МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “

Харківський авіаційний інститут”

МСАЛЛАМ Катерина Петрівна

УДК 621.396.96:621.371.3

ОПТИМІЗАЦІЯ ЦИФРОВОЇ ОБРОБКИ КООРДИНАТНОЇ ІНФОРМАЦІЇ ПРИ РАДІОЛОКАЦІЙНОМУ ЗОНДУВАННІ ПРОТЯЖНИХ МОРСЬКИХ ОБ’ЄКТІВ В УМОВАХ ВПЛИВУ ПАСИВНИХ ЗАВАД

05.12.17 – радіотехнічні та телевізійні системи

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків – 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному аерокосмічному університеті

ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”
Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Печенін Валерій Васильович

Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського“

Харківський авіаційний інститут”, професор кафедри“

Проектування радіоелектронних систем літальних апаратів”.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Костенко Павло Юрійович,

Харківський університет Повітряних Сил України ім. Івана Кожедуба Міністерства оборони України, професор кафедри “Експлуатація авіаційних засобів зв’язку та радіотехнічних систем”,

кандидат фізико-математичних наук , старший науковий співробітник, зав. відділом статистичної радіофізики

Сугак Володимир Григорович

Інститут радіофізики та електроніки (ІРЕ) ім. О.Я. Усикова НАН України.

Провідна установа: Відкрите акціонерне товариство “Акціонерне товариство Науково-дослідний інститут радіотехнічних вимірювань”, перше відділення (Національного космічного агентства України, м. Харків).

Захист відбудеться "_14" червня 2007 року в 15:30 годин на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.062.07 у Національному аерокосмічному університеті ім. М. Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут" Міністерства освіти і науки України за адресою: 61070,
м. Харків, вул. Чкалова, 17.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного аерокосмічного університету ім. М. Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут" Міністерства освіти і науки України за адресою: 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17.

Автореферат розісланий "4" травня 2007 року.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

д. т. н., професор В.В. Лукін

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. За останні роки в Україні намітилося істотне зростання річкових і морських перевезень різних народно-господарських вантажів. Це призвело до необхідності невідкладно розв’язувати багато завдань контролю й керування рухом судопотока з необхідним рівнем безпеки й точності мореплавання в складних метеоумовах за обмежених можливостей маневрування в прибережних морських зонах, заходах на розвантаження та навантаження в морські й річкові порти, а також великої щільності суднопотоку.

Комплексне здійснення, перерахованих вище, заходів, у доступній для огляду перспективі, можливе тільки на підставі застосування відповідних технічних засобів, що забезпечують організацію, контроль і регулювання руху суден в стислих умовах мореплавання. На межі нового сторіччя практично всі значні порти України вже охоплені пунктами регулювання рухом суден (ПРРС) і системами керування рухом суден (СКРС).

Основним інформаційним джерелом відомостей про місце розташування й параметри руху суден у СКРС є берегові радіолокаційні станції (БРЛС).

До теперішнього часу розроблено й широко впроваджуються в практику мореплавання автоматизовані ідентифікаційні системи (АІС), супутникові радіонавігаційні системи та інші радіонавігаційні засоби.

Огляд й аналіз науково-технічних джерел свідчить про те, що наявні радіотехнічні засоби контролю й керування рухом великогабаритних морських суден не завжди задовольняють висувані до них вимоги забезпечення безпеки, точності, надійності й оперативності контролю й керування суднопотоком.

Так, наприклад, нормальне функціонування АІС залежить від надійної роботи радіонавігаційної супутникової апаратури у диференціальному режимі експлуатації. Не всі судна устатковані апаратурою АІС. Істотну роль відіграє людський фактор.

Берегові РЛС у низці випадків не забезпечують необхідної точності прив’язки координатної інформації до корпуса судна і, зокрема, до його геометричного центра.

Разом з тим завдання знизити координатні похибки в обговореному вище змісті під час радіолокаційного зондування протяжних морських об’єктів залишається актуальним.

Фундаментальним обмеженням досягнення високої точності координатної прив’язки до геометричного центра судна є складність радіофізичної структури реальних завад, зумовлена наявністю середовища поширення, джерелами пасивних завад, метеоумовами, складною геометричною конфігурацією об’єктів і джерел пасивних завад, а також їхнім взаємним переміщенням, динамікою руху та зміною геометричної форми об’єктів і джерел пасивних завад.

За кінцевого набору факторів, що обмежують радіофізичну структуру в умовах реальних завад, можливі конкретні розв’язання завдань виявлення та зниження координатних похибок точкових радіолокаційних об’єктів, проте питання оптимізації координатних вимірів протяжних морських об’єктів за даними радіолокаційного зондування перебувають поки на етапі їхнього кардинального розв’язання.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження, результати яких подано в цій роботі, проводилися в межах наукових досліджень кафедри "Проектування радіоелектронних систем літальних апаратів" Національного аерокосмічного університету
ім. М.Є. Жуковського “ХАІ”, пов’язаних з дистанційним зондуванням земної поверхні, згідно з планом науково-дослідної роботи з держбюджетної теми НДР: Г501-39/03 (№Д.Р.0103U005068). "Високоефективні технології обробки вимірювальної інформації в супутникових радіонавігаційних мережах, радіотехнічних комплексах керування й засобах дистанційного дослідження та оцінювання параметрів природних середовищ земної поверхні з аерокосмічних носіїв".

Тематика дисертаційної роботи тісно пов’язана з пріоритетними напрямками розвитку науки та техніки в межах координаційних планів науково-дослідних робіт Міністерства освіти і науки України (п. . "Перспективні інформаційні технології, пристрої автоматизації, системи зв’язку".).

