Алгоритмы оценивания пространственных координат элементов земной поверхности в доплеровских системах радиовидения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.04, кандидат наук Нгуен Чунг Тхык

• Нгуен Чунг Тхык
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Нгуен Чунг Тхык

СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ........................................................................................6

ВВЕДЕНИЕ ............................................................................................................7

1. ЗАДАЧА ОЦЕНИВАНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ КООРДИНАТ ЭЛЕМЕНТОВ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ................................................16

1.1. Аналитический обзор источников.................................................................16

1.2. Физическая постановка задачи ......................................................................20

1.3. Направление решения задачи ........................................................................24

1.4. Математическая модель системы наблюдения.............................................28

1.5. Математическая постановка задачи ..............................................................35

1.6. Основные результаты......................................................................................38

2. АЛГОРИТМЫ ОЦЕНИВАНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ КООРДИНАТ...................................................................................................39

2.1. Алгоритм моноимпульсного метода..............................................................39

2.2. Алгоритм фазового метода ............................................................................41

2.3. Учет неоднозначности измерения фаз...........................................................43

2.4. Алгоритм метода восстановления амплитуд ................................................47

2.5. Алгоритм метода максимума амплитуды......................................................49

2.6. Основные результаты......................................................................................51

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ АЛГОРИТМОВ ОЦЕНИВАНИЯ КООРДИНАТ......................................................................52

3.1. Условия компьютерного моделирования работы алгоритмов.....................52

3.2. Исследование точности работы алгоритмов.................................................54

3.2.1. Переднебоковой режим наблюдения при одном элементе

отражения на каждой частоте.....................................................................54

3.2.2. Переднебоковой режим наблюдения при нескольких элементах

отражения на каждой частоте .....................................................................60

3.2.3. Передненижний режим наблюдения при нескольких элементах отражения на каждой частоте.....................................................................63

3.2.4. Общий режим наблюдения .........................................................................64

3.2.5. Доверительный интервал ошибок оценивания...........................................66

3.3. Оценка вычислительной сложности алгоритмов...........................................68

3.4. Сравнительный анализ с альтернативными подходами................................72

3.5. Аспекты технической реализации .................................................................78

3.6. Основные результаты......................................................................................81

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................................................83

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...................................................................................85

ПРИЛОЖЕНИЯ

П1. Акт внедрения..................................................................................................95

П2. Блок-схемы алгоритмов .................................................................................96

ПЗ. Блок-схема моделирования...........................................................................103

П4. Компьютерные программы моделирования.................................................107

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

АР - антенная решетка

АЦП - аналого-цифровой преобразователь

БПФ - быстрое преобразование Фурье

ДН - диаграмма направленности

ДНА - диаграмма направленности антенны

ДОЛ - доплеровское обужение луча

ДПФ - дискретное преобразование Фурье

КГ - когерентный генератор

ЛА - летательный аппарат

МВП - маловысотный полет

ОЗУ - оперативное запоминающее устройство

РЛ - радиолокационный

РЛИ - радиолокационное изображение

2Б-РЛИ - двумерное РЛИ

ЗО-РЛИ - трехмерное РЛИ

РЛС - радиолокационная станция

СВР - сверхвысокое разрешение

СКО - среднеквадратическое отклонение

С/Ш - отношение сигнал-шум

УПЧ — усилитель промежуточной частоты

ФД - фазовый детектор

ФНЧ - фильтр нижних частот

ЦОС - цифровая обработка сигналов

ЦСП - цифровой сигнальный процессор

В диссертации приняты следующие условные обозначения:

К ~ заданное число элементов дискретизации

Ь ~ линия изодопы

М ~ точка отражения на земной поверхности

Р - вероятность

Я - наклонная дальность

(р - азимут

в ~ угол места

« - угол между вектором луча отражения ОМ и вектором

скорости V движения носителя РЛС

2с1 - базовое расстояние между приемными элементами АР

р - аддитивный нормальный комплексный белый шум д, I у, к, I - индексы

х,у,г - пространственные координаты

У - мультипликативная помеха

р - коэффициент рассеяния элемента поверхности

<5 - отклонение центра приемного элемента антенны от

фронта волны, достигшей центра антенны

т - время задержки

^ - фазовый сдвиг при отражении

ф - начальная фаза

£ - случайная составляющая фазы

?} — нормальный белый фазовый шум

£ - случайное изменение фазы

о - СКО ошибки

* - символ БПФ

А - символ оценки

СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ

Децимация - уменьшение частоты дискретизации сигнала путём удаления его промежуточных отсчётов.

Доплеровское обужение луча - способ синтезирования апертуры антенны за счет узкополосной доплеровской фильтрации.

Изодопа - линия уровня доплеровской частоты.

Кэширование - размещение данных в специально отведенном месте для ускоренного доступа к ним в будущем.

Метод оценивания MUSIC - статистический метод, основанный на разложении корреляционной матрицы на собственные числа и векторы.

Пеленгация - определение направления на какой-либо объект - его угловых координат.

Псевдообратная матрица - обобщение понятия обратной матрицы в линейной алгебре.

Радиовидение - получение видимого изображения объектов с помощью радиоволн.

Радиолокационная тень - область невидимости - образуется вследствие прямолинейного распространения радиоволн и их отражения от преград.

Сегментация изображения - разбиение изображения на непересекающиеся подобласти, однородные по некоторому признаку.

Синтезирование апертуры антенны - технический прием, позволяющий существенно повысить разрешающую способность бортовой РЛС и получить детальное изображение радиолокационной карты местности.

Стробирование по дальности - выделение части отраженного сигнала на малом промежутке времени, соответствующем элементу разрешения по дальности.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Алгоритмы оценивания пространственных координат элементов земной поверхности в доплеровских системах радиовидения»

ВВЕДЕНИЕ: ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Последние десятилетия свидетельствуют о появлении новых областей инженерной деятельности на стыке радиотехники, телевидения, радиолокации и радионавигации. Ярким примером этого является область радиовидения, в которой для получения развертки изображения участка земной поверхности после его радиолокационного зондирования и обработки отраженных сигналов в тракте одного канала первичной обработки используется узкополосная доплеровская фильтрация. Такая развертка осуществляется по типу телевизионного (ТУ) изображения, в котором столбцами являются элементы разрешения доплеровской частоты. Дополненная элементами разрешения по дальности как строками, она дает двумерное (20) радиолокационное изображение (РЛИ) участка земной поверхности, подобное ТУ-изображению. Формирование 20-РЛИ имеет определенные преимущества по сравнению с получением оптических изображений - это слабая зависимость от метеоусловий и возможность работы в любое время суток.

Другой тенденцией последнего времени является формирование трехмерного РЛИ (ЗБ-РЛИ) земной поверхности. Это означает получение совместно с 2Б-РЛИ участка местности некоторой карты высот, или, говоря телевизионным языком, получение цветного изображения рельефа местности с градацией цветности по высоте, что позволяет в реальном времени и в любых условиях ориентироваться на местности и выбирать наиболее безопасный маршрут для летательного аппарата - ЛА (самолета, вертолета и др.), идущего на малой высоте.

Примером может служить бортовая информационная система посадки гражданских самолетов в плохих метеоусловиях с использованием алгоритмов ЗО-радиовидения. В составе такой системы присутствует алгоритм измерения пространственных координат отражающих элементов земной поверхности. Совокупность измеренных координат передается на алгоритм отображения, позволяющий пилоту ЛА наблюдать рельеф местности. Для посадки на аэродром

наиболее информативными являются координаты высотных элементов земной поверхности и объектов на поверхности, которые находятся на линии полета. От точности измерения координат таких элементов зависит безопасность посадки JIA. Проблема заключается в том, что бортовые PJIC, работающие в режиме реального луча (низкого разрешения), не обладают необходимой точностью измерения пространственных координат элементов земной поверхности. А бортовые PJIC, работающие в режиме доплеровского "обужения" луча - ДОЛ (среднего разрешения), основанные на доплеровской фильтрации, потенциально обладают необходимой точностью, но не имеют соответствующего алгоритмического обеспечения. Объективная необходимость развития всепогодных бортовых систем радиовидения стимулирует разработку новых и эффективных по точности и быстродействию алгоритмов измерения пространственных координат рельефа местности на базе бортовой РЛС, работающей в режиме ДОЛ. В этом состоит актуальность данной работы.

Степень разработанности проблемы. Предпосылки создания современных систем радиовидения - новая элементная база в радиоэлектронной промышленности, а также развитие теории радиотехники, радиолокации и цифровой обработки сигналов в направлении радиовидения.

