В результате спектральная плотность коррелированной помехи на выходе фазового детектора смещена на нулевую частоту, что позволяет реализовать систему подавления сигнала помехи и дальнейшую обработку в цифровом виде.

Система подавления сигнала помех Система автоматического измерения дальности

Фазовый Многоканальный частотны! дискриминатор Блок усреднения

детектор

Перестраиваемый гетеродин 1 Стаживаюаше цепи

( к

Датчики ( "грубей" оценки

В реальных условиях средняя частота спектральной плотности коррелированной помехи может изменятся в достаточно широких пределах. В диссертации рассмотрены случаи изменения средней частоты спектральной плотности помехового сигнала по гармоническому закону и закону модуля косинуса. Оценены динамические ошибки в блоке измерения средней частоты коррелированной помехи. Выражение, описывающее значение частоты на выходе схемы измерения имеет

вид

(4)

где Рп - значение передаточной функции схемы измерения средней частоты спектральной плотности коррелированной помехи равное

[к-п2 Гф)2+и2

(5)

Аг - коэффициенты разложения функции изменения средней частоты спектральной плотности помехового сигнал /(/) в ряд Фурье.

Для случая когда средняя частота коррелированной помехи изменяется по периодическому закону модуля косинуса Ап имеет вид

Г

А„ = —] С08(ы)?)с0з(иШ)Л =

О Г.

' ( тЛ ( Т '

втПиП-со)-^] зтНлД+ш)-^

пО-и>

(6)

При этом Т0 - интервал в котором рассматривается функция /({), 0—2п1т', Т'=ш12тг>Т0, К и Гф - добротность и постоянная времени контура измерителя частоты.

На рисунке 2 представлена зависимость изменения величины ошибки измерения частоты коррелированной помехи от постоянной времени контура Тф.

Как видно, с ростом постоянной времени Тф, динамическая ошибка возрастает.

Появление смещенной оценки средней частоты спектральной плотности коррелированной помехи резко снижает качество работы системы подавления сигнала помехи и ухудшает точностные характеристики системы автоматического измерения дальности.

Таким образом, разработанная структурная схема измерителя средней частоты спектральной плотности коррелированной помехи представляет собой схему автоматической подстройки частоты с использованием априорной информации о средней частоте коррелированной помехи. При этом скомпенсированный по частоте помеховый сигнал совместно с полезным сигналом с выхода фазового детектора подается на систему автоматического измерения дальности.

Пользуясь методом максимума функционала правдоподобия, проведен анализ оптимального измерителя средней частоты коррелированной помехи. С учетом ее слабой внугрипериодной и сильной межпериодной статистической связи было получено дифференциальное уравнение, моделирующее измеритель средней частоты спектральной плотности коррелированной помехи

дш дТ

2а]

Л(Г-/)ооз(Л(Г-/))с,(/)Л,

о 1=1 ОШ 0

(7)

где Т - время наблюдения; - аддитивная смесь широкополосного шума со

спектральной плотностью ш - оценочное значение частоты коррелированной помехи, статистические свойства которой определяются корреляционной функцией Л(т); т - число учитываемых каналов дальности, соответствующих протяженной

дисперсия оценки частоты

помехе в пределах периода повторения; коррелированной помехи.

Г

Баш часттшх

Оптимальное устройство измерения частоты помехового сигнала в этом случае имеет структуру (рисунок 3), включающую т идентичных каналов, каждый из которых наилучшим способом оценивает среднюю частоту спектральной плотности коррелированной помехи в своем канале дальности. Результаты обработки суммируются и образуют управляющий сигнал перестраиваемого гетеродина. Кроме того, в каждом канале дальности определяются коэффициенты усиления

к,{Т,ш)=(д2 2\ ¡(ш)18ш2) . которые затем складываются, формируя общий коэффициент усиления в замкнутом контуре измерителя.

Получено выражение для дисперсии оценки средней частоты спектральной плотности коррелированной помехи.

£ £ ф-1) То) *•((;-:1):Тв) *•((/-1) т0 +(/•-1) т0)

<72М =

4 Nn

сг NT'

Е ф-1)т0)я'{и-1)т0)

]r\{T)dr]r\T)r\t+T){tHj-\)T0){tHj-l)T,+THi-\)T0)dt

О о

»....... ■ ■ ■ — -

/ЛтК(т)(т+(|-1)7\,рЛ

(8)

где R'(iTaJT0), Jt'0(iT0,jT0) - соответствующие коэффициенты корреляции межпериодных флююуаций; r(tj'), r0(t,t') - соответствующие коэффициенты корреляции внутрипериодных флюктуаций коррелированной помехи.