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення точності визначення місця розташування протяжних морських об’єктів береговими радіолокаційними станціями на підставі оптимізації цифрової обробки координатної інформації, одержаної під час радіолокаційного зондування об’єкта в присутності пасивних завад, створюваних схвильованою морською поверхнею й гідрометеоутвореннями у вигляді дощових опадів, а також власними кутовим і далекомірним шумами об’єкта.

Для досягнення поставленої мети в дисертаційній роботі сформульовані і вирішені наступні наукові задачі:

1. Аналіз особливостей функціонування БРЛС і практичні методи й алгоритми визначення азимутально-далекомірних координат протяжних морських об’єктів за їхнім реальним і синтезованим радіолокаційним зображенням.

2 Обґрунтування й синтез на евристичному рівні структурно-фізичної та цифрової математичної моделі радіолокаційних відображень від протяжних об’єктів на підставі радіофізичних і статистичних характеристик розсіювання електромагнітних хвиль від поверхонь складної форми.

3. Обґрунтування й синтез цифрової тестової моделі пасивних завад (морської поверхні й дощових опадів).

4. Дослідження точності оцінки координат радіолокаційного зображення протяжного об’єкта за впливу власних кутових, далекомірних та амплітудних шумів.

5. Розробка методів та алгоритмів цифрової обробки координатної радіолокаційної інформації з урахуванням впливу регулярної складової пасивної завади, створюваною морською поверхнею й гідрометеоутвореннями.

6. Експериментальні дослідження з використанням математичного моделювання на ЕОМ і за реальними даними провести верифікацію цифрових тестових моделей пасивних завад, методів побудови регулярного далекомірного профілю радіолокаційних відображень від джерел пасивних завад, методів та алгоритмів компенсації пасивних завад на підставі цифрової обробки координатної інформації.

Об’єкт дослідження. Обробка радіолокаційних зображень в умовах складної завадової обстановки.

Предмет дослідження. Методи обробки спостережень, що пов’язані з протяжними морськими об’єктами, в умовах впливу завад та алгоритми їх реалізації у радіотехнічних системах.

Методи досліджень. Під час виконання дисертаційної роботи були використані статистична теорія вимірювальних радіотехнічних систем, теорія поширення електромагнітних хвиль у неоднорідних середовищах, методи цифрової обробки сигналів. У роботі використані аналітичні і числові методи розрахунків, методи комп’ютерного моделювання і статистичної обробки експериментальних даних.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. З використанням метода максимальної правдоподібності отримані цифрові алгоритми оцінки координат статистичного центра віддзеркалення просторово-протяжного об’єкта за його багатоточечним радіолокаційним зображенням.

2. Запропоновано метод визначення координат "умовного" геометричного центра протяжного морського об’єкта за його бінарним радіолокаційним зображенням, що дозволив підвищити точність визначення його місця розташування в умовах впливу пасивних завад.

3. На евристичному рівні розроблено цифрові тестові моделі пасивних завад, що дозволили об’єктивно оцінювати точність і ефективність функціонування різних методів та алгоритмів цифрової обробки координатної інформації.

4. Уперше досліджено методи та цифрові алгоритми побудови регулярних далекомірних профілів інтенсивності пасивних завад, що створюються морською поверхнею та дощовими опадами.

5. Уперше запропоновано й досліджено метод цифрового виділення корисного сигналу, що ґрунтується на формуванні адаптивного шумового порогу.

Практичне значення отриманих результатів.

1. Синтезована цифрова тестова модель пасивних перешкод дозволяє об’єктивно оцінювати ефективність і точність координатної прив’язки протяжних об’єктів для будь-яких цифрових

алгоритмів, використовуваних в існуючих БРЛС.

2. Результати досліджень різних методів і цифрових алгоритмів побудови регулярного далекомірного профілю пасивних завад дають можливість альтернативного вибору найбільш ефективного алгоритму, що враховує його вплив у конкретних умовах функціонування БРЛС.

3. Запропоноване рішення задачі оцінки параметрів "блукання" статистичного центра віддзеркалення об’єкта надає можливість розширити набір методів та алгоритмів оцінювання координатної прив’язки за рахунок обробки амплітудної радіолокаційної інформації.

4. Розроблений метод визначення координатної прив’язки протяжного об’єкта за бінарним радіолокаційним зображенням та алгоритм його реалізації зі спрощеним розрахунком координатних параметрів (азимут-дальність) є перспективним для широкого застосування в радіотехнічних системах різного призначення (радіолокаційних, дистанційного зондування й т.д.).

Результати дисертаційного дослідження було впроваджено при розробці і модернізації берегових радіолокаційних станцій в ДП "Дельта-Лоцман" (м. Миколаїв, Україна).

Особистий внесок здобувача. Дисертаційна работа є самостійним дослідженням автора.

У публікаціях [1-4] автором виконано розроблення евристичних моделей, які описують вплив морської поверхні й гідрометеоутворень у вигляді дощових опадів, що враховують радіофізичний стан пасивних завад і технічні характеристики БРЛС. Розглянуто питання відновлення регулярного далекомірного профілю пасивних завад і досліджено конкретні цифрові алгоритми відновлення на підставі комп’ютерного моделювання з використанням реальних тактико-технічних характеристик сучасних БРЛС.

