Оптимальный приемник-обнаружитель сигнала управляемого пассивного рассеивателя с амплитудной модуляцией

Управляемый пассивный рассеиватель представляет собой устройство, осуществляющее переизлучение падающего на его поверхность электромагнитного поля и модуляцию его параметров за счет изменения свойств своих электродинамических характеристик. К управляемым пассивным рассеивателям относятся объекты, совершающие механическое перемещение, например вращающийся диск, электрически управляемые приборы, полупроводниковый диод с выводами, которые выполняют роль вибратора, полупроводниковый диод, расположенный в волноводе, газоразрядный прибор, неравновесная концентрация носителей заряда в полупроводниковых панелях и другие. В зависимости от типа управляемого пассивного рассеивателя они осуществляют различные виды модуляции переизлученного сигнала — амплитудную, фазовую, частотную, а также различные виды манипуляции с сигналом. Широко распространенным управляемым пассивным рассеивателем, осуществляющим амплитудную модуляцию сигнала, является полупроводниковый диод с выводами-вибраторами (диод-диполь).

Управляемые пассивные рассеиватели применяются для регистрации пространственного распределения электромагнитного поля в волноводах, объёмных резонаторах, в раскрывах зеркальных антенн и фазированных антенных решёток. Из совокупности управляемых пассивных рассеивателей строят многоэлементные матрицы для регистрации радиоголограмм и радиоизображений различных объектов, в том числе радиопрозрачных, но осуществляющих фазовые изменения в первоначальном, облучающем электромагнитном поле. Регистрация радиополей многоэлементными системами из управляемых пассивных рассеивателей осуществляется в реальном масштабе времени. Это свойство системы позволяет регистрировать динамически меняющиеся радиоголограммы и радиоизображения.

Управляемые пассивные рассеиватели используются в качестве радиомаяков в системах навигации, при настройке антенн радиолокационных станций. В правоохранительных органах актуально применение управляемых пассивных рассеивателей в качестве радиометок для различных объектов и людей. Так, в ряде зарубежных стран используются радиопередающие устройства, которые закрепляются на теле осужденных для контроля их местоположения. Управляемые пассивные рассеиватели, работающие в режиме управления за счёт энергии падающей волны, могут заменить подобные устройства, имея при этом эксплуатационные преимущества в виде отсутствия химических элементов электропитания.

Управляемые пассивные рассеиватели могут быть использованы в качестве датчиков в приборах охранной сигнализации, обеспечивая беспроводную систему передачи сигналов о несанкционированном доступе на объект.

Система передачи информации, в которой используется управляемый пассивный рассеиватель, включает в свой состав высокочастотный генератор с облучающей антенной и приёмник переизлученного рассеивателем сигнала с приёмной антенной. При ограничении на излучаемую мощность увеличить дальность обнаружения сигнала, переизлученного управляемым пассивным рассеивателем, можно путем повышения чувствительности радиоприёмника.

Радиоприёмники и оптимальные радиоприёмники, осуществляющие приём амплитудно-модулированных сигналов, известны. Однако условия приёма амплитудно-модулированных сигналов, переизлучаемых управляемыми пассивными рассеивателям, имеют особенности, в частности приём сигнала осуществляется на фоне сигнала несущей частоты, параметры которого неизвестны, при этом параметры модуляции могут быть известны или неизвестны. Действительно, управляемые пассивные рассеиватели целесообразно использовать в качестве устройств передачи информации в том случае, если они не находятся в свободном пространстве, а окружены различными предметами. Именно в этой ситуации наиболее полно реализуются их свойства — передачи информации с выделенного элемента пространства за счёт дополнительной модуляции падающего на его поверхность электромагнитного поля. В различных схемах регистрации сигнала от управляемого пассивного рассеивателя возможны варианты, в которых имеется различная априорная информация о параметрах модуляции, об амплитуде и фазе фонового сигнала.

