Исследование и разработка методов преобразования информации при формировании изображения нарушителя в электромагнитных волнах в технических системах охраны

Актуальность темы

диссертации. Настоящее время характеризуется усилением террористической угрозы как по отношению к личности, так и по отношению к государственным объектам. В этой связи усиливается роль технических средств охраны (ТСО), которыми оборудуются объекты, а также рубежи и подходы к ним. Для обнаружения нарушителя в охраняемой зоне используется широкий спектр физических эффектов взаимодействия человека-нарушителя с волновыми процессами в различных средах. Особую роль для реализации ТСО играют электромагнитные (ЭМ) волны различных диапазонов частот, из которых наиболее предпочтительными являются ЭМ-волны сантиметрового и миллиметрового диапазонов. Радиолучевые ТСО (PJITCO), работающие в этих диапазонах частот, мало подвержены влиянию погодных условий и обладают удовлетворительной разрешающей способностью по пространственным размерам, характерным для человека-нарушителя.

Теоретические основы взаимодействия ЭМ-волн с объектами заложили в своих научных трудах известные ученые — Кирхгоф Г. Р., Френель О. Ж, Гудмен Дж., Юу Ф.Т.С., Борн М., Вольф Э., Сороко Л. М., Гинзбург В. М. и др.

Основные положения теории обработки радиолокационной информации разработали ученые — Бакут П. А., Вакман Д. Е., Варакин JI.E., Гуткин JI.C., Дымова А. И., Казаринов Ю. М., Коган И. М., Котельников В. А., Левин Б. Р., Френке Л., Ширман Я. Д. и др.

На основе теоретических исследований разработаны методы РЛТСО, весомый вклад в развитие которых внесли отечественные ученые — Оленин Ю. А., Лебедев Л. Е., Сальников И. И., Токарев H.H., Якимов А. Н., Уфимцев П. Я. и др.

Особенностью работы современных РЛТСО является пороговый принцип обнаружения сигнала от нарушителя, который прост по своей реализации, но не использует потенциальные информационные возможности ЭМ-волн. В частности, не выполняется классификация нарушителя охраняемой зоны по его изображению.

В этой связи, тема диссертационного исследования, посвященного разработке методов формирования изображения нарушителя в РЛТСО, по которому можно классифицировать объект и, тем самым, существенным образом снизить вероятность ложной тревоги, а также измерить размеры, число нарушителей и их изменяющиеся во времени координаты, является актуальной.

Цель настоящей работы — исследование и разработка методов преобразования информации при формировании изображения нарушителя в электромагнитных волнах в технических системах охраны.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

— в сравнительном плане оценить информационную емкость РЛТСО, выполняющего пороговое бинарное обнаружение нарушителя и РЛТСО, в котором реализуется формирование изображения нарушителя;

— разработать лучевую математическую модель сигналообразования в двухпозиционных РЛТСО для модуля амплитуды ЭМ-волны с целью оценки параметров пространственной регистрации принимаемой ЭМ-волны в плоскости приема;

— обосновать математическую модель сигналообразования в двухпозиционных РЛТСО на основе дифракционного интеграла Френеля-Кирхгофа и модель человека-нарушителя. Получить аналитическое выражение для комплексной амплитуды ЭМ-волны в плоскости нахождения приемника для анализа результата дифракции;

— разработать метод на основе аналитического выражения и алгоритма преобразования информации для формирования изображения нарушителя по результату регистрации комплексной амплитуды ЭМ-волны с целью улучшения технических характеристик существующих РЛТСО.

Объектом исследования диссертационной работы являются информационные технические системы, работающие в радиодиапазоне электромагнитных волн и используемые для охраны объектов.

Предметом исследования являются методы преобразования информации, используемые в технических системах охраны, и позволяющие улучшить отношение сигнал/шум, формировать изображение нарушителя в электромагнитных волнах, измерить размеры изображения нарушителя с целью его классификации, а также определить число нарушителей.

