Разработка математического и алгоритмического обеспечения для улучшения технических характеристик информационно-измерительной системы радиолокационного комплекса

Размещено на http://www.Allbest.ru/

05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющие системы (технические науки)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тема:

Разработка математического и алгоритмического обеспечения для улучшения технических характеристик информационно-измерительной системы радиолокационного комплекса

Нечаев Виталий Станиславович

Тамбов 2011

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Тамбовский государственный технический университет" (ГОУ ВПО ТГТУ) и в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Воронежская государственная лесотехническая академия» (ГОУ ВПО ВГЛА).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Стародубцев Виктор Сергеевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, доцент Смирнов Андрей Павлович

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Беляев Виктор Вячеславович

Ведущая организация: Институт теоретической и прикладной электродинамики Российской академии наук

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных гербовой печатью, просим направлять по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Советская, 106, ТГТУ, ученому секретарю диссертационного совета Д212.260.05 Селивановой З.М.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО ТГТУ.

Автореферат диссертации размещен на официальном сайте ГОУ ВПО ТГТУ

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор З.М. Селиванова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Задача улучшения технических характеристик является одной из важнейших в системе работ, направленных на оптимизацию структуры как существующих, так и вновь разрабатываемых информационно-измерительных систем (ИИС) самого различного назначения. В радиолокационном диапазоне длин волн для получения изображений объектов, используемых в последующем при решении задач распознавания образов, дефектоскопии, неразрушающего контроля изделий, активно используются ИИС, входящие в состав радиолокационных комплексов (РК). Анализ работ, выполненных в данной области (Мицмахер М.Ю., Гинзбург В.М., Штагер Е.А., Зиновьев Ю.С., Менцер Дж. Р., Бахрах Л.Д., Смирнов А.П., Анфиногенов А.Ю., Булкин В.М., Емельянов С.В., Сафронов Г.С. и др.) показывает, что в основном ИИС РК построены в виде компактной схемы, использующей коллиматорный метод формирования поля облучения с планарным сканированием приемного элемента в предобъектной плоскости. Планарное (плоскостное) сканирование позволяет получать детальную информацию о параметрах рассеянного поля, производить расчет и осуществлять прогнозирование характеристик объекта практически в любых условиях на любом участке радиолокационного диапазона.

При этом технические характеристики(ТХ) значительной части существующих ИИС РК(размер рабочей зоны, чувствительность^*, динамический диапазон, погрешность измерений амплитуды и фазы сигнала) возросшим требованиям не удовлетворяют. Таким образом, объективно существует необходимость улучшения (приведения в соответствие с современными требованиями) ТХ в случае, если параметры ИИС РК(вследствие естественных процессов старения ее элементов) не в полной мере соответствуют техническим условиям, а ее модернизация связана с большими техническими проблемами. Кроме того, в целом ряде случаев нужно обеспечить возможность получения информации об объектах, размеры которых выходят за пределы рабочей зоны ИИС РК, а также обеспечить возможность проведения измерений объектов с малой отражательной способностью в помещениях с достаточно высоким уровнем паразитных отражений от стен, пола и потолка помещения.

Анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований, выполненных в данном направлении, позволяет говорить о формировании нового нетрадиционного направления совершенствования существующих и создания перспективных высокоинформативных ИИС РК, основанных на разработке специальных методов математической коррекции результатов измерений с использованием информации о структуре конкретной измерительной системы, а также о закономерностях влияния искажающих факторов на процесс измерения.

Данное направление не является альтернативным традиционному, однако имеет существенное значение для решения важной государственной задачи модернизации существующей и разработки новой измерительной базы. Практическое значение этого направления состоит в том, что оно доказывает возможность улучшения технических характеристик существующих ИИС РК за счет применения математических методов коррекции технического несовершенства существующей измерительной аппаратуры, а также предполагает существенный экономический выигрыш при создании перспективных ИИС РК.

Таким образом, задача исследования возможностей и путей улучшения технических характеристик ИИС РК (за счет коррекции технического несовершенства ее элементов при математической обработке результатов измерений) является актуальной.

