Методи обробки динамічних сцен при впливі нестаціонарних завад у радіотехнічних системах супроводження надводних протяжних об'єктів

Міністерство освіти і науки України

Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського

“Харківський авіаційний інститут”

Жеребятьєв Денис Петрович

УДК 621.396.9

МЕТОДИ ОБРОБКИ ДИНАМІЧНИХ СЦЕН ПРИ ВПЛИВІ

НЕСТАЦІОНАРНИХ ЗАВАД

У РАДІОТЕХНІЧНИХ СИСТЕМАХ СУПРОВОДЖЕННЯ НАДВОДНИХ ПРОТЯЖНИХ ОБ'ЄКТІВ

05.12.17 - радіотехнічні та телевізійні системи

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків - 2008

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 Волосюк Валерій Костянтинович, 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 імени Івана Кожедуба Міністерства оборони України, професор кафедри “Радіотехнічні системи навігації та посадки”;

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Луценко Владислав Іванович, Інститут радіофізики та електроніки (ІРЕ) ім. О.Я. Усікова Національної Академії наук України, старший науковий співробітник відділу “Фізичні основи радіолокації”.

Захист відбудеться “15” травня 2008р. о 14.30 годині 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 науково-технічній 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” квітня2008року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої заради Д 64.062.07 Лукін В.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

 

Актуальність теми. У світі щорічно зростають обсяги морських перевезень, відповідно росте і кількість суден, що проходять у прибережних водах, вузьких каналах, протоках і на підходах до портів, у тому числі й до портів країн Чорноморського басейну. За таких умов різко підвищуються вимоги до стандартів забезпечення безпеки мореплавання. Чимала увага при цьому приділяється морським лоцманам і лоцманам-операторам служб регулювання руху суден, а берегова радіолокаційна станція (БРЛС) - одна з підсистем, що входить у систему керування рухом суден (СКРС). СКРС - сучасний програмно-апаратний комплекс, що надає лоцманам різну навігаційну інформацію, необхідну для підвищення безпеки проведення суден по вузьких фарватерах і для захисту навколишнього середовища від шкідливих негативних наслідків судноплавства.

Для забезпечення ефективності і безпеки судноплавства з використанням радіолокаційного контролю руху суден, модернізації існуючих засобів, комплексів і систем відповідного призначення, програмою Міністерства транспорту і зв’язку України на 2005-2010 рр. та космічною програмою на 2003-2007 рр передбачені кошти для комплексного розвитку наземної інфраструктури навігаційних і спеціальних інформаційних систем.

Стрімке зростання суднопотоку світового торгового флоту накладає нові вимоги до берегових диспетчерських служб, такі, як: ефективне супроводження та цілевказання місцезнаходження судна в складній метеообстановці; своєчасне радіолокаційне виявлення морських об'єктів, що враховує вплив схвильованої морської поверхні. Виділення об'єктів на фоні пасивних завад є однією з найважливіших проблем, яка виникає при розробці БРЛС. Особливо гостро стоїть ця проблема при радіолокації протяжних об'єктів у складних метеоумовах і завадовій радіолокаційній обстановці.

Останнім часом велике значення мають задачі, пов'язані з обробкою динамічних сцен, що відображають розвиток у часі різних просторово-протяжних процесів. Переважна більшість досліджень щодо обробки динамічних зображень просторово-протяжних об'єктів (ППО) як отриманих за допомогою БРЛС, так і з застосуванням космічних засобів дистанційного зондування, присвячена аналізу динамічних сцен – зображень, що містять набір просторово-рознесених об'єктів, які змінюють положення, форму, масштаб, орієнтацію в міру свого просторового переміщення. Задачі даного напрямку необхідно вирішувати в умовах обмеженого ресурсу часу, враховуючи просторову протяжність об'єктів.

Пріоритетним напрямком вирішення цих задач є застосування адаптивних алгоритмів обробки радіолокаційних сигналів, що являють собою стохастичні оптимізаційні процедури. Теоретичні основи синтезу алгоритмів статистичної обробки сигналів, відбитих від просторово-протяжних об'єктів, закладені у роботах авторів В.І. Тихонова, П.О. Бакута, І.О. Большакова, Ф.О. Басалова, А. Ісимару, Е.А. Штагера, Р.В. Островітянова, І.Я. Кремера, С.Є. Фальковича та інших.

Існуючі на даний час методи і засоби радіолокації протяжних об'єктів радіотехнічними системами базуються головним чином на обробці вихідних сигналів, яка є оптимальною при прийомі ехо-сигналів від точкового об'єкта. Для підвищення ступеня спостереження радіолокаційних відміток обробку сигналів і одержання інформації в радіолокаційних системах необхідно робити з урахуванням апріорної просторової довжини радіолокаційних об'єктів в умовах складної завадової обстановки, зумовленої наявністю відбиття від гідрометеорів і земної, морської поверхні. Одержання інформації про об'єкт починається з моменту його виявлення, тому першочерговою задачею є процедура виявлення ППО при обмеженому часовому ресурсі. Оцінюваними параметрами є: радіолокаційний портрет; конфігурація об'єкта (його радіолокаційний контур); координати місцезнаходження; статистичні характеристики і т. ін.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження проводилися автором відповідно до планів держбюджетних НДР Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського “ХАІ” (м. Харків), державного підприємства “Дельта-лоцман” (м. Миколаїв), НДІ Радіосистем (м. Житомир). Результати дослідження включені в звіти з НДР: “Теоретичні основи та математичний інструментарій просторово-часової обробки вимірювальної інформації в радіоелектронних комплексах аерокосмічного базування” (№ ДР 0100U003431); “Високоефективні технології для обробки вимірювальної інформації у супутникових радіонавігаційних системах, радіотехнічних комплексах керування та засобах дистанційного дослідження параметрів природних середовищ земної поверхні з аерокосмічних носіїв” (№ ДР 0206U005068).

