Розвиток радіофізичних методів збору інформації про об"єкти і природні середовища. Розробка основ синтезу алгоритмів ідентифікації об"єктів, характеру і стану природних середовищ, при їх спостереженні за допомогою мультисенсорних радіофізичних систем.
Аннотация к работе
Інформація, яка отримана системами дистанційного зондування, використовується для дослідження ґрунту, льодових покривів океанів, морів і озер, льодовиків гірських масивів, взаємодії вітру з водяною поверхнею, а також для виявлення на поверхні океанів плівок різних забруднень, для вивчення течій та їх впливу на клімат, навколишнє середовище і розвязання інших задач. Кінцевою метою обробки радіофізичної інформації є ідентифікація та оцінка стану обєктів, що спостерігаються, а також стану природних середовищ. Тому на сучасному етапі розвитку науки виникає проблема створення узагальнених математичних моделей обєктів, що дозволяють будувати алгоритми спільної обробки сигналів різних фізичних сенсорів з метою адекватної ідентифікації досліджуваних обєктів, явищ і середовищ. Моделі сигналів різних діапазонів, як це і повинно бути для моделей, є деякими спрощеннями реальних проявів обєктів і отримані поза залежністю існування обєкта в інших "вимірах", тобто поза залежністю від властивостей, що виявляє цей обєкт стосовно інших сенсорів. Напрямок досліджень виник і розвивається в звязку з необхідністю розвязання практично важливих задач з побудови алгоритмів обробки сигналів при дистанційному зондуванні Землі з аерокосмічних носіїв у плані держбюджетних НДР "Карта-Б" №01.86.0 081353 (розробка теорії та методів розрахунку інформативності систем дистанційного зондування навколишнього середовища), ОКР "Січ-1М" №0100U004123 (розробка математичного забезпечення і алгоритмів обробки радіолокаційних зображень), НДР "Зондування" №0103U006729 (розробка математичного, програмного забезпечення і алгоритмів обробки радіолокаційних зображень), НДР "Методика - Р" №0102U003695 (розробка методик попередньої обробки радіолокаційних зображень), виконаних у ЦРЗЗ ім.У першому розділі наведено огляд існуючих теоретичних підходів до проблеми ідентифікації обєктів і систем. Причому рівняння досліджуваної складної системи необхідно будувати, використовуючи всі співвідношення між потоками, величинами і процесами, що мають перебіг у системі, у тому числі такі, котрі виявляються зайвими, надлишковими при синтезуванні моделей класичними методами. Тут можливі три ситуації: взаємно однозначна відповідність, тобто модель точно зображує структуру і процеси, що мають перебіг в обєкті, і, відповідно, є повною; Єдиним обмеженням на клас зондувальних сигналів (зовнішніх впливів) є обмеження на сигнали, що призводять до змін структури і властивостей самого обєкта. Результатом множини впливів на обєкт є множина відгуків , , причому для деяких сигналів з множини відгуки можуть утворювати перетинні множини при , а для інших наборів - ? неперетинні множини.У роботі вирішено проблему обєднання й оптимальної комплексної обробки різнорідної інформації багатопозиційних мультисенсорних радіофізичних систем спостереження за фізичними обєктами і природними середовищами з метою підвищення достовірності їх ідентифікації. Алгоритм дозволяє збільшити радіолокаційні контрасти окремих цілей у середньому на 10-20% при маневрі носія РСА, а в деяких випадках на 3-4 ДБ, а також усунути розфокусування і повтори обєктів на радіолокаційних зображеннях. Обґрунтовано алгоритм підвищення роздільної здатності на спотворених РСА - зображеннях, який відрізняється від відомих алгоритмів тим, що керування процесом формування зображення здійснюється за допомогою двох параметрів, що враховують вагу попередніх оцінок у рекурентній процедурі спектрального оцінювання. Алгоритм дозволяє шляхом вибору порядку моделі знайти компроміс між роздільною здатністю і дисперсією одержуваної спектральної оцінки. Алгоритм забезпечує при квадратичній функції втрат, частоті дискретизації 22 КГЦ, розрядності АЦП - 16, інтервалі спостереження 10 с і співвідношенні сигнал/шум 1,1-1,5 ідентифікацію періоду серцебиття і дихання з імовірністю не гірше 0,98.