Диссертация выполнена по программе НИР Федерального научно-исследовательского центра "Обработка", а также в соответствии с межвузовской научно-технической программой И.Т.601 «Перспективные информационные технологии в высшей школе» и научным направлением ГОУ ВПО "Воронежская государственная лесотехническая академия" "Разработка средств автоматизации управления и проектирования".

Целью диссертационной работы является увеличение размеров рабочей зоны и улучшение чувствительности ИИС РК методами математической коррекции результатов измерений с использованием информации о реальных параметрах поля облучения и особенностях конструктивного исполнения измерительной камеры.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать математическую модель ИИС РК, учитывающую погрешности измерений, обусловленные искажениями волнового поля облучения передающим трактом, структуру фоновых переотражений в измерительной камере(ИК) и механизм воздействия данных погрешностей на результаты измерений.

2. Разработать алгоритмы математической коррекции технического несовершенства элементов передающего тракта и ИК, позволяющие увеличить размер рабочей зоны и улучшить чувствительность ИИС РК.

3. Разработать, на основе частных алгоритмов, методику комплексной коррекции технического несовершенства элементов ИИС РК.

4. Провести экспериментальную проверку и внедрение разработанной методики.

Объект исследования - ИИС РК, использующая коллиматорный метод формирования поля облучения с планарным сканированием приемного элемента в предобъектной плоскости.

Предмет исследования - процесс математической коррекции технического несовершенства элементов ИИС РК, компенсирующий воздействие доминирующих составляющих погрешности измерений.

Методы проведения исследований. Решение поставленных задач проводилось с использованием теории информационно-измерительных систем, дифракции и распространения радиоволн, математических методов решения обратных задач в условиях шумов, матричной алгебры, векторного анализа линейных систем, а также экспериментальных методов исследований радиолокационных характеристик объектов.

Научная новизна. В диссертации получены следующие основные результаты, характеризующиеся научной новизной:

1. Предложена математическая модель ИИС РК, учитывающая погрешности измерений, обусловленные искажениями волнового поля облучения передающим трактом за счет реализации возможности непосредственной регистрации его амплитуды и фазы в плоскости сканирования, специфику и структуру фоновых переотражений в ИК, а также механизм воздействия данных погрешностей на результаты измерений.

2. Разработаны алгоритмы математической коррекции несовершенства элементов передающего тракта и ИК, отличающиеся учетом в характеристике восстанавливающего фильтра реальных искажений волнового фронта поля облучения и синфазным суммированием полезного сигнала при совместной векторной обработке результатов нескольких независимых измерений, проводимых при фиксированных перемещениях исследуемого объекта в ИК.

3. Предложена методика комплексной коррекции несовершенства элементов ИИС РК, в которой впервые при построении радиолокационного изображения объекта обеспечена возможность математической коррекции искажений, обусловленных реальными характеристиками волнового фронта поля облучения и воздействием фоновых шумов измерительной камеры.

Положения, выносимые на защиту:

- математическая модель ИИС РК, учитывающая погрешности измерений, обусловленные искажениями волнового поля облучения передающим трактом, структуру фоновых переотражений в измерительной камере и механизм воздействия данных погрешностей на результаты измерений;

- алгоритмы математической коррекции технического несовершенства элементов передающего тракта и ИК, обеспечивающие увеличение размеров рабочей зоны и улучшающие чувствительность ИИС РК;

- методика комплексной коррекции несовершенства элементов ИИС РК обеспечивающая возможность компенсации искажений волнового фронта поля облучения и фоновых переотражений в измерительной камере.

Практическая значимость и результаты внедрения.

1. Разработанная модель ИИС РК позволяет проводить комплексные исследования, направленные на оценку влияния отдельных структурных элементов ИИС РК на ее ТХ, а также прогнозировать изменение ТХ ИИС РК за счет использования новых способов построения измерительной схемы.

