Обработка пространственного распределения сигналов в оптической локации и радиовидении

Актуальность работы.

Работа посвящена задаче формирования локационными методами некоординатной информации об объекте, находящемся на большом удалении. Важнейшей характеристикой информационной системы является ее разрешающая способность, определяющая возможность раздельного наблюдения близкорасположенных элементов конструкции объекта. Разрешающая способность по дальности обеспечивается использованием сверхширокополосных сигналов. Для увеличения разрешающей способности по азимуту необходимо применение антенн с большой апертурой. В случае самолетного локатора необходимый размер антенны достигается формированием в процессе полета синтезированной апертуры (СА).

В радиолокаторах с синтезированной апертурой антенны (РСА) неконтролируемые траекторные нестабильности носителя РСА в процессе синтезирования апертуры, нестабильности приемо-передающей аппаратуры, среды распространения излучения приводят к искажениям фазы принимаемого сигнала, что в свою очередь ведет к ухудшению разрешающей способности по азимуту. Для уменьшения влияния траекторных нестабильностей и увеличения разрешения на практике используется сложная специальная обработка принятого сигнала с учетом данных навигационного оборудования (точность датчиков инерциальной навигационной системы часто не удовлетворяет рассматриваемым задачам), сложные адаптивные алгоритмы обработки.

Анализируемый в работе метод восстановления изображения удаленного объекта основан на использовании только амплитудной информации в отраженном сигнале без измерения фазовой составляющей. Метод восстановления изображения заключается в формировании структурного изображения наблюдаемого объекта на основе анализа пространственного распределения интенсивности отраженного объектом сигнала. На амплитуду отраженных и принимаемых антенной сигналов турбулентность среды распространения, нестабильность движения носителя РСА не оказывают заметного влияния. Поэтому весьма актуальным является исследование возможности использования информации об объекте, заложенной в амплитудном распределении.

Кроме того, весьма актуальным является вопрос обнаружения и извлечения информации об удаленных объектах, не обладающих достаточной отражающей способностью в радиодиапазоне (например, некоторые современные беспилотные летательные аппараты). Большой практический интерес представляют обнаружение и извлечение информации об объектах, находящихся под водой. Весьма актуальной является рассматриваемая в работе задача обнаружения и извлечения информации об объектах, обладающих «блестящими» точками в оптическом диапазоне (оптико-электронные приборы обычной и специальной техники), что позволяет проводить распознавание и идентификацию наблюдаемых объектов.

С учетом вышесказанного можно сделать вывод: разрабатываемые и исследуемые новые методы извлечения информации об удаленных объектах является актуальными.

Цель и задачи исследований.

Целью диссертации является разработка и исследование новых локационных методов извлечения информации об удаленных объектах (наземных, воздушных, подводных объектов техники) в оптическом и радиодиапазоне. Для достижения цели решаются следующие задачи: анализ существующих методов радиовидения с помощью РСА, а также методов наблюдения в оптическом диапазонеанализ отражения радиосигнала от объектов техникиразработка и исследование новых методов построения изображений объектов и анализ их эффективности при распознаванииразработка и исследование новых методов восстановления структурного изображения объектаразработка методов практического применения интерференционных методов в радиодиапазонеразработка и исследование методов формирования изображения объектов, не обладающих достаточным отражением в радиодиапазонеразработка и исследование методов формирования изображения объектов, находящихся под водой.

Методы исследований.

Для решения поставленных задач использовались методы и положения геометрической оптики, радиолокации, аналитической геометрии, гармонического анализа, дифференциального исчисления, численного анализа, имитационное и статистическое моделирование на ЭВМ.

Научная новизна.

Научная новизна работы заключается в разработке и математическом описании новых методов формирования структурного изображения удаленного объекта:

1. В радиодиапазоне — метод формирования структурного изображения удаленного объекта на основе анализа амплитудных характеристик отраженного сигнала на апертуре антенны;

2. Новый способ применения метода Гудмена с использованием нескольких опорных «блестящих» точек на объекте с разными свойствами.

3. Метод использования модулированного оптического излучения при формировании изображения объектов в турбулентной среде, а также радио прозрачных объектов;

4. Использование модулированного оптического излучения для наблюдения подводных объектов.

Практическая значимость работы.

1. Практическая значимость работы состоит в том, что предложенный способ обработки отраженного сигнала позволяет формировать структурное изображение удаленного объекта в условиях турбулентной среды и значительных неконтролируемых смещениях носителя.

2. Предложенный способ обработки также позволяет производить быстрый поиск пропавших и разбившихся самолетов без сложной обработки на базе модернизированных стандартных метео-РЛС самолетов в сложных метеоусловиях с большой поверхностью обзора.

3. В настоящее время отсутствуют методы наблюдения с борта ЛА объектов, находящихся под водой. Разработанный и исследуемый метод измерения параметров удаленных объектов в оптическом диапазоне на радиочастоте позволяет формировать изображение подводных объектов.

4. Интерференционный метод, использующий оптический сигнал, модулированный по интенсивности на радиочастоте, обеспечивает получение изображения объектов, выполненных из радио прозрачных материалов.