План
Основний зміст роботи
Вывод
У роботі вирішено проблему обєднання й оптимальної комплексної обробки різнорідної інформації багатопозиційних мультисенсорних радіофізичних систем спостереження за фізичними обєктами і природними середовищами з метою підвищення достовірності їх ідентифікації. Вперше в радіофізиці для вирішення цієї проблеми обґрунтовано понятійний апарат інваріантної ідентифікації стану природних середовищ і обєктів, основою якого є топологічні простори і функціональні взаємозвязки між ними.
1. Уперше сформульовані принципи подання фізичних обєктів у просторі їх спектрів параметрів. Обґрунтовано математичну формалізацію моделі взаємодії вимірювальної радіофізичної системи і спостережуваного обєкта у тензорному вигляді як системи рівнянь топологічного графа. Такий опис моделі дозволив: спростити розвязання задач оптимізації багатопозиційних мультисенсорних радіофізичних вимірювальних систем за шуканими параметрами обєкта;
зробити його більш наочним у порівнянні з відомими методами;
підвищити достовірність ідентифікації обєктів.
2. Уперше на основі розробленої теорії інваріантних моделей показано, що формовані різними радіофізичними сенсорами системи спостереження надлишкові інформаційні потоки, які породжують конкуруючі гіпотези й оцінки, можливо використовувати для формування оптимальних вирішальних правил щодо радіофізичних параметрів середовища чи стану фізичного обєкта.
2.1. Показано, що форма тензорних рівнянь залишається незмінною при перетворенні координат. Установлено, що для лінійної моделі, як і у відомих класичних методах, оптимізацію вимірювальної системи можна виконувати в одній системі координат. Однак перевагою комбінаторно-топологічного опису моделей є простота узагальнення на нелінійний випадок. Якщо велика система містить одну чи більш локалізованих нелінійних частин, то ці частини можуть бути відділені одна від одної шляхом послідовних перетворень системи координат і розраховані окремо. Розчленовування окремих систем повинне виконуватися, якщо це можливо, у точках, що належать до лінійних частин системи.
2.2. Показано, що коли топологічний граф системи виявляється складним, оптимізація виконується шляхом розчленовування вихідного графа на декілька окремих підграфів, кожний з який піддається незалежній оптимізації. Причому окремим елементом системи виступає граф перетинань інформаційних потоків, що утвориться в результаті розчленовування вихідного графа на складові частини.
2.3. Досліджено статистичні властивості сигналів і перешкод у просторі сигналів і просторі спектрів параметрів обєктів для задач радіофізичної інтроскопії. Показано, що застосування інваріантного перетворення приводить до зміни закону розподілу флуктуаційної перешкоди в залежності від типу обєкта, що підлягає ідентифікації. Розроблено рекурентну процедуру оцінки оптимального обсягу навчальної вибірки при обчисленні законів розподілу перешкод у просторі спектра параметрів обєкта. Отримано аналітичний вираз для ймовірностей помилок першого роду як функції обсягу навчальної і контрольної вибірок.
3. Уперше узагальнено сукупність інформаційних ознак фізичного обєкта, показана перевага формування груп інваріантних стосовно радіофізичних систем спостереження ознак обєкта чи природного середовища.
3.1. Обґрунтовано критерій ефективності радіолокаційного сенсора типу РСА, що на відміну від відомих одно- і двопараметричних критеріїв поєднує параметри системи, які безпосередньо впливають на якість радіолокаційних зображень, а саме: роздільну здатність локатора за контрастними точковими цілями в азимутальній і тангенційній площинах;
відношення потужності сигналу, прийнятого за головною пелюсткою синтезованої ДН, до потужності сигналів, прийнятих за бічними пелюстками;
максимальний рівень бічних пелюстків;
спотворення форми головної пелюстки синтезованої ДН, виражені середньоквадратичною помилкою, стосовно неспотвореної ДН.
3.2. Уперше на основі теорії інваріантних моделей розроблено метод і алгоритм автоматичної ідентифікації тріщин і розводів у льодах на морі за радіолокаційними відбитками діапазону 3 см і 23 см. Алгоритм забезпечував ідентифікацію шуканих обєктів з імовірністю не нижче 0,95 при прямих та інверсних радіолокаційних контрастах понад 10 ДБ.