С учётом двух вышеупомянутых особенностей регистрации сигналов управляемых пассивных рассеивателей с амплитудной модуляцией синтез оптимального приёмника для обнаружения этих сигналов прежде не производился.

Цель диссертационной работы состоит в синтезе оптимального приёмника для обнаружения сигнала управляемого пассивного рассеивателя с амплитудной модуляцией на фоне отраженного сигнала несущей частоты и помех.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

— синтезировать оптимальный алгоритм обнаружения сигнала управляемого пассивного рассеивателя с амплитудной модуляцией с известными и неизвестными параметрами на фоне когерентного и некогерентного переотраженного сигнала и помех;

— разработать блок-схему приёмного устройства для обнаружения сигнала управляемого пассивного рассеивателя с амплитудной модуляцией с известными и неизвестными параметрами на фоне когерентного и некогерентного переотраженного сигнала и помех;

— вычислить характеристики оптимальных алгоритмов обнаружения сигнала управляемого пассивного рассеивателя с амплитудной модуляцией с известными и неизвестными параметрами на фоне когерентного и некогерентного переотраженного сигнала и помехоценить возможности реализации блок-схемы приёмного устройства с помощью стандартных радиотехнических цепей и устройств, а также составить схемы приёмников.

Методы проведения исследования. Решение поставленных задач основывается на методах статистической радиотехники, математической статистики, теории вероятностей, математического анализа, высшей алгебры и теории матриц. В работе использованы методы теории радиотехнических цепей и устройств, технической электродинамики, а также теории радиоприёмных устройств.

В результате выполненных исследований впервые получены следующие результаты, которые обладают научной новизной:

— синтезированы алгоритмы оптимальной обработки сигнала управляемого пассивного рассеивателя с амплитудной модуляцией при различном объёме априорных сведений о сигнале и при его приёме на фоне переотраженного сигнала на частоте несущего колебания и помехисинтезирован алгоритм обработки сигнала управляемого пассивного рассеивателя для особых условий синтеза методом максимального правдоподобия с регуляризацией оценок неизвестных параметров сигнала по Муру — Пенроузу;

— разработаны блок-схемы оптимальных приёмных устройств сигнала управляемого пассивного рассеивателя с амплитудной модуляцией при различном объёме априорных сведений о сигнале и при его приёме на фоне переотраженного сигнала на частоте несущего колебания и помехи;

— вычислены характеристики оптимальных приёмных устройств сигнала управляемого пассивного рассеивателя с амплитудной модуляцией при различном объёме априорных сведений о сигнале и при его приёме на фоне переотраженного сигнала на частоте несущего колебания и помехи;

— составлены квазиоптимальные электрические схемы приёмных устройств сигнала управляемого пассивного рассеивателя с амплитудной модуляцией при различном объёме априорных сведений о сигнале и при его приёме на фоне переотраженного сигнала на частоте несущего колебания и помехи.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Алгоритмыоптимальной обработки сигнала управляемого пассивного рассеивателя с амплитудной модуляцией при различном объёме априорных сведений о сигнале и при его приёме на фоне переотраженного сигнала на частоте несущего колебания и помех.

2. Блок-схемы оптимальных приёмных устройств сигнала управляемого пассивного рассеивателя с амплитудной модуляцией при различном объёме априорных сведений о сигнале и при его приёме на фоне переотраженного сигнала на частоте несущего колебания и помех.

3. Характеристики оптимальных приёмных устройств сигнала управляемого пассивного рассеивателя с амплитудной модуляцией при различном объёме априорных сведений о сигнале и при его приёме на фоне переотраженного сигнала на частоте несущего колебания и помех.

4. Квазиоптимальные схемы приёмных устройств сигнала управляемого пассивного рассеивателя с амплитудной модуляцией при различном объёме априорных сведений о сигнале и при его приёме на фоне переотраженного сигнала на частоте несущего колебания и помех.

