Алгоритмы обнаружения сигналов пассивной радиолокации и оценка их фазочастотных параметров

Актуальность работы. Диссертация посвящена вопросам синтеза алгоритмов обнаружения и оценки параметров радиосигналов в условиях высокой априорной неопределенности, и исследованию их работы в различных условиях функционирования целевой многоканальной системы пассивной радиопеленгации.

За последние годы в мире наметилась тенденция перехода от построения бортовых систем обработки сигналов на базе аналоговой микроэлектроники к построению на базе цифровой. Это связано с совокупностью различных факторов, например, относительно высокой стабильностью работы цифровых алгоритмов по сравнению с работой алгоритмов, реализованных на аналоговых микросхемах. Аналоговая вычислительная электроника целиком построена на использовании различных включений усилительных каскадов и пассивных элементов. Производственный разброс параметров элементов приводит к необходимости настройки всех алгоритмических звеньев, что при реализации сложных алгоритмов приводит к большой трудоемкости регулировки изделий. Чувствительность всех элементов к условиям окружающей среды приводит к необходимости обеспечивать заданные климатические условия — влажность, температуру, давление — в противном случае рабочая точка может «уплыть», то есть выйти из диапазона значений, в которых возможна работа алгоритма. Третьим существенным недостатком является то, что даже простейшие арифметические операции, такие как сложение и вычитание, требуют использования большого числа элементов, а, следовательно, и места на платах, энергопотребления и прочего.

В противовес этому цифровые алгоритмы нечувствительны к изменениям окружающих условий, параметры фильтров, полиномиальные коэффициенты, порядок сортировки и выборки не изменяется ни от температуры, ни от влажности — цифровая микросхема в заданных условиях может либо работать, либо нет. Это устраняет необходимость обеспечения стабильности окружающих условий и регулировки элементов для достижения наилучших соотношений параметров алгоритмов. В дополнение к этому цифровые микросхемы позволяют реализовать объемные в плане вычислений и ресурсозатратные алгоритмы с использованием малого числа корпусов, что снижает, как размеры разрабатываемых блоков, так и весовые характеристики, что является весьма актуальным для бортовых систем, в которых всегда ограничено доступное для размещения пространство и грузоподъемность.

За последние годы цифровая техника претерпела экспоненциальный рост производительности и емкости, при параллельном снижении размеров. Современный уровень интеграции позволяет уместить несколько десятков тысяч логических элементов в одном корпусе, как снизив габариты, так и повысив быстродействие системы. Большое число элементов, размещенных на одном небольшом кристалле, позволяет практически устранить проблемы, которые возникают при трассировке печатных плат, тем самым можно реализовать устройство, в котором заложена большая функциональность по сравнению с предшествующими аналогами.

В связи с этим весьма актуальной является разработка алгоритмов обнаружения сигналов и оценки параметров сигналов с высокой степенью априорной неопределенности и широкой вариативностью для бортовых систем на базе современной цифровой техники. Отличительной особенностью таких систем являются повышенные требования к массе и габаритам, что не позволяет применять большое число вычислительных кластеров, а это означает, что многие классические оптимальные схемы обнаружения, распознавания и оценки оказываются неприменимыми в данных условиях. Таким образом, для учета специфики бортовых устройств необходимо разработать некоторую методику, которая позволила бы наложить ограничения на разрабатываемые алгоритмы, а также позволяла бы произвести сравнительный анализ алгоритмов для выбора тех, которые наибольшим образом подходят для реализации в указанных условиях.

Обозначенная возможность сравнения приводит к необходимости разработки критерия или системы критериев качества. Для создания подобного критерия и ограничивающих условий в сложной системе взаимодействующих алгоритмов целесообразно воспользоваться соответствующими областями теории системного анализа.

Целью диссертационной работы является повышение вероятности обнаружения сигналов, точности оценки частотных параметров сигналов, надежности работы и эффективности использования доступных ресурсов в системах многоканальной пассивной радиопеленгации.

В соответствии с целью диссертационной работы были сформулированы и решены следующие задачи:

1. Исследование достижимой потенциальной точности оценок фазо-частотных параметров для многоканальных цифровых систем пассивной радиопеленгации;

2. Разработка методики оценки эффективности синтезируемых алгоритмов для обнаружения сигналов и измерения их фазо-частотных параметров при их использовании в многоканальных системах пассивной радиопеленгации;

3. Разработка алгоритмов обнаружения импульсных и непрерывных сигналов и оценка их фазочастотных параметров для систем пассивной радиопеленгации в условиях высокой априорной неопределенности;

4. Построение математической и имитационной моделей многоканальной системы широкополосной пассивной радиолокации, предназначенной для обнаружения сигналов, их пеленгации и измерения фазо-частотных параметров;

5. Проведение численного и экспериментального моделирования работы алгоритмов обнаружения сигналов и оценки их фазо-частотных параметров для систем пассивной радиолокации.

