автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Принципы построения и методы оценки эффективности и погрешностей измерений характеристик нелинейных информационно-измерительных радиосистем ближнего действия

На правах рукописи

ПАНЫЧЕВ Сергей Николаевич

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ И ПОГРЕШНОСТЕЙ ИЗМЕРЕНИЙ ХАРАКТЕРИСТИК НЕЛИНЕЙНЫХ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ РАДИОСИСТЕМ БЛИЖНЕГО ДЕЙСТВИЯ

Специальность: 05.12.04 - Радиотехника, в том числе

системы и устройства телевидения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

□□3462905

Воронеж-2009

003462905

Работа выполнена в Воронежском военно-техническом училище Федеральной службы охраны Российской Федерации

Научный консультант

доктор технических наук, профессор Авдеев Владимир Борисович

Официальные оппоненты; доктор технических наук, профессор

Куприянов Александр Ильич;

доктор технических наук, профессор Лихачев Владимир Павлович;

Заслуженный деятель науки и техники РФ, лауреат премий Правительства и Ленинского комсомола доктор технических наук, профессор Ярыгин Анатолий Петрович

Ведущая организация

ФГУП "Курский научно-исследовательский институт" Министерства обороны РФ

Защита состоится « 9 » апреля 2009 г. в 1400 часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 212.037.10 ГОУВПО "Воронежский государственный технический университет" по адресу: 394026, г. Воронеж, Московский просп., 14.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУВПО "Воронежский государственный технический университет"

Автореферат разослан » марта 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Макаров О.Ю.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Вопросы теории и практики радиосистем ближнего действия (РБД) в настоящее время выделились в самостоятельное направление. Под РБД понимают системы, действующие на малых расстояниях, как правило, от долей метров до нескольких сотен метров, но в отдельных случаях и до нескольких километров (в зависимости от решаемых задач, а также от размеров антенн). К ним относятся системы извлечения информации (радиолокации, в том числе нелинейной, радионавигации), радиоуправления, передачи информации, разведки, технической защиты информации, радиоэлектронной борьбы и другие.

Усложнение перспективных РБД, обусловленное расширением круга решаемых задач, повышением требований к их надежности и точности функционирования, вызывает заметное увеличение объема измерений и измерительного контроля их параметров и характеристик в процессе разработки, испытаний и эксплуатации. В настоящее время на этапах производства и эксплуатации РБД на измерение и контроль их параметров приходится до 70% трудозатрат, отводимых на разработку, техническое обслуживание и ремонт. В ряде случаев, например, при испытаниях РБД на эффективность и электромагнитную совместимость (ЭМС) этот показатель еще выше. Кроме того, значительная часть номенклатуры РБД является информационно-измерительными устройствами и системами и поэтому требует соответствующего метрологического обеспечения, причем, разумеется, с учетом условий испытаний РБД и их эксплуатации в ближней зоне излучения или приема.

В сложных РБД число измеряемых и контролируемых параметров может достигать нескольких тысяч, а номенклатура используемых при этом приборов и методик измерений - десятков и сотен.

Очень большой объем измерительных процедур в РБД может приводить к снижению эффективности их функционирования; поэтому при выборе измеряемых параметров, назначении норм точности их измерений, определении состава и характеристик средств измерений, методик контроля и испытаний необходимо оценивать конечный результат метрологического обеспечения - увеличение (уменьшение) эффективности применения РБД.

Следствием существующего состояния метрологического обеспечения РБД является неэффективное расходование сил и средств, отведенных на измерения, чрезмерное увеличение числа измеряемых и контролируемых параметров, неоправданное занижение (или завышение) точности измерений в процессе метрологической экспертизы РБД.

0тсу1ствие методов объединения частных решений в единое оптимальное сводит на нет усилия, направленные на разработку комплекса мероприятий по метрологическому обеспечению РБД. Сам факт проведе-

ния метрологической экспертизы РБД свидетельствует об отсутствии системных методов анализа и синтеза метрологического обеспечения, методик оценки эффективности технических решений при выборе измеряемых параметров, установлении норм точности, определении состава и характеристик средств и методов измерений.

К настоящему времени теория и техника РБД развивается более 40 лет и можно говорить о том, что сложились ее научные основы. В России в данном направлении работали группы исследователей под руководством О.И. Шелухина, В.Б. Штейншлейгера, Н.С. Вернигорова, A.A. Горбачева, Л.Д. Бахраха, А.П. Курочкина, Г.Н. Щербакова, Д.В. Семенихиной, C.B. Ларцова, Б.М. Петрова, A.A. Потапова, Е.П. Чигина, Г.Д. Михайлова.

В последнее время состав РБД значительно пополнился средствами нелинейной радиолокации, связи, навигации, радиоразведки и противодействия. Однако до настоящего времени нет единой теории, объединяющей основы принципов построения, алгоритмы функционирования и методы оценки эффективности этих радиотехнических средств и систем, которые с точки зрения классификации являются специфическим классом нелинейных информационно-измерительных радиосистем (НИИРС) ближнего действия.

Для них, как и для обычных НИИРС, актуальной является «вечная» проблема повышения эффективности функционирования: во-первых, увеличение дальности действия, а во-вторых, улучшение информативности и точности получаемой с помощью них информации.

Анализ показывает, что искомый радикальный подход, позволяющий выявить и обосновать принимаемые решения, а затем оценить их последствия, должен быть основан на целенаправленном развитии общей теории НИИРС. Она обеспечивает поиск путей совершенствования принципов построения НИИРС, способов повышения эффективности их функционирования, а также поддержания качества метрологического обеспечения, понимаемого в широком смысле (как совокупность методов и аппаратуры измерений характеристик, а также методов оценки погрешностей измерений этих характеристик).

Одной из наиболее сложных задач исследований в указанном направлении является повышение информативности и достоверности измерительного контроля и испытаний НИИРС на эффективность и электромагнитную совместимость (ЭМС), что обусловлено влиянием возникающих различных нелинейных эффектов, в частности, воздействие непреднамеренных радиопомех мультипликативного характера, нелинейное и параметрическое преобразование сигналов и помех и т.д.

Очевидно, что системный комплексный подход к анализу метрологического обеспечения должен включать анализ целей, задач и содержа-

ния метрологического обеспечения НИИРС, необходимый для выбора и обоснования критерия эффективности или в более широком смысле - качества метрологического обеспечения.

Практика испытаний НИИРС на эффективность и ЭМС свидетельствует не только о многообразии нелинейных эффектов при генерировании, усилении, приеме, преобразовании, модуляции, детектировании сигналов и помех, но и о существенном влиянии этих эффектов на точность измерения характеристик НИИРС. Это обстоятельство стимулирует поиск методов определения точности измерения характеристик излучения и приема НИИРС в условиях влияния нелинейных эффектов. Наиболее актуальна эта проблема в нелинейной радиолокации и в практике измерений параметров ЭМС НИИРС.

Однако метрологическое обеспечение нелинейных радиолокационных измерений находится пока только в стадии становления. Кроме того, хотя в теории и практике измерений параметров ЭМС радиосредств и накоплен определенный опыт анализа нелинейных эффектов в передатчиках и приемниках РЭС, но вопросам учета их влияния на точность и другие характеристики качеств применительно к НИИРС уделено явно недостаточное для потребностей практики внимание.

В последнее время в парке техники НИИРС, кроме нелинейных локаторов, появляются также и новые нелинейные радио- и радиотехнические средства - средства радиосвязи, радионавигации, радиоэлектронного подавления и др. Характерной особенностью этой техники является полезное применение ранее считавшихся вредными нелинейных эффектов, возникающих при излучении, приеме и рассеянии радиоволн в процессе передачи информации, пеленгации объектов или постановки радиопомех.

В настоящее время имеется ряд аналитических методов оценки эффективности метрологического обеспечения сложных технических систем, устанавливающих зависимости потенциальной эффективности аппаратуры от точности измерения ее параметров и основанные на математическом аппарате моделирования измерительных процессов марковскими и полумарковскими процессами. Однако математическое моделирование связанных с множеством нелинейных явлений физических процессов измерений параметров НИИРС сопряжено со значительными сложностями, и поэтому необходимо их сочетание с экспериментальными и расчетно-экспериментальными методами оценки эффективности метрологического обеспечения НИИРС. В частности, необходимо развитие методов статистических измерений радиотехнических величин на основе определения законов распределения вероятностей значений определяемых параметров НИИРС.

Как отмечалось, характерной особенностью НИИРС является их

функционирование в условиях ближней зоны, которое неизменно связано не только с нелинейными явлениями, но и со снижением точности измерений характеристик излучений и приема НИИРС. Недостаточная проработка соответствующих теоретических вопросов привела к тому, что в настоящее время в большинстве случаев отсутствуют рекомендации по проведению измерений параметров НИИРС в широкой полосе частот в условиях ограничений ближней зоны, обеспечивающие требуемую достоверность результатов испытаний.