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка методів виявлення, селекції й оцінювання параметрів просторово-протяжних об'єктів з підвищеними показниками якості на основі статистичної оптимізації спільної просторово-часової обробки сигналів і динамічних сцен у радіотехнічних системах.

Відповідно до поставленої мети в дисертаційній роботі були сформульовані й розв’язувалися такі задачі:

1. Синтез методів і відповідних алгоритмів оптимальних оцінок комплексного коефіцієнта розсіювання і статистичних характеристик ППО за наявності обмежень щодо зони його можливої локалізації.

2. Розробка алгоритмів оптимальної локалізації ППО на фоні завадових відбиттів від земної та морської поверхні для функціонально-детермінованої й стохастичної моделей прийнятих сигналів.

3. Обґрунтування можливості реалізації оптимальних і квазіоптимальних алгоритмів локалізації ППО на підставі статистичного моделювання й аналізу динамічних сцен та розробка рекомендацій щодо їх практичної реалізації.

4. Розробка практичних варіантів реалізації алгоритмів локалізації ППО для вирішення задач високоточного проведення суден по вузьких фарватерах Дніпро-Бузького лиману.

5. Розробка методів і алгоритмів селекції рухомих ППО на фоні завадових відбиттів від морської поверхні та гідрометеорів.

Об'єкт дослідження – виявлення та селекція просторово-протяжних об'єктів у радіотехнічних системах.

Предмет дослідження – локалізація й оцінка параметрів просторово-протяжних об'єктів на основі статистичної оптимізації обробки радіолокаційних сигналів.

Метод дослідження – методи статистичної просторової обробки випадкових процесів і полів, теорія розпізнавання образів на основі нейромережної технології, елементи теорії математичного моделювання з використанням сучасних комп’ютерних технологій та реальних початкових даних.

Наукова новизна отриманих результатів. У дисертаційній роботі були отримані такі результати:

1. Запропоновано новий метод просторово-часової обробки радіолокаційних сигналів, який дозволяє підвищити точність локалізації ППО на фоні нестаціонарних завадових відбиттів від земної та морської поверхні з використанням оптимальних ковзаючих вікон і вейвлет-перетворення та синтезувати нові алгоритми їхньої обробки.

2. Удосконалена методика визначення координат просторово-протяжних об'єктів з урахуванням апріорної інформації про просторову протяжність об'єкта, що дозволяє підвищити завадостійкість і точність берегових радіотехнічних систем.

3. Вперше отримано ефективні алгоритми обробки динамічних зображень в умовах параметричної апріорної невизначеності відносно електрофізичних та геометричних характеристик ППО, що дають можливість вирішувати радіолокаційні задачі при обмеженому часовому ресурсі.

4. Запропоновано нові методи виявлення просторово-протяжних об'єктів на основі нейромережних технологій, які забезпечують збереження характерних ознак радіолокаційного портрету ППО в умовах високої імовірності появи імпульсних завад.

5. Розроблено та запропоновано нові методи селекції рухомих просторово-протяжних об'єктів на основі адаптивної сегментації динамічних сцен з використанням нейромережної технології, які істотно підвищили характеристики виділення ППО.

Практичне значення отриманих результатів. Запропоновані методи й алгоритми селекції протяжних об'єктів з урахуванням міжперіодної обробки радіолокаційних сигналів, розсіяних просторово-протяжними об'єктами, що дозволяють ефективно вирішувати задачі виявлення і селекції рухомих об'єктів складної форми. Розроблені алгоритми селекції рухомих об’єктів дозволили автоматизувати обробку інформації імпульсної радіолокаційної станції, підвищити ефективність і надійність прийнятих рішень. Відмінністю отриманих алгоритмів від існуючих є висока швидкодія і завадостійкість. Результати досліджень впроваджені в автоматизовану інформаційно-обчислювального систему (АІОС) навігаційного комплексу “Лиман” ДП “Дельта-лоцман” (м. Миколаїв), що дозволило комплексно підвищити якісні показники БРЛС, безпеку й ефективність руху великотоннажних суден по вузьких фарватерах Дніпро-Бузького лиману в складних метеоумовах.

Особистий внесок здобувача. Дисертаційна робота є результатом самостійної праці автора. В роботах, виконаних і опублікованих у співавторстві особистий внесок автора полягає в наступному: в статті [1] розроблено та проаналізовано алгоритм оцінювання радіолокаційного центру протяжного об'єкта; в статті [2] розроблено метод селекції рухомих об'єктів на основі методу моментів; в роботі [3] розроблено метод виявлення ППО для тих випадків, коли корисні сигнали є випадковими процесами; в роботі [4] розв’язано оптимізаційну задачу оцінки комплексного коефіцієнта розсіювання; в роботах [8-11] розроблені методи виявлення та селекції просторово-протяжних об'єктів та проаналізовані відповідні алгоритми.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи були подані й обговорені на Міжнародній науково-практичній конференції “Інформаційні технології управління екологічною безпекою, ресурсами та заходами у надзвичайних ситуаціях (сел. Рибаче, 2002 р.), семінарах кафедри “Проектування радіоелектронних систем літальних апаратів ” Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського “ХАІ”.

