Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги / Обнаружение, распознавание и пеленгация объектов в ближней локации

..pdf
Скачиваний:
15
Добавлен:
12.11.2023
Размер:
12.6 Mб
Скачать

В.К. Хохлов

Обнаружение,

распознавание

ипеленгация

объектов

в

локации

Рекомендовано Учебно-методическим объединением вузов по университетскому политехническому образованию в качестве учебного пособия для студентов

высших учебных заведений, обучающихся по специальности «Информационные системы и технологии»

направления подготовки дипломированных специалистов «Информационные системы»

Москва Издательство МГТУ имени Н.Э. Баумана

2005

УДК 623.454.254(075.8) ББК 32.95

Х862

Р ец ен зен т ы : д-ртехн. наук, профессор О.Н. Шелухин, д-р техн. наук, профессор Г.А. Андреев

Хохлов В.К.

Х862 Обнаружение, распознавание и пеленгация объектов в ближней локации: Учеб, пособие. — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. — 336 с.: ил.

ISBN 5-7038-2440-0

В учебном пособии изложены вопросы синтеза и анализа трактов принятия решений в автономных информационных системах ближ­ ней локации. Особое внимание уделено специфике систем ближней локации. Приведенные методики, теоретические и практические ре­ зультаты являются теоретической базой для проектирования нового класса регрессионных и нейросетевых систем принятия решений с рабочими характеристиками, инвариантными к неизмеряемым па­ раметрам сигналов, которые зависят от условий применения.

Содержание учебного пособия соответствует курсу лекций, ко­ торый автор читает в МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Для студентов старших курсов, изучающих дисциплину «Осно­ вы теории обработки сигналов», аспирантов, инженеров и научных работников, специализирующихся в области проектирования трак­ тов обработки сигналов автономных информационных систем ближней локации.

УДК 623.454.254(075.8) ББК 32.95

ISBN 5-7038-2440-0

© Хохлов В.К., 2005

© Издательства МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005

ПРЕДИСЛОВИЕ

Автономные информационные системы (АИС) ближней лока­ ции (БЛ) осуществляют обнаружение, распознавание и пеленга­ цию объектов, выдачу информации о параметрах их движения и координатах, которая используется для управления наиболее важ­ ными параметрами систем.

Такие системы применяются, например, для решения задач стыковки космических аппаратов и посадки их на планеты, десан­ тирования военной техники, освоения континентального шельфа, охраны объектов и границы, предотвращения столкновения транс­ портных средств, очувствления роботов, разработки перспектив­ ных систем вооружений и т.д. Специфика АИС БЛ состоит в том, что обнаружение, распознавание и пеленгация объектов осуществ­ ляются в них на фоне распределенных в пространстве помех на расстояниях, соизмеримых с размерами объектов при малом вре­ мени взаимодействия. Случайные сигналы и помехи в АИС БЛ имеют большой динамический диапазон амплитудных, частотных и временных характеристик и ярко выраженный нестационарный характер. Информативные параметры сигналов часто являются нецентрированными случайными величинами или процессами, для которых априорно неизвестны математические ожидания. В ближ­ ней локации получить оценки математических ожиданий по одной реализации сложно вследствие нестационарности процессов, огра­ ниченного объема выборки, а также высокого быстродействия та­ ких систем. В связи с отсутствием сведений о математических ожиданиях нецентрированных случайных параметров в АИС БЛ нет возможности применить известные корреляционные методы обработки сигналов.

Функционирование систем в условиях априорной неопреде­ ленности обусловило создание адаптивных, робастных и непара­ метрических АИС БЛ. Поэтому в учебном пособии излагаются основы теории нелинейных регрессионных и нейросетевых систем

обнаружения и распознавания случайных сигналов и пеленгации объектов на фоне распределенных в пространстве помех примени­ тельно к специфике АИС БЛ. Такие системы являются новым классом систем обработки сигналов. Они позволяют повысить по­ мехоустойчивость и быстродействие АИС БЛ и решить новые за­ дачи. Подготовка специалистов по проектированию перспективных АИС требует обобщения накопленного опыта в области разработ­ ки новых принципов построения систем. Этой цели и посвящено учебное пособие.

Автор выражает благодарность аспиранту Гулину Ю.Ю. за любезно предоставленные результаты сравнения методов выбора информативных признаков сигналов в системах ближней локации.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ

IIА|| — норма матрицы

С— матрица ковариационных моментов

С*(т)

— автоковариационная функция

С1к

— элемент матрицы ковариационных моментов

cond(A)

— стандартное число обусловленности матрицы А

С(0,0О)

— ненормированный множитель антенной решетки

detC

— определитель матрицы ковариационных моментов

D

— дисперсия

d

— шаг антенной решетки

Е«)

— огибающая процесса

К(в)

— нормированный множитель антенной решетки

fix)

— функция активации нейрона

/.

