Совершенствование принципов построения и методов оценки характеристик радиотехнических систем ближнего действия

Размещено на http://www.allbest.ru/

Специальность: 05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Совершенствование принципов построения и методов оценки характеристик радиотехнических систем ближнего действия

Панычев Сергей Николаевич

Воронеж - 2009

Работа выполнена в Воронежском институте правительственной связи (филиале) Академии Федеральной службы охраны Российской Федерации

Научный консультант

доктор технических наук, профессор Авдеев Владимир Борисович

Официальные оппоненты:

член-корреспондент РАН доктор технических наук, профессор Борисов Василий Иванович;

доктор технических наук, профессор Кулешов Валентин Николаевич;

доктор технических наук, профессор Тупота Виктор Иванович

Ведущая организация Воронежский институт МВД России

Защита состоится " 26 " ноября 2009 г. в 1400 часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 212.037.10 ГОУВПО "Воронежский государственный технический университет" по адресу: 394026, г. Воронеж, Московский просп., 14.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУВПО "Воронежский государственный технический университет"

Ученый секретарь диссертационного совета Макаров О.Ю.

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Вопросы теории и практики создания радиосистем ближнего действия (РБД) в настоящее время выделились в самостоятельное научное направление. К РБД относятся системы извлечения информации (радиолокации, в том числе нелинейной, радионавигации), радиоуправления, передачи информации, технической защиты информации, радиоэлектронного подавления, измерительные комплексы и другие радио- и радиотехнические системы, комплексы и средства.

Усложнение перспективных РБД (обусловленное расширением круга решаемых задач, повышением требований к их надежности и качеству функционирования) вызывает увеличение объема измерительного контроля их параметров в процессе разработки, испытаний и эксплуатации. В настоящее время на этапе разработки РБД на измерение и контроль их параметров приходится до 50% трудозатрат, отводимых на изготовление опытного образца. В ряде случаев, например, при испытаниях РБД на эффективность и электромагнитную совместимость (ЭМС) эти трудозатраты еще выше. Кроме того, значительная часть номенклатуры РБД содержит информационно-измерительные устройства и поэтому требует соответствующего метрологического обеспечения, причем, разумеется, с учетом условий испытаний в ближней зоне.

Большой объем измерительных процедур в РБД приводит к снижению эффективности их функционирования; поэтому при выборе измеряемых параметров, назначении норм точности их измерений, определении состава и характеристик средств измерений, методик испытаний необходимо оценивать конечный результат метрологического обеспечения - увеличение (уменьшение) эффективности применения РБД.

Теория РБД развивается более 40 лет, и можно говорить о том, что уже сложились ее научные основы. В России в данном направлении велись исследования под руководством О.И. Шелухина, Н.С. Вернигорова, А.А. Горбачева, Л.Д. Бахраха, А.П. Курочкина, Г.Н. Щербакова, Д.В. Семенихиной, С.В. Ларцова, Б.М. Петрова, А.А. Потапова, Е.П. Чигина, Г.Д. Михайлова и др.

В последние годы состав РБД пополнился новыми средствами нелинейной радиолокации, связи, навигации, радиопротиводействия. Характерной особенностью этой техники является полезное применение ранее считавшихся вредными нелинейных эффектов, возникающих при излучении, приеме и рассеянии радиоволн в процессе передачи информации, определения координат объектов и постановки помех. Однако до настоящего времени нет единой теории, объединяющей принципы построения, алгоритмы функционирования и методы оценки эффективности этих радиотехнических средств и систем. В связи с этим стало актуальным развитие теории РБД в направлении учета нелинейных эффектов на качество их функционирования. Как показал анализ, значительная часть нелинейных РБД не удовлетворяет современным требованиям по эффективности, причем, в первую очередь, по дальности действия и по точности. Эта проблема обусловлена физическими особенностями нелинейных эффектов, возникающих при излучении, нелинейном рассеянии и приеме электромагнитных волн (ЭМВ). Так, увеличение мощностей зондирующих сигналов не приводит к существенному увеличению зоны действия РБД. При этом значительно снижается эффективность РБД из-за отрицательных последствий нелинейных эффектов, в частности, из-за создания помех окружающим РЭС.

Искомый радикальный подход, позволяющий выявить и обосновать принимаемые решения, основан на целенаправленном развитии общей теория РБД в указанном направлении. Новое направление развития теории включает поиск путей совершенствования принципов построения РБД, способов повышения эффективности их функционирования, а также обеспечения требуемого качества метрологического обеспечения.

Таким образом, между практическими потребностями в расширении области применения РБД и всесторонней оценки их показателей качества, с одной стороны, и существующими техническими и теоретическими возможностями оценки их показателей эффективности, с другой, существует глубокое противоречие. Устранение данного противоречия обусловливает актуальность диссертационной работы.

Работа выполнена в Воронежском институте правительственной связи (филиале) Академии Федеральной службы охраны Российской Федерации по плану НИР "Концепция - В".

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является развитие основ теории РБД в интересах разработки и обоснования перспективных направлений создания радиотехнических систем.

Достижение поставленной цели связано с необходимостью решения научной проблемы: изыскание и обоснование принципов построения РБД и совершенствование методик оценки их эффективности и метрологических показателей на основе выявления и изучения специфических особенностей взаимодействия ЭМВ с объектами с нелинейными электрическими свойствами. Проблема решается в интересах модернизации существующих и создания новых радиотехнических систем и средств различного назначения.

