Одеська національна академія зв’язку ім. О.С. Попова

ГОЛОВАНЬ АРТУР ВЯЧЕСЛАВОВИЧ

УДК 621.391.26

АДАПТИВНА ОБРОБКА СИГНАЛІВ НА ФОНІ ЗАВАД З

ДОВІЛЬНИМ ПРОСТОРОВИМ СПЕКТРОМ ПОТУЖНОСТІ

05.12.17 – радіотехнічні та телевізійні системи

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Одеса – 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Одеському національному політехнічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник | доктор технічних наук, професор

Баранов Порфирій Юхимович,

Одеський національний політехнічний університет,

директор інституту радіоелектроніки та телекомунікацій.

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, доцент

Карташов Володимир Михайлович,

Харківський національний технічний університет радіоелектроніки, доцент кафедри радіотехнічних систем;

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник

Братченко Геннадій Дмитрович,

Науковий центр бойового застосування Сухопутних військ при Одеському ордена Леніна інституті Сухопутних військ,

начальник науково-дослідного відділу.

Провідна установа |

Український науково-дослідний інститут радіо і телебачення, Міністерство транспорту та зв’язку України, відділ систем радіозв’язку, м. Одеса.

Захист відбудеться 28 січня 2005 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.816.02 при Одеській національній академії зв’язку ім. О. С. Попова за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Кузнечна, 1.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Одеської національної академії зв’язку ім. О.С. Попова за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Кузнечна, 1.

Автореферат розісланий “___” грудня 2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Князєва Н.О.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Однією з основних проблем забезпечення надійного зв’язку, а також процесу виявлення радіолокаційних цілей (РЛЦ), є створення та удосконалення існуючих радіотехнічних систем (РТС). Важливим також є вирішення задач синтезу і аналізу ефективності систем виявлення, вимірювання параметрів сигналів та адаптації РТС до зміни зовнішнього середовища.

Розв’язання перелічених проблем тісно пов’язане з питаннями захисту РТС, зокрема радіолокаційних станцій, від активних шумових завад (АШЗ). Для захисту від АШЗ використовуються автокомпенсатори (АК), які забезпечують просторову (ПрС) або поляризаційну (ПоС) селекцію. При цьому ПрС дає можливість РТС виявляти РЛЦ, які знаходяться у головному пелюстку (ГП) діаграми спрямованості (ДС) антени, на фоні АШЗ, що діють по бічних пелюстках ДС. ПоС передбачає виявлення РЛЦ у випадку, коли РЛЦ та АШЗ знаходяться на одному локаційному напрямку. Ці види селекції реалізовані в РТС як два самостійні рішення. Спроби поєднання ПрС та ПоС мають певні труднощі у забезпеченні ефективного захисту РТС від АШЗ з довільним просторовим спектром потужності (ПСП). Тому удосконалення адаптивної обробки сигналів (АОС) на фоні АШЗ з довільним ПСП, а також методик синтезу таких РТС і оцінювання їх ефективності є актуальним.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження носить науково-прикладний характер і є подальшим розвитком науково-дослідних робіт (НДР), виконаних на кафедрі “Радіотехнічні системи” Одеського національного політехнічного університету (ОНПУ) (НДР № 437-57, номер держреєстрації 0103U000035), у науково-дослідній лабораторії Одеського інституту Сухопутних військ (ОІСВ) (НДР “Іподром-3”, “Сурдина”, “Транспарант”, “Аркадія”–номер держреєстрації 0103U008067) та у ККБ “Іскра” (НДР “Мангуста”).

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка систем адаптивної обробки сигналів на фоні завад з довільним ПСП.

Для досягнення поставленої мети в роботі вирішуються такі окремі задачі:

обґрунтування необхідності удосконалення адаптивного виявляча (АВ) РЛЦ в умовах АШЗ з довільним ПСП;

обґрунтування вимог до АК АШЗ, що виключають придушення ГП ДС;

синтез АК АШЗ з виключенням придушення ГП ДС, які оптимізовані за критерієм максиму відношення „сигнал/завада+шум” (С/З+Ш);

дослідження можливості оптимального комплексування методів ПрС та ПоС в єдину систему просторово-поляризаційної селекції (ППС);

розробка структур АВ, які інваріантні до довільного ПСП АШЗ, та оцінювання їхньої ефективності;

теоретичний аналіз ефективності квазіоптимальних структур АК;

розробка методики моделювання процесу адаптивної обробки сигналів;

статистичне моделювання АК, який інваріантний до довільного ПСП АШЗ;

оцінювання розсіювальних можливостей адаптивних антенних решіток (ААР);

порівняльний аналіз результатів теоретичних досліджень та статистичного

моделювання АВ;

розробка рекомендацій щодо практичного використання та подальшого удосконалення систем ППС.

Об’єктом дослідження є адаптивне виявляння корисних сигналів (КС) на фоні АШЗ з довільним ПСП.

Предметом дослідження є ефективність АВ КС на фоні АШЗ з довільним ПСП, а також розсіювальні можливості адаптивних антенних решіток.

