Разработка и исследование алгоритмов обработки сигналов в РСА способом рекуррентного оценивания

Современные радиолокационные станции (РЛС) с синтезированной апертурой антенны (РСА), позволяющие получить радиолокационное изображение (РЛИ) местности с разрешением порядка единиц метров, вследствие ряда присущих им принципиальных достоинств являются на сегодняшний день одним из основных бортовых радиоэлектронных средств дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Во-первых, РЛС, установленные на носителях воздушного и космического базирования, позволяют получать РЛИ земной поверхности (ЗП) и расположенных на ней объектов независимо от времени суток, уровня освещенности, в любых метеорологических условиях, на огромных площадях и на больших дальностях наблюдения. Во-вторых, появляющиеся новые идеи построения РЛС позволяют повысить их разрешающую способность по дальности и азимуту и приблизить информационные возможности радиолокационных средств к оптическим. Также к существенным достоинствам радиолокационных комплексов следует отнести:

— возможность индикации и анализа широкого диапазона физических явлений на зондируемой поверхности Земли;

— гибкость в управлении и изменении параметров, позволяющих варьировать положение и размеры зоны обзора, разрешающую способность и способ представления информации;

— оперативность получения РЛИ вплоть до реального масштаба времени (РМВ) непосредственно на борту носителя РСА.

Благодаря этому РСА находят все более широкое применение при решении многих задач обзора ЗП, обнаружения малоразмерных целей, получения высокодетальных изображений территории, оперативного картографирования больших участков местности особенно в труднодоступных районах Земли.

К современным тенденциям в области радиолокации можно отнести следующие основные направления:

— использование радиолокационных данных в различных отраслях в качестве пространственной основы для решения широкого круга задач, в том числе совместно с данными оптического диапазона;

— получение данных в РМВ;

— создание высокоточных цифровых моделей местности;

— определение просадок и подвижек ЗП с высокой точностью;

— применение поляриметрических данных;

— использование новых подходов в обработке данных.

Отличительное свойство правильно спроектированной РСА — ее гибкость, которая обеспечивает большое число рабочих режимов.

Основным источником исходных данных для решения многих задач являются материалы космических съемок с пространственным разрешением около 0,5 м. Такой уровень разрешения необходим для доведения до уровня 0,9 коэффициента полноты содержания топографических карт масштаба 1:25 ООО по всем топографическим объектам местности и до уровня 0,8 — масштаба 1:10 ООО.

Ведущие специалисты в области РСА [1- 2] отмечают ограничения традиционных способов обработки траекторных сигналов и необходимость в разработке более совершенных алгоритмов, поскольку, на данный момент времени, существующие алгоритмы обработки, не позволяют в полной мере использовать все возможности РСА, уже не говоря об их расширении. В целях получения радиолокационных данных с такими измерительными свойствами для решения целрго класса картографических задач, исключения зависимости от зарубежных источников, а также в целях осуществления прорыва в космических технологиях представляется необходимым создание новых научных подходов к построению РСА. В результате чего, любой шаг, расширяющий научное знание, очень ценен. Данная диссертационная работа раскрывает иной подход к решению этого вопроса, являясь новой ступенью в теории радиолокации. Поэтому, помимо повышения престижа России на мировой научной сцене, исследование и внедрение в РСА перспективных способов обработки сигналов позволит занять пустующую нишу получения радиолокационных данных с такими измерительными свойствами, которые обеспечат их эффективное использование в задачах крупномасштабного картографирования и разведке, а также будут востребованы в ряде других отраслей социально-экономической сферы.

Достижение РСА субметровой (менее 1 м) линейной разрешающей способности фактически приравняло бы их по возможностям к оптико-электронным системам, которые на дальностях действия РСА уже близки к физически реализуемому пределу. Кроме того, практическое использование РСА сопровождается интенсивным обсуждением результатов и выдвижением новых теоретических концепций, направленных на расширение их возможностей.

Актуальность работы определена тем, что применение в РСА алгоритмов оптимальных по критерию минимума среднего квадрата ошибки позволило бы повысить качество РЛИ, и сделало бы возможным распознавание практически всех целей в любое время суток и в любую погоду при заданной минимальной вероятности ошибки.

Актуальной задачей является также обеспечение оперативности получения РЛИ. Требование оперативности возникает, например, при проведении военной разведки, мониторинга и анализа чрезвычайных ситуаций. Поэтому, помимо обеспечения качества радиолокационных данных, разрабатываемые алгоритмы должны обладать и высоким быстродействием.

Решение задачи синтеза оптимальных алгоритмов обработки траекторных сигналов может быть найдено в рамках статистической теории радиотехнических систем.

Целью настоящей диссертационной работы является повышение эффективности использования бортовых РСА авиационного и космического базирования путём улучшения разрешающей способности по азимуту в реальном масштабе времени.