Значительный вклад в развитие радиотехники и радиолокации внесли такие ученые, как Бакулев П.А., Бакут П.А., Большаков И.А., Левин Б.Р., Репин

B.Г., Сосулин Ю.Г., Тартаковский Г.П., Тихонов В.И., Финкельштейн М.И., Ширман Я.Д. и др., в развитие радиовидения - Бойко Б.В., Буренин Н.И., Го-ряинов В.Т., Караваев В.В., Комаров A.A., Кондратенков Г.С., Кулин А.Н., Мельник Ю.А., Митник Л.Н., Михайлов Б.А., Потехин В.А., Реутов А.П., Саб-лин В.Н., Толстов Е.Ф. и др., в развитие цифровой обработки сигналов (ЦОС) -Витязев В.В., Гольденберг Л.М., Гоулд Б., Марпл.-мл. С.Л., Оппенгейм A.B., Рабинер Л., Хемминг P.M., Шафер Р.В. и др., а также зарубежные ученые -Bearse S.V., Hansen R.C., Harger R.O., Iain A., Kovaly 1.1., Raney R.K., Shervin

C.W., Wiley C.A. и др.

Цель диссертации заключается в повышении эффективности бортовых систем радиовидения, работающих в режиме ДОЛ, при посадке гражданского самолета на аэродром за счет разработки алгоритмов оценивания пространственных координат элементов земной поверхности, позволяющих увеличить точность измерения координат и быстродействие при выполнении операций.

Задачи исследования. Поставленная цель достигается путем решения следующих основных задач:

1. Разработка математической модели системы наблюдения с несколькими пространственными каналами.

2. Разработка алгоритмов оценивания пространственных координат элементов отражения земной поверхности на основе построенной модели.

3. Исследование точности предложенных алгоритмов и оценка их вычислительной сложности.

4. Сравнительный анализ разработанных алгоритмов с известными альтернативными подходами.

Методы исследования. Для решения перечисленных задач используется современный аппарат математического анализа, линейной алгебры, цифровой обработки сигналов, теории оценивания и статистической радиотехники. Активно применяется метод компьютерного моделирования.

Научная новизна выносимых на защиту результатов определяется следующими положениями по созданию новых алгоритмов оценивания пространственных координат элементов земной поверхности:

1. Разработка математической модели системы наблюдения.

2. Разработка алгоритма выделения спектральных отсчетов.

3. Разработка алгоритмов оценивания пространственных координат на основе выделенных отсчетов с использованием различных методов оценивания.

На защиту выносятся следующие новые научные результаты.

1. Математическая модель системы наблюдения, отличающаяся учетом нескольких пространственных каналов в доплеровской РЛС, что позволяет на её основе разрабатывать более точные и быстродействующие алгоритмы оценивания пространственных координат элементов земной поверхности.

2. Алгоритм выделения спектральных отсчетов, полученных одновременно в нескольких пространственных каналах на одинаковых частотах, позволяющий получать несколько измерений для каждого элемента поверхности.

3. Алгоритмы оценивания пространственных координат элементов поверхности, отличающиеся методами обработки выделенных спектральных отсчетов - моноимпульсным методом, фазовым методом, методом восстановления и методом максимума амплитуды, позволяющие получать оценки с погрешностью до 1 м на дальности 1 км, что в 10 раз точнее по сравнению с алгоритмами, учитывающими только один пространственный канал, а также увеличивать быстродействие как минимум в 5 раз по сравнению с альтернативными алгоритмами.

Практическая ценность работы. Разработанные алгоритмы при их реализации в бортовых вычислителях позволяют повысить эффективность функционирования алгоритмов радиовидения, то есть с большей точностью и быстродействием оценивать пространственные координаты высотных препятствий по линии полета в условиях отсутствия оптической видимости, что повышает безопасность посадки гражданских самолетов в сложных метеоусловиях.

Достоверность полученных результатов определяется корректностью математической модели, ее соответствием радиотехническим описаниям, корректностью математических преобразований на основе построенной модели при разработке алгоритмов, подтверждением работоспособности алгоритмов компьютерным моделированием, применением разных подходов к оцениванию пространственных координат и получением близких результатов.

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты диссертации внедрены в лабораторный практикум Рязанского государственного радиотехнического университета в виде лабораторной работы, предназначенной для магистрантов, обучающихся по направлению «Радиотехника», а также для слушателей курсов повышения квалификации по дополнительной программе подготовки «Авиационное приборостроение». Внедрение подтверждается актом в приложении.

Личное участие автора в проведении исследований. Автору принадлежат на правах соавтора математическая модель системы наблюдения, математическая постановка задачи и алгоритмы ее решения, отраженные в главах диссертации, а также компьютерное моделирование работы алгоритмов. Факт авторства и соавторства подтверждается списком публикаций.

Апробация работы. Результаты исследований, составляющих основное содержание диссертации, докладывались на 4 международных и 1 всероссийской (с международным участием) научно-технических конференциях: 2-nd Mediterranean Conference on Embedded Computing MECO-2013 (Budva, Montenegro, June 2013); 6-й Международной научно-технической конференции «Космонавтика. Радиоэлектроника. Геоинформатика» (Рязань, 1 - 3 октября 2013 г); 11-th IEEE East-West Design & Test Symposium EWDTS-2013 (Ростов-на-Дону, 27 - 30 сентября 2013 г.); 15-й Международной конференции «Цифровая обработка сигналов и ее применение DSPA-2013» (Москва, 27 - 29 марта 2013 г.); 4-й Всероссийской конференции (с международным участием) «Радиоэлектронные средства получения, обработки и визуализации информации» РСПОВИ-2014 (Нижний Новгород, 24 - 26 сентября 2014 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 статей в изданиях, рекомендованных ВАК, 1 патент на способ, 5 тезисов докладов на международных и всероссийских конференциях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения, библиографического списка и приложения. Общий объем работы составляет 120 е., в том числе основной текст - 94 е., 21 рисунок, 36 таблиц, библиографический список из 102 наименований на 10 е., приложение - 16 с.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы.

В первой главе произведен аналитический обзор источников, показавший тенденции развития радиотехники и радиолокации в направлении 2Б-радиовидения, а также теории цифровой обработки сигналов. На стыке этих направлений появляется подход к разработке алгоритмов формирования ЗБ-РЛИ, основанный на оценивании пространственных координат поверхности.

Дана физическая постановка задачи оценивания пространственных координат элементов земной поверхности применительно к бортовой доплеровской РЛС при посадке гражданского самолета на аэродром в незнакомой местности при плохой оптической видимости. Показана структурная схема первичной обработки принимаемых сигналов, традиционно используемая в системе 2Б-радиовидения с одним пространственным каналом и отмечена ее низкая точность измерения координат. Поставлена задача повышения точности работы такой системы. Показано направление решения задачи в сторону увеличения числа пространственных каналов первичной обработки и оценивания пространственных координат элементов отражения. Дано обоснование и графическая иллюстрация преимущества нескольких каналов по сравнению с одним.

Разработана математическая модель тракта первичной обработки принимаемых сигналов в системе наблюдения с несколькими пространственными каналами, позволяющая извлекать информацию о пространственных координатах элементов отражения из нескольких комплексных измерений. В рамках разработанной модели предложен алгоритм выделения спектральных отсчетов, из-

меренных одновременно в нескольких пространственных каналах на одинаковых частотах и соответствующих элементам отражения земной поверхности.

Во второй главе разработаны алгоритмы оценивания пространственных координат элементов поверхности, основанные на разных подходах к обработке выделенных спектральных отсчетов. При этом используется моноимпульсный метод (алгоритм 1), фазовый метод (алгоритм 2), метод восстановления (алгоритм 3) и метод максимума амплитуды (алгоритм 4). Последовательность изложения алгоритмов соответствует логике развития работы.

Первый алгоритм отличается простотой вычисления суммарного и двух разностных сигналов при нахождении оценок на линейной части пеленгацион-ных характеристик. Он позволяет находить оценки на каждой выделенной частоте независимо от уравнения изодопы этой частоты, то есть при любом допустимом положении вектора скорости движения носителя РЛС. Однако алгоритм 1 обладает низкой помехозащищенностью.

Второй алгоритм, основанный на вычислении разности фаз в парных каналах, обладает большей точностью и помехозащищенностью, так как часть случайных составляющих фазы, действующих во всех каналах синфазно, исчезает при вычитании. Так, как и в алгоритме 1 изменение положения вектора скорости не влияет на работу алгоритма 2. Вместе с тем оба алгоритма обладают недостатком: их точность тем ниже, чем больше размеры отражающего элемента поверхности на каждой частоте. Это ограничивает их применение наблюдением гладких поверхностей с одним элементарным отражателем на каждой частоте.

В третьем алгоритме сделана попытка избавиться от указанного недостатка за счет получения распределения комплексных амплитуд отражающих элементов вдоль изодопы, уравнение которой известно в зависимости от частоты и положения вектора скорости. Однако увеличение числа приемных элементов плоской антенной решетки (АР) и применение более сложного метода вос-

становления комплексных амплитуд не привело к желаемому результату: алгоритм 3 стал проигрывать алгоритмам 1 и 2 в точности оценивания координат.

Поиск решения привел к четвертому алгоритму, в котором распределение амплитуд было получено без применения сложных операций восстановления и с меньшим количеством приемных элементов за счет конструктивного расположения элементов линейной АР. Алгоритм 4 показал хорошие результаты по точности при наблюдении протяженных элементов отражения на каждой частоте для частных случаев переднебокового и передненижнего обзоров. К недостатку алгоритма 4 можно отнести его зависимость от точного знания положения вектора скорости и его величины, что не являлось принципиальным для алгоритмов 1 и 2. Возможно комбинированное (адаптивное) применение алгоритмов 2 и 4 как наиболее точных в определенных условиях наблюдения.

