Оптимізація просторово-часової обробки сигналів у бістатичних системах з синтезуванням апертури антени

Размещено на http://www.allbest.ru

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ АЕРОКОСМІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМ. М.Є. ЖУКОВСЬКОГО

“ХАРКІВСЬКИЙ АВІАЦІЙНИЙ ІНСТИТУТ”

Євсєєв Ігор Анатолійович

УДК 621.396.97

ОПТИМІЗАЦІЯ ПРОСТОРОВО-ЧАСОВОЇ ОБРОБКИ СИГНАЛІВ В БІСТАТИЧНИХ СИСТЕМАХ З СИНТЕЗУВАННЯМ АПЕРТУРИ АНТЕНИ

05.07.12 - дистанційні аерокосмічні дослідження

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків - 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Харківському університеті Повітряних Сил Збройних Сил України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Волосюк Валерій Костянтинович, Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського, “Харківський авіаційний інститут”, кафедра “Проектування радіоелектронних систем літальних апаратів”, професор кафедри.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Замятін Вадим Іванович, Харківський університет Повітряних Сил, кафедра “Радіотехніки та антенно-фідерних пристроїв”, професор кафедри;

кандидат технічних наук Попов Анатолій Владиславович, Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”, кафедра “Виробництво радіоелектронних систем літальних апаратів”, доцент кафедри.

Провідна установа:

ВАТ “АТ Науково-дослідний інститут радіотехнічних вимірювань” Національного космічного агентства України, м. Харків.

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

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Лукін В.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

сигнал радіолокаційний апертура антена зображення

Актуальність теми. Одним із важливих факторів стійкого розвитку України є ряд взаємозалежних задач щодо використання природних ресурсів, захищеності від масштабних загроз техногенного та природного характеру, охорони навколишнього середовища. Світова практика свідчить про те, що найефективнішим засобом інформаційного забезпечення у разі вирішення даних проблем є аерокосмічні системи дистанційного зондування Землі (ДЗЗ). При цьому в різних технологіях ДЗЗ все більше застосовуються радіолокаційні системи із синтезованою апертурою антени (РСА). Однак у цей час якість радіолокаційних зображень (РЛЗ) у багатьох випадках не задовольняє користувачів.

Ефективність дослідження характеристик земної поверхні та процесів, що відбуваються на ній, за результатами дистанційного зондування Землі найчастіше може бути досягнута тільки при сумісній обробці даних, одержаних у різний час, різними знімальними системами, з різних аерокосмічних апаратів, у різних діапазонах.

Оперативне одержання даних у системі моніторингу можливе лише за умов функціонування космічних апаратів на стаціонарній орбіті чи при використанні угрупувань космічних апаратів. Залежно від розміру об'єктів спостереження і задач, що вирішуються, може бути достатнім використання апаратури ДЗЗ, що встановлюють на борту літака (вертольота) чи безпілотного літака з автоматичним керуванням.

Пріоритетним напрямком розвитку засобів ДЗЗ, відповідно до Національної космічної програми України на 2003-2007 рр., для задоволення потреб користувачів є створення постійно діючої системи аерокосмічного моніторингу, основою якої можуть стати багатопозиційні системи, що дозволяють суттєво підвищити оперативність отримання даних, інформативність РЛЗ та завадозахищеність системи для вирішення задач безпеки і оборони країни, а також інформації, необхідної для господарської діяльності, у тому числі - розв'язання наукових задач і комерційного використання на міжнародному ринку.

Розширення можливостей багатопозиційних РСА (БПРСА) визначається результатом сумісної обробки даних, які отримані окремими бістатичними парами. Одним із напрямків підвищення якості формування РЛЗ є оптимізація просторово-часової обробки траєкторних сигналів. При цьому шляхом незначного ускладнення апаратури і програмного забезпечення систем ДЗЗ можна досягти високої якості одержаної радіолокаційної інформації.

Таким чином, актуальними є задачі підвищення якісних показників функціонування бістатичних РСА, які є основою побудови БПРСА. У дисертаційній роботі пропонується вирішення цих задач шляхом оптимізації просторово-часової обробки траєкторних сигналів, використання безперервних шумоподібних сигналів (ШПС) і урахування стохастичного характеру відбитого від земної поверхні сигналу.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Автор проводив дослідження в 2002-2005 рр. у Харківському університеті Повітряних Сил на кафедрі “Авіаційних систем РЕБ та схемотехніки” відповідно до плану науково-дослідної роботи за темою Г501-39/03 “Високоефективні технології обробки вимірювальної інформації у супутникових радіонавігаційних мережах, радіотехнічних комплексах керування та засобах дистанційного дослідження і оцінювання параметрів природних середовищ земної поверхні з аерокосмічних носіїв”. Робота виконувалась у рамках координаційного плану “Наукові основи створення аерокосмічних технологій” Міністерства освіти і науки України. Автору належить розробка оптимальних алгоритмів обробки сигналів у бістатичних системах ДЗЗ аерокосмічного базування.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення ефективності формування зображень земної поверхні за рахунок використання бістатичних РСА як елементів багатопозиційних систем дистанційного зондування та оптимізації в них просторово-часової обробки прийнятих простих і складних шумоподібних сигналів.

Для досягнення цієї мети були поставлені і вирішені такі задачі:

1. Дослідження структури корисних сигналів, відбитих від земної поверхні, і визначення умов однозначності вимірів у бістатичних РСА.

2. Обґрунтування структури побудови когерентних каналів обробки сигналів у РСА з рознесеними передавальною і приймальною позиціями. Дослідження впливу дестабілізуючих факторів на якість формування РЛЗ шляхом моделювання просторових функцій невизначеності (ПФН).

