Имитация радиосигналов, рассеянных сложными радиофизическими сценами, в реальном масштабе времени

В настоящее время наблюдается значительный прогресс радиотехнических систем (РТС) и их широкое применение в различных областях деятельности. Процесс разработки РТС непременно включает этап экспериментальной отладки и испытаний аппаратуры РТС, отработку алгоритмов её функционирования [1].

Испытания РТС в реальных условиях требуют больших финансовых и временных затрат. Другим недостатком натурных испытаний является сложность интерпретации полученных результатов, которая обусловлена случайным изменением условий эксперимента. В связи с этим широкое распространение получил другой метод, который предполагает проведение испытаний РТС на моделирующих комплексах с включением в их состав реальной аппаратуры [2]. Данный метод, называемый полунатурным моделированием, обеспечивает получение достоверных данных о работе реальной аппаратуры РТС в широком диапазоне условий} в ходе лабораторных исследований. Это позволяет повысить качество работы РТС, а.

1 «у «< также удешевить и сократить сроки их разработки и испытаний. ;

Полунатурное моделирование осуществляется с использованием имитаторов внешних воздействий [2]. Работа имитаторов основана на моделях каналов распространения сигналов, разработке которых уделяется большое внимание в России и за рубежом. Существующие модели радиоканалов могут быть разделены на три вида: эмпирические, статистические и детерминированные.

Эмпирические модели представляют собой описание каналов, аппроксимирующее результаты экспериментальных измерений. Получение эмпирической модели осуществляют путём измерения сигнала в реальном канале и восстановления по результатам эксперимента системной функции радиоканала [3−5]. Достоинством эмпирических моделей является их высокая адекватность реальным каналам. Однако, область адекватности моделей данного вида невелика, что не позволяет проводить с их помощью исследования РТС в широком диапазоне условий.

Статистические модели представляют собой описание радиоканалов как случайных сред. В соответствии с данным представлением системные функции каналов рассматриваются как случайные, описываемые определённой вероятностной моделью [6]. Достоинством статистических моделей является возможность адекватного описания каналов в широком диапазоне условий при относительной математической простоте. Разработке моделей радиоканалов данного вида посвящены работы Введенского Б. А., Кловского Д. Д., Галкина А. П., Самойлова А. Г., Басса Ф. Г., Фукса И. М., Кларка Р. Х. (Clarcke R.H.), Потапова A.A. и других [6−13]. Они нашли широкое применение при моделировании и разработке имитаторов многолучевых каналов дальней тропосферной и ионосферной связи, каналов прямой видимости над взволнованной морской поверхностью и шероховатой поверхностью Земли, многолучевых городских каналов беспроводных систем передачи информации [7,10,14−27]., Недостатком. статистических моделей * является невозможностьадекватной имитации > тонкой структуры сигналов, которая обусловлена особенностями геометрического строения и электрических характеристик среды распространения.

Детерминированные модели представляют собой описание каналов на основе фундаментальных представлений о распространении сигналов, а также геометрических и электрических моделей сред. Разработке и применению моделей данного вида посвящены работы Борзова А. Б., Соколова A.B., Сухаревского О. И., Васильца В. А., Корнеева Ю. А. и других [28−38]. Данные модели основаны на аппроксимации сложной поверхности среды совокупностью простых элементов, для которых существуют аналитические решения уравнений электродинамики. При этом сигналы на выходе приёмной антенны РТС представляются в виде суперпозиции сигналов, рассеянных отдельными элементами модели среды.

С помощью детерминированных моделей удаётся достичь высокой степени адекватности имитации распространения сигналов в реальных каналах при использовании детальных геометрических и электрических моделей сред. При этом для достижения высокой степени адекватности имитации учитывается рассеяние не только гладкими элементами поверхности среды, но и острыми кромками и линейными отражателями [31, 32]. Однако, имитация структуры рассеянного сигнала с такой степенью детализации необходима только при решении узкого круга задач, например, при исследовании и отладке алгоритмов обнаружения и распознавания некоторых классов радиолокационных объектов, таких как автотранспортные средства, летательные аппараты, корабли [34]. В то же время во многих задачах требуется имитировать сигналы, рассеянные поверхностью Земли, естественными и искусственными объектами, совокупность которых далее называется радиофизической сценой. Примерами таких задач являются отладка алгоритмов работы РТС дистанционного зондирования в режиме картографирования и оценка надёжности работы РТС передачи информации «< ,)у 1 (<, 1 I ((4 ч -< '4 ч, ^ *.