Публікації. Основні результати дисертації відображені в 11 роботах: 5 статтях у наукових спеціалізованих журналах і науково-технічних збірниках, що входять до переліку ВАК України, у тезах 2 доповідей на науково-технічної конференції і 4 звітах з НДР.

Структура й обсяг дисертаційної роботи. Дисертація складається з вступу, п’яти розділів, висновків, додатків та списку використаних джерел. Загальний обсяг дисертації становить 197 сторінки, у тому числі: 26 рисунків на 10 окремих сторінках, 7 таблиць на 4 окремих сторінках, 2 додатків на 28 сторінках і список використаних джерел з 123 найменувань на 11 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ дисертаційної роботи містить такі положення: актуальність задач обробки радіолокаційних сигналів та динамічних сцен з урахуванням впливу завад, як просторово-часових нестаціонарних процесів, в РТС виявлення, селекції та супроводження просторово-протяжних об'єктів; зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами; мету і задачі дослідження; методи дослідження; наукову новизну отриманих результатів; практичне значення отриманих результатів; обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій. Наведено дані про впровадження, публікації, апробацію і особистий внесок здобувача.

У першому розділі розглянуто проблематику задач радіолокації протяжних об'єктів, основні статистичні характеристики відбиттів від точкових і протяжних об'єктів. Розглянуто моделі сигналів і характеристики відбиттів від складних об'єктів, визначено їхні статистичні характеристики, необхідні для складання умовних функціоналів щільностей ймовірностей і наступного вирішення оптимізаційних задач просторово-часової обробки сигналів, відбитих від складних об'єктів. Проведено аналіз методів і підходів просторово-часової обробки сигналів, розсіяних розподіленими об'єктами на фоні завад, що дозволило обґрунтувати основні напрямки досліджень.

Реальний складний об'єкт має деяку сукупність “блискучих точок” в елементі, розміри якого визначаються роздільною здатністю РЛС, тому положення еквівалентного фазового центру об'єкта є випадковим у межах його геометричного розміру, а в деяких випадках виходить за фізичні межі об’єкта. Складною задачею в РЛС кругового огляду є вимір дальності за кривизною хвильового фронту електромагнітного поля для випадку багатоточкового об'єкта й наявності морської поверхні. На основі аналізу багатоточкової моделі ППО сформульовані задачі оцінок його радіолокаційного зображення (РЛЗ) і відповідного контуру, що визначають місцезнаходження й характерні параметри ППО з урахуванням його руху.

Особливістю поля, розсіяного ППО та навколишнім середовищем, є стохастичний характер сигналу внаслідок зміни ракурсу об'єкта, висот схвильованої морської поверхні, наявності гідрометеоутворень на шляху поширення ехо-сигналу, внутрішніх шумів апаратури й т. ін. Поле, розсіяне складним об'єктом, лінійні розміри якого становлять десятки-сотні тисяч довжин хвиль, описується сумою полів еквівалентної сукупності локальних джерел. При цьому окремі “блискучі точки” об'єкта не розрізняються, у цьому випадку оптимальною процедурою оцінки параметрів сигналу , де  – вектор оцінюваних параметрів, на фоні завад , є узгоджена просторово-часова обробка прийнятого коливання . Вихідний ефект системи узгодженої обробки сигналів на тлі загальної гауссової завади за один період обзору визначається комплексним кореляційним інтегралом:

, (1)

де  – матриця обернених кореляційних функцій,  – номер радіолокаційного огляду.

У випадку, коли відношення сигнал/завада набагато більше одиниці, що характерно для ближньої радіолокації, матриця  буде погано обумовленою. Крім того, для отримання оберненої кореляційної матриці  потрібна висока точність обчислень і значні часові ресурси при великому обсязі вибірки. Це зумовлює необхідність переходу до адаптивних алгоритмів обчислення коваріаційної матриці завад.

З існуючих практичних методів обробки радіолокаційних сигналів можна відзначити такі: алгоритм черезперіодної компенсації; некогерентне накопичування; кореляційний алгоритм виявлення об'єктів заданої структури; перетворення динамічних РЛЗ, в якості яких використовується множина функції , в набір локальних ознак (ЛО), що характеризують невеликі ділянки зображення; фільтрацію РЛЗ. У реальних умовах за наявності нестаціонарних завад часто знижується працездатність перерахованих методів, наприклад, застосування алгоритмів черезперіодної компенсації з накопичуванням не завжди приводить до бажаного результату. При вирішенні задач виявлення просторово-протяжних об'єктів на фоні нестаціонарних завад застосовують непараметричні багатокрокові процедури виявлення на основі поглинаючих ланцюгів Маркова, а моменти прийняття рішення про появу або закінчення ППО відносяться до початку або закінчення заданих комбінацій одиниць і нулів. Оскільки залежності між вимірюваними величинами, як правило, нелінійні й відомі приблизно, то при вирішенні обернених задач доцільно застосовувати алгоритми, основані на адаптивній обробці сигналів або з використанням нейронних мереж. На рис. 1 наведено приклад реальної радіолокаційної обстановки в районі “Російської коси” Дніпро-Бузького лиману з роздільною здатністю за дальністю 15 м, при цьому на один елемент роздільної здатності припадає два дискретних значення РЛЗ.

