автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Спектральный анализ помех от растительных образований в радиолокационных информационно-измерительных системах

ВВЕДЕНИЕ.-4

ЕЛАВА 1. ФОРМИРОВАНИЕ И ОБРАБОТКА РАДИОЛОКАЦИОННЫХ

ЭХО-СИЕНАЛОВ.- Ю

1. 1. Проблема селекции движущихся целей.-10

1.2. Математическая модель сигнала, формируемого на входе • информационно-измерительной системы.- 14

1.3. Обработка сигнала в радиолокационной информационно-измерительной системе.- 20

1.4. Параметры пассивных помех от растительных образований.- 26

1.5. Выбор и обоснование задач исследования.- 32

1.6. Структура ИИС.- 34

1.7. Выводы.- 36

ЕЛАВА 2. ШИРИНА СПЕКТРА РАДИОЛОКАЦИОННЫХ ПОМЕХ ОТ РАСТИТЕЛЬНЫХ ОБРАЗОВАНИЙ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ СКОРОСТЯХ ВЕТРА.- 37

2.1. Математическое описание измерения ширины спектра на основе теории выбросов случайного процесса.- 37

2.2. Аппаратура измерения.- 41

2.3. Исследование точности блока измерения ширины спектра.- 42

2.4. Методы статистической обработки экспериментальных данных - 44

2.4.1. Выбор параметров уравнения прямой линии регрессии по несгруппированным данным.- 44

2.4.2. Выбор параметров уравнения прямой линии регрессии по сгруппированным данным.- 46

2.4.3. Вариант криволинейной корреляции.- 49

2.5. Анализ экспериментальных данных.- 50

2.6. Оптимизация фильтров селекции движущихся целей. - 53 ■

2.7. Выводы.- 55

ГЛАВА 3. ФОРМА СПЕКТРА РАДИОЛОКАЦИОННЫХ ПОМЕХ ОТ

РАСТИТЕЛЬНЫХ ОБРАЗОВАНИЙ.:.- 56

3.1. Эксперимент по исследованию формы спектра помех от растительных образований.- 58

3.2. Испытания блока переноса спектра.- 60

3.3. Анализ и систематизация экспериментальных исследований.- 62

3.4. Физико-математическая модель сигнала от растительного образования.- 65

3.5. Выводы.- 70

ГЛАВА 4. ОБРАБОТКА ДАННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТА ПО ИЗМЕРЕНИЮ ФОРМЫ СПЕКТРА.-71

4.1. Автоматизация обработки экспериментальных данных.- 71

4.1.1. Аппроксимация спектра сигнала на базе регрессионного анализа

4Л.2. Градиентный метод исследования спектра.- 74

4Л .3. Программа обработки.- 77

4.2. Компьютерная обработка результатов исследования.- 83

4.3. Методика расчёта параметров формы спектра помехи от растительного образования.- 89

4.4. Выводы.:.- 92

Актуальность темь». Выделение радиолокационных сигналов движущихся целей на фоне пассивных помех, создаваемых интенсивными мешающими отражениями естественного и искусственного происхождения, является одной из актуальных и трудных задач, стоящих перед разработчиками радиолокационных информационно-измерительных систем (ИИС). Априорная неопределённость статистических характеристик пассивных радиолокационных помех, а также нестационарность и неоднородность характеристик помех в зоне обзора затрудняют реализацию предельных возможностей выделения полезных сигналов. Особенно опасны растительные образования, флюктуирующие под воздействием ветра. Именно они маскируют движущиеся цели. Селекция движущихся целей (СДЦ) построена на эффекте Доплера. Выделение движущихся целей производится по спектральному признаку - неподвижные, флуктуирующие и медленно движущиеся цели имеют спектр сигнала, смещённый в область нижних частот. При наличии в зоне обзора медленно движущихся целей, спектры от целей и растительных образований могут перекрываться. Тогда сигнал от цели очень трудно распознать на фоне помех от растительных образований. Пассивные помехи обладают значительными маскирующими свойствами, что порождает высокие требования к эффективности их подавления.