Для достижения поставленной цели представляется необходимым решение следующих вопросов:

— провести аналитический обзор взглядов на современную теорию обработки радиолокационных сигналов;

— рассмотреть виды обзора и способы обработки, применяемые в современных РСА;

— синтезировать рекуррентный алгоритм обработки траекторных сигналов, оптимальный по критериям минимума среднего квадрата ошибки;

— исследовать качество и вычислительную сложность разработанного алгоритма, а также изучить особенности его программной реализации;

— провести сравнительный анализ эффективности синтезированного алгоритма с традиционными способами обработки траекторного сигнала в РСА;

— разработать пакет прикладных программ для моделирования синтезированного алгоритма оценивания на ЭВМ;

— оценить работоспособности разработанного алгоритма с использованием цифровых моделей и экспериментально полученных реальных сигналов;

— исследовать влияния параметров системы обработки (СО) на качество РЛИ и оперативность его получения;

— провести анализ проблем, возникающих при применении методов рекуррентного оценивания (РО);

— разработать рекомендаций по внедрению методов РО в РСА;

— провести апробацию полученных научных методик и изысканий на действующем макете РСА.

В данной работе впервые получены следующие новые научные результаты:

1. Синтезирован оптимизированный по методу среднего квадрата ошибки алгоритм обработки траекторных сигналов.

2. Выполнен анализ синтезированного алгоритма относительно заданного значения оценки.

3. Разработаны алгоритмы калмановской фильтрации для обработки траекторных сигналов и формирования РЛИ на ЭВМ в математическом пакете МАТЪАВ.

4. В результате анализа полученных алгоритмов доказано, что при использовании методов РО в РСА можно достичь высокого разрешения по азимуту при приемлемом уровне боковых лепестков.

5. Представлены результаты обработки реального сигнала, полученного на действующем макете РСА, путём апробации синтезированного алгоритма.

6. Определены зависимости быстродействия алгоритма и качества получаемого РЛИ от параметров радиолокационной съёмки.

7. Показано, что использование метода РО позволяет разрабатывать более гибкие алгоритмы обработки сигналов, чем алгоритмы согласованной фильтрации, в том числе и за счёт оперативного получения радиолокационных данных, удовлетворяющих решению различных поставленных задач.

8. Предложен вариант гибкого использования в РСА методов РО с помощью теории игр.

Работа имеет большую научную значимость и содержит обоснование алгоритмов обработки траекторных сигналов, обеспечивающих оперативное получение повышенной разрешающей способности по азимуту в РСА.

Диссертация состоит из введения, четырёх разделов, заключения и приложений.

Выводы по разделу 4.

1. Обработка реальной ЦРГ полученной в полёте носителя РСА, а также результаты экспериментальных исследований на макете космического РСА подтверждают возможность применения алгоритма РО на основе фильтра Калмана в СО траекторного сигнала.

2. Реализация алгоритмов РО на макетном образце создаёт условия перехода от компьютерного моделирования на ЭВМ к начальной стадии проектировния.

3. Наибольшие трудности при реализации алгоритма РО на основе калмановской фильтрации составляют операции нахождения обратных матриц, их сложения и перемножения. Для сокращения вычислительных операций необходимо сократить размерность матриц ЦРГ и набора опорных функций.

4. Процесс формирования полного РЛИ осуществляется с независимой обработкой каждой полосы дальности, так и с возможностью разбиения кадра по азимуту, позволяя применить масштабируемое распараллеливание вычислений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В работе получен оптимальный алгоритм линейной фильтрации, реализующий обобщение известных результатов в области радиолокации. В рамках экспериментальной модели показано совпадение теоретически получаемых оценок с результатами модельного эксперимента и наличие определённого выигрыша в качестве обработки при использовании синтезированного алгоритма фильтрации.

С уверенностью можно утверждать, что (разработанный) рассмотренный в диссертационной работе способ РО при телескопическом обзоре имеет ряд достоинств, в первую очередь к которым следует отнести:

— улучшение разрешения (для установившейся оценки, а в случае увеличения плотности точек оценивания улучшение разрешения значительно больше, сопровождаясь ухудшением с/ш)на 5−10%;

— повышение способности разрешения близкорасположенных целей;

— возможность начала обработки после первого отсчёта синтезирования;

— формирование РЛИ в РМВ;

— получения результатов уже до окончания процесса синтезирования;

— гибкость при построении системы обработки;

Главным и очевидным недостатком способа РО является высокие требования к производительности системы обработки.

Вместе с тем, совершенно очевидно, что свойства РСА при обработки сигналов способом РО ждут дальнейших исследований. Среди шагов с осторожным ожиданием улучшения качества РЛИ можно назвать использование способа РО при боковом обзоре и более сложный вариант обработки с уточнением отношения сигнал-шум в каждом канале оценки, в том числе и при телескопическом обзоре.