3. Синтез алгоритмів оптимальної та квазіоптимальної обробки сигналів у бістатичних РСА для оцінок комплексних коефіцієнтів розсіювання поверхонь, як функцій просторових координат.

4. Обґрунтування можливості і принципів комплексування обробки сигналів при картографуванні поверхонь бістатичними РСА, шляхів підвищення якості РЛЗ і оцінок електрофізичних параметрів у БПРСА.

5. Порівняння якісних показників формування зображень у бістатичних РСА різними алгоритмами синтезування апертури шляхом статистичного моделювання. Дослідження відповідних функцій невизначеності (ФН) РСА.

6. Дослідження оптимальних алгоритмів побудови зображень у бістатичних РСА з використанням шумоподібних фазоманіпульованих (ФМ) сигналів при врахуванні стохастичного характеру прийнятого сигналу.

Об'єктом дослідження є багатопозиційні системи аерокосмічного базування дистанційного зондування природних середовищ.

Предметом дослідження є методи формування зображень у бістатичних РСА.

Методи дослідження. Під час проведення дисертаційного дослідження використано:

а) методи теорії випадкових процесів;

б) методи синтезу оптимальних систем на основі статистичної теорії оптимальних рішень та оцінок параметрів сигналів з використанням математичного апарату варіаційного числення;

в) методи комп'ютерного статистичного моделювання процесів обробки даних.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Вперше одержано та науково обґрунтовано моделі розсіяних сигналів (структури корисних сигналів), які враховують динаміку зміни взаємного розміщення, напрямків та швидкостей руху передавальних і приймальних позицій бістатичних РСА.

2. Вперше визначено умови однозначності вимірювань часу затримки та доплерівського зсуву частоти в бістатичній РСА зі складною геометрією руху її позицій базування.

3. Запропоновано новий метод забезпечення когерентного прийому в бістатичній РСА та досліджено вплив дестабілізуючих факторів на вихідний ефект системи.

4. Вперше, стосовно до бістатичних РСА, знайдено оптимальні та квазіоптимальні оцінки комплексного коефіцієнта розсіяння поверхні й питомої ефективної поверхні розсіяння (ПЕПР) як функцій просторових координат та обґрунтовано шляхи комплексування даних у БПРСА з метою підвищення якості формування РЛЗ земної поверхні й оцінок її електрофізичних параметрів.

5. У порівнянні з алгоритмами узгодженої фільтрації вперше оцінено ефективність обробки прийнятих ФМ-сигналів у багатопозиційних РСА як статистично нестаціонарних і неоднорідних стохастичних процесів за рахунок їх декореляції.

Для підтвердження теоретичних результатів у рамках роботи було проведено імітаційне статистичне моделювання процесів формування зображень бістатичними РСА. У ході імітаційного моделювання одержали підтвердження теоретичні висновки.

Практичне значення одержаних результатів:

1. Результати дослідження характеристик корисних сигналів у бістатичних РСА залежно від взаємного положення приймальних і передавальних елементів і векторів їх взаємних швидкостей дозволяють оптимізувати просторову конфігурацію таких систем, а також коректно вибрати частоти дискретизації сигналів і характеристики фільтрів у тракті обробки.

2. Запропонований варіант когерентного прийому може скласти основу побудови нових бістатичних РСА, а результати дослідження його роботи дозволяють дати можливість сформулювати вимоги до стабільності опорних генераторів, точності задавання координат приймальних і передавальних елементів, точності прив'язки у часі, які забезпечать необхідну якість формування РЛЗ.

3. Синтезовані оптимальні та квазіоптимальні алгоритми обробки сигналів дозволяють модернізувати існуючі системи формування РЛЗ земної поверхні та визначити створення нових, перспективних як бістатичних, так і багатопозиційних РСА.

4. Обґрунтовані можливості й принципи комплексування обробки сигналів при картографуванні поверхонь бістатичними РСА можуть бути використані для підвищення якості радіолокаційних зображень у багатопозиційних РСА.

Результати дисертаційної роботи впроваджені:

а) при розробці програмних виробів тематичної обробки інформації з КА “Січ-1М” у рамках створення інформаційно-аналітичної системи НКАУ НДВР “Моніторинг”, “Антикриз”, виконаних на підставі НКПУ на 2003-2007 рр.;

б) при виконанні НДР “Кедр”, “Сапсан” НДІ радіосистем, м. Житомир;

в) у навчальному процесі ХІ ВПС ім. І.М. Кожедуба.

Особистий внесок здобувача. Основні результати роботи отримані автором самостійно. За результатами дослідження опубліковано вісім робіт. Дві роботи написані особисто. В одній з них розглядаються питання синхронізації рознесених у просторі бортових передавача і приймача [1]. В іншій - виведені та проаналізовані основні геометричні співвідношення для БПРСА авіаційно-космічного базування, досліджена постійна складова часу затримки, що визначає зв'язок між перетином просторової функції невизначеності у далекомірній площині з функцією невизначеності сигналу, який випромінюється, за часом затримки [2].

У публікаціях, що були написані у співавторстві, здобувачем обґрунтовано принципову можливість і перспективність створення БПРСА з використанням в якості передавальних позицій навігаційних супутників типу GPS/ГЛОНАСС [3], досліджено доцільність використання шумоподібних сигналів у бістатичних РСА [4], розглянуто переваги БПРСА і отримано аналітичні вирази для алгоритмів комплексування вимірів комплексного коефіцієнта відбиття за умов його факторизації [5], запропоновано різні способи комплексування прийнятих просторово-часових полів, досліджено ефективність використання алгоритмів декореляції для вирішення задач виявлення об'єктів [6], розглянуто питання підвищення роздільної здатності при використанні ШПС з урахуванням стохастичного характеру відбитого сигналу, проведено дослідження ПФН при декореляції вхідних сигналів [7], розроблено оптимальні алгоритми оцінки комплексного коефіцієнта відбиття і питомої ефективної площі розсіювання у бістатичних РСА в рамках функціонально-детермінованих моделей поверхні [8].