Существующие методы испытаний НИИРС в ближней зоне во многих случаях не удовлетворяют потребностям практики, в первую очередь, из-за невысокой точности получаемых результатов и высокой стоимости испытаний. В связи с этим требуется совершенствовать средства и методы испытаний НИИРС в условиях территориальных ограничений.

Кроме того, возможности методического аппарата для оценки эффективности НИИРС имеют существенные ограничения, обусловленные, главным образом, отсутствием системного подхода к анализу метрологического обеспечения НИИРС, недостаточным учетом нелинейных влияний на качество их функционирования, сложностью математического моделирования функционирования НИИРС методами марковских и полумарковских процессов, недостаточной проработкой вопросов, связанных с оценкой точности измерений в условиях ограничений ближней зоны.

Как показал анализ, практически вся существующая техника

НИИРС не удовлетворяет современным требованиям по эффективности, причем, в первую очередь, по дальности действия и по точности измеряемых параметров. Эта специфика проблемы обусловлена физическими особенностями нелинейных эффектов, возникающих при излучении, нелинейном рассеянии и приеме электромагнитных волн. Так, увеличение мощностей зондирующих сигналов не приводит к существенному увеличению зоны действия НИИРС, при этом значительно усугубляется проблема повышения эффективности НИИРС из-за отрицательных последствий влияния нелинейных эффектов, в частности, из-за создания непреднамеренных электромагнитных помех окружающим радиосредствам.

Таким образом, между практическими потребностями в расширении области применения НИИРС и во всесторонней оценке их качества, с одной стороны, и существующими техническими возможностями НИИРС и ограниченной теорией оценки характеристик их эффективности, с другой, существует глубокое противоречие. Устранение данного противоречия обусловливает актуальность выбранной темы данной диссертационной работы. Решение этой проблемы позволит, на наш взгляд, обеспечить прорыв в дальнейшем развитии НИИРС и их использовании в различных технических приложениях.

Диссертационная работа выполнена по плану научной работы ВВТУ ФСО РФ в рамках НИР "Концепция - В".

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является развитие основ теории НИИРС ближнего действия в интересах разработки и обоснования одного из новых перспективных направлений создания радиотехнических систем и средств на новых физических принципах.

Достижение поставленной цели вызывает необходимость решения следующей научной проблемы - изыскание и обоснование принципов построения НИИРС ближнего действия и совершенствование методического аппарата оценки их эффективности и погрешностей измерений их характеристик на основе выявления и изучения специфических особенностей взаимодействия электромагнитных волн с объектами с нелинейными электрическими свойствами в интересах модернизации существующих и создания новых радиотехнических систем и средств различного назначения.

Фундаментальная часть проблемы заключается в развитии научно-методических основ теории НИИРС в части совершенствования и комплексного теоретического и экспериментального обоснования принципов построения и алгоритмов функционирования одного из типов НИИРС -НИИРС ближнего действия, а также в части количественного учета влияния качества привлекаемого метрологического обеспечения нелинейных радиоизмерений, проводимых на этапе испытаний этих НИИРС, на достигаемый показатель их эффективности.

Прикладная часть проблемы заключается в обосновании технического облика и потенциальных возможностей перспективных радиотехнических систем и устройств широкого класса - нелинейной радиолокации, радиосвязи, радионавигации, радиопеленгации, радиоэлектронного подавления, технической защиты информации, радиолокационных и антенных измерительно-испытательных комплексов ближнего действия, а также комплексов измерения параметров ЭМС и радиоэлектронной защиты РЭС.

Как показал анализ, решение указанной проблемы структурно состоит из решения следующих шести основных задач:

1. Поиск и теоретическое и экспериментальное обоснование принципов построения перспективных (с улучшенными характеристиками) НИИРС ближнего действия.

2. Разработка методического аппарата синтеза оптимальных структур и алгоритмов обнаружения, распознавания и измерения характеристик объектов с нелинейными электрическими свойствами в НИИРС ближнего действия.

3. Развитие основ информационно-энтропийной теории оптимального приема и обработки сигналов в НИИРС ближнего действия.

4. Разработка модели метрологического обеспечения НИИРС с использованием информационно-энтропийного метода оценки эффективности НИИРС.

5. Совершенствование (в направлении унификации) методического аппарата оценки погрешностей нелинейных радиоизмерений в НИИРС.

6. Апробация принципов построения и методов оценки эффективности НИИРС в практике разработки и испытаний средств нелинейной радиолокации, радионавигации, радиосвязи, радиоэлектронного подавления и технической защиты информации.

Методы исследования. Выполненные исследования базируются на использовании методов статистической и информационной теорий измерений, булевой алгебры, теории интервального анализа, теории систем со случайно изменяющейся структурой, а также на моделировании и экспериментальных методах оценки эффективности устройств и систем. Общей методологической основой является системный подход к анализу и синтезу сложных динамических систем.

Объектами теоретических и экспериментальных исследований при применении указанных методов являлись НИИРС ближнего действия, включающие следующие образцы техники:

- нелинейные радиолокаторы и обнаружители;

- антенные измерительные комплексы;

- комплексы для измерения параметров ЭМС РЭС;

- радиолокационные измерительные комплексы (РИК);

- технические средства защиты информации и др.

Научная новизна исследования в целом заключается в разработке научных основ единой теории НИИРС ближнего действия, которые хотя и отличаются назначением, но все либо основаны на использовании нелинейных эффектов, возникающих при излучении, приеме и рассеянии электромагнитных волн, либо подвержены влиянию этих эффектов.

Научная новизна частных результатов заключается:

в развитии принципов построения техники нелинейной радиолокации, радионавигации, радиосвязи, радиоподавления и защиты информации с улучшенными техническими характеристиками;

в разработке основ информационно-энтропийной теории приема и обработки радиосигналов в НИИРС, которая основана на применении новых критериев качества приема и алгоритмов обработки сигналов, позволяющих существенно повысить эффективность НИИРС, особенно при использовании широкополосных сигналов;

в обосновании, аналитическом описании и применении универсального показателя эффективности функционирования НИИРС, отличающегося учетом влияния точности нелинейных радиоизмерений;

в расширении перечня частных показателей качества метрологического обеспечения НИИРС, что позволяет более полно и обоснованно оценивать их эффективность;

в разработке структурных схем информационно-измерительных РБД, отличающихся большей дальностью действия и достоверностью получаемой в них информации;

в развитии теории информационно-измерительных систем в направлении синтеза методов оптимальных по критерию точности информационно-измерительных РБД в областях нелинейной радиолокации, антенных измерений, измерений характеристик рассеяния радиолокационных целей, нелинейной радионавигации, технической защиты информации;

в развитии методического аппарата комплексной оценки систематических и случайных погрешностей измерений характеристик излучений, приема и рассеяния электромагнитных волн, отличающегося учетом нелинейных эффектов и специфики условий ближней зоны;

в разработке новых методик измерений характеристик излучений и приема НИИРС, основанных на использовании эффектов нелинейного взаимодействия электромагнитных волн с объектами с нелинейными электрическими свойствами.

Совокупность новых научных результатов, выносимых на защиту:

1. Принципы построения НИИРС ближнего действия, основанные на использовании эффектов нелинейного параметрического резонанса, интермодуляции и перекрестных искажений в передатчиках РЭС и блокирования в приемниках РЭС, обеспечивающие увеличение зоны действия, повышение точности и возможность распознавания нелинейных объектов, реализованные в нелинейных фазовых, частотных и импульсных обнаружителях, радиодальномерах, радиопеленгаторах, средствах радиоподавления и технической защиты информации.

2. Способы и устройства измерения характеристик излучений и приема НИИРС, реализованные в антенных и радиолокационных измерительных комплексах, комплексах для измерения параметров ЭМС РЭС, обеспечивающие повышенную точность измерения параметров электромагнитных волн в условиях ближней зоны.

3. Методический аппарат оценки эффективности НИИРС с использованием критерия качества приема, структурных схем и алгоритмов оптимальной обработки широкополосных сигналов в НИИРС в условиях воздействия шумовых (аддитивных) и нелинейных (мультипликативных) помех, базирующийся на информационно-энтропийной теории приема и обработки сигналов в НИИРС.

4. Математическая модель метрологического обеспечения НИИРС, разработанная на основе информационно-статистической теории измере-

ний и обеспечивающая количественную оценку связи показателей точности измерений в НИИРС и показателей качества НИИРС.

Достоверность полученных результатов обеспечивается для теоретических выводов и обобщений проверкой экспериментом и моделированием, а для экспериментальных результатов - их повторяемостью и совпадением частных полученных результатов с известными, а также корректным применением современного математического аппарата.

Практическая значимость исследования, результаты реализации и внедрение результатов работы. Практическая значимость работы состоит в создании комплекса инструментальных средств в виде моделей, методов и методик, предназначенных для разработки широкого класса информационно-измерительных систем, а также для метрологического обеспечения испытаний НИИРС на эффективность и ЭМС. Кроме того, предложены и защищены патентами и авторскими свидетельствами на изобретения технические решения, повышающие эффективность, информативность и точность оценки характеристик излучений и приема с помощью НИИРС.

