Разработка статистической модели и исследование адаптивных алгоритмов защиты от комбинированных помех - Дипломная работа

.3 Алгоритмы и устройства зашиты от комбинированных помех Разработка статистической модели и исследование адаптивных алгоритмов защиты от комбинированных помех 2.1 Принципы статистического (имитационного) моделирования измерительных радиолокационных систем в условиях воздействия комбинированных помехВ общем случае под радиолокационными системами принято понимать совокупность средств радиолокации предназначенных для информационного обеспечения процессов радиолокационной разведки, радиолокационного контроля и изучения наземного, воздушного и космического пространства страны в интересах успешного решения задач оборонного, научно-технического и социально-экономического характера. К задачам научно-технического характера относятся исследование средствами радиолокации ближнего и дальнего космоса, вещественно-полевой и гравитационной структуры вселенной, компонентного состава и форм взаимодействия планет солнечной системы и ближайших галактик и др. К задачам социально-экономического характера относятся управление воздушным движением гражданской авиации, картографирование рельефа местности и приземного слоя, метеорологическое наблюдение за состоянием атмосферы, орнитологический контроль за миграцией птиц и другое. В целом процесс обработки радиолокационной информации в радиолокационной системе включает следующие функционально законченные операции [1,4]: а) Обнаружение полезных (отраженных от цели) сигналов состоит в принятии решения о наличии или отсутствии цели в каждом выделенном элементе пространства с минимальными вероятностями ошибок; В процессе этой операции как показано на рисунке 1.1, производится статистическая оценка дальности до цели (например, по задержке отраженного сигнала относительно момента излучения зондирующего сигнала), ее азимута и угла места , закодированных в параметрах пространственно-временной модуляции отраженного сигнала;На рисунке 1.3 показано сечение зоны обнаружения РЛС в горизонтальной плоскости в отсутствие и при наличии внешних помех, где: - соответственно дальность действия РЛС без помех и в условиях действия помех; Импульсные активные помехи как показано на рисунке 1.2 в зависимости от регулярности повторения во времени могут быть синхронными (период повторения помех соответствует периоду повторения зондирующего сигнала) и несинхронными. Если помеха - гауссов процесс и на входе приемного тракта состоит из аддитивной смеси собственного белого шума, пассивной коррелированной помехи и активной помехи, то результирующую спектральную плотность помехи можно представить в виде Для того чтобы обеспечить когерентное вычитание помехи, принятой вспомогательной антенной из помехи, принятой боковыми лепестками диаграммы направленности основной антенны необходимо предварительно обеспечить равенство этих помех по амплитуде и фазе. Если на один из входов поступает помеха , то на втором входе эта помеха будет иметь вид , где - задержка сигнала, обусловленная разностью хода радиосигнала до приемных пунктов; - расстояния между антеннами; - направления на источник помех; - скорость распространения волнового фронта.В процессе дипломной работы было выполнено: Патентное исследование, в ходе которого были определены следующие способы защиты от комбинированных помех: Защита одновременно от всех видов помех выполняемое в одном устройстве без разделения на последовательную или параллельную структуру. Защита от комбинированных помех путем разделения обработки в пространственной и временной областях с последующим накоплением сигналов в оптимальном фильтре на фоне собственных шумов. Во втором способе последовательно при обработке в пространственной области осуществляется компенсация активной составляющей комбинированной помехи (активная помеха). При реализации третьего способа так же при пространственной обработке осуществляется компенсация активной помехи, но в отличие от второго способа обеспечивается минимальное изменение в спектральной составляющей пассивной помехи. Специфика рассмотренной исследовательской проблемы алгоритма защиты от комбинированных помех, осуществляющий раздельную обработку в пространственной и временной областях, в условиях взаимодействия различных типов помех (как активных, пассивных, так и комбинированных помех) связана с тем, что при действии на РЛС только активной или пассивной помех и обработки (подавления) этих помех в исследуемом алгоритме, возникают дополнительные ошибки и разрушение фазовой структуры полезного сигнала во время оптимального накопления.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Устройства, принципы и алгоритмы защиты от комбинированных помех

1.1 Общие сведения о радиолокационных системах

В процессе дипломной работы было выполнено: Патентное исследование, в ходе которого были определены следующие способы защиты от комбинированных помех: Защита одновременно от всех видов помех выполняемое в одном устройстве без разделения на последовательную или параллельную структуру.

Защита от комбинированных помех путем разделения обработки в пространственной и временной областях с последующим накоплением сигналов в оптимальном фильтре на фоне собственных шумов.