1 В реальных условиях. Для адекватной имитации сигналов, рассеянных радиофизическими сценами, достаточно учитывать только рассеяние сигналов элементами гладких поверхностей сцены (фацетами). Причина этого состоит в том, что рассеяние сигналов диапазонов УВЧ и СВЧ на острых кромках и линейных отражателях радиофизической сцены носит, в основном, нерезонансный характер и не создаёт существенного вклада в результирующий сигнал, а для его моделирования требуются большие временные и вычислительные ресурсы [34].

Тем не менее, адекватность имитации эхо-сигналов радиофизических сцен достигается, если модели радиофизических сцен содержат большое, порядка юЧю10, количество фацетов [44]. При этом объём вычислений при имитации сигнала оказывается настолько большим, что для его выполнения в реальном масштабе времени требуется применение недопустимо сложных и дорогих вычислительных средств. В связи с этим в существующих имитаторах сигналов, рассеянных радиофизическими сценами, либо используются заранее подготовленные записи рассеянного сигнала, что не позволяет изменять условия эксперимента в процессе его проведения, либо применяются в значительной степени упрощённые модели сцен, не позволяющее адекватно имитировать тонкую структуру рассеянного сигнала [39, 40,45,46].

Таким образом, в настоящее время сложилась ситуация, в которой, с одной стороны, необходимо с высокой степенью адекватности в реальном масштабе времени имитировать радиосигналы, рассеянные радиофизическими сценами со сложной геометрией (эхо-сигналы сложных радиофизических сцен). С другой стороны, имитация эхо-сигналов таких сцен в реальном масштабе времени с заданной степенью адекватности на основе известных моделей и методов нереализуема с использованием современных аппаратных средств вычислительной техники. Разрешение данного противоречия представляет актуальную задачу, решению которой посвящена диссертационная работа.

Целью диссертационной работы является обеспечение имитации эхо-сигналов сложных радиофизических сцен с заданной точностью в реальном масштабе времени с использованием современных аппаратных средств.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи.

1. Разработать математическую модель эхо-сигнала сложной радиофизической сцены, обеспечивающую моделирование сигнала с заданной точностью при меньшем объёме вычислений в сравнении с" известными моделями, основанными на фацетном представлении сцены.

2. Разработать способ адекватной имитации радиосигнала, отражённого от пространственно распределённой динамической радиофизической сцены, в реальном времени.

3. Провести экспериментальные исследования возможности имитации эхо-сигналов сложных радиофизических сцен с заданной точностью в реальном масштабе времени с использованием современных аппаратных средств на основе полученных теоретических результатов. Методы исследований включают методы электродинамики и физической оптики, теорию линейных радиотехнических систем, метод численного моделирования, методы цифровой обработки сигналов. Положения и результаты работы, выносимые на защиту.

1. Математическая модель эхо-сигнала сложной радиофизической сцены, обеспечивающая моделирование сигнала с заданной точностью при меньшем объёме вычислений в сравнении с известными моделями, основанными на фацетном представлении сцены.

2. Способ имитации радиосигнала, отражённого от пространственно распределённой динамической радиофизической сцены, обеспечивающий имитацию в реальном времени сигналов, адекватных эхо-сигналам сложных радиофизических сцен. 3. Имитатор, обеспечивающий в реальном масштабе времени физическое формирование эхо-сигналов сложной радиофизической сцены с ^ заданной точностью.

4. Научно-практические рекомендации по реализации имитаторов и, формированию сигналов с использованием современных аппаратных средств, обеспечивающие для различных видов РТС и сцен имитацию эхо-сигналов с заданной точностью в реальном масштабе времени. Научная новизна работы.