Методи дослідження: лінійна алгебра, теорія матриць, Фур’є-аналіз, статистичне моделювання на ПЕОМ.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що:

удосконалена математична модель плоскої електромагнітної хвилі (ЕМХ); відмінність цієї моделі полягає в тому, що ПСП КС та АШЗ мають вигляд сукупності просторових гармонік, що відрізняються своїм аргументом, яким може бути просторова частота (напрямок приходу ЕМХ); це дозволяє здійснити подальший синтез АВ; модель адекватно описує реальну завадову ситуацію;

вперше розроблена методика синтезу оптимальних систем ППС КС; відмінність полягає у розподілі матриці завади на блочні складові; це дозволяє, по-перше, підвищити швидкість обробки сигналів, а, по-друге, здійснити подальший синтез АВ;

отримані нові математичні співвідношення для синтезу оптимальних АК, відмінність яких полягає у використанні прямого добутку для подання кореляційної матриці (КМ) АШЗ, які діють на ААР з каналами, рознесеними за простором та поляризацією; це дозволяє здійснити подальшу факторизацію адаптивного алгоритму ППС;

вперше розроблена методика синтезу системи ППС, яка відрізняється тим, що базується на виділенні регуляризуючої складової гармоніки у ПСП; це дозволяє визначити умови оптимальної факторизації ППС та розробити структури, які можна фізично реалізувати;

удосконалена статистична модель АОС на фоні АШЗ, яка відрізняється можливістю оцінювати ефективність адаптивних систем ППС;

вперше розроблена методика розрахунку бістатичної індикатриси розсіювання (БІР) двоелементної антенної решітки (АР), яка відрізняється тим, що враховує залежність між коефіцієнтом відбиття від апертури ААР та кутами падіння і спостереження КС; це дозволяє обґрунтувати вимоги до ААР при її використанні з метою протирадіолокаційного маскування (ПРЛМ).

Практичне значення одержанних результатів полягає в тому, що в роботі запропоновано ряд нових технічних рішень. Нові алгоритми адаптивної ППС, які інваріантні до структури ПСП і дозволяють вирішувати задачу АОС в умовах, коли просторові параметри КС та АШЗ збігаються; новий спосіб та пристрій АОС з факторизацією ППС, які дозволяють здійснити ППС з високою ефективністю; алгоритми та структури просторових фільтрів допоміжних каналів ААР, які дозволяють у системі ППС підвищити ефективність селекції КС на (15...20) дБ; модель процесів АОС на фоні АШЗ, яка дозволяє підтвердити достовірність результатів теоретичних досліджень, оцінити реальну ефективність системи ППС, дати рекомендації щодо її побудови та практичного застосування. Основні результати роботи впроваджені в ККБ “Іскра”, в штабі озброєння Південного оперативного командування, в навчальному процесі ОНПУ, ОІСВ, Одеського державного екологічного університету і пов’язані з дослідженнями основних характеристик ААР.

Особистий внесок здобувача. У роботі [1] запропонована методика синтезу алгоритму АОС з метою ППС. У статті [2] автором викладена методика використання прямого добутку матриць для синтезу алгоритмів ППС КС у багатоканальних РТС. У роботі [3] запропонований метод ППС КС на основі систолічних процесорів.

У патенті [4] запропоновано пристрій адаптивної ППС корисного сигналу на фоні активних шумових завад. У статті [11] здобувач особисто запропонував методику розрахунку БІР в залежності від електричної довжини диполя. У статті [12] особисто здобувачу належать результати теоретичних досліджень прохідної антенної решітки (ПАР) як засобу ПРЛМ. У роботі [13] автором особисто доопрацьована методика розрахунку коефіцієнта відбиття від апертури ПАР, яка використовується для ПРЛМ, в частині урахування збитків в елементах ПАР. У статті [14] здобувачем особисто розроблена методика синтезу алгоритмів АОС на основі класифікації вибірки, що навчає. У статті [15] автором особисто запропонована методика оцінювання якості зображень, реставрованих на фоні внутрішніх системних завад, що базується на регуляризації факторизованого алгоритму АОС.

Апробація результатів дисертації. Наукові результати, основні положення та матеріали дисертації доповідались і обговорювались на: 36-й науковій конференції ОНПУ “Сучасні інформаційні технології та телекомунікаційні мережі”, Одеса, 2001 р.; ІІІ, IV, V міжнародних науково-практичних конференціях (НПК) “Сучасні інформаційні та електронні технології”, які проводились Міністерством промислової політики України (МППУ), Міністерством освіти та науки України (МОНУ), Одеса, 2002, 2003, 2004 рр.; І-му міжнародному радіоелектронному форумі “Прикладна радіоелектроніка. Стан та перспективи розвитку. МРФ–2002”, який проводився МППУ і Харківським національним університетом радіоелектроніки (ХНУРЕ), Харків, 2002 р.; 8-й міжнародній конференції “Теорія та техніка передачі, прийому та обробки інформації. Інтегровані інформаційні системи, мережі та технології ІІСТ-2002”, яка проводилась Міжнародною академією наук прикладної радіоелектроніки та ХНУРЕ, Харків, 2002 р.; міжвузівській НПК “Єдність навчання та виховання майбутнього фахівця в організації педагогічного процесу”, ОІСВ, Одеса, 2002 р.; 55-й науково-технічній конференції Одеського національного морського університету, Одеса, 2002 р.; ІІІ-й науковій конференції молодих вчених Харківського військового університету, Харків, 2003 р.; міжвузівській НПК “Сучасні напрямки розвитку Сухопутних військ Збройних сил України”, ОІСВ, Одеса, 2003 р.; VIII-й міжнародній науково-методичній конференції “Удосконалення підготовки фахівців” Одеської державної академії будівництва та архітектури, Одеса, 2003 р.; міжнародній конференції TCSET’2004 „Modern problems of radio engineering, telecommunications and compute science”, яка проводилась МОНУ та національним університетом „Львівська політехніка”, Львів-Славсько, 2004 р.