Осуществление подавления активной помехи на фоне пассивной за счет различий спектров принимаемых сигналов с последующим подавлением пассивной помехи.

Первый способ является трудным и практически нереализуемым как программно так и аппаратно, по причине невозможности создания полной идентичности всех многоканальных компенсационных устройств. По этой причине самые распространенные второй и третий способы. Первый способ является трудным и практически нереализуемым как программно так и аппаратно, по причине невозможности создания полной идентичности всех многоканальных компенсационных устройств. По этой причине самые распространенные второй и третий способы.

Во втором способе последовательно при обработке в пространственной области осуществляется компенсация активной составляющей комбинированной помехи (активная помеха). В последующем осуществляется подавление пассивной составляющей комбинированной помехи во временной области.

При реализации третьего способа так же при пространственной обработке осуществляется компенсация активной помехи, но в отличие от второго способа обеспечивается минимальное изменение в спектральной составляющей пассивной помехи.

Разработка статистической модели адаптивной РЛС с линейной ФАР. Проведено статистическое (имитационное) моделирование первого способа (алгоритма) защиты от комбинированных помех на персональной ЭВМ. Экономическое обоснование затрат на реализацию исследуемых алгоритмов в различных условиях воздушной и помеховой обстановки, а также основные принципы обеспечения безопасности (оптимального и допустимого микроклимата) технического персонала (операторов), осуществляющего боевую работу.

Специфика рассмотренной исследовательской проблемы алгоритма защиты от комбинированных помех, осуществляющий раздельную обработку в пространственной и временной областях, в условиях взаимодействия различных типов помех (как активных, пассивных, так и комбинированных помех) связана с тем, что при действии на РЛС только активной или пассивной помех и обработки (подавления) этих помех в исследуемом алгоритме, возникают дополнительные ошибки и разрушение фазовой структуры полезного сигнала во время оптимального накопления. Для исключения данных недостатков желательно дополнительно в схему алгоритма включить устройство (алгоритм) измерения (определения) помеховой обстановки для переключения работы алгоритма только на обработку в пространственной или временной областях.

радиолокационный помеха статистическое моделирование

ВВЕДЕНИЕ

Радиолокация представляет собой отрасль радиотехники, обеспечивающую получение сведений об объектах путем приема и анализа энергетических, пространственно-временных, поляризационных и частотных параметров электромагнитных колебаний (радиоволн). Объекты радиолокации называют радиолокационными целями, к которым относят: а) аэродинамические (самолеты, вертолеты, крылатые ракеты и пр.);

б) космические (спутники, баллистические ракеты и пр.);

в) наземные (надводные) объекты - автомобили, танки, корабли и пр.;

г) объекты природного происхождения (облака, лесные и горные массивы, природные ионосферные аномалии, планеты и пр.).

Совокупность получаемых сведений об объектах называют радиолокационной информацией (РЛИ). Поэтому термину «радиолокационная цель» придают информационное содержание. В основе получения РЛИ находится некоторая совокупность радиолокационных методов, обеспечивающих выявление следующих сведений о целях: пространственных координат и законов их изменения во времени (траекторий цели); радиальной скорости, государственной принадлежности и типа (класса) цели.

Для реализации радиолокационных методов создаются специальные радиотехнические средства, называемые радиолокационными станциями (РЛС). Совокупность нескольких разнофункциональных РЛС (например, дальномера и радиовысотомера) называют радиолокационным комплексом (РЛК).

Радиолокационные станции обзорного типа ведут обзор воздушного пространства в некоторой области воздушного пространства, называемого зоной обнаружения РЛС. В процессе обзора они решают комплекс задач радиолокационного наблюдения, включающий обнаружение объекта локации на фоне внутренних шумов приемного устройства и внешних помех, измерение его пространственных координат (азимута, дальности, угла места или высоты) и параметров движения (радиальной скорости), разрешение по координатам близко расположенных целей, определение государственной принадлежности по принципу «свой - чужой», распознавание классов объектов по принципу «крылатая ракета - истребитель - бомбардировщик», обнаружение (завязка) трасс целей и их автоматическое сопровождение (для обзорных РЛС с цифровой обработкой сигналов, содержащих элементы вторичной обработки сигналов).

Радиолокационные станции сопровождения, в отличие от РЛС обзорного типа, решают задачи автоматического сопровождения одной или нескольких целей по угловым координатам, дальности и скорости. В таких РЛС принципиально важными техническими устройствами являются угловые, временные и частотные дискриминаторы, обеспечивающие формирования сигнала ошибки (так называемой невязки), пропорционального величине отклонения измеряемой координаты от заданного (опорного) значения. Сигнал ошибки, пройдя цепи сглаживания и фильтрации, используется в контуре слежения за целью для уменьшения степени отклонения измеряемого параметра сопровождаемой цели от его истинного значения.