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційних досліджень були представлені на таких конференціях: ІІІ міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми розробки і впровадження сучасних інформаційних технологій моніторингу навколишнього середовища та управління екологічною і інформаційною безпекою в регіонах” (Крим - 2004р.), міжнародній науково-технічній конференції “Інтегровані комп'ютерні технології в машинобудуванні ІКТМ 2004” (Харків, НАКУ “ХАІ”, 17-19 листопада 2004р.), четвертій міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми інформатики і моделювання” (Харків, НТУ “ХПІ”, 25-27 листопада 2004р.), першій науково-технічній конференції Харківського університету Повітряних Сил (Харків, ХУПС, 16-17 лютого 2005р.), 9-му міжнародному молодіжному форумі “Радіоелектроніка і молодь у ХХІ ст.” (Харків, ХНУРЕ, 19-21 квітня 2005р.).

Публікації. За результатами роботи опубліковано 14 наукових праць. Серед них - 8 у збірниках наукових праць, 6 тез доповідей на конференціях.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаної літератури з 78 найменуваннями та трьох додатків. Загальний обсяг роботи складає 144 сторінок, у тому числі 134 сторінки тексту, 56 рисунків, 2 таблиці.

ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ до дисертаційної роботи містить такі положення: актуальність теми; зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами; мету і задачі дослідження; наукову новизну одержаних результатів; обґрунтованість і достовірність наукових положень; практичне значення одержаних результатів; особистий внесок здобувача; інформацію про апробації та публікації.

У першому розділі дисертації проведено аналіз існуючих і перспективних радіолокаційних систем ДЗЗ. Показано, що дистанційне зондування Землі забезпечує можливості оперативного збору даних у глобальному масштабі з високим просторовим і часовим розділенням, що і визначає значні інформаційні можливості аерокосмічних систем, можливість їх господарського, наукового і військового застосування та потенційну економічну ефективність. Аерокосмічні знімки надають найточнішу і реальну інформацію про ситуації, які сталися. Однак за час сеансу орбітальних РСА (у межах від декількох днів до декількох тижнів) не забезпечується можливість вирішення задачі контролю керуванням руху, ліквідації наслідків надзвичайних ситуацій чи безпеки.

В останні роки одержали розвиток багатопозиційні РСА. Визначені перспективи використання таких систем, основні переваги яких полягають в одержанні високого розділення при всеракурсному спостереженні, можливості тривалого часу спостереження об'єкта, одержання тривимірних зображень, виявлення розсіяних сигналів із низькою інтенсивністю, високої завадозахищеності й живучості системи.

Показано, що підвищення можливостей БПРСА визначається результатом сумісної обробки даних, які отримані окремими бістатичними парами. Бістатичні РСА являють собою основу побудови багатопозиційних систем із синтезуванням апертури антени, а їх дослідження є основним змістом даної дисертаційної роботи.

Розвиток бістатичних і багатопозиційних систем дистанційного зондування припускає модифікацію алгоритмів обробки з метою забезпечення когерентного прийому в умовах рознесеного положення рухомих передавача і приймача. Розроблено алгоритм когерентної обробки сигналів у бістатичних РСА для довільних векторів стану k-го передавача й i-го приймача. При цьому пропонується використовувати модифікований опорний сигнал , для формування якого можна використовувати результат перемноження прямого сигналу на сигнал опорного генератора.

Використання докладних аналітичних виразів для моделей прямого і відбитого сигналів при формуванні опорного сигналу приводить до такого результату:

)

(1)

,

де - комплексний коефіцієнт відбиття елемента з вектором електрофізичних параметрів ; - коефіцієнт спотворення сигналу в середовищі поширення (атмосфері); - комплексна змінна, яка враховує діаграми спрямованості приймальної та передавальної позицій; - комплексна огинаюча сигналу; - несуча частота випромінюваного сигналу; , - час затримки сигналу у прямому каналі та у каналі відбитого сигналу.

Запропонований алгоритм обробки корисного сигналу та розроблена на його основі модель когерентного приймача дозволяє забезпечити когерентний режим і оцінити комплексний коефіцієнт відбиття поверхні з точністю до комплексної величини (з точністю до калібрування радіолокаційної системи)

.

Алгоритм дозволяє усунути первинні спотворення, пов'язані з нестабільністю і розбіжністю частот опорних генераторів. Крім того, усуваються амплітудно-фазові спотворення сигналу на трасі передавач-приймач при використанні приймально-передавальних позицій, розташованих на суттєво різних висотах.

Для верифікації можливості побудови приймального пристрою, що відповідає запропо-нованому алгоритму когерентного прийому періодичних сигналів із випадковими початковими фазами, було виконано моделювання процесів обробки прямого і відбитого сигналів.

Результати оптимальної обробки сигналів у бістатичній РСА при використанні стандартного та запропонованого алгоритмів обробки показані на рис.1.

На рисунку - комплексна огинаюча опорного сигналу без урахування поведінки початкової фази передавача; , - оцінки різниці фаз за результатами обробки сигналу у прямому каналі в дискретному і континуальному виді (фіксація різниці фаз на інтервалі повторення імпульсів); , - оцінки комплексного коефіцієнта відбиття (припускається його постійність на інтервалі синтезування апертури антени) з використанням прямого каналу оцінки фази та без його використання.

