Радиомониторинг электромагнитной обстановки на основе экспресс-анализа с использованием методов спектральной и корреляционной обработки информации

Радиомониторинг (РМ) является одной из бурно развивающихся отраслей радиоэлектроники, которая связана с наблюдением и исследованием электромагнитной обстановки (ЭМО) как в научных, так и практических интересах. Широкое распространение РМ обусловлено достоверностью и оперативностью добываемой информации, большой дальностью действия и скрытностью функционирования.

При проведении научных исследований в области радиоастрономии и радиофизики РМ используется для поиска и исследования электромагнитных излучений, несущих информацию о физических процессах и явлениях, а также для изучения среды их распространения. Второе направление РМ, связанное с поиском и выявлением специально организованных и потенциальных радиоканалов утечки информации, а также исследованием ЭМО для обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) связных средств, получило название — радиоконтроль (РК) /1/. И, наконец, третье направление РМ, связанное со сбором, обработкой информации, передаваемой по радиоканалам систем связи для решения военных задач именуется — радиоразведкой (РР) /2/.

Исследование тенденций развития технических средств РМ показывает, что проблема повышения их эффективности приобрела в последние годы особо важное значение по следующим причинам 131.

1. Бурное развитие научно-технического процесса, глобальный характер использования радиоэлектронных и телекоммуникационных средств обуславливает существенное усложнение ЭМО при проведении РМ. Плотность потока источников радиоизлучений (ИРИ) на входе в УКВ диапазоне составляет в настоящее время до Ю-5 -г Ю-6 1/Гц /4/ и продолжает нарастать, что приводит к необходимости принятия специальных мер с целью повышения пропускной способности и быстродействия автоматизированных комплексов радиомониторинга (АКР);

2. Большое многообразие процессов на входе АКР, их динамичность и большой уровень априорной неопределенности затрудняют обеспечение высокого уровня достоверности обрабатываемой информации. С целью решения указанной проблемы необходима разработка мер, связанных с увеличением количества используемых при РМ информативных признаков процессов и повышением помехоустойчивости АКР. Необходимо отметить, что уровень информативной неопределенности при решении задач РМ оказывается значительно большим, чем при решении задач в радиолокации, радионавигации и связи. Это обстоятельство приводит к дополнительным затруднениям при определении принципов построения АКР.

Процесс переработки информации в АКР происходит в несколько этапов, которые именуются первичной, вторичной и третичной обработкой информации. Сопоставление с информационными радиосистемами (РС) позволяет классифицировать их как радиосистемы извлечения информации (РСИИ) /51, поскольку они имеют сходные цели, и их также можно представить совокупностью радиосистем первичной (РСПОИ), вторичной (РСВОИ) и третичной (РСТОИ) обработки информации /6/.

Под первичной обработкой информации понимается совокупность функциональных преобразований входных процессов, на основе которых формируются оценки информативных параметров сигналов. Сюда относятся такие операции, как обнаружение, предварительная селекция сигналов по различным параметрам, нормирование по уровню входного потока процессов, получение оценок энергетических и неэнергетических параметров сигналов, приведение выходного эффекта к виду удобному для отсчета. Если при первичной обработке используются статистические отличия полезных сигналов от помех, то при вторичной обработке используются статистические характеристики временного потока оценок информационных параметров сигналов, на основе которых решаются такие задачи, как например, идентификация типа источника радиоизлучения (цели) и определение траектории его движения. Вторичная обработка осуществляется на основе информации, полученной в результате последовательной или параллельной первичной обработки, путем отождествления оценок, относящихся к одной и той же цели. При проведении РМ информация, полученная в результате вторичной обработки в одном из комплексов, может использоваться совместно с подобной информацией от других пространственно разнесенных комплексов для решения таких сложных задач, как, например, определение местоположения, формирование команд на управление объектами или оружием, оптимальное целераспределение, принятие мер по улучшению тактических и технических характеристик совокупности средств РМ. Последняя ситуация соответствует третичной обработке, при которой используются статистические характеристики пространственно-временного потока оценок информативных параметров сигналов.