Фундаментальная часть проблемы заключается в развитии методических основ теории РБД в части комплексного обоснования принципов построения и алгоритмов функционирования нового класса РБД (использующего полезные свойства нелинейных эффектов), а также в части учета влияния качества метрологического обеспечения РБД на показатели их эффективности. радиотехнический измерительный нелинейный

Прикладная часть проблемы заключается в обосновании технического облика и потенциальных возможностей перспективных радиотехнических систем и устройств широкого класса - нелинейной радиолокации, радиосвязи, радиопеленгации, радиоэлектронного подавления, технической защиты информации, радиолокационных и антенных измерительных комплексов, а также комплексов для измерения параметров ЭМС РЭС.

Решение проблемы структурно состоит из следующих задач:

1. Поиск, теоретическое и экспериментальное обоснование принципов построения и алгоритмов функционирования перспективных РБД.

2. Синтез оптимальных структур и алгоритмов обнаружения, распознавания и измерения характеристик объектов с нелинейными электрическими свойствами в РБД.

3. Развитие основ информационно-энтропийной теории оптимального приема и обработки сигналов в РБД.

4. Разработка модели метрологического обеспечения РБД с использованием информационно-энтропийного метода оценки их эффективности.

5. Совершенствование (в направлении унификации) методического аппарата оценки погрешностей радиоизмерений в РБД.

6. Апробация принципов построения и методов оценки эффективности РБД в практике разработки и испытаний средств нелинейной радиолокации, радионавигации, радиосвязи, радиоэлектронного подавления и технической защиты информации.

Методы исследования. Исследования базируются на использовании методов статистической и информационной теорий измерений, булевой алгебры, теории интервального анализа, а также на моделировании и экспериментальных методах оценки эффективности устройств.

Научная новизна исследования в целом заключается в развитии теории РБД в направлении учета нелинейных эффектов, возникающих при излучении, приеме и рассеянии электромагнитных волн в РБД. Учтено влияние нелинейных эффектов на эффективность и метрологические характеристики РБД. Новизна частных результатов заключается:

в развитии принципов построения техники нелинейной радиолокации, радионавигации, радиосвязи, радиоподавления и защиты информации с улучшенными техническими характеристиками;

в разработке основ информационно-энтропийной теории приема и обработки радиосигналов в РБД, которая базируется на применении новых критериев качества приема и алгоритмов обработки сигналов, позволяющих повысить эффективность РБД;

в обосновании, аналитическом описании и применении обобщенного показателя эффективности функционирования РБД, отличающегося учетом влияния нелинейных эффектов при измерениях;

в расширении перечня частных показателей качества метрологического обеспечения РБД, что позволяет более полно и обоснованно оценивать их эффективность;

в разработке технического облика информационно-измерительных РБД, отличающихся улучшенными показателями точности и дальности действия;

в развитии теории РБД в направлении разработки оптимальных методов обработки информации в устройствах нелинейной радиолокации, измерительных комплексов и средств технической защиты информации;

в развитии методического аппарата комплексной оценки систематических и случайных погрешностей измерений характеристик излучений, приема и рассеяния электромагнитных волн в РБД;

в разработке новых методик измерений характеристик излучений и приема РБД, основанных на полезном использовании эффектов нелинейного и параметрического взаимодействия ЭМВ с объектами с нелинейными электрическими свойствами.

Совокупность новых научных результатов, выносимых на защиту:

1. Принципы построения РБД, основанные на использовании эффектов нелинейного параметрического резонанса, интермодуляции и перекрестных искажений в передатчиках РЭС, обеспечивающие увеличение зоны действия, повышение точности и возможность распознавания нелинейных объектов.

2. Способы и устройства измерения характеристик излучений и приема РБД, обеспечивающие повышенную точность измерения параметров ЭМВ в условиях ближней зоны и реализованные в антенных и радиолокационных измерительных комплексах, комплексах для измерения параметров ЭМС РЭС.

3. Методики оценки эффективности РБД с использованием новых критериев качества приема, устройств и алгоритмов оптимальной обработки широкополосных сигналов в РБД в условиях воздействия шумовых (аддитивных) и нелинейных (мультипликативных) помех.

4. Математическая модель метрологического обеспечения РБД, разработанная на основе информационно-статистической теории измерений и обеспечивающая объединение показателей точности измерений с показателями эффективности РБД.

Практическая значимость исследования, результаты реализации и внедрение результатов работы. Практическая значимость работы состоит в создании комплекса инструментальных средств в виде моделей, методов и методик, предназначенных для разработки широкого класса информационно-измерительных систем, а также для метрологического обеспечения испытаний РБД на эффективность и ЭМС.

Основные результаты диссертации реализованы и внедрены в виде аппаратуры и методик измерений характеристик РБД с помощью антенных и радиолокационных измерительных комплексов и подвижного экранированного комплекса ПЭК-3. Результаты диссертации реализованы также в учебном процессе Академии гражданской авиации РК (г. Алма-Ата), Военного авиационного инженерного университета (г. Воронеж), Воронежского института правительственной связи (филиала) Академии Федеральной службы охраны Российской Федерации и ГОУВПО "Воронежский государственный технический университет" в виде справочника по средствам измерения электромагнитных полей, учебных пособий, лекционных материалов, лабораторного оборудования. Результаты разработки новых принципов построения РБД реализованы в Государственном научно-исследовательском испытательном институте проблем технической защиты информации федеральной службы технического и экспортного контроля (НИИИ ПТЗИ ФСТЭК России) в ряде НИР.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на Международных, Всероссийских, межотраслевых и отраслевых НТК: Wroclaw EMC Symposium, Poland, 1996; Международном симпозиуме по ЭМС (СПб, 1993); Всесоюзных конференциях "Метрологическое обеспечение антенных измерений" (Ереван, 1987 и 1990); III Республиканской НТК "Методы и средства измерений в области ЭМС" (Винница, 1991); XXVII НТК "Теория и техника антенн" (Москва, 1994); Республиканской конференции "Современные научно-технические проблемы в авиации" (Алма-Ата, 1998); II Международной НТК "Физика и технические приложения волновых процессов" (Самара, 2003; Волгоград, 2004); XIII Международной НТК "Радиолокация, навигация, связь" (RLNC - 2007, Воронеж, 2007); Межвузовской НТК "Военная электроника: опыт использования и проблемы подготовки специалистов" (Воронеж, 2004), V Межведомственной НТК "Проблемные вопросы сбора, обработки и передачи информации в сложных радиотехнических системах" (Воронеж 2003), а также на конференциях в Таганрогском РТУ, МЭИ, ГОУ ВПО "Воронежский государственный технический университет".