Методы исследований базируются на теории системного анализа, теории принятия решений, аналитических и численных методов, статистических методов обработки информации и математических методов обработки информации на ПЭВМ.

Научная новизна работы:

1. Разработана методика оценки эффективности алгоритмов для цифровой обработки сигналов в бортовых системах реального времени, предназначенных для пассивной радиолокации;

2. Разработаны алгоритмы обнаружения импульсных и непрерывных сигналов с априорно неизвестными параметрами и алгоритмы оценки фазо-частотных параметров принимаемых сигналов в многоканальных цифровых системах пассивной радиолокации.

Положения, выносимые на защиту:

1. Результаты исследований потенциальной точности оценки фазо-частотных параметров сигналов в многоканальных цифровых системах пассивной радиолокации;

2. Алгоритмы обнаружения сигналов и оценки их фазо-частотных параметров в многоканальных цифровых системах пассивной радиопеленгации;

3. Математическая модель многоканальной цифровой системы пассивной радиопеленгации;

4. Результаты математического и экспериментального моделирования работы алгоритмов обнаружения сигналов и оценки их фазо-частотных параметров в системах пассивной радиопеленгации.

Достоверность научных выводов подтверждается:

1. Корректностью исходных математически положений, обоснованностью принятых допущений, репрезентативностью статистических данных

2. Соответствием результатов теоретических исследований, результатов математического моделирования и результатов экспериментальных исследований.

Личный вклад автора:

Основные результаты, вывод и рекомендации, приведенные в диссертации, получены автором лично.

Практическая значимость работы:

В диссертации произведено исследование потенциальной точности оценки фазо-частотных параметров сигналов в системах пассивной радиопеленгации. Результаты исследования могут быть использованы для обоснования тактико-технических требований к системам пассивной радиолокации, а также для оценки возможностей таких систем.

Предложена методика оценка эффективности реализации алгоритмов цифровой обработки в бортовой аппаратуре цифровой обработки сигналов. Предложенная методика, критерий сравнения и система ограничивающих условий может быть использована для обоснования выбора алгоритмов цифровой обработки сигналов в системах пассивной радиолокации, а также для обоснования структуры подобных систем.

Разработаны алгоритмы обнаружения широкополосных сигналов в условиях высокой априорной неопределенности и широкой номенклатуры видов модуляций, а также алгоритмы оценки их фазо-частотных параметров. Разработанные алгоритмы могут быть использованы в широкополосных многоканальных цифровых системах пассивной радиолокации.

Разработаны математические и имитационные модели многоканальных цифровых систем пассивной радиолокации. Модели могут быть использованы для разработки и оценки результатов работы алгоритмов, предназначенных для подобных систем. Модели позволяют производить сравнение различных алгоритмов, а также производить исследования отличий аппаратно реализованных систем от математической модели для поиска и устранения неисправностей, а также для внесения корректив в алгоритмы, которые позволяют учесть отличие реальной и модельной систем.

Апробация работы:

1. Доклад на XXXVII Всероссийской научно-технической конференции. — М., 2011.

2. Доклад на Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России». — М., 2011.

3. Доклад на Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России». — М., 2012.

4. Доклад на XXXIX Всероссийской научно-технической конференции «Проектирование систем». — М., 2012.

Внедрение результатов работы:

1. Результаты диссертации внедрены в ОКР «Фракция» ЦНИРТИ им. А. И. Берга, что подтверждается актом внедрения.

2. Результаты диссертации внедрены в ОКР «Антракт» ЦНИРТИ им. А. И. Берга, что подтверждается актом внедрения.

3. Результаты диссертации внедрены в ОКР «Литограф» ЦНИРТИ им. А. И. Берга, что подтверждается актом внедрения.

4. Результаты диссертации используются в учебном процессе на кафедре СМ-5 «Автономные информационные и управляющие системы» МГТУ им. Н. Э. Баумана, что подтверждается актом об использовании.

Публикации. Результаты диссертации отражены в 8 научных работах, из них в журналах по перечню ВАК — 1.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (наименований), приложения, и изложена на 148 листах машинописного текста, включая 61 рисунок.

7. Результаты работы внедрены в ОКР «Фракция» и ОКР «Антракт», а также используются в учебном процессе и НИР кафедры автономных информационных и управляющих систем МГТУ им. Н. Э. Баумана