5. Большую практическую ценность имеет возможность формирования изображения комплекса «блестящих» в оптическом диапазоне точек, которые характерны для технических объектов, оснащенных разнообразными оптико-электронными приборами и светотехническими устройствами.

Реализация и внедрение результатов работы.

Результаты работы внедрены при выполнении проекта в рамках аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы 2006;2008 г» министерства образования и науки РФ, как существенная часть указанного проекта. см. НТО «Исследование фундаментальных основ создания опто-окусто-электронных систем слежения и управления для многоцелевых лазерных комплексов контроля параметров окружающей среды и удаленных объектов» аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2006;2008 годы)», декабрь 2006, раздел 1.4., декабрь 2007, разделы 2, 3, июнь 2007, раздел 4.2.).

Результаты работ использованы в 11 опубликованных работах, в том числе в 2-х, рекомендованных ВАК.

Кроме того, разделы работы 4.1, 4.2 используются в учебном процессе МАИ в дисциплинах: «Оптическая и инфракрасная локация», «Обработка сигналов при формировании геометрических образов удаленных объектов».

По результатам исследований получен патент на полезную модель № 69 647: «Устройство формирования изображения подводных объектов».

Апробация работы.

Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на X международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электроника и энергетика» (Москва, МЭИ, 2004) — XI международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электроника и энергетика» (Москва, МЭИ, 2005) — IV молодежной научно-технической конференции «Радиолокация и связь — перспективные технологии» (Москва, «Радиофизика», 2005) — 4-ой международной конференции «Авиация и космонавтика-2005» (Москва, МАИ, 2005) — научно-технической конференции молодых ученых «Информационные технологии и радиоэлектронные системы» (Москва, МАИ, 2007) — международной научно-технической конференции «СВЧ техника и телекоммуникационные технологии, Крымико-2007» (Севастополь, 2007), VI молодежной научно-технической конференции «Радиолокация и связь — перспективные технологии» (Москва, «Радиофизика», 2008).

Рассматриваемый метод анализа сигнала был проверен на экспериментальных данных по диаграмме переизлучения самолета В-26 Marauder.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Амплитудное распределение сигнала на апертуре антенны радиоприемной системы не зависит от случайных изменений сдвигов фазы сигнала в разных точках приемной антенны и содержит необходимую информацию об относительном расположении отражающих излучение элементов конструкции лоцируемого объекта.

2. Возможна реализация метода Гудмена, предполагающего наличие хорошо отражающей излучение точки, достаточно удаленной от наблюдаемого объекта, если такой точки нет, а на самом объекте имеются «блестящие» точки с различными свойствами (например, во временной области).

3. Возможно использование огибающей амплитудно-модулированного сигнала в качестве несущей частоты для реализации метода голограммы интенсивности и метода Гудмена.

4. Использование излучения оптического диапазона с амплитудной модуляцией на радиочастоте обеспечивает комплексирование достоинств оптического и радио диапазонов: широкий диапазон однозначных измерений положений отражающих точек с высокой направленностью и определенностью точек формирования отраженных сигналов оптического диапазона и их способностью распространения в водной среде и отражения от радиопрозрачных материалов.

Заключение

Основные выводы по работе.

1. Разработан способ формирования структурного изображения удаленного объекта на основе метода голограммы интенсивности. Предложенный метод заключается в формировании структурного изображения наблюдаемого объекта на основе пространственного распределения интенсивности сигнала. Получены необходимые зависимости и соотношения для определения разрешающей способности системы и требований к ее энергетике.

2. Описана методика обобщенного описания структурного изображения наблюдаемого объекта в его системе координат на основе использования бинарных отношений между элементами конструкций объекта, дающими сильный отраженный сигнал.

3. Сделана оценка эффективности рассматриваемого метода на базе проведенного моделирования по определению положения «блестящих» точек и их яркости.

4. Подтверждена практическая ценность формирования некоординатной информации по методу голограммы интенсивности на примере определения геометрических параметров самолета В-26.

5. Предложено практическое приложение интерференционного метода получения информации об удаленных объектах — поиск пропавших самолетов, позволяющий, во-первых, существенно сократить время поиска, во-вторых, проводить поиск в сложных метеоусловиях и в ночное время суток, при которых метод визуального поиска невозможен.

6. Разработан способ формирования структурного изображения удаленного объекта на основе «окрашенных» «блестящих» точек и метода Гудмена.

7. Разработан метод регистрации параметров удаленных объектов с помощью оптических систем с модулированным по интенсивности излучением, позволяющий решать задачи: формирование изображения объектов, не обладающих достаточным отражением в радиодиапазонеформирование изображения объектов, находящихся под водойформирование изображения объектов, обладающих «блестящими» точками в оптическом диапазоне (оптико-электронные приборы обычной и специальной техники). Определены требования по выбору частоты модуляции.

8. Разработана методика расчета ЭПР реальных объектов, содержащих хорошо отражающие элементы конструкции с известными характеристиками отражающих свойств, позволяющая проводить быструю оценку диаграммы переизлучения, не требующая больших вычислительных затрат.