— верхняя частота (циклическая)

т

— функция направленности приемного элемента антенны

G(t, a.v,)

— координатный закон эффективного действия

GK(a.v/)

— эффективность при контактном взаимодействии

81

— линейная регрессия

Iix,y)

— функция потерь

В Д

— комплексный коэффициент передачи (частотная характе­

 

ристика)

К— матрица корреляционных (начальных) моментов

К— коэффициент регрессионного алгоритма

L

— раскрыв антенны (апертура)

Ш \

— коэффициент правдоподобия гипотезы о наличии на вхо­

 

де сигнала

Ml]

— оператор математического ожидания

Pn.r

— вероятность ложных тревог

PH

— вероятность надежной работы АИС

Pnp

— вероятность пропусков

P ОШ

— вероятность ошибки обнаружения

 

— вероятность эффективного действия

Pz

— мощность излучения

R

— средняя потеря, средний риск

*T)

— нормированная автокорреляционная функции

Ф )

— огибающая нормированной автокорреляционной функции

S J W

— спектральная плотность шума

So

— спектральная плотность полосового белого шума в поло­

 

се частот / = 0 .../в

S{со)

— энергетический спектр случайного процесса

S(yco)

— спектральная плотность непериодического сигнала

— метеорологическая дальность видимости

Т

— интервал наблюдения

trS

— след матрицы S

U(t)

— общая аналитическая зависимость процесса, реализация

 

процесса

С/пор

— пороговый уровень

fV(xlt...,xm) — m-мерная плотность распределения вероятностей случай­ ных величин JC|, xm

W{t) — плотность распределения моментов срабатывания t АИС при отсутствии пропуска объекта

w,k — весовые коэффициенты линейного нейрона yit) — реализация смеси сигнала и шума на входе

2(0 — реализация процесса на входе порогового устройства c t ) , а„ — паразитные параметры

а,

— угол падения волны от нормали к апертуре антенны

Р

— коэффициент начальной регрессии

о

— коэффициент центральной регрессии

Р

X, (Я )

— коэффициент перекрытия

Л/

— время запаздывания

Д(v /у )

— правило решения

Упор

— относительный порог

Х = С '

— матрица, обратная матрице ковариационных моментов

Л = К"1

— матрица, обратная матрице корреляционных моментов

X

— длина волны

Х„.т

— средняя частота ложных тревог

Хяя

— средняя частота потока совпадения

— математическое ожидание

— математическое ожидание длительности паузы потока

 

совпадений

0

— угол между нормалью к базе антенны и направлением на

 

объект

р— коэффициент отражения

а— среднеквадратическое значение

&— интеграл взаимной корреляции между принятым колеба­ нием и сигналом

Qt) и т}(/)

— реализации случайных сигналов

тн

— постоянная времени накопления

соо

— центральная частота (круговая)

<Dcp

частота среза (круговая)

©л

— частота Доплера

д <й

— ширина полосы частот

(ог

— среднеквадратическая частота флуктуаций

— 2

— 2

ЧГоы и Чоы — остаточные средние оценок случайных параметров для

 

сигнала и помехи соответственно

АИС

— автономная информационная система

АКФ

— автокорреляционная функция

АПС

— аналоговый преобразователь сигналов

АР

— антенная решетка

АРУ

— автоматическая регулировка усиления

АЦП

— аналого-цифровой преобразователь

БИ

— блок измерения

БЛ

— ближняя локация

БПР

— блок принятия решений

БПФ

— быстрое преобразование Фурье

БС

— блок согласования

ГК

— главная компонента

ДАЛЗ

— дискретно-аналоговая линия задержки

ДН

— диаграмма направленности

ДПС

— дискретный преобразователь сигналов

КМНР

— коэффициенты множественной начальной регрессии

КНР

— коэффициент начальной регрессии

КЦР

— коэффициент центральной регрессии

НС

— нейросеть

НФС

— нормированная функция селекции

ОУ

— операционный усилитель

ПАМ

— паразитная амплитудная модуляция

ПЗУ

— постоянное запоминающее устройство

ПУ

— приемное устройство

РДИ

— распределение длительностей интервалов

СБЛ

— система ближней локации

СНДФ

— совершенная нормальная дизъюнктивная форма

СПМ

— спектральная плотность мощности

СПР

— система принятия решений

УДЧ

— усилитель доплеровской частоты

ФАР

— фазированная антенная решетка

ФКМ

— фазово-кодовая модуляция

ФС

— функция селекции

ЦАП

— цифроаналоговый преобразователь

ЧМ

— частотная модуляция

ШИМ

— широтно-импульсная модуляция

1.СПЕЦИФИКА ПРОБЛЕМ АНАЛИЗА

ИСИНТЕЗА АЛГОРИТМОВ СИСТЕМ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ В БЛИЖНЕЙ ЛОКАЦИИ

1.1. Исходные данные для проектирования

Проектирование систем принятия решений (СПР) осуществля­ ется на основе сформулированных исходных данных. Совокуп­ ность D = {DU..., Dj} всех исходных данных можно разбить на следующие подгруппы.

Совокупность Y = { , . . . , Ym} условий.