2. Разработанная методика комплексной коррекции элементов ИИС РК обеспечивает улучшение следующих ТХ ИИС РК:

- размера рабочей зоны - увеличение в среднем в 1.5 раза;

- чувствительности - увеличение с 10^-2 до 10^-4 м² (на два порядка).

3. Разработанное математическое и алгоритмическое обеспечение внедрено на ИИС РК «Сектор» Федерального научно-исследовательского центра радиоэлектронной борьбы и оценки эффективности снижения заметности, что позволяет проводить работы по исследованию объектов с эффективной площадью рассеивания (ЭПР) до 10^-4 м² и размером до 3.5 м (ранее 10^-2 м² и 2.3 м соответственно).

4. Полученные результаты внедрены в учебный процесс Воронежского института высоких технологий на кафедре информационных систем и технологий в рамках учебных курсов «Электротехника и электроника», «Моделирование систем».

5. Результаты работы могут быть использованы без существенной доработки в качестве математического и алгоритмического обеспечения на аналогичных комплексах данного класса при проведении работ по совершенствованию их ТХ.

Апробация работы. Научные результаты и положения диссертационной работы обсуждались на научно-технических конференциях и совещаниях по выполнению НИР и ОКР на ведущих предприятиях радиоэлектронной промышленности. Основные результаты диссертационной работы докладывались на конференциях: "Проблемы коммуникации, обмена и анализа информации на современном этапе развития общества" (Воронеж, 2008 г.), "Повышение эффективности средств обработки информации на базе математического моделирования" (Тамбов, 2009) и ежегодных научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава ВГЛТА (Воронеж, 2008, 2009).

Публикации результатов работы. По теме диссертации опубликовано 17 работ, среди которых 3 научные статьи в рецензируемых журналах, входящих в перечень изданий, определенных ВАК РФ, общим объемом 107 стр. (лично автором выполнено 96 стр.). В работах, опубликованных в соавторстве, личное участие автора заключается в определении цели и задач, в выполнении теоретических и экспериментальных исследований, включающих методические разработки, проведении расчетов на ЭВМ, обработку и анализ их результатов, внедрение результатов в производство.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех частей и заключения. Материал диссертации изложен на 123 страницах машинописного текста, включая иллюстративный материал. В приложении приводятся акты внедрения результатов работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении к диссертации обоснована актуальность темы исследований, проведен краткий обзор ранее полученных результатов. Сформулирована цель работы, обоснована актуальность и практическая значимость работы. Подчеркивается важность и перспективность задачи улучшения технических характеристик за счет использования информации о принципах построения ИИС РК и изучения закономерностей влияния возмущающих факторов на процесс измерения.

В первом разделе диссертации «Анализ современного состояния исследований в области совершенствования технических характеристик информационно-измерительных систем радиолокационных комплексов» показано, что совершенствование ТХ ИИС РК является одним из перспективных направлений их развития. Рассмотрена структура типовой ИИС РК, использующего коллиматорный метод формирования поля облучения с планарным сканированием приемного элемента в предобъектной плоскости (рис. 1) и принцип ее работы.

Размещенный в измерительной камере объект облучается электромагнитным полем с плоским волновым фронтом, которое формируется антенным коллиматором. Регистрацию отраженной от объекта волны производит приемный зонд, расположенный на сканирующем устройстве, позволяющем осуществлять его планарное перемещение по плоскости, находящейся в ближней зоне объекта и расположенной по нормали к направлению облучения объекта коллиматором. Получаемое после обработки результатов измерений радиолокационное изображение состоит из линий равных амплитуд, приведенных к абсолютным значениям с использованием набора эталонных мер. Отмечено, что качество оценок, получаемых с помощью такой ИИС РК, во многом определяется ее ТХ. Существует возможность улучшения ТХ ИИС РК за счет совершенствования не только аппаратурного, но и математического обеспечения процесса измерений.

Обоснована актуальность проведения исследований за счет разработки специальных алгоритмов коррекции результатов измерений. Показано, что задача разработки средств улучшения технических характеристик современных ИИС РК по существу сводится к разработке соответствующих алгоритмов коррекции, минимизирующих ошибки оценивания по принятому для сравнения критерию.