4. Уперше теоретично розроблені методи обєднання ознак у групи за результатами непрямих вимірів радіофізичних параметрів зондувальних сигналів. Сформульовано узагальнений кількісний критерій оцінки інформаційної ефективності радіофізичної систем дистанційного зондування. На відміну від вже відомих критеріїв, уведене поняття зваженої середньої кількості інформації для кожного сенсора, що формує інформаційний потік. Це поняття є кількісною мірою інформативності, що використана при побудові топологічного графа системи.
5. Розроблено методи обробки сигналів, що належать до класу забезпечувальних підсистем.
5.1. Розроблено адаптивний алгоритм компенсації фазових помилок траєкторного сигналу РСА, що працює в реальному часі. На відміну від вже відомих алгоритмів, запропонований алгоритм автоматично аналізує спектральні характеристики траєкторного сигналу, за допомогою рекурентної двошагової процедури, апроксимує функцію помилок і формує коригувальні коефіцієнти опорної функції. Алгоритм дозволяє збільшити радіолокаційні контрасти окремих цілей у середньому на 10-20% при маневрі носія РСА, а в деяких випадках на 3-4 ДБ, а також усунути розфокусування і повтори обєктів на радіолокаційних зображеннях.
5.2. Обґрунтовано алгоритм підвищення роздільної здатності на спотворених РСА - зображеннях, який відрізняється від відомих алгоритмів тим, що керування процесом формування зображення здійснюється за допомогою двох параметрів, що враховують вагу попередніх оцінок у рекурентній процедурі спектрального оцінювання. Алгоритм дозволяє шляхом вибору порядку моделі знайти компроміс між роздільною здатністю і дисперсією одержуваної спектральної оцінки. В експерименті для голограм РСА діапазону 23 см досягнуто стискання в 2-3 рази в азимутальному напрямку окремих розмитих обєктів при збільшенні порядку моделі з 8.до 64.
5.3. Розроблено алгоритми зниження рівня спекл-шуму в інформаційному сигналі когерентного сенсора типу РСА. Особливістю запропонованого алгоритму є здатність до зниження рівня спекл-шуму за обмежене число (7-10) ітерацій рекурентної процедури. Рівень середньоквадратичного значення шуму на оброблених зображеннях (при розмитті дрібних деталей не більш, ніж на 3%) був нижче на 1,5-3 ДБ відносно відомого, порівнянного за складністю, алгоритму.
6. Узагальнено й удосконалено методи синтезу адаптивних алгоритмів обробки інформації радіофізичних вимірювальних систем та ідентифікації обєктів за вторинними інформаційними ознаками. На основі обґрунтованої теорії інваріантних моделей розроблено підхід до синтезу класу адаптивних алгоритмів, що враховують як динаміку спостережуваного обєкта так і динаміку вимірювальної системи.
6.1. Побудовано адаптивний алгоритм ідентифікації людини за періодом дихання і серцебиття. Алгоритм забезпечує при квадратичній функції втрат, частоті дискретизації 22 КГЦ, розрядності АЦП - 16, інтервалі спостереження 10 с і співвідношенні сигнал/шум 1,1-1,5 ідентифікацію періоду серцебиття і дихання з імовірністю не гірше 0,98.
6.2. Уперше для радіолокаційних сенсорів із квазібезперервним видом модуляції зондувального сигналу обґрунтовано аналітичне подання спотворень сигналу у вигляді поверхні припустимих помилок. Проаналізовано джерела спотворення сигналів у реальній апаратурі. Дано рекомендації з оптимізації структури апаратної і програмної частини системи спостереження.
7. Уперше обґрунтовано метод неінвазивного вимірювання градієнтів температур у живих біологічних тканинах, агресивних середовищах, техніці й інших практичних додатках, що на відміну від відомих методів, заснований на імпульсному способі випромінювання і прийому зондувальних сигналів і фазоімпульсного способу обробки інформаційного сигналу. Основні переваги запропонованого методу перед пасивними неконтактними методами вимірювання полягають в істотно більшій глибині зондування (більш ніж на порядок), незначній залежності погрішності вимірювання від глибини, меншій за відомі похибки вимірювання (менше 0,1°С), простоті апаратної реалізації і можливості одержання профілю градієнтів температур за один цикл вимірювань.