Публикации. По результатам исследований и практических разработок опубликовано 65 научных работ, в том числе 42 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 3 монографии, 11 изобретений.

В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, личный научный вклад состоит в следующем: [15 - 19, 22 - 25, 30, 33, 42, 44 - 53, 65] автором предложены новые структурные схемы РБД и алгоритмы их функционирования; [12, 21, 28, 31, 54 - 56, 60, 62] обоснованы принципы построения РБД, основанные на полезном применении нелинейных эффектов в РЭС; [1, 3 - 5, 7 - 10, 11, 20, 23, 26, 28, 29, 37, 57, 58] дана оценка точности измерения дальности и других характеристик эффективности РБД; [2, 6, 36, 41] предложены новые информационно-вероятностные критерии для оценки качества приема сигналов в РБД; [13, 14, 37 - 39, 63 - 65] получены аналитические соотношения для оценки эффективности РБД и предложена новая математическая модель для аппроксимации проходных характеристик нелинейных антенн; [10 - 12, 27, 31, 33, 35] дан анализ тенденций развития методов и техники РБД.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения, списка использованных источников из 247 наименований. Основная часть работы изложена на 370 страницах, содержит 4 таблицы и 57 рисунков.

Основное содержание работы

Во введении обоснована научная актуальность темы, сформулирована цель и определены задачи исследований, научная новизна и значимость полученных теоретических результатов. Указаны выносимые на защиту научные положения и результаты, дана краткая аннотация по главам.

В первой главе работы проведен анализ существующего состояния теории и техники РБД, определено состояние проблемы метрологического обеспечения и оценки эффективности РБД.

Многообразие типов РБД диктует необходимость их классификации. В основу классификационных признаков положены принципы построения РБД. Отдельный перспективный класс техники представляют собой РБД, основанные на полезном применении нелинейных эффектов при излучении, рассеянии и приеме электромагнитных волн. К ним относятся нелинейные локационные и навигационные системы, средства создания мультипликативных радиопомех. Функционирование измерительных комплексов также сопряжено с многочисленными проявлениями нелинейных эффектов.

Анализ перспектив развития техники РБД показывает, что развитие техники РБД идет по пути: нелинейные узлы радиоэлектронной аппаратуры - нелинейные радиотехнические средства - нелинейные радиотехнические комплексы и системы.

Переход исследований в области нелинейной радиотехники в практическую сферу повышает актуальность совершенствования принципов построения нелинейных РБД с целью повышения их эффективности. Специфические особенности нелинейных РБД имеют следствием не только малую дальность их действия, но и несовершенство их метрологических характеристик. В этой связи актуальны задачи совершенствования эффективности и метрологических характеристик РБД. Для их решения обоснован обобщенный системный показатель качества метрологического обеспечения РБД, объединяющий взаимосвязанные частные показатели эффективности и точности.

Определена общая технологическая схема исследований: сформулированы задачи исследований, направленные на максимизацию системного показателя по критерию эффективность/точность с учетом ограничений на условия функционирования РБД.

Основным способом повышения качества РБД выбрана оптимальная обработка информации в их приемных трактах.

Вторая глава работы посвящена обоснованию технического облика нелинейных РБД, предназначенных для обнаружения и измерения характеристик объектов с нелинейными электрическими свойствами. Общие принципы построения РБД изложены в виде их структурных схем и алгоритмов функционирования, обеспечивающих максимизацию энергетического отношения сигнал / шум на выходе приемника. При этом впервые предложена оптимальная процедура различения шумоподобного сигнала на фоне шумов и помех на основе измерения моментных характеристик плотностей распределения вероятностей (ПРВ) сигналов и помех.

Структурные схемы и алгоритмы оптимальной обработки радиолокационной информации впервые разработаны применительно к задачам обнаружения и распознавания радиолокационных целей (РЛЦ) методами нелинейной радиолокации. Показано, что недостатки приема: слабый уровень нелинейных откликов от объекта с нелинейными свойствами на частотах гармоник или комбинационных частот зондирующих сигналов (ЗС) и наличие специфических (характерных только для нелинейной локации) помех компенсируются оптимизацией приемных структур РБД.

Математически алгоритм работы оптимального нелинейного фильтра описывается следующим образом.

Корреляционный интеграл на выходе первого интегратора двухканального приемного устройства, в отличие от традиционной процедуры корреляционной фильтрации, содержит не две, а три составляющих:

(1)

В модели (1) принимаемое колебание представляет собой аддитивную смесь собственных шумов приемника ; характерных для нелинейного обнаружения помех регулярного характера и принимаемого сигнала отклика . Параметр принимает значения 1 (цель есть) и 0 (цели нет).

В правой части уравнения (1) первый сомножитель во втором интеграле соответствует регулярной составляющей помехи , а второй сомножитель - опорному зондирующему колебанию.

