Главная » 2014»Сентябрь»30 » Разработка структуры и алгоритмов функционирования системы радиочастотного обнаружения ближнего радиуса действия для высокоскоростных
10:34 PM
Разработка структуры и алгоритмов функционирования системы радиочастотного обнаружения ближнего радиуса действия для высокоскоростных
Разработка структуры и алгоритмов функционирования системы радиочастотного обнаружения ближнего радиуса действия для высокоскоростных носителей
Диссертация
Автор: Белов, Иван Юрьевич
Название: Разработка структуры и алгоритмов функционирования системы радиочастотного обнаружения ближнего радиуса действия для высокоскоростных носителей
Справка: Белов, Иван Юрьевич. Разработка структуры и алгоритмов функционирования системы радиочастотного обнаружения ближнего радиуса действия для высокоскоростных носителей Дис. канд. техн. наук : 05.13.01 Рыбинск, 2004 c. :
Объем: стр.
Информация: Рыбинск, 2004
Содержание:
Обозначения и сокращения
1 Построение математических моделей объектов наблюдения
11 Математическая модель отраженного сигнала
111 Постановка задачи формирования модели объекта наблюдения
112 Низшие иерархические элементы поверхности объекта
113 Уравнение поля рассеяния
114 Моделирование поля рассеяния
Выводы ;
2 Разработка структуры канала приема и обработки сигнала
21 Основные методы радионаблюдения и обнаружения
22 Постановка задачи обнаружения
24 Типовые структурные схемы малогабаритных СРО
241 Метод обнаружения с помощью автогенератора
242 Метод с использованием шумоподобного зондирующего сигнала
243 Импульсный метод радиообнаружения
244 СРО с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ) зондирующего радиосигнала
245 Комплексированные и совмещенные системы радиолокации
25 Элементы структурной схемы системы обнаружения
251 Высокочастотный тракт
2511 Параметры частотной модуляции зондирующего сигнала
2512 СВЧ генератор и модулятор пилообразного напряжения
2513 Смеситель
2514 Антенная система
2515 Антенна передатчика
26 Расчет радиолинии •
27 Оценка точности измерения дальности СРО с ЛЧМ зондирующего радиосигнала
28 Предварительная оценка вероятности обнаружения и ложного срабатывания
Выводы
3 Цифровые и аналоговые методы первичной обработки входного сигнала
31 Применение быстрого преобразования Фурье для спектрального анализа информационных радиосигналов
311 Использование временных окон для улучшения спектральных характеристик БПФ
312 Вероятностная оценка требований к цифровому блоку
313 Эвристический метод анализа
314 Разработка функциональной схемы цифрового БОРД
3141 Определение шумового порога
3142 Входная часть цифрового блока обработки сигналов
3143 Разрядность БПФ и скорость вычислений ПО
3145 Вычислитель квадрата модуля комплексного числа
3146 Накопительный сумматор
3147 Интегратор частотных составляющих угловых каналов
3148 Устройство формирования уровня адаптации
3149 Схема определения каналов с минимальной энергией
31410 Схема сравнения с порогом
31411 Схема компенсации доплеровского смещения
31412 Схема контроля повторяемости результата
31413 Схема шифрации результатов
31414 Результаты моделирования ЦБОС в САПР МАХ + plus II®
32 Спектральный анализ данньлх радиолокации в аналоговой форме
321 Построение аналогового блока обработки информационных сигналов
323 Ограничения аналогового варианта и их возможное разрешение
324 Алгоритм обработки результатов спектрального анализа на примере воздушного носителя
Выводы
4 Использование вейвлет-анализа для обработки радиолокационных данных СРО
41 Моделирование рабочей обстановки
42 Некоторые особенности преобразования Фурье
43 Фильтр с конечной импульсной характеристикой (КИХ) для подавления высших гармоник сигнала
44 Адаптивная фильтрация
441 Штрафной порог
441 Очистка сигнала
441 Выбор вейвлета
Выводы
Введение:
Обоснование актуальности проблемы Во многих технических системах стоит задача обнаружения и опознавания объектов, находящихся в непосредственной близости. Получение информации об окружающих объектах можно выполнить различными способами, в том числе с помощью видеонаблюдения и радиочастотного опознавания (радиочастотной идентификации). Для опознавания статичных или низкоскоростных объектов применяют методы обработки информации, полученной при их фотографировании. Основным недостатком данного метода являются необходимость обеспечения особых условий съемки (освещенность, переменное фокусное расстояние для обеспечения резкости и др.) и малая скорость обновления информации, ограниченная механикой фотозатворов или полосой пропускания аналогового видеотракта.В условиях высоких взаимных скоростей наблюдателя и объекта наблюдения применимы методы радиочастотного обнаружения. При этом ограничения на скорость обновления выходной информации накладывает только производительность устройства обработки. Результатом работы данного устройства должна являться радиочастотная картина (РК) окружающей наблюдателя радиолокационной сцены. На основании РК могут вычисляться параметры окружаюгцих наблюдателя объектов, определяться расстояние до них и приниматься необходимые решения.В настоящее время создано большое количество различных вариантов систем радиочастотного обнаружения объектов, применяемых в системах военного и гражданского назначения. Это системы целеуказания управляемых артиллерийских боеприпасов и зенитных комплексов, датчики стыковочных узлов космических аппаратов и самолетов-заправщиков, периметровые СВЧдатчики и датчики движения, а также многие другие системы, которые требуют анализа окружающей наблюдателя обстановки в реальном времени.