Совокупность Os ={OsU...,Osp} ограничений на структуру и

параметры проектируемой системы.

Совокупность (вектор) К = {Кх,..., Кт } показателей качества

системы.

Совокупность Ok ={OkX,...,Okr) ограничений, накладывае­

мых на показатели качества.

К условиям работы системы относятся характеристики полез­ ных сообщений и сигналов, характеристики возможных помех, климатические условия и т.д.

Ограничения О, на структуру системы могут задавать класс систем обработки сигналов (например, класс линейных систем), в рамках которого отыскивается наилучшая система. Совокупность

О., содержит также ограничения на параметры системы,

эти ограничения могут быть типа равенств (х, = xj0), неравенств

(х, < XjmИЛИ Х,т < X, < Х,р), СВЯЗИ (Фу (х,,..., Х„) = 0) И Т.Д.

Вектор К = {Кь К2,...,К т} включает совокупность показателей качества системы, которые должны учитываться в процессе синтеза и анализа. По определению, показателем качества Kt {i = 1, /я) системы

является такая числовая характеристика системы, которая связана с ее качеством строго монотонной зависимостью — чем больше (меньше) значение Kt, тем лучше система при прочих равных условиях.

Показатели К( [i = 1, m) должны характеризовать систему с

различных сторон и учитывать такие характеристики, как стои­ мость, габариты, потребляемую энергию, точность, эффективность выполнения поставленной задачи и т.д.

Ограничения О*, накладываемые на значения показателей ка­ чества АТ,,..., Кт, могут быть типа равенств (К, =КЮ), нера­

венств (Kj < Kip, К, > 0) и связи (<£>j(Ku ...,Km) < 0). Система

(вариант построения системы), удовлетворяющая совокупности {Y,Of } исходных данных, называется допустимой. Система, удовлетворяющая всей совокупности D = {Y ,05,K ,0 A} исход­ ных данных, называется строго допустимой. В общем случае мо­ жет существовать некоторое множество строго допустимых систем.

Из всех строго допустимых систем оптимальной (наилучшей) считается та, которая обладает наилучшим (в заранее установленном смысле) значением вектора К показателей качества. Следовательно, для выбора оптимальной системы должен бьггь предварительно вы­ бран (обоснован) критерий предпочтения, т.е. правило, на основании которого одно значение вектора К следует считать лучше (хуже) дру­ гого его значения. Следовательно, задача синтеза может быть сфор­ мулирована следующим образом: найти такую систему, которая удовлетворяет совокупности {Y, К, Ок} исходных данных и об­

ладает при этом значением совокупности (вектора) показателей каче­ ства, наилучшим в смысле заранее выбранного критерия предпочте­ ния.

Синтез, проводимый с учетом нескольких показателей качест­ ва, т.е. на основе вектора К = {АГ,,..., Кт ] , называется векторным. Иногда векторный синтез называют векторной оптимизаций или многокритериальной оптимизацией.

Синтез системы (устройства) обычно включает решение сле­ дующих основных задач.

1. Синтез оптимальной структуры системы, т.е. отыскание оптимальных принципов построения системы (видов приемо­ передающих трактов, способов модуляции и демодуляции и т.д.).

г

2.Выбор оптимальных значений параметров системы (рабочей длины волны, мощности передатчика, чувствительности преемни­ ка и т.д.), который часто называется оптимизацией параметров.

3.Выбор оптимального варианта построения системы из ко­ нечного числа вполне определенных вариантов систем или дис­ кретный выбор системы, устройства.

Таким образом, синтез системы обычно включает синтез структуры (структурный синтез), оптимизацию параметров (пара­ метрический синтез) и дискретный выбор системы.

1.2. Постановка задачи принятия решений

Основной и наиболее важной проблемой при проектировании СПР является проблема помехоустойчивости, т.е. задача синтеза структур систем, осуществляющих обработку сигналов при нали­ чии помех наилучшим (в соответствии с заданным критерием) способом.

В соответствии с теорией статистических решений задачу отыскания оптимальных структур систем формулируют следую­ щим образом. На вход системы поступает смесь (не обязательно аддитивная) y{t) сигнала Uc(t) и шума Um(t), т.е.

у ( 0 = и с ( 0 ® и ш( 0

(здесь знак ® означает смесь сигнала и шума).

При аддитивных сигнале и шуме эта смесь является суммой:

у(1) = и е(1) + и ш(1).

При решении задачи в условиях априорной определенности плотности распределения вероятностей сигналов и помех извест­ ны. Если же плотности распределения вероятностей или некото­ рые их параметры неизвестны, будем говорить о задачах стати­ стического синтеза в условиях априорной неопределенности. Следует отметить, что при полном отсутствии априорных данных (т.е. когда о сигнале и помехах ничего неизвестно) решить задачу синтеза оптимальной системы невозможно. На практике всегда есть некоторые, пусть весьма ограниченные, данные, основанные на предыдущем опыте, интуиции или на физической трактовке задачи.