Корреляционный интеграл второго (основного) интегратора оптимального фильтра также отличается наличием новой составляющей

(2)

Результирующий корреляционный интеграл

на выходе вычитающего устройства не содержит взаимно исключающих друг друга составляющих

и :

(3)

Сигнальная составляющая корреляционного интеграла определяется энергией принимаемого в аддитивной смеси полезного сигнала отклика от нелинейного элемента на частоте . Чем больше значение , тем выше вероятность правильного обнаружения цели при фиксированном значении вероятности ложной тревоги .

Итак, предложенный алгоритм оптимальной фильтрации отличается от известных схем радиолокационных приемников наличием специального дополнительного канала для вычитания постоянной составляющей корреляционного интеграла. Она соответствует количественному вкладу в смесь шум + помеха регулярной составляющей помехи. Вычитание этой составляющей в блоке вычитания приводит к увеличению энергетического отношения сигнал/(шум + помеха) на выходе оптимального фильтра за счет исключения регулярной компоненты из смеси сигнал + шум + помеха. При этом исключается специфическая (характерная только для нелинейной локации) помеха. Она обусловлена несовершенством развязки передатчика и приемника локатора (гармоники излучения ЗС воздействуют на приемник).

Таким образом, соотношения (1) - (3) описывают новый алгоритм оптимального обнаружения объекта с нелинейными свойствами.

Практическая реализация оптимальных структур нелинейного радиолокационного обнаружения и распознавания повышает эффективность нелинейных локаторов. Дальнейший поиск путей совершенствования нелинейных РБД привел к обоснованию и других алгоритмов и структур оптимального обнаружения нелинейных РЛЦ. Так, на основе анализа адекватных процессам обнаружения и измерения параметров РЛЦ моделей описания законов распределения сигналов и помех синтезирован ряд новых алгоритмов оптимальной обработки радиолокационной информации в РБД. При этом показано, что при низких уровнях отношения сигнал/(шум + фон + помеха) эффективны методы обработки сигналов при использовании информации о различии законов распределения сигналов и помех и о зависимости формы соответствующих ПРВ амплитуд от нелинейных свойств цели. В частности, впервые предложено использовать различие статистических характеристик нелинейной эффективной поверхности рассеяния (НЭПР) в качестве информационного признака для повышения эффективности распознавания и измерения параметров РЛЦ с нелинейными электрическими свойствами.

Показано, что увеличение относительного различия моментов ПРВ сигналов откликов от цели и фона можно использовать для увеличения вероятностей правильного обнаружения и распознавания флуктуирующей цели. При этом использование информации об отличии энтропий ПРВ фона и смеси сигнал + фон эквивалентно увеличению энергетического отношения сигнал/шум в известной процедуре приема.

Обоснована структурная схема оптимального обнаружителя, существенным отличием которого является применение в качестве зондирующего шумоподобного сигнала. В нем производится измерение и различение ПРВ ЗС и принятого сигнала отклика. В основу принципов построения обнаружителя положено свойство изменения формы ПРВ случайного сигнала при прохождении через нелинейную среду. Структурная схема обнаружителя приведена на рис. 1.

Разработанные алгоритмы обнаружения, распознавания и измерения параметров цели относятся к информационно-статистическому классу и основаны на пороговом различении законов распределения амплитуд ЗС и принимаемой от цели смеси "шумоподобный сигнал + помеха".

Реализация приема не на гармониках, а на основной частоте (как в линейной локации) позволяет значительно упростить процедуру оптимальной обработки сигнала в приемной части обнаружителя, увеличить отношение сигнал/шум, повысить точность измерения параметров и вероятность распознавания цели.

Ниже приводится алгоритм статистического выявления различий форм ПРВ смеси сигнал + фон + шум при наличии и отсутствии полезного сигнала в обрабатываемой смеси. ПРВ описывается выражением

,

(4)

где

-

энтропия закона распределения нелинейной ЭПР смеси сигнал+фон+шум;

-

энтропия ПРВ амплитуд фоновых и внешних влияний.

При вычислении или измерении энтропии ПРВ как моментной характеристики появляется дополнительная возможность снижения энергетического порога обнаружения. Энтропия ПРВ характеризует отличие формы ПРВ от Гауссовой формы.

Применение энтропийной процедуры различения обеспечивает обнаружение случайного сигнала на фоне помех, имеющих отличия в статистической структуре. Главное отличие новых алгоритмов оптимального обнаружения от известных состоит в различении сигнала на фоне помех с помощью критерия различия характеристик форм ПРВ смеси шум+помеха при наличии и отсутствии полезного сигнала.

Как следует из описания, новые алгоритмы обработки отличаются от известных структурной схемой обнаружителя (рис. 1), применяемым математическим аппаратом (1) - (3) и критерием оптимального обнаружения (4). Оптимальная фильтрация позволяет уменьшить вероятность ложной тревоги за счет применения более чувствительного энтропийного порога обнаружения. В этом случае возможно различение сигналов на фоне шумов и помех при отношениях сигнал/шум, меньших, чем при традиционном корреляционном приеме. Этот же методический подход применен к процедурам распознавания и измерения параметров сигналов в РБД.

Подробное описание новых алгоритмов оптимального обнаружения, распознавания и измерения характеристик сигналов и помех нелинейных РБД приведено в [6, 10, 15, 18, 19, 21, 36, 40, 41, 43, 59].

Таким образом, разработанные структуры и алгоритмы оптимального приема и обработки нелинейной радиолокационной информации являются теоретической основой для совершенствования средств и способов повышения эффективности и качества метрологического обеспечения РБД.