Другий розділ присвячений розробці оптимальних і квазіоптимальних алгоритмів оцінки параметрів сигналу з урахуванням просторової протяжності об'єкта.

Спочатку розглянуто задачу оцінки комплексного коефіцієнта розсіювання  ППО, вирішення якої дозволяє знайти координати радіолокаційного центра ППО  і його зовнішніх розмірів , які визначаються за допомогою виразів

, (2)

де

 – (3)

оптимальна оцінка ;  – просторова функція невизначеності;  – обвідна одиничного сигналу, що відповідає амплітуді поля, розсіяного елементом  за умови , залежить від форми зондувального сигналу й від геометрії задачі.

Ці оцінки не враховують реального навколишнього середовища, пов’язаного з можливою наявністю інших ППО (наприклад, декількох суден, що рухаються в безпосередній близькості від досліджуваного об'єкта), наявністю морської поверхні, гідрометеорів.

На основі запропонованого підходу вирішені задачі оптимальних оцінок параметрів просторово-протяжних об'єктів і поверхонь для тих випадків, коли: а) моделі поверхонь і моделі сигналів функціонально задані своїми математичними зв’язками щодо всіх невідомих параметрів об'єктів; б) моделі задані з точністю до невідомих несуттєвих параметрів (інтенсивності й фази) із заданим їхнім імовірнісним розподілом; в) корисні сигнали є випадковими процесами.

Оптимальний алгоритм оцінки комплексного коефіцієнта розсіювання отримано в рамках методу максимальної правдоподібності з умови максимуму функціонала правдоподібності з урахуванням додаткової апріорної інформації про просторову протяжність об'єкта. Вирішення задачі на умовний екстремум зводиться до рішення задачі на безумовний екстремум, поставленої для функціонала

, (4)

де

(5)

 – (6)

функціонал правдоподібності;  – штрафна функція, що враховує апріорну інформацію, задану у вигляді рівностей або нерівностей (регуляризуючий додаток); – вектор параметрів; – множники Лагранжа;  – спектральна щільність потужності білого шуму.

При пошуку екстремуму функціонала (4) необхідно мінімізувати функціонал  за функцією , за множниками Лагранжа , за координатою радіолокаційного центру об'єкта  та за протяжністю об'єкта :

(7)

Протяжність розподіленого об'єкта враховується такою умовою: відношення квадрата дисперсії вхідного сигналу за відсутності сигналу від об’єкта на передбачуваній ділянці протяжності до суми квадратів дисперсії вхідного сигналу без  менше одиниці.

Просторова протяжність об’єкта враховується введенням штрафного функціонала  виду

 , (8)

де  – функція материнського вейвлета, яка може бути обрана з наступних: Haar, MHAT, Morlet.

Оптимальна оцінка комплексного коефіцієнта розсіювання визначається вирішенням зворотної задачі , а рішення оптимізаційної задачі по методу максимуму апостеріорної щільності ймовірності оцінки параметрів  має вигляд

. (9)

Отже, при обробці ехо-сигналів, відбитих від ППО, необхідно виконувати такі три основні операції: 1 – узгоджену просторово-часову обробку сигналу; 2 – порогову обробку радіолокаційних сигналів (показано, що доцільно використовувати вейвлет-перетворювания, що дозволяють виявити структуру й розробити основні підходи при вирішенні задач локалізації розподіленого об'єкта); 3 – формування метрики об'єкта (оцінка радіолокаційного центра і зовнішніх розмірів об'єкта).

На основі отриманих у другому розділі результатів запропонована структурна схема обробки сигналу, відбитого від ППО на фоні нестаціонарних завад (рис. 2).

У третьому розділі наведені результати моделювання процесу виявлення і оцінки координат просторово-протяжних об'єктів на фоні відбиттів від випадкових неоднорідних поверхонь. Проведено моделювання процесу оцінки питомих ЕПР поверхні та просторово-протяжного об'єкта.

Прийнятий сигнал  має стохастичний характер, де – мультиплікативна завада . Амплітуда сигналу, відбитого від неоднорідної поверхні, змінюється випадково, зображення такої поверхні відтворює залежність від просторових координат  питомої ЕПР  і має спекл-структуру (рис. 3, а). Спекл-структуру зображення часто називають мультиплікативною завадою. Таку ж структуру мають і зображення ППО.

Сигнал, відбитий від морської поверхні та гідрометеорів, має вигляд

, (10)

де  – коефіцієнт, що враховує діаграму спрямованості антени, на i огляді.

При моделюванні передбачалося, що поверхня складається із сукупності незалежних відбивачів із випадковими коефіцієнтами відбиття, розміри відбивачів значно менше розміру елемента роздільної здатності РЛС.

Кореляційна функція суми незалежних випадкових процесів  у моменти часу  й , де  – внутрішній шум, має вигляд

. (11)

Зображення поверхні ППО за наявності адитивної завади  показано на рис. 3, б.

