Реферат: Методи обробки динамічних сцен при впливі нестаціонарних завад у радіотехнічних системах супроводження надводних протяжних об'єктів

З існуючих практичних методів обробки радіолокаційних сигналів можна відзначити такі: алгоритм черезперіодно компенсації; некогерентне накопичування; кореляційний алгоритм виявлення об'єктів заданої структури; перетворення динамічних РЛЗ, в якості яких використовується множина функції , в набір локальних ознак (ЛО), що характеризують невеликі ділянки зображення; фільтрацію РЛЗ. У реальних умовах за наявності нестаціонарних завад часто знижується працездатність перерахованих методів, наприклад, застосування алгоритмів черезперіодної компенсації з накопичуванням не завжди приводить до бажаного результату. При вирішенні задач виявлення просторово-протяжних об'єктів на фоні нестаціонарних завад застосовують непараметричні багатокроков процедури виявлення на основі поглинаючих ланцюгів Маркова, а моменти прийняття рішення про появу або закінчення ППО відносяться до початку або закінчення заданих комбінацій одиниць і нулів. Оскільки залежності між вимірюваними величинами, як правило, нелінійні й відомі приблизно, то при вирішенні обернених задач доцільно застосовувати алгоритми, основані на адаптивній обробці сигналів або з використанням нейронних мереж. На рис. 1 наведено приклад реально радіолокаційної обстановки в районі “Російської коси” Дніпро-Бузького лиману з роздільною здатністю за дальністю 15 м, при цьому на один елемент роздільної здатност припадає два дискретних значення РЛЗ.

Другий розділ присвячений розробц оптимальних і квазіоптимальних алгоритмів оцінки параметрів сигналу з урахуванням просторової протяжності об'єкта.

Спочатку розглянуто задачу оцінки комплексного коефіцієнта розсіювання  ППО, вирішення якої дозволяє знайти координати радіолокаційного центра ППО  і його зовнішніх розмірів , які визначаються за допомогою виразів

,                (2)

де

 –            (3)

оптимальна оцінка ;  – просторова функція невизначеності;  – обвідна одиничного сигналу, що відповідає амплітуді поля, розсіяного елементом  за умови , залежить від форми зондувального сигналу й від геометрії задачі.

Ці оцінки не враховують реального навколишнього середовища, пов’язаного з можливою наявністю інших ППО (наприклад, декількох суден, що рухаються в безпосередній близькості від досліджуваного об'єкта), наявністю морської поверхні, гідрометеорів.

На основі запропонованого підходу вирішені задачі оптимальних оцінок параметрів просторово-протяжних об'єктів поверхонь для тих випадків, коли: а) моделі поверхонь і моделі сигналів функціонально задані своїми математичними зв’язками щодо всіх невідомих параметрів об'єктів; б) моделі задані з точністю до невідомих несуттєвих параметрів (інтенсивності й фази) із заданим їхнім імовірнісним розподілом; в) корисні сигнали є випадковими процесами.

Оптимальний алгоритм оцінки комплексного коефіцієнта розсіювання отримано в рамках методу максимально правдоподібності з умови максимуму функціонала правдоподібності з урахуванням додаткової апріорної інформації про просторову протяжність об'єкта. Вирішення задачі на умовний екстремум зводиться до рішення задачі на безумовний екстремум, поставленої для функціонала

,                  (4)

де

                              (5)

 –     (6)

функціонал правдоподібності;   штрафна функція, що враховує апріорну інформацію, задану у вигляді рівностей або нерівностей (регуляризуючий додаток); вектор параметрів; – множники Лагранжа;  – спектральна щільність потужності білого шуму.

При пошуку екстремуму функціонала (4) необхідно мінімізувати функціонал  за функцією , за множниками Лагранжа , за координатою радіолокаційного центру об'єкта  та за протяжністю об'єкта :

      (7)

Протяжність розподіленого об'єкта враховується такою умовою: відношення квадрата дисперсії вхідного сигналу за відсутності сигналу від об’єкта на передбачуваній ділянці протяжності до суми квадратів дисперсії вхідного сигналу без  менше одиниці.

Просторова протяжність об’єкта враховується введенням штрафного функціонала  виду

 ,             (8)

де  – функція материнського вейвлета, яка може бути обрана з наступних: Haar, MHAT, Morlet.