В третьей главе излагаются основы информационно-энтропийной теории оптимального приема и обработки сигналов в РБД. Путем анализа физической сущности энтропии случайного процесса (по К. Шеннону) предложен новый информационно-энтропийный критерий качества приема радиосигналов. Он основан на измерении и сравнении с пороговым значением одной из моментных характеристик ПРВ сигналов и помех. Основным отличием нового критерия от традиционного критерия отношения правдоподобия является замена энергетической процедуры оптимального приема на более общую информационно-энергетическую процедуру. Показано, что такой подход дает количественно доказуемые с помощью кривых обнаружения преимущества при обнаружении шумоподобных сигналов на фоне шумовых помех. На основании нового критерия качества приема радиосигналов обоснованы структурная схема устройства и алгоритм оптимального обнаружения радиосигнала со случайными параметрами на фоне шумов.

Показано, что новая информационная трактовка процессов оптимального обнаружения радиосигнала и оценивания его параметров по сравнению с традиционными статистическими подходами имеет преимущества, которые заключаются в следующем:

- информационный показатель качества приема имеет простой физический смысл и возможность количественной оценки путем измерения вероятностных характеристик сигналов;

- энтропийно-информационные показатели качества обнаружения и оценивания сигналов позволяют учитывать влияние формы закона распределения на качество оценивания;

- информационный подход к оптимизации качества приема обеспечивает извлечение дополнительной полезной информации, содержащейся в параметрах закона распределения оцениваемого параметра, что ведет к повышению точности оценок.

Качество обработки сигналов в РБД оценивается по критерию, основанному на определении отношения измеренных энтропий плотностей распределения вероятностей (ПРВ) существующей в канале помехи Hп (х) и смеси сигнал + помеха Hсп (х).

Энтропийный информационный критерий оптимального приема имеет вид:

. (5) (3.10)

Он является более универсальным, чем энергетический пороговый (основанный на вычислении корреляционного интеграла), поскольку дополнительно учитывает полезную информацию, содержащуюся в изменении формы закона распределения сигнала.

В (5) - - относительное количество информации, полученное в результате обработки смеси сигнала и шума (помехи);

, - соответственно, энтропии ПРВ и . По аналогии с корреляционным фильтром информационно-энтропийный фильтр позволяет оценивать законы распределения, но уже не корреляционного интеграла Z, а энтропии и через ПРВ соответствующих распределений:

. (6) (3.13)

Решение о наличии полезного сигнала в принимаемой и обрабатываемой смеси сигнал + шум (помеха) в общем случае принимается путем порогового сравнения ПРВ при наличии полезного сигнала в шумах и при его отсутствии (рис. 2). При этом пороговое сравнение производится в соответствии с критерием (5).

Результирующая энтропия смеси сигнал + шум (помеха) является смесью шумовой Hп(x) и сигнальной Hс(x) составляющих:

. (3.14)

Сами же значения энтропии так же, как и значения корреляционного интеграла, являются случайными величинами и подчиняются определенным законам распределения.

Наличие любой регулярной сигнальной составляющей в смеси сигнал + шум (помеха) приводит не только к изменению энергии процесса, но и к изменению формы ПРВ и тем самым способствует улучшению качества обнаружения сигнала на фоне помех с известным законом распределения амплитуд.

Таким образом, оптимальный в информационно-энергетическом смысле фильтр обеспечивает возможность наилучшего различения плотностей распределения вероятностей сигнально-помеховой смеси при наличии и отсутствии полезного сигнала и .

В [2, 6, 10, 18, 36, 40, 41, 59] показано, что важным резервом повышения качества приема и обработки сигналов на фоне помех является информационно-энтропийный подход. Он основан на учете различия статистических свойств сигналов и помех, а именно различия энтропий (форм) законов их распределения в процедуре различения (оценивания) параметров сигналов на фоне помех. Этот новый методический подход исследован экспериментально и на компьютерных моделях и применен для повышения качества обработки сигналов в приемных устройствах РБД. При этом прирост качества обработки сигналов оценивался количественно по увеличению вероятности правильного обнаружения сигнала на фоне шумов.

Рис. 2. Графическая интерпретация процедуры оптимального информационно- энтропийного приема сигналов

Такая фильтрация позволяет учесть количество получаемой при обработке сигналов и помех информации:

. (3.15)

Это достигается измерением ПРВ и , извлечением информации о форме ПРВ при переходе к энтропии ПРВ, заданием порога и учетом форм законов распределений и при определении вероятности правильного обнаружения D.

Структурная схема оптимального информационно-энтропийного фильтра, реализующего новый алгоритм обнаружения случайного сигнала, приведена на рис. 3.

Показано, что измерение ПРВ и их энтропий позволяет извлекать дополнительную полезную информацию, которая содержится в изменении параметров формы закона распределения сигнала при передаче сообщения. Существенным отличием такого фильтра от традиционного корреляционного является возможность обнаружения шумоподобных сигналов на фоне шумовых помех. Указанная возможность обеспечивается с помощью двухканального измерителя ПРВ и энтропии ПРВ. Возможность различения сигналов и помех обеспечивается с помощью простого цифрового устройства сравнения энтропий ПРВ принимаемой смеси сигнал + помеха и специально формируемой помехи.

Это преимущество фильтра реализовано в новом способе радиосвязи, основанном на нелинейной оптимальной обработке сигналов. Сущность способа заключается в передаче информации шумоподобным сигналом путем нелинейной модуляции закона распределения определенного параметра передаваемого сигнала. Данный способ позволяет упростить аппаратуру передатчика и приемника. Возможность практической реализация информационно-энтропийной процедуры приема и обработки сигналов показана на примере передачи информации в системе цифровой связи с нелинейным преобразованием шумовых посылок. Применение такой системы обеспечивает возможность передачи полезной информации без синхронизации передатчика и приемника.