Кореляційна функція пасивних завад та адитивного шуму відповідно визначаються виразами

,  (12)

. (13)

Результат погодженої обробки прийнятого РЛЗ відповідно до алгоритму (рис. 2) за наявності заважаючих відбиттів від морської поверхні наведено на рис. 4 - 5.

На етапі первинної обробки здійснюється узгоджена фільтрація прийнятого сигналу з наступним формуванням модуля  або квадрата модуля  вихідного ефекту узгодженого фільтра

. (14)

На етапі вторинної обробки здійснюється згладжування РЛЗ таким способами: підсумовування незалежних РЛЗ, вінерівська і калманівська фільтрація, гомоморфне перетворення РЛЗ, геометрична і локальна фільтрація. Перераховані способи мають істотні недоліки: погіршення просторової роздільної здатності РЛЗ, розмиття границь областей зображення з різною ЕПР. Поділ на первинну й вторинну обробку приводить до часткової оптимізації всієї процедури обробки сигналу. При цьому не враховуються локальні особливості нестаціонарних сигналів, відбитих від складних просторово-протяжних об'єктів.

Особливістю розробленого алгоритму (рис. 2) є те, що в ньому оптимізаційна задача обробки радіолокаційних сигналів вирішена без розбивання на етапи первинної й вторинної обробки.

За результатами статистичного моделювання процесів формування й інтерпретації РЛЗ встановлено, що застосування розроблених оптимальних алгоритмів обробки сигналів з їх адаптивним вибілюванням і врахуванням апріорної інформації при первинній обробці підвищує ймовірнісні  й точністні характеристики подальшої інтерпретації радіолокаційних зображень. Зокрема, використання цього алгоритму дозволяє з більшою точністю локалізувати об'єкти й визначити їхнє просторове положення.

Четвертий розділ присвячений порівнянню методів визначення координат радіолокаційного центру просторово-протяжного об'єкта. При визначенні місцезнаходження протяжних об'єктів можливими джерелами помилок є кінцеві розміри реальних об'єктів.

Дослідженню підлягали: емпіричний алгоритм розрахунку визначення потокових радіолокаційних координат горизонтальних перетинів функції невизначеності корисних ехо-сигналів – метод “Кінбурн”, застосовуваний в АІОС навігаційного комплексу “Лиман” ДП “Дельта-лоцман”; метод моментів (ММ); метод моментів з ваговими коефіцієнтами (А-Ж); метод найменших квадратів (МНК).

В основу визначення центру сигнальної групи радіолокаційних сигналів, відбитих від просторово-протяжного об'єкта, покладено перший момент, що визначає центр ваги фігури, яка обмежена функцією  в декартовій системі координат. Координати центру ваги визначаються співвідношеннями

, (15)

де  – вагові функції.

Методи порівнювали за критеріями: мінімуму середнього зсуву знайденого радіолокаційного центру просторово-протяжного об'єкта від центру каналу та мінімуму середньоквадратичного відхилення від центру каналу. Обґрунтування вибраних критеріїв базується на таких положеннях:

-          ехо-сигнал від частини судна найменш віддаленої від РЛС формується шляхом безпосереднього зворотного розсіювання зондувального сигналу на найближчих до спостерігача провідних елементах конструкції судна; морські об’єкти мають значні геометричні розміри (довжина 120...230 м, ширина 20...50 м), ширина каналу (фарватеру) становить приблизно 100 м, а на деяких ділянках звужується;

-          вибір другого критерію мотивується інерцією судна з великою водотоннажністю, тобто судно не може за малий проміжок часу швидко змінити своє розташування в просторі.

Порівняння методів проводилося в районі “Російської коси”, досліджуваний об'єкт – корабель “Kyklades_K”, напрямок руху – Миколаїв-море.

Координати визначення місцезнаходження радіолокаційного центру просторово-протяжного об'єкта методом моментів без вагових функцій та методу найменших квадратів не задовольняють обраним критеріям: мінімуму математичного сподівання  та мінімуму середньоквадратичного відхилення . При незначній зміні сигнальної групи координати радіолокаційного центру різко змінюються. Відхилення радіолокаційного центру від центру каналу становить приблизно один елемент роздільної здатності за дальністю.

Порівнюючи отримані результати (рис. 7) по всьому каналу, можна зробити такі висновки:

-        координати радіолокаційного центру, які оцінені методом моментів, мають більший зсув відносно центру каналу порівняно з оцінками за методом “Кінбурн”; розкид зазначених оцінок має ідентичну тенденцію;

-        знайдено вагові коефіцієнти функцій, що дозволяють зменшити середньоквадратичне відхилення й математичне сподівання (метод моментів з вагою Д) у порівнянні з методом, яким застосовується у системі “Кінбурн”.

Аналіз результатів дозволяє констатувати, що в складних радіотехнічних умовах для координатного забезпечення проведення суден по вузьких фарватерах доцільно, поряд з оконтурюванням ППО, використовувати алгоритм (15)(15) з ваговими функціями , як фактор, який коректує помилки оцінювання радіолокаційного центру.

У п'ятому розділі розглянуто евристичні алгоритми селекції рухомих просторово-протяжних об'єктів на фоні нестаціонарних завад. Проблема побудови систем селекції ППО розглядається стосовно цифрових методів обробки сигналів.

