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 |

Разработка и исследование алгоритмов обнаружения локационных объектов с помощью сверхширокополосных сигналов в поглощающих средах

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Мусатова Мария Михайловна

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ ОБНАРУЖЕНИЯ ЛОКАЦИОННЫХ ОБЪЕКТОВ С ПОМОЩЬЮ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫХ СИГНАЛОВ В ПОГЛОЩАЮЩИХ СРЕДАХ

Специальность 05.12.04 Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации

на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Таганрог 2007

Работа выполнена на кафедре теоретических основ радиотехники

Технологического института Южного федерального университета в г. Таганроге.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Федосов Валентин Петрович (ТТИ ЮФУ, г. Таганрог)
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Румянцев Константин Евгеньевич (ТТИ ЮФУ, г. Таганрог)
Кандидат технических наук, доцент Чернышев Валерий Михайлович (Морская академия имени адмирала Ф.Ф. Ушакова, г. Новороссийск)
Ведущая организация: ГНЦ ФГУГП «Южморгеология», г. Геленджик

Защита состоится 31 августа 2007г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д.212.208.20 в Технологическом институте Южного федерального университета в г. Таганроге в аудитории Д-406 по адресу:

пер. Некрасовский, 44, г. Таганрог, Ростовская обл., ГСП-17А, 347928

С диссертацией можно ознакомиться в Зональной научной библиотеке Южного федерального университета.

Отзыв на автореферат, заверенный гербовой печатью организации, просим направлять ученому секретарю диссертационного совета Д212.208.20 ТТИ ЮФУ по адресу:

пер. Некрасовский, 44, г. Таганрог, Ростовская обл., ГСП-17А, 347928

Автореферат разослан « 19 » июля 2007г

Ученый секретарь

диссертационного совета Д.212.208.20

кандидат технических наук, доцент В.В. Савельев

Актуальность темы. Прогресс в радио- и гидролокации нельзя представить без активного развития нового направления – сверхширокополосной локации.

Применение сверхширокополосных (СШП) сигналов открывает новые пути решения задач локации, которые в рамках традиционных методов и технических средств были неразрешимы, или, если и разрешимы, то ценой неприемлемо больших затрат. В первую очередь это относится к проблеме поиска объектов в средах с поглощением (под поверхностью земли, в слое льда, в толще морских осадков). Поиск таких объектов как подземные кабели, остатки фундаментов зданий, археологические ценности, металлические и неметаллические трубопроводы, мины и.т.п. с поверхности земли производится средствами геолокации. Средствами гидролокации осуществляется обнаружение объектов, находящихся на поверхности дна или погруженных в толщу осадков («заиленных»): бортовые самописцы («черные ящики») потерпевших аварию самолетов или вертолетов, составные части оборудования космических аппаратов, контейнеры с химическими и радиоактивными веществами, утерянные ценные малогабаритные грузы и т.п. В рамках борьбы с мировым терроризмом за последнее время возросла роль поиска намеренно зарытых в донные осадки подрывных устройств, предназначенных для нанесения ударов по выносным нефтяным и газовым терминалам, трубопроводам, морским буровым платформам и т.п. Общим для эхолокации и гидролокации заиленных объектов является то, что источник и приемник зондирующих сигналов находится в одной среде, а искомый объект – в другой. Возможность обнаружения перечисленных выше объектов ограничена сильным поглощением энергии зондирующих сигналов. Особенно сильно этот эффект проявляется в гидролокации, поскольку поглощение энергии акустических волн в среде растет с увеличением частоты. Поэтому для уменьшения энергетических потерь при обнаружении гидролокационных объектов необходимо использовать возможно более низкочастотные сигналы, при сохранении достаточной разрешающей способности по дальности и угловым координатам. Такие сигналы близки или идентичны СШП сигналам.





Переход к СШП сигналам требует пересмотра существующих методов и алгоритмов обнаружения эхосигналов от объектов в средах с сильным поглощением, разработки новых алгоритмов и создания методики расчета основных параметров СШП средств. Существующий аппарат для расчета параметров локационных станций (ЛС) принципиально не может быть достаточным для СШП локаторов, поскольку он во многом опирается на упрощения, основанные на предположении об узкополосности излучаемых сигналов. При СШП сигналах такие упрощения невозможны. Для создания методики расчета параметров СШП ЛС необходимо провести анализ возможности применения моделей традиционных простых и сложных сигналов для описания СШП сигналов, а также разработать новые модели.