В третьей главе свойства предложенных алгоритмов подлежали численному анализу с помощью компьютерного моделирования. С этой целью было разработано соответствующее программное обеспечение. Исследование точности работы алгоритмов с помощью разработанных компьютерных программ проводилось в условиях различного рода помех: аддитивного шума, мультипликативной помехи, фазового шума, изменения скорости движения, при наличии точечных и протяжённых элементов отражения, а также при разных режимах наблюдения. В описании условий моделирования приводятся конкретные параметры системы наблюдения, указываются режимы наблюдения и задается модель участка земной поверхности. Анализ результатов моделирования подтверждает свойства предложенных алгоритмов: алгоритмы 2 и 4 отличаются от остальных повышенной точностью в определенных режимах наблюдения. Рекомендуется их комбинированное применение на базе существующих бортовых доплеровских систем радиовидения.

Для оценки эффективности предложенных алгоритмов оценивания координат по сравнению с альтернативными подходами, сопоставимыми по точности, рассматривались такие методы, как пространственное восстановление по-

лей отражения, формирование матрицы высот за счет сканирования по углу места, применение интерферометрической системы, измерение координат с помощью радиолокационной тени. По каждому подходу дана оценка сложности реализации соответствующего алгоритма. Показано, что при точности измерения координат, соизмеримой с точностью предлагаемых алгоритмов (за исключения высокоточного интерферометрического метода), сложность реализации альтернативных алгоритмов как минимум в 5 раз выше сложности предлагаемых алгоритмов оценивания.

Показано также, что оценка вычислительной сложности предложенных алгоритмов линейно возрастает с увеличением числа частот при параллельной обработке сигналов в элементах дальности и имеет квадратичную зависимость при последовательной обработке в элементах дальности. Произведена оценка затрат на реализацию предложенных алгоритмов с помощью современной элементной базы вычислительной техники, которая показала возможность реализации алгоритмов в существующих бортовых системах радиовидения в реальном масштабе времени.

В заключении формулируются основные результаты работы.

В приложении к диссертации содержатся акт внедрения, блок-схемы алгоритмов и программы компьютерного моделирования.

Работа выполнена на кафедре эконометрики и математического моделирования (ЭиММ) Рязанского государственного радиотехнического университете под руководством доктора технических наук, доцента, заведующего кафедрой ЭиММ Клочко Владимира Константиновича.

1. ЗАДАЧА ОЦЕНИВАНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ КООРДИНАТ ЭЛЕМЕНТОВ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ

1.1. Аналитический обзор источников

Развитие современного понимания задачи оценивания координат при формировании ЗО-РЛИ и состояние математического обеспечения для решения этой задачи, отраженное в научно-технической литературе, сводится к следующему. Информацию о поверхности и объектах на поверхности несет электромагнитное поле отражения. Это поле образует пространственно-временной сигнал. Традиционной задачей пространственно-временной обработки полученных сигналов является определение положения и характеристик объектов, порождающих поле. Решение данной задачи с позиции теории пространственно-временной обработки сигналов понимается как синтез оптимальных в том или ином смысле систем обработки и анализ качества их работы. В таком идейном плане развивалась теория пространственно-временной обработки сигналов в работах Бакута П.А., Кремера И.Я., Фальковича С.Е. и др. [63, 79, 83], близкая к теории случайных полей [71]. В силу сложности строгих математических описаний полей отражения во времени развивались квазиоптимальные подходы к синтезу систем обработки и получило распространение на практике разделение пространственно-временной обработки на первичную и вторичную, например, в работах Кузьмина С.З., Лихарева В.А., Тихонова В.И. и др. [34, 43, 80]. При этом режимы работы и соответственно математические методы обработки информации в основном ориентировались на воздушные объекты.

Параллельно активно развивались системы радиовидения в режимах низкого, среднего, высокого и сверхвысокого разрешения изображений. Значительный вклад в развитие теории радиовидения внесли российские ученые -Бойко Б.В., Буренин Н.И., Горяинов В.Т., Караваев В.В., Комаров A.A., Конд-ратенков Г.С., Кулин А.Н., Мельник Ю.А., Митник Л.Н., Михайлов Б.А., Поте-хин В.А., Реутов А.П., Саблин В.Н., Толстов Е.Ф. и др. [8, 32, 33, 66 - 70, 81], а

также зарубежные ученые - Bearse S.V., Hansen R.C., Harger R.O., Iain A., Kovaly I.I., Raney R.K., Shervin C.W., Wiley C.A. и др. [91, 93 - 96, 98, 99, 102].

Развитие систем радиовидения напрямую связано с достижениями современной радиотехники и, в частности, с методами теории цифровой обработки сигналов. Значительный вклад в развитие теории радиотехники внесли такие ученые, как Бакулев П.А., Большаков И.А., Левин Б.Р., Репин В.Г., Сосулин Ю.Г., Тартаковский Г.П., Тихонов В.И., Финкельштейн М.И., Ширман Я.Д. и др. [4, 5, 14, 40 - 42, 72, 78 - 80, 84, 85, 90], а в развитие теории цифровой обработки сигналов: Витязев В.В., Гольденберг Л.М., Гоулд Б., Марпл.-мл. С.Л., Оппенгейм A.B., Рабинер Л., Харкевич A.A., Хемминг Р.Н., Шафер Р.В. и др. [13,16, 17, 44, 53,64, 77, 86, 87].

Применение радиотехнических средств получения изображений не ограничивается только наблюдениями земной поверхности. Известно, например, формирование изображений в системе ультразвукового зондирования в работах Курикши A.A. [35], в том числе с использованием многоканальных приемных систем с антенными решетками (АР) в работах Черемисина О.П. [89]. Однако приоритетное направление развития получили бортовые системы радиовидения летательных аппаратов [1, 2, 3, 7, 10, 11, 65, 76, 81, 97], работающие в режиме реального луча или синтезирования апертуры, а также многофункциональные бортовые системы специального назначения для маневренных полетов [1, 2, 18, 73, 76, 82, 92].

Вместе с тем в литературе мало внимания уделяется системам радиовидения, предназначенным для информационного обеспечения маловысотных полетов (МВП) и, в частности, для посадки гражданских самолетов на аэродром или в незнакомой местности. Несмотря на важность такого вопроса, концепция информационного обеспечения глубоко не изучалась и ограничивалась лишь получением плоских срезов РЛИ по дальности [36, 74]. Однако именно для информационных систем безопасной посадки самолетов особенно важна информация о высоте рельефа местности и препятствиях по линии полета.

Задача измерения пространственных координат элементов земной поверхности известна в литературе как задача измерения высоты рельефа местности, например, [20 - 24, 33, 45, 47, 55 - 61]. Существуют интерферометрические методы измерения высоты с помощью двух пространственно разнесенных антенн [33], однако их применение для посадки самолетов проблематично. Известна модификация интерферометрического метода [6], в котором пространственное разнесение антенн заменяется перемещением по определенной траектории. Однако это проблематично реализовать при посадке на аэродром.

Также существуют амплитудные методы, основанные на сканировании луча в вертикальном направлении [45, 58, 61]. Однако их применение требует многократного повторения операций для формирования нескольких матриц 2Б-РЛИ. Известны методы стереопары [88], применяемые обычно для измерения высоты в оптических и тепловизионных изображениях [38], в том числе в системах космического мониторинга земной поверхности [52]. Эффект стереопары получается за счет движения по определенной траектории относительно земной поверхности и обработки 20-изображений, полученных при съемке с различных точек наблюдения. При посадке самолета такой подход также неприменим из-за ограничений во времени и неудобства его реализации.

Высоту рельефа местности можно измерять с помощью радиолокационной тени, различаемой на 2Б-РЛИ [33, 45, 60]. Однако такой подход ограничен в применении, так как тень может давать рассеивающая лучи водная поверхность или поверхность с поглощением излучения.

Существует направление в режиме реального луча, или низкого разрешения, основанное на восстановлении амплитуд пространственных полей отражения в элементах дискретизации поля [9, 10, 15, 22 - 24, 45, 59]. Такие методы основаны на решении обратной задачи восстановления (реконструкции) изображения с помощью алгебраических преобразований [37, 45]. Они реализуются как во временной, так и в частотной областях [45]. Но, как отмечается в [23], эффект от применения таких методов невысок. Удается уменьшить ширину

синтезированной ДНА (и соответственно повысить точность оценивания) не более чем в 3 раза. Такой эффект можно получить и более простым способом.

В работе [47] предлагается применять 3-мерное преобразование Фурье для формирования ЗБ-РЛИ. Однако не указывается путь практической реализации метода, так как он требует значительных вычислительных затрат.