Методы и средства исследования. При решении поставленных задач использовались положения теории дифракции электромагнитных волн, теория сигналов, методы математического анализа, теория бинарного обнаружения, математическое моделирование и интегрированные среды разработки программ.

Положения, выносимые на защиту.

1. Результат определения информационной емкости радиолучевых технических средств охраны (PJ1TCO), заключающийся в том, что если в PJITCO формируется изображение нарушителя, то информационная емкость увеличивается до 15 бит, но остается меньшей в 2 раза, чем для телевизионных технических средств охраны.

2. Лучевая математическая модель сигналообразования в двухпозицион-ных РЛТСО и аналитическое выражение, основу которого составляет косину-соидальная зависимость с квадратичным изменением относительного фазового сдвига и функция вида sin х/х, описывающая область «тени» от нарушителя.

3. Математическая модель сигналообразования в двухпозиционных РЛТСО на основе дифракционного интеграла Френеля-Кирхгофа и аналитическое выражение для комплексной амплитуды ЭМ-волны в плоскости нахождения приемника, которое является основой для алгоритма анализа результата дифракции и формирования изображения нарушителя в ЭМ-волнах, а также результаты оценки требований к пространственным параметрам устройства регистрации ЭМ-волны в плоскости приема РЛТСО.

4. Метод формирования изображения нарушителя, включающий в себя аналитическое выражение и алгоритм преобразования информации, использующий результат регистрации комплексной амплитуды ЭМ-волны в точке приема в зависимости от координаты движения нарушителя, позволяющий получить одномерную функцию пропускания нарушителя с динамическим диапазоном >20, увеличить в среднем в 6 раз отношение сигнал/шум, измерить размер нарушителя в направлении, поперечном оси охраняемой зоны РЛТСО, а также определить число нарушителей с разрешающей способностью, равной ОД м.

Достоверность и обоснованность научных положений и выводов обусловлена корректностью математических выражений, согласованностью основных теоретических решений с их практической реализацией, а также результатами вычислительных экспериментов, подтверждающими непротиворечивость основных теоретических результатов.

Научная новизна состоит:

1) в оценке информационной емкости радиолучевых технических средств охраны РЛТСО при условии формирования изображения нарушителя;

2) в разработке лучевой математической модели сигналообразования в двухпозиционных РЛТСО, позволяющей оценить параметры результата дифракции в плоскости приема РЛТСО;

3) в формировании математической модели сигналообразования в двухпозиционных РЛТСО на основе дифракционного интеграла Френеля-Кирхгофа, а также в результатах оценки требований к пространственным параметрам устройства регистрации ЭМ-волны в плоскости приема РЛТСО;

4) в разработке метода формирования изображения нарушителя в ЭМ-волнах, основанного на полученном интегральном преобразовании от результата регистрации комплексной амплитуды ЭМ-волны в точке приема в зависимости от координаты движения нарушителя.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

Разработан алгоритм и программное средство, реализующие метод формирования изображения нарушителя в двухпозиционных радиолучевых средствах охраны, который позволяет измерить поперечные размеры нарушителя, улучшить отношение сигнал/шум и определить число нарушителей. Все это позволило существенно улучшить эксплуатационные характеристики радиолучевых технических средств охраны.

Реализация и внедрение результатов работы:

1) разработанные алгоритмы анализа пространственно-временных сигналов на основе интегральных преобразований использовались в разработках ФГУП «Пензенский научно-исследовательский электротехнический институт», что подтверждено актом внедрения;

2) результаты диссертационных исследований используются при обучении студентов по специальности 230 101 в Пензенской государственной технологической академии в рамках дисциплин «Теоретические основы передачи информации» и «Системы искусственного интеллекта».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на IV Всероссийской научно-технической конференции «Искусственный интеллект в XXI веке. Решения в условиях неопределенности» (Пенза, 2006 г.), на ежегодной Всероссийской научно-технической конференции «Современные методы и средства обработки пространственно-временных сигналов» (Пенза, 2007;2009, 2011 г. г.), на Всероссийской научно-технической конференции «Интеллектуальные и информационные системы» (Тула, 2007 г.), на Международном Форуме по проблемам науки, техники и образования (Москва, Академия наук о Земле, 2007 г.), на 7-й Всероссийской научно-технической конференции «Современные охранные технологии и средства обеспечения комплексной безопасности объектов» (Пенза-Заречный, 2008 г.), на 8-й Международной конференции «Распознавание-2008» (Курск, 2008 г.).

