Развитие теории, принципов построения и средств реализации эффективных радиотехнических систем обнаружения и контроля протяженных объектов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.04, доктор наук Воловач Владимир Иванович

• Воловач Владимир Иванович
• доктор наук
• 2015

Оглавление диссертации доктор наук Воловач Владимир Иванович

1.4. Постановка задачи исследования

1.5. Выводы по первой главе

2. ХАРАКТЕРИСТИКИ ДОСТОВЕРНОСТИ ОБНАРУЖЕНИЯ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ОХРАНЫ

2.1. Постановка задачи

2.2. Достоверность обнаружения объектов в системах охраны периметра при наличии сигнала «просачивания»

2.3. Достоверность обнаружения объектов в системах охраны периметра в прожекторном режиме

2.3.1. Двухканальный вариант построения радиотехнического устройства охраны

2.3.2. Радиотехнические устройства охраны с некогерентными приемниками прямого канала и отраженного сигнала

2.3.3. Достоверность фиксации объектов устройствами охраны турникетного типа. Гауссовское приближение

2.4. Учет негаусовского характера отраженных сигналов и помех

2.5. Обнаружение объектов в условиях априорной неопределенности относительно параметров движения

2.6. Пороговый способ измерения скорости протяженных объектов в зоне контроля устройств охраны

2.7. Выводы по второй главе

3. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ОБНАРУЖЕНИЯ ОБЪЕКТОВ РАДИОТЕХНИЧЕСКИМИ УСТРОЙСТВАМИ ОХРАНЫ

3.1. Законы распределения дальности действия радиотехнических устройств охраны и достоверности обнаружения протяженных объектов

3.2. Оценка достоверности обнаружения объектов по статистическому распределению дальности действия радиотехнических устройств охраны

3.3. Накапливающаяся вероятность обнаружения объектов в зоне контроля радиотехнических устройств охраны

3.3.1. Мгновенные вероятности обнаружения объектов системами охраны

3.3.2.Ожидаемая вероятность обнаружения объектов системами охраны

3.3.3. Оценка ожидаемой вероятности обнаружения движущегося объекта

3.3.4. Аналитические зависимости закона установления приборного контакта радиотехнических систем и устройств охраны

3.4. Эффективность радиотехнических устройств охраны

3.5. Выводы по третьей главе

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СТАТИСТИЧЕСКИХ

ХАРАКТЕРИСТИК СИГНАЛОВ, ПРИНИМАЕМЫХ РАДИОТЕХНИЧЕСКИМИ УСТРОЙСТВАМИ СИСТЕМ ОХРАНЫ

4.1. Обоснование и разработка методики исследования статистических характеристик принимаемых сигналов

4.2. Структура и характеристики радиотехнического устройства охраны

4.3. Статистические характеристики сигналов, отраженных от протяженных объектов

4.3.1. Экспериментальное определение ширины спектра доплеровского сигнала

4.3.2. Экспериментальное определение статистических характеристик огибающих сигналов, принимаемых радиотехническим устройством охраны

4.4. Статистические характеристики длительностей выбросов огибающих сигналов, отраженных от протяженных объектов

4.5. Выводы по четвертой главе

5. РАЗРАБОТКА, ОПТИМИЗАЦИЯ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НИЗКОЧАСТОТНОЙ ЧАСТИ РАДИОТЕХНИЧЕСКОГО ИЗМЕРИТЕЛЯ ПАРАМЕТРОВ ДВИЖЕНИЯ ПРОТЯЖЕННЫХ ОБЪЕКТОВ

5.1. Краткий анализ методов построения низкочастотной части измерителей параметров движения. постановка задачи исследования

5.2. Анализ параметров спектра доплеровского сигнала, отраженного от протяженного объекта

5.3. Анализ помехоустойчивости и оптимизация параметров следящего измерителя параметров движения протяженных объектов

5.4. Методика расчета низкочастотной части следящего измерителя

5.5. Обоснование и разработка методики исследований следящего измерителя

5.7. Результаты исследований следящего измерителя в эксплуатационных условиях

5.8. Анализ эффективности работы следящего измерителя

5.9. Выводы по пятой главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Результаты статистической обработки длительностей

пропаданий огибающей сигнала ниже заданного порогового уровня

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Результаты сравнительной оценки экономической эффективности разработанного измерителя параметров движения протяженных объектов

ПРИЛОЖЕНИЕ В. Материалы внедрения результатов диссертационной работы

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Развитие теории, принципов построения и средств реализации эффективных радиотехнических систем обнаружения и контроля протяженных объектов»

Актуальность темы исследования.

В настоящее время в нашей стране, как и во всем цивилизованном мире, на первый план выдвигаются вопросы обеспечения безопасности как каждой отдельной личности, так и в целом всего общества. Обеспечение безопасности стало в ряд важнейших стратегических задач, которое должно обеспечивать каждое государство независимо от его геополитической роли, экономической или военной мощи. Особенно показательными в этом плане стали события 11 сентября 2001 года в США, а также целая череда террористических актов на Ближнем Востоке, в Российской Федерации, в странах Евросоюза, произошедшие уже в нынешнем XXI веке.

Вопросы обеспечения безопасности как в глобальном, так и в локальном аспектах могут быть решены, в том числе и, прежде всего, с использованием современных технических средств, использующих самые передовые алгоритмические, программные и технологические решения. Среди таких средств значительное распространение получили радиотехнические системы и устройства ближнего действия [1-4]. Такие системы и устройства наряду с общими вопросами, характерными для построения всех радиотехнических систем, имеют ряд специфических особенностей, связанных с небольшой удаленностью их приемопередающих антенн от обнаруживаемых, как правило, протяженных объектов [3, 5]. Локальность области обнаружения подразумевает создание устройств с высокой разрешающей способностью, требующих, в свою очередь, использования сложных зондирующих сигналов [6-13].

Личная и общественная безопасность самым непосредственным образом связана с обеспечением контроля и охраны различных открытых и закрытых территорий и объектов, к которым могут быть отнесены аэропорты, железнодорожные вокзалы, автомобильные стоянки и парковки, спортивно-концертные и торговые комплексы, различные помещения в частных и общественных зданиях. Немаловажными в современном обществе являются и вопросы, связанные с охраной

и защитой личной, частной, общественной и государственной собственности [1420]. Обеспечение личной и общественной безопасности, равно как защита и охрана собственности - это экономические категории, являющиеся основанием стабильности и развития любого государства и роста благосостояния его граждан.

Для обеспечения контроля, защиты и охраны открытых и закрытых территорий в настоящее время широко применяются радиотехнические устройства охраны (РУО) [21-25], являющиеся разновидностью радиотехнических устройств обнаружения ближнего действия (РУОБД) и используемые в различных системах охранной сигнализации [26-29], в этих случаях их часто называют радиотехническими устройствами охранной сигнализации (РУОС). Основной особенностью таких устройств охраны является использование радиолокационных принципов обнаружения.

Постоянный рост внимания к названной проблеме проявляется разными фирмами и предприятиями различных форм собственности, связанными с разработкой, установкой и обслуживанием различных систем и устройств охраны, предназначенных для обеспечения контроля, охраны и защиты контролируемых территорий и пространств. Это проявляется также и в организации новых научно-технических журналов, проведении конференций, симпозиумов, выставок, включении в учебные планы ведущих университетов дисциплин подобной направленности.

Вплоть до середины 90-х годов прошлого века вопросы безопасности, защиты и охраны личной собственности рассматривались в основном лишь в зарубежной печати; причем, как правило, они касались методов защиты информации [30, 31]. Ситуация начала меняться лишь в последние двадцать лет, когда наряду с работами иностранных авторов, например [4, 5, 22, 28, 32-43], стали появляться работы отечественных ученых [16,18, 44-52]. Следует отметить, что исследования в области радиосистем ближнего действия опираются на такие значимые работы, как например [53-57].