В качестве моделей СШП сигналов в ряде работ рассмотрены простые сигналы и исследованы их свойства. В условиях сильного поглощения акустической энергии в осадках для получения достаточно большого отношения сигнал/помеха требуется применять простые СШП сигналы с такими амплитудами, которые превышают порог кавитации. В этом случае становиться необходимым применение сложных СШП сигналов, для которых требуемый уровень энергии может быть достигнут за счет увеличения длительности при сохранении достаточного разрешения.

Наиболее широко применяются сложные сигналы с частотной модуляцией, например, с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ), и фазоманипулированные сигналы, например, шумоподобные сигналы, манипулированные по фазе в виде

псевдослучайной М-последовательности. Методики, позволяющей рассчитывать потенциальные параметры гидролокационных станций (ГЛС), использующих СШП сложные сигналы, нет. Нет также и публикаций, посвященных исследованию свойств сложных СШП сигналов и особенностям их преобразований в среде с поглощением и при отражении от объектов локации. Для создания таких методик и проведения исследований необходимо иметь корректные математические модели сложных СШП сигналов. Поэтому целесообразно провести анализ традиционных сложных сигналов как моделей СШП сложных сигналов с целью использования их для решения задач обнаружения гидролокационных объектов, не только погруженных в толщу осадков, но и расположенных на значительном расстоянии в воде.

Основной особенностью СШП сигналов является то, что при их распространении в среде с частотно-зависимым поглощением изменяется не только энергия, но и форма сигналов. Поэтому для обеспечения согласованной фильтрации принимаемых сигналов целесообразно применять перестраиваемый фильтр. Перестройку этого фильтра необходимо осуществлять в соответствии с изменением формы эхосигнала. Для этого требуется априорное знание расстояния до объекта и параметров среды. Ни то, ни другое, как правило, неизвестно. Поэтому может оказаться более предпочтительным применение квазиоптимальных алгоритмов фильтрации. В этом случае следует оценить потери помехоустойчивости с учетом частотно-зависимого поглощения в среде распространения, а также сложность технической реализации таких фильтров.

Эти исследования дают основу для разработки рекомендаций по расчету основных потенциально достижимых характеристик гидролокационных станций (ГЛС), использующих сложные СШП сигналы.

Актуальность поставленной проблемы определяется следующими аспектами:

применение сложных СШП сигналов позволяет значительно улучшить помехоустойчивость обнаружения объектов, находящихся в средах с поглощением;

вопросы, связанные с преобразованием сложных СШП эхосигналов в средах с поглощением и их последующей фильтрацией, недостаточно изучены;

отсутствуют методики, позволяющие рассчитать основные параметры гидролокаторов, использующих сложные СШП сигналы.

Целью работы является анализ помехоустойчивости и разработка основных алгоритмов обнаружения сверхширокополосных эхосигналов, отраженных от локационных объектов, находящихся в средах с частотно-зависимым поглощением энергии и разработка методических рекомендаций по расчету потенциально возможных параметров СШП ГЛС.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие частные задачи:

– провести теоретические исследования применения сложных СШП сигналов для решения задач обнаружения гидролокационных объектов, находящихся в воде или погруженных в донные осадки;

– провести анализ влияния поглощения в грунте на основные характеристики сложных СШП эхосигналов, отраженных от объектов, погруженных в донные осадки;

– провести анализ влияния поглощения в воде на основные характеристики как простых, так и сложных СШП эхосигналов, отраженных от детерминированных объектов, находящихся в воде на значительном расстоянии от ГЛС;

– разработать основные алгоритмы фильтрации простых и сложных СШП эхосигналов на фоне шумовых помех и оценить помехоустойчивость при этих алгоритмах с учетом поглощения в среде распространения;

– разработать методические рекомендации по оценке потенциально достижимых характеристик СШП ГЛС, использующих сложные сигналы.