Результаты вычислений среднеквадратической ошибки оценки средней частоты коррелированной помехи по выражению (8) для различных значений произведения времени усреднения в пределах периода повторения на ширину спектра внутрипериодных флюктуаций T'y в зависимости от отношения сигнал/шум приведены на рисунке 4.

о(<я),Ги

70 60 50 40 30 20 10

1

2 /

э

О 20 40 60 80

Рисунок 4

При этом кривая 1 соответствует случаю 7"у=10 , кривая 2 - 7'у=50 и кривая 3 - Г'у =100. При расчетах было принято количество обрабатываемых тактов #=1000, Го=10~4с при ширине спектра межпериодных флюктуаций сигнала коррелированной помехи 4шв/2тг=300 Гц.

Дается анализ влияния параметров контура измерителя средней частоты на статистические характеристики коррелированных помех на выходе фазового детектора.

С учетом принятых в первой главе моделей сигналов получено следующее выражение для корреляционной функции сигнала, помехи и шума на выходе фазового детектора

Показано, что следящий измеритель, имеющий конечную полосу пропускания, расширяет спектральную плотность коррелированной помехи. Вместе с тем, многоканальность измерителя позволяет резко сузить спектр помехи на выходе фазового детектора, что обеспечивает больший коэффициент ее подавления.

На рисунке 5 представлены результаты расчетов огибающей нормированной корреляционной функции сигнала коррелированной помех на выходе фазового детектора для различного числа обрабатываемых каналов дальности т, параметров следящего контура компенсации средней частоты и ширины спектральной плотности коррелированной помехи. Сплошная кривая соответствует одному обрабатываемому каналу дальности - т=1, точечная линия соответствует пяти обрабатываемым каналам дальности т-5, пунктирная - десяти т=10 и штрихпунктирная -пятидесяти обрабатываемым каналам дальности т=50. Для сравнения здесь же тонкой сплошной кривой приведена корреляционная функция коррелированной помех на выходе фазового детектора при стабильном по частоте опорном напряжении (случай идеальной внутренней когерентности).

(9)

В(т)

----т*5

--т=10

.--т-50

Рисунок 5

При числе каналов частотного дискриминатора большем десяти, фазовое детектирование сигнала коррелированной помехи по своим характеристикам приближается к идеальному фазовому детектированию со стабильным по частоте опорным напряжением.

В третьей главе разработан и исследован помехозащищенный чувствительный элемент системы автоматического измерения дальности, который строиться по принципу когерентной обработки сигналов на основе квадратурных каналов (рисунок 6).

При этом каждое плечо чувствительного элемента состоит из двух квадратурных каналов, в которых, после фазовых детекторов ФД1 и ФД2 идентично происходит подавление коррелированных помех одно или двухкратной схемой череспериодного вычитания на видеочастоте ЧПВ, квадратичное детектирование (Кв.Д), стробирование сигналов в строб-каскадах следящими полустробами (СК1, СК2). После обработки сигналы квадратурных каналов каждого плеча суммируются, а их сумма поступает на вычитающее устройство (ВУ) чувствительного элемента, на выходе которого формируется управляющее напряжение, пропорциональное рассогласованию центра тяжести импульсного сигнала и оси симметрии стробов сопровождения.

Проанализировано прохождение коррелированной помехи, шума и полезного сигнала через каждое звено чувствительного элемента. Получено выражение для корреляционной функции сигнала на выходе вычитающего устройства

х{ра0вГ(г)ВГ(г)+РшВВГ(г)ВТ(г)+рмВ^(г)В^(г)),

где Рп0)Рп12>Рш0>Рш12 ~ коэффициенты усреднения, М, ,М2 - коэффициенты учитывающие степень перекрытия полустробами сигналов проходящих через систему измерения дальности.

Корреляционная функция компоненты сигнала на выходе двухкратной схемы череспериодного вычитания связана с корреляционной функцией на входе уравнением

Дискриминационная характеристика есть среднее значение на выходе вычитающего устройства. Выражение дискриминационной характеристики принимает следующий вид

(12)

При этом выражения корреляционных функций межпериодных флюктуаций на выходе строб-каскадов имеют вид

5СК1-2(т)=2(^^5ГВ(г))2+2(рв05Г(т))2+2(рО105Г(т))2+ +4 м1рмвГ(т)ВГ(т)+4 МЪРа0ВГ(т)ВГ(т)+ (13)

а на выходе квадратичного детектора

ВВД(Т)=2(ВГ(Г))2+2(ВГ,(Т))2+2(ВГ(Т))2+4ВГ'(Т)ВГ(Т)+

В™(т)=2(В™(т))г+2(В™(т)Г+4В™(т)В™(т).

Данные соотношения позволили получить окончательные выражения для дискриминационной и флюктуационной характеристик.

Типовые дискриминационные и флюктуационные характеристики представлены на рисунках 7 и 8.