Основные теоретические и практические результаты диссертационной работы реализованы и внедрены в виде аппаратуры и методик измерений характеристик ЭМС РЭС с помощью выпускаемого промышленностью опытными партиями подвижного экранированного комплекса ПЭК-3. Результаты диссертационной работы реализованы также в учебном процессе Академии гражданской авиации PK (г. Алма-Ата), Военного авиационного инженерного университета (г. Воронеж), Воронежского военно-технического училища ФСО России и ГОУВПО "Воронежский государственный технический университет" в виде справочника по средствам измерения электромагнитных полей, учебных пособий, лекционных материалов, лабораторного оборудования. Основные результаты работы внедрены также в НИР, выполненных в ГНИИИ ПТЗИ ФСТЭК России.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на Международных, Всероссийских, межотраслевых и отраслевых научно-технических конференциях: Wroclaw EMC Symposium, Poland, 1996; Международном симпозиуме по электромагнитной совместимости (Санкт-Петербург, 1993); Всесоюзных конференциях «Метрологическое обеспечение антенных измерений» (Ереван, 1987 и 1990); III Республиканской НТК «Методы и средства измерений в области ЭМС» (Винница, 1991); XXVII НТК «Теория и техника антенн» (Москва, 1994); Республиканской конференции «Современные научно-технические проблемы в авиации» (Алма-Ата, 1998); II Международной НТК «Физика и технические приложения волновых процессов» (Самара, 2003; Волгоград, 2004); XIII Международной НТК "Радиолокация, навигация, связь"

(1Ш\1С - 2007, Воронеж, 2007), Межвузовской НТК "Военная электроника: опыт использования и проблемы подготовки специалистов" (Воронеж, 2004), V Межведомственной НТК «Проблемные вопросы сбора, обработки и передачи информации в сложных радиотехнических системах» (Воронеж 2003); а также на конференциях и семинарах в Таганрогском РТИ, Московском энергетическом университете, Военном институте радиоэлектроники, Военном авиационном техническом университете, Воронежском государственном техническом университете, Федеральном государственном научно-исследовательском испытательном центре радиоэлектронной борьбы и оценки эффективности снижения заметности Министерства обороны РФ.

Публикации. По результатам проведенных исследований и практических разработок опубликовано 56 научных работ, в том числе 36 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, а также 3 монографии, 10 изобретений.

В работах, выполненных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, личный научный вклад состоит в следующем: [15 - 18, 22 - 24, 30, 38, 39, 40 - 45] автором предложены новые структурные схемы НИИРС и алгоритмы их функционирования; [12, 26, 27, 29, 33, 36, 37, 47 - 49] обоснованы принципы построения НИИРС, основанные на полезном применении нелинейных эффектов в РЭС; [1, 4, 5, 7, 9, 20, 25, 31, 52] дана оценка точности измерения дальности и других характеристик эффективности НИИРС; [2, 10, 21, 35] предложены новые информационно-вероятностные критерии для оценки качества приема сигналов в НИИРС; [8, 11, 13, 14, 28, 32, 50, 53, 56] получены аналитические соотношения для оценки эффективности НИИРС и предложена новая математическая модель для аппроксимации проходных характеристик нелинейных антенн; [12, 26, 29] дан анализ тенденций развития методов и техники НИИРС.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, двух частей, каждая из которых включает четыре главы, заключения, списка литературы из 247 наименований. Основная часть работы изложена на 372 страницах, содержит 3 таблицы и 57 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Работа состоит из двух частей, в первой излагаются принципы построения НИИРС, а во второй - методы оценки их эффективности.

Во введении обоснована научная актуальность темы, сформулирована цель работы, определены задачи исследований, научная новизна и значимость полученных теоретических результатов. Указаны выносимые на защиту научные положения и результаты, дана краткая аннотация.

В первой главе работы проведен анализ существующего состояния теории и техники НИИРС, определены рамки и состояние проблемы метрологического обеспечения НИИРС на всех этапах их функционирования.

На примерах из анализа публикаций показано, что все существующие показатели эффективности метрологического обеспечения систем делятся на два класса: коэффициент эффективности и «достоверность-стоимость». Первый из них является типичным показателем сравнительной оценки с использованием весовых коэффициентов и по существу объединяет ряд частных показателей , I = 1, п, в общий показатель эффективности \У .

Очевидными недостатками показателей эффективности указанного вида для оценки качества метрологического обеспечения являются их многообразие, сложность количественной оценки, трудности обоснования весовых коэффициентов и способов комплексирования частных показателей, особенно при корреляции частных показателей.

В значительно меньшей мере проявляются перечисленные выше недостатки в широко применяемых в метрологической практике критериях эффективности вида "эффективность - стоимость".

Предложенный Ю.В.Шабалиным критерий «достоверность-стоимость» имеет вид

где С; - затраты на измерение ¡-го параметра; РВ31 - вероятность верного заключения о нахождении измеряемого параметра в поле допуска или вне его; п - число измеряемых параметров. Данный критерий является условным, поскольку предполагается, что при оценке эффективности метрологического обеспечения НИИРС должны выполняться следующие неравенства:

где 8и1,8итр; - фактическое и требуемое значения допусков на 1-й измеряемый параметр; 2И ^Идоп - фактическое и допустимое значения вероятности ложного отказа по ьму параметру; gгi,g2щ0П - фактическое и допустимое значения вероятности необнаруженного отказа системы по

(1)

8* <§и1р; (или§ц! >5итр;);

ёи <ёЦдоп (ИЛИ ёИ >ёНдоп); ёи <ё21доп (ИЛИ g2¡ >Ь'21доп); ац <аудоп (ИЛИ а у > аудогг )■

УДОП

i-му параметру; ау, aiiJ0n — фактическое и допустимое значения i-ro дополнительного показателя качества измерений i-ro параметра. Этому показателю также свойственны все известные недостатки предоставления комплексных показателей в виде отношения величин, имеющих разные размерности. Решения, принимаемые с помощью такого критерия, во многих практических задачах приводят к крайностям. Кроме того, его трудно согласовать с показателями эффективности НИИРС и, следовательно, по его значению нельзя судить о степени влияния метрологического обеспечения на качество функционирования НИИРС. Последнего недостатка лишен предложенный И.В. Кузьминым и A.C. Касаткиным интегральный показатель эффективности НИИРС, основанный на сопоставлении эффективности реальной и некоторой идеальной системы контроля

3(t,x) = K1(t,T)/KIo(t,T), (2)

где K[(t,T)= I p(t, t)/Cp (t,x) - обобщенная статистическая характеристика реального процесса контроля; Ip(t,x) - количество информации,

получаемое реальным НИИРС при контроле параметров на промежутке времени (t, t + т); Cp(t,t) - математическое ожидание стоимости реального процесса контроля; К, (t,t) - обобщенная статистическая характеристика идеального процесса контроля. Использование такого информационного критерия для оценки эффективности метрологического обеспечения позволяет охватить практически все существующие характеристики НИИРС. Однако этот критерий не удовлетворяет принципу соответствия, т.е. не позволяет установить связь между количеством получаемой информации и эффективностью НИИРС. Анализ комплексных показателей показывает, что ни один из них не может быть непосредственно использован в задачах оценки эффективности метрологического обеспечения НИИРС.

В нашей работе показано, что необходимы выбор и обоснование показателя, удовлетворяющего изложенным выше требованиям. Определены методические подходы к обоснованию универсального показателя качества метрологического обеспечения НИИРС, связанного с эффективностью его функционирования.

За основу для разработки универсального показателя качества метрологического обеспечения и эффективности НИИРС принят показатель (2), усовершенствованный в направлении обеспечения возможности количественной оценки вклада получаемой в процессе измерений, испытаний и контроля информации в значение показателя эффективности НИИРС.

Кроме того, показано, что метрологическое обеспечение комплексов нелинейной радиолокации, радионавигации и других НИИРС находится в стадии становления и определены основные направления его разработки.

Во второй главе приведены результаты синтеза оптимальных структур и алгоритмов обнаружения, распознавания и измерения характеристик объектов с нелинейными электрическими свойствами. В ней обоснованы структурные схемы и разработаны алгоритмы оптимальной обработки нелинейной радиолокационной информации применительно к задачам обнаружения и распознавания радиолокационных целей (РЛЦ). Показано, что слабый уровень нелинейных откликов от объекта с нелинейными свойствами на частотах гармоник или комбинационных составляющих зондирующих сигналов и наличие специфических, характерных для нелинейной локации, радиопомех диктуют необходимость оптимизации структур НИИРС.

Математически алгоритм работы оптимального нелинейного фильтра описывается следующим образом.