Важнейшей составной частью проблемы обеспечения безопасности и сохранности материальных ценностей является создание высокоэффективных си-

стем и устройств охраны. За счет использования как известных принципов действия, так и новых, позволяющих полнее обеспечить высокую достоверность обнаружения и уменьшить ложные срабатывания, идет непрерывный процесс совершенствования технических характеристик таких систем и устройств, расширения их возможностей.

Использование новых технологий и элементной базы ведет к постоянному снижению массогабаритных параметров, совершенствованию алгоритмов обработки сигналов, использованию новых принципов действия и комплексированию нескольких принципов действия в одном устройстве охраны.

Несмотря на большое многообразие принципов, реализуемых в системах и устройствах охраны, следует выделить те из них, в которых реализуются радиотехнические принципы, имеющие общеизвестные достоинства: скрытность работы; защищенность от атмосферных воздействий; возможность осуществления непрерывного, объемного контроля в каждой точке охраняемого пространства; непрерывный контроль за работоспособностью самого устройства.

Степень разработанности темы исследования в настоящей области характеризуется следующими основными достижениями: рассмотрены общетеоретические вопросы построения и функционирования радиотехнических систем ближнего действия [3, 4, 14]; предложены вероятностные гипотезы, описывающие такие системы [58-67]; предложены основные функциональные схемы - одно- и двухканальные устройств охраны [26, 68-71].

Вопросам исследования параметров и характеристик радиотехнических устройств обнаружения ближнего действия посвящено много работ, например, [1, 2, 72-78]. Однако обзор литературы показал, что практически нет работ, в которых проводится статистический анализ зондирующих обнаруживаемый объект сигналов, вводятся критерии оценки качества радиотехнических устройств охраны, осуществляется оценка характеристик достоверности обнаружения систем и устройств охраны периметров, определяется оценка эффективности устройств охраны в условиях априорной неопределенности относительно положения и параметров движения протяженного объекта, получены законы распределения

дальности действия устройств охраны, в том числе в двухмерной и трехмерной системах координат, а также получены выражения для определения вероятностей обнаружения в различных условиях наблюдения.

Актуальность темы нашла подтверждение в «Приоритетных направлениях развития науки, техники и технологий Российской Федерации», утвержденной Указом Президента РФ от 7 июля 2011 г. № 899, в направлении «Безопасность и противодействие терроризму».

Из вышеизложенного следует актуальность проблемы развития теории, принципов построения и средств реализации радиотехнических систем и устройств обнаружения и контроля протяженных объектов, работающих в условиях ближнего действия, в частности, их разновидности - радиотехнических систем и устройств охраны. Более того, опыт использования таких систем и устройств, позволяет утверждать, что часто системы и устройства охраны должны не только обнаружить протяженный объект, но и определить параметры его движения.

Все разработки в области радиотехнических устройств и систем обнаружения ближнего действия, включая и представленную диссертационную работу, используют фундаментальные результаты исследований, полученные Ф.А. Басало-вым, М. Бернфельдом, А. Вальдом, Л.Е. Варакиным, В.Е. Дулевичем, Д.Д. Клов-ским, И.М. Коганом, И. Я Кремером, Ч. Куком, Б.Р. Левиным, Р.В. Островитяновым, Ю.Г. Сосулиным, В.И. Тихоновым, А.П. Трифоновым, Г. Ван Трисом, Дж.П. Хьюбером, Я. Д. Ширманом и др. отечественными и зарубежными учеными.

Объект исследования - радиотехнические системы и устройства обнаружения и контроля ближнего действия, используемые в системах охраны и системах измерения параметров движения протяженных объектов.

Предметом исследования являются модели и методы, предназначенные для создания эффективных радиотехнических систем и устройств обнаружения и контроля ближнего действия, в частности, используемые при создании радиотехнических устройств охраны.

Цели и задачи диссертационной работы.

Целью диссертационной работы является проведение на основе предложенных критериев сравнительного анализа эффективности существующих и вновь создаваемых радиотехнических систем и устройств обнаружения и контроля протяженных объектов, применяемых для охраны открытых пространств, площадей и периметров, и выработка научно-обоснованных технических решений по их использованию в народном хозяйстве и частном бизнесе.

В соответствии с этим были поставлены и решены следующие основные задачи работы:

1. Анализ условий работы, вариантов построения, тактико-технических данных, характеристик точности и достоверности существующих радиотехнических систем и устройств охраны периметров, открытых и закрытых пространств с целью повышения их эффективности;

2. Разработка критериев оценки качества радиотехнических систем и устройств охраны периметров, открытых и закрытых пространств с учетом специфических особенностей их функционирования в условиях ближнего действия;

3. Анализ характеристик достоверности обнаружения протяженных объектов радиотехническими системами и устройствами охраны периметров и пространств в турникетном и прожекторном, а также локационном режимах;

4. Анализ характеристик достоверности обнаружения радиотехнических систем и устройств охраны в условиях априорной неопределенности относительно параметров движения обнаруживаемого протяженного объекта с учетом негаус-совского характера отраженных сигналов и помех;

5. Вывод законов распределения дальности действия радиотехнических устройств охраны и достоверности обнаружения протяженных объектов, оценки достоверности обнаружения объекта на основе введенных статистических распределений дальности действия радиотехнических устройств охраны;

6. Статистический анализ накапливающейся вероятности обнаружения протяженных объектов в зоне контроля систем и устройств охраны, включающий в себя: анализ мгновенной вероятности обнаружения объектов системами и устрой-

ствами охраны; анализ ожидаемой вероятности обнаружения объектов системами и устройствами охраны; анализ оценки ожидаемой вероятности обнаружения подвижного объекта, а также получение аналитических зависимостей закона установления приборного контакта систем и устройств охраны;

7. Экспериментальное исследование статистических характеристик как самих сигналов, принимаемых радиотехническими устройствами охраны в результате отражения от движущихся протяженных объектов, так и длительностей выбросов их огибающих;

8. Разработка методики проектирования и осуществление выбора оптимальных параметров радиотехнического измерителя параметров движения протяженных объектов, работающего в широком динамическом диапазоне измеряемых скоростей в условиях пропаданий обрабатываемого сигнала при воздействии аддитивно-мультипликативных негауссовских помех.

Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что в ней:

* осуществлен статистический анализ сигналов и получены математические модели, адекватные реальным физическим явлениям в радиотехнических системах и устройствах охраны;

* разработаны критерии и даны оценки показателей эффективности радиотехнических устройств охраны открытых пространств с учетом протяженного характера обнаруживаемых объектов, непрерывно изменяющейся дальности, различных законов мгновенной вероятности обнаружения;

* проведен сравнительный анализ многоканальных структур систем и устройств охраны, дана оценка характеристик достоверности обнаружения протяженных объектов системами и устройствами охраны периметров, реализующих различные алгоритмы обработки;

* осуществлена оценка эффективности радиотехнических устройств охраны в условиях априорной неопределенности относительно положения обнаруживаемого протяженного объекта и его параметров движения, разработаны принципы и пути технической реализации адаптации устройств охраны;

* разработана методика проектирования и оптимизации параметров следящего измерителя параметров движения протяженных объектов в условиях одновременного воздействия мультипликативных и аддитивных в общем случае не-гауссовских помех.

Теоретическая и практическая значимость работы.

Теоретическая значимость состоит в следующем: совокупность научных положений, идей и практических результатов исследований составляют новое направление в области теоретических и практических методов анализа и решения проблемы создания эффективных радиотехнических устройств обнаружения ближнего действия в части вероятностных характерик обнаружения и законов распределения дальности действия радиотехнических устройств охраны, а также разработки методики проектирования и оптимизации параметров радиотехнических измерителей параметров движения протяженных объектов.

Диссертационная работа выполнена в рамках фундаментальных научно-исследовательских работ, осуществляемых в Поволжском государственном университете сервиса: «Синтез алгоритмов и устройств охранных систем с повышенной достоверностью обнаружения на основе сверхчувствительных генераторных преобразователей», проведенной в 2011 году в рамках тематического плана по заданию Минобрнауки РФ (.№ ГР 01201176447), «Анализ характеристик и повышение достоверности обнаружения устройств ближнего действия на основе эффекта повышенной чувствительности», проведенной в 2012-2013 годах в рамках государственного задания Минобрнауки РФ (№2 ГР 01201271317), и «Разработка и исследование методов обработки информации для бесконтактных систем анализа движения и контроля параметров наблюдаемых объектов», проводимой в 2014, 2015 годах в рамках государственного задания Минобрнауки РФ (№ ГР 01201458513).