- ш-1

----ш-З

— — ш-10 --т-50

На рисунке 9 показано сечение флюктуационной характеристики при 4т=0 для различных значений количества обрабатываемых каналов дальности т в случае использования двукратной схемы череспериодного вычитания.

Рисунок 9

Разработанная структура чувствительного элемента системы автоматического измерения дальности включает в себя два квадратурных канала с адаптивной системой подавления коррелированных помех.

Показано, что применив, в качестве системы подавления помех, схемы двухкратного череспериодного вычитания позволяет в четыре раза уменьшить флюктуационную ошибку измерения дальности, по сравнению с однократной схемой.

При этом увеличение количества каналов дальности в системе автоматического измерения дальности от одного до десяти дает трехкратное снижение флюктуационной ошибки измерения дальности. Дальнейшее увеличение количества обрабатываемых каналов усложняет реализацию всей системы, и не приводит к существенному повышению точности.

В четвертой главе проведено цифровое моделирование чувствительного элемента системы автоматического измерения дальности с адаптивным блоком подавления коррелированных помех.

На основе датчика случайных чисел были сформированы широкополосный шум, полезный сигнал и узкополосная помеха в двух квадратурных составляющих.

Разработана модель многоканального частотного дискриминатора, а также цифровая модель сглаживающих цепей (фильтра нижних частот и интегратора), цифрового перестраиваемого гетеродина, схем однократного и двухкратного череспериодного вычитания и чувствительного элемента системы автоматического измерения дальности.

В результате был получен скомпенсированный по частоте сигнал коррелированной помехи на выходе фазового детектора спектральная плотность которого изображена на рисунке 10. При этом кривая 1 соответствует спектральной плотности коррелированной помехи на входе системы; кривые 2, 3, 4 и 5

соответствуют значениям числа частотных дискриминаторов т=1,10,25,50 соответственно.

Полученные результаты свидетельствуют о высокой эффективности применения многоканального чувствительного элемента в дискриминаторе .

Проведенные исследования работы чувствительного элемента совместно со схемами подавления и измерения частоты коррелированной помехи показали, что результаты полученные при моделировании практически совпадают с результатами полученными теоретическим путем.

МЬв(Я(®» О

50

-100

-150

-200

2 /Сл/

/ ЧУ V 3 ЬА/\у

4

5

125

250

Рисунок 10

375

о,с

В заключении приводятся основные результаты, полученные в диссертационной работе.

В приложения вынесены графики результатов анализа: работы схемы измерения средней частоты спектральной плотности коррелированной помехи; * огибающей нормированной корреляционной функции сигнала коррелированных помех на выходе фазового детектора; флюктуационных характеристик чувствительного элемента системы автоматического измерения дальности и ее модели и их сечения. А также выражения дискриминационной и флюктуационной характеристик чувствительного элемента измерения дальности.

Основные результаты работы

1 На основе метода максимума функционала правдоподобия синтезирована и исследована структура оптимального измерителя средней частоты протяженной помехи со слабой внутрипериодной и с сильной межпериодной корреляцией.

При этом основным элементом измерителя является схема автоматической подстройки частоты с многоканальным частотным дискриминатором, суммарным сигналом которого осуществляется управление частотой перестраиваемого гетеродина.

2 Оценена потенциальная точность измерителя частоты коррелированной помехи, проведен анализ влияния параметров контура измерителя на спектрально-корреляционные характеристики сигналов помех на входе чувствительного элемента измерителя дальности.

Показано, что при числе частотных дискриминаторов в узкополосном контуре измерителя, большем десяти, фазовое детектирование помехи с опорным напряжением перестраиваемого гетеродина не приводит к заметному расширению спектральной плотности.

Практическое применение - в адаптивных системах подавления коррелированных помех с неизвестной средней частотой спектральной плотности.

3 Разработан и исследован помехоустойчивый чувствительный элемент системы автоматического измерения дальности с квадратурной обработкой. Для подавления коррелированных помех использованы адаптивные к частоте помехи режекторные фильтры первого и второго порядка, позволившие резко снизить ошибки измерения дальности.

При этом показано, что увеличение числа обрабатываемых участков дальности позволяет резко уменьшить флюктуационную ошибку измерения дальности как для режекторного фильтра первого порядка, так и для режекторного фильтра второго порядка.

Показано что, появление смещенной оценки частоты коррелированной помехи приводит к росту флюктуационной ошибки измерения дальности. Практическое применение - в адаптивных к помехам системах измерения параметров сигналов.

4 Разработан и внедрен в бортовой комплекс многоканальный измеритель средней частоты спектральной плотности сигнала, отраженного земной поверхностью.

5 Разработан и внедрен в наземный комплекс многоканальный измеритель скорости движения метеообразований.