По результатам исследований опубликовано 19 печатных работ (из них 3 — в изданиях из перечня ВАК), а также получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ в Роспатенте.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Одними из перспективных периметровых систем охраны объектов являются радиолучевые технические средства охраны (РЛТСО), имеющие незначительную зависимость от погодных условий. Недостатком существующих РЛТСО является пороговый принцип обнаружения нарушителя (Н). Для уменьшения ложных тревог в РЛТСО требуется распознать, классифицировать нарушителя, что возможно сделать, применив дополнительную обработку, выявляя пространственную границу нарушителя, то есть, формируя в РЛТСО радиоизображение Н.

Оценена информационная емкость радиолучевых технических систем охраны (РЛТСО). Показано, что если в РЛТСО формируется изображение нарушителя, то информационная емкость увеличивается до 15 бит, но остается меньшей в 2 раза, чем для телевизионных ТСО.

2. На основе использования лучевой модели сигналообразования в двухпозиционных РЛТСО получено выражение для интерференционного множителя суммы плоских волн, распространяющихся под разными углами в пределах диаграммы направленности передающей и приемной антенн с учетом отражения от земли. Показано (1.14), что изменение амплитуды принимаемой интерференционной волны описывается косинусоидальным законом с квадратичным изменением относительного фазового сдвига для точечного приема. Полученные формулы для интерференционного множителя (1.21) и (1.24) могут быть использованы для согласованной фильтрации с целью получения максимального отношения сигнал/шум, а также для измерения параметров движения нарушителя — дальности и скорости движения.

3. Показано, что наряду с лучевой моделью математическое моделирование процесса сигналообразования в двухпозиционных РЛТСО достаточно эффективно осуществлять на основе использования дифракционного интеграла Френеля-Кирхгофа. В качестве модели человека-нарушителя (Н) используются различным образом ориентированные эллиптические цилиндры. в.

Получено выражение для модуля комплексной амплитуды ЭМ-волны Е (хн) плоскости нахождения приемника (ПРМ) на расстоянии Ят от передатчика.

ПРД) как результат интерференции прямой волны Еоп (Р), выполняющей роль опорной, и дифрагированной на Н волны ЁЮтъ (Р). Это выражение является основой для анализа результата дифракции и восстановления функции пропускания Н.

4. На основании использования выражения для интерференционного множителя лучевой модели сигналообразования в двухпозиционных РЛТСО, полученного в разделе 1.4, определена зависимость Ахк (11н) — ширины «тени» от расстояния до П. Сравнение полученного результата с результатом измерения ширины главного минимума модуля комплексной амплитуды ЭМ-волны дает вполне удовлетворительное совпадение результатов, что свидетельствует о правильности используемых моделей дифракции в разделах 1.4 и 2.1.

5. Оценены требования к пространственным параметрам устройства регистрации ЭМ-волны. Для Н, находящегося на расстоянии от ПРД ~Ю-150 м. получено необходимо от 182 до 2500 СВЧ-приемников, что с конструктивной точки зрения представляются нереальными для реализации, особенно для мобильных охранных систем. Показано, что более реально регистрировать временное изменение модуля комплексной амплитуды ЭМ-волны при движении Н, используя при этом точечный СВЧ-приемник.

6. Показано, что отношение сигнал/шум для регистрируемого точечным СВЧ-приемником результата дифракции изменяется в небольших пределах.

1,83*7,4, что дает высокий разброс в вероятности правильного обнаружения^рдв = 0,6 ч-0,98 и в среднем невысокие обнаружительные характеристики РЛТСО. Для улучшения характеристик обнаружения целесообразно проводить предварительную обработку принятого сигнала с целью улучшения отношения сигнал/шум.