1. Разработана математическая модель эхо-сигнала сложной радиофизической сцены, обеспечивающая моделирование сигнала с заданной точностью, отличающаяся от известных моделей, основанных на фацетном представлении радиофизической сцены, сокращением числа переменных во времени параметров.

2. Разработан способ адекватной имитации радиосигнала, отражённого от радиофизической сцены, в реальном времени, отличающийся группировкой фацетов, сигналы которых не разрешаются РТС, и вычислением используемой для имитации радиосигнала импульсной характеристики сложной радиофизической сцены по суммарным коэффициентам передачи групп фацетов.

3. Разработан имитатор эхо-сигнала сложной радиофизической сцены, отличающийся тем, что расчёт импульсной характеристики сцены с упреждением по времени осуществляется одновременно с формированием сигнала на параллельно работающих частях имитатора.

4. В ходе экспериментальных исследований разработаны новые научно-практические рекомендации по реализации имитаторов и формированию сигналов с использованием современных аппаратных средств.

Практическая значимость работы.

Результаты работы могут быть использованы при создании имитаторов радиосигналов, адекватных сигналам в каналах, образованных сложными радиофизическими сценами. Применение этих имитаторов в составе стендов полунатурного моделирования и тренажёров позволит повысить надёжность работы и достоверность определения характеристик РТС, удешевить и сократить сроки разработки РТС, повысить уровень подготовки специалистов и операторов РТС.

Апробация результатов работы. Результаты диссертационной работы обсуждены на следующих конференциях.

1. Международная конференция «Авиация и космонавтика — 2003», г. Москва, 2003 г.

2. Международная молодежная научная конференция «XXX Гагаринские чтения», г. Москва, 2004 г.

3. V Всероссийская научно-практическая конференция-выставка «Актуальные вопросы разработки и внедрения информационных технологий двойного применения», г. Ярославль, 2004 г.

4. Пятьдесят седьмая научно-техническая конференция студентов и магистров, г. Ярославль, 2004 г.

5. Федеральная итоговая научно-техническая конференция «Всероссийского конкурса на лучшие научные работы студентов по естественным, техническим наукам (проекты в области высоких технологий) и инновационным научно-образовательным проектам», г. Москва, 2004 г.

6. XI Международная научно-техническая конференция «Радиолокация Навигация Связь», г. Воронеж, 2005 г.

7. Юбилейная научно-техническая конференция «Авиационные системы в XXI веке», г. Москва, 2006 г.

8. Международная конференция «Перспективы использования новых технологий и научно-технических решений в ракетно-космической и авиационной промышленности»,'г. Москва, 2008 г., ' - «.

9. IX Всероссийская научно-практическая конференция «Актуальные вопросы разработки и внедрения информационных технологий двойного применения», г. Ярославль, 2008 г.

10. IV Всероссийская научная школа и конференция «Радиофизические методы в дистанционном зондировании сред», г. Муром, 2009 г.

11. II Всероссийская научно-практическая конференция «Радиолокационная техника: устройства, станции, системы РЛС-2010», г. Муром 2010 г.

12. XI Всероссийская научно-практическая конференция «Актуальные вопросы разработки и внедрения информационных технологий двойного применения», г. Ярославль, 2010 г.

13. 9-ая Международная научно-техническая конференция «Перспективные технологии в средствах передачи информации», г. Владимир, 2011 г.

Также результаты диссертационной работы представлены в виде стендовых докладов и действующих макетов на следующих выставках:

1. V Всероссийская выставка Научно-Технического Творчества Молодежи, г. Москва, 2005 г.

2. VII Московский Международный салон инноваций и инвестиций, г. Москва, 2007 г.

3. Российская национальная выставка в Республике Индия, г. Дели, 2008 г.

4. IX Всероссийская выставка Научно-Технического Творчества Молодежи, г. Москва, 2009 г.

5. Межрегиональная специализированная выставка-конференция информационных технологий и телекоммуникаций «IT Volga 2009», г. Ярославль, 2009 г.

