МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського
«Харківський авіаційний інститут»
ПАВЛІКОВ Володимир Володимирович
УДК 621.396.96+537.874.4
Вагова обробка сигналівізображень у радіотехнічних системахна основі атомарних функцій
05.12.17 – радіотехнічні та телевізійні системи
Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Харків – 2008
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана на кафедрі бойового застосування вузлів зв’язку та радіотехнічного забезпечення і бортових авіаційних комплексів Харківського університету повітряних сил імені Івана Кожедуба.
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
Леховицький Давід Ісаакович,
Харківський національний університет радіоелектроніки,
головний науковий співробітник науково-дослідного центру і інтегрованих інформаційних радіоелектронних систем і технологій;
кандидат фізико-математичних наук, старший науковий співробітник
Єфімов Валентин Борисович,
Центр радіофізичного зондування Землі
ім. А.І. Калмикова Національної Академії Наук України і Національного Космічного Агентства України,
завідуючий відділом систем та методів обробки інформації дистанційного зондування.
Захист відбудеться “18” квітня 2008 року о 1330 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради д 64.062.07 у Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського „ХАІ” (61070, м.Харків, вул. Чкалова, 17).
З дисертацією можна ознайомитись у науково-технічній бібліотеці Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського „ХАІ”.
Автореферат розісланий “ 03 ” березня 2008 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради В.В. Лукін
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. За останні роки роль радіотехнічних систем (РТС) у вирішенні різних наукових, народногосподарських і військових задач значно зросла. Це пов’язано, по-перше, з постійним удосконаленням цифрової елементної бази і цифрових алгоритмів обробки інформації, що дозволяє розв’язувати задачі завдання у реальному або близькому до реального часі, а по-друге, низкою переваг радіохвильового діапазону (наприклад, можливість отримувати якісні радіолокаційні зображення (РЛЗ) незалежно від метеоумов і часу доби, на великих віддаленнях, формувати РЛЗ підповерхневих шарів ґрунту і т. ін.).
У РТС при обробці просторово-часових сигналів широко застосовуються вагові функції (ВФ) (вікна). Так, до задач, при вирішенні яких необхідне їх використання, віднесено: просторово-часову обробку сигналів на фоні завад різного фізичного походження, спектральний аналіз радіотехнічних сигналів і випадкових процесів, цифрову обробку зображень у різноманітних радіотехнічних та оптико-електронних системах, формування заданих діаграм спрямованості (ДС) реальних і синтезованих антен.
У цей час запропоновано велику кількість ВФ. Їхнє практичне застосування зводиться до процесу, який включає у себе формування вимог до якісних показників систем і наступного вибору вікон шляхом аналізу існуючих таблиць ВФ з розрахованими параметрами. Однак ВФ, які використовують в алгоритмах сучасних РТС, найчастіше отримані без розв’язання оптимізаційних задач, і завдяки цьому їхні показники якості не є оптимальними. Це пов’язано з труднощами синтезу вікон із заданими параметрами.
Один із можливих напрямків підвищення якісних показників систем, що проаналізовані у дисертаційній роботі, є застосування в них ВФ. Тому аналіз алгоритмів обробки сигналів у РТС різноманітного призначення та розробка нових вікон із подальшим їх впровадженням у зазначені алгоритми для підвищення якісних показників РТС є актуальною задачею. Актуальною є розробка рекомендацій щодо вибору ВФ, які доцільно використовувати у РТС для вирішення задач спектрального аналізу радіотехнічних сигналів і випадкових процесів, в алгоритмах обробки просторово-часових сигналів у радіолокаційних станціях (РЛС) із синтезованою апертурою (РСА), у багатопроменевих РСА формування РЛЗ підповерхневих середовищ і системах міжперіодної компенсації пасивних завад, зокрема актуальними є дослідження підповерхневих льодових середовищ покривів Антарктиди.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження, результати яких подано в дисертаційній роботі, проводилися в межах наукових досліджень кафедри проектування радіоелектронних систем літальних апаратів Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського «ХАІ» згідно з планом науково-дослідної роботи з держбюджетної теми: Д 501-40/2006 “Методи і технології дистанційного дослідження поверхневих і підповерхневих середовищ з підвищеною проникною здатністю для радіохвиль” (№Д/Р 0106U001067), Центрального науково-дослідного інституту навігації і посадки (м. Київ) згідно з планом науково-дослідної роботи “Завадозахист”.
Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення якості вирішення задач спектрального аналізу і обробки просторово-часових сигналів і зображень у радіотехнічних системах, зокрема у РСА, системах підповерхневого картографування та міжперіодної компенсації пасивних завад шляхом застосування нових ВФ на основі атомарних функцій (АФ).
Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити такі задачі:
1. Проаналізувати роль і місце ВФ у задачах просторово-часової обробки сигналів і випадкових процесів у РТС. Розглянути властивості й особливості використання АФ як складових вікон.
2. Розробити нові ВФ з підвищеними показниками ефективності обробки сигналів у РТС.
3. Вирішити задачі гармонічного аналізу радіотехнічних сигналів та оцінок енергетичних спектрів випадкових сигналів у РТС з більш високими показниками якості на основі застосування нових запропонованих ВФ.