Наибольший интерес представляют подходы [24, 45, 55, 57], основанные на использовании узкополосной доплеровской фильтрации одновременно в нескольких пространственных каналах с последующим получении оценок пространственных координат отражающих элементов поверхности. Так как обработка данных осуществляется независимо (параллельно) в нескольких каналах, то быстродействие многоканальной системы практически совпадает с быстродействием одноканальной, но точность оценивания координат многократно повышается. Данные подходы обладают алгоритмической незавершенностью и требуют своего дальнейшего развития и исследования [25 - 31, 48 - 50, 62].

Примером использования одного пространственного канала с применением доплеровской фильтрации является метод [20, 56], позволяющий находить границы пространственно-протяженных элементов разрешения, в которых находятся отражающие элементы поверхности. Точность определения координат элементов отражения здесь низкая. Такой метод может быть прототипом.

Подводя итог, следует остановить выбор на доплеровской системе радиовидения с наличием нескольких пространственных каналов, как наиболее отвечающей требованию повышения точности измерения координат, что позволяет различать и распознавать изображения объектов на РЛИ [51]. Точность измерения пространственных координат отражающих элементов земной поверхности будем считать удовлетворительной, если средняя ошибка оценивания положения элементарного отражателя и среднеквадратическое отклонение (СКО) этой ошибки соизмеримы с разрешающей способностью системы наблюдения по дальности. В работе эта цифра принята на уровне 1 м при наблюдении на дальности Я = 1 км и подтверждается расчетом доверительного интервала.

1.2. Физическая постановка задачи

Рассмотрим физическую постановку задачи оценивания пространственных координат элементов земной поверхности на базе бортовой доплеровской РЛС при посадке гражданского самолета на аэродром в незнакомой местности при плохой оптической видимости. В таких условиях автоматизированная система посадки может отсутствовать, и решение следует принимать на основе РЛИ. Пусть бортовая импульсная доплеровская РЛС, работающая в миллиметровом или сантиметровом диапазоне длин волн в режиме высокочастотного повторения импульсов, формирует узкий луч, круговая диаграмма направленности (ДН) которого на уровне 0,5 мощности составляет 1° - 2° по азимуту и углу места. Принятый в одном пространственном канале периодический сигнал 5(7) проходит тракт первичной обработки, включающий усиление промежуточной частоты (УПЧ), фазовое детектирование, низкочастотную фильтрацию, аналого-цифровое преобразование (АЦП) и стробирование по дальности (во времени /). Запомненная в ОЗУ для каждого /-го элемента (пояса) дальности , / = 1 ,т (т - число элементов дальности), комплексная временная последовательность ), у = (Ы- объем выборки), подается на блок быстрого преобразования Фурье (БПФ). Порядок преобразований показан на рисунке 1.1.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Нгуен Чунг Тхык, 2015 год

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Антипов В.Н., Меркулов В.И., Самарин О.Ф., Чернов B.C. Основные направления развития авиационных бортовых РЛС // Успехи современной радиоэлектроники. 2009. № 10. С. 7 - 28.

2. Артемьев А.И., Канащенков А.И., Меркулов В.И., Самарин О.Ф., Чернов B.C. Вертолетные радиолокационные системы // Успехи современной радиоэлектроники. 2011. № 10. С. 4-26.

3. Бабич O.A. Обработка информации в навигационных комплексах. М.: Машиностроение, 1991. 512 с.

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

5. Бакулев, П.А., Сосновский A.A. Радиолокационные и радионавигационные системы: Учеб. пособие для вузов. М.: Радио и связь. 296 с.

6. Баскаков А.И., Шимкин П.Е. Исследование потенциальной точности определения местного рельефа авиационным интерферометрическим РСА при переднебоковом обзоре // Радиотехника. 2013. № 10. С. 71 - 74.

7. Борзов А.Б., Быстрое Р.Г., Дмитриев В.Г. и др. Радиолокационные системы: научно-технические достижения и проблемы развития миллиметрового диапазона радиоволн // Зарубежная радиоэлектроника. Успехи современной радиоэлектроники. 2001. № 4. С. 18 - 80. № 5. С. 3-49.

8. Буренин Н.И. Радиолокационные станции с синтезированной антенной. М.: Сов. Радио, 1972. 160 с.

9. Василенко Г.И., Тараторин A.M. Восстановление изображений. М.: Радио и связь, 1986. 304 с.

10. Величкин А.И., Карпов O.A., Таланцев В.В., Толстов Е.Ф. Повышение разрешающей способности авиационной РЛС при наблюдении вперед // Радиотехника. 1998. № 12. С. 12 - 18.

11. Верба B.C., Васильев A.B., Меркулов В.И., Чернов B.C. Радиолокационные системы авиационных комплексов радиолокационного дозора и наведения // Успехи современной радиоэлектроники. 2013. № 4. С. 3 - 16.

12. Витязев В.В., Колодько Г.Н., Витязев C.B. Способы и алгоритмы формирования радиолокационного изображения в режиме доплеровского обу-жения луча // Цифровая обработка сигналов, 2006. № 3. С. 31-41.

13. Витязев В.В. Цифровая частотная селекция сигналов. М.: Радио и связь. 1993. 240 с.

14. Вопросы статистической теории радиолокации в 2-х т. / П.А. Бакут, И.А. Большаков, Б.М. Герасимов и др.; Под ред. Г.П. Тартаковского. М.: Сов. радио. 1963. Т 1.424 с.

15. Габриэльян Д.Д., Лысенко A.B. Особенности формирования пеленга-ционного рельефа плоской антенной решеткой при использовании методов сверхразрешения //Успехи современной радиоэлектроники. 2013. № 8. С. 88.

16. Гадзиковский В.И. Цифровая обработка сигналов. Солон-Пресс. 2013.

766 с.

17. Гольденберг Л.М. и др. Цифровая обработка сигналов: Учеб. пособие для вузов. М.: Радио и связь. 1990. 256 с.

18. Дудник П.И., Ильчук А.Р., Татарский Б.Г. Многофункциональные радиолокационные системы. Уч. пособие для вузов. /Под ред. Б.Г.Татарского, М.: Дрофа, 2007. - 283 с.

19. Защита радиолокационных систем от помех. Состояние и тенденции развития / Под ред. А.И. Канащенкова и В.И. Меркулова. М.: Радиотехника. 2003.416 с.

20. Клочко В.К. Методика определения координат доплеровских элементов разрешения бортовой радиолокационной системы при получении трехмерных изображений поверхности // Автометрия. 2002. № 6. С. 12 - 20.

21. Клочко В.К. Пространственно-временная обработка информации бортовой PJIC при получении трехмерных изображений поверхности // Радиотехника. 2004. № 6. С. 3 - 11.

22. Клочко В.К. Методы формирования трехмерных изображений поверхности в бортовых системах радиовидения // Автометрия. 2009. № 1. С. 23 -33.

23. Клочко В.К. Сверхразрешение в системах наблюдения с антенной решеткой при синтезе изображения земной поверхности // Автометрия. 2012. № 1. С. 50-55.

24. Клочко В.К., Мойбенко В.И. Формирование трехмерного изображения по данным бортовой РЛС маловысотного полета // Цифровая обработка сигналов. 2009. № 1. С. 18 - 20.

25. Клочко В.К., Нгуен Ч.Т. Математическая модель системы формирования трехмерных радиоизображений на основе доплеровской фильтрации и оценивания координат // Вестник Рязанского государственного радиотехнического университета. 2013. № 2 (выпуск 44). С. 11 - 18.

26. Клочко В.К., Усачев А.Н., Нгуен Ч.Т. Алгоритм формирования изображений объектов на основе фазового метода измерения пространственных координат // Вестник Рязанского государственного радиотехнического университета. 2014. № 3 (выпуск 49). Часть 1. С. 128 - 131.

27. Клочко В.К., Нгуен Ч.Т. Алгоритмы формирования трехмерного изображения земной поверхности в бортовой доплеровской РЛС // Успехи современной радиоэлектроники. 2014. № 10. С. 44 - 49.

28. Клочко В.К., Нгуен Ч.Т. Сравнительный анализ алгоритмов формирования трехмерных изображений земной поверхности в бортовой доплеровской РЛС // Вестник Рязанского государственного радиотехнического университета. 2014. № 4 (выпуск 50). С. 11 - 17.

29. Клочко В.К., Витязев C.B., Нгуен Ч.Т. Формирование трехмерных радиоизображений в системах доплеровской фильтрации // Тез. докл. «2nd Medi-

terranean Conference on Embedded Computing» (MECO-2013), 15-20 июня 2013. Харьков: ХНУР, 2013. С. 121 - 123.

30. Клочко В.К., Нгуен Ч.Т. Формирование трехмерного радиоизображения земной поверхности с помощью антенной решетки // Тез. докл. 6-й Между-нар. Науч.-техн. конференции «Космонавтика. Радиоэлектроника. Геоинформатика», 1 - 3 октября 2013. Рязань: РГРТУ, 2013. С. 147 - 149.

31. Клочко В.К., Нгуен Ч.Т. Сверхвидение в бортовых системах с антенной решеткой // Тез. докл. «11th IEEE East-West Design & Test Symposium» (EWDTS-2013), 27-30 сентября 2013. Харьков: ХНУР, 2013. С. 297-300.