Практическая значимость заключается в следующем:

* на основании разработанной теории анализа систем и устройств охраны периметров и пространств даны рекомендации по созданию и модернизации си-

стем обеспечения безопасности (охраны), использующих радиотехнические устройства обнаружения и контроля ближнего действия;

* впервые предложены критерии сравнительной оценки различных типов систем и устройств охраны, позволяющие на основе учета специфических особенностей функционирования устройств охраны, работающих в условиях ближнего действия, разработать требования к устройствам охраны открытых (закрытых) территорий;

* предложена методика и определены статистические характеристики сигналов, отраженных от движущихся в зоне контроля систем и устройств охраны протяженных объектов (различных моделей автотранспортных средств);

* предложена методика проектирования и оптимизации параметров следящего измерителя параметров движения протяженных объектов, адекватная реальным условиям эксплуатации измерителя.

Разработанные методы и рекомендации прошли апробацию и внедрены для практического применения на промышленных предприятиях и в организациях различных сфер деятельности.

Результаты внедрения подтвердили целесообразность и корректность разработанных методов и алгоритмов, направленных на обеспечение эффективного функционирования радиотехнических устройств обнаружения ближнего действия при их эксплуатации, а также достижения высоких тактико-технических характеристик на этапе проектирования.

Результаты диссертационной работы могут быть в дальнейшем использованы для создания радиотехнических устройств обнаружения и контроля ближнего действия, обладающих повышенной достоверностью обнаружения протяженных объектов, имеющих заданные законы распределения дальности действия и обеспечивающих повышенную точность измерения параметров движения в условиях интенсивного воздействия мешающих воздействий.

Методология и методы исследования. Теоретические исследования выполнены с использованием методов теории вероятностей случайных процессов, математической статистики, статистической радиотехники, математического мо-

делирования на ПК. Разработанные алгоритмы реализованы в виде программных модулей для пакета визуального программирования 81МиЪШК математического пакета МЛТЬЛБ 7.02. Экспериментальные исследования выполнены методами физического моделирования в реальных эксплуатационных условиях.

Положения, выносимые на защиту:

* применение вновь разработанных критериев сравнительной оценки различных типов радиотехнических систем и устройств охраны периметров и площадей, таких как мгновенные вероятности обнаружения объекта устройством охраны и интенсивность обнаружения объекта по дальности, позволяет учитывать специфические особенности функционирования устройств ближнего действия и обоснованно осуществлять выбор и применение систем и устройств охраны;

* использование результатов анализа характеристик достоверности обнаружения радиотехнических систем и устройств охраны в условиях как априорной неопределенности относительно параметров движения протяженного объекта, так и с учетом негауссовского характера отраженных сигналов и помех, впервые позволяет дать инженерную оценку вероятности обнаружения, пропуска и ложного срабатывания радиотехнических устройств охраны периметров турникетного типа в реальных эксплуатационных условиях;

* использование результатов анализа эффективности обнаружения объектов устройствами и системами охраны с учетом протяженного характера названных объектов, непрерывно изменяющейся дальности, различных законов мгновенной вероятности обнаружения, позволяет определять ожидаемую вероятность обнаружения любого объекта, перемещающегося в зоне контроля системы охраны, в любой точке охраняемого пространства;

* использование результатов экспериментальных исследований статистических характеристик сигналов и длительностей выбросов их огибающих, отраженных от различных моделей транспортных средств, движущихся в зоне контроля устройств охраны, позволяет применять их для выбора и обоснования па-

раметров и характеристик как существующих, так и разрабатываемых устройств охраны;

* применение методики оптимизации и расчетных соотношений для выбора оптимальных параметров радиотехнического измерителя, таких как значение собственной частоты, нормированный коэффициент усиления, постоянная времени, множитель затухания, позволяет осуществить проектирование помехоустойчивых следящих измерителей параметров движения протяженных объектов в условиях воздействия аддитивных и мультипликативных негауссовских помех.

Степень достоверности и апробация результатов.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются правомерностью принятых исходных положений и предпосылок, корректным использованием результатов исследований, применением классических методов теории радиотехнических систем, статистической обработки данных, а также практической реализацией и экспериментальными исследованиями разработанных систем, устройств и моделей.

Достоверность положений и выводов диссертации подтверждена положительными результатами математического и физического моделирования, практической реализацией и внедрением разработок в организациях, занимающихся созданием многофункциональных радиотехнических систем и устройств обнаружения и контроля ближнего действия, а также их эксплуатацией.

Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы и внедрены при создании и модернизации систем охраны и систем измерения параметров движения, использующих радиотехнические устройства обнаружения ближнего действия, в ОАО «АВТОВАЗ», ОАО «Тяжмаш», ОАО «Жигулевский радиозавод», ООО «Жигулевская долина», на ряде других промышленных предприятий и в организациях различных сфер деятельности, что подтверждается соответствующими актами о внедрении.

Результаты исследований использованы в учебном процессе Поволжского государственного университета сервиса (ПВГУС) и Технологического универси-

тета (г. Королев, Московская область), что подтверждается соответствующими актами о внедрении.

Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертационной работы неоднократно докладывались и обсуждались на заседаниях и научно-технических семинарах факультета информационно-технического сервиса и кафедры «Информационный и электронный сервис» ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный университет сервиса».

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и симпозиумах: Международных научно-технических конференциях «Наука - сервису» (Москва, 1998, 2006 гг.); межвузовской научно-практической конференции «Прогрессивные технологии и научные исследования в сфере сервиса» (Москва, 1999 г.); Российских научных конференциях профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов (Самара, 2005, 2006 гг.); Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций» (Самара, 2005 г.); Международных научно-практических конференциях «Наука - промышленности и сервису» (Тольятти, 2006-2014 гг.); Международных научно-технических конференциях «Синергетика природных, технических и социально-экономических систем» (Тольятти, 2006, 2009 гг.); Всероссийских научно-технических конференциях «Методы и средства измерений физических величин» (Нижний Новгород, 2006, 2008, 2010 гг.); Международных научно-технических конференциях «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, 2006, 2007, 2012, 2015 гг.); Международных научно-практических конференциях «Состояние и перспективы развития инновационной деятельности в области сервиса» (Тольятти, 2006, 2007, 2009 гг.); Всероссийских научно-технических конференциях «Современные методы и средства обработки пространственно-временных сигналов» (Пенза, 2006, 2011 гг.); Международных научных конференциях «Татищевские чтения: актуальные проблемы науки и практики» (Тольятти, 2007, 2012 гг.); У-ой Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и при-

менение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 2008 г.); Международных научно-технических конференциях «Аналитические и численные методы моделирования естественнонаучных и социальных проблем» (Пенза, 2008, 2010 гг.); Международной научно-технической конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (Тольятти, 2009 г.); Международных заочных научно-технических конференциях «Информационные технологии. Радиоэлектроника. Телекоммуникации» (Тольятти, 2011-2015 гг.); Тринадцатой международной научно-практической конференции «Современные информационные и электронные технологии» («СИЭТ-2012») (Одесса, 2012 г.); I-ой международной заочной научно-технической конференции «Алгоритмические и программные средства в информационных технологиях, радиоэлектронике и телекоммуникациях» (Тольятти, 2013 г.); Международных симпозиумах «Proceedings of IEEE East-West Design & Test Symposium (EWDTS'2013). Rostov-on-Don, Russia, September 27-30, 2013» и «Proceedings of IEEE East-West Design & Test Symposium (EWDTS'2014). Kiev, Ukraine, September 26-29, 2014»; X-ой Белорусско-российской научно-технической конференции (Минск, 2012 г.); VIII-ой Всероссийской конференции «Радиолокация и радиосвязь» (Москва, 2014 г.); XI-ой Международной IEEE Сибирской конференции по управлению и связи SIBCON-2015 (Омск, 2015 г.), а также на ряде зарубежных конференций.