Публікації. Основний зміст дисертаційної роботи опублікований в 21 праці, у тому числі у 8 статтях в наукових фахових виданнях, рекомендованих ВАК України, 1 деклараційному патенті, а також додатково відображений у 11 тезах та матеріалах конференцій, 1 навчально-методичному посібнику.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, п’яти розділів, висновків, списку використаних джерел. Повний обсяг роботи складає 186 сторінок, з них 38 сторінок з рисунками. Список використаних джерел включає 129 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертації, визначена її мета і сформульовані її основні задачі.

У першому розділі надається методика обґрунтування вимог до систем захисту РТС від АШЗ. З аналізу стану існуючих систем видно, що для більшості РТС ефективність захисту від АШЗ, які діють по ГП та бічних пелюстках ДС, не перевищує, як правило, 20 дБ. Це пояснюється роздільним використанням просторової та поляризаційної селекції КС на фоні АШЗ, і це при тому, що вимоги до підвищення ефективності швидко зростають. Тому постає задача створення систем захисту, ефективність яких відповідала б сучасним вимогам. Для розв’язання цієї задачі прий-няте рішення зробити спробу поєднання просторово-часових та поляризаційно-часових методів обробки.

В результаті розгляду загального підходу до вирішення задачі синтезу АВ корисного сигналу на фоні АШЗ встановлено, що АОС передбачає операції когерентної (просторової або поляризаційної) обробки, нормування та часової обробки; показано, що для забезпечення оптимальної ПоС АШЗ необхідно виконати умову відсутності КС та АШЗ у допоміжних каналах (ДК) прийому у основному локаційному напряму. Це дозволяє реалізувати поєднання методів ПрС та ПоС, що, у свою чергу, може дати істотний виграш у ефективності.

Аналіз досліджень у напрямку удосконалення комплексної обробки показав, що невирішеними питаннями залишилися: дослідження впливу структури ПСП АШЗ на ефективність адаптивних методів ПрС та ПоС; синтез АВ, інваріантного до структури довільного ПСП АШЗ; оцінювання ефективності запропонованих методів ППС АШЗ.

У другому розділі показано, що ПСП АШЗ від точечних джерел, що рознесені у просторі, може бути апроксимований -функціями; розглянута можливість поєднання ПрС та ПоС шляхом використання поблочного обертання матриць; обґрунтована можливість факторизації ППС щодо АР та показані переваги поєднання цих видів селекції при дотримані умов оптимальної факторизації ППС.

З використанням методів багатовимірного аналізу Фур’є коректно доведено, що для вузькосмугової антенної системи (у просторово-часовому розумінні) та при рівномірному розподілі амплітуди сигналу за її розкривом, модель просторового спектру (ПС) безмежної плоскої хвилі на вході зазначеної вище АР описується виразом де –дельта-функція, яка описує спектр гармоніки з просторовою частотою . Іншою формою подання ПС сигналу є його аналітичний опис як функції кутових координат джерел випромінювання. Зокрема, ПС безмежної плоскої хвилі, що діє з напрямку на лінійну одновимірну еквідистантну АР, може бути апроксимований дельта-функцією з аргументом : . Кут визначається у горизонтальній площині від нормалі до решітки і пов’язаний з просторовою частотою , де – довжина падаючої хвилі.

Для сукупності плоских хвиль, які діють з різних напрямів, ПС має вигляд

, , а розмірність ПС сигналу визначається кількістю точечних джерел плоских хвиль, які рознесені у просторі.

У загальному випадку КМ вхідних сигналів є ермітовою. Якщо враховувати специфічний вид модуляційної матриці та діагональної матриці розмірністю , яка складається зі значень потужностей джерел, то КМ може мати вигляд де – вибірковий вектор просторової гармоніки; – рівень внутрішнього шуму. Звідки витікає, що елементи КМ залежать від параметрів та ПСП вхідних сигналів. Така залежність обмежує використання методів АОС на фоні АШЗ.

Достатньою для виявлення цілі статистикою є , де –КМ завади; –опорний сигнал; –сигнал, який спостерігається.

У багатоканальній системі з двома взаємно ортогональними АР вхідний сигнал можна представити у вигляді -вимірного вектора, який складається з -вимірних векторів вхідних сигналів, що приходять на просторово рознесені антени з вертикальною та горизонтальною поляризаціями , а опорний вектор .

Одним із шляхів обробки сигналів в багатоканальних системах є використання блочного обертання матриці завади: .

Алгоритм визначення достатньої статистики при блочному обертанні матриці завади набуває вигляду

, (1)

де ; ; ;

. Структурна схема реалізації алгоритму (1) в багатовимірній ААР з рознесеними каналами за простором та поляризацією зображена на рис. 1.

Рис.1. Структура обчислення Z з використанням блочного обертання матриць

Матричний фільтр з характеристикою здійснює „вибілювання” АШЗ за простором на кожній поляризаційній складовій. Матричний фільтр з характеристикою реалізує операцію нормування відносно потужності завади на кожній з поляризацій. На його виході здійснюється когерентне накопичення КС (формування основного пелюстка ДС антени).