4. Підвищити ефективність просторово-часової обробки сигналів та якість формування зображень у РТС з класичним і модифікованим алгоритмами синтезування апертури за допомогою розроблених ВФ в алгоритмах обробки просторово-часових сигналів.
5. Підвищити ефективність заглушення завад і селекції підповерхневих шарів ґрунту у трикоординатних багатопроменевих РСА підповерхневого картографування завдяки введенню операції вагової обробки зондуючого сигналу (ЗС) та амплітудного розподілення (АР) поля в апертурі антени.
6. Підвищити якісні показники обробки сигналів у РЛС із селекцією рухомих цілей (СРЦ) шляхом упровадження нових ВФ.
7. Провести аналіз якісних показників вагової обробки сигналів на основі комп’ютерного моделювання.
Об’єктом дослідження є вагова обробка регулярних і випадкових процесів.
Предметом дослідження є вагова просторово-часова обробка й спектральний аналіз сигналів, випадкових процесів і радіолокаційних зображень у різних пристроях і радіотехнічних системах, зокрема системах поверхневого та підповерхневого картографування із синтезуванням апертури, систем захисту від пасивних завад за допомогою ВФ на основі АФ.
Методи дослідження. При виконанні дисертаційної роботи використані такі методи: теорії ймовірностей і випадкових процесів; оптимальної просторово-часової обробки сигналів на фоні некорельованих і корельованих завад; математичної статистики і теорії статистичних висновків; комп’ютерного статистичного моделювання і комп’ютерних експериментів, теорії АФ.
Наукова новизна отриманих результатів.
1. Уперше отримані ВФ на основі АФ із застосуванням операцій введення порогу і дробових степеневих перетворень.
2. Уперше отримані в роботі нові ВФ впроваджені в алгоритми обробки сигналів у РТС із синтезом апертури, що дозволило отримати більш високі показники якості формування РЛЗ підстильної поверхні.
3. Уперше обґрунтована доцільність застосування ВФ на основі АФ в алгоритмах обробки просторово-часових сигналів систем із модифікованим алгоритмом синтезування апертури, які дозволяють отримувати радіолокаційні зображення поверхні з більш високою роздільною здатністю і розширеним динамічним діапазоном.
4. Підвищено якісні показники вирішення задач підповерхневого картографування підстильних середовищ шляхом застосування вагової обробки розробленими вікнами ЗС і АР поля в апертурах антен трикоординатних радіолокаційних систем.
5. На основі нових запропонованих ВФ отримано рішення задач гармонічного аналізу сигналів та оцінки енергетичних спектрів випадкових сигналів з підвищеними показниками якості.
6. Підвищено якісні показники систем захисту від пасивних завад шляхом введення в алгоритми міжперіодної компенсації розроблених ВФ на основі АФ.
Практичне значення отриманих результатів. Практична цінність результатів досліджень, що подані у дисертаційній роботі, полягає в тому, що вони можуть бути використані при модернізації та розробці нових систем, у яких використовуються алгоритми спектрального аналізу і оптимальної просторово-часової обробки сигналів. Зокрема, у роботі обґрунтована доцільність використання отриманих результатів в алгоритмах синтезування апертури антени, картографування поверхневих і підповерхневих середовищ ґрунтів, селекції повітряних цілей на фоні завадових відбиттів із застосуванням методів синтезу апертури та міжперіодної компенсації пасивних завад різного походження.
Особистий внесок здобувача. Всі основні наукові положення, результати, висновки та рекомендації отримані автором самостійно. Роботи [5, 6] були опубліковані без співавторів. У публікаціях, написаних у співавторстві, здобувачем виконано: проведення аналізу залежностей роздільної здатності РСА від кутів нахилу ДС, розміру синтезованої апертури і виду ВФ, які застосовують як обвідну зондуючого сигналу та АР поля в апертурі реальної та синтезованої антен [1, 13, 16]; дослідження зміни величини роздільної здатності для радіолокаційних сигналів (у тому числі сигналів із шумом) з застосуванням вагової обробки [2, 7]; дослідження АФ і порівняння характеристик АФ з деякими класичними ВФ, вдосконалення методики створення нових вікон на основі АФ і створення нових вікон [4, 14, 15]; проведення непараметричного спектрального аналізу сигналу та аналіз похибок вимірювання частоти, спричинених застосуванням ВФ [3, 9]; теоретичне та математичне обґрунтування алгоритму формування тестових РЛЗ, удосконалення алгоритмів картографування поверхневих і підповерхневих шарів підстильної поверхні шляхом застосування вагової обробки сигналів трикоординатних РСА новими ВФ на основі АФ [8, 10]; розробка нових та удосконалення існуючих ковзних фільтрів з алгоритмами лінійної та нелінійної обробки даних на основі АФ, які використовують для вирішення задач фільтрації РЛЗ і проведення дослідження змін характерних участків тестових зображень [11, 17]; обґрунтування доцільності вагової обробки ЗС та АР поля в апертурі реальної та синтезованої антен при формуванні радіолокаційних зображень за допомогою класичного та модифікованого алгоритмів синтезування антен [12].