Работа прошла апробацию на кафедре «Информационный и электронный сервис» ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный университет сервиса», а также на кафедрах «Информационные системы и радиотехника» ФГБОУ ВПО «Донской государственный технический университет» и «Информационные технологии и управляющие системы» ГБОУ ВПО МО «Технологический университет».

Публикации. По теме диссертации опубликовано: 1 монография «Методы и алгоритмы анализа радиотехнических устройств обнаружения ближнего действия», 2 главы в коллективной монографии «Обработка и преобразование сигналов в радиотехнических и инфокоммуникационных системах»; 151 печатная работа общим

объемом 56,44 п.л., в том числе 82 статьи, из них 51 работа в изданиях, входящих в перечень ВАК; а также 3 патента на полезные модели.

Личный вклад.

21 статья в изданиях, входящих в перечень ВАК, опубликованы соискателем без соавторов. В остальных работах соискателем выполнены: математические выкладки, численные расчеты, анализ полученных результатов. Все научные положения, расчетные и экспериментальные результаты, обладающие научной новизной и составляющие содержание настоящей работы, а также выводы, сформулированные в диссертационной работе, получены автором самостоятельно.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 324 наименования, и приложения. Основной текст диссертации изложен на 272 страницах текста, содержит 76 рисунков и 9 таблиц. В трех приложениях, объемом 59 страниц, содержатся 19 таблиц и 16 рисунков с результатами статистической обработки длительностей пропаданий огибающей сигнала ниже заданного порогового уровня, результатами сравнительной оценки экономической эффективности разработанного измерителя параметров движения и материалы внедрения.

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Воловач Владимир Иванович, 2015 год

- ш—

/ л У

чТ^у

w (у)

^ 2 Л

_ уп

V 52п У

2 п-1

к /1 2п-1 \ _ .2п-к-1

I (-1)к (к2п-1) у

х

х(2Р)-ш-0,5к г(2ш + к )е8в В-2 ш-к

где (2) - функция параболического цилиндра [224],

У

лДР,

п ш п р = й + ; 7

2пу

5п .

2

У

<х>

2

У

2 2

Для случая больших отношений сигнал-помеха (ОСП), т. е. у 5п >> 1 по

следнее соотношение можно упростить

у2п

Ж ( у )

mmnn5Пlm-2ne ^ 2и-1)(2т + к -1)! 5 22т-2 Г(т) Г(п)52тк^> (2п)к у

2к п

\к , ,2т+2к-2п+1

(2.9)

Воспользовавшись (2.9), нетрудно определить вероятность пропуска протяженного объекта

ип

и п

у2п

(1 - Р)к

Q(k, т) =

| Ж(у)йу = 0(к, т) I у2(п-к-т)-1е 5п йу; 0 0

2(2 ) 2к (2.10) ттпп52(2т-п) 2п-1 „2п-к(2т + к - 1)!5^к

22(т -1) г(т)Г(п)5

2т

I (к2)-

к=0

(2п)к

Рассмотрим частные случаи [163]. Пусть п = 1, тогда в случае модели объекта с доминирующей блестящей точкой т > 1 и из (2.10) можно найти

(1 - Р)кос = 1 - б(к, т)5

-2(у-1)

ип

0^

х ехр<

и

2 V (1 -V)

г и2 ^ ппос

25

2 2 V "п У

где Ж' (х) - функция Уиттекера ; V = т + к.

- v—z

Определим вероятность ложного срабатывания канала отраженного сигнала

2пп ю Г(п)52п ип

Дкос = I Ж (у )йу =

•2п I у2п-1ехр

и п

2

_

V 52 У

йу.

Для п > 0.5 последний интеграл является табличным [225]

Дкос = Г( п, пи2пос5п2)Г-1(п). Зависимости Дкос = / (и2пос5п2), представленные на рисунке 2.7 для различных п, позволяют проследить влияние характера мешающих отражений на зависимости вероятности ложного срабатывания КОС.

Рисунок. 2.7. Зависимости вероятности ложного срабатывания КОС от характера мешающих отражений

2

О

о

п

2.5. ОБНАРУЖЕНИЕ ОБЪЕКТОВ В УСЛОВИЯХ АПРИОРНОЙ

неопределенности относительно параметров движения

В предыдущих параграфах рассматривалась задача обнаружения протяженных объектов в предположении, что параметры движения их точно известны. Однако на практике подобные предположения, как правило, неправомерны.

Оценим потери в достоверности обнаружения объектов в случае, когда, например, информация о скорости объекта отсутствует.

Рассмотрим три случая.

Первоначально, сигнал, отраженный от обнаруживаемого объекта, будем считать детерминированным. В этом случае, задача обнаружения сигнала на фоне внутриприемного гауссовского шума формируется в виде:

гипотеза Н1: у (£) = s(t) + п^);

гипотеза Н0: у ^) = п^).

Если статистическая задача различения гипотез решается по критерию Неймана-Пирсона, то вероятность правильного обнаружения будет оцениваться выражением [226]:

р = 1 - Ф {ипор (2Е / N0 )-0,5 - (2Е / ^)0,5},

где ипор - величина порогового уровня, определяемая при критерии Неймана-Пирсона заданной вероятностью ложной тревоги В, которую можно найти из выражения

В = 1 - Ф (ишр (2Е / N0 )-0,5),

где N0 - спектральная плотность мощности внутриприемного белого гауссовского шума; Е - энергия сигнала 8^).

Если в сигнале, обрабатываемом приемником, информация о скорости объекта отсутствует, то это означает, что зондирующий сигнал с несущей частотой ю0 на входе приемника будет иметь неизвестное доплеровское смещение частоты юд так, что

£ ^) = и0 соб(ю0£ + ) = и0 соб(ю0£ + у).

Поскольку у дополнительная фаза сигнала является неизвестной случайной величиной [227, 228], задачу различения гипотез в этом случае можно интерпретировать как задачу обнаружения сигнала со случайной начальной фазой.

Оставляя остальные предположения задачи обнаружения неизменными, нетрудно показать, что вероятность правильного обнаружения в этом случае имеет вид [229]

Р = | £ехр{-0,5(£2 + 2Е / 10 {^(2Е / ^)0,5}^,

ипор1

где ипор1 = ипор (И0Е / 2)-0,5 - новый уровень порога обнаружения.

Наконец, если предположить, что обнаруживаемый объект является протяженным, то, как показано в предыдущих разделах, амплитуда отраженного сигнала за счет явления интерференции также является случайным процессом. В результате сигнал на входе приемника можно рассматривать как случайный с флюктуирующими не только фазой, но и амплитудой

£^) = и^ соб(ю0£ + у).

Если для определенности предположить, что амплитуда флюктуирует по закону Релея,

Ж(и£) = (и£ / фехр{-и£2 /202}, и£ > 0,

то можно показать [169], что вероятность правильного обнаружения будет рассчитываться по формуле

Р2 = ехр{-0,5ип,р1 [1 + С2(2Е /ВД-1 },

где Е1 = Е / < и£ >2.

Если требуется сравнить характеристики обнаружения сигналов с флюктуирующей и сигналов с нефлюктуирующей амплитудой, то естественно производить такое сравнение надо для случая, когда средняя энергия обоих сигналов одинакова.

В этом случае вероятность правильного обнаружения можно записать в виде [229]:

■11/(1+ Е / N0)

р2

ехр

{-ип2ор1 / 2}

Воспользовавшись указанными формулами, введем в рассмотрение коэффициент улучшения Ку [163].

Возможно несколько вариантов вычисления такого коэффициента. При первом варианте, коэффициент Ку1

К=р / р

показывает, во сколько раз вероятность обнаружения объекта с полной априорной информацией Р выше вероятности обнаружения объекта с неизвестной априорной скоростью Р1.