8. Уперше надано розвиток методам синтезу програмно-апаратних засобів ближньої радіолокації. Завдяки аналізу матриці спектральних щільностей, обчисленню похибки і введенню в алгоритм обчислювання вектора вагових коефіцієнтів решітки регуляризуючого множника досягнуто підвищення завадостійкості системи на 40 ДБ при загальних втратах коефіцієнта підсилення 10 ДБ.
Основні результати дисертації опубліковано в роботах
Калмыков А.И., Синицын Ю.А., Сытник О.В., Цымбал В.Н. Информативность радиолокационных систем зондирования Земли из космоса // Изв. вузов СССР. Радиофизика. ? 1989. ? Т. 32. ? №9. ? С. 1055-1062.
Вязьмитинов И.А., Мирошниченко Е.И., Сытник О.В. Особенности построения РЛС для обнаружения людей под завалами // Радиофизика и электроника: Сб. науч. тр. / Ин-т радиофизики и электроники им. А.Я. Усикова НАН Украины. ? Харьков, 2004. ? Т. 9, №2. ? С. 452-462.
Курекин А.С., Сытник О.В. Метод увеличения полосы обзора когерентных РЛС для дистанционного зондирования Земли из космоса // Электромагнитные волны и электронные системы. ? 2004. ? Т. 9, №7. ? С. 39-43.
Калмыков А.И., Сытник О.В., Цымбал В.Н. Анализ возможностей многоцелевых радиолокационных систем дистанционного зондирования Земли из космоса // Изв. вузов. Радиоэлектроника. ? 1992. ? Т. 35, №4. ? С. 18-25.
Сытник О.В. Модель сигнала для алгоритма идентификации объекта // Радиофизика и электроника: Сб. науч. тр. / Ин-т радиофизики и электроники им. А.Я. Усикова НАН Украины. ? Харьков, 2004. ? Т. 9, №1. ? С. 304-307.
Сытник О.В. Инвариантные преобразования в теории идентификации // Радиофизика и электроника: Сб. науч. тр. / Ин-т радиофизики и электроники им. А.Я. Усикова НАН Украины. ? Харьков. ? 2003. ? Т. 8, №3.?С. 376-382.
Sytnik O.V., Myroshnychenko Ye. I., Kopylov Yu. A. Estimation of Implementation Errors Effect on Characteristics of Pseudorandom Radar Signal// Telecommunications and Radio Engineering.?2003.?Vol.60, №1&2.-P. 132-140.
Сытник О.В., Дубовицкий В.А Рекуррентный алгоритм подавления спекл-шума на РСА-изображениях // Изв. вузов. Радиоэлектроника. ? 2001. ? Т. 44, №3. ? С. 47-54.
Klochko G. I., Logvinenko A. I., Sytnik O.V. Noninvasive Estimation of Temperature Gradient of Inner Layers of Living Tissues by the Ultrasonic Method // Telecommunications and Radio Engineering. ? 2003. ? Vol. 59, № 3&4. - P. 154-158.
Сытник О.В. Алгоритм обнаружения и идентификации малоподвижных целей // Радиофизика и радиоастрономия. ? 2003. ? Т. 8, №2. ? С. 199-206.
Сытник О.В. Алгоритм адаптивной коррекции радиолокационных изображений // Радиофизика и электроника: Сб. науч. тр. / Ин-т радиофизики и электроники им. А.Я. Усикова НАН Украины. ? Харьков. ? 2003. ? Т. 8, №1. ? С.48 ? 54.
Пресняков И.Н., Сытник О.В. Алгоритм обработки радиолокационных сигналов при зондировании случайно неоднородных сред // Изв. вузов. Радиоэлектроника. ? 1993. ? Т. 36, №12. ? С. 45-51.
Sytnik O.V. An Algorithm for Adaptive Correction of Radar Image // Telecommunications and Radio Engineering.?2002.?Vol.58, №7&8.-P. 127-138.
Сытник О.В., Дубовицкий В.А. Алгоритм идентификации пространственно-распределенных объектов при двухчастотном зондировании поверхности Земли с помощью РСА // Изв. вузов. Радиоэлектроника. ? 2000. ? Т. 43, №11. ? С. 37-46.