Корреляционный интеграл на выходе первого интегратора двухка-нального приемного устройства содержит три составляющих:

^ (О = 7 n^ (t) X(t,f0) cit + 7^(t,f(W)x(t,f0)dt + A? x(t,fKHcr )x(t,fQ) dt. (3)

В модели (3) принимаемое колебание представляет собой аддитивную смесь собственных шумов приемника nCJ1(t), характерных для нелинейного обнаружения помех регулярного характера n per (t) и полного принимаемого сигнала отклика x(t, f ). Параметр А принимает значения 1 (цель есть) и 0 (цели нет).

В правой части уравнения (3) первый сомножитель во втором интеграле X(t, f„ ) соответствует регулярной помеховой составляющей

nper(0' а второй сомножитель X(t,f0)- опорному зондирующему колебанию.

Корреляционный интеграл второго (основного) интегратора оптимального фильтра имеет вид

ос со 00

Z2(0= |псл(t)x(t,fK)dt + A Jx(t,fK)dt + Jx(t,f0)x(t, fK )dt. (4)

—OO —CO —CO

Результирующий корреляционный интеграл Zp =Z2(t)-Z,(t) на выходе вычитающего устройства не содержит взаимно исключающих

друг друга составляющих | Х^, )х((, ('0 )<и и |х((:, )х(1Д0)ск : гр(0 = А|х2(1,Гк)с11+ |псл(1)х(ик>11- |псл(1)х(1,Г0^1- |х2(а<> (5)

Сигнальная составляющая А ^Х2^,^^ корреляционного интеграла 2.?(1) определяется энергией принимаемого в аддитивной смеси полезного сигнала отклика от нелинейного элемента на частоте fк . Чем больше значение Zp(t)) тем выше вероятность правильного обнаружения цели Рпопри фиксированном значении вероятности ложной тревоги Рдт •

Предложенный в работе оптимальный фильтр для обнаружения объектов с нелинейными свойствами отличается от известных схем радиолокационных обнаружительных приемников наличием специального канала для вычисления корреляционного интеграла, соответствующего количественному вкладу в смесь шум + помеха регулярной помеховой составляющей п^^). Вычитание этой составляющей в блоке вычнтання

приводит к увеличению энергетического отношения сигнал/(шум + помеха) на входе оптимального фильтра за счет исключения регулярной шумовой или помеховой компоненты смеси сигнал + шум + помеха.

Таким образом, соотношения (3) - (5) являются соответственно оптимальным фильтром и алгоритмом обнаружения объекта с электрически нелинейными свойствами.

Практическая реализация оптимальных структур нелинейного радиолокационного обнаружения и распознавания повышает эффективность радиолокационных нелинейных комплексов. Поиск путей совершенствования нелинейных РБД привел к обоснованию алгоритмов и структур оптимального обнаружения нелинейных РЛЦ.

На основе анализа адекватных рассматриваемым процессам обнаружения и измерения параметров РЛЦ моделей описания законов распределения сигналов и помех синтез1грованы оптимальные устройства обработки радиолокационной информации в НИИРС. При этом показано, что в ситуациях малых уровней отношения сигнал/(шум + фон + помеха) эффективным методом улучшения качества обработки сигналов является использование информации о различии законов распределения сигналов и

помех (шумов, организованных, непреднамеренных, фоновых и др.) и о зависимости формы соответствующих плотностей распределения вероятностей (ПРВ) их амплитуд от характера нелинейных свойств цели. В частности, предложено использовать различие статистических характеристик нелинейной эффективной поверхности рассеяния (НЭПР) в качестве информационного признака для повышения эффективности обнаружения, распознавания и измерения параметров РЛЦ с нелинейными электрическими свойствами.

Полученные результаты позволяют сформулировать вывод о том, что увеличение относительного различия энтропий случайных процессов откликов от цели и фона (что имеет место при прохождении сигналов и помех через звенья с нелинейными электрическими свойствами) приводит к увеличению вероятностей правильного обнаружения и распознавания флуктуирующей цели по статистическим энтропийным признакам. При этом использование информации об отличии энтропий ПРВ фона и смеси сигнал + фон эквивалентно увеличению энергетического отношения сигнал/шум в процессе энергетической обработки радиолокационной информации.

В нелинейной радиолокации известно, что отношение сигнал/шум при приеме на гармониках, как правило, весьма мало. В работе обоснована структурная схема оптимального нелинейного обнаружителя, существенными отличиями которого от известных является применение в качестве зондирующего шумоподобного сигнала, и наличие устройства вычисления, и различения ПРВ зондирующего сигнала и принятого сигнала отклика. В основу принципов построения обнаружителя положено свойство изменения формы закона распределения зондирующего шумоподобного сигнала при прохождении через нелинейный элемент.

Разработанные алгоритмы обнаружения, распознавания и измерения параметров цели относятся к иформационно-статистическому классу и основаны на энтропийном пороговом различении законов распределения амплитуд зондирующего сигнала и принимаемой от цели смеси «шумопо-добный сигнал + помеха».

Реализация приема не на гармониках, а на основной частоте (как в линейной локации) позволяет значительно упростить процедуру оптимальной обработки сигнала в приемной части обнаружителя, увеличить отношение сигнал/шум, повысить точность измерения параметров и вероятность распознавания цели. Кроме того, обоснована структурная схема фильтрового квазиоптимального приемника нелинейного радиолокатора, отличаюшаяся от известных возможностью совмещения по частоте наиболее чувствительных каналов (основного и побочных) приема супергете-

родинного приемника с наиболее значительными по уровню частотными составляющими отклика нелинейной цели на двухчастотный сигнал.

Таким образом, разработанные структуры и алгоритмы оптимального приема и обработки нелинейной радиолокационной информации являются теоретической основой для совершенствования средств и способов повышения качества метрологического обеспечения НИИРС.

В третьей главе излагаются основы информационно-энтропийной теории оптимального приема и обработки сигналов в НИИРС ближнего действия. В ней показано, что информационная трактовка процессов оптимального обнаружения радиосигнала и оценивания его параметров по сравнению с традиционными статистическими подходами имеет преимущества, которые заключаются в следующем:

- информационный показатель качества приема имеет простой физический смысл и возможность количественной оценки путем измерения вероятностных характеристик сигналов;

- энтропийно-информационные показатели качества обнаружения и оценивания сигналов инвариантны к изменению законов распределений оцениваемого параметра, поскольку позволяют учитывать влияние формы закона распределения на качество оценивания;

- информационный подход к оптимизации качества приема обеспечивает извлечение дополнительной полезной информации, содержащейся в параметрах закона распределения оцениваемого параметра, что ведет к повышению точности оценок.

Качество обработки сигналов в НИИРС оценивается по критерию, основанному на определении отношения измеренных энтропии плотностей распределения вероятностей (ПРВ) существующей в канале помехи Нп (х) и смеси сигнал + помеха Нсп (х).

Структурная схема оптимального информационно-энтропийного фильтра приведена на рис. 1.

В данной главе показано, что прямое измерение ПРВ и их энтропий позволяет извлекать дополнительную полезную информацию, которая содержится в изменении параметров формы закона распределения передаваемого сообщения. Существенным отличием такого фильтра от традиционного корреляционного является возможность обнаружения шумоподоб-ных сигналов на фоне шумовых помех. Указанная возможность обеспечивается с помощью двухканального измерителя ПРВ и энтропии ПРВ. Возможность различения сигналов и помех обеспечивается с помощью простого цифрового устройства сравнения энтропий ПРВ принимаемой смеси сигнал + помеха и специально формируемой помехи.

Измеритель{ ПРВ

РспОО

Измеритель энтропии

Нсп(х)

JS

Генератор шумов (помех)

'паятакт

Блок вычисления отношения

Решающее пороговое устройство

Измеритель

прв рп(х)

Измеритель энтропии

Нп(х)

Порог

Рис.1. Структурная схема фильтра Это преимущество фильтра реализовано в новом способе радиосвязи, основанном на нелинейной оптимальной обработке сигналов. Сущность способа заключается в передаче информации шумоподобным сигналом путем нелинейной модуляции закона распределения определенного параметра передаваемого сигнала. Данный способ позволяет осуществить некриптографический метод защиты информации в каналах передачи.

Четвертая глава посвящена разработке принципов построения перспективных НИИРС, работающих в ближней зоне.

К числу основных результатов, полученных при исследовании этой задачи, относится разработка метода нелинейной радиодальнометрии, сущность которого заключается в следующем. В радиосистемах ближнего действия целесообразно использовать информацию о степени кривизны фазового фронта электромагнитной волны для определения дальности до цели. Анализ проблемы применительно к нелинейному радиодальномеру (НРД) приводит к простой модели оценки дальности

где а

^ _ 2ла п

- линейный размер раскрыва апертуры антенны НРД;

(6)

/Цс - длина волны зондирующего сигнала НРД; п - номер гармоники, на которой производится прием сигнала;

Дф - разность фаз на краях антенны.

Структурная схема НРД приведена на рис. 2. Дальномер реализует двухканальный прием сигналов на второй и третьей гармониках отклика от цели. Выходы обоих каналов после усиления подключаются к фазовому детектору, напряжение на выходе которого пропорционально дальности.