Оптимальна оцінка комплексного коефіцієнта розсіювання визначається вирішенням зворотної задачі , а рішення оптимізаційно задачі по методу максимуму апостеріорної щільності ймовірності оцінки параметрів  має вигляд

.            (9)

Отже, при обробці ехо-сигналів, відбитих від ППО, необхідно виконувати такі три основні операції: 1 – узгоджену просторово-часову обробку сигналу; 2 – порогову обробку радіолокаційних сигналів (показано, що доцільно використовувати вейвлет-перетворювания, що дозволяють виявити структуру й розробити основні підходи при вирішенні задач локалізації розподіленого об'єкта); 3 – формування метрики об'єкта (оцінка радіолокаційного центра і зовнішніх розмірів об'єкта).

На основі отриманих у другому розділ результатів запропонована структурна схема обробки сигналу, відбитого від ППО на фоні нестаціонарних завад (рис. 2).

У третьому розділі наведені результати моделювання процесу виявлення і оцінки координат просторово-протяжних об'єктів на фоні відбиттів від випадкових неоднорідних поверхонь. Проведено моделювання процесу оцінки питомих ЕПР поверхні та просторово-протяжного об'єкта.

Прийнятий сигнал  має стохастичний характер, де – мультиплікативна завада . Амплітуда сигналу, відбитого від неоднорідної поверхні, змінюється випадково, зображення такої поверхні відтворює залежність від просторових координат  питомої ЕПР  і має спекл-структуру (рис. 3, а). Спекл-структуру зображення часто називають мультиплікативною завадою. Таку ж структуру мають і зображення ППО.

Сигнал, відбитий від морської поверхні та гідрометеорів, має вигляд

,               (10)

де  – коефіцієнт, що врахову діаграму спрямованості антени, на i огляді.

При моделюванні передбачалося, що поверхня складається із сукупності незалежних відбивачів із випадковими коефіцієнтами відбиття, розміри відбивачів значно менше розміру елемента роздільної здатності РЛС.

Кореляційна функція суми незалежних випадкових процесів  у моменти часу  й , де  – внутрішній шум, має вигляд

.           (11)

Зображення поверхні ППО за наявності адитивної завади  показано на рис. 3, б.

Кореляційна функція пасивних завад та адитивного шуму відповідно визначаються виразами

,           (12)

.            (13)

Результат погоджено обробки прийнятого РЛЗ відповідно до алгоритму (рис. 2) за наявності заважаючих відбиттів від морської поверхні наведено на рис. 4 - 5.

На етапі первинної обробки здійснюється узгоджена фільтрація прийнятого сигналу з наступним формуванням модуля  або квадрата модуля  вихідного ефекту узгодженого фільтра

.                (14)

На етапі вторинної обробки здійснюється згладжування РЛЗ таким способами: підсумовування незалежних РЛЗ, вінерівська калманівська фільтрація, гомоморфне перетворення РЛЗ, геометрична і локальна фільтрація. Перераховані способи мають істотні недоліки: погіршення просторової роздільно здатності РЛЗ, розмиття границь областей зображення з різною ЕПР. Поділ на первинну й вторинну обробку приводить до часткової оптимізації всієї процедури обробки сигналу. При цьому не враховуються локальні особливості нестаціонарних сигналів, відбитих від складних просторово-протяжних об'єктів.

Особливістю розробленого алгоритму (рис. 2) є те, що в ньому оптимізаційна задача обробки радіолокаційних сигналів вирішена без розбивання на етапи первинної й вторинно обробки.

За результатами статистичного моделювання процесів формування й інтерпретації РЛЗ встановлено, що застосування розроблених оптимальних алгоритмів обробки сигналів з їх адаптивним вибілюванням і врахуванням апріорної інформації при первинній обробці підвищує ймовірнісні  й точністн характеристики подальшої інтерпретації радіолокаційних зображень. Зокрема, використання цього алгоритму дозволяє з більшою точністю локалізувати об'єкти й визначити хнє просторове положення.

Четвертий розділ присвячений порівнянню методів визначення координат радіолокаційного центру просторово-протяжного об'єкта. При визначенн місцезнаходження протяжних об'єктів можливими джерелами помилок є кінцев розміри реальних об'єктів.

