авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |

Модели и алгоритмы функционирования вычислительных систем регистрации радиолокационной информации

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ТАРАНЦЕВ Евгений Константинович

МОДЕЛИ И АЛГОРИТМЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ РЕГИСТРАЦИИ РАДИОЛОКАЦИОННОЙ ИНФОРМАЦИИ

05.13.15 Вычислительные машины, комплексы

и компьютерные сети

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

ПЕНЗА 2011

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет» на кафедре «Вычислительная техника».

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент КОННОВ Николай Николаевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор САВЕЛЬЕВ Борис Александрович; кандидат технических наук, доцент УСТИНОВ Владимир Иванович
Ведущая организация: ОАО «Научно-исследовательский институт физических измерений» (г. Пенза).

Защита диссертации состоится «___» _______________ 2011 г.,
в ____ часов, на заседании диссертационного совета Д 212.186.01 в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет» по адресу: 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет». Автореферат размещен на сайте Министерства образования и науки РФ.

Автореферат разослан «___»______________ 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук,

профессор Е. И. Гурин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. При отладке и испытаниях радиолокационных станций (РЛС) авиационных комплексов дальнего радиолокационного обнаружения (АК ДРЛО) используются технологические вычислительные системы, которые обеспечивают запись на накопитель радиолокационного сигнала с различных этапов его обработки. Зарегистрированная информация в дальнейшем используется для оценки качества работы тракта приемо-обработки РЛС, отладки новых алгоритмов обработки сигнала и построения «виртуальных испытательных полигонов». Все это позволяет значительно сократить сроки разработки новых образцов радиолокационной техники и затраты на разработку за счет уменьшения количества летных испытаний.

В работах А. В. Васильева, М. И. Чернышева, Н. Н. Коннова,
В. В. Гладкова, В. И. Устинова, Д. В. Пащенко, Hu Jian-ping, D. Sirmans,
S. L. Durden, M. Browning и других заложены концепция и методологическая база построения аппаратно-программных комплексов регистрации сигналов РЛС.

Регистрация радиолокационного сигнала представляет собой сложную техническую проблему из-за высокой скорости поступления данных, больших объемов регистрируемой информации и жестких условий эксплуатации. В связи с этим актуальна разработка алгоритмов сжатия радиолокационной информации для снижения нагрузки на каналы передачи данных и увеличения объема зарегистрированной информации.

Алгоритмы сжатия сигналов радиолокационных комплексов с синтезированной апертурой и метеорологических спутников рассмотрены в работах S. Rane, C. Li, G. A. Tammana, Y. F. Zheng, R. L. Ewing, N. Agrawal,
K. Venugopalan и других. Данные алгоритмы производят сжатие с потерей части информации, что при настройке и отладке радиолокационных комплексов не допустимо. В связи с этим целесообразна разработка алгоритма сжатия радиолокационной информации без потерь.

Кроме того, при проектировании вычислительных систем регистрации необходимо определить требования к размерам буферов, алгоритмам обработки и производительности отдельных компонентов вычислительной системы. Эта проблема может быть решена методами имитационного моделирования. Поэтому актуально создание имитационных моделей, позволяющих исследовать взаимное влияние потока регистрируемой информации и потоков данных, формируемых штатными системами РЛС, а также вероятностно-временные характеристики вычислительной системы.

Целью работы является улучшение эксплуатационных характеристик вычислительных систем регистрации радиолокационной информации за счет разработки и внедрения алгоритмов обработки информации,
а также совершенствование технической базы исследования и проектирования вычислительных систем регистрации за счет создания имитационных моделей.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

  1. Анализ функционирования вычислительной системы регистрации радиолокационной информации с целью построения модели системы.
  2. Разработка имитационных моделей, позволяющих исследовать вычислительную систему регистрации радиолокационной информации.
  3. Анализ существующих алгоритмов сжатия информации и разработка алгоритма сжатия радиолокационной информации без потерь, определение возможности программно-аппаратной реализации разработанного алгоритма.
  4. Разработка алгоритма разбора записей радиолокационного сигнала, повышающего надежность обработки данных за счет частичного восстановления данных при наличии ошибок.
  5. Разработка компонентов программного обеспечения обработки зарегистрированной радиолокационной информации.