Для аналізу якості формування РЛЗ запропонованим алгоритмом виконано його дослідження за наявності різного роду дестабілізуючих факторів (неточностей визначення координат і швидкостей приймача і передавача, неконтрольованих змін траєкторії носіїв, змін частот опорних генераторів) шляхом моделювання просторових функцій невизначеності для бістатичної системи (рис. 2, 3). При цьому вважалося, що характер нестабільностей близький для передавача і приймача.

Суттєвий вплив на поведінку ПФН при “щільній” конфігурації елементів бістатичної РСА має похибка визначення часу затримки у прямому каналі. Для її зменшення за умови доцільно використовувати додаткові засоби визначення вектора стану і синхронізації шкал часу.

Дослідження впливу неконтрольованих змін траєкторії польоту приймально-передавальних позицій на якість формування РЛЗ виконувалося шляхом апроксимації прямолінійного руху нормальним випадковим процесом з наступним обчисленням відповідних ПФН (рис. 3).

Аналіз отриманих результатів показує, що похибка визначення часу затримки в каналі відбитого сигналу, які викликані нестабільністю траєкторії носіїв, неточністю визначення їх координат чи швидкостей, мають на оцінки комплексного коефіцієнта відбиття такий самий вплив, як і у випадку однопозиційної системи.

Похибка, зумовлена неточністю визначення часу затримки по прямому каналу, суттєва тільки у випадку близького розташування приймача і передавача, при виконанні умови .

У другому розділі аналізуються основні співвідношення, що описують функціонування бістатичних і БПРСА. Отримані аналітичні вирази, що визначають характер процесів полів на входах приймальних антен.

Модель прийнятого (корисного) сигналу в активних РСА має вигляд

.

Видно, що корисний сигнал суттєво залежить від діаграм спрямованості приймальних і передавальних антен , коефіцієнтів спотворення сигналу в середовищі поширення (атмосфері) , комплексного коефіцієнта відбиття і геометричних параметрів РСА (просторово-часових залежностей координат носіїв).

При дослідженні геометричних співвідношень у бістатичних і багатопозиційних системах показано, що час затримки , який визначає вид одиничного сигналу, може бути наведений у вигляді суми постійної та змінної складових

,

*де ,

.

Досліджено постійну складову загального часу затримки. Показано, що вона визначає зв'язок між перетином просторової функції невизначеності в далекомірній площині з функцією невизначеності випромінюваного сигналу за часом затримки. Вигляд просторової залежності необхідно враховувати при виборі зони огляду з метою виключення неоднозначності вимірів. Якщо слід приймальної діаграми спрямованості антени на поверхні орієнтований так, як указано на рис. 4 (зона сірого кольору), то функція невизначеності матиме два максимуми, що призведе до неоднозначності вимірів. Зсув області перетину діаграм спрямованості приймальної та передавальної антен чи використання передньобокового огляду усуває цей ефект.

Досліджено поведінку частоти Доплера сигналу, відбитого від елементів поверхні, як функції просторових координат

.

Зазначено, що вигляд проекцій ліній рівних доплерівських частот на поверхні визначається параметрами руху носіїв і суттєво відрізняється в ближній і дальній зонах, де вони апроксимуються кривими другого порядку і прямими, відповідно (рис. 5).

Просторово-часові залежності частоти Доплера доцільно використовувати при розрахунку смугових фільтрів у тракті обробки, виборі частоти дискретизації в цифрових і дискретних пристроях обробки, а також при виборі траєкторії руху носіїв для вирішенні задачі виявлення рухомих цілей.

Розглянуто особливості забезпечення однозначності вимірів у бістатичних РСА в далекомірній і азимутальній площинах. Показано, що в далекомірній площині для забезпечення однозначності вимірів у ряді випадків необхідно варіювати вид огляду чи взаємне положення носіїв. В азимутальній площині інтервал неоднозначності суттєво залежить не тільки від модулів векторів швидкості носіїв, але і від кута між цими векторами.

Наведено моделі рівнянь спостереження і відповідні ним функціонали щільності їмовірності процесів на входах приймальних антен, зокрема спрощення цих функціоналів для найбільш важливих випадків радіолокаційної зйомки.

Крім того, отриманий аналітичний вираз для визначення енергетичного відношення сигнал/завада в багатопозиційних РСА, що є одним з основних факторів, який визначає якісні показники системи, такі, як точність відновлення електрофізичних параметрів поверхні, їмовірні характеристики виявлення точкових і протяжних об'єктів і т.ін.

У третьому розділі дисертації наведені результати синтезу і дослідження оптимальних і квазіоптимальних алгоритмів просторово-часової обробки в моно-, бістатичних і багатопозиційних системах із синтезуванням апертури антени.

Для функціонально-детермінованих моделей поверхні оптимальний алгоритм обробки сигналів у бістатичних РСА знайдено з розв'язання варіаційного рівняння правдоподібності

.

Результат розв'язання рівняння з урахуванням алгоритму забезпечення когерентного прийому отримано у вигляді

,

де - оптимальний вихідний ефект у даній бістатичній парі;

- просторова функція невизначеності з урахуванням особливостей обробки прийнятих сигналів.

Для стохастичних моделей поверхні рішення отримано в рамках гауссівської апроксимації вхідного процесу за відсутності апріорних даних щодо оцінюваних параметрів. Основна увага приділена оцінці ПЕПР у бістатичній парі i-k:

,

де - просторова функція невизначеності даного алгоритму обробки; - оптимальний вихідний ефект системи; - енергія опорного сигналу .