Розроблені моделі дозволяють враховувати вплив пасивних завад на точність оцінювання координат протяжних об’єктів. У роботах [5-7], особисто виконаних автором, розглянуто цифрові алгоритми знаходження дальності з урахуванням пасивних завад у вигляді морської поверхні й дощових опадів. У роботі [8] здобувачем синтезовано цифрову модель радіолокаційного сигналу, розсіяного морською поверхнею. У статті [9] розглянуто та проаналізовано методи відновлення далекомірного профілю пасивних завад за наявності протяжного об’єкту. У [10-15] здобувачеві належить розроблення адаптивного методу "шумового" коридору, комп’ютерне моделювання цифрового оброблення двовимірного радіолокаційного зображення сукупності об’єкта й морської поверхні, формулювання результатів досліджень, а також низка інших питань, пов’язаних з пошуком науково-технічних матеріалів, близьких за змістом до тематики дисертаційної роботи.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи було апробовано на міжнародних форумах та науково-технічних конференціях: Другий міжнародний радіоелектронний форум "Прикладна радіоелектроніка. Стан і перспективи розвитку" (Харків, 19-23 вересня 2005 р.); 3-я Міжнародна науково-технічна конференція "Інформаційна техніка й електромеханіка" (м. Луганськ, 19-21 квітня 2005 р.); Міжнародна науково-технічна конференція "Інтегровані комп’ютерні технології в машинобудуванні" (Харків, 2004 р., 2005 р., 2006 р.); Дні науки в Гуманітарному університеті "ЗІДМУ" (м. Запоріжжя, 28-29 жовтня 2004 р.).

Публікації. Матеріали дисертаційної роботи було опубліковано у 15 наукових виданнях, у тому числі 9 статей у збірниках наукових видань та 6 тез доповідей на міжнародних і галузевих науково-технічних конференціях.

Структура й обсяг дисертаційної роботи. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел зі 100 найменуваннями на 9 окремих сторінках і додатків. Загальний обсяг роботи становить 174 сторінки, у тому числі 144 сторінок тексту, 24 рисунка на 10 сторінках, 6 таблиць на 4 сторінках, додатки на 7 сторінках.

ОСНОВИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЙНОЙ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, мету й основні завдання дисертаційного дослідження, сформульовано нові наукові положення, винесені на захист, визначено практичне значення отриманих результатів і подано дані про їх реалізацію, наведено публікації автора та його особистий внесок.

У першому розділі дисертаційної роботи наведено основні відомості про технічні й оперативні можливості БРЛС, фізичні моделі й основні радіолокаційні характеристики протяжних морських об’єктів морської поверхні й гідрометеутворень у вигляді дощових опадів.

Аналіз особливостей функціонування БРЛС і розв’язувані при цьому завдання судноводіння в природних умовах мореплавання показують, що вона повинна мати високу роздільчу здатність за дальністю й азимутом, забезпечувати оцінку зміщення судна щодо центра каналу або фарватеру, надійно функціонувати в умовах постійної присутності відбиттів від морської поверхні; забезпечувати своєчасну видачу коригувальної інформації для керування судном із необхідним інтервалом за всією дистанцією проведення, починаючи від дистанції "мертвої зони" (300-1000 м) до 90ч100 км.

БРЛС повинна мати візуальний індикатор, на якому могли б бути відтворені реальні радіолокаційні умови в детальному, найбільш близькому до реальної дійсності, вигляді з можливістю швидкого правильного й однозначного оцінювання всіх величин і співвідношень, а також полегшення розуміння всіх радіолокаційних обставин у цілому. Практикою встановлено, що радіолокаційні індикатори повинні належати до класу аналогових пристроїв. Частота корекції повинна бути не рідше 1-2 разів за хвилину.

У розділі наведено докладні відомості про радіолокаційні характеристики великотоннажних морських суден, радіолокаційні характеристики сигналів, створених морською поверхнею і гідрометеоутвореннями у вигляді дощових опадів.

У розділі також наведено відомості про загальні принципи визначення координат морських об’єктів за впливу пасивних завад і практичні методи їхньої реалізації. Виявлено, що широко використовується оковимірний спосіб визначення координатної точки прив’язки до носової частини морського судна й спосіб прив’язки, що ґрунтується на пошуку центра ваги контуру судна, який обмежує його синтезоване радіолокаційне зображення. У сучасних БРЛС знаходить застосування повна цифрова обробка. При цьому на початковій стадії обробки відеосигнал за допомогою АЦП перетворюється в цифрову форму, що далі використовується для формування бінарного радіолокаційного зображення. Виявлено, що недолік такого радіолокаційного зображення полягає в тому, що в ньому втримується на 90% сформована перевідбиттями між об’єктом і прилеглою морською поверхнею завадова інформація.

У БРЛС широко використовується некогерентне накопичення, селекція за тривалістю та інші технічні заходи, які поліпшують радіолокаційне спостереження морських об’єктів на тлі пасивних завад за некогерентного імпульсного зондування.

У висновку розглянуто та обговорено загальні питання оптимізації цифрової обробки координатної інформації і зміст основних досліджень, які необхідно виконати в дисертаційній роботі.

У другому розділі дисертаційної роботи наведено результати евристичного синтезу тестових сигнальних моделей пасивних завад при аналого-цифровому перетворенні.

Під час синтезу моделей вважалося, що інформаційним еквівалентом цифрового сигналу на виході АЦП є його інтенсивність, створювана рівномірно розташованими на періоді зондування рухливими елементарними відбивачами, "блискучими" точками, відстані між якими дорівнюють розв’язній здатності БРЛС за дальністю , а за просторового розташування “блискучих” точок необхідно враховувати й роздільчу здатність локатора за азимутом . У синтезованій моделі було враховано технічні характеристики БРЛС і параметри антени. Вона враховує: – імпульсна потужність випромінювання, G– коефіцієнт підсилення антени, – максимальна дальність дії, – довжина робочої хвилі, – тривалість зондуючого імпульсу, – ширина діаграми спрямованості в горизонтальній і вертикальній площинах, – період повторення зондувальних імпульсів.