32. Кондратенков Г.С., Потехин В.А., Реутов А.П., Феоктистов Ю.А. Радиолокационные станции обзора Земли / Под ред. Г.С. Кондратенкова. М.: Радио и связь, 1983. 272 с.

33. Кондратенков Г.С., Фролов А.Ю. Радиовидение. Радиолокационные системы дистанционного зондирования Земли. Учебное пособие для вузов / Под ред. Г.С. Кондратенкова. М.: "Радиотехника", 2005. 368 с.

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

35. Курикша A.A. Исследование моноимпульсного метода формирования изображений в системе ультразвукового зондирования // Радиотехника и электроника. 2006. №9. С. 1108-1115.

36. Курилкин В.В., Калинин М.В., Красильщиков М.Н. Формирование концепции информационного обеспечения маловысотного полета боевого вертолета. Тез. докл. Всеросс. НТК "Проблемы совершенствования робототехни-ческих и интеллектуальных систем JIA". М: МАИ, 1996.

37. Лаговский Б.А., Самохин А.Б., Самохина A.C. Формирование изображений радиолокационных целей со сверхразрешением алгебраическими методами// Успехи современной радиоэлектроники. 2014. № 8. С. 23 -27.

38. Лазерные системы видения: учеб. пособие / В.Е. Карасик, В.М. Орлов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. 352 с.

39. Леонов А.И., Фомичев К.И. Моноимпульсная радиолокация. М.: Радио и связь, 1984. 312 с.

40. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. М.: Сов. радио. 1974. Кн.1. 552 с.

41. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. М.: Сов. радио. 1975. Кн.2. 392 с.

42. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. М.: Сов. радио. 1976. Кн.З. 288 с.

43. Лихарев В.А. Цифровые методы и устройства в радиолокации. М.: Сов. Радио, 1973. 456 с.

44. Марпл.-мл. С.Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения: Пер. с англ. М.: Мир. 1990. 584 с.

45. Математические методы восстановления и обработки изображений в радиотеплооптоэлектронных системах / В.К. Клочко. Рязань: РГРТУ, 2009. 228 с.

46. Монзинго Р. А., Миллер Т.У. Адаптивные антенные решетки: Введение в теорию / Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1986. 448 с.

47. Нестеров С.М., Скородумов И.А., Устименко Л.Г. Метод формирования трехмерных радиолокационных изображений объектов // Радиотехника. 2011. № 1.С. 64-66.

48. Нгуен Ч.Т. Алгоритмы формирования трехмерных радиоизображений на основе доплеровской фильтрации и оценивания координат // Вестник Рязанского государственного радиотехнического университета. 2013. № 3 (выпуск 45). С. 27-31.

49. Нгуен Ч.Т. Формирование трехмерных радиоизображений на основе доплеровской фильтрации и оценивания координат // Тез. докл. 15-й Международной конференции «Цифровая обработка сигналов и ее применение» -(DSPA-2013), 27-29 марта 2013. М.: РНТОРЭС им. А. С. Попова, 2013. Том 1. С. 394-397.

50. Нгуен Ч.Т. О возможности формирования трехмерного радиоизображения земной поверхности в бортовой доплеровской PJIC // Тез. докл. 4-й Всероссийской конференции (с международным участием) «Радиоэлектронные средства получения, обработки и визуализации информации» (РСГ10ВИ-2014), 24 - 26 сентября 2014. Нижний Новгород: РНТОРЭС им. А. С. Попова, 2014. С. 221 -225.

51. Обнаружение и распознавание объектов радиолокации / под ред. A.B. Соколова. М.: Радиотехника, 2006. 176 с.

52. Обработка изображений в геоинформационных системах: учеб. пособие / В.К. Злобин, В.В. Еремеев, А.Е. Кузнецов. Рязан. гос. радиотехн. ун-т. Рязань, 2006. 264 с.

53. Оппенгейм A.B., Шафер Р.В. Цифровая обработка сигналов. М.: Связь. 1979. 416 с.

54. Орлов М.С., Винокуров С.А., Чернов A.B. Отображение радиолокационных изображений поверхности Земли на экране бортового индикатора при секторном или телескопическом обзоре // Радиотехника. 2006. № 11. С. 40 - 45.

55. Патент RU 2 351 949 С1. Способ измерения высоты и формирования трехмерного изображения поверхности по данным бортовой импульсно-доплеровской PJ1C маловысотного полета / В.К. Клочко, В.И. Мойбенко. МПК: G01S 13/89. Приоритет 21.09.2007. Опубл.: 10.04. 2009. Бюл. № 10.

56. Патент RU 2 299 448 С2. Способ получения трехмерного изображения поверхности по данным бортовой PJ1C маловысотного полета / В.К. Клочко. МПК: G01S 13/02, 13/72. Приоритет 26.07.2005. Опубл.: 20.05. 2007. Бюл. № 14.

57. Патент RU 2 334 250 С1. Способ формирования трехмерного изображения поверхности с высотными объектами по данным бортовой импульсно-доплеровской РЛС / В.К. Клочко. МПК: G01S 13/42, 13/44, 13/89. Приоритет 21.09.2007. Опубл.: 20.09. 2008. Бюл. № 26.

58. Патент RU 2 316 022 С1. Способ измерения высоты объектов при формировании изображения объектов на поверхности с помощью бортовой

РЛС / В.К. Клочко. МПК: 0018 13/72, 13/90. Приоритет 12.09.2006. Опубл.: 27.01.2008. Бюл. № 3.

59. Патент 1Ш 2 351 949 С1. Способ измерения высоты и формирования трехмерного изображения поверхности по данным бортовой импульсно-доплеровской РЛС маловысотного полета / В.К. Клочко, В.И. Мойбенко. МПК: 0018 13/89. Приоритет 21.09.2007. Опубл.: 10.04. 2009. Бюл. № 10.

60. Патент 1Ш 2 290 663 С1. Способ получения трехмерного радиолокационного изображения поверхности / В.К. Клочко. МПК: в018 13/89. Приоритет 08.08.2005. Опубл.: 27.12. 2006. Бюл. №36.

61. Патент 1Ш 2 300 780 С1. Способ измерения высоты объектов на поверхности при получении трехмерного радиолокационного изображения поверхности с объектами на базе бортовой РЛС маловысотного полета / В.К. Клочко. МПК: в018 13/72, 13/90. Приоритет 13.09.2005. Опубл.: 10.06. 2007. Бюл. № 16.

62. Патент 1Ш 2 534 224 С1. Способ измерения координат элементов земной поверхности в бортовой четырехканальной доплеровской РЛС / В.К. Клочко, Ч.Т. Нгуен. МПК: 0018 13/89. Приоритет 25.04.2013. Опубл. 27.11.2014. Бюл. №33.

63. Пространственно-временная обработка сигналов / И.Я. Кремер, А.И. Кремер, В.М. Петров и др. Под ред. И.Я. Кремера. М.: Радио и связь, 1984. 224 с.

64. Рабинер Л., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов: Пер. с англ. М.: Мир. 1978. 848 с.

65. Радиовидение наземных объектов в сложных метеоусловиях / Ощеп-ков П.К., Павельев В.А., Вайнберг Э.И. и др.; под ред. В.А. Павельева. М.: Радиотехника, 2007. 80 с.

66. Радиолокационные методы исследования Земли / Ю.А. Мельник, С.Г. Зубкович, В.Д. Степаненко и др. Под ред. Ю.А. Мельника. М.: Советское радио, 1980. 264 с.

67. Радиолокация поверхности Земли из космоса. Исследование морской поверхности, ледяного и ледникового покровов с помощью спутниковой радиолокационной станции бокового обзора / Под ред. Митника JI.H., Викторова C.B. Л.: Гидрометеоиздат, 1990. 200 с.

68. Радиолокационные станции бокового обзора / А.П. Реутов, Б.А. Михайлов, Г.С. Кондратенков, Б.В. Бойко. Под ред. А.П. Реутова. М.: Сов. Радио, 1970.360 с.

69. Радиолокационные станции воздушной разведки / A.A. Комаров, Г.С. Кондратенков и др.; Под ред. Г.С. Кондратенкова. М.: Воениздат, 1983. 152с.

70. Радиолокационные станции с цифровым синтезированием апертуры антенны / В.Н. Антипов, В.Т. Горяинов, А.Н. Кулин, Толстов Е.Ф. и др. Под ред. В.Т. Горяинова. М.: Радио и связь, 1988. 304с.

71. Рамм А. Теория оценивания случайных полей. М.: Мир, 1996. 351 с.

72. Репин В.Г., Тартаковский Г.П. Статистический синтез при априорной неопределенности и адаптация информационных систем. М.: Сов. радио. 1977. 436 с.

73. Саблин В.Н. Разведывательно-ударные комплексы и радиолокационные системы наблюдения земной поверхности. М: Радиотехника, 2002. 250 с.

74. Самарин О.Ф., Курилкин В.В. Концепция выполнения маловысотного полета летательных аппаратов с помощью автономных БРЛС // Радиотехника. 1998. №4. С. 50-54.

75. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов. Спб.: Питер, 2005.

604 с.