С начала пятидесятых годов прошлого столетия задачей СДЦ занимаются множество организаций у нас в стране и за рубежом. Было разработано несколько поколений радиолокационных станций, в которых задача селекции движущихся целей была решена с различной степенью эффективности. Существенным недостатком этих систем является ограничение минимальной скорости выделения движущейся цели 4-5 км/ч.

В настоящее время существует задача выделения медленно движущихся целей на фоне мешающих отражений. При её решении следует учитывать зависимость спектра помехи от растительных образований от климатических условий. При различных скоростях ветра или разных временах года ширина спектра помехи от растительности будет различной. Адаптация системы СДЦ к погодным условиям может производиться путём изменения параметров фильтра СДЦ. Для оптимального выделения медленных целей необходимо правильно выбрать параметры системы СДЦ применительно к конкретным условиям. Поэтому создание систем селекции медленно движущихся целей с автоматически изменяющимися параметрами является актуальной задачей. Также существует задача выделения и распознавания неподвижных целей. Спектральный анализ помех от растительности также используется при решении данной задачи.

Бурное развитие микроэлектроники привело к широкому внедрению цифровых методов и систем селекции движущихся целей, обладающих рядом преимуществ перед аналоговыми системами и открывающими новые возможности в обработке сигналов. Для правильного учета спектральных характеристик помех от растительности при разработке современных адаптивных систем СДЦ необходимо знание формы и ширины спектра этих помех. Однако, в современной литературе такие сведения отсутствуют. У Бар-тона есть сведения о спектре помех от растительности при больших скоростях ветра и больших площадях обзора. Имеются подобные сведения в работе Кулёхмина и Рассказовского для миллиметрового диапазона волн. Сведений о спектральных характеристиках отдельных растительных образований (например, одиноко стоящие дерево или кустарник) при различных скоростях ветра и разных тинах растительности не в<лрсчас1см совершенно.

В связи с этим имеется проблема детального исследования спектров радиолокационных сигналов от разных растительных образований во всём диапазоне ветровых нагрузок. Особенно важно знать спектр помех от растительности при малых скоростях ветра. Полученный при этих исследованиях банк данных параметров спектров радиолокационных помех от растительных образований может использоваться как при разработках пассивных и адаптивных систем СДЦ, так и при распознавании классов неподвижных целей. информационно-измерительная система. Предметом исследования является спектральные характеристики помех от растительных образований.

Цель работы и задачи исследования. Целью работы является разработка методов измерения и расчета параметров спектра помех от растительных образований в радиолокационных информационно-измерительных системах, позволяющих повысить производительность труда разработчиков систем СДЦ радиолокационных ИИС и снизить стоимость их разработки, а также создание банка данных по параметрам спектров помех от растительных образований, позволяющего расширить функциональные возможности ИИС.

Для достижения цели работы в диссертации поставлены следующие задачи.'

- Разработка методов измерения параметров спектров помех от растительных образований.

- Проведение цикла полевых исследований по записи и измерению параметров спектра помех от растительных образований.

- Обработка экспериментальных данных.

- Создание банка данных для распознавания типа растительности и селекции неподвижных целей, также позволяющего в лабораторных условиях моделировать помеховую обстановку.

- Нахождение эмпирической зависимости ширины и параметров формы спектра радиолокационной помехи от растительности от скорости ветра.

- Формулирование предложений по совершенствованию систем селекции движущихся целей, позволяющих понизить скоростной порог выделения цели.

Основные положения, выносимые на защиту.

I. Метод полевых исследований спектральных характеристик помех от растительных образований в радиолокационных информационно-измерительных системах.

-72. Радиолокационная информационно-измерительных система для полевых исследований спектральных характеристик помех от растительных образований.