Облік статистичних властивостей радіолокаційних відбиттів здійснюється на підставі моделі радіолокаційного розсіювання -ою “блискучою” точкою

,

де – регулярний постійний компонент ЕПР -ої локальної області, – флуктуації.

Використовуючи класичне рівняння радіолокації за несуттєвого впливу турбулентної атмосфери й при малих кутах ковзання діаграми спрямованості, було синтезовано одновимірну сигнальну модель, створювану схвильованою морською поверхнею (одновимірний варіант)

, (1)

де – питома ЕПР -ої “блискучої” точки морської поверхні

. (2)

Пропонована модель належить до класу двохмасштабних. Перший додаток, названий великомасштабним, залежить від кута ковзання (коефіцієнт ), швидкості вітру (коефіцієнт ) й висоти морської хвилі (коефіцієнт ). Другий додаток описує дрібномасштабну структуру , яка визначає “бризи”, що залежить від частоти радіолокаційного опромінення й регулярної швидкості вітру.

Облік флуктуацій призводить до появи додаткового співмножника у виразі для .

За обліку просторової структури "блискучих" точок інтенсивність радіолокаційних відбиттів в осередку дозволу азимут-дальність обчислюється за формулою

. (3)

Реальні умови експлуатації БРЛС показують, що кут ковзання діаграми спрямованості розташований у межах , , де вплив завадових відбиттів від морської поверхні можна вважати істотним (1..5 км). Ця область називається областю плато, де const, тоді модель завади від схвильованої морської поверхні істотно спрощується

. (4)

За синтезу двовимірної цифрової моделі інтенсивності радіолокаційного розсіювання схвильованою морською поверхнею враховувалася азимутальна залежність , що характеризує регулярні зміни питомої ЕПР морської поверхні в азимутальній площині, відносно “головного” напрямку перегону хвиль. Аналітично функціональну залежність можна задати співмножником у вигляді ,

За синтезу цифрової тестової моделі радіолокаційних відбиттів (сигналу), створюваних дощовими опадами, увесь простір, що опромінює БРЛС, розбився на деяке число дозволених об’ємів , заповнених числом відбивальних часток. З урахуванням заданих вище умов, інтенсивність сигналу створюваного K-им імпульсним відліком буде дорівнювати

. (5)

Величина розраховується за формулою

, (6)

де – площа радіолокаційного перетину одиниці об’єму розсіювання за некогерентного розсіювання, називана питомою ЕПР.

У роботі синтезовано цифрову тестову модель сигналу, сформованого дощовими опадами

. (7)

З використанням одновимірної моделі було синтезовано двовимірну цифрову тестову модель сигналу, сформованого дощовими опадами

. (8)

Для довільного елемента інтенсивності радіолокаційних відбиттів в дозволеному імпульсному об’ємі дощових опадів отримано формулу

, (9)

де – номер припустимого об’єму за азимутом і дальністю.

На мал. 1, 2 подано результати комп’ютерного моделювання одновимірного тестового цифрового сигналу, відбитого морською поверхнею за наступних даних БРЛС: Вт, мкс, м, м, , , м, , дБ,
м/с, , , напрямок головного поширення хвилі , ?=-40 дБ, =4 дБ, =8 дБ, А=4Ч10-8

На мал. 3-6 подано деякі результати комп’ютерного моделювання двовимірної цифрової тестової моделі радіолокаційного сигналу, створюваного схвильованою морською поверхнею.

Рис. 3. Двовимірний опорний профіль інтенсивностей локальних джерел розсіювання |

Рис. 4 Фрагмент радіолокаційних відбиттів від схвильованої морської

поверхні

Рис. 5. Зріз за азимутом |

Рис. 6. Зріз за азимутом для повільно змінного процесу флуктуацій питомої ЕПР

Третій розділ дисертаційної роботи присвячено статистичному аналізові точності оцінки координат радіолокаційного зображення протяжного об’єкта.

Основну увагу приділено використанню однопозиційного варіанта БРЛС сантиметрового діапазону зі суміщеними трактами прийому й передавання, що функціонує з реальними морськими об’єктами: пасажирськими суднами, вантажними суднами, танкерами, буксирами, криголамами, траулерами. Наведено співвідношення головних розмірів – довжини, ширини і висоти борта, а також силуетні форми перерахованих вище суден.

При здійсненні імітаційного моделювання вважалося, що опромінена частина об’єкта містить сукупність відбивальних елементів – “блискучих” точок, які є вторинними випромінювачами, що створюють кутовий, далекомірний і амплітудний шуми. У результаті інтерференції великої кількості сферичних хвиль, фазовий фронт сумарної хвилі вже не буде сферичним і нормаль до нього вкаже напрямок не на дійсний центр, а на уявний центр відбиття, називаний статистичним центром віддзеркалення (СЦВ). За руху об’єкта співвідношення амплітуд і фаз створених хвиль буде змінюватися й, отже, точка СЦВ буде блукати, викликаючи кутомірні, далекомірний й амплітудний шуми.

Певний інтерес становить використання СЦВ як координатної прив’язки протяжного об’єкта.