76. Сосков A.C. Радиолокаторы с синтезированной апертурой третьего поколения // Вопросы радиоэлектроники. Сер. РЛТ. 2001. № 1. С. 7 - 19.

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

78. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. М.: Радио и связь. 1982.

624 с.

79. Теория обнаружения сигналов / Под ред. П.А. Бакута. М.: Радио и связь, 1984. 440 с.

80. Тихонов В.И., Харисов В.Н. Статистический анализ и синтез радиотехнических устройств и систем: Учеб. пособие для вузов. М.: Радио и связь, 1991.608 с.

81. Толстов Е.Ф., Саблин В.Н. Особенности цифровых PJIC с синтезированной апертурой антенны // Зарубежная радиоэлектроника. 1978, №1. С. 25 -42.

82. Туркин Т.М., Сошин Н.Ю. // Новости зарубежной науки и техники, 1993. № 10.

83. Фалькович С.Е. Некоторые вопросы статистической теории PJ1C дистанционного зондирования поверхности Земли // Зарубежная радиоэлектроника. Успехи современной радиоэлектроники. 1999. № 11. С. 12 - 20.

84. Финкелыптейн М.И. Основы радиолокации: Учебник для вузов. М.: Радио и связь, 1983. 536 с.

85. Финкелынтейн М.И. Гребенчатые фильтры. М.: Сов. радио. 1969.

320 с.

86. Харкевич A.A. Борьба с помехами. М.: Наука. 1965. 275 с.

87. Хемминг Р.Н. Цифровые фильтры: Пер. с англ. / Под ред. Д.Е. Вах-мана. М.: Сов. радио. 1974. 344 с.

88. Цифровая обработка изображений в информационных системах: Учеб. пособие / И.С. Грузман, B.C. Киричук и др. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2002. 352 с.

89. Черемисин О.П. Адаптивные алгоритмы обработки сигналов в многоканальных приемных системах с антенными решетками // Радиотехника и электроника. 2006. № 9. С. 1087- 1098.

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

91. Bearse S.V. Computer-scanned radar eyes ice. Microwaves. 1974. V. 17. №12. P. 9-10.

92. Collard, B. Review technique // Serv. techn. navig. aer. 1997. № 52. P. 3

-20.

93. Hansen R.C. The segmented aperture synthetic aperture radar SASAR). -IEEE Trans. Aerospace and Electron. System. 1974. V. AES-10, № 6. P. 800 - 804.

94. Harger R.O. Synthetic aperture radar system. New-York, London, Academic Press. 1970. P. 239.

95. Iain A. Multibeam synthetic aperture radar for global oceanography. -IEEE Trans. Antenuas and Propag. 1979. V.27. № 4. P. 535 - 538.

96. Kovaly I.I. Synthetic aperture radar. Artech Hous. 1976. P. 332.

97. Lohrer, A.K. Improved azimuthal resolution of forward looking SAR by sophisticated antenna illumination function design // IEE Proc. Radar, Sonar and Navig. [IEE Proc. F], 1998. V. 145. № 2. P. 128 - 134.

98. Raney R.K. Synthetic aperture imaging radar and moving targets. IEEE Trans. Aerospace and Electron. System. 1971. V. AES-7. № 3. P. 499 - 505.

99. Shervin C.W. Some Early Developments in Synthetic Aperture Radar Systems. IRE Trans, on Military Electronics. Apr. 1962.V. MIL-6. № 2. P. 111 - 115.

100. TMS320C64x+ DSP Little-Endian DSP Library Programmer's Reference, SPRUEB8B. Texas Instruments. 2008.

101. TMS320DM6437 Digital Media Processor. SPRS345D. Texas Instruments, 2008.

102. Wiley C.A. Syntetic Aperture Radar. IEEE Trans, on Aerospace and Electronic Systems. May 1985. V. AES-21. № 3. P. 440 - 443.

ПРИЛОЖЕНИЕ - П1. АКТ ВНЕДРЕНИЯ

«34 » ^_2015 г.

АКТ

о внедрении результатов диссертационной работы на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальностям 05.12.04 — «Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения» и 05.12.14 «Радиолокация и радионавигация» аспиранта республики Вьетнам Нгуен Чунг Тхык в учебный процесс ФГБОУ ВПО «Рязанский государственный радиотехнический университет» (РГРТУ).

Настоящий акт составлен о том, что результаты диссертационной работы Ч.Т. Нгуена в части разработанных:

1) математическая модель системы наблюдения,

2) алгоритм выделения спектральных составляющих, полученных одновременно в нескольких пространственных каналах на одинаковых частотах,

3) алгоритмы оценивания пространственных координат элементов поверхности,

внедрены в учебный процесс РГРТУ по направлению подготовки «Радиотехника»,

а также по дополнительной программе подготовки «Авиационное приборостроение». Внедрение подтверждается актом в приложении.

Созданы программные средства моделирования и обработки радиотехнических сигналов могут использоваться при выполнении дипломных проектов студентами, обучающимися по направлению «Радиотехника», и при самостоятельной работе магистрантов и студентов.

Применение созданных дидактических средств в учебном процессе, а также в учебно-исследовательской практике обучаемых повышает качество их подготовки, сокращает время освоения теоретических и практических вопросов моделирования и обработки радиотехнических сигналов.

Декан радиотехнического факультета, доцент

Председатель методической комиссии ФРТ, доцент

Ю.Н. Гришаев

Б.И. Филимонов

Заведующий кафедрой радиотехнических систем, профессор

В.И. Кошелев

П2. БЛОК-СХЕМЫ АЛГОРИТМОВ

Ввод данных г ■ < >-

I ' ] = >

атрСя^аЬвСвВД);

■[в^ШСв.п)- ДПФ

кк = 0; р = О

< > < >

о

Рисунок П. 1 - Общая подпрограмма для алгоритмов На рисунке П.1 представлена блок-схема подпрограммы для всех алгоритмов, где используются следующие обозначения:

о = вП^) - Комплексный частотный спектр после БПФ ¿9(//) =

в элементах разрешения доплеровской частоты /. во всех д-х кана-

лах^ =1,0);

о } =1, п - Число дискретных моментов времени для получения спектра; о атр^) = аЬэ^П^)) и = angle(slf(j)) - Амплитудный и фазовый

спектр в </-м канале на доплеровской у'-й частоте;

о роп^ - Порог обнаружения полезного сигнала С/ПОрог-

О

Подпрограмма

С 1:К 4

.МрОО;

зит = 8^1 о) + зад) + ^0,3) + зад); зх = зад) + афй - зад - зад); 8у = зад) + 8ад) - - зад); и1 = - ппа§(Бх) /геа1(зит); и2 = - imag(sy) /геа1(8ит); хп(к) = и1 *г/ти; уп(к) = и2*г/ти; гп(к) = зяП(гА2 - хп(к)А2 - уп(к)л2)

Фиксация пропуска

|хп(к)| ог|уп(к)[ Нет

|хп(к)| > ёе1х/2 ог |уп(к)| > ае!у/2;

хп(к); уп(к); гп(к)

О

Рисунок П.2 - Блок-схема алгоритма 1 На рисунке П.2 представлена блок-схема алгоритма 1 моноимпульсного метода, где используются следующие обозначения: о у = 1, К — Число найденных частот

о sum, sx, sy - Комплексные сигналы суммарного и двух разностных (по х и у) каналов в п.2.1 Sx, SY;

о ul, u2 - Пеленгационные характеристики; о delx и dely - Линейная ширина ДН по хиу, о ти-fj. = 27tdlЯ

о xn(k), yn(k), zn(k) - Оценки координат элемента отражения.

Подпрограмма

►<( k= 1:К V

|xn(k)| > delx/2 or |yn(k)| > dely/2;

О

Рисунок П.З - Блок-схема алгоритма 2 На рисунке П.З представлена блок-схема алгоритма 2 фазового метода, где используются следующие обозначения: о у = 1, К - Число найденных частот

о Ы, Ь2 - Разности фаз в 2.2 Ы = А(//Х =ц/х-ц/ъ , Ь2 = Ду/у =у/2-у/А\

о delx и ёе1у - Линейная ширина ДН по х и у; о хп(к), уп(к), гп(к) - Оценки координат элемента отражения.

?

Подпрограмма

<ИЕн1>

хк = г*(Ь*Гс10)/2*у)-у2)/ух

< >~ ►<( к=Ш ^—

ук = -ае1у/2 + Ь*(к-1); Ш = хк/г; 1е1 = ук/г; delk = xx(q)*xk + уу(я)*ук; ц = ехр(-кО*(Шл2 + Шл2)/(2*&\)л2); _в(д,к) - £*ехр({*пп^е1к)_

Ю1 = 1е-4; вр = рту(ОДо1)

< >

хпО) = хк; упО) ^ -dely/2 + Ьу*(кр-1); гпр) = здй(гл2-хпС)л2-уп(])л2)

О

Рисунок П.4 - Блок-схема алгоритма 3

На рисунке П.4 представлена блок-схема алгоритма 3 метода восстановления амплитуд, где используются следующие обозначения:

о j = 1,к - Число найденных частот;

о L - Длина волны X;

о v - Скорость летательного аппарата;

о N - Число элементов дискретизации (должно быть N<Q);

о fil - Азимут (р , tet — Угол места в, delk - Sq (xk , ук) = (xqxk + yqyk )

о G(q,k) - Матрица амплитуд ДНА;

о Gp = pinv(G,tol) - Псевдообратная матрица;

о snl (q, 1 ) = sn(q,j) - Вектор обрабатываемых сигналов;

о UU = Gp* snl - Вектор оценок комплексных амплитуд;

о hy - Шаг дискретизации по у;

о xn(j), yn(j), zn(j) - Оценки координат элемента отражения.