Публикации по теме дисертации

1. Гусев А.И., Зиатдинов С.И., Осипов JI.A. Дисперсия оценки средней частоты спектральной плотности протяженного сигнал // Изв. вузов. Приборостроение.-2003,-Т. 46, №3.- С. 9-14.

2. Гусев А.И., Зиатдинов С.И., Осипов Л.А. Синтез оптимального измерителя средней частоты протяженного сигнала // Изв. вузов. Приборостроение.- 2003,- Т. 46, № 12.-С. 11-16.

3. Зиатдинов С.И., Гусев А.И., Елисеев A.A. Цифровой фильтр Баттерворта с малым динамическим диапазоном значений весовых коэффициентов // Изв. вузов. Приборостроение.- 2000,- Т. 43, № 9,- с. 26-33.

4. Гусев А.И., Зиатдинов С.И., Осипов Л.А. Анализ влияния параметров i автокомпенсатора скорости на статистические характеристики пассивных помех //

Изв. вузов. Приборостроение,- 2004,- Т. 47, № 1,- С. 3-8.

5. Гусев А.И., Зиатдинов С.И., Осипов Л.А. Цифровая модель контура автокомпенсатора частоты Доплера помехового сигнала // Изв. вузов. Приборостроение.- 2005,- Т. 48, № 12.- С. 21-24.

6. Гусев А.И. Вероятностные модели сигналов в задачах радиооптической обработки информации // Пятая Санкт-Петербургская ассамблея молодых ученых и специалистов: Тезисы докладов.- СПб.: Изд-во СПбГТУ, 2000,- С. 34.

7. Гусев А.И. Синтез оптимальной структуры компенсатора собственной скорости носителя когерентной РЛС // Восьмая ежегодная международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика": Тезисы докладов,- М.: Изд-во МЭИ, 2002,- С. 18.

8. Гусев А.И. Влияние величины отношения сигнал шум на флюктуационные характеристики временного дискриминатора системы АСД с внутренней когерентностью // Сборник докладов Шестой Всероссийской научно-техническая конференции молодых ученых и студентов «Современные проблемы радиоэлектроники», посвященной 109-й годовщине Дня радио,- Красноярск: Изд-во КГТУ, 2004,- С. 73-75.

9. Гусев А.И. Модели сигналов и помех в задачах радиооптической обработки информации // Сборник докладов Четвертой научной сессии аспирантов и соискателей ГУАП, посвященной Всемирному дню космонавтики и 60-летию

, ГУАП,- СПб.: Изд-во СПГУАП, 2001.- С. 256-260.

10. Гусев А.И. Статистические характеристики оценки средней частоты спектральной плотности протяженного сигнала // Сборник докладов Пятой научной сессии аспирантов и соискателей ГУАП, посвященной Всемирному дню космонавтики,-СПб.: Изд-во СПГУАП, 2002,- С. 328-332.

11. Гусев А.И. Моделирование контура автокомпенсатора скорости Летательного аппарата // Сборник докладов Шестой научной сессии аспирантов и соискателей ГУАП, посвященной Всемирному дню космонавтики.- СПб.: Изд-во СПГУАП, 2003.- С. 227-228.

12. Гусев А.И. Влияние ширины спектральной плотности пассивной помехи и ее средней частоты на флюктуационные характеристики временного дискриминатора системы АСД с внутренней когерентностью // Сборник докладов Седьмой научной сессии аспирантов и соискателей ГУАП, посвященной Всемирному дню космонавтики.- СПб.: Изд-во СПГУАП, 2004.- С. 313-315.

>

Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. _ Тираж 100 экз. Заказ 7_

Отпечатано в отделе оперативной полиграфии ГУАП 190000, г. Санкт-Петербург, ул. Б. Морская, д.67

f

M 1 3 в 1

Список используемых обозначений.

Введение.

1 СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ИЗМЕРИТЕЛЯ. МОДЕЛИ ВХОДНЫХ

СИГНАЛОВ.

Выводы.

2 СИНТЕЗ И АНАЛИЗ БЛОКА ИЗМЕРЕНИЯ СРЕДНЕЙ ЧАСТОТЫ КОРРЕЛИРОВАННОЙ ПОМЕХИ.

2.1 Апостериорная плотность вероятности частоты коррелированной помехи.

2.2 Синтез оптимального измерителя средней частоты спектра коррелированной помехи.

2.3 Дисперсия оценки средней частоты спектральной плотности коррелированной помехи.

2.4 Анализ влияния параметров контура измерителя частоты на спектральные характеристики коррелированных помех.

2.4.1 Плотность распределения сигналов коррелированных помех на выходе фазового детектора.

2.4.2 Корреляционная функция сигнала коррелированных помех на выходе фазового детектора.

2.4.3 Анализ влияния параметров контура измерителя средней частоты на статистические характеристики коррелированных помех.