2

Коэффициент Ку

К2у = Р / р

показывает, во сколько раз вероятность обнаружения объекта с полной априорной информацией р выше вероятности обнаружения объекта с неизвестной априорной скоростью и флюктуирующей амплитудой Р2.

3

Коэффициент Ку

К = р/ Р2,

показывает, во сколько раз вероятность обнаружения объекта с априорной неопределенностью относительно скорости перемещения объекта Р1 выше вероятности обнаружения объекта с неизвестной априорной скоростью и флюктуирующей амплитудой р2.

На рисунке 2.8 показаны графики зависимостей введенных коэффициентов от соотношения «сигнал/шум».

Из сравнения зависимостей видно, что потери в достоверности обнаружения объектов за счет априорной неопределенности относительно параметров отраженных сигналов могут быть значительны.

Рисунок 2.8. Графики зависимостей коэффициентов улучшения от

отношения «сигнал/шум»

Это означает, что рассмотренные в предыдущих разделах РУО могут быть оптимизированы. Естественный путь оптимизации связан с их адаптацией [209]. Так, например, если обнаружение объектов осуществляется на основе обработки доплеровского сигнала, он может быть дополнительно измерен. В результате, помимо задачи обнаружения, устройство охраны будет выполнять также функции измерителя скорости.

Рассмотрим некоторые аспекты реализации канала измерения скорости, которым могут быть дополнены обычные устройства обнаружения.

2.6. ПОРОГОВЫЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ПРОТЯЖЕННЫХ ОБЪЕКТОВ В ЗОНЕ КОНТРОЛЯ УСТРОЙСТВ ОХРАНЫ

В п. 2.5 отмечалось, что устройства охраны могут быть оптимизированы, прежде всего, путем их адаптации. Один из путей адаптации связан с возможностью измерения скорости обнаруживаемого объекта, если обнаружение осуществ-

ляется на основе обработки доплеровского сигнала. В результате, помимо задачи обнаружения РУО будет выполнять также функции измерителя скорости. Измерение скорости, а в более широком смысле, параметров движения объекта (ускорения, геометрических размеров объекта, местоположения), позволяет более точно решать основную задачу обнаружения объекта РУО, поскольку, например, появляются дополнительные данные об объекте, включая спектр полезного сигнала [230, 231], а также прогнозировать его поведение по отношению к рубежам контроля охраняемого объекта. Во многих случаях измерение параметров движения объекта представляет собой самостоятельную задачу [132], для решения которой служат различные измерители параметров движения объектов [232].

Известно [66, 134, 176, 177, 233], что наличие в измерительном объеме одновременно нескольких рассеивающих точек и их случайное положение приводит к существенным флюктуациям частоты доплеровского сигнала, являющейся мерой скорости. Эти флюктуации, называемые фазовым шумом [234], могут достигать значительных величин и существенно ограничивают точность оценки скорости.

Анализ мгновенной частоты доплеровского сигнала, полученной от двух точек, движущихся с одинаковой скоростью, показал, что ее максимальные выбросы соответствуют минимуму амплитуды и, наоборот, при больших значениях огибающей сигнала его частота практически не изменяется.

На основании этих результатов предложен и реализован [235] пороговый способ обработки доплеровского сигнала, заключающийся в том, что демодуляции подвергается только та его часть, амплитуда которой лежит выше некоторого наперед заданного порога. Значения скорости и промежуточные моменты времени определяются путем интерполяции результатов демодуляции.

Наглядное представление о существе этого способа дает рисунок 2.9, где а-в - участки полезного сигнала.

Рисунок 2.9. Иллюстрация порогового способа обработки доплеровского сигнала

Рассмотрим основные статистические характеристики мгновенной частоты в зависимости от порога и оценку достигаемого при этом выигрыша в точности измерения.

Задача решается для доплеровского сигнала, моделью которого является узкополосный нормальный случайный процесс вида

£(г) = и (г )еов[ю0г -ф(г)]. (2.11)

Вначале найдем статистическую связь между случайными отклонениями частоты ф (г) и значениями огибающей и (г). Двумерная плотность вероятности величин ф и и может быть найдена на основании известного выражения [44, 182] для четырехмерной плотности вероятности

ЖА(ии,ф,ф) = (и2 / 4пV(-р0))х

х ехр|-[и / 252 (-р0)][(-р0)и2 + и2 + и 2ф4 ]},

(2.12)

2

где 5 - дисперсия процесса (2.11), р0 - значение второй производной коэффициента корреляции в нуле.

Обычно считается, что р0 (0) = Вю2, где Вю - полуширина спектра допле-

_1/2

ровского сигнала на уровне е его максимума. Интегрируя (2.12) по и и /в пределах - да, + да для и и -р, +р для / получим

Ж2(и,ф) = (и2 / Тм'Т-Р^ехр{-и2 / 252} х ехр{-иУ / 252 (-р0)}. Переходя к новой относительной переменной:

г = и /5л/2 = [и2/< и2 >]1/2,

2 2

где < и >= 2s - средний квадрат огибающей, получим

Ж2(ф,г) = (252 /ТлАю)ехр{-г2(Аю2 +ф2) / Аю2} .(2.13)

На основании этого выражения найдем условную плотность вероятности частоты Ж2(ф | г = гп), когда значения огибающей сигнала превышают некоторый

2 1/2

заданный порог гп = ип / < и > . По определению [237] можно записать

Ж>(ф | г = гп) = ^2(ф,гп) / Ж(гп). (2.14)

Тогда

да да

Жг(ф | г > гп) = | Жг(ф,г)йг / | Ж(г)йг, (2.15)

где Ж(г) - одномерная ПРВ относительной огибающей. В соответствии с [66]

Ж (г) = 2 г ехр(-г2). (2.16)

Подставляя (2.14) и (2.16) в (2.15) и вводя новую относительную переменную у = ф / Аю [238-240], получим

Ж2(у | г > гп) = (1 / 4Л)е^ (1 + у)-3/2Г(3 /2,х). Здесь х = г^(1 + у2); Г(3 /2, х) - неполная гамма-функция. Семейство плотностей вероятности флюктуации мгновенной частоты для различных уровней гп приведено на рисунке 2.10.

У -3-2-10123 У

Рисунок 2.10. Зависимости плотностей вероятности флюктуации мгновенной частоты от величины уровня заданного порога

Из графиков видно, что с увеличением порогового уровня 2п резко уменьшается вероятность больших отклонений частоты и возрастает вероятность малых отклонений. Следовательно, величина среднеквадратичной ошибки с увеличением 2п должна снижаться.

Представляет интерес найти линию регрессии, устанавливающую зависимость математического ожидания модуля отклонений частоты от заданного значения огибающей. По определению

ГО ГО

т{(\ У 1)1 2 I УI Ж(у | г = 2^у = 2{ уЖ(у | г = 2^у, (2.17)

—го 0

где т - символ математического ожидания, Ж(у \ 2 = 21) - плотность вероятности частоты при заданном значении 21. Подставляя в (2.17) значение Ж(у \ г = 21), которое в соответствии с (2.14) равно

Ж (у \ 2 = 21) = ( 2х14П )ехр{—*12 у2},

получим

т{(\ у |)| г = г! } = 1/( ). (2.18)

Как следует из (2.18), среднее значение модуля отклонений частоты (\ у \) связано с относительным уровнем огибающей (г1) обратно пропорциональной зависимостью.

Полученные результаты являются теоретическим обоснованием способа уменьшения фазового шума посредством амплитудной селекции доплеровского сигнала.

Зависимость дисперсии отклонений частоты от порога может быть найдена из соотношения

да да

§2Ф =< Ф2 >= 11Ф2Ж2(г, ФУф(г / | Ж(2)(г.

пер

0 г.

где значения Ж2(г,ер) и Ж(г) определены выражениями (2.13) и (2.16). С учетом последних выражений можно записать

^ф =< Фп >= (1 / 2)Лю2 ехр(г2)гп2), (2.19)

где Е1 - интегральная показательная функция.