Рис. 1. Обобщенная структурная схема построения ИИС РК

1 - синтезатор частот; 2 - формирователь опорного сигнала; 3,13 - усилитель(и); 4 - передающий волноводный тракт; 5 - передающий облучатель; 6 - антенный коллиматор; 7 - координатно-сканирующее устройство(КСУ); 8 - измерительная камера; 9-объект измерений; 10-приемный зонд; 11 - опорно-поворотное устройство (ОПУ); 12 - приемный волноводный тракт; 14 - ЭВМ; 15-интерфейс связи; 16 - блок управления движением КСУ; 17 - блок управления движением ОПУ; 18 - цифровой амплифазометр; 19 - преобразователь частоты

Принцип коррекции технического несовершенства элементов системы облучения основан на предположении о том, что каждая радиолокационная характеристика (РЛХ) может рассматриваться как некоторое сечение оператора рассеяния в пространстве параметров облучающих сигналов и при этом обладает достаточной устойчивостью при незначительных изменениях характеристик входного воздействия. Тогда, по зарегистрированному полю, можно рассчитать рассеянное поле на поверхности объекта и функцию рассеяния объекта :

(1)

где - локальные амплитудный и фазовый коэффициент отражения в точке с координатами поверхности объекта.

Принципиальная возможность использования модели (1) для коррекции технического несовершенства элементов системы облучения ИИС РК обусловлена следующем. Во-первых, наличие в составе ИИС РК сканирующего устройства позволяет, при развороте приемного зонда на 180⁰, измерить реальное амплитудно-фазовое распределение (АФР) поля коллиматора в плоскости сканирования. Во-вторых, с использованием методов вычислительной электродинамики, по полю коллиматора, зарегистрированному в плоскости сканирования, можно рассчитать поле облучения на плоскости, непосредственно прилегающей к объекту. В-третьих, по зарегистрированному полю также возможен расчет рассеянного объектом поля в тех же точках этой плоскости. Таким образом, формально пользуясь выражением (1), можно записать уравнение, принципиально обосновывающее возможность коррекции технического несовершенства элементов системы облучения

, (2)

где - скорректированное АФР рассеянного поля; и расчетные значения распределения плоского поля и реального поля облучения на той же отсчетной поверхности.

Отмечено, что на практике, коррекция технического несовершенства элементов системы облучения может быть выполнена лишь приближенно, с ошибкой восстановленного скорректированного изображения , которая зависит от ошибок, связанных с использованием приближенной модели (1) , с неучетом сложной формы реальных объектов и с ошибками измерения реального поля коллиматора , т.е.

(3)

Поэтому, вопрос целесообразности использования приближенной модели рассеяния (1) для коррекции результатов измерения может быть решен положительно только при выполнении условия

, (4)

где - функционал, определяемый выбранным критерием качества обработки результатов измерений РЛХ объектов.

Принцип коррекции технического несовершенства ИК базируется на использовании возможностей селективной пространственно-частотной обработки сигналов, зарегистрированных при проведении многократных измерений с изменением местоположения объекта в ИК. При этом, пространственный спектр функции рассеяния объекта можно получить в виде

, (5)

где н - пространственная частота;

- пространственный спектр информационной составляющей радиоголограммы, зарегистрированной при некоторых k-том и l-том положении объекта;

- пространственно-частотные передаточные характеристики участка свободного пространства при k-том и l-том положении объекта.

По пространственному спектру можно рассчитать искомую функцию рассеяния объекта. Однако, несмотря на то, что соотношение (5) по существу представляет собой селективный пространственно-частотный фильтр для сигнала, отраженного от объекта измерений, его практическая реализация сопряжена с трудностями, общими для всех задач инверсной фильтрации в присутствии помех, когда даже весьма малые изменения входных данных могут стать причиной радикальных изменений в получаемой оценке. Поэтому важной задачей исследований является оптимизация обработки результатов многократных измерений.