Для оцінювання ефективності просторової адаптивної фільтрації був проведений розрахунок відношення С/З+Ш () на виході лінійної АР, яка складалася з 14 антенних елементів () з коефіцієнтами передачі 0,3 при відношенні . Оцінювання ефективності ПрС проводилось для двох завадових ситуацій: 1) ===30 дБ; =20 дБ; ; ; ; ; 2) ===30 дБ; =20 дБ; ; ; ; ; де –перевищення АШЗ над шумом; –напрямок прийому АШЗ. Відношення С/Ш в одному із каналів АР =10дБ, а .

Результати оцінки ефективності в завадових ситуаціях показані на рис. 2, де напрямки приходу АШЗ та КС позначені стрілками. При впливі АШЗ на ААР тільки в межах бічних пелюстків ДС визначається їх успішне придушення (рис. 2,а). При попаданні АШЗ в межі ГП ДС спостерігається режекція ГП сумарної ДС (рис.2,б). Оцінювання ефективності ПоС проводилось для двох завадових ситуацій: 1) =30 дБ; ; ; ; 2) ==30 дБ; ; ; ; ; ; , де –кут поляризаційного відношення, –аргумент фазору. Параметри КС в обох завадових ситуаціях: =10дБ; ; поляризація вертикальна.

При впливі на ААР, яка використовує ПоС тільки однієї АШЗ, завада компенсується (рис.3,а). В реальній завадовій ситуації, коли ПСП АШЗ є довільним, адаптивний процесор формує такий ваговий вектор, при якому виявлення КС є важким, а у найгірших випадках–повністю виключене (рис.3,б).

Рис. 2. Залежність відношення С/З+Ш від напрямку прийому КС при ПрС

Рис.3. Залежність відношення С/З+Ш від напрямку прийому при ПоС

Аналіз отриманих результатів (рис. 2,б, 3,б) показує, що в умовах впливу АШЗ з довільним ПСП адаптивна селекція КС тільки за просторовими або поляризаційними ознаками неможлива.

У третьому розділі проведено синтез пристроїв ППС КС на фоні АШЗ з довільним ПСП. Представлена методика використання властивостей прямого добутку матриць для подання кореляційної матриці АШЗ, що діють на ААР з каналами рознесеними за простором та поляризацією.

У випадку використання ААР вхідний сигнал може бути поданий у вигляді -вимірного вектора, який у формі прямого добутку векторів має вид

,

де ; ;–

амплітуда плоскої хвилі на вході АР; –-вимірний вектор внутрішніх шумів каналу прийому; –кут поляризаційного відношення; , – фази коливань у каналах з вертикальною та горизонтальною поляризаціями відповідно; – ДС антенного елемента; – зсув фази, визначений фазовими центрами антен; – напрямок прийому плоскої ЕМХ; – вектор поляризаційних параметрів ЕМХ; – символ прямого добутку.

Результат обчислення достатньої статистики має вигляд

, (2)

де –комплексна амплітуда очікуваного КС; –вектор, який визначає поляризацію опорного сигналу; () – обернена поляризаційна (просторова) матриця АШЗ; –вектор, що визначає напрямок прийому КС.

Якщо виділити вектор як результат ПрС на кожній ортогональній поляризації, то подальшу обробку слід проводити у фільтрі з характеристикою . Реалізацію алгоритму (2) показано на рис.4.

Рис.4. Структура обчислення достатньої статистики на виході ААР з рознесенням каналів прийому за простором та поляризацією

Просторовий адаптивний фільтр (АФ) з характеристикою для ААР може бути реалізований на основі АК. Кількість АК в ААР збігається з кількістю елементів АР. Результати обробки АШЗ автокомпенсаторами подаються на схему формування променя ААР для згортки з опорним вектором . Поляризаційний АФ з характеристикою можна реалізувати на основі одновимірного АК.

В роботі розроблена методика регуляризації факторизованого адаптивного алгоритму ППС. Тут під регуляризацією слід розуміти селекцію на виході просторового АК тієї гармоніки АШЗ, просторова частота якої збігається з просторовою частотою КС. Регуляризація виключає виродження наступної ПоС. Умовою регуляризації для напрямків головного пелюстка ДС ААР є

, (3)

де – вектор напрямків захисту; F – вектор значень ДС у напрямках захисту . Умова (3) є обмеженням, якому має задовольняти вектор для скасування компенсації КС у напрямках при мінімізації потужності АШЗ на виході ААР, яка дорівнює

. (4)

Задача оптимізації постає у мінімізації значення (4) при умові виконання обмеження (3). Для вирішення цієї задачі в роботі використаний метод множників Лагранжа. Оскільки антенна система має у своєму складі АР з ортогональними поляризаціями, то значення оптимального вагового вектора в каналах, підключених до антен з горизонтальною поляризацією, буде відрізнятись від значення в каналах з вертикальною поляризацією. Вагові вектори для цих каналів на основі блоків матриці завад відповідно дорівнюють

; .

У даній системі АОС адаптивний процесор здійснює розрахунок сигналів управління з метою підстроювання вектора вагового підсилювача просторового АФ до оптимального вагового вектора на основі інформації про напрямки захисту головного пелюстка ДС .

Ваговий коефіцієнт поляризаційного АФ розраховується за наступною методикою. Сигнал на виході поляризаційного АФ має вигляд

,

тоді потужність цього сигналу на виході ААР буде

,

а умовою визначення оптимального значення коефіцієнта передачі є . Звідки ваговий коефіцієнт дорівнює

.

Кількісно оцінити ефективність алгоритмів АОС дозволяє величина відношення його потужності до сумарної потужності АШЗ та внутрішнього шуму на виході АК за формулою

, (5)

, .