3. Метод аппроксимации и уравнения аппроксимирующей кривой спектров помех от растительных образований радиолокационных информационно-измерительных системах.

4. Результаты экспериментов по исследованию спектров помех от растительных образований в полевых условиях.

5. Алгоритм и программа автоматизации обработки результатов полевых исследований, позволяющая уменьшить время, затрачиваемое на обработку экспериментальных данных.

Методы исследований, В работе применялись методы интегрального и дифференциального исчисления, статистические методы обработки результатов эксперимента, методы теории случайных процессов и оптимальной фильтрации сигнала, методы экспериментальной радиолокации.

Научная новизна состоит в исследовании спектров помех от растительности в радиолокационных информационно-измерительных системах при малых скоростях ветра, включающем в себя следующие результаты:

- Выявлены особенности формирования в радиолокационных информационно-измерительных системах спектра помехи от растительности на основе эффекта Доплера, позволяющие разработать метод измерения параметров спектра и методы подавления этих помех.

- Предложен метод аппроксимации спектра помехи от растительности и уравнения аппроксимирующей кривой, позволяющие измерять параметры спектра помехи от растительности.

- Найдены эмпирические зависимости параметров спектра помех от растительных образований от скорости ветра для использования их при разработке адаптивных систем СДЦ радиолокационных ИИС.

- Предложена методика расчета параметров спектра помехи от растительности при различных скоростях ветра, позволяющая повысить производительность труда разработчиков систем СДЦ радиолокационных ИИС и снизить стоимость их разработки.

- Разработана методика классификации типа подстилающей поверхности по спектральным признакам, позволяющая расширить функциональные возможности радиолокационных ИИС.

Практическая ценность результатов работы заключается в следующих методиках и алгоритмах:

- Появилась возможность априорного расчёта спектральных характеристик пассивных радиолокационных помех от растительных образований в зависимости от типа растительного образования и ветровой нагрузки.

- Создан банк данных по параметрам спектров помех от растительных образований суммарным объёмом 1558 измерений.

- Предложена методика полевых исследований радиолокационных сигналов от растительности.

- Разработаны алгоритмы и принципы автоматической обработки экспериментальных данных, позволяющие значительно снизить трудоёмкость обработки данных эксперимента.

Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы внедрены в виде методик расчёта спектральных характеристик помех от растительных образований. Сформулированы предложения по методу распознавания различных классов растительности по спектру отражённого радиолокационного сигнала. Результаты внедрены в НИР «Светлуга», ОКР «Рампа - К» ОАО «НИИ Стрела», ФГУП «КРЭМЗ» а также в учебный процесс Тульского государственного университета, что подтверждается соответствующими актами внедрения.

Апробация работы. Результаты диссертации докладывались на научно-технических конференциях:

- XV научной сессии Посвященной Дню Радио в г. Тула в 1998г.;

X VI научной сессии Посвященной Дню Радио в г. Тула в 1999г.;

XVII научной сессии Посвященной Дню Радио и УОлетию ТулГу в г. Туле в 2000г.; Всероссийской молодежной научно-технической конференции «Гагарин-ские Чтения» в г. Москве в 2000г.;

- Научно-технической конференции ТВАИИ в г. Тула в 2001г.

- Всероссийской молодежной научно-технической конференции «Гагарин-ские Чтения» в г. Москве в 2001г.;

- XV111 научной сессии посвященной Дню Радио в г. Туле в 2001г.;

- VIII Международной конференции «Радиолокация, навигация, связь» в г. Воронеж в 2002 г.

- Всероссийской молодежной научно-технической конференции «Гагарин-ские Чтения» в г. Москве в 2002г.;

- Всероссийской конференции молодых специалистов в Нижнем Новгороде в 2002г.

- Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы наземной радиолокации», ТулГУ, Тула, 2002

Публикации: Основное содержание работы отражено в 12 публикациях, включающих 4 статьи, 7 тезисов докладов на всероссийских НТК.