Для багатопозиційних систем із синтезуванням апертури, в яких функціонал щільності їмовірності векторного процесу можна записати у вигляді

,

рішення було отримано в рамках моделі корисних сигналів, поданих у вигляді . Отримане в результаті оптимізації рішення

являє собою рівність результату спільної обробки (ліва частина рівняння) з оцінюваною просторовою функцією , згладженою модифікованою ПФН

.

визначається сумою функцій невизначеності по всіх бістатичних парах, що беруть участь у формуванні корисного сигналу .

Операції комплексування містять у собі операції декореляції вхідного процесу матрицею з наступною узгодженою фільтрацією з модифікованим опорним сигналом , що залежить від моделі поверхні.

Синтезовано квазіоптимальні алгоритми, які дозволяють виконати комплексування отриманих у багатопозиційній системі даних на етапі вторинної обробки. Вони враховують не тільки характер завадових впливів, але і моделі ПЕПР для даної конфігурації БПРСА.

Отримано аналітичні вирази для граничних значень похибок оцінок параметрів у бістатичних РСА. Показано, що оцінки є неспроможними і вимагають згладжування просторовими операторами, як таки можна використовувати різні просторові вікна.

Для числового визначення похибок формування РЛЗ у роботі було виконано статистичне моделювання. Показано, що використання багатопозиційних систем дозволяє зменшити похибки формування РЛЗ. Результат комплексування на рівні вторинної обробки дозволяє суттєво зменшити флуктуаційні завади (спекл-шум), що є основним джерелом похибок у РСА. Відмітна особливість БПРСА полягає у тому, що зменшення рівня спекл-шуму не приводить до збільшення динамічних похибок (погіршення роздільної здатності). Приклад радіолокаційних зображень, які отримані різними системами, показано на рис.6.

У четвертому розділі виконано дослідження особливостей застосування безперервних шумоподібних сигналів у бістатичних РСА.

Використання шумоподібних сигналів у радіолокаційних системах зондування дозволяє ефективно виконувати побудову радіолокаційних зображень при відношеннях сигнал/завада за потужністю набагато менших за одиницю, досягти високої завадозахищеності від вузькосмугових і широкосмугових завад, а також забезпечити високу енергетичну і структурну прихованість сигналу. Створення ансамблів широкосмугових сигналів, що мають мінімальні взаємокореляційні функції і ускладнення пристроїв обробки при використанні таких сигналів, є у даний час розв'язуваною задачею.

Розглянуто різні види псевдовипадкових послідовностей і отримано їх основні характеристики - автокореляційні функції, спектри та взаємокореляційні функції. У бістатичних РСА рекомендовано використовувати бінарні псевдовипадкові послідовності, модульовані по фазі, з низьким рівнем бокових пелюстків. У цьому випадку суттєво спрощується побудова приймальних пристроїв при збереженні високої якості оцінок.

Показано, що застосування шумоподібних сигналів у моно- і бістатичних РСА не призводить до погіршення характеристик оцінок і якості інтерпретації отриманих радіолокаційних зображень стосовно традиційно використовуваних сигналів. Приклад РЛЗ поверхні, отриманих у бістатичній РСА для випадків використання імпульсного та шумоподібного сигналів, показано на рис. 7.

У результаті аналітичного і числового дослідження показано, що просторові функції невизначеності бістатичних систем із синтезуванням апертури антени суттєво залежать від взаємного просторового положення і векторів швидкості елементів бістатичної РСА. Оцінити характер поведінки ПФН можна на основі дослідження ліній рівних дальностей і рівного доплерівського зсуву.

Виконано дослідження можливості й доцільності підвищення роздільної здатності бістатичних РСА при врахуванні нестаціонарного і стохастичного характеру відбитого від поверхні електромагнітного поля. Для цього проведено аналітичне дослідження ПФН при декореляції. Отримано розв'язок рівняння обернення в структурно-подібному вигляді

,

де - питома ефективна поверхня розсіяння; - квадрат модуля функції невизначеності; - енергія сигналу ; - спектральна щільність потужності адитивного шуму.

Запропоновано використовувати припущення про стаціонарність просторово-часових процесів, що дозволяє в спрощеному вигляді показати стиск функцій невизначеності при декореляції вхідних процесів:

,

де - перетворення Фур'є сигналу, відбитого від точки поверхні.

У рамках числового дослідження впливу врахування нестаціонарного характеру прийнятих полів на роздільну здатність було виконано статистичне моделювання. Проведено порівняння двох бістатичних РСА з різними видами випромінюваних сигналів (послідовність імпульсів і псевдовипадкова послідовність). Для систем формувалися прийняті часові процеси на входах антен і розраховувалися їх статистичні характеристики. Після цього проводилося безпосереднє обернення отриманої таким чином кореляційної матриці і виконувався розрахунок ПФН. Приклад, що показує зміну ПФН бістатичної РСА при використанні ШПС, показано на рис. 8.

У результаті статистичного моделювання показано збільшення роздільної здатності для шумоподібних сигналів при збільшенні відношення сигнал/завада. Для числового порівняння ступеня стиску імпульсного сигналу і ШПС була використана функція, що показує ступінь зменшення інтегрального значення модуля функції невизначеності

(рис. 9).

Моделювання показало, що результуючий коефіцієнт стиску біля точки максимуму ПФН для шумоподібного сигналу менше, ніж для імпульсного в 1,5-1,7 раза залежно від відношення сигнал/завада на вході РСА і виду моделюючої послідовності.