У роботі досліджено задачу оцінювання статистичних параметрів блукання СЦВ реальних морських суден і наведено приклади розрахунку статистичних характеристик азимутального й далекомірного шумів конкретних об’єктів, які можна здійснити, якщо відомий розподіл щільності інтенсивності сигналів, досліджуваних "блискучими" точками , де – координати площини випромінювання. За проведення розрахунків вид функції розподілу щільності інтенсивності за дальністю й азимутом визначався, виходячи із силуетної форми й геометричних розмірів реальних морських об’єктів. Результати обчислень наведено в таблиці 1.

Таблиця 1

Результати обчислень

№ | Умов. розрахунків

1 | 0,134 | 1 | 0,116

2 | а) |

1,92 |

0,112 |

0,9 |

0,208

б) |

1 |

0,293 |

0,4

3 |

2,2 |

0,089 |

0,79 |

0,182

У табл. 1 уведені наступні позначення: №1 – пасажирське судно, азимутальний напрямок;
№2 – пасажирське судно, далекомірний напрямок; №3 – супертанкер, азимутальний напрямок. Умови розрахунків: ,

де – рівень інтенсивності яскравої “блискучої” точки, – рівень інтенсивності інших "блискучих" точок; B – ширина об’єкта; , – довжина об’єкта; – відстань між яскраво вираженими блискучими точками; – параметр закону розподілу Стьюдента, що визначає ефективну ширину розподілу азимутального й далекомірного шумів; - імовірність виходу СЦВ за межі контуру об’єкта; , – реальне число "блискучих" точок, – ефективне число "блискучих" точок за рівномірного розподілу інтенсивності сигналів "блискучих" точок у розглянутому напрямку; – середньоквадратичне значення азимутальної та далекомірної помилок; – відносна помилка пеленга і дальності.

Теоретичні аспекти статистичного аналізу флуктуацій СЦВ було досліджено на рівні комп’ютерного моделювання. Формалізована структура процесу моделювання містила в собі такі етапи: вибір типу морського судна з відомими геометричними розмірами палубної частини (довжини L і ширини B), завдання напрямку руху, завдання кількості "блискучих" точок з довільним розміщенням і відомими координатами плоскої системи координат; вибір основних для конкретного напрямку руху судна параметрів руху (дальності й азимуту) з конкретною кількістю "блискучих" точок для заданого положення судна, розрахунок за простими алгоритмами (типу оцінки середнього) координат СЦВ () для конкретного набору положень судна (кадрів) у заданому напрямку руху, і оцінки відхилення СЦВ щодо геометричного центра морського судна, центрування вихідних координат "блискучих" точок щодо координат СЦВ, формування вибірки амплітуд і фаз розподілених за релеєвским і рівномірним законами відповідно, розрахунок відносних помилок відхилення СЦВ за азимутом і дальністю з одночасною статистичною обробкою, побудова таблиць і графіків з відповідними поясненнями.

Результати моделювання за незміщеного руху морського судна наведено на мал. 7а, б.

а) б)

Рис 7. Результати моделювання за незміщеного руху судна

На мал. 7а, б уведено наступні позначення: См – геометричне зміщення СЦВ щодо геометричного центра об’єкта, N число зареєстрованих положень (кадрів) щодо лінії руху (вісь y), – відхилення СЦВ за дальністю, – відхилення СЦВ за азимутом у центрованій системі координат у метрах.

Вихідні дані: геометричні розміри судна м, число "блискучих" точок – 75, 73, 54, 50, 32, 24, 19, 17 відповідно в кожному кадрі від 1 до 10, відстань між "блискучими" точками за координатами x й y =5 м, максимальна дальність =1200 м, відстані між геометричними центрами сусідніх кадрів м, область компактного розміщення "блискучих" точок зрушена до носової частини судна. Результати моделювання за зміщеного руху судна наведено на мал. 8а, б.

а) б)

Рис 8. Результати моделювання за зміщеного руху судна

Вихідні дані: геометричні розміри м, число "блискучих" точок – 75, 52, 47, 40, 30, 40, 47, 52, 75 відповідно в кожному кадрі, область компактного розміщення "блискучих" точок - центра судна, величина зміщення лінії руху щодо координати м, число фіксованих положень (кадрів) – 9, =600 м, лінія руху паралельна осі X.

Отримані в процесі моделювання результати (у межах вихідних даних, обраних нами для моделювання за незміщеного й зміщеного руху судна) дають підстави зробити наступні висновки.

1. Величина геометричного відхилення СЦВ щодо геометричного центра судна істотно залежить від області компактного розміщення "блискучих" точок, при цьому статистичні блукання за дальністю можуть досягати 25-30% від загальної довжини судна й зменшуються за розташування "блискучих" точок в області геометричного центра; азимутальні блукання можуть досягати 50% ширини судна, як за незміщеного, так і за зміщеного руху.

2. Можливе використання координатної прив’язки до СЦВ для деяких типів суден – великих пасажирських суден, криголамів, великих буксирів.

3. Можлива обробка тільки інтенсивностей (амплітуд) без врахування фазових співвідношень у створеному радіолокаційному полі.

4. У цілому координатна прив’язка до СЦВ виявляється нестійкою і з практичного погляду є малоперспективною.

5. Певний інтерес становить оцінювання СЦВ тільки за набором інтенсивностей створеного радіолокаційного поля.

У четвертому розділі наведено результати оптимального синтезу цифрових алгоритмів оцінки азимутальної й далекомірної координат СЦВ протяжного об’єкта за вибіркою інтенсивностей для лінійного й просторового багатоточкового об’єкта. Завдання щодо визначення максимально правдоподібного значення координатної оцінки зводиться до визначення максимуму функції правдоподібності. Для щільності розподілу випадкових параметрів , спільна щільність імовірності визначається співвідношенням

.