Объектом исследования диссертационной работы является вычислительная система регистрации радиолокационной информации.

Предмет исследования: модели и алгоритмы функционирования вычислительной системы регистрации радиолокационной информации.

Методы исследования: аппарат математической статистики, элементы теории информации, теория кодирования, теория ортогональных преобразований, математический аппарат недетерминированных автоматов, математический аппарат временных иерархических раскрашенных сетей Петри.

Научная новизна работы:

  1. Впервые разработаны имитационные модели компонентов вычислительной системы регистрации (источника информации, канала передачи, регистратора) на базе цветных иерархических временных сетей Петри, позволяющие исследовать взаимное влияние потока регистрируемой информации и рабочих потоков РЛС, а также вероятностно-временные характеристики вычислительной системы регистрации.
  2. Разработан алгоритм сжатия радиолокационной информации, отличающийся тем, что он учитывает структуру кадра данных импульсно-допплеровской РЛС, а также использует линейное предсказание сигнала с последующим арифметическим кодированием ошибки предсказания, благодаря чему сжатие производится без потерь.
  3. Разработан алгоритм разбора записей зарегистрированного радиолокационного сигнала, обеспечивающий частичное восстановление данных при наличии ошибок и отличающийся ориентированностью на параллельную обработку информации в многопроцессорной вычислительной системе.

Практическая значимость работы:

  1. Разработанные имитационные модели компонентов вычислительной системы регистрации позволяют определить требования к размерам буферов, алгоритмам обработки и производительности компонентов вычислительной системы регистрации при ее проектировании.
  2. Разработанный комплекс сервисных программ в математическом пакете Matlab позволяет проводить статистическую обработку результатов моделирования вычислительной системы регистрации.
  3. Разработанный алгоритм сжатия радиолокационного сигнала обеспечивает сжатие регистрируемой информации в 2,6–3,7 раза без потерь, за счет чего снижается нагрузка на каналы передачи информации и обеспечивается регистрация большего объема информации при неизменной емкости накопителя. Кроме того, ориентированность алгоритма на покадровую обработку данных делает возможным его реализацию с учетом требований реального времени.
  4. Предложена структура аппаратного компрессора, использующего разработанный алгоритм сжатия, и проведена оценка ресурсов ПЛИС, требуемых для его реализации.
  5. Разработанное программное обеспечение на основе предложенного алгоритма разбора записей зарегистрированного радиолокационного сигнала позволяет сократить время разбора записей в 1,5 раза.
  6. Разработанное программное обеспечение позволяет имитировать цифровую обработку сигнала в приемном тракте РЛС на зарегистрированных радиолокационных данных. Предложенные решения нашли применение при создании технологического комплекса для АК ДРЛО нового поколения.

Основные положения, выносимые на защиту:

  1. Имитационные модели компонентов вычислительной системы регистрации (источника информации, канала передачи, регистратора) радиолокационной информации, построенные на базе цветных иерархических временных сетей Петри.
  2. Алгоритм покадрового сжатия радиолокационной информации импульсно-допплеровской РЛС, использующий линейное предсказание сигнала с последующим арифметическим кодированием ошибки предсказания.
  3. Алгоритм разбора записей зарегистрированного радиолокационного сигнала.
  4. Комплекс программ, реализующих алгоритмы разбора радиолокационной информации и алгоритмы цифровой обработки радиолокационного сигнала в приемном тракте РЛС.
  5. Комплекс сервисных программ в математическом пакете Matlab для статистической обработки результатов моделирования вычислительной системы регистрации.