Сытник О.В., Дубовицкий В.А. Особенности реализации авторегрессионных методов спектрального сверхразрешения при обработке сигналов радиолокатора с синтезированием апертуры антенны // Изв. вузов. Радиоэлектроника. ? 1999. ? Т. 42, №9. ? С. 14-18.
Пресняков И.Н., Сытник О.В. Оценка влияния ошибок измерения фазового центра антенны на алгоритм синтезирования апертуры // Изв. вузов. Радиоэлектроника. ? 1997. ? Т. 40, №6. ? С. 77-80.
Пресняков И.Н., Сытник О.В. Формирование остронаправленных диаграмм адаптивных антенных решеток в реальных условиях // Изв. вузов. Радиоэлектроника. ? 1997. ? Т. 40, №5. ? С. 31-37.
Карташов В.М., Сытник О.В., Васильченко А.А. Выбор алгоритма адаптации для антенной решетки содара // Радиотехника (Харьков). ? 2001. ? Вып. 120. - С. 57-63.
Поспелов Л.А., Клочко Г.И., Бычков Д.М., Сытник О.В., Малышенко Ю.И. Разработка измерительных систем комплекса "Экстратерм ХХІ" // Радиотехника (Харьков). ? 2001. ? Вып. 122. - С. 52-57.
Пресняков И.Н., Руденко О.Г., Сытник О.В. Адаптация антенной решетки в нестационарных условиях // Радиотехника (Москва). ? 1986. ? №11, С. 8-12.
Сытник О.В. Процедура сегментации изображений при боковом обзоре поверхности Земли // Радиотехника (Харьков). ? 1992. ? Вып. 97. - С. 28-33.
Сытник О.В. Оценка влияния свойств фазового шума аппаратуры на разрешение радиолокатора с синтезированием апертуры // Радиотехника (Харьков). ? 1990. ? Вып. 92. - С. 67-73.
Пресняков И.Н., Сытник О.В. Алгоритм адаптивного формирования диаграммы направленности антенной решетки в условиях интенсивных сигналов и помех // Радиотехника (Харьков). ? 1988. ? Вып. 87. - С. 71-78.
Пресняков И.Н., Сытник О.В. Быстрый алгоритм совместной пространственно-спектральной обработки сигналов в антенных решетках // Радиотехника (Харьков). ? 1988. ? Вып. 85. - С. 43-50.
Пресняков И.Н., Руденко О.Г., Сытник О.В. Адаптивная система для подавления помех в условиях априорной неопределенности // Радиотехника (Харьков). ? 1987. ? Вып. 82. - С. 6-12.
Пресняков И.Н., Сытник О.В. Особенности использования эффекта Доплера при пространственно-временной обработке сигналов. Часть 1 // Радиотехника (Харьков). ? 1986. ? Вып. 76. - С. 7-13.
Пресняков И.Н., Сытник О.В. Обработка сигналов со сложной структурой спектра в адаптивных антенных решетках // Радиотехника (Харьков). ? 1986. ? Вып. 79. - С. 59-65.
Пресняков И.Н., Сытник О.В. Особенности использования эффекта Доплера при пространственно-временной обработке сигналов. Часть 2 // Радиотехника (Харьков). ? 1986. ? Вып. 78. - С. 19-24.
Путятин Е.П., Добрынин А.А., Сытник О.В. Алгоритм вторичной обработки динамичных сцен // Автометрия. ? 1992. ? №5. ? С. 109-112.
Путятин Е.П., Гороховатский В.А., Добрынин А.А., Ересько Ю.Н., Сытник О.В. Определение параметров объектов по серии изображений // Автометрия. ? 1992. ? №4. ? С. 18-23.
Гороховатский В.А., Сытник О.В. Комбинированные алгоритмы статистической оценки параметров объектов на изображении // Автометрия. ? 1990. ? №2. ? С. 93-96.
Клочко Г.И., Логвиненко А.И., Сытник О.В. Алгоритм обработки сигналов для дистанционного акустического измерителя температуры // Радиотехника. Биомедицинские технологии и радиоэлектроника (Москва). ? 2002. ? №2. ? С. 18-25.