Ант

Ант

Пер

2£

Мод.

V

См.

Ус.

ж

Ус.

ФД Инд.

У

Рис. 2. Структурная схема нелинейного фазового дальномера Исследовано влияние различия размеров антенны НРД и цели на точность отсчета дальности фазометрическим методом. Для случая апер-турной антенны и точечной цели коэффициент ближней зоны

с(и)-1$(и) с(у)-15(у)

4=1-

, где

и «л

С(ос)= |со5^12сК; Б(а)=

У:

■; У =

ЬЕ,ЬИ - максимальные размеры апертуры антенны НРД в плоскостях Е и Н, соответственно. С учетом различия линейных размеров антенны НРД и цели ДЬ = ЬА -Ьц и аппроксимирующих выражений окончательная формула для оценки погрешности отчета дальности имеет вид

5К = \ 1-0,099

1и

>•100%.

(7)

Разработаны принципы построения нелинейных РЛС, основанные на перспективном параметрическом методе локации. В работе предложен метод локации способом создания в нелинейных и параметрических элементах цели режима параметрического усиления зондирующего сигнала.

Двухчастотный зондирующий сигнал создает на элементах цели режим параметрического усиления колебаний путем преобразования «вверх». Обоснованы требования к параметрическому локатору, основным из которых является выбор соотношения значений частотных составляющих зондирующего сигнала по правилу, максимизирующему мощность отклика на комбинационной частоте

= = 1 + (8)

'с с

где Кр - коэффициент усиления сигнала по мощности;

, Гс - соответственно частоты накачки и сигнала.

Показано, что уровень параметрического отклика от цели может регулироваться мощностью сигнала на частоте накачки, взаимной фазиров-кой частот зондирующего сигнала, а также применением частот, оптимальных для возбуждения параметрического резонанса в лоцируемой цели. Этим требованиям удовлетворяет устройство параметрической локации, структурная схема которого приведена на рис. 3.

Рис. 3. Структурная схема параметрического локатора Данный метод параметрической локации по сравнению с известным имеет важное преимущество: он является универсальным, пригодным для

'•локации как нелинейных, так и параметрических рассеивателей и отлича-I ется повышенным уровнем отклика от цели за счет использования явления параметрического резонанса.

Наряду с методами и средствами радиодальнометрии в диссертационной работе обоснованы отличающиеся улучшенными точностными характеристиками методы и средства нелинейной радиопеленгации. В работе показано, что применение нелинейных методов радиоизмерений в радиопеленгации позволяет повысить точность отсчета пеленга по максимуму принимаемого сигнала. Анализ соотношения для расчета дисперсии угловой ошибки при согласованной фильтрации сигнала в приемнике

8? = (2Ее/Н0ХаэА) ^

показывает, что погрешность отсчета пеленга может быть уменьшена увеличением отношения линейного раскрыва антенны к длине волны

2Е

аЭ/А , либо увеличением отношения сигнал/шум-- .

Прием от источника радиоизлучения (ИРИ) производится на частоте = fзc + ^ири > т-е- па суммарной частоте зондирующего сигнала и сигнала излучения ИРИ. При этом появляется возможность уточнения пеленга за счет уменьшения ширины диаграммы направленности антенны пеленгатора на частоте ¿"КШ1е6 + по сравнению с частотой {ИРИ .

Исследованы соотношения между вкладами в результирующую погрешность пеленга отношения сигнал/шум и эффективного отношения аэ/Х на комбинационной частоте. Показано, что погрешность отсчета пеленга зависит от соотношения частот зондирующего сигнала и ИРИ и от значения коэффициента интермодуляционного преобразования сигналов на нелинейных элементах передатчика и антенны ИРИ.

В этой главе изложена также сущность нелинейного однопозицион-ного метода местоопределения ИРИ. Он основан на эффекте перекрестной модуляции и проявляется в переносе импульсной модуляции зондирующего сигнала средства нелинейной радионавигации на спектр излучения ИРИ. Извлечение информации указанными выше методами обеспечивает как уточнение отсчета пеленга на ИРИ, так и однозначное измерение дальности ИРИ.

Таким образом, в совокупности изложенный в четвертной главе материал представляет собой новые предложения по принципам построения нелинейных радиосредств ближнего действия, подтвержденные количест-

венным расчетом прироста показателей качества метрологического обеспечения и эффективности этих НИИРС.

Пятая глава содержит описание информационно-статистических методов оценки эффективности НИИРС. Основными полученными при этом результатами являются обоснование универсального показателя качества метрологического обеспечения НИИРС и математической модели метрологического обеспечения испытаний и функционирования НИИРС. Применительно к рассматриваемой проблеме показано, что существующая теория оценки погрешностей контроля и измерительных испытаний опирается на классический аппарат теории вероятностей и математической статистики и имеет следующие недостатки, ограничивающие ее применение в практике экспертизы НИИРС:

- применяемый для оценки результирующей точности измерений показатель - доверительный интервал основан на допущениях о детерминированном характере измеряемой величины и постоянстве закона распределения погрешностей;

- неограниченность времени проведения измерений для обеспечения требуемой точности.

Преодолеть ограниченность традиционной статистической модели измерений позволяет переход к информационным представлениям и вытекающим из них понятиям энтропии, количества и качества измерительной информации. Построение информационной модели испытаний НИИРС проведено в два этапа: на первом обоснован универсальный информационный показатель качества метрологического обеспечения и эффективности НИИРС, а на втором этапе предложены способы количественной ; оценки этого показателя, адекватно отображающие процессы измерений и анализа эффективности НИИРС. При этом использован математический аппарат теории принятия решений, интервального анализа и информационной теории измерений.

Поскольку фазовые состояния НИИРС характеризуются совокупностью оценок измеряемых величин, то разрабатываемый комплекс методов и средств измерений, посредством которых осуществляется информационная связь с НИИРС, целесообразно рассматривать и анализировать как единую систему информационного обеспечения НИИРС, предназначенную для уменьшения априорной неопределенности относительно фазовых состояний объекта исследований.

Процесс определения состояния объекта исследований в работе представлен в виде последовательности операций преобразования первичной сигнальной информации в оценочные показатели искомых параметров

; НИИРС; при этом множеству возможных состояний объекта {Б;} соответ-; ствует конечное множество измеряемых величин и процессов {Уп(0}. Последние однозначно характеризуют состояние объекта

В общем случае оцениваемый показатель эффективности объекта определяется некоторой композицией искомого значения оценочного параметра Х(т) и погрешности его измерений:

¥(1) = О?[х(т)1Н(т)1(те[0,тВ, (Ю)

где {а^ [■]] - оператор обработки измерительной информации, зависящий от метода измерений и характера оцениваемого параметра;

{н(т)} - оператор, учитывающий влияние условий измерений. В отличие от традиционной, данная постановка задачи оценки точности базируется на принципиально важном положении о том, что конечное значение оценки универсального показателя У^) одновременно содержит количественную информацию как о качестве метрологического обеспечения, так и об эффективности НИИРС. Количественное значение универсального показателя качества (УПК) определяется путем выполнения оператора вида

ш(А,В)=т(А)/т(в), (11)

где \у(а, В) - точечное значение функционала УПК;

т(-) - лебегова мера на множестве У2 = Ух У для множеств {{?и } и {Дц }. Содержание множества {Ди } заключается в совокупности оценок {у;} оцениваемого параметра, полученных в реальной системе, тогда как множество } состоит из оценок {21}, полученных на основе применения оптимальной по критерию точности системы (например, с помощью модели оценки потенциальной точности измерений параметра НИИРС, характеризующего его эффективность). Полный функционал имеет вид

уу{и}=Г(Кц,Дц,и), (12)

где ((•)- оператор вычисления меры различия множеств {Яи} и {Ди }, соответствующих возможным вариантам влияния факторов {и}.

Для количественной оценки влияния факторов {и} в работе применена известная в теории принятия решений функция доверия

р(е)=ц(йиП1Е)МдиГиЕ), (13)

где р.( ) - лебегова мера на плоскости оценочного множества {IЕ}.

В понятиях информационной теории измерений функционал (13) в настоящей работе трактуется как информационный УПК и определяется количественно следующим образом. Информационный УПК есть относительное количество информации об оцениваемом параметре эффективности НИИРС ЛН(х)/АНс(х), потерянной в испытательном процессе при

воздействии влияющих факторов и (н(х)}. Численное значение

информационного УПК определяется через энтропии плотностей распределения Нс(х) информативного параметра Х'(:), используемого для калибровки НИИРС по оцениваемому параметру, и энтропии Н(у) выходного измеряемого параметра У(|:):

АН(х)/Нс(х)=1-Н(у)/Нс(х). (14)

Значения величин Нс(х) и Н(у)характеризуют априорную и апостериорную энтропии закона распределения оцениваемого параметра НИИРС, соответственно. Изменение закона распределения параметра приводит к потерям измерительной информации, поэтому по сравнению с энтропией Н(у) сообщение Нс(х) обладает информационной избыточностью р. Максимальное количество потерянной в процессе измерений информации ДН(х)не превосходит величину избыточности измерительной информации

ДН(х) < рНс(х)илиДН(х)/Нс (х) < р . (15)

Численное значение параметра ДН(х)/Нс(х) является информационным аналогом функции доверия р(е) в математической модели метрологического обеспечения НИИРС, т.е. индикатором качества последнего.