При определении критериев и показателей качества измерений РЛХ объектов показано, что задача сводится к выбору состава тестовых объектов, определению "эталона" и выбору "расстояния" между сравниваемыми изображениями. Наиболее универсальным, с точки зрения решения задач оптимизации, является квадрат разности векторов (квадратическая ошибка (КО)) сравниваемых изображений, который имеет вид:

коррекция информационный измерительный радиолокационный

, (6)

где - векторы сравниваемых изображений.

Во втором разделе «Разработка математической модели информационно-измерительной системы радиолокационного комплекса», на основе использования принципов системного подхода, производится разработка математической модели ИИС РК, отражающей взаимные связи основных элементов системы. Показано, что такая модель представляет собой основу для эффективной разработки практически всех алгоритмов коррекции технических характеристик. Существующие модели не учитывают составляющие погрешности измерений, обусловленные искажениями поля облучения и фоновыми переотражениями в ИК, что приводит к низкой практической эффективности построенных с их помощью алгоритмов коррекции ТХ из-за нарушения целостности и порядка проведения обратных преобразований.

Разработка математической модели ИИС РК строится на основе исследования и анализа источников и составляющих инструментальной погрешности измерений и структурной схемы ИИС РК. Рассмотрение ограничено использованием монохроматического, линейно поляризованного пространственного зондирующего сигнала и предположением о линейности процесса рассеяния электромагнитного излучения в ИК. Для описания происходящих в системе процессов использован аппарат теории матриц и векторной алгебры. Обобщенная математическая модель ИИС РК, получена в виде:

, (7)

где - вектор результатов измерений;

- систематическая составляющая погрешности системы регистрации ИИС РК;

D - матрица, описывающая диаграмму направленности приемного зонда;

- передаточная характеристика участка свободного пространства длиной ;

- вектор идеально плоского поля облучения;

- систематическая составляющая погрешности, вносимая приемным трактом ИИС РК;

- вектор комплексных коэффициентов рассеяния объекта;

- вектор комплексных коэффициентов пропускания КСУ в i-том положении;

- систематическая составляющая погрешности передающего тракта ИИС РК;

- обобщенный вектор, определяющий систематическую составляющую фоновых отражений и переотражений при i-том положении сканера;

- неисключенная случайная составляющая погрешности.

Показано, что вектор фоновых переотражений может быть представлен (согласно итогам анализа его составляющих) в виде суммы

, (8)

где - независимые, обусловленные только отражениями и переотражениями от элементов конструкции ИК;

- зависимые только от положения объекта в ИК;

- зависимые от местоположения объекта в ИК и положения сканирующего устройства.

Далее в работе приведены результаты экспериментальных исследований по определению вида и статистических характеристик, рассматриваемых составляющих погрешности измерений применительно к рассматриваемой ИИС РК в типовых условиях наблюдения. Они использованы при оценке достоверности функционирования разработанной математической модели ИИС РК.

Третий раздел диссертации «Разработка методического обеспечения для коррекции технического несовершенства информационно-измерительной системы радиолокационного комплекса» посвящен решению следующих задач:

Ш разработке алгоритма математической коррекции, увеличивающего размеры рабочей зоны ИИС РК;

Ш разработке алгоритма математической коррекции, улучшающего чувствительность ИИС РК;

Ш разработке методики комплексной коррекции технических характеристик ИИС РК.

При разработке алгоритма математической коррекции, увеличивающего размеры рабочей зоны ИИС РК, показано, что, для получения результата, отражающего истинную информацию о характеристиках крупногабаритных объектов, необходимо использовать следующее векторное выражение:

, (9)

где - модифицированная передаточная характеристика (МПХ) измерительной системы.

Таким образом, алгоритм математической коррекции, увеличивающий размеры рабочей зоны ИИС РК, по существу выполняет модификацию передаточной характеристики измерительной системы с использованием априорной информации об АФР поля облучения и ошибках системы регистрации в плоскости сканирования.