Относительное среднеквадратичное значение ошибки для мгновенной частоты как функции порога легко может быть найдено из (2.19):

5Пф / юв =л/<ер2 > / юв = (Лю / )ехР(гп / 2)>/Е1(Г5, Введя обозначение

Вю = юВ/Мр,

найдем:

¡ю = 5пф / юв = (1/ )ехр(г2 / 2г2). (2.20)

Анализ зависимости (2.20) показывает, что среднеквадратичная ошибка 5пр

вначале быстро падает с увеличением порога, а затем ее крутизна уменьшается

На основании выражения (2.16) легко получить соотношение между длительностью ¿пс полезного сигнала и общей длительностью реализации и0:

да

го го 2

тпс / т0 = $ Ж(2)й2 / $ Ж(2)й2 = е—2п, (2.21)

0

где = ип2/< и2 >.

Из анализа зависимости (2.21) следует, что если при 2п = 1 длительность полезного сигнала составляет 0,37% от длительности реализации, то уже при 2п = 2 эта величина падает до 2%. Из изложенного можно сделать вывод о нецелесообразности установления 2п > 1,5, поскольку длительность полезного сигнала при этом будет составлять менее 10% от общей длительности реализации, а существенного снижения ошибки достигнуто не будет.

Погрешность измерения можно еще более снизить путем рациональной фильтрации [241] сигнала на выходе частотного дискриминатора при условии, что известна корреляционная функция или спектральная плотность мгновенной частоты для заданного значения порога ипор.

Спектральная плотность мгновенной частоты многочастотного доплеров-ского сигнала при беспороговом детектировании, как известно [234], эквивалентна спектральной плотности нормального узкополосного процесса. Ее значения в нуле £(0) максимальны и равны 4,66 Лю [66].

Для беспорогового детектирования среднеквадратичная относительная ошибка определения мгновенной скорости будет равна

^ / ^ = 5= £(0)АР / = 0,5(1 / 4Ы VАР / /п .

2п

Для реальных значений ЛРУ/Ъ и М = 100 получим 5= 0,2%.

Далее перейдем к анализу спектральной плотности частоты в пороговом режиме демодуляции. Вначале сделаем несколько предварительных замечаний. Как было показано, дисперсия частоты доплеровского сигнала в этом режиме конечна и падает с ростом порога. Следовательно, значения ее корреляционной функции в нуле, в отличие от беспороговой демодуляции, также конечны и будут падать с ростом порога. Конечность дисперсии предполагает, что интеграл от спектральной плотности фазового шума тоже конечен, а сама спектральная плотность падает быстрее, чем 1/ю.

2п

Поскольку корреляционная функция мгновенной частоты при нулевом пороге является монотонной и убывающей, можно полагать, что с ростом порога ее значения не только в нуле, но и во всех других точках начнут снижаться. Если это так, то спектральная плотность флюктуаций мгновенной частоты в нуле, представляющая собой интеграл от корреляционной функции, будет падать в функции порога.

Желательно подтвердить эти выводы количественными оценками. К сожалению, полученное аналитическое выражение для корреляционной функции мгновенной частоты оказалось настолько сложным, что его анализ, даже с применением современных ПЭВМ, слишком дорог.

В связи с этим был использован путь машинного моделирования доплеров-ского сигнала с определением текущих значений огибающей и мгновенной частоты на каждом временном шаге с выделением участков сигнала с над пороговыми значениями огибающей и численными оценками корреляционной функции и спектральной плотности мгновенной частоты для рассматриваемых участков.

Расчет искомых значений случайной частоты осуществлялся в соответствии с известным [66] выражением

ф(t = nAt) = (ÚSUC - ÚCUS) | (U2 + U2),

где Us,UC,US,UC - соответственно синусная и косинусная компоненты и их

производные по времени комплексной амплитуды U(t) сигнала.

Вычисление каждой составляющей осуществлялось по следующим формулам:

Us = Х Ui {t - ti}sin ^Dti;

Uc =Z Ui {t - ti} COS ®Dti;

Us = Z Ui {t - ti}sin ®Dti;

Uc = 1 U {t - tt } COS ©Dti.

В приведенных выражениях t - текущее время, дискретные значения которого на каждом временном шаге определяются как qh; h - интервал дискретности; Ui = exp[ -a(t - ti) ] - огибающая сигнала одиночной блестящей точки; ti - случай-

ный момент прихода /-ой «блестящей» точки в центр измерительного объема; a -параметр, определяемый поперечным размером измеряемого объекта.

При известной длительности одночастотного сигнала, выраженной в допле-ровских периодах (ЫТв), и заданном среднем числе частиц (п), одновременно присутствующих в измерительном объеме, величина I находится как п/ЫТв. Последовательные значения интервалов Ви и моментов прихода частиц получались с помощью датчика случайных чисел в соответствии с выражениями

В1г =—(1/1 )1п р = (ЫТВ )1п Р;

^+1 = ^ + &,

где Р1 - случайное число, равновероятно распределенное в пределах [0,1], генерируемое датчиком случайных чисел [242]. Оценка автокорреляционной функции частоты ф) при сдвиге дк (д - число шагов, к - интервал дискретности при отсутствии порогового ограничения огибающей) находилась как [243]

- - 1 Х—д

кд = кд (дк) = —- X фпфп+д , д = 0,1,2,...,т. (2.22)

N — д п=1

Здесь N - число отсчетов реализации, т - максимальное число рассчитываемых точек корреляционной функции.

При введении порогового ограничения снизу по огибающей, часть сигнала с малыми амплитудами из рассмотрения исключалась, а значения случайной частоты на этих участках полагались равными нулю. Поэтому в выражение (2.22) для корреляционной функции частоты при введении порога должна быть внесена поправка, исключающая из общего числа слагаемых члены с нулевыми значениями произведений фпфп+д. Тогда

- 1 Х—д

кд (дк) =< фпфп+д >= N- X фпфп+д ,

N — д — 8 п=1

где 8 - число нулевых произведений фпфп+д (когда фп либо фп+д либо и то и другое значения ф равны нулю).

Оценка спектральной плотности случайной компоненты мгновенной частоты сигнала в соответствии с [243] может быть найдена двумя способами:

1) стандартный способ, то есть через Фурье-преобразование корреляционной функции;

2) способ прямого преобразования Фурье исходной реализации мгновенной частоты с использованием алгоритма быстрого преобразования Фурье (БПФ) (так называемый метод Кули и Тьюки), который является более эффективным с точки зрения быстродействия.

Исходя из требований обеспечения точности не менее 5% при оценках спектров и корреляционных функций и разрешения по частоте в спектральной области Вю = 0,1Вю, были выбраны следующие значения параметров модели: число реализаций г = 400, длина реализации Тг = 256 точек, шаг дискретности к = 4ТВ.

Результаты проведенного численного анализа представлены на рисунке 2.11 и 2.12.

На рисунке 2.11 показано семейство корреляционных функций случайной частоты, построенных в зависимости от относительного параметра £ = х/М12, где х = ¿/Тд, М1/2 = М/2, при различных уровнях порогового ограничения огибающей. Показательно, что значения корреляционных функций для £ = 0 в точности совпадают с теоретически рассчитанными значениями дисперсии частоты при соответствующих уровнях порога гп, а ход кривых при других значениях относительного сдвига £ - с вышеприведенными предположениями.

На рисунке 2.12 приведены графики спектральной плотности частоты £(ю) при различных величинах порога (буквы Т и М означают теоретические и модельные результаты [244]). Видно, что с увеличением порога происходит как сужение спектра, так и уменьшение всех его абсолютных значений на соответствующих частотах. Изменение спектральной плотности в нуле £(0) от порога аппроксимируется как

£)(Гп) = V"Гп.

Рисунок 2.11. Семейство корреляционных функций случайной частоты в зависимости от относительного параметра £

Следовательно, для = 1,5 значение £0(гп) будет уменьшено в 4,5 раза по сравнению со случаем = 0. Это означает, что при исследовании турбулентных пульсаций скорости величина среднеквадратичной ошибки измерения скорости, определяемой в основном величиной £0, при введении порога будет снижена в

^/4,5 = 2,1 раза по сравнению со случаем, когда порог отсутствует, а полоса частот

та же самая.