В работах [2, 6, 10, 18, 21, 36, 40, 41] показано, что важным резервом повышения качества приема и обработки сигналов на фоне помех является информационно-энтропийный подход. Он основан на учете различия статистических свойств сигналов и помех, а именно различия энтропий (форм) законов их распределения в технологической процедуре различения или оценивания параметров сигналов на фоне помех.

В совокупности результаты теоретического обоснования информационно-энтропийного критерия качества приема радиосигналов, а также структурной схемы и алгоритма функционирования оптимального приемника позволяют сформулировать вывод о создании теоретических предпосылок к развитию теории оптимального приема радиосигналов в новом направлении. Показано, что информационно-энтропийный алгоритм приема и обработки сигналов является оптимальным не только в энергетическом, но и в информационном смысле, поскольку он позволяет максимизировать количество получаемой в результате оптимальной обработки сигналов информации.

Четвертая глава посвящена разработке принципов построения перспективных РБД. Одним из новых результатов, полученных при этом, является метод нелинейной фазовой радиодальнометрии. Сущность метода заключается в следующем. В РБД целесообразно использовать информацию о степени сферичности фазового фронта электромагнитной волны для определения дальности до излучающего объекта. Анализ задачи применительно к нелинейному радиодальномеру (НРД) приводит к простой модели оценки дальности

, (7)

где - линейный размер раскрыва апертуры антенны НРД;

- длина волны зондирующего сигнала НРД;

n - номер гармоники, на которой производится прием сигнала;

- разность фаз на краях антенны.

Дальномер реализует двухканальный прием сигналов на второй и третьей гармониках отклика от цели. Выходы обоих каналов после усилителя подключаются к фазовому детектору, напряжение на выходе которого пропорционально дальности.

Структурная схема нелинейного радиодальномера приведена на рис. 4.

Широкополосная приемная антенна одновременно принимает сигналы на 2-ой и 3-ей гармониках зондирующего сигнала fЗ. Дальнейшая обработка сигнала в приемном тракте производится на частоте 3fЗ. В приемном тракте вторая гармоника сигнала преобразуется в третью с помощью смесителя См. Для этого используется сигнал на частоте fЗ из передающего тракта. Напряжение на выходе фазового детектора пропорционально дальности, так как она в соответствии с (7) определяется разностью фаз на краях апертуры антенны.

Проведена оценка погрешностей определения дальности однопозиционным активным нелинейным фазовым радиолокационным дальномером. Исследовано влияние геометрического линейного размера антенны L НРД на точность отсчета дальности. Получены следующие соотношения для оценки абсолютных и относительных погрешностей измерений дальности по этому методу:

,

,

,

.

Кроме фазового метода, в нашей работе предложены новые методы нелинейной импульсной и частотной радиодальнометрии. Импульсная нелинейная дальнометрия впервые обеспечивает возможность определения угловых координат и дальности до источника радиоизлучения (ИРИ) однопозиционным методом. Метод основан на полезном использовании нелинейного эффекта перекрестной модуляции. Для его реализации на передатчик ИРИ воздействуют мощным импульсным зондирующим сигналом дальномера. Прием производят на частоте нелинейного искусственно навязанного отклика в спектре излучений передатчика ИРИ. За счет излучения в направлении ИРИ импульсного зондирующего сигнала на частоте и приема сигнала на частоте , дополнительно промодулированной импульсной последовательностью локатора, появляется возможность определения дальности до ИРИ по времени запаздывания принимаемого импульса относительно зондирующего.

Структурная схема устройства, реализующего новый метод нелинейной дальнометрии, приведена на рис. 5.

Нелинейный дальномер работает следующим образом. При обнаружении сигнала излучения ИРИ с помощью ориентируемой в пространстве широкополосной направленной приемопередающей антенны и широкополосного приемника в направлении ИРИ излучается импульсный сигнал. Промодулированный импульсной последовательностью вследствие эффекта перекрестной модуляции собственный сигнал излучения ИРИ на частоте принимается и обрабатывается в приемном тракте нелинейного дальномера. В результате обработки извлекается информация о дальности до ИРИ.

От известных импульсных линейных радиолокационных дальномеров устройство (рис. 5) отличается излучением зондирующего сигнала в направлении ИРИ на частоте, отличающейся от частоты собственного излучения ИРИ и обработкой принятого дополнительного промодулированного импульсной последовательностью сигнала ИРИ. Для определения времени задержки импульса относительно зондирующего выход генератора импульсов соединен со вторым входом двухлучевого осциллографа.

Метод прошел экспериментальную проверку и рекомендуется для измерения дальности до объектов, погруженных в неоднородную и непрозрачную для линейного локатора среду.

Разработаны принципы построения нелинейных РЛС, основанные на перспективном параметрическом методе локации. В работе предложен, промоделирован и экспериментально исследован метод локации способом создания в нелинейных и параметрических элементах режима параметрического усиления зондирующего сигнала. Двухчастотный зондирующий сигнал создает на элементах цели режим параметрического усиления колебаний путем преобразования "вверх". Обоснованы требования к параметрическому локатору, основным из которых является выбор частот зондирующего сигнала по правилу, максимизирующему мощность отклика на комбинационной частоте.

Показано, что уровень параметрического отклика от цели может регулироваться не только мощностью сигнала накачки, взаимной фазировкой частот зондирующего сигнала, но и применением частот, оптимальных для возбуждения параметрического резонанса в лоцируемой цели. Данный метод локации по сравнению с известным имеет важное преимущество: он пригоден для локации как нелинейных, так и параметрических рассеивателей и характеризуется повышенным уровнем отклика от цели за счет использования явления параметрического резонанса.