Исследования, проведенные на модели (7) с использованием разработанного алгоритма показали, что он позволяет уменьшить величину КО в пределах рабочей зоны ИИС РК в зависимости от размера объекта на величину до 20 дБ или увеличить размеры исследуемых объектов в предметной плоскости (а, соответственно, и размер рабочей зоны комплекса) до 2.5 метров, сохранив прежней величину допустимого значения КО. С увеличением геометрических размеров исследуемых объектов по глубине эффективность коррекции снижается, что объясняется ростом составляющей ошибки , связанной с не учетом формы исследуемого объекта в модели рассеяния (1). Ошибки пересчета становятся сопоставимыми по значениям КО при размерах объектов по глубине порядка 140 см. Размер апертуры сканирования в равной степени влияет на оценки РЛХ, получаемые с использованием традиционного и разработанного алгоритмов. Результативность проводимой коррекции снижается незначительно при работе с объектами, максимальные геометрические размеры которых в предметной плоскости составляют до 2/3 размеров зоны сканирования. Однако, используемое для коррекции ядро преобразования является весьма чувствительным к ошибкам регистрации отраженного сигнала, поэтому данная задача оказывается тесно связанной с задачей разработки алгоритма математической коррекции, улучшающего чувствительность ИИС РК.

Эффективным способом построения такого алгоритма является использование переопределенной модели и открывает возможности для перехода к рассмотрению связанных систем многократных наблюдений, основанных на использовании идей вычитания и когерентного накопления сигналов.

В основу построения системы связанных многократных наблюдений положена идея перемещения (в общем случае произвольного) объекта в ИК в процессе проведения нескольких измерений. Процесс формирования суммарного вектора результатов , с учетом принятых допущений может быть представлен системой матричных уравнений:

, , (10)

где - матрица, описывающая линейный процесс формирования i-той части вектора принятых сигналов , отраженных от исследуемого объекта, находящегося в i-том положении;

- вектор, описывающий фоновые переотражения, характеристики которых считаются неизвестными.

Основной задачей исследований является решение системы уравнений наблюдения (10), обеспечивающее получение обратного оператора преобразования результатов измерения в оценку исследуемой характеристики с минимальной ошибкой отклонения оценки от истинного значения .

Для отыскания решения использован оператор псевдообращения матрицы , обеспечивающий получение искомой оценки с минимальной нормой.

Окончательно для оценки искомой характеристики получено выражение

, (11)

где матрицы T₁₁ и T₁₂ не зависят от результатов измерений и определяются параметрами модели наблюдения:

, (12)

(13)

Таким образом, алгоритм математической коррекции, улучшающий чувствительность ИИС РК, по существу сводится к решению переопределенной системы уравнений (10) методом обобщенного псевдообращения.

Исследования, проведенные на модели (10) с использованием разработанного алгоритма показали, что оптимальными, с точки зрения эффективности коррекции технического несовершенства ИК, являются расстояния, кратные нечетному количеству четвертей рабочей длины волны. Выбор расстояния перемещения с учетом такой рекомендации позволяет дополнительно уменьшить КО на 15-20 дБ. При этом, для достижения максимального эффекта коррекции, величину смещения объекта целесообразно выбирать меньшей половины длины волны поля облучения. Относительное положение объекта на апертуре сканирования не оказывает существенного влияния на получаемые результаты. Определяющими, подавляющими до 70-90% фоновых переотражений, являются первые 2-3 перемещения объекта. Разработанный метод устойчив к наличию случайных фазовых ошибок регистрации и сохраняет вычислительную эффективность при фазовой неравномерности случайной составляющей регистрации до 15⁰.

Далее в работе отмечается, что ИИС РК представляет собой достаточно сложную измерительную систему, что не позволяет напрямую использовать разработанные алгоритмы коррекции без существенной или полной потери их эффективности из-за нарушения целостности и порядка проведения обратных преобразований. Только совместный учет причинно-следственных связей и последовательности применения обращающих операторов позволяет получить результат, достаточно хорошо совпадающий с эталонным изображением. В этой связи проводится разработка методики комплексной коррекции технических характеристик ИИС РК с компенсацией основных составляющих инструментальной погрешности измерений в которой впервые учтены искажения волнового фронта поля облучения и фоновые переотражения в измерительной камере. Основой методики является вышерассмотренная математическая модель ИИС РК, которая определяет порядок и правила проведения обратных преобразований.