Структура и объём работы. Работа состоит из введения, четырёх глав, заключения и приложений, изложенных на П 6 страницах основного текста и содержащих 44 рисунка, 5 таблиц, списка литературы из 58 наименований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации решена научно-техническая задача анализа спектров помех от растительности в радиолокационных информационно-измерительных системах поиска наземных движущихся целей. Созданы модели и методы расчёта основных спектральных характеристик. Полученные в диссертации математические модели позволяют разработчику радиолокационных информационно-измерительных систем рассчитывать параметры спектра помех от растительности по известным скорости ветра и типу подстилающей поверхности.

Основные научные и практические результаты работы, большинство из которых получено и использовано впервые, заключаются в следующем:

1. Предложен метод измерения ширины спектра помехи от растительности методом частот пересечений. На базе этого метода поставлен эксперимент, проведён цикл полевых исследований и найдена эмпирическая зависимость ширины спектра помехи от растительных образований от скорости ветра. Объём эксперимента составил 506 измерений.

2. Теоретически выявлены особенности композитного формирования спектра помехи от растительного образования па основе эффекта Доплера, позволяющие разработать метод измерения параметров формы спектра помех. Эти особенности получили экспериментальное подтверждение.

3. Предложен метод аппроксимации спектра помехи от растительности и уравнения аппроксимации, представляющие сумму двух гауссовых кривых. На его базе разработан метод измерения параметров формы спектра помехи.

4. Разработан алгоритм автоматической обработки экспериментальных данных на базе метода быстрого спуска. Алгоритм реализован в виде прикладной программы для автоматизации исследований, позволяющий снизить трудоёмкость процесса обработки экспериментальных данных.

5. Найдены эмпирические зависимости параметров формы спектра помех от растительных образований от скорости ветра. Экспериментально выявлены различия параметров формы спектра помехи от одиночного и группового растительного образования, а также хвойного или лиственного растительного образования. Предложен метод классификации типа подстилаю- • щей поверхности по спектральным признакам, позволяющий расширить функциональные возможности радиолокационных ИИС. Объём эксперимента составил 1049 измерений.

6. Создан банк данных, позволяющий моделировать в лабораторных условиях помеховую обстановку при разработке новых радиолокационных информационно-измерительных систем.

7. Сформулированы предложения по совершенствованию систем селекции движущихся целей, позволяющие понизить скоростной порог выделения цели.

Результаты диссертационной работы получили практическое применение при разработке и испытаниях радиолокационных информационно-измерительных систем в НИИ «Стрела», ФГУП «КРЭМЗ».

1. Акиншин I I.С. Румянцев В.Л., Процюк С.В. Поляризационная селекция и распознавание радиолокационных сигналов. Тула: Лидар, 2000. -315с.

2. Бакулев П.А., Кован С.Е. Алгоритм обнаружения сигналов на фоне мно-гомодовых коррелированных помех // Радиотехника. 1981. - Т. 36. - № 8.-С. 69-72.

3. Бакулев П.А., Горкин В.Б. Анализ эффективности адаптивных систем селекции движущихся целей // Радиоэлектроника (Изв. высш. учеб. заведений). 1987. - Т. 30. - № 7. - С. 50-52.

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

5. Бартон Д. Радиолокационные системы. Перевод с английского. М.: Военное издательство, 1967. 480 с. с илл.

6. Бендат Дж., Пирсол А. Измерение и анализ случайных процессов,- М.: Мир, 1974,- 464 с.

7. Брюховецкий А.С., Пузенко А.А. О спектре сигнала при поперечном движении затеняющих отражателей//Радиотехника и электроника. -1970. №12. -том 15. - с.2533-2539

8. Галати Г. Проектирование и оценка адаптивных фильтров СДЦ//Перевод статьи ШЕЕ Transactions on aerospace and electronic systems, 1978,- №6,-c.899-905

9. Гмурман B E. Теория вероятностей и математическая статистика. Учеб. Пособие для вузов. М.: Высшая школа, 1998. - 479 с.