Оцінювання ефективності ППС виконано для антенної системи, яка складається з двох 14-елементних ортогональних ААР. На рис.5 подано приклад залежності критеріальної функції (5) від напрямку прийому згідно з завадовою ситуацією, що зображена на рис.6. У розглянутій завадовій ситуації відношення С/З+Ш складає близько 20 дБ.

В роботі також проведено оцінювання впливу деполяризації КС на параметр виявлення; це дозволило зробити висновок, що в системі АОС з рознесенням каналів за простором та поляризацією вектор опорного сигналу має бути сформованим з урахуванням можливої деполяризації КС. Показано також, що алгоритм ППС має слабку чутливість до деполяризації КС, якщо поляризаційні параметри останнього відрізняються від поляризаційних параметрів АШЗ з довільним ПСП. Так, зі зростанням поляризаційних відмінностей між КС та АШЗ можна досягти відношення С/З+Ш близько 8 дБ тоді, коли потенційне відношення С/З+Ш дорівнює 10 дБ.

Рис. 5. Залежність відношення С/З+Ш від напрямку прийому КС при ППС

Рис. 6. Завадова ситуація для оцінки ефективності ППС

Використання ефекту поглинання та розсіювання радіохвиль ААР постає актуальним при вирішенні задач, пов’язанних з ПРЛМ.

Методика розрахунку БІР двоелементної ААР визначила залежність коефіцієнта відбиття від кутів падіння та спостереження (на заданій довжині хвилі ) при відстані між елементами. Отримане аналітичне співвідношення для БІР самофазованої АР має вигляд .

Аналіз співвідношення показує: при кутах спостереження , що дорівнюють кутам падіння ЕМХ, тобто , двоелементна ААР не перевипромінює сигнали; невідбиттєві властивості ААР при можуть використовуватися з метою ПРЛМ від моностатичних РТС; при умові маскувальні властивості ААР зберігаються у будь-якому діапазоні ЕМХ; обмежуючим фактором можна вважати вузькосмуговість АК АШЗ.

У четвертому розділі розроблена структура просторового АФ, який встановлено у ДК прийому, що забезпечує захист ГП у заданих напрямках.

Умовою виділення регуляризуючої складової в довільному ПСП АШЗ є відсутність деформації просторової передаточної характеристики (ППХ) АФ у напряму ГП діаграми спрямованості АР. Для виконання такої умови необхідно виключити реакцію компенсатора ПрС на завади, які діють в межах ГП ДС, і здійснити подальшу ПоС. В роботі отримано співвідношення між кількістю ДК АК , кількістю завад та кількістю напрямків захисту, в яких компенсується завада: NR+M-1. Синтезовано алгоритм настроювання адаптивної системи ПрС в умовах впливу довільної кількості завад. Для виключення компенсації КС в межах ГП ДС необхідно, щоб -вимірний вектор просторового АК першого ступеня обробки (рис.4) відповідав багатомірному рівнянню , при умові NR+M-1. Ітераційний процес настроювання вагового вектора АК на кожному кроці при має вигляд

, (6)

де –сталий крок адаптації, –проектор на простір її колонок. АК з матричним фільтром Р зображено на рис. 7. Для вирішення задач захисту ГП ДС від компенсації можливе використання попереднього просторового -перетворення

Рис. 7. Схема включення матричного фільтра Р

сигналів у ДК прийому. Алгоритм -перетворення сигналів з використанням, наприклад, тільки шести ДК прийому, має (для умов , , ) вигляд

де –результуюча ППХ допоміжних каналів АК у напряму захисту; –вагові коефіцієнти; –елементарні ДС. Синтезована ППХ для трьох ДК зображена на рис. 8, а структура-перетворення на основі АК з шістьома ДК–на рис. 9.

Рис. 8. Синтезована ППХ

Рис. 9. Структурна схема Q-перетворювача

Запропонована реалізація адаптивної системи ППС у вигляді систолічних структур. На рис. 10 подана загальна структура розрахунку , яка містить послідовні етапи обробки: 1) адаптивну ПрС на кожній з ортогональних поляризацій ; 2) АОС за поляризаційними параметрами та нормування відносно рівня завади ; 3) накопичення КС .

Рис. 10. Структура розрахунку достатньої статистики Z

Структури систолічних процесорів наведені на рис.11, 12.

а) загальна систолічна структура б) процесор

Рис. 11. Попередній просторовий Q-перетворювач

а) загальна систолічна структура б) процесор

Рис. 12. Просторовий АФ

У п’ятому розділі проведене імітаційне моделювання процесів АОС на фоні АШЗ з довільним ПСП з метою підтвердження достовірності результатів теоретичних досліджень.

Комплекс імітаційного статистичного моделювання містить: модель вхідних сигналів, які формуються за допомогою датчиків випадкових чисел з конкретними параметрами в залежності від завадової ситуації; модель ААР; модель процесора АОС; блок оцінювання відносних дисперсій. Модель дозволяє оцінювати ефективність систем АОС при впливі АШЗ з довільним ПСП.

Оцінювання ефективності ПрС проведено для ААР, яка складається з двох 14- елементних ААР, для двох завадових ситуацій, аналогічних тим, що розглядалися при теоретичних дослідженнях. При впливі АШЗ на систему АОС тільки в межах бічних пелюстків ДС відбувається їх компенсація. В умовах відсутності просторових відмінностей між КС та АШЗ виявлення цілей неможливе.