2.5 Оценка величины динамической ошибки контура измерения средней частоты коррелированной помехи.

Выводы.

3 РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО ИЗМЕРЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ НА БАЗЕ КВАДРАТУРНЫХ КАНАЛОВ С ПОДАВЛЕНИЕМ

КОРРЕЛИРОВАННЫХ ПОМЕХ.

3.1 Анализ прохождения коррелированной помехи через схему подавления помех системы автоматического измерения дальности.

3.2 Анализ прохождения коррелированной помехи через квадратичный детектора системы автоматического измерения дальности.

3.3 Анализ прохождения коррелированной помехи через строб-каскад системы автоматического измерения дальности.

Выводы. т 4 ЦИФРОВОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА

СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО ИЗМЕРЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ.

4.1 Алгоритм моделирования контура измерения средней частоты коррелированного помехового сигнала.

• 4.2 Разработка и исследование модели контура измерения средней частоты коррелированного помехового сигнала.

4.3 Алгоритм моделирования чувствительного элемента системы автоматического измерения дальности.

4.4 Разработка и исследование модели чувствительного элемента системы автоматического измерения дальности.

Выводы.

Актуальность работы. В настоящее время важным направлением развития систем обработки информации является обеспечение их работоспособности в условиях различного рода помех, априорные сведения о которых отсутствуют. К таким системам можно отнести измерители угловых координат, дальности и скорости объектов, установленные на подвижных носителях.

При этом наиболее опасными являются мощные коррелированные помехи - мешающие сигналы от земной, водной поверхностей и метеообразований, средняя частота спектральной плотности которых, как правило, не известна, а уровень помех может на несколько порядков превышать уровень полезного сигнала.

Решение задачи обработки информации при наличии мощных нестационарных коррелированных помех связано с созданием адаптивных систем, что в свою очередь требует разработки высокоточных измерителей средней частоты спектральной плотности коррелированной помехи.

Следует отметить, что адаптивные системы являются перспективными системами, позволяющими значительно увеличить подавление помех и тем самым повысить точность измерения параметров сигнала.

В диссертации рассматривается вопрос разработки и исследования чувствительного элемента системы автоматического измерения дальности, установленной на подвижном носителе, с использованием адаптивных средств подавления коррелированных помех.

Таким образом, тема диссертационной работы, связанная с решением вопроса повышения точности измерения дальности в условиях воздействия мощных коррелированных помех с неизвестной средней частотой спектральной плотности является актуальной.

Целью работы является разработка и исследование чувствительного элемента системы автоматического измерения дальности с адаптивной системой подавления коррелированных помех.

Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие основные задачи:

- разработка и исследование многоканального измерителя средней частоты спектральной плотности коррелированной помехи;

- разработка и исследование помехоустойчивого чувствительного элемента системы автоматического измерения дальности;

- проведение математического моделирования предложенных структур измерителя средней частоты спектральной плотности коррелированной помехи и чувствительного элемента измерителя дальности с адаптивной системой подавления коррелированных помех.

Методы исследования. При выполнении теоретических исследований в диссертационной работе широко используются методы теории случайных процессов и теории вероятности, методы математической статистики и методы общей теории автоматического управления.

При выполнении математического моделирования в работе используются методы вычислительной и дискретной математики, методы статистического моделирования и методы статистической обработки данных.

Основные положения, выносимые на защиту:

- синтез и анализ структуры многоканального измерителя средней частоты спектральной плотности коррелированной помехи;

- структура и результаты анализа чувствительного элемента системы автоматического измерения дальности на базе квадратурных каналов с адаптивным блоком подавления коррелированных помех; алгоритм и результаты математического моделирования чувствительного элемента системы автоматического измерения дальности с адаптивным блоком подавления коррелированных помех.

Научная новизна работы: синтез многоканального измерителя средней частоты спектральной плотности коррелированной помехи отличается тем, что позволяет учитывать протяженность коррелированной помехи, ее слабую корреляцию внутри периода повторения и сильную межпериодную корреляцию; структура и результаты анализа измерителя средней частоты спектральной плотности коррелированной помехи, отличающегося наличием многоканального частотного детектора, что позволяет снизить ошибки измерения средней частоты помехи; структура, алгоритм синтеза и результаты анализа помехоустойчивого чувствительного элемента системы автоматического измерения дальности. Чувствительный элемент отличается наличием квадратурной обработки и адаптивных средств подавления коррелированной помехи, обеспечивающих меньшую ошибку измерения дальности.