Наряду с методами и средствами радиодальнометрии в диссертационной работе проведена оценка точности метода нелинейной радиопеленгации. Применение метода позволяет повысить на 10-30% точность отсчета пеленга по максимуму диаграммы направленности. Прием сигнала от источника радиоизлучения (ИРИ) производится на частоте , т.е. на суммарной частоте зондирующего сигнала и сигнала излучения ИРИ. При этом появляется возможность уточнения пеленга за счет уменьшения ширины диаграммы направленности антенны пеленгатора на частоте по сравнению с частотой .

Исследованы соотношения между вкладами в результирующую погрешность пеленга отношения сигнал/шум и эффективного отношения . Показано, что погрешность отсчета пеленга определяется соотношением частот зондирующего сигнала и ИРИ и зависит от коэффициента интермодуляционного преобразования сигналов на нелинейных элементах передатчика ИРИ.

Таким образом, в совокупности изложенный в четвертой главе материал содержит описание новых технических предложений по принципам построения нелинейных РБД. Дано обоснование новых методов измерений в РБД и определена потенциальная точность каждого из методов.

Пятая глава посвящена разработке метрологического обеспечения РБД. К основным результатам относятся математическая модель метрологического обеспечения РБД и обоснование универсального показателя качества метрологического обеспечения. Существующая теория оценки погрешностей измерительных испытаний основана на классическом аппарате теории вероятностей и математической статистики и имеет следующие недостатки:

- применяемый для оценки точности измерений показатель: доверительный интервал основан на допущениях о детерминированном характере измеряемой величины и о постоянстве закона распределения погрешностей;

- используется допущение о неограниченности времени проведения измерений для обеспечения требуемой точности.

Показано, что преодолеть ограниченность традиционной модели измерений позволяет переход к информационным представлениям и вытекающим из них понятиям энтропии, количества и качества измерительной информации. Построение информационной модели испытаний РБД проведено в два этапа: на первом обоснован универсальный информационный показатель качества метрологического обеспечения и эффективности РБД, а на втором этапе предложены способы количественной оценки этого показателя. При этом использован математический аппарат теории принятия решений, интервального анализа и информационной теории измерений.

Поскольку фазовые состояния РБД характеризуются совокупностью оценок измеряемых величин, то комплекс методов и средств измерений, посредством которых осуществляется информационная связь с РБД, рассматривается как система информационного обеспечения РБД. С системных позиций решена задача уменьшения априорной неопределенности относительно фазовых состояний объекта исследований (метрологического обеспечения РБД).

Процесс определения состояния объекта исследований в работе представлен в виде последовательности операций преобразования первичной сигнальной информации в оценочные показатели искомых параметров РБД; при этом множеству возможных состояний объекта соответствует конечное множество измеряемых величин и процессов . Последние однозначно характеризуют состояние объекта:

.

В общем случае оцениваемый показатель эффективности объекта определяется некоторой композицией искомого значения оценочного параметра и погрешности его измерений:

, (8)

где - оператор обработки измерительной информации, зависящий от метода измерений и характера оцениваемого параметра;

- оператор, учитывающий влияние условий измерений.

В отличие от традиционной, данная постановка задачи оценки точности базируется на принципиально важном положении о том, что конечное значение оценки универсального показателя одновременно содержит количественную информацию как о качестве метрологического обеспечения, так и об эффективности РБД. Количественное значение универсального показателя качества (УПК) определяется путем выполнения оператора вида

, (9)

где - точечное значение функционала УПК;

- лебегова мера на множестве для множеств и . Содержание множества заключается в совокупности оценок оцениваемого параметра, полученных в реальной системе, тогда как множество состоит из оценок , полученных на основе применения оптимальной по критерию точности системы (например, с помощью модели оценки потенциальной точности измерений параметра РБД, характеризующего его эффективность).

Полный функционал имеет вид

, (10)

где - оператор вычисления меры различия множеств и , соответствующих возможным вариантам влияния факторов .

Для количественной оценки влияния факторов в работе применена известная в теории принятия решений функция доверия

, (11)

где - лебегова мера на плоскости оценочного множества .

В понятиях информационной теории измерений функционал (11) в настоящей работе трактуется как информационный УПК и определяется количественно следующим образом. Информационный УПК есть относительное количество информации об оцениваемом параметре эффективности РБД , потерянной в испытательном процессе при воздействии влияющих факторов и . Численное значение информационного УПК определяется через энтропии плотностей распределения информативного параметра , используемого для калибровки РБД по оцениваемому параметру, и энтропии выходного измеряемого параметра :

. (12)

Значения величин и характеризуют априорную и апостериорную энтропии закона распределения оцениваемого параметра РБД, соответственно. Изменение закона распределения параметра приводит к потерям измерительной информации, поэтому по сравнению с энтропией сообщение обладает информационной избыточностью . Максимальное количество потерянной в процессе измерений информации не превосходит величину избыточности измерительной информации

или. (13)

Численное значение параметра является информационным аналогом функции доверия в математической модели метрологического обеспечения РБД, т.е. индикатором качества последнего.

Альтернативный метод определения показателя (13) - интервальный анализ. Показано, что метод интервального анализа также реализует оценку точности измерений в РБД. Он отличается простотой по сравнению с (13), однако не учитывает видов законов распределения сигналов.