Робота системи ПоС розглянута на прикладі двоканального поляризаційного АК для двох завадових ситуацій: впливу КС та АШЗ на систему з одного напрямку та випадку, коли КС та одна АШЗ знаходяться на одному напрямку, а друга АШЗ діє по бічних пелюстках ДС. У першій ситуації ААР успішно функціонує. У другій ситуації виявлення КС повністю виключене.

Оцінювання ефективності ППС проведене для такої ж ААР, як і у випадку ПрС. Показано, що для розглянутих ситуацій, незалежно від структури та параметрів ПСП АШЗ, відношення С/Ш+З на виході складає від 15 до 20 дБ. Це дозволяє вирішувати задачу АОС для довільної завадової ситуації. Для прикладу наведено одну завадову ситуацію (рис.6) та результати її моделювання (рис.13). Обсяг вибірки незалежних випробувань для кожного кроку адаптації складає =500. Залежність на рис.13 показує можливості системи ППС у сталому режимі (після завершення процесу адаптації).

Рис. 13. Залежність відношення С/Ш+З від напрямку прийому КС при ППС

ВИСНОВКИ

В дисертації вирішена наукова задача удосконалення способів ППС на підставі виявлених закономірностей між структурою АВ та ПСП АШЗ, а також ефективністю цих РТС та відношенням С/З+Ш в умовах впливу АШЗ з довільним ПСП.

Найбільш важливі наукові і практичні результати, отримані в дисертації:

удосконалена математична модель ПСП плоскої ЕМХ, яка адекватно описує завадову ситуацію і дозволяє здійснювати синтез систем АОС та вирішувати задачі аналізу їх ефективності;

нова методика розрахунку статистики, достатньої для виявлення КС в АС з рознесенням каналів прийому за простором та поляризацією, яка відрізняється від відомих блочним представленням КМ завад з подальшим її обертанням у спеціалізованому процесорі;

нові аналітичні співвідношення для синтезу оптимальних АК, які відрізняються від відомих поданням векторів та КМ процесів, що спостерігаються, у вигляді прямих добутків; це дозволило визначити умови оптимальної факторизації ППС та здійснити синтез АВ, що інваріантні до структури ПСП АШЗ; показано, що ППС припускає оптимальну факторизацію на просторову і поляризаційну при умові виділення регуляризуючої гармоніки у ПСП АШЗ, просторова частота якої збігається з КС;

нова методика синтезу адаптивних просторових фільтрів, на виході яких можливе виділення регуляризуючої просторової гармоніки з сукупності гармонік ПСП АШЗ; показано, що для цього необхідно забезпечити захист ГП ДС в умовах довільної кількості завад, що потребує наявності просторових перетворювачів ДС в допоміжних каналах АК;

удосконалена статистична модель процесів АОС на фоні АШЗ, яка дає можливість формування довільного ПСП; це дозволило оцінити ефективність ППС КС, яка перевищила на (15...20) дБ ефективність відомих систем (як ПоС так і ПрС) в умовах впливу АШЗ з довільним ПСП;

нова методика розрахунку БІР двоелементної ААР; отримане за цією методикою співвідношення показало, що в умовах моностатичної радіолокації відбиття від апертури такої ААР відсутнє, що дозволяє використовувати таку решітку з метою ПРЛМ.

Значення вирішеної наукової задачі для науки і практики. У роботі запропоновано ряд технічних рішень, нові алгоритми АВ, які інваріанті до структури ПСП АШЗ і дозволяють вирішувати задачі АОС за умовами довільності просторових параметрів КС та АШЗ; новий спосіб та пристрій АОС з факторизацією ППС, який дозволить здійснити ППС з високою ефективністю; алгоритми та структури просторових фільтрів ДК ААР, які дозволять в системі ППС підвищити ефективність селекції КС на (15...20) дБ; імітаційна модель процесів АОС на фоні АШЗ, яка дозволила підтвердити достовірність результатів теоретичних досліджень, оцінити реальну ефективність систем ППС і дати рекомендації щодо їх побудови та практичного застосування.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Головань А.В. Адаптивная пространственно-поляризационная система обработки сигналов // Наукові праці ОНАЗ ім. О.С. Попова.-Одеса: ОНАЗ, 2003.-№ 4.-С. 77-82.

2. Головань А.В. Использование прямого произведения матриц для синтеза алгоритмов пространственно-поляризационной обработки сигналов в многоканальных РТС // Труды Одесского политехнического университета: Научный и производственно-практический сборник по техническим и естественным наукам.-Одеса: ОНПУ, 2003.- Вып.1(19).-С.177-181.

3. Головань А.В. Пространственно-поляризационная обработка радиолокационных сигналов на основе систолических процессоров // Труды Одесского политехнического университета: Научный и производственно-практический сборник по техническим и естественным наукам.-Одеса: ОНПУ, 2003.-Вып.2(20).-С.166-170.

4. Пристрій адаптивної компенсації активних шумових завад: Деклараційний патент на винахід № 69127A.Україна, МПК 7G01S7/36 А.В. Головань-№ 20031211187; Заявл. 8.12.03; Опубл.16.08.04, Бюл. № 8.-8 c.

5. Головань А. В. Адаптивні алгоритми виявлення сигналів // Тези доповідей 36-ої наукової конференції молодих дослідників ОПУ “Сучасні інформаційні технології та телекомунікаційні мережі”.-Одеса: ОДПУ, 2001.-С. 45.