Спочатку досліджується алгоритм, що ґрунтується на сегментації динамічних сцен на деяку сукупність областей. Вся область простору  розбивається на невеликі сегменти , а для кожного сегмента  складається вектор стану: координати центру ваги  сегмента :

, (16)

 – середньоквадратичне відхилення для .

Розміри сегмента вибираються таким чином, щоб вони перевищували геометричні розміри протяжного об'єкта.

Для рухомих об'єктів характерні такі ознаки (рис. 8): у випадку перетину об'єктом границі сегмента  центр ваги сегмента починає зміщатися, що відповідає зміні центру ваги сегмента від деякого стійкого положення; СКО перевищує деяке граничне значення. По мірі руху об’єкта в середині сегмента координати центру ваги описують спадаючу (або ж зростаючу) криву.

Для створення автоматичної системи спостереження за рухомими об'єктами придушення складної завади, зниження інтенсивності потоку даних – запропоновано метод селекції рухомих об'єктів, який ґрунтується на застосуванні міжперіодної обробки радіолокаційної інформації, структурна схема якого показана на рис. 9. На рис. 10 наведена структурна схема нейрона.

Критерій для ухвалення рішення про рух об'єкта в блоці ухвалення рішення здійснюється за таких умов:

–максимум кореляційної функції не менше 0,7;

-максимум кореляційної функції зміщується в одному напрямку (у напрямку руху судна) рис. 11;

–збільшення розмірів області, яку займає протяжний об'єкт у досліджуваний період часу.

Враховуючи те, що просторово-протяжний об'єкт має значні геометричні розміри, порівняні з елементом роздільної здатності за дальністю і азимутом, був запропонований евристичний алгоритм виявлення пачок двійково-квантованих сигналів, який ґрунтується на наявності  одиниць на  суміжних позиціях далекомірного каналу. Критерій фіксації початку пачки корисних сигналів є одночасно критерієм її виявлення. Кінець пачки фіксується за наявності серій із пропусків (нулів). Ширина сигнальної групи визначається шляхом перегляду суміжних азимутальних каналів за критерієм наявності корисних сигналів у сусідніх азимутальних каналах.

Запропонований алгоритм міжперіодної обробки радіолокаційної інформації дозволяє істотно знизити потік вхідних даних у блок обробки даних. Радіолокаційна система є багатоканальною, причому в кожному кроці спостереження аналізу піддається кілька каналів. Час, необхідний для послідовного огляду всіх каналів, виявляється досить великим, і тому циклічний огляд простору неприйнятний. Більшість каналів є «порожніми», тобто не містять корисних сигналів, і витрати на їхній огляд є марними. У зв'язку із цим доцільно застосовувати керування оглядом робочої зони, прагнучи скоротити час, що витрачається на зондування порожнього простору.

З метою подальшого розвитку процедур і структури інформаційної підсистеми вперше запропоновано при вирішенні оберненої задачі, використовувати елементи, які імітують принцип дії штучних нейронних мереж. Оскільки нейронні мережі забезпечують виконання швидкодіючих процедур паралельної обробки РЛЗ, ця суттєва властивість дозволяє синтезувати оптимальний склад технічних засобів для підвищення загальної швидкодії алгоритмів у процедурах оцінки параметрів сигналів на фоні нестаціонарних завад.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі на основі подальшого розвитку методів просторово-часової обробки радіолокаційних сигналів розроблено оптимальні й квазіоптимальні алгоритми оцінок комплексного коефіцієнта розсіювання та питомої ЕПР з урахуванням апріорної інформації про просторову довжину об'єкта на фоні нестаціонарних завад.

1.         На основі вирішення оптимізаційної задачі в рамках методів максимальної правдоподібності й максимуму апостеріорної щільності ймовірності синтезовані алгоритми оцінок комплексного коефіцієнта розсіювання й питомої ЕПР.

2.         Розглянуті функціонали правдоподібності на основі яких отримані системи нелінійних рівнянь, які зв’язують оцінювані параметри з вихідними сигналами оптимальних та квазіоптимальних фільтрів.

3.         Розроблено оптимальні та квазіоптимальні алгоритми оцінок параметрів та статистичних характеристик ППО. Основними складовими цих алгоритмів є операції узгодженої фільтрації приймаємих коливань, операції адаптивного вибілювання (декореляції) приймаємих сигналів як випадкових процесів, операція вейвлет аналізу динамічних сцен та операції рішення систем нелінійних рівнянь.

4.         Розроблені алгоритми рішення задачі виявлення та селекції ППО, яке засновано на використанні стохастичних моделей відбитого електромагнітного поля з їх наступним бінарним квантуванням та цифрової обробці.

5.         Розроблений метод і синтез алгоритмів погодженої цифрової обробки амплітуд радіолокаційних сигналів, відбитих від морських суден, дозволив з практичної точки зору підготувати застосування процедури виявлення й визначення місцезнаходження просторово-протяжних об'єктів у складних метеорологічних умовах. Використання вейвлет-перетворення дозволило скоротити обсяг обчислень.

6.         Проведене цифрове моделювання показало можливість практичної реалізації запропонованих алгоритмів безпосередньо в тракті аналого-цифрового перетворення системи “Лиман” у ДП “Дельта-лоцман”, м. Миколаїв.