Существуют и другие области применения систем радиочастотного опознавания, где они требуются, но до сих пор не были применены из-за высокой цены. К такой области можно отнести, например устройства предупреждения дорожных аварий, устройства заблаговременного включения систем жизнеобеспечения перед неизбежной аварией и другие. Большинству из них свойственны определенные недостатки, не позволяющие рекомендовать их к применению в большинстве случаях. Это может быть сложность конструкции, следовательно, низкая надежность, большие габариты и масса, высокая потребляемая мощность, облегченное климатическое исполнение, низкая функциональность и другие. Системы, лишенные этих недостатков обладают высокой стоимостью и, в основном, предназначены для решения частных задач обнаружения.Во многих случаях необходимо обеспечить скрытность радиоканала системы распознавания, а также высокую помехозащищенность к активным и пассивным помехам. Это требование определяет выбор частотного диапазона, структуры приемо-передающего тракта и алгоритмов обработки сигнала.Важной задачей также является математическое моделирование объектов наблюдения для оценки параметров разработанной системы и для последз^ощей технологической тренировки в условиях серийного производства.Задача построения недорогой системы обнаружения при размещении в малых габаритах, обладающей высокой надежностью, технологичность и решающую все основные задачи получения и обработки информации о РК, а также средств контроля ее работоспособности до настоящего времени решена не была. Высокая потребность в данной системе в различных отраслях техники делает тему настоящей диссертации актуальной.Цель работы и задачи исследования Целью проведения данной работы является разработка структуры и алгоритмов функционирования системы радиочастотного обнаружения (СРО) с расширенными функциональными возможностями.Для достижения поставленной цели в диссертации были решены следующие задачи: - разработаны математические модели объектов наблюдения с использованием программы трехмерного проектирования, проведен их анализ с помощью модифицированных соотношений, упрощающих расчеты в коротковолновой части миллиметрового диапазона и лишенных неопределенностей [1]. Написана программа для обработки данных, получаемых при наблюдении, для их последз^ощего использования при настройке и отладке программного обеспечения вычислителя СРО; - проведен сравнительный анализ существующих структурных схем систем радиочастотного обнаружения объектов, определены их достоинства и недостатки с точки зрения эффективности применения в составе малогабаритной аппаратуры; - разработан высокоскоростной метод спектральной обработки с использованием быстрого преобразования Фурье по основанию 8, применимый в системах, требующих экстремально высокой скорости анализа радиочастотной картины и не имеющий аналогов в стандартных библиотеках функций; - разработан алгоритм обнаружения радиосигналов на фоне шумов известной плотности, разрешающий ограничения применения классических алгоритмов обнаружения; - разработаны 2 варианта построения бортовой СРО с использованием цифровой и аналоговой обработки данных с оригинальным сканирующим приемо-передающим модулем; - проведены оригинальные экспериментальные исследования с действующим макетом системы.Методы исследования Отклики, полученные СРО при наблюдении объектов, представляют собой совокупность случайных слабо коррелированных сигналов, которые в чистом виде не представляют ценности при анализе сцены. Поэтому при анализе информации необходимо использовать статистические методы и алгоритмическую обработку данных.Для анализа данных применяются методы быстрого преобразования Фурье, реализованные в виде мега-функций из состава инструментов программирования программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) фирмы ALTERA®, а также функции преобразования по основанию 8, разработанные специально для повышения скорости вычислений.Для выполнения адаптивной фильтрации применен метод вейвлетпреобразования. Данный метод претерпевает в настоящее время бурное развитие в связи с возможностью использования его при анализе сложных массивов данных (изображений, звуковых сигналов) для вьывления в них характеристических особенностей.Для формирования массивов тестовых данных применен метод формирования математической модели не с помощью традиционного упрощенного математического описания, а с помощью построения модели объекта в системе трехмерного моделирования. Данный метод в настоящее время применяется при решении задач дальней импульсной радиолокации как один из самых точных, дающих наиболее полные данные о характере диаграммы вторичного рассеивания объекта наблюдения. Обработка данных основана на использовании законов физической теории дифракции Уфимцева.