Реализация и внедрение результатов работы. Диссертация является теоретическим обобщением научно-исследовательских работ, выполненных автором в Пензенском государственном университете, а также в ОАО «НПП «Рубин» (г. Пенза) при выполнении опытно-конструкторской работы по заказу ОАО «Концерн радиостроения «Вега» (г. Москва), что подтверждено соответствующими документами.

Достоверность научных положений, выводов и практических рекомендаций, сформулированных в диссертации, обеспечивается использованием методов исследования, адекватных предмету, цели и задачам работы, проверкой алгоритмов на тестовых и реальных данных, результатами имитационного моделирования, результатами опытной эксплуатации созданных программно-аппаратных средств, использующих научные результаты диссертации, а также апробацией на международных конференциях.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на международных и всероссийских научно-технических конференциях: ХХVI научно-технической конференции молодых ученых и специалистов «Датчики и системы» (Пенза, 2007); Международной научно-технической конференции «Современные информационные технологии» (Пенза, 2007, 2008); Международной научно-практической конференции «Математические методы в технике и технологиях (ММТТ-21)» (Саратов, 2008); Международной научно-технической конференции «Новые информационные технологии и системы» (Пенза, 2008, 2010); XXII Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях (ММТТ-22)» (Псков, 2009);
3-й Всероссийской научно-технической конференции «Перспективные системы и задачи управления» (Таганрог, 2008); Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России» (Москва, 2008); 17-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Микроэлектроника и информатика» (Москва, 2010); Всероссийской конференции с элементами научной школы «Проведение научных исследований в области обработки, хранения, передачи и защиты информации» (Ульяновск, 2009); VIII Всероссийской научно-технической конференции «Современные методы и средства обработки пространственно-временных сигналов» (Пенза, 2010).

Магистерская диссертация автора по теме «Разработка метода сжатия радиолокационной информации» получила диплом за 3-е место во Всероссийском конкурсе выпускных квалификационных работ по специальности «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети» (2008).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 печатных работ, из них 6 – в журналах, входящих в перечень ВАК РФ. Зарегистрировано 2 программных продукта в Роспатенте.

Все результаты работы, составляющие содержание диссертации, получены автором самостоятельно. Работы [1, 3, 10, 12, 13, 18] опубликованы в соавторстве с научным руководителем, которому принадлежат разработка концепции решаемой проблемы и постановка задачи исследования.
В зарегистрированных программных продуктах (работы [20, 21] выполнены в соавторстве) диссертантом разработаны алгоритмы и подпрограммы разбора радиолокационной информации, цифровой обработки зарегистрированного радиолокационного сигнала. Все программное обеспечение аппаратно-программных комплексов регистрации радиолокационной информации, описанное в приложениях к диссертации, разработано диссертантом самостоятельно.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Объем работы: 145 страниц основного машинописного текста, 49 рисунков, 25 таблиц,
6 приложений на 21 странице. Список литературы содержит 153 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цели и основные задачи работы, методы исследования, научная новизна и практическая значимость, а также представлены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ задач, возникающих при регистрации информации бортовых радиолокационных комплексов.

Определено, что вычислительная система регистрации радиолокационной информации в перспективном АК ДРЛО включает:

  • компонент формирования потока (или источник информации);
  • компонент передачи потока;
  • компонент регистрации – регистратор (рисунок 1).

Источником информации является специализированный вычислитель, который производит цифровую обработку радиолокационного сигнала и позволяет выводить данные на регистрацию с одного из этапов обработки в цифровой форме. Наибольшей интенсивностью, достигающей сотен мегабит в секунду, обладает поток данных, снимаемых с первого этапа обработки – цифрового понижающего преобразования частоты (digital down converting – DDC). Передача по бортовой сети и сохранение на накопителе такого объема информации представляют трудности. Поэтому для уменьшения объема передаваемых данных было предложено сжимать информацию без потерь в реальном масштабе времени. Сжатию сигнала посвящена глава 2.