7.         Аналіз реальних цифрових радіолокаційних зображень різних об'єктів показав, що спостерігаються протяжні далекомірні “хвости”, які у кілька разів перевищують поперечні розміри об'єктів за дальністю. Для зменшення впливу зміни форми ППО на оцінку радіолокаційного центру розроблені рекомендації з використання вагових коефіцієнтів і зрізаючих функцій, що дозволяють зменшити середньоквадратичне відхилення та математичне сподівання (метод моментів з вагою Д) у порівнянні з методом, який використовується у системі “Кінбурн”. При цьому зазначено, що застосування вузької вагової функції приводить до зниження зсуву радіолокаційного центру судна відносно центру каналу (РЛ центр наближається до бортової частини судна), але одночасно зростає вплив випадкової складової сигнальної групи (СКВ збільшується). Одержані результати підтверджується їх впровадженням в АІОС ДП “Дельта-лоцман”, м. Миколаїв.

8.         На основі отриманого в другому розділі оптимального алгоритму розроблено модель нейронної мережі. На базі функціонала (4) вона реалізує алгоритм розрахунку параметрів і дозволяє проводити адаптивне підстроювання своїх зв'язків при зміні параметрів сигналів і характеристик технічних систем.

СПИСОК ОСНОВНИХ ПУБЛІКАЦІЙ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

 

1.         Абрамов А.Д., Жеребятьев Д.П., Кравченко А.И., Печенин В.В., Шевцов В.Г. Алгоритм для определения координат центра тяжести протяженного объекта. // Вісник національного технічного університету “ХПІ”. – Харків: НТУ “ХПІ”. – 2002 – №20. – С. 83-86.

2.         Жеребятьев Д.П., Ксендзук А.В. Методы селекции движущихся пространственно протяженных целей. // Вестник Восточноукраинского национального университета имени Владимира Даля.- Луганск, Украина. – 2004 –№2 (72). – С. 61-65.

3.         Ксендзук А.В., Жеребятьев Д.П. Метод адаптивного обнаружения протяженных объектов на фоне мультипликативных помех // Вестник Восточноукраинского национального университета имени Владимира Даля.- Луганск, Украина. – № 12 (82), 2004. – C.125-129.

4.         Волосюк В.К., Жеребятьєв Д.П. Кравченко О.І., Ксендзук О. В. Синтез оптимальних алгоритмів оцінки параметрів зображень просторово-протяжних об’єктів та їх місцезнаходження. // Системи озброєння і військова техніка. – 2006. –№1(5). – С. 88-94.

5.         Жеребятьев Д.П. Алгоритм обнаружения пространственно-протяженного объекта на фоне подстилающей поверхности // Системи управління, навигації та зв’язку. – 2007. – Вип. 3. – С. 115-117.

6.         Горбуненко О.А., Жеребятьев Д.П., Ксендзук А.В. Алгоритм обнаружения движущихся протяженных объектов по данным некогерентной РЛС. Міжнародна науково-практична конференція “Інформаційні технології управління екологічною безпекою, ресурсами та заходами у надзвичайних ситуаціях”, сел. Рибаче, 8-11 вересня 2002 р. – C. 133-135.

7.         Волосюк Е.В., Жеребятьев Д.П., Ксендзук А.В. Статистические характеристики модели комплексного коэффициента отражения для реальных земных покровов. Міжнародна науково-практична конференція “Інформаційні технології управління екологічною безпекою, ресурсами та заходами у надзвичайних ситуаціях”, сел. Рибаче, 8-11 вересня 2002 р., С. 140-143.

8.         Барышев И.В., Абрамов А.Д, Печенин В.В., Волосюк В.К., Жеребятьев Д.П., Красников В.Н. Исследование возможностей улучшения технических характеристик и аттестация устройств радионавигационного обеспечения постов регулирования движения судов: Отчет о НИР (промежуточный) // ХАИ. – 501-5/2001; – Харьков, 2001. – 61 с.

9.         Барышев И.В., Абрамов А.Д, Печенин В.В., Волосюк В.К., Жеребятьев Д.П., Ксендзук А.В. Исследование возможностей улучшения технических характеристик и аттестация устройств радионавигационного обеспечения постов регулирования движения судов: Отчет о НИР (промежуточный) // ХАИ. – 501-5/2001; – Харьков, 2001. – 193 с.

10.      Барышев И.В., Абрамов А.Д, Печенин В.В., Волосюк В.К., Жеребятьев Д.П., Ксендзук А.В. Исследование возможностей улучшения технических характеристик и аттестация устройств радионавигационного обеспечения постов регулирования движения судов: Отчет о НИР (заключительный) // ХАИ. – 501-5/2001; – Харьков, 2001. – 53 с.

11.      Барышев И.В., Абрамов А.Д, Печенин В.В., Волосюк В.К., Жеребятьев Д.П., Исследование возможностей улучшения технических характеристик и аттестация устройств радионавигационного обеспечения постов регулирования движения судов: Отчет о НИР (промежуточный) // ХАИ. – 501-4/2002; – Харьков, 2002. – 30 с.

АНОТАЦІЯ

 

Жеребятьєв Д.П. Методи обробки динамічних сцен при впливі нестаціонарних завад у радіотехнічних системах супроводження надводних протяжних об'єктів. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.12.17 – радіотехнічні та телевізійні системи. – Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”, Харків, 2008.

Дисертація присвячена методам обробки радіолокаційних сигналів, розсіяних складними об'єктами, на фоні нестаціонарних просторово-часових завад з метою підвищення ефективності виявлення й оцінок статистичних характеристик просторово-протяжних об'єктів.