Научная новизна данной работы заключается: - в модифицированных на случай наблюдения в миллиметровом диапазоне соотношениях для моделирования радиолокационной сцены, учитывающих диаграммы направленности антенн, критерий ближней зоны и разрешаюпщх неоднозначность известного метода [1]; - в разработанной структуре системы радиочастотного обнаружения, имеющей расширенные функциональные возможности, такие как определение расстояний и учет скоростей объектов, обладающей пространственным разрешением за счет разработанного сканирующего антенного устройства; - в повышенной скрытности радиоканала, которая достигнута благодаря применению приемо-передающей системы с пространственным сканированием и выбору особой части СВЧ-диапазона; - В разработанном алгоритме обнаружения радиосигналов на фоне шумов известной плотности, снижающий ограничения применения классических алгоритмов обнаружения; - в методах и алгоритме адаптивной фильтрации сигналов, позволяющих скомпенсировать потери, вносимые частотной обработкой и приблизить потенциал системы к теоретически возможному; - в проведенных лабораторных и полунатурных испытаниях габаритного образца системы радиочастотного обнаружения, позволяющих оценить ее работоспособность; Основные положения работы, выносимые на защиту.1 Соотношения для расчета рассеивающих свойств сложных объектов, модифицированные на случай наблюдения в миллиметровом диапазоне, учитывающие диаграммы направленности антенн, критерий ближней зоны и разрешающие неоднозначность известных [1].2 Структурные схемы цифрового и аналогового вариантов построения малогабаритной системы радиочастотного обнаружения, реализующие высокие требования к вероятностям обнаружения.3 Эвристический алгоритм обнаружения объекта наблюдения на фоне подстилающей поверхности; 4 Алгоритмы обработки радиолокационных данных, применимые в малогабаритном вычислителе ограниченной производительности, компенсирующие недостатки известных методов спектрального анализа за счет выполнения разложения в базисе вейвлетов и адаптивной фильтрации.Практическая ценность диссертации определяется - расширением функциональных возможностей системы радиочастотного обнаружения, применимой для использования в составе малогабаритной аппаратуры в условиях воздействия вредных факторов; - модифицированными методами и средствами полунатурного моделирования радиочастотной картины, требующими меньших аппаратных затрат; - алгоритмами и программами обработки данных, использованными в действующих образцах; - изготовленными действующими габаритными образцами системы радиочастотного обнаружения и проведенными с их помощью экспериментально-практическими работами; - результатами проведенных на Hi 111 «ЛАМА» работ по совершенствованию функциональных устройств и алгоритмов обработки данных; - структурными и принципиальными схемами, техническими и конструкторскими решениями отдельных устройств, разработанных в процессе выполнения диссертационной и опытно-конструкторской работы в НИН «ЛАМА».Сведения о внедрениях Результаты диссертации в виде электрических принципиальных схем электронных узлов и алгоритмов обработки радиолокационных данных внедрены в действующий образец системы, разрабатываемый ООО НИН «ЛАМА».Публикации В процессе выполнения диссертации опубликованы десять печатных работ. Апробация работы проходила на 3-ей и 4-ой Всероссийских конференциях «Актуальные вопросы разработки и внедрения высоких технологий в системы государственного и военного управления» в г. Ярославле в 2002 и 2003 гг. и на научно-технических советах в НЛП «ЛАМА» с 2001 по 2004 гг.Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и семи приложений.В первой главе диссертации решаются задачи построения модели об:ьекта и наблюдения с помощью системы трехмерного проектирования и специальной программы преобразования получаемых данных в формат, удобный для обработки с помощью системы MATLAB. С помощью системы MATLAB решаются модифицированные на случай наблюдения в мм диапазоне уравнения физической теории дифракции для определения диаграммы вторичного рассеяния объекта наблюдения и эффективной поверхности рассеяния.Вторая глава диссертации посвящена разработке структуры приемопередающего тракта СРО и определению параметров его узлов, обеспечивающих требуемые технические характеристики.В третьей главе выполнено описание структуры и алгоритма работы блока вычисления быстрого преобразования Фурье (БПФ) для вычисления энергий спектральных составляющих сигналов, полученных при наблюдении объектов.В четвертой главе описан метод адаптивной фильтрации сигнала с помощью вейвлет-декомпозиции, оценки параметров действующего шума и определения штрафного порога. Это позволяет синтезировать алгоритм обработки с автоматической адаптацией к характеру шума системы, компенсирующий потери, возникаюпще при спектральном анализе данных и что позволяет повысить общий потенциал системы, приближая его к теоретически достижимому. Повышение потенциала системы' гарантирует достижение требуемых вероятностей обнаружения и ошибок.Сведения о проведенных экспериментально практических работах приведены в приложения к диссертации.В приложения вынесены: - иллюстрации внешнего вида образца разработанной системы; - результаты моделирования решений БПФ для упрощенных моделей; - программа микроконтроллера, выполняющая алгоритмическую обработку решений блока БПФ; - структурная схема проекта БПФ64; - протоколы испытаний опытного образца; - описание программы предварительной обработки результатов работы САПР; - результаты расчета диаграммы направленности щелевой антенны для использования при моделировании поля рассеяния сложного объекта.Диссертация изложена на 203 страницах, из них 153 страниц основного текста, 50 страниц приложений, список использованных источников из 81 наименования. Диссертация содержит 102 рисунка и 26 таблиц.