5. Синтезированные блок-схемы оптимальных и квазиоптимальных приёмных устройств, которые позволяют реализовать их для построения системы передачи информации с помощью управляемых пассивных рассеивателей.

Внедрение результатов диссертационных исследований. 8.

Полученные в диссертационной работе результаты научных исследований внедрены в деятельность ОАО «Электросигнал» и учебный процесс в Воронежском институте ФСИН России.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

— Всероссийской научно-практической конференции курсантов, слушателей, студентов, адъюнктов и соискателей «Актуальные вопросы эксплуатации систем охраны и защищенных телекоммуникационных систем», Воронеж, ВИ МВД России, 2004;

— Всероссийской научно-практической конференции курсантов, слушателей, студентов, адъюнктов и молодых специалистов «Актуальные вопросы совершенствования систем безопасности и связи в борьбе с преступностью», Воронеж, ВИ МВД России, 2006;

— Международной научно-практической конференции «Обеспечение общественной безопасности в Центральном федеральном округе РФ», Воронеж, ВИ МВД России, 2007;

— Всероссийской научно-практической конференции курсантов, слушателей, студентов, адъюнктов и молодых специалистов «Актуальные вопросы эксплуатации систем охраны и защищенных телекоммуникационных систем», Воронеж, ВИ МВД России, 2007;

— Всероссийской научно-практической конференции «Охрана, безопасность и связь», Воронеж, ВИ МВД России, 2007;

-. Всероссийской научно-практической конференции «Преступность в России: состояние и проблемы предупреждения и раскрытия преступлений», Воронеж, ВИ МВД России, 2008;

— Открытой конференции преподавателей и сотрудников Воронежского института ФСИН России «Актуальные проблемы деятельности подразделений УИС», Воронеж, 2008;

— 63-й всероссийской научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава, научных работников и аспирантов ВГАСУ с участием представителей исследовательских, проектно-конструкторских, строительных и общественных организаций, Воронеж, 2008;

— Всероссийской научно-практической конференции УИС «Техника и безопасность объектов УИС», Воронеж, 2008;

— Всероссийской научно-практической конференции курсантов, слушателей, студентов, адъюнктов и молодых специалистов «Актуальные вопросы эксплуатации систем охраны и защищенных телекоммуникационных систем», Воронеж, ВИ МВД России, 2009.

По теме диссертации опубликовано 22 работы.

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения.

Выводы.

1. Синтезирован алгоритм оптимального приемника по обнаружению сигнала управляемого пассивного рассеивателя, диода-диполя, имеющего амплитудную модуляцию с известными параметрами на фоне некогерентного переотраженного сигнала.

Приёмник синтезирован обобщенным методом максимального правдоподобия путем максимизации по неизвестным параметрам амплитудам и фазам сигнала управляемого пассивного рассеивателя и фонового сигнала. Алгоритм обнаружения сигнала состоит в формировании разности билинейных форм, составленных из квадратурных компонент корреляционного интеграла с весовыми множителями, которые зависят от известных параметров сигнала.

2. Синтезирована блок-схема приёмника' из стандартных блоков и узлов. Для оптимального обнаружения сигнала управляемого пассивного рассеивателя на фоне некогерентного сигнала в схеме осуществляется приём сигнала только на боковых частотах амплитудно-модулированного сигнала.

3. Найдена статистика для выходного напряжения оптимального-приёмника. Для гипотезы отсутствия сигнала — статистика выходного напряжения хи-квадрат с двумя степенями свободы, для гипотезы наличия сигнала — статистика нецентрального хи-квадрат распределения с двумя степенями свободы.

4. Найдены характеристики приёмника-обнаружителя. Вероятность правильного обнаружения приёмника зависит от отношения сигнал-шум сигнала управляемого пассивного рассеивателя по боковым составляющим.

5. На основании анализа прохождения сигналов по типовым радиотехническим цепям и сопоставления этих результатов с алгоритмом.