В роботі запропонований і досліджений метод оптимального оцінювання комплексного коефіцієнта розсіювання на фоні нестаціонарних завад з урахуванням просторової довжини об'єкта. Наведено рекомендації застосування вейвлет-перетворення при вирішенні завдань локалізації протяжних об'єктів в умовах складної динамічної радіолокаційної обстановки шляхом порівняльного аналізу коефіцієнтів деталізації і трешолдингу. Вперше отримані ефективні алгоритми обробки динамічних зображень в умовах параметричної апріорної невизначеності відносно електрофізичних та геометричних характеристик ППО. Одержав подальший розвиток метод оцінки координат просторово-протяжного об'єкта. Розроблені рекомендації застосування вагових коефіцієнтів і зрізаючих функцій для підвищення робасності запропонованого методу.

На основі розробленого методу локалізації просторово-протяжних об'єктів на фоні заважаючих відбиттів, від морської поверхні для функціонально-детермінованої і стохастичної моделей прийнятих сигналів запропонований алгоритм обробки динамічних зображень із використанням нейромережі.

Ключові слова: локалізація, просторово-протяжного об'єкт, вейвлет-перетворення, динамічні радіолокаційні зображення.

АННОТАЦИЯ

 

Жеребятьев Д.П. Методы обработки динамических сцен при воздействии нестационарных помех в радиотехнических системах сопровождения протяженных надводных объектов. – 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, 2008.

Диссертация посвящена методам обработки радиолокационных сигналов, рассеянных сложными объектами, на фоне нестационарных пространственно-временных помех с целью повышения эффективности обнаружения и оценок статистических характеристик пространственно-протяженных объектов.

Установлено, что существующие методы локализации пространственно-протяженных объектов не обеспечивают необходимую эффективность оценивания параметров объектов с учетом его протяженности и при наличии нестационарной помехи. Поэтому возникает необходимость в совершенствовании этих методов и адаптации разрабатываемых алгоритмов к реальным условиям работы.

Для этого в работе предложен и исследован метод оптимального оценивания комплексного коэффициента рассеяния на фоне нестационарных помех с учетом пространственной протяженности объекта. Приведены рекомендации применения вейвлет-пребразования при решении задач локализации протяженных объектов в условиях сложной динамической радиолокационной обстановки путем сравнительного анализа коэффициентов детализации и операции трешолдинга. В результате численного моделирования и обработки реальных данных проводки крупнотоннажных судов по Днепро-Бугскому лиману, впервые получены эффективные алгоритмы обработки динамических изображений в условиях параметрической априорной неопределенности относительно электрофизических и геометрических характеристик ППО.

Получил дальнейшее развитие метод оценки координат пространственно-протяженного объекта и разработаны рекомендации применения весовых коэффициентов и срезающих функций для повышения робастности предложенного метода.

На основе разработанного метода локализации пространственно-протяженных объектов на фоне мешающих отражений от подстилающей поверхности для функционально-детерминированной и стохастической моделей принимаемых сигналов предложен алгоритм обработки динамических сцен с использованием нейросети. Это позволило повысить быстродействие и помехоустойчивость разработанных алгоритмов и внедрить результаты в информационно-вычислительную систему навигационного комплекса “Лиман” ГП “Дельта-лоцман”, г. Николаев.

Ключевые слова: локализация, пространственно-протяженный объект, оптимальная обработка, нестационарные сигналы, вейвлет-преобразование, динамические радиолкационные сцены.

SUMMARY

 

Zherebyatyev D.P. Processing methods of dynamic scenes with non-stationary noise in radiotechnical tracking systems of extensive above-water object. – Manuscript.

Thesis for the degree of PhD of technical sciences in specialty 05.12.17 – radiotechnical and television systems. – National Aerospace University named after N.Ye. Zhukovsky “KhAI”, Kharkov, 2008.

Thesis is devoted to processing methods of the signals scattered from complex objects against non-stationary space-time noise on purpose enhanced detection efficiency and estimation of objects statistical characteristics. Existent extensive object localization methods do not provide necessary efficiency of object parameters estimation in case of its extension and presence of non-stationary noise.

Therefore it is necessary to improve this methods and their adaptation to actual operating modes.To perform this task optimal complex scattering coefficient estimation of extensive object against non-stationary noise method is proposed and investigated.

Usage of wavelet transformation in localization tasks of dynamic scenes with non-stationary noise in radiotechnical tracking systems of extensive above-water object is proposed. This method is based on approximation coefficient comparison and threshold and filtering of detailing coefficients. Novel dynamic scene processing algorithms for parametric a priory uncertainty as a result of numerical modeling based on real data for large-capacity vessel pilotage in Dnieper-Bug leman proposed.

Coordinates estimation method of the extensive objects enhanced, recommendation on weighting coefficients and patch function usage for robustness of derived methods proposed Binary dynamic scene processing algorithm with neural network usage proposed. This algorithm is based on derived localization method of extensive objects against clutter background for stochastic and functionally-determined input signal models which gives higher performance and stability of the proposed methods. Results were applied in data-processing system of navigation set Liman NE Delta-Lotsman, Nikolaev.

Keywords: extensive object, optimal signal processing, non-stationary, wavelet transformation.