Проте коефіцієнт стиску функції невизначеності псевдовипадкової послідовності досить великий (в середньому 4 при відношенні сигнал/завада 25) для того, щоб використовувати алгоритми з декореляцією як засіб підвищення роздільної здатності у бістатичних РСА.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

1. Обґрунтовано структуру побудови когерентних каналів обробки сигналів у РСА з рознесеними в просторі передавальною і приймальною позиціями, які рухаються по різних траєкторіях. Для забезпечення когерентного режиму обробки запропоновано використовувати модифікований опорний сигнал, що являє собою результат перемноження прямого сигналу на сигнал опорного генератора. Це дозволяє забезпечити когерентну обробку навіть при випадковій внутрішньоімпульсній структурі випроміненого сигналу.

Досліджено вплив дестабілізуючих факторів на якість формування РЛЗ шляхом моделювання просторових функцій невизначеності. Показано, що похибки визначення часу затримки в каналі відбитого сигналу, які викликані нестабільністю траєкторії носіїв, неточністю визначення їх координат чи швидкостей, мають на оцінки комплексного коефіцієнта відбиття такий самий вплив, як і у випадку однопозиційної системи. Похибка визначення часу затримки по прямому каналу суттєва тільки у випадку близького розташування приймача і передавача.

2. Розглянуто особливості забезпечення однозначності вимірів у бістатичних РСА. Показано, що в далекомірній площині для забезпечення однозначності вимірів у ряді випадків необхідно варіювати вид огляду чи взаємне положення носіїв, в азимутальній площині інтервал неоднозначності суттєво залежить не тільки від величин векторів швидкості носіїв, але і від кута між цими векторами.

3. Синтезовано оптимальні алгоритми оцінки комплексного коефіцієнта відбиття і питомої ефективної поверхні розсіювання в бістатичних РСА. Ці алгоритми отримані для випадків апріорної невизначеності в рамках методу максимальної правдоподібності. Подальша обробка, як і в звичайних системах із синтезуванням апертури, припускає згладжування зображень різними вікнами з метою усунення спекл-структури.

4. Показано, що в рамках функціонально-детермінованих моделей поверхні основні операції при формуванні комплексних вихідних ефектів зводяться до узгодженої фільтрації з опорним сигналом у даній бістатичній парі. Результат обробки є квазіоптимальною оцінкою комплексного коефіцієнта відбиття.

5. Для стохастичних моделей поверхні оптимальні алгоритми обробки сигналів у бістатичних РСА отримані в рамках гауссівської апроксимації. Показано, що однією з основних операцій є адаптивне вибілювання (декореляція) прийнятого сигналу і його наступна узгоджена фільтрація.

6. Розроблено оптимальні алгоритми обробки сигналів у багатопозиційних системах для випадку стохастичних моделей відбитого від поверхні сигналу. Показано, що основними операціями в БПРСА є декореляція вхідних процесів як для одного, так і для різних каналів прийому і узгоджена фільтрація з опорним сигналом. Вид опорного сигналу залежить не тільки від характеристик спостереження, несучої частоти, діаграм спрямованості антен, але і від моделей поверхні та параметрів комплексування.

Запропоновано квазіоптимальні алгоритми, що дозволяють виконати комплексування отриманих у багатопозиційній системі даних на етапі вторинної обробки. Такі алгоритми повинні враховувати не тільки характер завадових впливів, але і моделі ПЕПР для даної конфігурації БПРСА.

7. Отримано аналітичні вирази для граничних значень похибок оцінок параметрів у РСА. Доведено, що оцінки є неспроможними і вимагають згладжування просторовими операторами. Як такі згладжуючі оператори можна використовувати різні просторові вікна.

8. У результаті моделювання показано, що використання багатопозиційних систем дозволяє зменшити похибки формування радіолокаційних зображень. Результат комплексування на рівні вторинної обробки дає можливість суттєво зменшити флуктуаційні завади (спекл-шум), що є основним джерелом похибок у РСА. Особливістю багатопозиційних систем є те, що зменшення рівня спекл-шума не призводить до збільшення динамічних похибок (погіршення роздільної здатності). За результатами числового визначення динамічних і флуктуаційних помилок показано, що багатопозиційні системи дозволяють одержати радіолокаційні зображення поверхні з більш високою точністю і роздільної здатністю стосовно однопозиційних і бістатичних РСА.

9. Для використання в бістатичних РСА рекомендовано бінарні псевдовипадкові послідовності з низьким рівнем бокових пелюстків, модульовані по фазі. При цьому суттєво спрощується побудова приймальних пристроїв при збереженні високої якості одержаних оцінок. Показано, що використання ШПС у радіолокаційних системах із синтезуванням апертури антени не приводить до спотворень оцінки комплексного коефіцієнта відбиття і питомої ефективної поверхні розсіювання стосовно до традиційно використовуваних сигналів.

10. Результати аналітичного дослідження показали, що ПФН бістатичних систем із синтезуванням апертури антени суттєво залежать від взаємного просторового положення і векторів швидкості елементів бістатичної РСА. Моделювання показало, що основні закономірності поведінки ПФН можна встановити шляхом аналізу ліній рівних дальностей і рівного доплерівського зсуву частоти.

11. Показано можливість підвищення роздільної здатності бістатичних РСА при урахуванні нестаціонарного і стохастичного характеру відбитого від поверхні сигналу. Результуючий коефіцієнт стиску біля точки максимуму ПФН для шумоподібного сигналу менше, ніж для імпульсного в 1,5-1,7 раза залежно від відношення сигнал/завада на вході РСА і виду послідовності. Проте коефіцієнт стиску функції невизначеності псевдовипадкової послідовності досить великий для того, щоб використовувати алгоритми з декореляциєю як засіб підвищення роздільної здатності.

Таким чином, використання шумоподібних сигналів при врахуванні стохастичного характеру прийнятого часового процесу дозволяє суттєво підвищити якісні показники функціонування бістатичних РСА.