Застосовуючи стандартні процедури одержання оптимальної оцінки, було отримано оцінки й для лінійного протяжного об’єкта

; . (10)

У випадку просторової цифрової сигнальної моделі розміром NM точок

, . (11)

Аналізувалися й неоптимальні методи обробки вибірки, які можуть бути більш зручними для технічної реалізації.

Як видно з результатів досліджень попередніх розділів, характерною рисою цифрових сигнальних моделей від джерел пасивних завад є наявність регулярної компоненти.

У цьому розділі розглянуто методику компенсації регулярної складової, пасивних завад, що ґрунтується на відновленні регулярного далекомірного профілю за вимірювальною вибіркою та її вирахуванням з повного цифрового сигналу. Під час відновлення досліджувалося цифрове згладжування, диференціювання, інтегрування та використання просторових вікон. Аналіз результатів моделювання за оцінкою якості та точності відновлення регулярного далекомірного профілю показав істотну залежність отриманих результатів від мінливості флуктуаційних параметрів розсіювання радіолокаційного сигналу від підстилаючої морської поверхні й дощових опадів.

З огляду на погану стійкість координатної прив’язки протяжного об’єкта за СЦВ через його істотне "блукання" у роботі було запропоновано перейти до формування бінарного сигнального зображення, у якому амплітудна інформація повністю відсутня.

Процедура формування бінарного сигнального зображення – бінарної сигнальної групи містить у собі відновлення двовимірного регулярного профілю морської поверхні вирахуванням його з повного двовимірного зображення (об’єкт + завада) і використання двовимірного функціонального шумового порогу, що враховує можливість знаходження протяжного об’єкта на різних дальностях (від mіn до max). Аналітична форма запису двовимірного порога мала вигляд

, где ; ; , (12)

де – число кроків постійного рівня, – настроювальний параметр, – показник ступеня, який підбирається при виборі порогу.

Підбираючи величини й , необхідно виконати умову, щоб число перевищень заданого рівня дорівнювало заданому числу перевищень , останні позначаються індексом “1”.

Для перевірки працездатності описаної процедури виконувалося комп’ютерне моделювання формування сигнальної бінарної групи, що підтвердило ефективність запропонованого методу.

На підставі сформованої бінарної сигнальної групи в роботі запропоновано метод й алгоритм визначення координатної прив’язки, названий умовно методом "бортової лінії". При реалізації методу й алгоритму відомими вважають розміри LB судна і параметри траєкторії його руху. На зображенні сигнальної групи знаходиться точка з координатами – найближча до БРЛС. Далі визначаються послідовно координати суміжних стосовно найближчих точок відповідно до співвідношень

(13)

де – кількість “1”, що належить лінії борту, – елементи розділення.

Далі за допомогою простих геометричних формул визначається довжина борта L і кут нахилу . Потім знаходимо середину L, визначаємо її координати й проводимо лінію перпендикулярну середині L, на якій відкладаємо відрізок, що дорівнює півширині судна . Оцінка координат отриманої точки прив’язки здійснюється відповідно до формул

,

.

Експериментальна апробація алгоритму виконувалася за даними проводки двох великогабаритних суден 10617 м, 17723 м) БРЛС, розміщеної на "Російській косі" поблизу міста Миколаєва. Під час обробки використані стандартні статистичні процедури. При цьому розраховувалися дальність км, азимут град. і зміщення щодо центральної лінії каналу. Загальне число оброблених сигнальних груп для першого судна дорівнювало 508, а для другого – 462; часовий інтервал між кожною сигнальною групою становив 4 с. З урахуванням проріджування й відкидання аномальних результатів оброблялася 31 група за 1-м судном й 25 за 2-им судном.

Математичне очікування склало для 1-го судна 16,731 й 15,19 м для 2-го судна за середньоквадратичного відхилення 7,05 м й 6,1 м, що є добрим результатом.

У розділі розглянуто прості алгоритми визначення координат протяжних об’єктів при різних конфігураціях бінарних сигнальних груп (2, 3, 4 - компактно-розташованих “1”), а також алгоритми визначення координат за набором розосереджених сигнальних груп.

ВИСНОВКИ

Дисертація присвячена вирішенню актуальної наукової та практичної задачі підвищення точності визначення місця розташування протяжних морських об’єктів береговими радіолокаційними станціями на підставі оптимізації цифрової обробки координатної інформації, одержаної під час радіолокаційного зондування об’єкта в присутності пасивних завад, створюваних схвильованою морською поверхнею й гідрометеоутвореннями у вигляді дощових опадів, а також власними кутовим і далекомірним шумами об’єкта.

У результаті проведених досліджень отримані такі важливі наукові та практичні результати:

1. Розглянуто та проаналізовано особливості функціонування берегових радіолокаційних засобів інформаційної підтримки, контролю та керування рухом морських суден у стислих умовах мореплавання. Сформульовано та проаналізовано загальні питання й особливості оптимізації цифрової обробки координатної інформації, що отримана при радіолокаційному зондуванні протяжних морських об’єктів в умовах впливу пасивних завад, зумовлених наявністю підстилаючої морської поверхні та гідрометеоутворень у вигляді дощових опадів.

2. На підставі аналізу теоретичної моделі багатопроменевого каналу з розсіюванням, радіофізичних моделей розсіювання радіосигналів від морської поверхні й гідрометеоутворень у вигляді дощових опадів синтезовані на евристичному рівні тестові сигнальні моделі пасивних завад та їхні спрощені варіанти, що враховують особливості функціонування, технічні й тактичні характеристики берегових РЛС, стан морської поверхні, вплив метеоумов.