Практическая ценность полученных в диссертации результатов: синтезированный измеритель средней частоты спектральной плотности коррелированной помехи дает возможность реализовать адаптивную систему подавления помех для повышения эффективности работы измерителя дальности и угловых координат; предложенная структура помехоустойчивого чувствительного элемента системы автоматического измерения дальности с квадратурной обработкой позволяет повысить точность измерения дальности; полученные в диссертационной работе результаты внедрены в ОАО "HI 111 "РАДАР ММС" (г. Санкт-Петербург) в НИЭР "СКОЛ-Л" (в системе селекции движущихся целей с внутренней когерентностью), в ОАО "ВНИИРА" (г. Санкт-Петербург) в комплексе "Турбулентность" (в измерителе скорости движения метеообразований); - результаты диссертационной работы используются в учебном процессе Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения".

Апробация результатов работы. Публикации

Основные положения работы докладывались на ассамблее молодых ученых и специалистов (Санкт-Петербург 2000 г.), международной конференции "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" (Санкт-Петербург 2002 г.), всероссийской конференции "Современные проблемы радиоэлектроники" (Санкт-Петербург 2004 г.).

Были сделаны доклады на четырех научных сессиях аспирантов и соискателей ГУАП с 2001 по 2004 год.

Основные результаты диссертации опубликованы в двенадцати научных работах.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения и приложений. Работа изложена на 112 страницах машинописного текста и содержит 72 рисунка. Приложения

Выводы

1 Разработана модель коррелированной помехи, сигнала и шума, которая учитывает протяженность, а также слабую внутрипериодную и сильную межпериодную корреляционную связь помехового сигнала, квадратурную характеристику полезного сигнала и широкополосность внутриприемного шума.

2 Синтезирована модель помехозащищенного измерителя дальности, она включает многоканальный измеритель средней частоты коррелированной помехи, одно и двукратную схему подавления помех и временной дискриминатор с квадратурной обработкой. 3 Результаты полученные при моделировании схемы автоматического измерения дальности практически совпадают с результатами полученными теоретическим путем.

Заключение

В результате выполнения диссертационной работы были получены следующие основные научные и практические результаты:

1 На основе метода максимума функционала правдоподобия синтезирована и исследована структура оптимального измерителя средней частоты протяженной помехи со слабой внутрипериодной и с сильной межпериодной корреляцией.

При этом основным элементом измерителя является схема автоматической подстройки частоты с многоканальным частотным дискриминатором, суммарным сигналом которого осуществляется управление частотой перестраиваемого гетеродина.

2 Оценена потенциальная точность измерителя частоты коррелированной помехи, проведен анализ влияния параметров контура измерителя на спектрально-корреляционные характеристики сигналов помех на входе чувствительного элемента дальности.

Показано, что при числе частотных дискриминаторов в узкополосном контуре измерителя, большем десяти, фазовое детектирование помехи с опорным напряжением перестраиваемого гетеродина не приводит к заметному расширению спектральной плотности.

Практическое применение - в адаптивных системах подавления коррелированных помех с неизвестной средней частотой спектральной плотности.

3 Разработан и исследован помехоустойчивый чувствительный элемент системы автоматического измерения дальности с квадратурной обработкой. Для подавления коррелированных помех использованы адаптивные к частоте помехи режекторные фильтры первого и второго порядка, позволившие резко снизить ошибки измерения дальности.

При этом показано, что увеличение числа обрабатываемых участков дальности позволяет резко уменьшить флюктуационную ошибку измерения дальности как для режекторного фильтра первого порядка, так и для режекторного фильтра второго порядка.

Показано что, появление смещенной оценки частоты коррелированной помехи приводит к росту флюктуационной ошибки измерения дальности. Практическое применение - в адаптивных к помехам системах измерения параметров сигналов.

4 Разработан и внедрен в бортовой комплекс многоканальный измеритель средней частоты спектральной плотности сигнала, отраженного земной поверхностью.

5 Разработан и внедрен в наземный комплекс многоканальный измеритель скорости движения метеообразований.

1. Андриенко В.Б., Елисеев А.А., Зиатдииов С.И. Квазиоптимальный измеритель вектора скорости объекта // Изв. вузов. Приборостроение.-1996.- Т. 39, № 8-9.- С. 104-109.

2. Бакулев П.А. Радиолокация движущихся целей.- М.: Сов. радио, 1964.336 с.

3. Бакулев П.А., Стенин В.М. Методы и устройства селекции движущихся целей.- М.: Радио и связь, 1986.- 286 с.

4. Балашов Е.П., Пузанков Д.В. Проектирование информационно-управляющих систем.- М.: Радио и связь, 1987.- 256 с.

5. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы.- М.: Высш. шк., 2000.462 с.

6. Бесекерский В.А. Динамический синтез систем автоматического регулирования.- М.: Наука, 1970.- 576 с.

7. Бесекерский В.А. Цифровые автоматические системы.- М.: Наука, 1976.567 с.