Таким образом, проведенный теоретический и численный анализ позволяет дать оценки потенциально достижимой точности доплеровских измерителей устройств обнаружения в пороговом режиме демодуляции. Введение амплитудного порога в отличие от беспороговой демодуляции доплеровского сигнала позволяет получить конечные значения дисперсии оценок скорости в широкой полосе частот и уменьшает все спектральные компоненты фазового шума. Особенно

важным является факт экспоненциального уменьшения спектральной плотности этого шума в нуле с ростом порога.

0 1 2 3 4 5 6 (ш/Дш)

Рисунок 2.12. Графики спектральной плотности частоты £(ю/Лю) при

различных величинах порога

2.7. ВЫВОДЫ ПО ВТОРОЙ ГЛАВЕ

1. Проанализированы причины пропуска движущегося объекта радиотехническими устройствами охраны периметра в прожекторном режиме. Показано, что в условиях постоянной ориентации антенн экранируемая обнаруживаемым объектом площадь перекрытия диаграмм направленности может быть не полной, в результате чего в приемную антенну поступает часть мощности передающего сигнала, которая и является причиной появления на входе порогового элемента напряжения «просачивания», способного привести к пропуску объекта.

2. Осуществлен анализ оптимального выбора порогового напряжения радиотехнических устройств охраны периметров в условиях «просачивающегося» сигнала. Показано, что вероятность пропуска объекта устройством охраны периметра в прожекторном режиме зависит как от величины напряжения «просачивания», так и от среднеквадратического значения напряжения шума приемного тракта.

3. Проведен анализ радиотехнических устройств охраны периметров турни -кетного типа, работающих в двух режимах: обнаружения посредством приема отраженного сигнала и обнаружения в результате экранирования объектом сигнала, излучаемого передатчиком. Рассмотрены структурные схемы и особенности работы таких устройств.

4. Осуществлена оценка достоверности обнаружения объектов устройствами охраны периметров турникетного типа.

Показано, что для расчета вероятности правильного обнаружения, пропуска и ложного срабатывания радиотехнических устройств обнаружения названного типа необходимо знать плотность вероятности напряжения на входе амплитудного детектора, режим работы которого определяется уровнем принимаемого сигнала.

5. Впервые получены выражения, позволяющие дать инженерную оценку вероятности обнаружения, пропуска и ложного срабатывания радиотехнических устройств охраны периметров турникетного типа.

Статистический анализ характеристик обнаружения рассмотренных вариантов построения радиотехнических устройств охраны показал, что двухканальный вариант построения более надежен. При вероятности пропуска 1 - Р = Р = 10-10 вероятность ложного срабатывания у них достигает О = 10-10, тогда как у однока-нальных, при всех прочих равных условиях, он не превышает О = 10-6.

6. Осуществлен анализ характеристик обнаружения радиотехнических устройств (датчиков) охраны с учетом реальных плотностей вероятности амплитуды (огибающей) сигналов, отраженных от протяженных обнаруживаемых объектов.

Впервые получены инженерные выражения, позволяющие оценить вероятности обнаружения и пропуска устройствами охраны протяженных объектов, амплитуда сигналов, отраженных от которых, описывается ПРВ Накагами.

Впервые, применительно к устройствам охраны периметров, получены зависимости, позволяющие оценить влияние характера мешающих отражений на величину ложного срабатывания устройства охраны.

7. Осуществлен анализ обнаружения протяженных объектов в условиях априорной неопределенности относительно параметров движения.

Показано, что потери в достоверности обнаружения объектов устройствами охраны за счет априорной неопределенности относительно параметров, отраженных от объектов сигналов, могут быть значительны.

Показано, что одним из путей повышения достоверности обнаружения протяженных объектов устройствами охраны является оптимизация, связанная с их адаптацией.

8. Осуществлен теоретический и численный анализ, позволяющий дать оценки потенциально достижимой точности измерения скорости движения протяженных объектов устройствами охраны, построенными на доплеровском принципе, в пороговом режиме демодуляции.

Показано, что введение амплитудного порога, в отличие от беспороговой демодуляции доплеровского сигнала, позволяет получить конечные значения дисперсии оценок скорости движения протяженных объектов в широкой полосе частот и уменьшает все спектральные компоненты фазового шума.

3. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ОБНАРУЖЕНИЯ ОБЪЕКТОВ РАДИОТЕХНИЧЕСКИМИ УСТРОЙСТВАМИ ОХРАНЫ

3.1. ЗАКОНЫ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ ДЕЙСТВИЯ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ ОХРАНЫ И ДОСТОВЕРНОСТИ ОБНАРУЖЕНИЯ ПРОТЯЖЕННЫХ ОБЪЕКТОВ

Известно [245], что законом распределения (распределением) дальности действия называется соотношение, устанавливающее связь между возможными значениями дальности действия устройства обнаружения и соответствующими вероятностями.

Если провести достаточно массовые испытания, в которых многократно объект приближается к РУО и каждый раз фиксируется дальность первого обнаружения, то из большого числа подобных испытаний могут быть построены кривые вероятности обнаружения объекта в зависимости от дальности. Обычно интегральная кривая (рисунок 3.1, а), характеризующая зависимость вероятности обнаружения от дальности действия, стремится к нулю на максимальных дальностях и к единице на минимальных дальностях обнаружения объекта.

Обнаружение объекта всегда более вероятно на некоторых средних дальностях, чем на больших или малых (рисунок 3.1 б, в), так как обнаружение объекта на больших дальностях маловероятно в силу недостаточной энергетической эффективности РУО. Вместе с тем, на малых дальностях обнаружение также маловероятно, поскольку объект, скорее всего, будет обнаружен на больших дальностях [70, 245].

Очевидно, что дальность действия РУО определяется его техническими параметрами, а также параметрами среды и характеристиками обнаруживаемого объекта. Для различных видов устройств охраны можно предложить конкретные зависимости, позволяющие оценивать ожидаемую дальность их действия с той или иной точностью в зависимости от влияния на обнаружение объекта физических условий, в которых будет проводиться обнаружение.

В некоторых случаях может возникнуть необходимость получения аналитических выражений для оценки вероятности обнаружения по статистическому распределению дальности действия РУО.

Для решения этой задачи необходимо установить математические законы, которыми можно характеризовать реальные распределения дальности действия устройств охраны [147, 246].

Если рассматривать обнаружение объектов как случайный процесс, осуществляемый в достаточно однородных «типичных» условиях, то распределение дальностей обнаружения подчиняется тому или иному закону распределения.

При типизации условий ограничивается влияние некоторых доминирующих факторов на процесс обнаружения, т. е. предполагается, что в определенном промежутке времени некоторые факторы, влияющие на процесс обнаружения, остаются практически неизменными (например, метеорологические факторы, характер объекта, тип устройства охраны и т. п.), либо изменяются незначительно в допустимых пределах.

Таким образом, у каждой отдельной категории «типичных» условий имеются возможности для реализации того или иного закона распределения, когда получение того или иного значения дальности действия РУО как случайной величины обусловливается воздействием большого числа незначительных по силе своего влияния факторов.

На основании проведенных выше теоретических и подтвержденных в разделе 4 экспериментальных исследований отраженных от протяженных объектов сигналов [133, 136] можно сделать следующие выводы:

1. Сигнал, отраженный от протяженного объекта, хорошо описывается математической моделью многолучевого сигнала;

2. Плотность распределения вероятностей огибающей (амплитуды), как правило, в преобладающем большинстве случаев хорошо аппроксимируется ПВР Накагами.

Рисунок 3.1. Кривые вероятности обнаружения объекта в зависимости от

дальности

На основании вышесказанного, опираясь на полученные результаты [247], конкретизируем законы распределения дальности действия радиотехнических устройств обнаружения протяженных объектов. Трудности непосредственного и точного определения ожидаемой величины дальности обнаружения Я обусловлены тем, что влияние тех или иных факторов может носить не только достаточно

устойчивый, но и часто неустойчивый характер, и поэтому обычно не поддается заблаговременному учету и контролю.