Объект исследования:

модели сложных СШП сигналов применительно к гидролокационным задачам обнаружения объектов в воде, на дне и толще осадков;

алгоритмы фильтрации СШП сигналов.

Методы исследования: Теоретические исследования проведены с использованием методов теории сигналов, теории случайных процессов, теории оптимального обнаружения. Числовые расчеты и компьютерное моделирование выполнены с использованием численных методов прикладной математики и методов имитационного моделирования на языке высокого уровня программирования (язык среды Matlab).

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Проведен теоретический анализ возможности использования моделей обычных сложных сигналов в качестве моделей сверхширокополосных гидролокационных сигналов при определении потенциально достижимых параметров ГЛС.

2. Получено аналитическое выражение для спектральной плотности сложного ЛЧМ сигнала, которое справедливо для описания спектральной плотности как СШП, так и узкополосных сигналов.

3. Предложена методика расчета основных характеристик сложных СШП зондирующих и эхосигналов с помощью аппроксимации их в спектральной области простыми сигналами. Исследованы погрешности такой аппроксимации.

4. Выведены аналитические выражения для основных характеристик СШП эхосигналов от объектов, находящихся в водной среде.

5. Разработаны квазиоптимальные алгоритмы фильтрации СШП простых и сложных эхосигналов, ориентированные на максимальное расстояние до объекта в воде и грунте. Получены аналитические выражения для известных и нового алгоритма фильтрации, позволяющие оценить отношение сигнал/помеха для оптимального и квазиоптимальных фильтров на фоне шумовых помех.

6. Разработана методика расчета характеристик обнаружения простых и сложных СШП эхосигналов от объектов с учетом поглощения в среде распространения при наличии шумовых помех.

Практическая значимость заключается в развитии средства прогнозирования главных характеристик СШП гидролокаторов при проектировании – инженерной методики. С её помощью получены, в частности, следующие результаты:

1. Показано, что относительные потери энергии СШП сигналов из-за поглощения в среде (в воде или грунте) оказываются в общем случае меньше относительных потерь энергии узкополосных сигналов с той же, что у СШП сигналов, центральной частотой 0. Так, например, при больших расстояниях в воде (Н>20км) или на большой глубине в грунте (h>5м) это поглощение СШП сигналов может быть меньше поглощения узкополосных на величину порядка 60дБ.

2. По этой причине энергетические и метрологические характеристики СШП сигналов меньше зависят от поглощения в среде, чем узкополосных сигналов с той же 0. Так, например, при сопоставимых условиях изменение коэффициента по-
глощения в грунте в 2,5 раза может привести к поглощению энергии узкополосного сигнала на 60дБ, а СШП сигнала с той же 0 только на 20дБ.

3. Показано, что уровень боковых лепестков огибающей корреляционной функции СШП эхосигналов уменьшается при увеличении расстояния до объекта. Вследствие этого улучшается возможность различения слабых искомых целей на фоне сильных ложных.

4. Предложенные квазиоптимальные алгоритмы фильтрации позволяют заменить сложный в реализации оптимальный перестраиваемый фильтр сравнительно простыми фильтрами с постоянными параметрами. При этом потери в помехоустойчивости не превышают 10дБ.

5. Предложенная методика расчета преобразований сложных СШП сигналов в поглощающих средах с помощью аппроксимации их в спектральной области простыми сигналами позволяет определить основные характеристики для ЛЧМ эхосигналов по формулам, полученным для радиоимпульса с прямоугольным спектром с погрешностью не более 0,5%, а для фазоманипулированных сигналов – по выражениям, полученным для радиоимпульса с прямоугольной огибающей с погрешностью не превышающей 0,05%.

6. Разработаны методические рекомендации по расчету потенциально достижимых параметров СШП ГЛС, использующих сложные сигналы.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту.

1. Результаты исследования свойств моделей сложных СШП сигналов.

2. Результаты исследований влияния среды с поглощением (вода, грунт) на основные характеристики (энергию, энергетическую ширину спектра, корреляционную функцию, разрешающую способность по дальности) СШП эхосигналов.

3. Алгоритмы согласованной фильтрации СШП простых и сложных эхосигналов. Аналитические выражения для ОСП на выходе согласованных фильтров при оптимальном и квазиоптимальных алгоритмах фильтрации. Рекомендации по выбору типа согласованного фильтра.