6. XIII Московский международный (Салон изобретений и инновационных технологий «Архимед-2010», г. Москва, 2010 г.

7. II Международный форум по интеллектуальной собственности «Expopriority 2010», г. Москва, 2010 г.

8. Межгосударственная выставка, посвященная 20-летию Содружества Независимых Государств «20 лет СНГ: к новым горизонтам партнёрства», г. Москва, 2011 г.

Публикации. Результаты диссертационной работы изложены в 5 тезисах и 8 докладах конференций, а также в 6 статьях, из которых 2 опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК [47−67]. i.

На способ имитации сигнала, отражённого от пространственно распределённой динамической радиофизической сцены, в реальном времени получен патент № 2 386 143 от 10.04.2010 [58]. Зарегистрирована программа расчёта параметров радиосигнала, имитирующего эхо-сигнал поверхности.

Земли, свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2 010 616 423 от 28.09.2010 [63].

Внедрение результатов работы. Имитатор эхо-сигнала подстилающей поверхности внедрён на стенде полунатурного моделирования для отладки алгоритмов работы РТС дистанционного зондирования в режиме картографирования в ЗАО «Новые технологии», г. Москва. Результаты работы внедрены в ОАО «НПО «Транском», г. Москва для повышения точности прогноза зон уверенной связи РТС в каналах «земля — самолёт», «самолёт — самолёт». Также результаты работы (в частности, способ имитации радиосигнала) применены при выполнении НИР и ОКР в ЯрГУ им. П. Г. Демидова, а также внедрены в учебный процесс по специальностям «Радиофизика и электроника» и «Телекоммуникации» и процесс подготовки специалистов высшей квалификации на кафедре радиотехнических систем ЯрГУ.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа изложена на 116 страницах машинописного текста, содержит 53 формулы, иллюстрирована 40 рисунками и 5 таблицами. Работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 95 наименований на 13 страницах и двух приложений на 11 страницах.

Выводы.

1. Разработан и изготовлен имитатор эхо-сигнала поверхности Земли для РТС дистанционного зондирования, который обеспечивает физическое формирование в реальном масштабе времени радиосигнала, адекватного динамическому изменению обстановки.

2. Разработаны научно-практические рекомендации по реализации имитаторов и формированию сигналов, с использованием современных аппаратных средств, обеспечивающие для различных видов РТС имитацию эхо-сигналов с заданной точностью в реальном масштабе времени.

3. Динамический диапазон разработанного имитатора при формировании эхо-сигнала реальной местности составляет в среднем не менее 45 дБ, что превышает динамический диапазон радиоизображений, получаемых на современных РТС дистанционного зондирования в режиме картографирования не меньше, чем на 5 дБ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В ходе выполнения диссертационной работы получены следующие результаты:

1. Разработана математическая модель эхо-сигнала радиофизической сцены, обеспечивающая в сравнении с известными моделями, основанными на фацетном представлении радиофизической сцены, уменьшение объёма вычислений при моделировании сигнала в 50 — 730 раз при относительной ошибке моделирования 1,5 — 20%.

2. Разработан способ имитации радиосигнала, отражённого от пространственно распределённой динамической радиофизической сцены, в реальном времени и предложена структурная схема устройства, реализующего данный способ.

3. Получены зависимости изменения параметров формирования сигнала и ошибки моделирования от параметров разработанной модели, по которым могут быть определены условия имитации эхо-сигнала с требуемой адекватностью при заданных параметрах РТС.

4. С применением полученных результатов разработан имитатор эхо-сигнала поверхности Земли для РТС дистанционного зондирования, обеспечивающий адекватную имитацию эхо-сигнала с динамическим диапазоном, который в среднем превышает динамический диапазон радиоизображений, получаемых на современных РТС дистанционного зондирования, не меньше, чем на 5 дБ.

5. Разработаны научно-практические рекомендации по реализации имитаторов и формированию сигналов с использованием современных аппаратных средств, обеспечивающие для различных видов РТС и сцен имитацию эхо-сигналов с заданной точностью в реальном масштабе времени.