Современный этап развития радиолокационных систем характеризуется наличием широкого класса внешних активных и пассивных помех, а так же их разнообразных комбинаций.

Защита РЛС различного назначения от радиопомех представляет собой одну из важнейших проблем, возникающих как при разработке, так и при использовании в боевой работе. Данная проблема обусловлена прежде всего увеличением количества радиоэлектронной аппаратуры и разнообразием выполняемых ее задач, вследствие чего возрос уровень взаимных помех. Помехи создаются также промышленными предприятиями, электробытовыми приборами, а так же быстро развивающимися методами и средствами радиопротиводействия, использующие многообразие типов преднамеренных радиопомех, снижающих эффективность выделения полезных сигналов. Помеховая обстановка, в которой приходится работать современным РЛС, характеризуется наличием комбинированно взаимодействующих многообразных видов помех, имеющих, как естественное, так и искусственное происхождение.

За прошедшее время были разработаны и внедрены в использование эффективные алгоритмы и устройства (оптимальные фильтры с постоянными параметрами) подавления помех с известной априорной информацией. Для борьбы с РЛС использующие такие устройства и алгоритмы, силы и средства радиопротиводействия стали использовать комбинированные помехи, параметры которых априори не определены.

Комбинированные помехи представляют собой комбинации различных видов активных и пассивных помех, и полезного сигнала, которые подразделяются на: аддитивные - чаще называют шумом, представляет собой сумму полезного сигнала, активной и пассивной помех;

мультипликативные - действие которых проявляется в нерегулярном изменении уровня сигнала;

полуактивные - создаются облучением активными помехами пассивных отражающих структур.

Для борьбы с комбинированными радиопомехами разработаны и разрабатываются эффективные средства их фильтрации (подавления).

Фильтры, используемые для решения задач подавления помех, могут иметь постоянные параметры или быть адаптивными. Синтез фильтров с постоянными параметрами обязательно основан на априорных сведениях о сигнале и помехи, и адаптивные фильтры обладают свойством автоматически перестраивать свои параметры, и при их синтезе почти не требуется априорных сведений о свойствах сигнала и помехи, таковыми и являются комбинированные помехи.

Адаптивные фильтры используют вспомогательный или эталонный входной сигнал, получаемый от одного или нескольких источников, располагаемых в тех точках поля помех, где сигнал является слабым или не обнаруживается. Этот входной сигнал помехи фильтруется и выделяется из смеси сигнала и помехи. В результате исходная помеха подавляется или ослабляется.

На первый взгляд выделение помехи из принятого сигнала имеет свои отрицательные стороны. При неправильной фильтрации может возрасти мощность помехи на выходе системы. Однако во многих случаях при управлении фильтрацией и выделении помехи с помощью соответствующего адаптивного алгоритма подавления помех, часто можно достичь такого положительного результата, которого трудно или невозможно прямыми методами фильтрации.

В последующем, изза необходимости работы в условиях воздействия помех с нескольких точек пространства и ослабления влияния ошибок амплитудно-фазового распределения фазированных антенных решеток (ФАР), акценты и приоритеты в развитии адаптивного обнаружения сместились в сторону комбинированных алгоритмов, использующих одновременно текущую оценку матрицы, обратной корреляционной матрице помех, и корреляционную обратную связь [2]. В последнее время развитие алгоритмов адаптивного обнаружения связано с применением элементов искусственного интеллекта, в том числе и так называемых нейронных сетей.

Практическая ценность того или иного алгоритма защиты заключается не только в высокой эффективности, но и в возможности их технической реализации с минимально необходимыми вычислительными или аппаратурными затратами в реальном масштабе времени.

Техническая реализация быстродействующих адаптивных алгоритмов защиты на базе ФАР с оценкой обратной корреляционной матрицы помех, связана со значительными техническими трудностями. В то же время, имеющиеся в настоящее время современные вычислительные средства с соответствующим программно-математическим обеспечением и быстродействием позволяют обойтись без весьма затратных натурных экспериментов и провести достоверную экспериментальную проверку синтезированных алгоритмов и измерительных устройств на основе верифицированных статистических моделей.

Целью дипломной работы является исследовать найденные алгоритмы обеспечивающие защиту от комбинированных помех и удовлетворяющие техническому заданию дипломной работы. Исследование будет проводиться по критериям быстродействия и максимального подавления помехи.