СПИСОК РОБІТ, ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Роботи, які опубліковані в науково-технічних журналах і збірниках наукових праць:

1. Евсеев И.А. Временная и частотная синхронизация в двухпозиционных радиолокационных системах с синтезированием апертуры антенны // Радіоелектронні і комп'ютерні системи. - Харьков, ХАИ. - 2005. - №1. - С.20-27.

2. Евсеев И.А. Основные геометрические соотношения в многопозиционных радиолокационных системах с синтезированием апертуры антенны // Авиационно-космическая техника и технология. - Харьков, ХАИ. - 2005. - №1 (17). - С.60-66.

3. Волосюк В.К., Ксендзук А.В., Евсеев И.А. Многопозиционная РЛС с синтезированной апертурой // Радіоелектронні і комп'ютерні системи. - Харків, ХАІ. -2003. - Вип. 4. - С.74-78.

4. Ксендзук А.В., Евсеев И.А., Клевец С.И. Особенности применения шумоподобных сигналов в моностатических и бистатических РЛС // Системи обробки інформації. Збірник наукових праць. - Харків, ХВУ. - 2004. - Вип. 12 (40). - С.104-110.

5. Волосюк В.К., Ксендзук А.В., Евсеев И.А. Анализ возможностей многопозиционных РСА и комплексирование измерений // Вісник Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна. - 2004. - Вип.2, № 646. - С.124-131.

6. Ксендзук А.В., Евсеев И.А. Особенности обнаружения объектов в бистатических и многопозиционных рса // Авиационно-космическая техника и технология. - Харьков, ХАИ. - 2005. - №2 (18). - С.62-68.

7. Ксендзук А.В., Волосюк В.К., Евсеев И.А. Повышение разрешающей способности РСА при использовании шумоподобных сигналов с учетом стохастического характера отражающей поверхности // Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии: Сборник научных трудов. Вып. 26. - Харьков: Национальный аэрокосмический университет “ХАИ”. - 2005. - С.133-138.

8. Волосюк В.К., Ксендзук А.В., Евсеев И.А. Оптимальные алгоритмы построения радиолокационных изображений в бистатических радиолокационных системах с синтезированием апертуры // Збірник наукових праць Харківського університету Повітряних Сил. Випуск 1(1). - Харків. ХУ ПС. - 2005. - С. 59-64.

Роботи, які опубліковані за результатами науково-технічних конференцій:

9. Евсеев И.А. Мониторинг зарождения океанических вихрей с использованием технологий GPS // ІІІ міжнародна науково-практична конференція “Проблеми розробки і впровадження сучасних інформаційних технологій моніторингу навколишнього середовища та управління екологічною і інформаційною безпекою в регіонах”. Тези доповідей. - Київ - Харків - Крим, 2004. - С.156-158.

10. Евсеев И.А., Ксендзук А.В. Обработка широкополосных сигналов с малой спектральной плотностью мощности // Міжнародна науково-технічна конференція “Інтегровані комп'ютерні технології в машинобудуванні ІКТМ 2004” (Харків, 17-19 листопада 2004р.). Тези доповідей. - Харків: НАУ “ХАІ”, 2004. - С.282.

11. Евсеев И.А. Двух- и многопозиционные РСА. Возможности. Требования, предъявляемые к ним // Проблеми інформатики і моделювання. Матеріали четвертої міжнародної науково-технічної конференції (Харків, 25-27 листопада 2004 р.). Тези доповідей. - Харків, НТУ “ХПІ”, 2004. - С.25.

12. Евсеев И.А., Ксендзук А.В. Частотно-временная синхронизация в бистатических РСА // Проблеми інформатики і моделювання. Матеріали четвертої міжнародної науково-технічної конференції (Харків, 25-27 листопада 2004 р.). Тези доповідей. - Харків: НТУ “ХПІ”, 2004. - С.67.

13. Євсєєв І.А., Волосюк В.К. Функція невизначеності двохпозиційної радіолокаційної станції з синтезованою апертурою // Перша науково-технічна конференція Харківського університету Повітряних Сил, 16-17 лютого 2005 р. Тези доповідей. - Харків: ХУ ПС, 2005. - С.174.

14. Евсеев И.А. Синтез оптимальных алгоритмов картографирования земной поверхности и обнаружения целей бистатическими РСА // 9-й міжнародний молодіжний форум “Радіоелектроніка і молодь в ХХІ ст.” (19-21 квітня 2005р.): Зб. матеріалів форуму. - Харків: ХНУРЕ, 2005. - С.42.

Анотація

Євсєєв І.А. Оптимізація просторово-часової обробки сигналів у бістатичних системах з синтезуванням апертури антени. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.07.12 - дистанційні аерокосмічні дослідження. - Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”, Харків, 2005.

Дисертація присвячена підвищенню ефективності формування зображень земної поверхні за рахунок використання бістатичних РСА як елементів багатопозиційних систем дистанційного зондування та оптимізації в них просторово-часової обробки прийнятих простих та складних шумоподібних сигналів.

Обґрунтовано структуру побудови когерентних каналів обробки сигналів у РСА з рознесеними в просторі передавальною та приймальною позиціями, що рухаються по різних траєкторіях. Розглянуто особливості забезпечення однозначності вимірів у бістатичних РСА.

Виконано дослідження особливостей застосування безперервних шумоподібних сигналів у бістатичних РСА. Показано можливість підвищення роздільної здатності бістатичних РСА при врахуванні нестаціонарного і стохастичного характеру відбитого від поверхні електромагнітного поля.

Ключові слова: аерокосмічні дослідження, синтезування апертури антени, бістатичні та багатопозиційні системи, однозначність вимірів, синтез оптимальних і квазіоптимальних алгоритмів, безперервні шумоподібні сигнали.

