Алгоритмы многопараметрической обработки сигналов атмосфериков в спектральном базисе Фурье

Актуальность темы

Атмосферики — электромагнитное излучение грозовых разрядов (ГР) — являются представителями класса импульсных сигналов природного происхождения. Радиотехнические устройства (РТУ) обработки сигналов атмосфериков (СА) находят широкое применение на транспортных, взрывоопасных и пожароопасных объектах для предупреждения грозовой опасности, а также в целях экологического мониторинга. Ряд отраслей хозяйства, такие как энергетика, нефтеи газоперерабатывающая промышленность, наливные терминалы, склады взрывоопасных и пожароопасных средств, лесное хозяйство, службы экологического мониторинга и транспорта являются потребителями РТУ оперативного обнаружения и оценивания параметров СА.

Проблеме обработки СА посвящены работы И. И. Кононова [1−5], В. Д. Степаненко [6, 7], С. М. Гальперина [3, 6−9], Н. А. Файзулина [10, 11], М. С. Александрова [12−14], В. А. Епанечникова [12, 15, 16], Ю. Н. Паршина [17−23], М. А. Юмана [24], Е. П. Крайдера [24], Д. Е. Проктора [25] и других ученых. В известных работах наиболее остро ставится вопрос об оценивании дальности до ГР.

Обработка СА затрудняется неопределенностью формы и неизвестными моменты появления сигналов. Для решения данной задачи используются мно-гопунктовые и однопунктовые, активные и пассивные, алгоритмы ближней и дальней зон и т. д. Однако, известные алгоритмы не учитывают в комплексе неопределенность формы СА, различия облачных (ОГР) и ГР облако-Земля (03), их протяженность в пространстве, высоту точки наблюдения (ТН) и наличие шумов.

Неопределенность формы сигналов, наличие шумов и помех в сверхнизкочастотном диапазоне являются одними из отличительных особенностей задач обработки СА, решаемых методами статистической радиотехники. Методы статистической обработки сигналов во временном и спектральных базисах нашли отражение и развитие в работах отечественных и зарубежных ученых:

В.А. Котельникова [26], Б. Р. Левина [27, 28], A.M. Трахтмана [29], А. П. Трифонова [30, 31], В. И. Тихонова [32−35], Ю. Г. Сосулина [36−38], ВТ. Гусева [39], М. С. Бартлетта [40], Г. Ван Триса [41], Д. Бриллинджера [42], К. Р. Рао [43] и др.

В связи с быстрым развитием средств цифровой техники и широкими возможностями обработки сигналов на их основе актуальна разработка алгоритмов обработки СА, использующих дискретное представление процессов. Обработка информации в спектральном базисе Фурье обусловлена вычислительной эффективностью компенсации сосредоточенных по спектру помех, фильтрации сигналов и выполнения линейных операций интегрирования и дифференцирования, в частности, при описании трасс распространения СА. Значительное разнообразие вариантов пространственной ориентации ГР обуславливает необходимость оценивания множества параметров СА, характеризующих положение разрядов.

Вышесказанное подтверждает актуальность разработки и исследования алгоритмов многопараметрической обработки СА в спектральном базисе Фурье и РТУ, реализованных на их основе, с использованием методов статистической радиотехники, обеспечивающих инвариантность к изменению формы реализаций СА, учет типа и пространственной протяженности ГР, высоты ТН, что в совокупности позволяет повысить эффективность обработки

Основной целью данной работы является повышение эффективности обработки СА РТУ путем синтеза однопунктовых алгоритмов обнаружения и многопараметрического оценивания СА в спектральном базисе Фурье.

Задачи исследований.

1. Разработка математической модели СА в спектральном базисе Фурье, включающей стохастическую, учитывающую в среднем неопределенность в форме обрабатываемых сигналов, и квазидетерминированную, описывающую положение пространственно протяженных произвольно ориентированных линейных ГР с учетом высоты ТН, составляющие, где линейный разряд рассматривается как аппроксимация ГР со сложной пространственной конфигурацией.

2. Синтез и анализ оптимального алгоритма совместного обнаружения на основе критерия Неймана-Пирсона и максимально-правдоподобного оценивания вектора параметров (далее алгоритма многопараметрического оценивания) СА в базисе Фурье на основе разработанной математической модели с учетом шумов наблюдения.

3. Разработка алгоритма адаптации при многопараметрическом оценивании СА в базисе Фурье на фоне стационарных сосредоточенных по спектру помех.

4. Разработка инвариантного относительно плотности распределения вероятностей (ПРВ) шумов с фиксированной формой спектральной плотности мощности (СПМ) для вероятности ложной тревоги (ВЛТ) алгоритма обнаружения СА.