Альтернативный метод определения показателя (15) - интервальный анализ. Показано, что метод интервального анализа также реализует оценку точности измерений в НИИРС. Он отличается простотой по сравнению с (15), однако не учитывает видов законов распределения сигналов.

Таким образом, математическая модель оценки качества метрологического обеспечения и эффективности НИИРС основана на применении обоснованного универсального показателя качества вида (15) и описывает процесс его количественной оценки с помощью извлечения информации об изменении формы закона распределения оцениваемого показателя НИИРС (оцениваемой энтропией плотности распределения вероятностей) в процессе измерений или функционирования НИИРС.

В шестой главе описаны результаты совершенствования и разра-

»ботки унифицированного методического аппарата для оценки эффектив-| ности НИИРС. В связи с появлением методов и техники нелинейной радиосвязи и нелинейного радиоподавления возникла необходимость оценки эффективности этих классов НИИРС. С этой целью впервые предложены и опубликованы уравнение дальности нелинейной радиосвязи и уравнение дальности нелинейного радиоподавления. В основу идеологии унификации этих уравнений положен методический прием по введению в них универсального коэффициента нелинейного преобразования (КНП), имеющего простой физический смысл и возможность экспериментальной оценки.

Возможность количественной оценки КНП значительно упрощает практическое применение уравнений дальности нелинейной радиосвязи и радиоподавления в процессе оценки эффективности НИИРС.

В данной главе приведены также результаты сравнительного анализа существующих вариантов основного уравнения нелинейной радиолокации и предложена альтернативная форма уравнения, не противоречащая известной. Отличительной особенностью новой формулировки основного уравнения нелинейной радиолокации является унификация его с упомянутыми выше уравнениями для оценки эффективности НИИРС.

Теория оценки эффективности НИИРС дополнена также путем вывода основных уравнений нелинейной противорадиолокации и нелинейного противорадиоподавления.

В совокупности полученные автором уравнения составляют основу методического аппарата для оценки эффективности НИИРС. Частным результатом, полученным в данной главе, является новая математическая модель для аппроксимации основной характеристики объекта с нелинейными электрическими свойствами - проходной вольт-амперной характеристики.

В седьмой главе проведено исследование погрешностей нелинейных радиоизмерений в ближней зоне, которые влияют на характеристики качества НИИРС. Проведены унификация и совершенствование методов оценки погрешностей. Функционирование НИИРС в условиях ближней зоны сопровождается рядом специфических погрешностей. Их учет повышает эффективность оценки характеристик излучение и приема НИИРС, влияющих на эффективность и качество метрологического обеспечения. Достаточно хорошо исследована погрешность, обусловленная отличием фазового фронта волны в ближней зоне от плоского

В диссертационной работе дополнительно исследованы следующие

погрешности и законы их распределения:

- погрешность 82, обусловленная невысоким уровнем отношения сигнал/шум на входе приемников нелинейных РЛС и РНС (энергетическая погрешность);

- погрешность 53 из-за несовершенства экранирования приемников нелинейных НИИРС от внешних и внутренних помех (погрешность экранирования);

- погрешность 64 влияния переотражений от земли и окружающих предметов (погрешность переотражений).

Путем теоретического анализа и метрологических экспериментов показано, что систематические составляющие этих погрешностей могут быть аппроксимированы зависимостями следующего вида:

б-> = ш-

: га-

5д = т.

•Р-рИ2*2

Р^Ар

Рп^п^пр

+ У

АГ

лЯ^

4Б5 4тс8х + Я2

2*28„Я2 ^ + 7

2

м

(16)

где РпОп - энергопотенциал источника радиоизлучения (ИРИ); Р - чувствительность приемника нелинейного НИИРС;

- соответственно, эффективные площади антенн ИРИ и

приемника НИИРС на частоте принимаемого сигнала;

АГ, Р - ширина занимаемой излучением полосы частот и ширина полосы пропускания приемника РТС, соответственно;

у - коэффициент прямоугольное™ полосы пропускания приемника;

Апр - площадь подверженной воздействию радиопомех экранированной поверхности корпуса приемника НИИРС;

- среднее значение ЭПР земли и фона на частоте приема. Показано, что в типовых ситуациях можно использовать упрощенные соотношения

Ь2=т2--I-,

Р^п^пр у Рпр ^

~ Апр I я

еь-гп-,- -.

2К ^ 2Апр

Масштабные коэффициенты т, -г-т5 подбирают опытным путем по результатам метрологических экспериментов, заключающихся в создании аттестованных электромагнитных полей, измерении мощности излучений и оценке соответствующих погрешностей.

Применение полученных соотношений позволяет оптимизировать метрологические характеристики НИИРС в типовых условиях их функционирования.

Восьмая глава содержит обобщение результатов исследований автора по проблеме реализации принципов построения и методов оценки эффективности НИИРС ближнего действия в практике их разработки и испытаний на эффективность, электромагнитную совместимость и радиолокационную заметностъ.

Наиболее значительные результаты заключаются в следующем. В практику испытаний РБД на эффективность и ЭМС введены информационные показатели для оценки точности измерения характеристик излучений и приема НИИРС.

Общий информационный показатель для оценки качества измерительной информации и средств измерений радиотехнических величин имеет следующий физический смысл. В качестве универсального показателя точности и эффективности НИИРС предложено использовать количественную меру различия между действительными (или принимаемыми за них) и измеренными значениями характеристик закона распределения измеряемой величины. Аналитическое выражение для показателя в общем виде выглядит как цэ =ЛК3Д8, где ДКЭ =р.{кэд,кэп} - мера различия

между энтропийными коэффициентами действительного и измеренного законов распределения измеряемой величины, характеризующая отличие формы указанных законов распределения; Д8 = ц{5д ,8П } - статистическая

мера различия между средними квадратическими значениями действительного и измеренного законов распределения измеряемой величины. При использовании энтропийной меры различия выражение для универсального информационного показателя точности и эффективности принимает вид

щ=1-ехр{-|н(х)-н(х/хр|}, (18)

где н(х/хр ) - условная энтропия.

Физический смысл показателя заключается в численном значении относительного количества измерительной информации, потерянной в процессе измерений из-за влияния погрешностей, имеющих в общем случае вероятностный характер. В диссертации предложена процедура количественной оценки показателя (18) экспериментальным методом, которая сводится к сравнению законов распределения измеряемой величины на входе и выходе измерительной системы с помощью выпускаемых серийно измерителей вероятностных характеристик (ИВХ).

Структурная схема установки для количественной оценки информационного показателя приведена на рис. 4. В качестве калиброванного источника случайных радиосигналов (КИРС) используют генераторы шума, генераторы случайных и шумоподобных сигналов, параметры которых подчиняются определенному закону распределения с известными характеристиками. Для определения значения показателя (18) включают КИРС на излучение и измеряют ПРВ сигнала излучения на приемном конце с помощью вспомогательного ИВХ, на входы которого одновременно подают образцовый и измерительный сигналы. Показано, что в установках подобного рода целесообразно измерять коэффициент взаимной корреляции и использовать его в качестве меры точности и эффективности.

Рис.4. Структурная схема измерительной установки В работе приводятся примеры применения универсального показателя точности и эффективности в практике испытаний НИИРС на эффективность и ЭМС. Так, например, при измерении шумовых излучений передатчиков при прохождении исходного измеряемого шума в виде нормального случайного процесса через функциональные преобразователи с нелинейными свойствами (например, детектор) происходит изменение формы ПРВ исходного процесса. На выходе нелинейного элемента -

квадратичного детектора нормальный случайный процесс при выполне-! нии условий нормализации а = 0, а2 = 1, у > 0 преобразуется к одностороннему экспоненциальному вида

(у) = (ст^„ -^у)'1 ехр(- /2) ■

Э1пропия этого распределения

НкЛу)=1п(с1кв-е) = 1 + 1па1кв. (20)

Окончательная формула для оценки точности результата имеет вид акв =1-ехр{-|1 + 1па1кв -1п(ст272^|}. (21)

Получены также аналогичные (21) соотношения для логарифмической и линейной передаточных характеристик приемника НИИРС и показаны преимущества показателя точности вида (18).

Полученные результаты нашли практическое применение в линейных и нелинейных радиолокационных измерительных комплексах при измерении характеристик рассеяния радиолокационных целей, при разработке измерительных комплексов для антенных измерений и при испытаниях НИИРС на эффективность и ЭМС.