?

Подпрограмма

х= = 0

1

' к = 1:К 4

1

\ 1« ;

3 = Зр(Ю;

Ир(д,к) = атр(яо); Ц(д) = Цр(д,к)

та(к) = тах(Ц); х :=х+ша(к)

х := х/К; у = а*хл2 + Ь*х + с |---[^Порог

—Ч —

-< д=1:0 -

ир(до) := ир(яи)/таО)

< >

чр = ч; Ш(до)=ЦО

хпО) = г*(Ь*Г(10)/2*у) -упО) = -ае1у/2 + Ьу*(др-1); гпр) = 5дИ(гл2-хп(;)л2-уп(]')А2)

О

Рисунок П.5 - Блок-схема алгоритма 4

На рисунке П.5 представлена блок-схема алгоритма 4 метода максимума амплитуды, где используются следующие обозначения: о у = 1, К — Число найденных частот; о ир(я,к) = атр^) - Матрица наиболыиимх амплитуд; о х - Среднее значение максимальных амплитуд; о а, Ь, с - Параметры для автоматического выбора порога; о у - Автоматический порог; о ир(я,]) - Амплитудная нормированная матрица; о V - Скорость летательного аппарата; о Ьу - Шаг дискретизации по у;

о хпф, уп(]), гп(]) - Оценки координат элемента отражения.

ПЗ. БЛОК-СХЕМА МОДЕЛИРОВАНИЯ

оАЗ

Координаты центров приемных элементов АР

-{^Доплеровские частоты

Начальные значения показателей точности и счетчиков для оценки вероятности сбоев

Рисунок П.6 - Структурная схема общей программы моделирования

Рисунок П.6 - Структурная схема общей программы моделирования

Рисунок П.6 - Структурная схема общей программы моделирования

1) 2)

3)

4)

5)

6)

Исходными данными во всех алгоритмах являются:

Длина волны X = 0,01 м; Радиальная дальность г = 1000 м;

База (расстояние между приемными элементами) с1 = 0,05 м; Амплитуда сигнала щ = 10 В;

Порог обнаружений сигнала на амплитудном спектре £/порог: рогс^; Параметр амплитудной ДНА ко = 2.78;

7) Период дискретизации сигнала на выходе АЦП dt = 10"5 с;

8) Число дискретных моментов времени для получения спектра п = 5000;

9) Число доплеровский частот т\

10) Число приемных элементов антенной решетки Q;

11) Число столбцов матрицы изображения (число координат х) пх;

12) Число элементов дискретизации nojy: пу\

13) Линейная ширина ДНА по х и у на дальности г. Ах = Ау = Д*г;

14) Ширина ДНА по азимуту и углу места Д = Дер = Д9 = 2тг/180;

15) Шаг дискретизации по азимуту и углу места hfi - hte = del/(Q - 1);

16) Шаг дискретизации по_у: hy = dely/(ny- 1);

17) Шаг по у для антенной решетки hq = defy /(0-1);

18) Число реализаций эксперимента пге = 30.

Параметры для исследования точности работы алгоритмов

1) Скорость летательного аппарата v = 100 м/с;

2) Число точек отражения на каждой частоте М = 1,2,3;

3) СКО мультипликативной помехи yq\ sigro;

4) СКО фазового шума an: delksi = [0,pi/5], рад;

5) Отношение сигнал-шум ар: ssh, дБ; СКО аддитивного шума sig = 20lg(uo /<Тр).

Выходными данными во всех алгоритмах являются:

1) Средняя ошибка: md в метрах;

2) Оценка СКО ошибки: ск в метрах;

3) Вероятность сбоев работы алгоритмов: verr\

4) Координты найденных точек: хп и уп.

Смысл остальных идентификаторов раскрыт в комментариях программы.

П4. КОМПЬЮТЕРНЫЕ ПРОГРАММЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ

ПРОГРАММА 1: АЛГОРИТМ МОНОИМПУЛЬСНОГО МЕТОДА

script

clc

clear

% АЛГОРИТМ 1 - МОНОИМПУЛЬСНЫЙ МЕТОД % По M точек на каждой частоте (M = 1, 2, 3)

L=0.01 г=1000 d=0.05 u0=10; n=5000; ш=4 ; nx=m; ny=7 ; Q=4; mu=2*pi/(L*r); mul=4*pi*d/L; k0=2.78; delfi=2*pi/180; delte=2*pi/180; delx=delfi*r dely=delte*r; dt=0.00001; porog=1000; ny=Q;

hy=dely/(ny-1); nre=30;

Длина волны, м Радиальная дальность, м

База (расстояние между приемными элементами), м Амплитуда сигнала, В

Число дискретных моментов времени для получения спектра Число моделируемых доплеровских частот Число столбцов матрицы изображения(число координат х) Число строк матрицы изображения Число приемных элементов антенной решетки % Параметр ц = 2пг/\ % Параметр у1 = % Параметр амплитудной ДНА % Угловая ширина ДН по азимуту, рад % Угловая ширина ДН по углу места, рад % Линейная ширина ДНА по х на дальности г, м % Линейная ширина ДНА по у на дальности г, м % Период дискретизации сигнала на выходе АЦП, с % Порог обнаружений сигнала на амплитудном спектре % Число элементов дискретизации по у % Шаг дискретизации по у % Число реализаций эксперимента

% ПАРАМЕТРЫ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ТОЧНОСТИ РАБОТЫ АЛГОРИТМОВ v=100; % Скорость летательного аппарата, м/с

М=1; % Число точек отражения на каждой частоте М=1,2,3...;

sigro=0.0; % СКО мультипликативной помехи

delksi = 0; % Дисперсия фазового шума delksi = [0,pi/5], рад

ssh=60; % Отношение сигнал-шум, дБ

sig=u0*exp(-log(10)*ssh/20); % СКО аддитивного шума

% Координаты центров приемных элементов для Q=4 хх(1)=d; уу(1)=d; xx(2)=-d; yy(2)=d; xx(3)=-d; yy(3)=-d; xx(4)=d; yy(4)=-d;

vx=rand; vy=rand*(1-vx); vz=sqrt(l-vxA2-vyA2); % Координаты орта случайно направленного в сторону положительных полуосей вектора скорости

vx=l/sqrt(3); vy=vx; vz=vx; % Вектор составляет одинаковые углы с осями

vx=l; vy=0; vz=0; % Боковой обзор

vx=0; vy=l/sqrt(2); vz=l/sqrt(2); % Передне-нижний обзор

vx=l/sqrt(2); vy=0; vz=l/sqrt(2); % Передне-боковой обзор

for k=l:nx

fd(k)=14000+100* (k-1); рация входных сигналов end

Доплеровские частоты, на которых осуществляется фильт-

for k=l:m

md(k)=0; ck(k)=0; % Начальные значения показателей точности найденных координат md2=0; ck2=0;

ver(k)=0; % Начальные значения счетчиков для оценки вероятности сбоев

veri(к)=0;

end

for nr=l:nre % ЦИКЛ ПО ЧИСЛУ РЕАЛИЗАЦИЙ

for kl=l:ny for к2=1: nx U0(kl,k2)=0; end %k2% end %kl%

for k2=l:nx kl=k2+l;

if k2==nx kl=kl-l; end for kkl=kl+2-M:kl+1 U0(kkl,k2)=9.99; end

U0(kl+1,k2)=u0; % Матрица моделируемых амплитуд объекта end %k2%

% МОДЕЛИРОВАНИЕ СИГНАЛОВ В Q-X КАНАЛАХ

ksi=rand*2*pi; % Случайная фаза отражения в данном элементе дальности

for k2=l:nx % Случайные фазы по элементам отражения ksil(k2)=rand*2*pi; end %k2%

for q=l:Q % Цикл по числу каналов

t=-dt;

for it=l:n % Цикл по числу дискретных моментов времени t

t=t+dt;

ksi=randn*delksi; % Фазовый шум

pom=randn*sig+i*(randn*sig); % Аддитивная помеха (шум аппаратуры) gam=l+randn*sigro; % Мультипликативная помеха ss=0;k=0; % Номер точки на изображении

for k2=l:nx for kl=l:ny

if UO(kl,k2)>=u0-l

xml=r*(L*fd(k2)/(2*v)-vz)/vx;

yml=-dely/2+hy*(kl-1)+rand*2-l; % Дискретное значение у if UO(kl,k2)==u0 k=k+l; xm(k)=xml; ym(k)=yml; end delq=xx(q)*xml+yy(q)*yml; % Запаздывание по фазе