6. Головань А. В. Актуальність проблеми адаптації радіоелектронних засобів в сучасних умовах радіоелектронної боротьби при підготовці військового спеціаліста // Матеріали міжвузівської науково-практичної конф. “Єдність навчання та виховання майбутнього фахівця в організації педагогічного процесу”.-Одеса: ОІСВ, 2002.-С.72-74.

7. Головань А.В. Застосування методів просторово-поляризаційної обробки сигналів в адаптивних РТС // Матеріали міжвузівської науково-практичної конф. “Сучасні напрямки розвитку Сухопутних військ Збройних сил України”.-Одеса: ООЛІСВ, 2003.-С. 139.

8. Головань А.В. Факторизація просторово-поляризаційної обробки сигналів з використанням алгоритмів лінійного обмеження // ІІІ наукова конф. молодих вчених Харківського військового університету.-Харків: ХВУ, 2003.-С. 41.

9. Головань А.В. Имитационное моделирование при решении радиотехнических задач с использованием вычислительной техники // Матеріали VIII міжн. науково-методичної конф. “Удосконалення підготовки фахівців”, Одеса: Астропринт, 2003.-С. 259-260.

10. Головань А.В. Аналітичний підхід до синтезу РТС, що адаптується до просторового спектру завади // Радіолокаційні станції сухопутних військ провідних країн світу.-Одеса: ОІСВ, 2003.- С.34-47.

11. Балтовський О.А., Василевський В.В., Головань А.В. Можливості радіолокаційного маскування надводних об`єктів // Судовождение: Сб. научн. тр.-Одесса: Латстар, 2002.-Вып.5.-С.13-21.

12. Балтовський О.А., Василевський В.В., Головань А.В. Моностатична індикатриса розсіювання еквідистантної прохідної решітки // Праці УНДІРТ.-Одеса: УНДІРТ, 2001.- №3(27).-С. 34-36.

13. Василевський В. В., Балтовський О. А., Головань А.В. Методика виявлення умов досягнення мінімального коефіцієнта відбиття повнопрозорого протирадіолокаційного покриття із збитками // Зб. наук. пр. Одеського інституту Сухопутних військ.-Одеса: ОІСВ, 2003.- №8.-С. 25-31.

14. Скачков В.В., Головань А.В. Синтез алгоритмів класифікації вибірки, що навчає, в системі адаптивної компенсації завад // Зб. наук. пр. Одеського інституту Сухопутних військ.-Одеса: ОІСВ, 2002.-№7.-С.75-82

15. Скачков В.В., Клименко В. В., Мийнов Є.К., Головань А.В. Оцінка якості дискретних зображень, реставрованих на фоні внутрісистемних перешкод // Зб. наук. пр.-Хмельницький: Національна академія ПВУ, 2002.-№21.Частина ІІ.-С. 63-68.

16. Баранов П.Е., Головань А.В., Скачков В.В. Блочный адаптивный алгоритм пространственно-поляризационной обработки сигналов в многоканальных РТС // 8-я международная конференция “Теория и техника передачи, приема и обработки информации” (ИИСТ-2002). Сб.науч. трудов.-Харьков: ХНУРЭ, 2002.-С. 108-109.

17. Баранов П.Е., Скачков В.В., Головань А.В. Адаптивный обнаружитель радиолокационных целей, инвариантный к структуре пространственного спектра мощности шумовой помехи // Труды третьей междунар. научно-практической конф. “Современные информационные и электронные технологии” (СИЭТ 2002).-Одесса: Нептун-Технология, 2002.-С.70.

18. Головань А.В., Скачков В.В. Применение систолических процессоров для обработки радиолокационных сигналов на фоне помехи с произвольным пространственным спектром мощности // Труды четвертой междунар. научно-практической конф. “Современные информационные и электронные технологии” (СИЭТ 2003).-Одесса: Нептун-Технология, 2003.-С. 37.

19. Головань А.В., Скачков В.В., Захаров В.И. Влияние внутрисистемных помех на устойчивость процедуры ортогонализации случайных процессов в радиотехнических системах // Труды пятой международной научно-практической конференции “Современные информационные и электронные технологии” (СИЭТ 2004).-Одесса: Нептун-Технология, 2004.-С. 42 .

20. Скачков В.В., Баранов П.Е., Головань А.В. Синтез и анализ эффективности адаптивного алгоритма пространственно-поляризационной обработки сигналов //

1-й Международный радиоэлектронный Форум “Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития” (МРФ-2002). Сб. научн. трудов.-Часть 1.-Харьков: АН ПРЭ, ХНУРЭ, 2002.-С. 153-156.

21. Baranov P.E., Golovan A.V., Skachkov V.V. Selection’s algorithms of regular spatial harmonic of noise jamming in the system of spatial-polarization of signals-processing // Proceedings of the International Conference (TCSET 2004) “Modern problems of radio engineering, telecommunications and compute science”.-Lviv-Slavsko: Publishing house of Lviv Polytechnic.-2004.-Р. 190-191.

Головань А.В. Адаптивна обробка сигналів на фоні завад з довільним просторовим спектром потужності.–Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук, спеціальність 05.12.17–Радіотехнічні та телевізійні системи.–Одеська національна академія зв’язку ім. О.С. Попова, Одеса, 2004.

Дисертація присвячена проблемі підвищення захищеності радіотехнічних систем (РТС) від активних шумових завад (АШЗ) з довільним просторовим спектром потужності (ПСП).