4. Методика и результаты расчетов характеристик обнаружения СШП простых и сложных сигналов от объектов с учетом поглощения в среде распространения при наличии помех.

5. Методические рекомендации по расчету основных параметров СШП ГЛС с применением сложных сигналов.

Научные результаты и практические рекомендации реализованы в госбюджетной научно-исследовательской работе кафедры ТОР ТТИ ЮФУ в г. Таганроге и используются в учебном процессе подготовки студентов в Технологическом институте Южного федерального университета в г. Таганроге по дисциплинам «Радиотехнические цепи и сигналы» и «Компьютерный синтез и обработка сигналов».

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключении. Общий объем диссертации 218 страниц, включая 91 иллюстрацию, 7 таблиц, список литературы из 120 наименований и 11 приложений.

Апробация, публикация результатов работы. Основные научные результаты опубликованы и прошили апробацию в 20 статьях, в том числе 2 тезисах и докладах на научно-технических конференциях: Международной научной конференции «Системный подход в науках о природе, человеке и технике». Г. Таганрог, ТРТУ, 2003г.; Международной XI научно-технической конференции «Радиолокация, навигация и связь», г. Воронеж, 2005г.; XI Международной научно-технической конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротех-

ника и энергетика», г. Москва, 2005г.; Международной молодежной научно-технической конференция студентов, аспирантов и ученых «Молодежь и современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций», Севастополь, 2006г.; VIII Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления », г. Таганрог, 2006; Международной научной конференции «Информационные технологии в современном мире», г. Таганрог, ТРТУ, 2006.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении проведено обоснование актуальности решаемых в диссертационной работе задач, сформулирована цель исследования, дан краткий обзор содержания работы, перечислены новые научные результаты, приведена практическая значимость.

В первой главе проведены анализ современного состояния СШП локации и обоснование выбранного направления исследования. Показано, что для обнаружения объектов в средах с высоким поглощением (вода, грунт) необходимо использовать СШП сигналы, коэффициент широкополосности которых , где э – энергетическая ширина спектра, меняется в пределах от 0,5 до 2. Приводится строгая постановка задачи. Вводятся ограничения на параметры зондирующего сигнала: минимальное значение энергетической ширины спектра , где скорость распространения звука в среде, lоб протяженность объекта локации, определяемой из условия обеспечения необходимого разрешения объектов r и минимальное значение нижней граничной частоты спектра , – наименьший путь, который проходит дифракционная волна по поверхности тела, определяемой из условия независимости передаточной характеристики отражения объекта от частоты. Сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе рассмотрен общий подход к построению моделей СШП сигналов. Сформулированы требования, предъявляемые к моделям сложных СШП сигналов. Исследованы известные сложные сигналы с линейной частотной модуляцией и манипулированные по фазе кодом Баркера и М-последовательностью, с точки зрения возможности использования их для описания СШП сигналов.

Доказано, что известное выражение, описывающее спектральную плотность ЛЧМ сигнала, нельзя использовать для описания спектральной плотности СШП ЛЧМ сигнала. Выведено аналитическое выражение для спектральной плотности ЛЧМ сигнала, которое справедливо как для СШП, так и для узкополосных сигналов:

(1)

где C(z) и S(z) интегралы Френеля , , , , , 0 – несущая частота сигнала, Д=2fД – полная девиация частоты, m=T·fД – индекс модуляции (база сигнала), Т – длительность сигнала.

Исследована возможность описания сложных сигналов простыми математическими функциями. Показано, что модуль спектра ЛЧМ сигнала при больших индексах модуляции (m>100) можно аппроксимировать прямоугольным спектром с погрешностью, не превышающей 3%. Сигналы, манипулированные по фазе кодом Баркера и М-последовательностью, можно аппроксимировать в спектральной области модулем спектра простого радиоимпульса с прямоугольной огибающей с погрешностью не более 0,5%. Эти приближения позволяют применить уже имеющуюся методику расчета преобразования простых сигналов в средах с поглощением и их характеристик для сложных сигналов.



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 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.