В четвертом разделе «Экспериментальные исследования результативности разработанного математического и алгоритмического обеспечения» приведены результаты экспериментальных исследований эффективности разработанной методики комплексной коррекции технического несовершенства ИИС РК с использованием объектов простой формы (рис. 2, 3).

Исходными данными для расчета с использованием предлагаемого метода улучшения технических характеристик ИИС РК являлись наборы двумерных радиоголограмм, получаемые при проведении прямых измерений при фиксированных положениях исследуемых объектов в ИК, которые затем совместно обрабатывались ЭВМ ИИС РК.



а б

в г

Рис. 2. Экспериментальное изображение пластины 49х49 см.

а) исходное; б) восстановленное по результатам измерений за пределами рабочей зоны (на краю коллиматора); в) после коррекции фоновых переотражений в ИК; г) комплексная коррекция.

а б

Рис. 3. Экспериментальное изображение набора тел простой формы до (а) и после (б) коррекции технического несовершенства ИК

Анализ экспериментальных данных показывает, что последовательное применение алгоритмов коррекции неравномерности волнового фронта поля облучения и фоновых переотражений ИК (рис. 2) дает последовательный рост качества обработанных изображений. Более строгий количественный расчет показывает, что степень соответствия получаемых изображений исходным при коррекции возрастает по определенному в работе критерию (1) на 60-90. Использование методики комплексной коррекции (рис. 3) позволяет выделить изображение объектов тестовой группы с превышением 12-18 дБ над уровнем фона, соответственно увеличивая на эту же величину и чувствительность ИИС РК Результаты экспериментальных исследований технических характеристик ИИС РК показали, что примерно на два порядка повысилась чувствительность, а размер рабочей зоны увеличился в полтора раза.

Результаты работы могут быть использованы без существенной доработки в качестве методического и программного обеспечения на полномасштабных комплексах при проведении работ по совершенствованию их технических характеристик.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключении приведены основные выводы по диссертационной работе.

В результате проведенных исследований была достигнута основная цель диссертационной работы - увеличен размер рабочей зоны и улучшена чувствительность ИИС РК, использующей коллиматорный метод формирования поля облучения с планарным сканированием приемного элемента в предобъектной плоскости за счет использования информации об особенностях построения элементов передающего тракта и ИК при математической коррекции результатов измерений.

При этом были решены следующие задачи.

1. Разработана математическая модель ИИС РК, учитывающая погрешности измерений, обусловленные искажениями волнового фронта поля облучения передающим трактом, структуру фоновых переотражений в ИК, механизм воздействия данных погрешностей на результаты измерений, а также позволившая провести ранжирование основных составляющих инструментальной погрешности измерений по величине.

2. Разработаны алгоритмы математической коррекции искажений волнового фронта поля облучения и фоновых переотражений, позволившие улучшить технические характеристики ИИС РК - расширить размер рабочей зоны в полтора раза и увеличить чувствительность на два порядка.

3. Разработана методика комплексной коррекции технического несовершенства элементов ИИС РК, основанная на использовании дополнительной (полученной в рамках отдельного эксперимента) информации о закономерностях влияния искажающих факторов на процесс измерения, в которую впервые введены элементы, корректирующие искажения волнового фронта поля облучения и влияние фоновых переотражений в ИК.

4. На ИИС РК «Сектор» Федерального научно-исследовательского центра проведена экспериментальная проверка и внедрение предложенной методики, что позволило проводить работы по исследованию объектов с эффективной площадью рассеяния до 10^-4 м² и размером до 3.5 м (ранее 10^-2 м² и 2.3 м соответственно).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

Публикации в изданиях, определенных ВАК МОиН РФ

1. Нечаев В.С. Математическая модель функционирования типового радиоизмерительного комплекса / В.С. Нечаев // Системы управления и информационные технологии, 1.1(39), 2010. - С. 166-169.