АННОТАЦИЯ

Евсеев И.А. Оптимизация пространственно-временной обработки сигналов в бистатических системах с синтезированием апертуры антенны. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.07.12 - дистанционные аэрокосмические исследования. - Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского “Харьковский авиационный институт”, Харьков, 2005.

Диссертация посвящена повышению эффективности формирования изображений земной поверхности за счет использования бистатических РСА как элементов многопозиционных систем дистанционного зондирования и оптимизации в них пространственно-временной обработки принятых простых и сложных шумоподобных сигналов.

Обоснована структура построения когерентных каналов обработки сигналов в РСА с разнесенными в пространстве передающей и приемной позициями и движущимися по различным траекториям. Для обеспечения когерентного режима работы предложено использовать модифицированный опорный сигнал, представляющий собой результат перемножения прямого сигнала на сигнал опорного генератора. Это позволяет обеспечить когерентную обработку даже при случайной внутриимпульсной структуре излучаемого сигнала.

Исследовано влияние дестабилизирующих факторов на качество формирования РЛИ путем моделирования пространственных функций неопределенности.

Рассмотрены особенности обеспечения однозначности измерений в бистатических РСА. Показано, что в дальномерной плоскости для обеспечения однозначности измерений в ряде случаев необходимо варьировать вид обзора или взаимное положение носителей, в азимутальной плоскости интервал неоднозначности существенно зависит не только от величин векторов скорости носителей, но и от угла между этими векторами.

Получены оптимальные алгоритмы оценки комплексного коэффициента отражения и УЭПР в бистатических РСА. Эти алгоритмы получены для случаев априорной неопределенности в рамках метода максимального правдоподобия. Дальнейшая обработка предполагает сглаживание изображений различными окнами в целях устранения спекл-структуры.

Для стохастических моделей поверхности оптимальные алгоритмы обработки в бистатических РСА получены в рамках гауссовской аппроксимации. Показано, что одной из основных операций при обработке является адаптивное выбеливание (декорреляция) принимаемого сигнала и его последующая согласованная фильтрация.

Разработаны оптимальные алгоритмы обработки сигналов в многопозиционных системах для случая функционально-детерминированных моделей отраженного от поверхности сигнала. Предложены квазиоптимальные алгоритмы, позволяющие выполнить комплексирование полученных в многопозиционной системе данных на этапе вторичной обработки.

Получены аналитические выражения для предельных значений погрешностей оценок параметров в РСА. Установлено, что оценки являются несостоятельными и требуют сглаживания пространственными операторами.

В результате моделирования показано, что использование многопозиционных систем позволяет уменьшить ошибки формирования радиолокационных изображений. Комплексирование на уровне вторичной обработки дает возможность существенно уменьшить флуктуационные помехи (спекл-шум), причем уменьшение уровня спекл-шума не приводит к ухудшению разрешающей способности. Результаты численного определения динамических и флуктуационных ошибок показали, что многопозиционные системы позволяют получить радиолокационные изображения поверхности с более высокой точностью и разрешающей способностью по сравнению с однопозиционными и бистатическими РСА.

В бистатических РСА рекомендовано использовать бинарные псевдослучайные последовательности с низким уровнем боковых лепестков, модулированные по фазе. Это позволяет существенно упростить построение приемных устройств при сохранении высокого качества получаемых оценок. Показано, что использование ШПС в РСА не приводит к искажениям оценки комплексного коэффициента отражения и удельной эффективной поверхности рассеяния по сравнению с традиционно используемыми сигналами.

Показано, что вид ПФН бистатических систем с синтезированием апертуры антенны существенно зависит от взаимного пространственного положения и векторов скорости элементов бистатической РСА. Оценить характер поведения ПФН можно на основе исследования линий равных дальностей и равного доплеровского смещения частоты.

Выполнен анализ возможности повышения разрешающей способности бистатических РСА за счет учета нестационарного и стохастического характера отраженного от поверхности электромагнитного поля. С этой целью проведено аналитическое исследование пространственных функций неопределенности при декорреляции. Для качественного исследования предложено использовать предположение о стационарности пространственно-временных процессов, позволяющее в упрощенном виде показать сжатие ФН при декорреляции входных процессов.

В рамках численного исследования влияния учета нестационарного характера принимаемых процессов на разрешающую способность было выполнено статистическое моделирование. Показано увеличение разрешающей способности для шумоподобных сигналов при увеличении отношения сигнал/помеха.

Ключевые слова: аэрокосмические исследования, синтезирование апертуры антенны, бистатические и многопозиционные системы, синтез оптимальных алгоритмов, непрерывные шумоподобные сигналы.

SUMMARY

Evseev I.A. Space-time signal processing optimization in bistatic synthetic aperture radar. - Manuscript.

Philosophy doctor in engineering thesis, specialty 05.07.12 - remote aerospace researches. - National aerospace university after N.Ye. Zhukovski “Kharkov Aviation Institute”, Kharkov, Ukraine, 2005.

The thesis is devoted to increasing effectiveness of the surface imaging by using bistatic SAR as elements of the multiposition remote sensing system and by optimisation of the space-time processing.

SAR coherent processing signals channels structure creation with transmitter and receiver position spaced and move at own independent trajectories are approved. Unambiguity measurements peculiarities in bistatic SAR are considered.

Research of continuous pseudonoise signals in bistatic SAR usage peculiarities is carried out. The possibility of bistatic SAR resolution increasing taking into account non-stationary and stochastic character of electromagnetic field reflected from the surface is shown.

Keywords: aerospace researches, synthetic aperture radar, bistatic and multiposition systems, optimal algorithms synthesis, continuous pseudonoise signals.

Размещено на Allbest.ru