В заключении приведены основные результаты работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В ходе выполнения диссертационной работы были получены следующие результаты:

1. Усовершенствованы принципы построения, обоснованы структурные схемы и созданы экспериментальные установки, реализующие перспективную технику нелинейной радионавигации, радиопеленгации и радиодальнометрии, радиоподавления и технической защиты информации. Обоснованы требования к точности измерения дальности и угловых координат с помощью устройств и аппаратуры нелинейной радионавигации.

2. Применительно к теории и технике нелинейной радиолокации обоснованы алгоритмы оптимального обнаружения целей с нелинейными электрическими свойствами фильтровыми и корреляционными методами радиоприема, учитывающие специфику нелинейного рассеяния радиоволн и позволяющие оптимизировать структуру нелинейных обнаружителей и оценивать потенциальную точность определения параметров нелинейных радиолокационных целей.

3. Усовершенствованы схемы параметрических нелинейных обна-

ружительных устройств и получены расчетные соотношения для оптимизации характеристик нелинейных обнаружителей, использующих принципы параметрических эффектов в нелинейных рассеивателях.

4. На основе анализа новых информационных признаков излучений целей с нелинейными электрическими свойствами разработан защищенный патентом способ обнаружения нелинейного объекта с его распознаванием, отличающийся высокой вероятностью определения типа объекта (цели).

5. Развиты основы информационно-вероятностной теории приема и обработки сигналов в НИИРС. Обоснован альтернативный энергетическому энтропийный критерий качества приема, имеющий преимущества при обработке сигналов в нелинейных устройствах. Разработаны практически реализуемые структурные схемы и алгоритмы оптимальной обработки сигналов в НИИРС.

6. С помощью математического аппарата теории статистических измерений, теории принятия решений и методов интервального анализа разработана математическая модель метрологического обеспечения испытаний НИИРС на эффективность и ЭМС, описывающая в единой терминологии, показателях, критериях и методах измерений характеристик излучений и приема метрологические свойства и особенности НИИРС. Модель имеет иерархический характер (принципы - показатели - методы измерений) и математически описывает процедуру получения количественной информации об эффективности НИИРС и точности оценки информативных параметров систем.

7. На основе математической модели метрологического обеспечения НИИРС обоснованы обобщенный (эффективность/качество метрологического обеспечения) и частные показатели для оценки эффективности и точности функционирования НИИРС, отличающиеся от известных простым физическим смыслом, возможностью количественной оценки экспериментально-расчетным методом и предназначенные для антенных и радиолокационных измерений.

8. На основе теоретического и экспериментального анализа погрешностей ближней зоны, влияющих на точность оценки параметров и эффективность НИИРС, показана, что наиболее значительными из них являются систематические погрешности, обусловленные качеством экранирования измерительной аппаратуры, нелинейными эффектами при преобразовании и обработке сигналов, амплитудной и фазовой неравномерностью фронта электромагнитной волны, высоким уровнем ЭПР антенны. Показано, что учет и компенсация этих погрешностей с помощью предложенных специальных методических приемов обеспечивает повышение результирующей

' точности измерений в пределах ± (0,5 - 5) дБ. Обоснованы новые способы I измерения характеристик излучения и приема НИИРС, отличающиеся улучшенной точностью измерений.

9. Разработаны способы измерений параметров ЭМС РЭС, отличающиеся от известных повышенной точностью измерений и возможностью реализации в ближней зоне и применяемые в практике испытаний НИИРС.

10. Получены аналитические соотношения для количественной оценки влияния характеристик рассеяния антенны на точность измерения параметров излучающих систем в ближней зоне, подтвержденные данными экспериментальных исследований. Предложена новая запатентованная конструкция рефлекторной антенны, отличающаяся от известных пониженным уровнем ЭПР

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Занюк И. Т., Панычев С. Н. Оценка возможности контроля норм на характеристики побочных излучений и приема РЭС в зоне Френеля // Измерительная техника. 1990, №5. С. 56 - 58.

2. Дубина А. Р., Панычев С. Н. Информационно-вероятностная модель для оценки электромагнитной совместимости РЭС // Известия вузов. Сер. Радиоэлектроника. 1990, №11. С. 96-98.

3. Панычев С. Н. Методика оценки влияния особенностей натурных условий измерений на точность определения энергетических характеристик излучающих систем // Радиотехника. 1991, №7. С. 11.

4. Михайлов Г. Д., Панычев С. Н. Оптимизация выбора условий измерений параметров электромагнитной совместимости ЭМС РЭС в промежуточной зоне по критерию точности // Измерительная техника. 1991, №10. С. 45-47.

5. Михайлов Г. Д., Панычев С. Н., Соломин Э. А. Научно-технические проблемы создания базы по сертификации антенн // Законодательная и прикладная метрология. 1993, №6. С. 33 - 38.

6. Панычев С. Н. Информационный показатель для оценки точности измерения шумовых излучений передатчиков РЭС // Измерительная техника. 1993, №7. С. 46-49.

7. Панычев С. Н., Соломин Э. А. Оценка влияния относительных размеров эталона и объекта на точность определения характеристик рассеяния радиолокационных целей // Измерительная техника. 1994, №1. С. 25 - 27.

8. Гладышев А. К., Иванкин Е.Ф., Панычев С. Н. Влияние характеристик рассеяния антенны на показатели качества функционирования РЭС // Измерительная техника. 1995, №2. С. 48 - 50.

9. Панычев С. Н., Соломин Э. А. Влияние характеристик рассеяния антенн на точность измерения параметров излучающих систем в ближней зоне // Измерительная техника. 1995, №5. С. 56 - 58.

10. Еремин В. Б., Панычев С. Н. Применение методов теории информации для оценки точности радиотехнических измерений II Метрология. 1996, №7. С. 24 - 36.

11. Еремин В. Б., Панычев С. Н. Характеристики рассеяния антенн и фазированных антенных решеток // Зарубежная радиоэлектроника. Успехи современной радиоэлектроники. 1997, №8. С. 61 - 70.

12. Панычев С. Н., Мусабеков П. М. Нелинейная радиолокация: методы, техника и области применения // Зарубежная радиоэлектроника. Успехи современной радиоэлектроники. 2000, №5. С. 54-61.

13. Панычев С. Н. Оценка влияния характеристик рассеяния антенн на энергетические параметры спутниковых систем связи // Известия вузов. Сер. Радиоэлектроника. 2001, №3-4. С. 74-79.

14. Панычев С. Н. Методика расчета энергетических потерь в радиолиниях, обусловленных рассеянием радиоволн на антеннах СВЧ // Антенны. 2001. Вып. 5(51). С. 68 - 70.

15. Забалуев В. Е., Панычев С. Н., Хакимов Н. Т. Оптимальный фильтр для обнаружения объекта методом нелинейного радиолокационного зондирования // Известия вузов. Сер. Радиоэлектроника. 2002, №3. С. 12-17.

16. Панычев С. Н., Хакимов Н. Т. Оценка влияния характеристик антенны на точность определения расстояния в зоне дифракции Френеля методом фазовой нелинейной дальнометрии // Антенны. 2002. Вып. 7 (62), С. 65 - 67.

17. Панычев С. Н., Подлужный В. И., Хакимов Н. Т. Активный фазовый однопозиционный радиодальномер для измерения расстояния до объектов с нелинейными рассеивателями // Радиотехника. 2002, №12. С. 65 - 67.

18. Панычев С. Н., Хакимов Н. Т. Статистический метод обнаружения флуктуирующей цели способом нелинейной радиолокации по энтропийному критерию различения // Телекоммуникации. 2002, №11. С. 21 -25.

19. Панычев С. Н., Хакимов Н. Т. Принципы построения фильтрового квазиоптимального приёмника многочастотного нелинейного радиолокатора II Телекоммуникации. 2003, №1. С. 36-41.

■ 20. Иванов А. В., Панычев С. Н., Хакимов Н. Т. Исследование влия-i ния параметров антенны на точность отсчёта дальности однопозицион-ным фазовым нелинейным радиолокатором // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2003. Т. 6, №2. С. 49 - 53.

21. Авдеев В. Б., Панычев С. Н. Радиолокационное обнаружение нелинейного объекта методом зондирования шумоподобным сигналом // Информационно-измерительные и управляющие системы. 2003, № 5. С. 39 -42.

22. Параметрический метод обнаружения объектов с нелинейными рассеивателями /А. В. Иванов, С. Н. Панычев, В. И. Подлужный, Н. Т. Хакимов // Известия вузов. Сер. Радиоэлектроника. 2003, №9-10. С. 11 - 16.

23. Кулюкин А. О., Панычев С. К, Хакимов Н. Т. Способ нелинейной радиопеленгации методом интермодуляции источника радиоизлучения // Телекоммуникации. 2004, №2. С. 32 - 35.

24. Авдеев В. Б., Панычев С. Н. Нелинейная радиодальнометрия источника радиоизлучения методом преднамеренной перекрестной модуляции его сигналов // Известия вузов. Сер. Радиоэлектроника. 2004, №9. С. 74-77.