Для достижения цели дипломной работы необходимо выполнить следующие задачи: Произвести обзор литературы, поиск и анализ алгоритмов, которые можно применить для защиты от комбинированных помех.

Разработка структурных схем и математических моделей алгоритмов защиты от комбинированных помех.

Разработка статистической модели алгоритмов для исследования по критериям быстродействия и максимального подавления.

В главе 1 будут приведены: общие сведения о измерительных радиолокационных системах, характеристика комбинированных помех, выполнен обзор литературы, поиск алгоритмов и их анализ.

В главе 2 будет произведена разработка статистической модели алгоритмов для исследования по критериям быстродействия и максимального подавления, а также проведено само исследование.

В главе 3 будет выполнено технико-экономическое обоснование работы.

Глава 4 будет посвящена безопасности и экологичности проекта.

1. Устройства, принципы и алгоритмы защиты от комбинированных помех.Теоретические основы радиолокации / Ширман Я.Д., Голиков В.Н., Бусыгин И.Н. и др.; ред. Ширмана Я.Д. - М.: Сов.радио, 1970. - 560 с.

Ширман Я.Д., Манжос В.Н. Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех.- М.: Радио и связь, 1981. - 416 с.

Ботов М.И., Вяхирев В.А. Теоретические основы радиолокационных систем РТВ: Учебн. Пособие / Ботов М.И., Вяхирев В.А. - Красноярск: Сибирский федеральный университет, 2007. - 346с.

Радиоэлектронные системы. Основы построения и теория: справочник / Я.Д. Ширман, Ю.И. Лосев, Н.Н. Минервин и др.; ред. Я.Д. Ширман. - М.: ЗАО «МАКВИС», 1998. - 828 с: ил.

Защита радиолокационных систем от помех. Состояние и тенденции развития. / Под ред. А. И. Канащенково и В. И. Меркулова. - М.: Радиотехника, 2003. - 416 с.: ил.

Радзиевский В.Г. Теоретические основы радиолокационной разведки / Радзиевский В.Г., Сирота А.А. - М.: Радиотехника, 2004. - 432 с.

Лосев Ю.И., Бердников А.Г. и др. Адаптивная компенсация помех в каналах связи / Ю.И. Лосев, А.Г. Бердников и др.; Под ред. Ю.И. Лосева. - М.: Радио и связь, 1988. - 208 с.

Ботов М.И., Вяхирев В.А. Метод статистического моделирования в задачах синтеза и верификации сложных радиолокационных комплексов / Материалы Международной конференции «Вычислительные и информационные технологии в науке, технике и образовании». Том 9, часть 1. «Вычислительные технологии» - Алматы - Новосибирск, 2004. - С. 324 - 330.

Лозовский И.Ф. Построение и эффективность адаптивной обработки сигналов в условиях воздействия комбинированных помех / Успехи современной радиоэлектроники №1, 2010.

Лозовский И.Ф. Адаптивная обработка пачки сигналов с вобуляцией периода в условиях комбинированных помех / Радиотехника №2, 2008.

Анохин В.Д. Обработка радиолокационных сигналов на фоне комбинированных помех / Радиотехника №5, 2009.

Бакулев П.А. Радиолокационные системы. Учебник для вузов. - М.: Радиотехника, 2007. - 320с., ил.

Уилдроу Б., Стирнз С. Адаптивная обработка сигналов: Пер с англ. - М.: Радио и связь, 1989. - 440 с.: ил.

Современная радиоэлектронная борьба. Вопросы методологии / под ред. В.Г. Радзиевского. - М.: Радиотехника, 2006.

Григорьев Л.Н. Цифровое формирование диаграммы направленности в фазированных антенных решетках. - М.: Радиотехника, 2010.

Леонов, А. И. Моделирование в радиолокации / А. И. Леонов, В. Н. Васенев и др. под ред. А. И. Леонова / М.: Сов. Радио,1979, 264 с.

Быков, В. В. Цифровое моделирование в статистической радиотехнике М.: Сов. Радио,1971, 328 с.

Методические указания для выполнения лабораторных работ по дисциплине «ОПИПО».

Безопасность жизнедеятельности: Учебник для вузов/ С.В. Белов, А.В. Ильницкая, А.Ф. Козьяков и др.; Под общ. ред. С.В. Белов. 7-е изд., стер. - М.: Высш. шк. 2007. - 616с.: ил.

Санитарные правила и нормы. САНПИН 2.2.4.548-96 «Гигиенические требования к микроклимату в производственных помещения».

Размещено на .