fil=xml/r; tetl=yml/r; % Угловые координаты элемента дискретизации D(q,kl)=exp(-kO*filA2/( (2*delfi)/42) ) ; % Амплитудная ДНА D(q,kl)=D(q,kl)*exp(-kO*tetlA2/((2*delte)A2)); faza=mu*delq+ksil(k2);

ss=ss+gam*uO*D(q,kl)*exp(i*(2*pi*fd(k2)*t+faza+ksi)); end %if% end %kl% end %k2%

s (it)=ss+pom; % Суммарный сигнал в q-м канале в it-й момент времени end % it

% МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ АЛГОРИТМА 1

slf=fft(s,n); % Дискретное преобразование Фурье (ДПФ)

for j=l:n % Цикл по числу частот

sf(q,j)=slf(j); % Комплексный спектр

amp(q,j)=abs(slf(j)); % Амплитудный спектр в q-м канале на j-й частоте end %j% end %q%

kk=0; % kk - номер столбца (частоты)по х

for j=l:n % Цикл по числу частот р1=0; for q=l:Q

if amp(q,j)>porog pl=pl+l; end % Превышение амплитудой порога

% во всех каналах на данной частоте

end %q%

if pl>=Q kk=kk+l;

for qq=l:Q sn(qq,kk)=sf(qq,j); end % запомнились спектральные характеристики end %if% end %j%

dd=(kk-m)A2; ddl=sqrt(dd); md2=md2+ddl; ck2=ck2+dd;

for k=l:kk % Цикл по числу найденных частот

sum=sn(1,k)+sn(2,k)+sn(3,k)+sn(4,k);

sx=sn(2,k)+sn(3,k)-sn(1,k)-sn(4,k);

sy=sn(3,k)+sn(4,k)-sn(l,k)-sn(2,k);

ul=-imag(sx)/real(sum);u2=-imag(sy)/real(sum);

xn(k)=ul*r/mul; yn(k)=u2*r/mul;

% ПРИЗНАК ОТСУСТВИЯ СБОЯ РАБОТЫ АЛГОРИТМА(СКАЧКА ФАЗЫ) Р (к)=0;

if abs(xn(к))>delx/2|abs(yn(k))>dely/2 ver(к)=ver(к)+1; p(k)=l; xn(к)=xm(k); yn(k)=222; end end %k%

% ПОКАЗАТЕЛИ ТОЧНОСТИ ОЦЕНИВАНИЯ КООРДИНАТ

for к=1:kk

if p(k)==0

dd=(xn(k)-xm(к))A2+(yn(k)-ym(k))A2;

ddl=sqrt(dd); md(k)=md(k)+ddl; ck(к)=ck(k)+dd;

end %if%

end %k%

end %nre%

% УСРЕДНЕННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ТОЧНОСТИ: СРЕДНЕЕ ОТКЛОНЕНИЕ md; СКО ОТКЛОННИЯ md

mdd=0; ckk=0; verr=0; for k=l:m md(k)=md(k)/nre; mdd=mdd+md(k) ;

ck(k)=sqrt(ck(k)/nre-md(k) A2) ; ckk=ckk+ck(k); ver(k)=ver(k)/nre; verr=verr+ver(k); end

mdd=mdd/m; ckk=ckk/m; verr=verr/m; md2=md2/nre; ck2=sqrt(ck2/nre-md2A2);

% ВЫВОД НА ЭКРАН

Alg=l, nre, ssh, sig, fix(UO), fd, xm, ym

% ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

md2, ck2, xn, yn, md, ck, ver, ver

ПРОГРАММА 2: АЛГОРИТМ ФАЗОВОГО МЕТОДА

script

ele

clear

АЛГОРИТМ 2 - ФАЗОВЫЙ МЕТОД (с фиксацией скачков По М точек на каждой частоте (М = 1, 2, 3)

[>азы)

L=0.01; г=1000; d=0.05 ; u0=10; n=5000; ш=4 ; nx=m; пу=7 ; Q=4; mu=2*pi/(L*r); mul=4*pi*d/L; k0=2.78 ; delfi=2*pi/180; delte=2*pi/180; delx=delfi*r dely=delte*r; dt=0.00001; porog=1000; ny=Q;

hy=dely/(ny-1); nre=30;

Длина волны Радиальная дальность

База (расстояние между приемными элементами) Амплитуда сигнала

Число дискретных моментов времени для получения спектра Число моделируемых доплеровских частот Число столбцов матрицы изображения(число координат х) Число строк матрицы изображения Число приемных элементов антенной решетки Параметр ц = 2пг/А Параметр ц1 = 4пd/X Параметр амплитудной ДНА Угловая ширина ДН по азимуту, рад Угловая ширина ДН по углу места, рад Линейная ширина ДНА по х на дальности г Линейная ширина ДНА по у на дальности г Период дискретизации сигнала на выходе АЦП Порог обнаружений сигнала на амплитудном спектре Число элементов дискретизации по у Шаг дискретизации по у Число реализаций эксперимента

% ПАРАМЕТРЫ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ТОЧНОСТИ РАБОТЫ АЛГОРИТМОВ v=100; % Скорость летательного аппарата

М=1; % Число точек отражения на каждой частоте М=1,2,3...;

sigro=0.0; % СКО мультипликативной помехи

delksi = 0; % Дисперсия фазового шума delksi = [0,pi/5], рад

ssh=60; % Отношение сигнал-шум

sig=u0*exp(-log(10)*ssh/20); % СКО аддитивного шума

% Координаты центров приемных элементов для Q=4: хх(1)=d; уу(1)=0; хх(2)=0; yy(2)=d; хх(3)=-d; уу(3)=0; хх(4)=0; уу(4)=-d;

vx=rand; vy=rand*(1-vx); vz=sqrt(l-vxA2-vyA2) ; % Координаты орта случайно направленного в сторону положительных полуосей вектора скорости

vx=l/sqrt(3); vy=vx; vz=vx; % Вектор составляет одинаковые углы с осями

vx=l; vy=0; vz=0; % Боковой обзор

vx=0; vy=l/sqrt(2); vz=l/sqrt(2); % Передне-нижний обзор

vx=l/sqrt(2); vy=0; vz=l/sqrt(2); % Передне-боковой обзор

for k=l:nx

fd(k)=14000+100*(k-1); % Доплеровские частоты, на которых осуществляется фильтрация входных сигналов end

for k=l:m

md(k)=0; ck(k)=0; % Начальные значения показателей точности найденных координат md2=0; ck2=0;

ver(k)=0; % Начальные значения счетчиков для оценки вероятности сбоев

veri(к)=0;

end

for nr=l:nre % ЦИКЛ ПО ЧИСЛУ РЕАЛИЗАЦИЙ

for kl=l:ny for k2=l:nx

UO(kl,k2)=0; end %k2% end %kl%

for k2=l:nx kl=k2+l;

if k2==nx kl=kl-l; end for kkl=kl+2-M:kl+1 UO(kkl,k2)=9.99; end

UO(kl+1,k2)=u0; % Матрица моделируемых амплитуд объекта end %k2%

% МОДЕЛИРОВАНИЕ СИГНАЛОВ В Q-X КАНАЛАХ

ksi=rand*2*pi; %Случайная фаза отражения в данном элементе дальности for k2=l:nx

ksil(k2)=rand*2*pi; %Случайная фаза отражения по элементам частоты end %k2%

for q=l:Q % Цикл по числу каналов t=-dt;

for it=l:n % Цикл по числу дискретных моментов времени t t=t+dt;

ksi=randn*delksi; % Фазовый шум

pom=randn*sig+i*(randn*sig); % Аддитивная помеха (шум аппаратуры) gam=l+randn*sigro; % Мультипликативная помеха ss=0; k=0; % Номер точки на изображении

for k2=l:nx

for kl=l:ny

if U0(kl,k2)>=u0-1

xml=r*(L*fd(k2)/(2*v)-vz)/vx;

yml=-dely/2+hy*(kl-1)+rand*2-1; % Дискретное значение у if UO(kl,k2)==u0 k=k+l; xm(k)=xml; ym(k)=yml; end delq=xx(q)*xml+yy(q)*yml; % Запаздывание по фазе

fil=xml/r; tetl=yml/r; % Угловые координаты элемента дискретизации D(q,kl)=exp(-kO*(f11л2/(2*delfi)A2 + tetlA2/(2*delte)л2)); % Амплитудная ДНА fazal=mu*delq+ksil(k2) ;

ss=ss+gam*uO*D(q,kl)*exp(x*(2*pi*fd(k2)*t+fazal+ksx)); end %if%

end %kl% end %k2%

s (it)=ss+pom; % Суммарный сигнал в q-м канале в it-й момент времени end %it

% МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ АЛГОРИТМА 2

slf=fft (s,n); % Дискретное преобразование Фурье (ДПФ)

for з=1:п % Цикл по числу частот sf(q,j)=slf(j); % Комплексный спектр

amp(q,j)=abs(slf(j)); % Амплитудный спектр в q-м канале на j-й частоте faz(q,j)=angle (sf(q,3) ); % Фазовый спектр end %j% end %q%