Дослідженню підлягали: емпіричний алгоритм розрахунку визначення потокових радіолокаційних координат горизонтальних перетинів функції невизначеності корисних ехо-сигналів – метод “Кінбурн”, застосовуваний в АІОС навігаційного комплексу “Лиман” ДП “Дельта-лоцман”; метод моментів (ММ); метод моментів з ваговими коефіцієнтами (А-Ж); метод найменших квадратів (МНК).

В основу визначення центру сигнальної групи радіолокаційних сигналів, відбитих від просторово-протяжного об'єкта, покладено перший момент, що визначає центр ваги фігури, яка обмежена функцією  в декартовій систем координат. Координати центру ваги визначаються співвідношеннями

,     (15)

де  – вагові функції.

Методи порівнювали за критеріями: мінімуму середнього зсуву знайденого радіолокаційного центру просторово-протяжного об'єкта від центру каналу та мінімуму середньоквадратичного відхилення від центру каналу. Обґрунтування вибраних критеріїв базується на таких положеннях:

-          ехо-сигнал від частини судна найменш віддаленої від РЛС формується шляхом безпосереднього зворотного розсіювання зондувального сигналу на найближчих до спостерігача провідних елементах конструкції судна; морські об’єкти мають значні геометричні розміри (довжина 120...230 м, ширина 20...50 м), ширина каналу (фарватеру) становить приблизно 100 м, а на деяких ділянках звужується;

-          вибір другого критерію мотивується інерцією судна з великою водотоннажністю, тобто судно не може за малий проміжок часу швидко змінити своє розташування в просторі.

Порівняння методів проводилося в районі “Російської коси”, досліджуваний об'єкт – корабель Kyklades_K”, напрямок руху – Миколаїв-море.

 Координати визначення місцезнаходження радіолокаційного центру просторово-протяжного об'єкта методом моментів без вагових функцій та методу найменших квадратів не задовольняють обраним критеріям: мінімуму математичного сподівання  та мінімуму середньоквадратичного відхилення . При незначній зміні сигнальної групи координати радіолокаційного центру різко змінюються. Відхилення радіолокаційного центру від центру каналу становить приблизно один елемент роздільної здатності за дальністю.

Порівнюючи отриман результати (рис. 7) по всьому каналу, можна зробити такі висновки:

-        координати радіолокаційного центру, які оцінені методом моментів, мають більший зсув відносно центру каналу порівняно з оцінками за методом “Кінбурн”; розкид зазначених оцінок має ідентичну тенденцію;

-        знайдено вагов коефіцієнти функцій, що дозволяють зменшити середньоквадратичне відхилення й математичне сподівання (метод моментів з вагою Д) у порівнянні з методом, яким застосовується у системі “Кінбурн”.

Аналіз результатів дозволяє констатувати, що в складних радіотехнічних умовах для координатного забезпечення проведення суден по вузьких фарватерах доцільно, поряд з оконтурюванням ППО, використовувати алгоритм (15)(15) з ваговими функціями , як фактор, який коректу помилки оцінювання радіолокаційного центру.

У п'ятому розділі розглянуто евристичн алгоритми селекції рухомих просторово-протяжних об'єктів на фоні нестаціонарних завад. Проблема побудови систем селекції ППО розглядається стосовно цифрових методів обробки сигналів.

Спочатку досліджується алгоритм, що ґрунтується на сегментації динамічних сцен на деяку сукупність областей. Вся область простору  розбивається на невелик сегменти , а для кожного сегмента  складається вектор стану: координати центру ваги  сегмента :

,       (16)

 – середньоквадратичне відхилення для .

Розміри сегмента вибираються таким чином, щоб вони перевищували геометричні розміри протяжного об'єкта.

Для рухомих об'єктів характерні такі ознаки (рис. 8): у випадку перетину об'єктом границі сегмента  центр ваги сегмента починає зміщатися, що відповідає зміні центру ваги сегмента від деякого стійкого положення; СКО перевищує деяке граничне значення. По мірі руху об’єкта в середині сегмента координати центру ваги описують спадаючу (або ж зростаючу) криву.

Страницы: 1, 2, 3