10. Зубкович С.Г. Статистические характеристики радиосигналов, отражённых от земной поверхности. М.: Советское радио, 1968.-224 с.

11. Клемм Р. Адаптивное подавление отражений от местных предметов в бортовых радиолокаторах с фазированной антенной решёткой// Материалы конференции LEE, том 138, 1883.

12. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике. М.: Наука, 1978. - 832 с.

13. Красюк Н.П., Коблов В.Л., Красюк В.Н. Влияние тропосферы и подстилающих поверхностей на работу РЛС. М.: Радио и связь, 1988. 212 с.

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

15. Кулемин Г.П., Рассказовский В.Б. Рассеяние миллиметровых волн поверхностью Земли под малыми углами. /АН УССР, Ин-т радиофизики и электроники. Киев: Наук, думка, 1987. - 229, с.

16. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. В трёх книгах. М.: Советское радио, 1974.

17. Лопнау Д.Н. Методы подавления активных и пассивных помех в обзорных РЛС//Тез. Докл. С olloque international radar, Париж, 1984. 14 с.

18. Мао Ю-Хай, Лин Даймао, Ли Ву-Гао Адаптивная СДЦ, основанная на принципе оценки максимума энтропии спектра/Шеревод доклада на конференции International conference on radar, Париж, 1984,- с. 103-108

19. Марпл-мл. С.Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения / Пер. с англ. ML: Мир, 1990. - 584 с.

20. Оводенко А.А. Робастные локационные устройства. Л.: изд-воЛГУ, 1981.- 182 с.

21. Орлов Р.А., Торгашин Б.Д. Моделирование радиолокационных отражений от земной поверхности. Издательство Ленинградского университета, 1978. - 148 с.

22. Островитянов Р.В., Басалов Ф.А. Статистическая теория радиолокациипротяженных целей. М.: Радио и связь, 1982. - 232с. •

23. Попов Д.И. Синтез и анализ адаптивных систем селекции движущихся .<•целей: Автореферат диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук. М., 1990. - 32 с.

24. Радиолокационные станции обзора Земли./ Г.С. Кондратенков, В.А. По-техин, А.П. Реутов, Ю.А. Феоктистов; под ред. Г.С. Кондратенкова. М.: Радио и связь, 1983. - 272с.

25. Ряполов С.В. Композитное представление радиолокационных сигналов от местных образований. Тезисы докладов Международной молодёжной научно-технической конференции «Гагаринские чтения» ,секция №12-«Электронная техника и технология», Москва, 2001,с. 116.

26. Ряполов С.В. Селекция медленно движущихся наземных целей. Известияfv • Тульского государственного университета. Серия «Радиотехника и радиооптика». Том IV, выпуск 1. Тульский государственный университет, 2002. С.57-59.

27. Ряполов С.В. Селекция медленно движущихся целей. Тезисы докладов всероссийской научно-технической конференции «Проблемы наземной радиолокации», ТулГУ, Тула, 2002, с.37-39.

28. Ряполов С.В. Спектры радиолокационных помех от растительности при различных метеорологических условиях. Тезисы докладов научно-технической конференции. ТВАИИ, Тула, 2001 с.48.

29. Ряполов С.В. Экспериментальное исследование спектра отражённых радиолокационных сигналов от местности. III Научно-техническая конференция молодых учёных и аспирантов. Тезисы докладов. РХТУ им. Д.И.

30. Менделеева, Новомосковск, 2001, с. 77.

31. Ряполов С.В.; Адякин Ю.А. Радиолокационный поиск движущихся цеv лей в растительных образованиях. Сборник докладов VIII международной конференции «Радиолокация, навигация, связь»,т.III. Воронеж, 2002, с.1571-1581.

32. Саврасов Ю.С. Алгоритмы и программы в радиолокации. М.: Радио и связь, 1985.-216с.