Таким образом, математическая модель оценки качества метрологического обеспечения и эффективности РБД основана на применении обоснованного универсального показателя качества вида (13) и описывает процесс его количественной оценки с учетом информации об изменении формы закона распределения оцениваемого показателя в процессе измерений. Результаты разработки и применения модели метрологического обеспечения РБД опубликованы в монографии [43] и научных статьях [10, 26 ].

В шестой главе описаны результаты совершенствования и разработки унифицированного методического аппарата для оценки эффективности РБД. В связи с появлением методов и техники нелинейной радиосвязи и нелинейного радиоподавления возникла необходимость оценки эффективности этих классов РБД. С этой целью впервые предложены и опубликованы уравнение дальности нелинейной радиосвязи и уравнение дальности нелинейного радиоподавления. В основу идеологии унификации этих уравнений положен методический прием по введению в них универсального коэффициента нелинейного преобразования (КНП), имеющего простой физический смысл и возможность экспериментальной оценки. Этот показатель заменяет известный показатель: нелинейная эффективная поверхность рассеяния. Определяется он следующим образом:

kНP=GСН.kинт.GНП.i, (14)

где GСН - КНД эквивалентной антенны нелинейного объекта;

kинт - коэффициент интермодуляции;

GНП.i - КНД антенны приемника на i - ой частоте нелинейного отклика.

Физический смысл показателя заключается в уменьшении плотности потока мощности сигнала полезного продукта нелинейного преобразования на частоте fНПi относительно плотности потока мощности сигнала на частоте излучения fС:

(15)

Возможность простой экспериментальной оценки КНП значительно упрощает практическое применение уравнений дальности нелинейной радиосвязи и радиоподавления при оценке эффективности РБД. Формулировка основного уравнения нелинейной радиосвязи с использованием общепринятых обозначений имеет вид:

(16)

Произведение в первой скобке характеризует энергопотенциал передатчика информационного сигнала. Дробь во второй скобке показывает основные потери энергии при распространении сигнала на трассе передатчик информационного сигнала - объект с нелинейными свойствами (ОНЭС). В третью скобку в виде произведения вынесены параметры, влияющие на мощность полезного продукта нелинейного преобразования в передатчике ОНЭС.

В данной главе приведены также результаты сравнительного анализа существующих вариантов основного уравнения нелинейной радиолокации и предложена альтернативная форма уравнения, не противоречащая известной. Отличительной особенностью новой формулировки основного уравнения нелинейной радиолокации является унификация его с приведенными уравнениями для оценки эффективности РБД.

Теория оценки эффективности РБД дополнена также путем вывода основных уравнений нелинейной противорадиолокации и нелинейного противорадиоподавления.

Основной показатель эффективности подавления - коэффициент подавления определяется выражением:

Для оценки эффективности РБД получена новая математическая модель аппроксимации проходной вольт-амперной характеристики (ВАХ):

(17) (2.37)

где

-

крутизна ВАХ ;

k, n - коэффициенты аппроксимации;

U - текущее напряжение [В]; - напряжение смещения [В].

Данная модель отличается от предшествующих ей методов аппроксимации тем, что не требует разбиения характеристики нелинейного элемента на участки. Пример аппроксимации ВАХ транзистора с помощью данной модели приведен на рис. 6.

Рис. 6. Аппроксимация выходной ВАХ полевого транзистора 2П 300Б

В совокупности новые результаты составляют основу методического аппарата для оценки эффективности РБД. Они опубликованы в работах [37, 38, 43, 63 - 65].

В седьмой главе проведено исследование погрешностей нелинейных радиоизмерений в ближней зоне, которые влияют на характеристики качества РБД. Проведены унификация и совершенствование методов оценки погрешностей. Функционирование радиосредств в условиях ближней зоны сопровождается рядом специфических погрешностей. Их учет повышает точность оценки характеристик излучения и приема РБД. Исследована погрешность, обусловленная отличием фазового фронта волны в ближней зоне от плоского

.

Исследованы также следующие погрешности и законы их распределения:

- погрешность , обусловленная невысоким уровнем отношения сигнал/шум на входе приемников нелинейных РЛС и РНС (энергетическая погрешность);

- погрешность из-за несовершенства экранирования приемников нелинейных РБД от внешних и внутренних помех (погрешность экранирования);

- погрешность влияния переотражений от земли и окружающих предметов (погрешность переотражений).

Путем теоретического анализа и метрологических экспериментов показано, что систематические составляющие этих погрешностей могут быть аппроксимированы зависимостями следующего вида:

,

, (18)

где - энергопотенциал источника радиоизлучения (ИРИ);

- чувствительность приемника РБД;

- соответственно, эффективные площади антенн ИРИ и приемника РБД на частоте принимаемого сигнала;

- ширина занимаемой излучением полосы частот и ширина полосы пропускания приемника РБД, соответственно;

- коэффициент прямоугольности полосы пропускания приемника;

- эффективная поверхность экранирования измерительного приемника;

- среднее значение эффективной поверхности фона.

Масштабные коэффициенты подбирают опытным путем по результатам метрологических экспериментов.

Предложено 4 новых способа измерения диаграммы направленности антенны (ДНА) и мощности излучения РБД. Они запатентованы и отличаются возможностью уменьшения указанных погрешностей. Так, например, способ выноса зонда в область боковых лепестков обеспечивает уменьшение погрешности . Он основан на свойстве уменьшения погрешности измерения амплитуды излучения в области боковых лепестков ДНА из-за меньшей сферичности фазового фронта волны. Графическая иллюстрация метода приведена на рис. 7.

Рис. 7. Иллюстрация способа выноса зонда

1 - генератор сигналов; 2 - излучающая антенна; 3 - зонд.

Применение полученных соотношений позволяет оптимизировать метрологические характеристики РБД в типовых условиях их функционирования.