Курекин А.С., Гавриленко А.С., Ефимов В.Б., Сытник О.В. и др. Космический радиолокатор среднего разрешения с широкой полосой обзора // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. ? 2003. ? №4. ? С. 33-34.
Сытник О.В., Кабанов А.В., Ефимов В.Б., Курекин А.С., Цымбал В.Н. Критерий качества радиолокационного изображения когерентных систем дистанционного зондирования // Космічна наука і технологія (Киев). ? 2002. ? Т. 8. ? №2/3. ? С. 79-83.
Сытник О.В., Кабанов А.В., Ефимов В.Б. Метод оценки влияния траекторных ошибок на характеристики изображений в радиолокаторах с синтезированием апертуры антенны // Авіаційно-космічна техніка і технологія (Харьков). ? 2002. ? Вып. 27. ? С. 120-126.
Гороховатский В.А., Сытник О.В. Обнаружение подвижных объектов при анализе последовательности видеокадров // АСУ и приборы автоматики (Харьков). ? 2001. ? Вып. 115. ? С. 32-36.
Харламов В.И., Калмыков А.И., Цымбал В.Н., Сытник О.В. Космические радиолокационные системы дистанционного зондирования Земли. Анализ возможностей и информативности // Труды 7-го симпозиума "Радиолокационное исследование природных сред".? Ленинград. - 1989. ? С. 147-148.
Величко Л.Г., Синицын Ю.А., Сытник О.В., Щербинин И.В. Синтез феноменологических моделей процессов рассеяния и радиотеплового излучения электромагнитных волн в проблеме распознавания типов подстилающей поверхности // Труды Всесоюз. науч.-техн. конф. "Методы представления и обработки случайных сигналов и полей". ? Туапсе. ? 1989. ? С. 55-57.
Сытник О.В., Щербинин И.В. Алгоритм статистической идентификации состояния подстилающей поверхности // Труды Всесоюз. конф. "Статистические методы и системы обработки данных дистанционного зондирования окружающей среды". ? Минск. ? 1989. ? С. 152-153.
Kalmykov A.I., Tsymbal V.N., Blinkov A.N., Sytnik O.V.A Multi-Purpose Radar System for Remoute Sensing of the Earth from Space: General Concept and Ways of Implementation // Proc. Of the 6-th International School on Microwave Physics and Technique. ? Varna (Bulgaria). ? 1989.? P. 43-45.
Калмыков А.И., Сытник О.В., Цымбал В.Н., Зельдис В.И. и др. Многоцелевой радиолокационный комплекс дистанционного зондирования Земли с аэрокосмических носителей // Труды Всесоюз. конф. "Радиолокационные биосферные и экологические исследования космическими средствами". ? Звенигород. ? 1990. ? С. 30-31.
Presnyakov I.N., Sytnik O.V. High-Resolution Pattern Control in a Correlated Jammers and Signal Fields Environment // Proc. International Conf. (ICATT’95). ? Kharkov (UA). ? 1995. ? P. 37?38.
Presnyakov I.N., Sytnik O.V. The Estimation of Phase Measurement Errors on Airborn Synthetic Aperture Radar // Proc. International Conf. (ICATT’95). ? Kharkov (UA). ? 1995. ? P. 38?39.
Васильченко А.А., Карташов В.М., Сытник О.В. Особенности применения адаптивных антенных решеток в содарах // Труды 7-й Междунар. конф. "Теория и техника передачи, приема и обработки информации". ? Харьков. ? 2001. ? С. 483-484.
Sytnik O.V. The Robust Spatiotemporal Filtering of Signals in Correlated Noise // Proc. International Conf. ICATT’03. ? Sevastopol (UA). ? 2003. ? P. 359-361.
Efimov V.B., Kurekin A.S., Sytnik O.V. Two-Regime Radar // Proc. of 5th International European Conf. On Synthetic Aperture Radar. - Ulm (Germany). - 2004. - P. 4.1-4.4.
Sytnik O.V., Kurekin A.S., Efimov V.B. Algorithm of Adaptive Correction of Radar-Tracking Images // Proc. of 5th International European Conf. On Synthetic Aperture Radar. - Ulm (Germany). - 2004. - P. 13.1-13.4.