33. Сосулин Ю.Г., Костров В.В. Обеляющий фильтр: Эволюция и применение// Радиотехника и электроника. 1998. - №9. - том 43. - с. 1030-1044

34. Справочник по радиолокации. Под ред. М. Сколника, Нью-Йорк, 1970. Пер. с англ./в 4-х томах/. Под общей ред. К.И. Трофимова. М.: Сов. радио, 1978, 528 е., с илл.

35. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника.- М,: Советское радио, 1966.-678 с.

36. Толкалин JI.H., Адякин Ю.Н., Ряатолов С.В. Исследование и разработка основ анализа и синтеза систем наземной локации. Отчёт о результатах НИР по гранту за 2001-2002 г, Тула

37. Толкалин JI.H., Ряполов С.В. Адаптивная система СДЦ. Тезисы докладов XV Научной сессии, посвящённой дню радио, Тула, 1998, с.68.

38. Толкалин JI.H., Ряполов С.В. Блок формирования М-последовательности для PJIC непрерывного излучения. Тезисы докладов XV Научной сессии, посвящённой дню радио, Тула, 1998, с.69.

39. Толкалин JI.H., Ряполов С.В. Оптимизация фильтров системы селекции движущихся целей (СДЦ), постановка задачи. Тезисы докладов XIX Научной сессии, посвящённой дню радио и 75-летию завода «Октава», Тула, 2002, с. 77.

40. Толкалин Л.Н., Ряполов С.В. Эксперимент по исследованию зависимости ширины спектра сигнала мешающих отражений от скорости ветра. Тезисы докладов XVII Научной сессии, посвященной дню радио и 70-летию ТулГу, Тула, 2000, с.52.

41. Толкалин Л.Н. Диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук. Тула, 1982.

42. Фарина А., Студер Ф.А. Цифровая обработка радиолокационной информации: Сопровождение целей / Перевод с англ. A.M. Бочкарева: под ред. А.Н. Юрьева. -М.: Радио и связь, 1993. 319с.

43. Фельдман Ю.И., Мандуровский И.А. Теория флуктуаций локационных сигналов, отражённых распределёнными целями. Под ред. Ю.И. Фельдмана. М.: Радио и связь, 1988. -272 с.

44. Финкельштейн М.М. Основы радиолокации: учебник для ВУЗов; 2-е изд., перераб. и доп., М.: Радио и связь, 1983, 536 е., ил.

45. Хсяо Дж.К. Оптимизация подавления помех устройством селекции движущихся целей/ЛТеревод статьи IEEE Transactions on aerospace and electronic systems, 1974,- №5,- c.622-629

46. Шуляревич M., Жучич В. Анализ спектра отражённого сигнала в когерентном импульсном радиолокаторе// Перевод статьи из журнала Naucno-tehnicki preeled. -1980.-№9.-том 30.-С.43-47

47. Brennan L., Reed I. Theory of adaptive radar // AES. Vol. AES - 9. - № 2.- 1973.-P. 237-252.-10053. Bucciarelly Т., Fedele G. Signal detection in Weifoull clutter // Proc. MELECON'85, Mediterranean Electrotechn. Conf. Madrid, 1985. Vol.2.

48. Farina A., Studer F. Adaptive implementation of the optimum radar signal processor // Int. Conf. on Radar, Paris. 1984. - P.93 - 102.

49. Haykin S. Adaptive filter theory // Englewood Gliffs N.J.: Prentice-Hall. -1986.-XVII.-590 p.

50. Haykin S. Radar Signal Processing // IEEE ASSP. 1985. - № 4

51. Haykin S., Currie B. Maximum-entropy spectral analysis of radar clutter // Proc. IEEE. 1982. - Vol. 70. -№ 9. - P. 953-962

52. Kretschmer F.F., Lewis B.L. A digital open-loop adaptive processor // IEEE Trans, on AES.- 1987.-Vol. AES 14. -№ l.-P. 165-171.