5. Экспериментальное исследование полученных алгоритмов обработки СА с помощью численного имитационного моделирования и натурных испытаний.

Методы исследований. При проведении исследований по диссертационной работе использовались методы статистической радиотехники, математической статистики, спектрального анализа и матричного исчисления. Анализ полученных решений проводился с использованием аналитических методов, численного имитационного моделирования и натурного эксперимента.

Научная новизна. В рамках данной работы получены следующие новые научные результаты.

1. Разработана математическая модель СА в спектральном базисе Фурье, учитывающая в среднем неопределенность в форме обрабатываемых сигналов на основе стохастического описания токового момента ГР, положение пространственно протяженных произвольно ориентированных линейных разрядов и значение высоты ТН с помощью уравнений распространения электромагнитного поля (ЭМП) при квазидетерминированных параметрах.

2. Синтезирован алгоритм однопунктового совместного обнаружения на основе критерия Неймана-Пирсона и многопараметрического оценивания СА в спектральном базисе Фурье с использованием разработанной математической модели, позволяющий проводить оценивание параметров сигналов, полностью характеризующих положение линейных пространственно протяженных произвольно ориентированных ГР, и повысить точность их оценивания по сравнению с известными алгоритмами.

3. Исследовано влияние границ частотного диапазона принимаемых С, А на погрешность оценивания их параметров с использованием уравнений для границ Рао-Крамера.

4. Разработан алгоритм адаптации при оценивании вектора параметров С, А в базисе Фурье на фоне стационарных сосредоточенных по спектру помех.

5. Разработан инвариантный относительно ПРВ шумов с фиксированной формой СПМ для ВЛТ алгоритм обнаружения СА.

Практическая значимость и внедрение результатов работы. Представленные в работе алгоритмы и структурные схемы РТУ обработки сигналов могут найти применение в системах метеонавигации, грозопредупреждения и экологического мониторинга, а также в устройствах обработки сигналов с датчиков звуковых и электромагнитных колебаний. Реализация результатов исследований позволит повысить точность оценивания параметров СА по сравнению с существующими алгоритмами, в том числе на фоне стационарных сосредоточенных по спектру помехоценивать параметры, полностью характеризующие положение произвольно ориентированных пространственно протяженных линейных ГРреализовывать эффективные обнаружители СА.

Результаты диссертационной работы внедрены в разработку изделия по Государственному оборонному заказу № 5145 от 02.06.2004 под шифром «Родонит», а также в учебный процесс ГОУ ВПО «Рязанский государственный радиотехнический университет» (РГРТУ), что подтверждается соответствующими актами.

Достоверность и обоснованность основных результатов диссертационной работы обеспечиваются применением при разработках и исследованиях методов, которые базируются на основе статистической теории обнаружения и оценивания сигналовсогласованием результатов, полученных временными и спектральным алгоритмамисходимостью в частных случаях полученных и известных результатовработоспособностью алгоритмов, показанной на основе натурных испытаний.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Алгоритм однопунктового совместного обнаружения на основе критерия Неймана-Пирсона и многопараметрического максимально-правдоподобного оценивания СА в спектральном базисе Фурье с использованием разработанной математической модели, позволяющий проводить оценивание параметров сигналов, полностью характеризующих положение линейных пространственно протяженных произвольно ориентированных ГР, исключить вычислительно затратные операции обращения матриц и вычисления определителей и повысить точность оценивания дальности в 1,5−11 раз по сравнению с импульсным ЕН-методом на основе фильтров антитрасс.

2. Алгоритм адаптации при многопараметрическом оценивании СА в базисе Фурье на фоне сосредоточенных по спектру помех, обладающих интервалом стационарности на порядок большим, чем длительность принимаемых сигналов, позволяющий повысить точность оценивания дальности до ГР в 1,1−2,0 раза.

3. Инвариантный относительно ПРВ шумов с фиксированной формой СПМ алгоритм обнаружения СА, обеспечивающий постоянство ВЛТ и позволяющий снизить в 6,0−9,8 раз вычислительные затраты на обнаружение по сравнению с синтезированным оптимальным алгоритмом обнаружения.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: 7-я Всероссийская научно-техническая конференция (НТК) студентов, молодых ученых и специалистов «Новые информационные технологии в научных исследованиях и в образовании», Рязань, РГРТА, 2002 г.- 38, 39-я НТК РГРТА, Рязань, РГРТА, 2004, 2006 гг.- Всероссийская научно-практическая конференция «Радиолокационная техника-2004: устройства, станции, системы», Муром, МЗРИП, 2004 г.- 3-я Международная НТК «Авиация и космонавтика-2004», Москва, МАИ, 2004 г.- 13, 14-я Международные НТК «Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций», Рязань, РГРТА, 2004, 2005 гг.- 17-я Всероссийская НТК студентов, молодых ученых и специалистов «Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы-2004», Рязань, РГРТА, 2004 г.- 23-й Всероссийский симпозиум «Радиолокационное исследование природных сред», С. Петербург, НИЦ-2 4-ЦНИИ МО РФ, 2005 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ. Из них 3 статьи в межвузовских и ведомственных сборниках научных трудов, 1 в журнале, включенном в перечень ВАК, и 9 тезисов докладов на конференциях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 112 наименования и трех приложений. Диссертация содержит 150 страниц, в том числе 131 страницу основного текста, шесть таблиц и 37 рисунков.