В роботі запропонована математична модель електромагнітної хвилі, яка розповсюджується у вільному просторі та може бути подана у вигляді сукупності просторових гармонік, відмінних за аргументом.

Розроблена методика синтезу оптимальних систем поляризаційної селекції на основі розподілу матриці АШЗ на блочні складові для прискорення обробки сигналів шляхом використання паралельних процесів розрахунку зворотної матриці АШЗ.

Здійснено синтез оптимальних автокомпенсаторів на основі використання прямого добутку для представлення матриці АШЗ, що діють на адаптивну антенну решітку (ААР), та виконана оптимальна регуляризація факторизованого алгоритму просторово-поляризаційної селекції (ППС).

Теоретичні дослідження ефективності системи ППС показали, що запропоновані структури дозволяють підвищити ефективність селекції корисних сигналів на (15...20) дБ, а статистичне моделювання підтвердило достовірність отриманих теоретичних результатів.

Досліджені розсіювальні можливості ААР та обґрунтовано їх використання в якості протирадіолокаційного покриття.

Ключові слова: адаптивна обробка, активна завада, антенна решітка, просторово-поляризаційна обробка, просторовий спектр потужності, синтез.

Головань А.В. Адаптивная обработка сигналов на фоне помех с произвольным пространственным спектром мощности.–Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, по специальности 05.12.17–Радиотехнические и телевизионные системы.–Одесская национальная академия связи им. А.С. Попова, Одесса, 2004.

Диссертация посвящена проблеме повышения защищенности радиотехнических систем (РТС) от активных шумовых помех (АШП) с произвольным пространственным спектром мощности (ПСМ).

Анализ существующих средств защиты РТС от АШП показал, что они не отвечают предъявляемым требованиям, особенно в условиях воздействия АШП по главному лепестку диаграммы направленности (ДН) основного канала.

В работе предложена математическая модель распространяющейся в свободном пространстве электромагнитной волны (ЭМВ), которая представима в виде совокупности пространственных гармоник, отличающихся своим аргументом. Аргументом может быть пространственная частота (направление прихода ЭМВ). Такая модель адекватно описывает реальную помеховую ситуацию.

Разработана методика синтеза оптимальных систем поляризационной селекции, которая предполагает разделение матрицы АШП на блочные составляющие. Это позволяет повысить скорость обработки сигналов путем распараллеливания процесса расчета обратной матрицы помех.

Осуществлен синтез оптимальных автокомпенсаторов на основе использования прямого произведения для представления корреляционной матрицы помех при воздействии АШП на адаптивную антенную решетку (ААР) с разнесенными каналами по пространству и поляризации. На основе синтеза выполнена регуляризация факторизированного адаптивного алгоритма пространственно-поляризационной селекции (ППС).

За счет синтеза, предполагающего выделение регуляризирующей гармоники в ПСМ, появилась возможность определения условий оптимальной факторизации системы ППС и разработки физически реализуемых структур.

Оценка эффективности системы ППС показала, что предложенные структуры пространственных фильтров дополнительных каналов ААР позволяют в системе ППС повысить эффективность селекции полезных сигналов на (15...20) дБ.

В работе представлена усовершенствованная статистическая модель адаптивного приема полезных сигналов на фоне АШП с произвольным ПСМ. Модель адекватно описывает процессы такого вида обработки и позволяет оценить эффективность ППС полезных сигналов.

Модель позволила подтвердить достоверность результатов теоретических исследований.

Исследованы рассеивающие возможности ААР на основе расчета бистатической индикатрисы рассеивания. Показано, что такая решетка может использоваться в качестве средства противорадиолокационной маскировки.

Предложенные структуры систем ППС полезных сигналов могут быть реализованы на основе систолических процессоров.

Ключевые слова: адаптивная обработка, активная помеха, антенная решетка, пространственно-поляризационная обработка, пространственный спектр мощности, синтез.

Golovan' A.V. Adaptive signal processing on the background of jamming with arbitral spatial spectrum of power. – Manuscript.

The dissertation for the Ph. D degree in speciality 05.12.17 – Radio engineering and television systems.–Odessa national communications academy named after A.S. Popov, Odessa, 2004.

This dissertation is devoted to the problem of increasing of radio aids protection against jamming with random spatial spectrum of power.

The mathematical model of electromagnetic wave, which is spreading in empty space, is proposed in this work. The model can be presented as a set of spatial harmonics, distinguished by their arguments.

The technique of optimum system synthesis of polarization separator, based on separation of jamming matrix into block components, is proposed. This allows the acceleration of signal processing by utilization of parallel calculation processes of reverse jamming matrix.

Synthesis of optimum adaptive jamming compensator, based on the use of Cartesian product for representation of matrix of jamming, influencing on adaptive antenna array (AAA), is made. Optimum regularization of factorized adaptive algorithm of space-polarization separation is carried out.

Theoretical researches of space-polarization separator effectiveness showed, that the offered structures allow to increase the valid signal selection up to (15...20) dB. The truth of theoretical results was confirmed by the statistical simulation.

Scattering characteristics of AAA were investigated and applications of them as radarproof covering are proved.

Key words: adaptive signal processing, jamming, antenna array, space-polarization separation, spatial spectrum of power synthesis.

Здано до набору 12.2004. Підписано до друку 12.2004.

Формат паперу 60 х 84 1/16. Друк. арк. 1,25

Умов. друк. арк. 1,16. Обл..- вид. арк. 0,90.

Зам. . Тираж. . Друк. ОІСВ.