3. На підставі використання основних співвідношень, що описують кутовий і далекомірний шуми багатоточечного радіолокаційного об’єкта, характеристики форми, силуети реальних морських об’єктів, були розраховані статистичні характеристики азимутального й далекомірного шумів реальних об’єктів.

4. Виконано оцінювання координат СЦВ методом математичного моделювання. Отримані флуктуаційні характеристики, обумовлені кутовими (азимутальними) і далекомірними шумами. У випадку використання координатної прив’язки до СЦВ отримані оптимальні цифрові алгоритми.

5. При контролі руху суден різних класів координатна прив’язка до СЦВ являється нестійкою, тобто обробка амплітудної інформації із практичної точки зору буде мало перспективною.

6. Розв’язана задача компенсації двовимірного регулярного профілю радіолокаційних відбиттів від підстилювальної морської поверхні та гідрометеоутворень за рахунок побудови регулярного опорного профілю пасивних завад з радіолокаційного спостереження та його відрахування з повного сигналу. Виконано порівняльний аналіз різних методів побудови регулярного профілю.

7. Розроблено методику формування бінарного радіолокаційного зображення протяжного об’єкта в умовах дії пасивної завади (обумовленої впливом морської поверхні) за допомогою функціонального шумового порогу.

8. З використанням реальних радіолокаційних зображень проводки морських суден з геометричними розмірами 10617 м й 17723 м розроблено метод та алгоритм цифрової координатної прив’язки до умовного "геометричного" центру морського великотоннажного судна з відомими геометричними розмірами. Достовірність, ефективність та придатність розробленого методу підтверджена чисельними даними за середньоквадратичними похибками оцінки зміщення "умовного" геометричного центра суден для двох рознесених у часі проводжень. Величина зміщення для першого судна склала 16,7 м, а для другого - 15,2 м за м и м.

9. Розроблено прості й ефективні цифрові алгоритми визначення азимутально-далекомірних координат протяжних об’єктів за виділеними одиночними й розосередженими бінарними сигнальними групами, що належать протяжному радіолокаційному об’єкту.

10. На підставі результатів комп’ютерного моделювання й результатів обробки реальних радіолокаційних зображень проводки морських суден запропоновано практичні рекомендації з їхнього використання в існуючих і перспективних берегових РЛС із поліпшеними точнісними характеристиками та розширеними можливостями функціонування в складних завадових умовах, створюваних радіолокаційними відбиттями від морської поверхні і гідрометеоутворень у вигляді дощових опадів.

Розроблені тестові моделі, методи й алгоритми визначення координат протяжних об’єктів за їхніми цифровими радіолокаційними зображеннями можуть бути успішно використані в радіотехнічних системах різного призначення (радіонавігаційних, радіолокаційних, дистанційного зондування й т.д.).

СПИСОК ОСНОВНИХ ПУБЛІКАЦІЙ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Мсаллам Е.П., Печенин В.В. Оптимальные цифровые алгоритмы определения координат статистического центра отражения протяженного объекта// Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника. – Киев: КПИ. – 2006. – Т. 49, №11. – С 64-72.

2. Мсаллам Е.П. Печенин В.В. Моделирование статистических характеристик координатных блужданий статистического центра отражений морского судна // Міжнар. науково-техн. конф. „Інтегровані комп'ютерні технології в машинобудуванні (ІКТМ-2006). – Харків, 2006. - С. 305.

3. Мсаллам Е.П., Печенин В.В. Цифровой метод определения координатной привязки протяженного объекта по данным его радиолокационного изображения // Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника. – Киев: КПИ. – 2006. – Т. , №4. – С 61-68.

4. Печенин В.В., Мсаллам Е.П. Цифровой метод подавления пассивной помехи при координатной обработке радиолокационного изображения протяженного морского объекта // Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника. – Киев: КПИ. – 2006. – Т. , №3. – С 57-62.

5. Мсаллам Е.П. Цифровой алгоритм определения координаты дальности протяженного объекта по данным радиолокационного зондирования на фоне пассивной помехи // Тр. 5 Міжнар. науково-техн. конф. „Інтегровані комп’ютерні технології в машинобудуванні” (ІКТМ-2005). – Харків, 2005. – С. 535.

6. Мсаллам Е.П. Исследование цифровых методов восстановления регулярного профиля радиолокационных отражений от морской поверхности // Праці Луганського відділення Міжнародної Академії інформації. – Луганск, 2005. – 2005. – №2(11). – С. 72.

7. Мсаллам Е.П. Тестовая модель радиолокационных отражений от протяженной цели, маскируемый фоновой пассивной помехой // Тр. 2-й Междунар. радиоэлектронный форум “Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития”. – Харьков, 2005. – Т. 2. – С. 161-163.

8. Печенин В.В., Мсаллам Е.П. Синтез цифровой модели радиолокационного сигнала, рассеянного подстилающей поверхностью // Тр. Научно-практич. конф. Системный анализ и управление. Дни науки в Гуманитарному университете “ЗИДМУ”, – 2004. – С. 215-216.

9. Мсаллам Е.П. Восстановление дальномерного профиля пассивной помехи при наличии протяженной радиолокационной цели // Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника. – 2005. – №9-10. – С. 45-60.

10. Мсаллам Е.П, Шихайло В.В. Цифровая модель радиолокационных отражений, создаваемых дождевыми осадками // Тр. Міжнар. науково-техн. конф. „Інтегровані комп’ютерні технології в машинобудуванні” (ІКТМ-2004). – Харків, 2004. – С. 312.