8. Бесекерский В.А., Зиатдинов С.И. и др. Микропроцессорные системы автоматического управления.- Л.: Машиностроение, 1988.- 365 с.

9. Бесекерский В.А., Изранцев В.В. Системы автоматического управления с микроЭВМ.- М.: Наука, 1987.- 320 с.

10. Бесекерский В. А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования.- М.: Наука, 1975.- 768 с.

11. П.Быков В.В. Цифровое моделирование в статистической радиотехнике.-М.: Советское радио, 1971.- 328 с.

12. Быков В.В. Цифровое моделирование в статистической радиотехнике.-М.: Сов. радио, 1971.- 328 с.

13. Вайнштейн Л.А., Зубаков В.Д. Выделение сигналов на фоне случайных помех.- М.: Сов. радио, I960.- 384 с.

14. Вишин Г.М. Селекция движущихся целей,- М.: Воениздат, 1956.- 275 с.

15. Воронов А.А. и др. Основы теории автоматического регулирования и управления.- М.: Высшая школа, 1977.- 519 с.

16. Гаврилов Д.Н., Зиатдинов С.И. Взаимная корреляция сигналов на выходе цифровых фильтров // Изв. вузов. Приборостроение.- 1997.- Т. 40, № 1.-С. 13-16.

17. Гольденберг JI.M., Матюшкин Б.Д., Поляк М.Н. Радиотехнические цепи и сигналы.- М.: Высшая школа, 2000.- 462 с.

18. Цифровая обработка сигналов: Справочник / Гольденберг JI.M., Матюшкин Б.Д., Поляк М.Н.- М.: Радио и связь, 1985.- 312 с.

19. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы.- М.: Радио и связь, 1986.-512 с.

20. Градштейн И.С., Рыжик И.М. Таблицы интегралов, рядов и произведений.- М.: Изд-во физ-мат. литературы, 1962.- 1100 с.

21. Гусев А.И. Вероятностные модели сигналов в задачах радиооптической обработки информации // Пятая Санкт-Петербургская ассамблея молодых ученых и специалистов: Тезисы докладов,- СПб.: Изд-во СПбГТУ, 2000.-С. 34.

22. Гусев А.И. Моделирование контура автокомпенсатора скорости Летательного аппарата // Сборник докладов Шестой научной сессии аспирантов и соискателей ГУАП, посвященной Всемирному дню космонавтики.- СПб.: Изд-во СПГУАП, 2003.- С. 227-228.

23. Гусев А.И., Зиатдинов С.И., Осипов JI.A. Анализ влияния параметров автокомпенсатора скорости на статистические характеристики пассивных помех // Изв. вузов. Приборостроение.- 2004.- Т. 47, № 1.- С. 3-8.

24. Гусев А.И., Зиатдинов С.И., Осипов Л.А. Дисперсия оценки средней частоты спектральной плотности протяженного сигнал // Изв. вузов. Приборостроение.- 2003.- Т. 46, № 3,- С. 9-14.

25. Гусев А.И., Зиатдинов С.И., Осипов Л.А. Исследование полупроводниковых приборов / Методические указания к выполнению лабораторных работ № 1,2.- СПб.:Изд-во СПГУАП,2005.

26. Гусев А.И., Зиатдинов С.И., Осипов Л.А. Синтез оптимального измерителя средней частоты протяженного сигнала // Изв. вузов. Приборостроение.- 2003.- Т. 46, № 12.- С. 11-16.

27. Гусев А.И., Зиатдинов С.И., Осипов JT.A. Цифровая модель контура автокомпенсатора частоты Доплера помехового сигнала // Изв. вузов. Приборостроение.- 2005.- Т. 48, № 12.- С. 21-24.

28. Зиатдинов С.И., Гусев А.И., Елисеев А.А. Цифровой фильтр Баттерворта с малым динамическим диапазоном значений весовых коэффициентов // Изв. вузов. Приборостроение.- 2000.- Т. 43, № 9.- С. 26-33.

29. Зубкович С.Г. Статистические характеристики радиосигналов, отраженных от земной поверхности.- М.: Сов. радио, 1968.- 223 с.

30. Иванов Ю.В., Ильин А.Ю., Родионов Ю.В. Адаптивные устройства подавления пассивных помех в когерентно-импульсных PJIC УВД // Зарубежная радиоэлектроника.- 1980.- № 4.- С. 30-50.

31. Колчинский В.Е., Константиновский Л.И., Мандуровский И.А Доплеровские устройства и системы навигации,- М.: Сов. радио, 1975.430 с.

32. Корн Т., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров.- М.: Наука, 1984.- 832 с.

33. Кузьмин С.З. Основы проектирования систем цифровой обработки радиолокационной информаци.- М.: Радио и связь, 1986,- 352 с.

34. Кузьмин С.З. Основы теории цифровой обработки радиолокационной информации.- М.: Сов. радио, 1974.- 432 с.