В качестве компонента передачи потока используется существующая сеть стандарта Gigabit Ethernet бортовой информационно-управляющей системы. В сети, кроме потока регистрации, циркулирует поток рабочей информации, критичный к задержкам. В связи с этим необходимо оценить влияние потока регистрации на рабочий поток и свести его к минимуму.

  Структура вычислительной-2

Рисунок 1 – Структура вычислительной системы регистрации

Компонент регистрации представляет собой вычислительную машину. Так как темп поступления данных соизмерим с производительностью самой машины, для обеспечения заданной производительности необходимо определить требования к отдельным компонентам и алгоритмам обработки информации в регистраторе.

Для исследования пропускной способности компонентов вычислительной системы регистрации предложено создать единое инструментальное средство на основе имитационной модели. Созданию такого средства посвящена глава 3.

Вторая глава посвящена вопросам сжатия радиолокационного сигнала.

Исследования проводились для сигнала импульсно-допплеровской РЛС, работающей в режиме квазинепрерывного излучения. Источником сигнала является цифровой специализированный вычислитель.

Модель радиолокационного сигнала описывается следующим образом:

g(i, j) = s(i, j) + p(i, j) + n(i, j), (1)

где g(i, j) – значение сигнала для i-й строки дальности, j-го отсчета дальности; s(i, j) – отраженный от цели сигнал; p(i, j) – помеха; n(i, j) – шум.

Все компоненты модели одинаково информативны для потребителя регистрируемых данных. Поэтому подавление шума при сжатии сигнала не допустимо, следовательно, сжатие должно производиться без потерь.

Для оценки целесообразности введения этапа сжатия рассчитывалась максимально достижимая степень сжатия данных. Максимальной степени сжатия можно добиться на сигнале, несущем в себе наименьшее количество информации. В таком сигнале отсутствует сигнал цели s(i, j) и помеха p(i, j), а имеется только шум n(i, j). Независимо от наличия сигнала цели и помехи исходный сигнал g(i, j) кодируется фиксированным числом бит.

Степень сжатия блока данных определяется как Kсж = S0/S1, где S0 – размер блока несжатых данных в байтах; S1 – размер блока сжатых данных в байтах.

Анализ экспериментальных данных показал, что шум исследуемого радиолокационного сигнала близок по своим характеристикам к белому гауссовскому шуму. Исходя из теоремы Шеннона о кодировании источника, закона распределения и среднего квадратического отклонения шума (до 4 единиц младшего разряда), была определена максимальная теоретически достижимая степень сжатия радиолокационного сигнала – 4 раза.

При наличии сигнала цели, амплитуда которого достигает 215 единиц младшего разряда, степень сжатия радиолокационного сигнала ухудшается. Поэтому сжатие было решено проводить в два этапа. На первом этапе – сокращать избыточность представления сигнала цели; на втором – сжимать полный сигнал статистическим кодером.

В качестве предварительной обработки были рассмотрены следующие алгоритмы:

  • словарный алгоритм сжатия Лемпеля – Зива – Велча (Lempel –
    Ziv – Welch, LZW);
  • предсказание сигнала с использованием шаблонов;
  • ортогональные преобразования (дискретное косинусное преобразование, а также вейвлет-преобразование);
  • линейное предсказание сигнала.

Для сравнения алгоритмов были разработаны подпрограммы для математического пакета Matlab. Результаты сравнения представлены в таблице 1. В качестве исходных данных использовались данные, полученные при летных испытаниях комплекса АК ДРЛО.

Алгоритм LZW показал низкую эффективность при сжатии радиолокационного сигнала. Это объясняется его ориентированностью на сжатие повторяющихся цепочек символов, которые в исследуемом сигнале практически отсутствуют.

Таблица 1 – Сравнительная характеристика алгоритмов предварительной обработки



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.