160 обработки сигналов управляемого пассивного рассеивателя с известными параметрами модуляции составлена квазиоптимальная электрическая схема приёмного устройства.

6. Синтезирован алгоритм оптимального приемника по обнаружению сигнала управляемого пассивного рассеивателя, диода-диполя, имеющего амплитудную модуляцию с неизвестными параметрами на фоне некогерентного переотраженного сигнала.

Приёмник синтезирован обобщенным методом максимального правдоподобия путем максимизации по неизвестным параметрам сигнала. Для синтеза приемника применена регуляризация оценок неизвестных параметров по Муру — Пенроузу. Алгоритм обнаружения сигнала состоит в формировании суммы квадратов квадратурных компонент корреляционного интеграла.

7. Синтезирована блок-схема приёмника из стандартных блоков и узлов. Для оптимального обнаружения сигнала управляемого пассивного рассеивателя с неизвестными параметрами, модуляции на фоне некогерентного отраженного сигнала в схеме выделяются только боковые составляющие амплитудно-модулированного сигнала.

8. На основании анализа прохождения сигналов по характерным радиотехническим цепям и сопоставления этих результатов с алгоритмом обработки сигналов составлена квазиоптимальная электрическая схема приёмного устройства с неизвестными параметрами модуляции.

9. Найдена статистика алгоритма обработки сигналов с неизвестными параметрами модуляции. При гипотезе отсутствия сигнала статистика выходного напряжения описывается распределением хи-квадрат с четырьмя степенями свободы. При гипотезе наличия сигнала управляемого пассивного рассеивателя статистика выходного напряжения описывается нецентральным хи-квадрат распределением с четырьмя степенями свободы.

10. Вычислены характеристики оптимального приёмника-обнаружителя сигналов с неизвестными параметрами модуляции. Вероятность правильного обнаружения зависит от отношения сигнал-шум сигнала управляемого пассивного рассеивателя по боковым составляющим.

11. Характеристики приёмника с известными параметрами модуляции лучше, чем с неизвестными, и для случая некогерентного фонового переотраженного сигнала.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертационная работа посвящена синтезу оптимального приемника-обнаружителя сигнала управляемого пассивного рассеивателя с амплитудной модуляцией с априори известными и неизвестными параметрами модуляции при его обнаружении на фоне когерентного и некогерентного переотраженных сигналов поступающих в приёмник на частоте несущего колебания. В работе выполнен полный цикл синтеза приёмника, начиная с целевой функции и заканчивая электрической схемой приёмного устройства. По целевой функции наилучшего обнаружения сигнала на фоне помех с помощью полного описания реализации и достаточно мощного правила различения гипотез построен алгоритм обработки реализации сигнала. В алгоритме учтены особенности приёма сигнала управляемого пассивного рассеивателя, такие как наличие фоновых переотражений, существующих при наличии и отсутствии сигнала управляемого пассивного рассеивателя и имеющих частоту, совпадающую с частотой несущего колебания полезного сигнала и традиционные априорные неопределённости. Для синтеза алгоритма обработки сигнала с вышеупомянутыми особенностями применён хорошо разработанный метод максимального правдоподобия. Однако его применение с ростом числа неизвестных параметров наталкивается на трудности вынесения оптимальной оценки по наблюдаемой реализации. Один из выходов в такой ситуации — это сокращение числа оцениваемых параметров путем их назначения через процедуру регуляризации по Муру — Пенроузу. Именно этот способ был применён в работе при синтезе алгоритма обработки реализации для случая, имеющего наибольшую размерность по числу оцениваемых параметров, при неизвестных параметрах модуляции и некогерентных фоновых переотражениях. Этот нетрадиционный подход для синтеза алгоритмов обработки реализаций.

163 начал применяться в последнее время и имеет доказательство минимизации характеристики рассеяния оценки, полученной таким способом.