7. Получено выражение для формирования одномерной функции пропускания нарушителя Д, р (х0) по результату регистрации комплексной амплитуды ЭМ-волны Е (Р, х0) в точке Р нахождения точечной антенны ПРМ РЛТСО от координаты движения х0 нарушителя. Показано, что восстановленная одномерная функция пропускания нарушителя характеризуется высоким динамическим диапазоном, который оценивается отношением > 20, и позволяет регистрировать размер нарушителя в направлении, поперечном оси охраняемой зоны РЛТСО. Полученные размеры совпадают с размерами модели нарушителя с погрешностью менее 10%.

8. Получена количественная оценка качества восстановления функции пропускания /?пр (*). Показано, что отношение сигнал/шум для восстановленной функции пропускания изменяется в пределах: Агсш= 13,7 -38,3. Это соответствует улучшению отношения сигнал/шум в среднем в 6 раз, что позволяет существенно улучшить характеристики бинарного обнаружения для РЛТСО.

9. Обоснована структурная схема аппаратуры приема для реализации восстановления функции пропускания нарушителя. Показано, что для формирования комплексной амплитуды сигнала на выходе ПРМ РЛТСО необходимо выделение действительной и мнимои составляющих комплексной амплитуды входного напряжения, что может быть обеспечено приемником с квадратурным детектором.

10. Получено выражение для комплексной амплитуды опорной ЭМволны (4.4), зависящее от высоты расположения точки приема Ри используемое для измерения размера нарушителя в вертикальной плоскости, для чего необходимо зарегистрировать пространственное распределение комплексной амплитуды ЭМ-волны в вертикальном направлении по оси Оу, с использованием линейки точечных приемников.

11. Разработан и реализован алгоритм работы устройства анализа сигнала по смещённым реализациям комплексной амплитуды ЭМ-волны, выполняющий восстановление функции пропускания объекта-нарушителя. Показано, что при высоком отношении сигнал/шум (более 17) абсолютная погрешность восстановления поперечного размера H SLm =0,1 м, что вполне допустимо для практического использования при классификации объектов нарушения охранной зоны в РЛТСО.

12. Рассмотрено влияние аддитивного шума на восстановление функции пропускания. Обоснован вывод, что применение в РЛТСО порогового устройства без предварительной обработки дает надежное обнаружение нарушителя только при отношении сигнал/шум >5. Применение перед пороговым устройством разработанного преобразования существенно улучшает отношение сигнал/шум (примерно в 6 раз) и позволяет надежно обнаруживать нарушителя в РЛТСО даже при исходном отношении сигнал/шум >1,2.

13. Показано, что разработанный метод восстановления функции пропускания объектов в охранной зоне РЛТСО обладает разрешающей способностью в направлении движения нарушителя, равной ¦^^н =0,1 м. Это позволяет определить число нарушителей.

14. На основе разработанных математических моделей на базе пакета Microsoft Visual Studio-2005 создано программное обеспечение, моделирующее работу РЛТСО и реализующее следующие функции: — ввод параметров моделирования РЛТСО;

— преобразование Френеля-Кирхгофа для моделирования дифракции ЭМ-волн на объекте;

— восстановление функции пропускания объекта, но результату дифракции ЭМ-волн на объекте;

— измерение размера нарушителя в вертикальной плоскости по направлению, ортогональному оси охраняемой зоны.

Было проведено измерение скорости работы программы в сравнении с аналогичными расчетами в вычислительной среде Mathcad. Показано, что производительность вычислений в разработанной специализированной программной среде повышается почти в 180 раз.

15. Разработанные математические модели, алгоритмы и программы могут быть реализованы в специализированных устройствах цифровой обработки информации на базе микроконтроллеров или программируемых логических интегральных схемах. Это дает возможность использовать разработанные методы в мобильных PJ1TCO, повышая эксплуатационные характеристики и увеличивая эффективность их применения.