В частном случае, если объект, подлежащий обнаружению, находится на одной оси с главным лепестком ДН антенны РУО, то дальность действия такого устройства, в зависимости от его параметров и характеристик объекта может быть определена по формуле:

Я = 4

РпрдО 2 Х \3

(3.1)

(4п)3 Рпрм

где Рпрд - мощность передачи излучаемого (лоцирующего) сигнала в сторону движущегося объекта, Вт; G - коэффициент усиления приемо-передающей антенны; X - длина волны излучаемого сигнала, м; о - ЭПР объекта, м ; Рпрм - чувствительность приемника устройства обнаружения, Вт.

Воспользовавшись известным соотношением [218], получим

и2

прм

прм _ ^ '

где 2 - внутреннее сопротивление приемной антенны.

Введя в рассмотрение коэффициент

РпплО 2 X 2о2

А = -3-, (3.2)

(4п)3 ' '

после несложных математических преобразований представим выражение (3.1) в виде:

4а

Я2

Как видно из полученного выражения, величина амплитуды сигнала, отраженного от движущегося протяженного объекта, на входе приемника РУО обратно пропорциональна квадрату расстояния до данного объекта.

В случае если объект, который требуется обнаружить, двигается под углом а к главной оси ДН антенны устройства обнаружения, то удобно перейти к декартовой системе координат (рисунок 3.2) так, что

ипрм . (3.3)

Тогда:

Я = у1 X2 + 702

ипрм =■

VI

прм х 2 + 7о2

(3.4)

РУОБД

Рисунок 3.2. Иллюстрация движения обнаруживаемого объекта

Если устройство обнаружения неподвижно относительно движущегося объекта, но после его обнаружения продолжает следить за ним по мере его продвижения из-за реальных характеристик ДН антенны, то амплитуда принимаемого сигнала будет зависеть от линейной координаты Х.

Введем в рассмотрение форму ДН радиотехнического устройства обнаружения. Обозначим ее как функцию ^дн(Я), или в декартовой системе координат Гдн(X,Х0,У0), где (X0,У0) - координаты центра оси ДН антенны.

С учетом формы ДН выражение (3.4), соответственно, примет вид: - в полярной системе координат

& Лн (Я)

Я2

и = --• (35)

прм 02 ' V

в декартовой системе координат

^ • ^(X,X0)

^прм

дн'

X2 + 702

(3.6)

Учитывая сложный трехмерный характер реальных ДН антенн, для практического использования в инженерных расчетах желательно применять более простые аналитические соотношения, позволяющие в тоже время получать требуемую точность расчетов.

В частности, без учета влияния боковых лепестков ДН антенны хорошие результаты дает функция (рисунок 3.3)

' (X - Хо)2

Рдн (X, X0) = еХР

где Пдн - ширина ДН на уровне 0,707.

П

дн

(3.7)

Рисунок 3.3. Функция ДН без учета влияния боковых лепестков

Для определения реальной формы ДН антенны можно использовать более сложное выражение, позволяющее учесть влияние боковых лепестков диаграммы направленности (рисунок 3.4):

^(X,X0) = , (3.8)

^ р^ - X0) v у

в котором угол Р = 1/Пдн характеризует ширину главного лепестка ДН антенны. Рассмотрим законы изменения распределения дальности Ж(Я).

В том случае, если обнаруживаемый объект будет двигаться вдоль своей оси, совпадающей с осью ДН РУО, со скоростью V, то в начальный момент его обнаружения мгновенная дальность до объекта будет равна

Я = Я0, (3.9)

где Я0 - расстояние до объекта в начальный момент обнаружения.

лЛ/

ось движения объекта

О Хо X

Рисунок 3.4. Функция ДН с учетом влияния боковых лепестков

При дальнейшем наблюдении за объектом расстояние до него от РУО будет изменяться по закону

Я = Я0 ± Уг, (3.10)

где г - время, в течение которого обнаруженный объект двигался в зоне контроля устройства обнаружения; (±) - знаки, учитывающие направление движения объекта: (+) - объект движется от РУО, (-) - объект движется к устройству обнаружения.

С учетом (3.9) и (3.10) выражения для определения, соответственно, будут иметь вид:

ипрм = ^М2 ; (3.11)

иПрМ =л/А/(Я0 ± уг )2. (3.12)

и = дн^ ' 0) (3 15)

прм ^2 / уг тлл2 • У-'-1-'/

Если объект движется со скоростью V под углом к оси ДН антенны (см. рисунок 3.2), то дальность до объекта в момент его обнаружения будет равна

Я = + X2 , (3.13)

где Х - координата в момент обнаружения объекта.

С учетом скорости движения закон изменения дальности до обнаруживаемого объекта будет иметь вид:

Я = + (X + VI)2 , (3.14)

В этом случае выражение (3.6), учитывающее ДН антенны РУО, в декартовой системе координат запишется:

УА • ^ (X, X0)

702 + (X + VI )2

Полученные значения дальностей обнаружения объектов в конкретных условиях практического использования РУО могут сильно отличаться от величин, рассчитываемых по полученным формулам.

Проведение более точных расчетов требует тщательного учета характера условий работы устройства охраны и степени их влияния на дальность обнаружения объекта. Все это усложняет методики аналитических расчетов ожидаемой дальности действия и ограничивает их использование для практического применения.

Известные методики прямых аналитических расчетов позволяют рассчитать ожидаемую дальность лишь как однозначную характеристику и не учитывают существенную нестабильность физических условий, проявляющуюся во флюкту-ациях параметров, характеризующих состояние устройств обнаружения, объектов обнаружения, окружающей среды.

Обычно же дальность обнаружения объектов радиотехническими устройствами обнаружения является не детерминированной, а случайной величиной, которая характеризуется тем или иным законом распределения вероятности ее появления.

При расчете ожидаемой дальности действия РУО необходимо использовать вероятностно-статистические методы, при которых обнаружение объектов на той или иной дальности оценивается с помощью статистически обоснованной вероятности получения указанной дальности.

Эти методы базируются на сборе и обобщении статистических данных по дальности обнаружения объектов при эксплуатации и при натурных испытаниях тех или иных радиотехнических средств охраны.

В зависимости от характера своего влияния все факторы [70, 147, 248], определяющие дальность действия устройств охраны, могут быть разделены:

- на постоянно действующие;

- на медленно меняющиеся;

- на быстро меняющиеся;

- на случайные (непредвиденные).

При определении дальности действия обычно невозможен прямой учет влияния не только непредвиденных событий, но и быстро изменяющихся условий обнаружения, которые вызывают разброс конкретных значений дальности действия РУО относительно ожидаемого ее среднего значения.

С другой стороны, постоянно действующие факторы (в силу их стабильности) и медленно меняющиеся факторы могут быть отнесены к числу контролируемых, обусловливающих рассчитываемое среднее значение (математическое ожидание) дальности действия РУО.

Поэтому процесс обнаружения следует рассматривать как случайный процесс, а дальность действия устройств обнаружения - как случайную величину, закономерности изменения которой должны изучаться с помощью математического аппарата теории вероятности

Учитывая, что ПРВА огибающей отраженного от протяженного объекта сигнала описывается распределением Накагами [60, 181], определим законы изменения дальности для рассмотренных случаев.

При движении объекта вдоль оси главного лепестка ДН антенны РУО при мгновенном определении дальности до объекта, учитывая (3.6), запишем:

98

/ 1—\2т-1

W (Я) = В(т, а)

4л

Vй ,

х ехр-

тл

ш1

(3.16)

где

В(т, а) =

т

чг(т) У

При движении объекта вдоль оси ДН антенны с учетом скорости движения объекта (3.12) получим [257]:

W(R0,V)=В(т, а)

Гл 1 2т-1 х ехр< т Г Л ^

(Я+и)2 ] а 1 (Я+V04J\

(3.17)

В декартовой системе координат при мгновенном определении дальности до объекта (3.13) имеем:

W (X) = В(т, а)

УЛ • ^ (X, X0)

702 + X2

. 2т-1