11. Печенин В.В., Мсаллам Е.П. Восстановление дальномерного профиля радиолокационных отражений от гидрометеообразований по данным аналого-цифрового преобразования // Складні системи і процеси. – 2004. – №1,2(5-6). – С. 83-93.

12. Печенин В.В., Мсаллам Е.П. Восстановление дальномерного профиля радиолокационных отражений от подстилающей поверхности по данным аналого-цифрового преобразования // Системи обробки інформації. – Харьков: ХВУ, Выпуск №10(38), 2004. – С. 156-165.

13. Мсаллам Е.П., Печенин В.В., Усиченко А.В. Цифровая модель рассеяния радиолокационного сигнала гидрометеообразованиями // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. – 2004. – №3(9). – С. 22-24.

14. Печенин В.В., Мсаллам Е.П., Усиченко А.В. Цифровая модель радиолокационного сигнала, рассеянного подстилающей водной поверхностью под малым углом скольжения // Вестник Национального технического университета “ХПИ”. Сб. научн. тр. “Системный анализ, управление и информационные технологии”. – Харьков, 2004. – №36. – С. 100-104.

15. Мсаллам Е.П., Печенин В.В. Эвристический синтез цифровой модели радиолокационного сигнала, рассеянного совокупностью протяженных объектов // Радиоэлектронные и компьютерные системы. – Харьков: ХАИ, 2004. – №2. – С. 16-21.

АНОТАЦІЯ

Мсаллам К.П. Оптимізація цифрової обробки координатної інформації при радіолокаційному зондуванні протяжних морських об’єктів в умовах впливу пасивних завад. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.17 – радіотехнічні та телевізійні системи. – Національний аерокосмічний університет
ім. М.Є. Жуковського “ХАІ”, 2007.

Дисертацію присвячено підвищенню достовірності визначення місцезнаходження протяжних морських об’єктів в умовах впливу пасивних завад.

Сформульовано основні завдання ефективної цифрової обробки координатної інформації, підґрунтям якої були: тестові сигнальні моделі пасивних завад – підстилаючої морської поверхні та гідрометеоутворень при аналого-цифровому перетворенні; статистичний аналіз достовірності оцінки координат радіолокаційного зображення протяжного об’єкту; розроблення й дослідження цифрових методів та алгоритмів визначення координат протяжних морських об’єктів.

Для перевірки результатів теоретичних досліджень у роботі проведено комп’ютерне моделювання розробленої моделі пасивних завад, моделювання статистичних характеристик азимутальних і дальномірних “блукань” СЦВ морських суден, експериментальне дослідження розробленого цифрового методу і алгоритму визначення координат “умовного” геометричного центра об’єкта. Розроблено й експериментально перевірено методику компенсації азимутально-дальномірного профілю пасивної завади й алгоритм формування бінарної сигнальної групи.

Ключові слова: морська поверхня, гідрометеоутворення, цифрова обробка, бінарне радіолокаційне зображення, тестова модель, моделювання, пасивні завади.

АННОТАЦИЯ

Мсаллам Е.П. Оптимизация цифровой обработки координатной информации при радиолокационном зондировании протяженных морских объектов в условиях влияния пассивных помех. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.17 – радиотехнические и телевизионные системы. Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е.Жуковского “ХАИ”, Харьков, 2007.

Диссертация посвящена вопросам повышения точности определения местоположения протяженных морских объектов в условиях влияния пассивных помех.

Проведен анализ современного состояния и особенностей функционирования береговых радиолокационных средств информационной поддержки, контроля и управления движения судов. Рассмотрены физические модели и радиолокационные характеристики рассеяния радиоволн протяженными объектами и источниками пассивных помех. Приведены практические методы определения координатной привязки существующими БРЛС. Рассмотрены общие методы улучшения радиолокационной наблюдаемости объектов на фоне пассивных помех при некогерентном импульсном зондировании и сформулированы основные направления и содержание выполненных в работе исследований.

На основе анализа существующих моделей многолучевых каналов и пассивных помех эвристически синтезированы цифровые тестовые модели радиолокационных отражений от произвольной плоской поверхности, взволнованной морской поверхности и гидрометеообразований в виде дождевых осадков. Основная задача разработки моделей состояла в обеспечении достоверного функционирования программно-математического обеспечения цифровой обработки при смене алгоритмов, кроме этого, разработанные модели позволяют выполнять и экспериментальные исследования при разработке и апробации других цифровых операций, необходимых при подготовке вычислительного тракта БРЛС. На основе статистического анализа точности оценки координат радиолокационных изображений реальных морских объектов исследована задача возможной привязки координат к статистическому центру отражения (СЦО) объекта. Приведены примеры расчета статистических характеристик азимутального и дальномерного шумов реальных морских объектов.

Выполнен методом компьютерного моделирования анализ статистических характеристик азимутальных и дальномерных “блужданий” СЦО при различном размещении светящихся точек на палубе морского судна. Результаты моделирования позволяют сделать вывод о ненадежности координатной привязки к СЦО и необходимости перехода к бинарному радиолокационному изображению для большинства большегрузных морских судов.

Синтезированы цифровые алгоритмы определения координат СЦО по цифровым отсчетам интенсивности радиолокационных отражений от морского объекта, регистрируемых на выходе АЦП. Рассмотрена методика компенсации регулярного азимутально-дальномерного профиля пассивной помехи с одновременным формированием бинарной сигнальной группы на основе использования функционального адаптивного шумового порога.

Приведены результаты исследования разработанного метода и алгоритма определения координат “условного” геометрического цента по реальным данным проводки двух морских судов.

Ключевые слова: морская поверхность,