25. Иванов А. В., Кузьминов Ю. В., Панычев С. Н. Оценка результирующей точности нелинейных антенных измерений методом интервального анализа // Антенны. 2005. Вып. 7-8. С. 19- 82.

26. Авдеев В. Б., Панычев С. Н., Сеньксвич Д.В. Методы и техника нелинейной радиодальнометрии и радиопеленгации (обзор) // Информационно-измерительные и управляющие системы. 2005. Т. 3. №6. С. 27 - 35.

27. Алиев Д. С., Панычев С. Н., Сидоров В. Е. Методы нелинейной фазовой радиодальнометрии и их применение в антенной технике и связи // Телекоммуникации. 2006, №3. С. 36 - 39.

28. Авдеев В. Б., Бердышев А. В., Панычев С. Н. Сверхкороткоим-пульсная сверхширокополосная нелинейная радиолокация // Телекоммуникации. 2006, №8. С. 23 - 27.

29. Нелинейные радио- и радиотехнические средства: современное состояние и перспективы развития / В. Б. Авдеев, А. В. Бердышев, Г. Б. Волобуев, Н. И. Козачок, С. Н. Панычев II Нелинейный мир. 2006. Т. 4. №11. С. 628-638.

30. Авдеев В. Б., Панычев С. Н., Сенькевич Д. В. Энтропийно-вероятностный фильтр для обнаружения шумоподобных сигналов // Информационно- измерительные и управляющие системы. 2007, №6. С. 3 - 8.

31. Кравцов Е. В., Панычев С. Н. Математические модели для аппроксимации проходных характеристик нелинейных антенн Н Антенны. 2007. Вып. 4(119). С. 20-22.

32. Методический аппарат для оценки эффективности средств нелинейной радиосвязи и радиоподавления / Д. С. Алиев, В. Б. Авдеев, М. С. Ваганов, С. Н. Панычев // Телекоммуникации. 2007. №7. С. 35 -40.

33. Дидук Л.И., Никольский В. И., Панычев С.Н.Однопозиционный метод определения координат источника радиоизлучения в ближней зоне // Телекоммуникации. 2007, № 2. С. 31 - 34.

34. Панычев С. Н. Информационная трактовка теории оптимального приема сигналов в нелинейных радиотехнических системах // Телекоммуникации. 2008, №6. С. 10-14.

35. Панычев С. Н., Кравцов Е. В. Информационно-энтропийный критерий качества приема радиосигналов // Телекоммуникации. 2008, №7. С. 32-37.

36. Панычев С.Н., Сенькевич Д.В. Способ нелинейной фазовой ра-диодальнометрии источников радиоизлучения // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2008. Т.4, №11. С. 40 - 42.

Книги

37. Панычев С. Н. Нелинейные радиоизмерения и контроль характеристик изделий военной электроники: монография. - Воронеж: Военный институт радиоэлектроники, 2004. - 178 с.

38. Энергетические характеристики радиоканалов передачи-приема сверхширокополосных сигналов и сверхкоротких импульсов: коллективная монография / Под ред. В.Б. Авдеева. Воронеж: Военный институт радиоэлектроники, 2004. - 104 с.

39. Мощные сверхкороткоимпульсные и сверхширокополосные электромагнитные излучения и их помеховое и поражающее воздействие 1 на электронную аппаратуру передачи-приема, обработки и хранения информации: монография / В.Б. Авдеев и др.; под ред. В.Г. Герасименко, В.Б. Авдеева, А.В. Бердышева. - Воронеж: Научная книга, 2008. - 397 с.

Патенты и авторские свидетельства

40. Пат. 2205419 Россия, МКИ G 08 В 13/28. Способ обнаружения

нелинейного объекта с распознаванием типа нелинейности / С. Н. Панычев, Н. Т. Хакимов (Россия); заявл. 20.04.2001; опубл. 27.05.2003, Бюл. №15.

41. Пат. 2292058 Россия, МКИ G 01 S 7/38. Способ создания смодулированных активных помех / В. Б. Авдеев, А. Н. Катруша, С. Н. Панычев, Н. Т. Хакимов, Т. М. Хакимов (Россия); заявл. 29. 06.2005; опубл. 20. 01.2007, Бюл. №2.

I 42. А. с. СССР №1524787. МКИ Н 04 В 17/00. Способ измерения : относительных уровней мощности / С. Н. Панычев, В. Я. Климов; заявл. ' 30.06.87г.; опубл. Бюл. № 7.

43. А. с. СССР №1617390. МКИ G 01 R 29/10. Способ измерения диаграммы направленности антенны / С. Н. Панычев, В. Б. Авдеев, А. Б. Галузо; заявл. 07.02.89, опубл. 30.12.90г., Бюл. №48.

44. А. с. СССР №1705769. МКИ G 01 R 29/10. Способ определения диаграммы направленности антенны / В. Б. Авдеев, С. Н. Панычев; заявл. 23.06.89г. 1992, опубл. Бюл. №2.

45. А. с. СССР №14709716. МКИ G 01 R 29/10. Способ определения диаграммы направленности антенны / В. Б. Авдеев, С. Н. Панычев, Е. М. Воробьев. Д. Д. Герасименко; заявл. 03.11.88г., опубл. 1990, Бюл. №7.

46. Пат. Республики Казахстан №6321. МКИ Н 01 Q 19/10. Рефлекторная антенна и способ её юстировки / С. Н. Панычев (Россия); заявл. 28.03.1997г.; опубл. 15.06.1998, Бюл. №5.

47. Пат. 2292653 Россия. МКИ Н 04 К 3/00. Способ скрытного подавления подслушивающего устройства, содержащего микрофонный усилитель / В. Б. Авдеев, А. В. Бердышев, А. А. Бурушкин, В. Г. Герасименко, А. Ю. Кораблев, С. Н. Панычев; заявл. 12. 10. 2005; опубл. 2007. Бюл. №2.

48. Пат. 2292652 Россия. МКИ Н 04 К 3/00. Способ скрытного подавления подслушивающего устройства, содержащего логические электронные компоненты / В. Б. Авдеев, А. В. Бердышев, А. А. Бурушкин, В. Г. Герасименко, А. Ю. Кораблев, С. Н. Панычев; заявл. 12. 10. 2005; опубл. 2007. Бюл. №2.

49. Пат. 2300174 Россия. МКИ Н 04 К 3/00. Способ активного противодействия оптико-электронной телевизионной системе наблюдения / В. Б. Авдеев, А. В. Бердышев, А. А. Бурушкин, В. Г. Герасименко, А. Ю. Кораблев, С. Н. Панычев; заявл. 10. 01. 2006; опубл. 2007. Бюл. №6.

Статьи и материалы конференций:

50. Eremin V. В., Panitchev S. N. Influence of Antenna Scattering Characteristics on Parameters of Stations Funcfioning Quality. - Proceedings of 1996 Wroclaw EMC Symposium, Poland, 1996, p.p. 36-38.

51. Панычев С. H. Информационно-статистический алгоритм оптимального обнаружения нелинейной радиолокационной цели методом зондирования шумоподобным сигналом // Физика и технические приложения волновых процессов: сб. докл. II Междунар. науч.-техн. конф. Самара, 2003. С. 78-79.

52. Дубина А. Р., Панычев С. Н., Михайлов Г. Д. Оценка возможности контроля норм на параметры ЭМС РЭС в зоне дифракции Френеля //

Сборник научных докладов Международного симпозиума по ЭМС. СПб., 1993. Ч. 2. С. 522-526.

53. Оценка эффективности средств создания мультипликативных помех, формируемых в передатчике стороннего радиоэлектронного средства / В. Б. Авдеев, Е. В. Кравцов, С. Н. Меркулов, С. Н. Панычев // Радиолокация, навигация, связь (RLNC - 2007): сб. докл. XIII Междунар. науч.-техн. конф., 2007. Т.З. С. 2016 - 2023.

54. Авдеев В. Б., Бердышев А. В., Панычев С. Н. Применение сверхкоротких сверхширокополосных импульсов в нелинейной радиолокации // Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике: труды I 1-ой Всерос. науч. конф. Муром: Владимирский госуниверситет. 2006. С. 122-124.

55. Авдеев В. Б., Панычев С. Н. Сенькевич Д. В. Методический аппарат для оценки эффективности средств нелинейной радиолокации и противорадиолокации // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2007. Т.З. №4. С. 115 - 119.

56. Оценка эффективности параметрического нелинейного радиомаркера на основе контура с варикапом / С.Н. Панычев, A.B. Губин, Е.Б. Дмитриева, Д.В. Филиппов // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2008. Т.4. №3. С. 25 - 27.

Подписано в печать 03.02.2009. Формат 60х 84/16. Бумага для множительных аппаратов. Усл. печ. л. 2,1. Тираж 90 экз. Заказ №

ГОУВПО "Воронежский государственный технический университет" 394026 Воронеж, Московский просп., 14