4.7 Выводы

В данной главе решены следующие задачи:

— методом натурного эксперимента на основе записей СА от одной грозы показана эффективность синтезированного алгоритма многопараметрического оценивания СА по измерению дальности до ГР с использованием альтернативного метода оценивания по тем же экспериментальным данным — импульсного ЕН-метода на основе фильтров антитрассрасхождение оценок дальности, полученных данными методами, составило 2,6 км, значения выборочных средних — соответственно: 10 и 8,5 км.

Установлено:

— синтезированный алгоритм многопараметрического оценивания СА имеет в 1,5−11 раз меньшую погрешность оценивания дальности до ГР, чем импульсный ЕЯ-метод на основе фильтров антитрасс при равных условияхкоторое составляло

— использование алгоритма адаптации при оценивании параметров СА на фоне стационарных сосредоточенных по спектру помех позволяет повысить точность оценивания дальности в 1,1−2,0 разаколичество обучающих реализаций, необходимое для преодоления априорной неопределенности относительно характеристик рассмотренных помех, составляет порядка 10.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные научные и практические результаты диссертационной работы заключаются в следующем.

1. На основе натурных исследований и известных представлений о распространении ЭМП разработана математическая модель СА в спектральном базисе Фурье, включающая стохастическую и квазидетерминированную составляющие и учитывающая важные при обработке С, А особенности: неопределенность в форме сигналов, положение и пространственную протяженность произвольно ориентированных линейных ГР, высоту точки наблюдения.

2. Синтезирован оптимальный алгоритм совместного обнаружения и многопараметрического оценивания СА на фоне шумов в базисе Фурье с использованием разработанной математической модели, позволяющий проводить оценивание параметров сигналов, полностью характеризующих положение линейных пространственно протяженных произвольно ориентированных ГР, повысить точность их оценивания и реализуемость по сравнению с известными алгоритмами.

3. Разработана методика анализа синтезированного алгоритма обнаружения СА в базисе Фурье.

4. Получены уравнения, описывающие границы Рао-Крамера для алгоритма многопараметрического оценивания СА, и на их основе исследовано влияние границ частотного диапазона принимаемых сигналов на погрешность оценивания параметров. Установлено, что существуют некоторые отдельные участки спектра, наиболее сильно влияющие на величины ошибок оценивания параметров СА.

5. Предложен алгоритм адаптации при оценивании вектора параметров С, А в базисе Фурье на фоне сосредоточенных по спектру помех, обладающих интервалом стационарности на порядок большим, чем длительность принимаемых сигналов, позволяющий повысить точность оценивания параметров СА. На основе экспериментальных данных установлено, что количество обучающих реализаций, необходимое для преодоления априорной неопределенности относительно характеристик помех, составляет порядка 10.

6. Разработан алгоритм обнаружения СА на фоне шумов с фиксированной формой СПМ инвариантный относительно ПРВ шумов, позволяющий снизить вычислительные затраты на обнаружение и обеспечивающий постоянство ВЛТ.

Результаты диссертационной работы свидетельствуют о решении задачи, состоящей в повышении эффективности обнаружения и оценивания параметров СА однопунктовыми пассивными алгоритмами. Разработанные алгоритмы позволяют повысить точность оценивания параметров СА по сравнению с существующими, в том числе на фоне стационарных сосредоточенных по спектру помехоценивать параметры, полностью характеризующие положение произвольно ориентированных пространственно протяженных линейных ГРреали-зовывать эффективные обнаружители СА.

Представленные в работе алгоритмы и структурные схемы РТУ обработки сигналов могут найти применение в системах метеонавигации, грозопредупре-ждения и экологического мониторинга, а также в РТУ обработки сигналов с датчиков звуковых и электромагнитных колебаний.

Результаты диссертационной работы внедрены в разработку изделия по Государственному оборонному заказу № 5145 от 02.06.2004 под шифром «Родонит», а также в учебный процесс ГОУ ВПО «Рязанский государственный радиотехнический университет», что подтверждается соответствующими актами.