В соответствии, с традициями при синтезе алгоритмов обработки сигналов, имеющих случайные значения, в работе найдены характеристики алгоритмов обнаружения. Из синтезированных четырех алгоритмов три имеют известные табличные распределения статистики значений выходного напряжения хи-квадрат распределение или нецентральное хи-квадрат распределение для соответствующих гипотез. В одном алгоритме, при известных параметрах модуляции сигнала, который обнаруживается на фоне когерентных переотражений, статистика выходного напряжения не имеет известного табличного вида и расчёт характеристик осуществлялся через вычисление интегралов.

Обычно в статистической радиотехнике принято завершать работу по синтезу приёмного устройства после получения вышеупомянутых результатов. Однако для практики представляет интерес синтез электрических схем приёмников, которые реализуют разработанные алгоритмы. Поэтому в работе выполнено продолжение этапов' синтеза приёмного устройства и получены" квазиоптимальные схемы по реализации разработанных алгоритмов. Это направление исследований не так широко представлено в литературе по статистической радиотехнике, и развитие полного, комплексного подхода, объединяющего традиционные этапы синтеза статистической радиотехники и классической радиотехники, представляет научный и практический интерес.

В целом по диссертации получены следующие результаты.

1. Получено обобщающее уравнение для расчёта мощности сигнала пассивного рассеивателя в случае нелинейно-параметрической модуляции.

2. При расчёте отношения сигнал-шум длительность сигнала управляемого пассивного рассеивателя ограничена параметрами радиотехнического устройства, в частности добротностью колебательного контура или потерями в конденсаторе.

3. Найдены соотношения для расчёта мощности при дистанционном управлении рассеивателем в случае использования параметрического способа накопления энергии.

4. Синтезирован алгоритм оптимального приемника по обнаружению сигнала управляемого пассивного рассеивателя с амплитудной модуляцией при известных и неизвестных параметрах на фоне когерентного и некогерентного переотраженного сигнала и помех.

Приёмник синтезирован обобщенным методом максимального правдоподобия путем максимизации по неизвестным параметрам сигнала. В случае обнаружения сигнала с неизвестными параметрами модуляции на фоне некогерентных переоражений при максимизации использована процедура регуляризации решения по Муру — Пенроузу. Алгоритм обнаружения сигнала состоит в формировании разности билинейных форм, составленных из квадратурных компонент корреляционного интеграла с весовыми множителями, которые зависят от известных параметров сигнала.

5. Синтезированы из стандартных блоков и узлов блок-схемы приёмников сигналов управляемых пассивных рассеивателей с амплитудной модуляцией при известных и неизвестных параметрах на фоне когерентного и некогерентного переотраженного сигнала и помех.

6. Найдена импульсная характеристика одноконтурного параметрического усилителя. Записано выражение для импульсной характеристики при значительном усилении, при стремлении коэффициента глубины модуляции емкости к пороговому значению. В этом случае импульсная характеристика усилителя эквивалентна импульсной характеристике идеального колебательного контура, но зависит от фазы генератора накачки.

7. Найдены характеристики приёмника-обнаружителя. Вероятность правильного обнаружения приёмника зависит от отношения сигнал-шум сигнала управляемого пассивного рассеивателя.

8. На основании анализа прохождения сигналов по типовым радиотехническим цепям и сопоставления этих результатов с оптимальным алгоритмом обработки сигналов составлена квазиоптимальная электрическая схема приёмного устройства для сигналов управляемых пассивных рассеивателей с амплитудной модуляцией при известных и неизвестных параметрах на фоне когерентного и некогерентного переотраженного сигнала и помех.

При когерентном фоновом переотраженном сигнале он компенсируется путем вычитания из суммарного по всем гармоникам сигнала управляемого пассивного рассеивателя. При некогерентном фоне и неизвестных параметрах модуляции обнаружение сигнала осуществляется только по энергии боковых гармоник сигнала управляемого пассивного рассеивателя.