35. Кузьмин С.З. Цифровая обработка радиолокационной информации.- М.: Сов. радио, 1967,- 400 с.

36. Куликов Е.И. Вопросы оценок параметров сигналов при наличии помех.-М.: Сов. радио, 1969.- 244 с.

37. Куликов Е.И., Трифонов А.П. Оценка параметров сигналов на фоне помех.- М.: Сов. радио, 1973.- 295 с.

38. Цифровая обработка сигналов: Справочник / JI.M. Гольденберг, Б.Д. Матюшкин, М.Н. Поляк,- М.: Радио и связь, 1985.- 312 с.

39. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. Т. 1.-М.: Сов. радио, 1971.- 450 с.

40. Лихарев B.A. Цифровые методы и устройства в радиолокации.- М.: Сов. радио, 1973.- 456 с.

41. Первачев С.В. Радиоавтоматика.- М.: Радио и связь, 1982.- 296 с.

42. Справочник по теории автоматического управления / Под. ред. А.А. Красовского.- М.: Наука, 1987.- 712 с.

43. Радиоавтоматика / Под. ред. А.В. Бесекерского.- М.: Высшая школа, 1985.- 271 с.

44. Теоретический основы радиолокации / Под. ред. В.Е. Дулевича.- М.: Сов. радио, 1978.- 607 с.

45. Вопросы статистической теории радиолокации / Под. ред. Г.П. Тартаковского.- М.: Сов. радио, 1964.- 1079 с.

46. Методы синтеза оптимальных систем автоматического управления / Под. ред. Н.Д. Егупова,- М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000.- 512 с.

47. Справочник по радиолокации / Под. ред. Скольника.- М.: Сов. радио, 1978.-374 с.

48. Современная радиолокация / Под. ред. Ю.Б. Кобзарева.- М.: Сов. радио, 1969.- 707 с.

49. Основные математические формулы: Справочник / Под. ред. Ю.С. Богданова.- М.: Высшая школа, 1988.- 269 с.

50. Теоретический основы радиолокации / Под. ред. Я.Д. Ширмана.- М.: Сов. радио, 1970.- 483 с.

51. Современная радиолокация / Под.ред. Ю.Б. Кобзарева.- М.: Сов. радио, 1969.- 707 с.

52. Попов Д.И. Характеристики обнаружения системы двукратной череспериодной компенсации // Изв. вузов СССР. Радиоэлектроника.-1972.- Т. XV, № 4.- С. 471-477.

53. Прудников А.П., Брников Ю.А., Маричев О.И. Интегралы и ряды. Элементарные функции.- М.: Наука, 1981.- 798 с.

54. Свистов В.М. Радиолокационные сигналы и их обработка.- М.: Сов. радио, 1977.-448 с.

55. Стратонович P.JI. Оптимальный прием узкополосного сигнала с неизвестной частой на фоне шумов // Радиотехника и электроника.-1961.- Т. VI, № 7.- С. 1063-1075.

56. Тихонов В.И. Оптимальный прием сигналов.- М.: Радио и связь, 1983.320 с.

57. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника.- М.: Радио и связь, 1982.624 с.

58. Тузов Г.И. Выделение и обработка информации в доплеровских системах.- М.: Сов. радио, 1967.- 256 с.

59. Уидроу В., Гловер У., Маккул У. и др. Адаптивные компенсаторы помех. Принципы построения и применения // ТИИЭР.- 1975.- Т. 63, № 12.- С. 69-97.

60. Фельдбаум А.А., Бутковский А.Г. Методы теории автоматического управления.- М.: Наука, 1971.- 744 с.

61. Фельдман Ю.И., Гидаспов Ю.Б., Гомзин В.Н. Сопровождение движущихся целей.- М.: Сов. радио, 1978,- 287 с.

62. Фельдман Ю.И., Мандуровский И.А. Теория флуктуаций локационных сигналов, отраженных распределенными целями.- М.: Радио и связь, 1988.-271 с.

63. Чук Ч., Бернфельд М. Радиолокационные сигналы.- М.: Сов. радио, 1971.568 с.

64. В. Widrow, Р.Е. Mantey, L.J. Griffiths, В.В. Goode // ТИИЭР.- 1967.- Т. 55, № 12,- С. 78-84.

65. Fidding J.G., Branwood D.H., Paymond G. Adaptive interference cancellation in radar systems // Radar-77. Int. Conf.- 1977.- London.- C. 212-217.

66. Haykin S.S. Adaptive digital filtering for coherent MTI radar // Information sciences.- 1976.- № 11,- C. 335-359.

67. Widrow В., Glover J. Adaptivs Cancelling // Principles and Applications.-1975.- T. 63, № 12.- C. 274-278.