2. Нечаев В.С. Анализ методов построения радиолокационных изображений объектов по результатам измерений рассеянных полей / В.С. Нечаев // Системы управления и информационные технологии, 2.1(40), 2010. - С. 174-180.

3. Нечаев В.С. Алгоритмы обработки данных и принципы построения радиолокационных изображений объектов / В.С. Нечаев, В.С. Стародубцев // Системы управления и информационные технологии, 2.1(40), 2010. - С. 180- 188.

Статьи и материалы конференций

4. Нечаев В.С. Возможный подход к компенсации искажающий воздействий в системах математической обработки информации / В.С. Нечаев // Моделирование систем и процессов. Вып.1,2, 2008. - C. 19-21.

5. Нечаев В.С. К вопросу о возможностях математической коррекции результатов измерений при совершенствовании технических характеристик радиоизмерительных комплексов/ В.С. Нечаев // Моделирование и управление в сложных системах. №1(3), 2008. - C. 59-62.

6. Нечаев В.С. Анализ принципов математической коррекции экспериментальных данных / В.С. Нечаев // Моделирование систем и процессов. Вып.1,2, 2008. - C. 21-27.

7. Нечаев В.С. Возможности математической обработки информации при коррекции технического несовершенства измерительных систем / В.С. Нечаев // Моделирование и управление в сложных системах. №1(3), 2008. - C. 62-67.

8. Нечаев В.С. Погрешность измерений при планарном сканировании / В.С. Нечаев, В.С. Стародубцев// Моделирование и управление в сложных системах. №1(5), 2009. - C. 32-37.

9. Нечаев В.С. Критерий качества радиоголографического метода измерений объектов на радиоизмерительных комплексах / В.С. Нечаев// Моделирование и управление в сложных системах. №1(5), 2009. - C. 37-41.

10. Нечаев В.С. Анализ источников и составляющих погрешности измерений в типовых радиолокационных измерительных комплексах / В.С. Нечаев// Моделирование и управление в сложных системах. №3(7), 2009. - C. 17-22.

11. Нечаев В.С. К вопросу составляющих погрешности измерений на типовых радиолокационных измерительных комплексах / В.С. Нечаев // Моделирование систем и процессов. Вып.3,4, 2009. - C. 50-55.

12. Нечаев В.С. Особенности практической реализации радиоголографического метода измерений объектов на радиоизмерительных комплексах и возможный критерий определения качества получаемых оценок / В.С. Нечаев // Материалы IX Всероссийской научно-технической конференции «Повышение эффективности средств обработки информации на базе математического моделирования», 27 - 28 апреля 2009 года, г. Тамбов, -С 87-93 с.

13. Нечаев В.С. Основные этапы процесса получения радиоголограммы в виде математической модели / В.С. Нечаев // Информационные технологии моделирования и управления. 1(60), 2010. - С. 66-71

14. Нечаев В.С. Особенности измерений в рассеянных полях на радиоголографических комплексах / В.С. Нечаев, В.С.Стародубцев // Моделирование и управление в сложных системах. №1(8), 2010. - C. 17-22.

15. Нечаев В.С. Алгоритмы обработки данных при измерениях в рассеянных полях на радиоголографических комплексах / В.С. Нечаев, В.С.Стародубцев // Информационные технологии моделирования и управления. 2(61), 2010. - С. 62-70.

16. Нечаев В.С. К вопросу о методах построения радиолокационных изображений объектов / В.С. Нечаев, В.С.Стародубцев // Информационные технологии моделирования и управления. 2(61), 2010. - С. 54-62

17. Нечаев В.С. Математическая коррекция экспериментальных данных информационно-измерительных систем коллиматорного типа / В.С. Нечаев, В.С.Стародубцев // Моделирование и управление в сложных системах. №2(9), 2010. - C. 37-44.

Размещено на Allbest.ru