Повышение помехоустойчивости системы автоматического измерения дальности в условиях нестационарных помех тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат технических наук Гусев, Александр Игоревич

• Гусев, Александр Игоревич
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Гусев, Александр Игоревич

Список используемых обозначений.

Введение.

1 СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ИЗМЕРИТЕЛЯ. МОДЕЛИ ВХОДНЫХ

СИГНАЛОВ.

Выводы.

2 СИНТЕЗ И АНАЛИЗ БЛОКА ИЗМЕРЕНИЯ СРЕДНЕЙ ЧАСТОТЫ КОРРЕЛИРОВАННОЙ ПОМЕХИ.

2.1 Апостериорная плотность вероятности частоты коррелированной помехи.

2.2 Синтез оптимального измерителя средней частоты спектра коррелированной помехи.

2.3 Дисперсия оценки средней частоты спектральной плотности коррелированной помехи.

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

2.4.1 Плотность распределения сигналов коррелированных помех на выходе фазового детектора.

2.4.2 Корреляционная функция сигнала коррелированных помех на выходе фазового детектора.

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

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

Выводы.

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

КОРРЕЛИРОВАННЫХ ПОМЕХ.

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

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

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

Выводы. т 4 ЦИФРОВОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА

СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО ИЗМЕРЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ.

4.1 Алгоритм моделирования контура измерения средней частоты коррелированного помехового сигнала.

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

4.3 Алгоритм моделирования чувствительного элемента системы автоматического измерения дальности.

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

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение помехоустойчивости системы автоматического измерения дальности в условиях нестационарных помех»

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

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

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

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

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

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

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

Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие основные задачи:

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

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

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

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

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

Основные положения, выносимые на защиту:

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

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

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

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

Апробация результатов работы. Публикации

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

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

Основные результаты диссертации опубликованы в двенадцати научных работах.

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

Заключение диссертации по теме «Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)», Гусев, Александр Игоревич

Выводы

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

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

Заключение

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Гусев, Александр Игоревич, 2006 год

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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