Наиболее важную роль в АКР играют РСПОИ, которые осуществляют непосредственный контакт с внешней средой. Полнота и достоверность полученной в РСПОИ информации оказывает определяющее влияние на эффективность АКР.

Большой вклад в развитие теоретических основ проектирования АКР внесли российские и зарубежные ученые Берг А. И., Сифоров В. И., Апорович А. Ф., Вакин С. А., Вартенесян В. А., Давыдов С. Я., Дятлов А. П.,.

Житов Ю.И., Карманов 10.Т., Мартынов В. А., Перунов Ю. М., Радзиевский В. Г., Грин Д., Джонстон С., Томас Д. и другие.

Анализ существующего положения в РМ показывает, что при построении АКР используется большое количество принципов, методов алгоритмов и вариантов реализации. Это многообразие обусловлено тем, что с одной стороны имеет место постоянное увеличение потока входной информации за счет расширения областей применения РМ и увеличения сложности и номенклатуры функциональных задач, а с другой стороны происходит постоянное совершенствование методологической и конструктивно-технологической базы.

В настоящее время при проектировании АКР находят применение методологии, основанные на использовании математико-эвристического подхода. Разработка универсальной методологии построения АКР затруднена в связи с многомерностью процесса проектирования, которая обусловлена многообразием используемых принципов, методов, алгоритмов и вариантов реализацииналичием большой априорной неопределенностимногофункциональностьюмногообразием и динамичностью входных процессов и других исходных условийналичием большого числа режимов функционированиянеобходимостью адаптации к изменениям исходных условийнеобходимостью обеспечения требуемых эксплуатационных характеристик при допустимой стоимости.

В последние годы российскими предприятиями (КБ Навигатор, Иркос, Радиосервис, Нелк) и зарубежными компаниями (ESL (CUJA), Delfin Systems (США), AOR (Япония), Rohde Shwarz (ФРГ), Tomson (Англия)) и т. д. разработана широкая номенклатура технических средств РМ в УКВ диапазоне, включающих в себя антенны, приемные устройства, анализаторы и измерители параметров сигналов, программное обеспечение, вычислительную технику, а также автоматизированные комплексы различного назначения.

Отличительными особенностями вышеупомянутых технических средств РМ являются возможность обнаружения, селекции и выделения сигналов с различными видами модуляции в условиях сложной электромагнитной обстановки (ЭМО) в широком частотном и динамическом диапазонахвысокая разрешающая способность по частотечувствительность.

При этом АКР реализуются в аппаратно-программном виде с использованием супергетеродинных приемников с узкополосными линейными трактами, обеспечивающих скорость перестройки по частоте.

1 Й порядка (10 т 10) Гц/с, обладающих небольшими весо-габаритными характеристиками и потребляемой мощностью. Однако необходимо учитывать, что использование стационарных, мобильных и портативных АКР типа АРК-ПК-П, АРК-МК1, АРК-ПА2 обеспечивает успешное решение различных задач РМ только при приеме квазинеирерывных узкополосных сигналов с постоянной частотно-временной структурой.

Параллельно с развитием теории и практики РМ происходит развитие систем и средств связи с повышенной скрытностью, в которых широкое применение получили сигналы с расширенным спектром и ограниченной длительностью. К сигналам с расширенным спектром относятся сложные сигналы типа ФМ /7/ и ЛЧМ /8/, а также сигналы с переменной частотно-временной структурой типа ДЧ и ДСЧ III, а к сигналам с ограниченной длительностью относятся «пакетные» сигналы каналов сигнализации и управления 131. Попытки применения существующих технических средств РМ при приеме сигналов с расширенным спектром и ограниченной длительностью из-за недостаточной скорости анализа и узкополосности линейного тракта сопровождаются пропусками и существенными искажениями, что не позволяет обеспечивать необходимый уровень достоверности обработки информации.

Для преодоления вышеуказанного недостатка требуется проведение дополнительных исследований и разработка принципов, методов, алгоритмов и структур, обеспечивающих модернизацию существующих технических средств РМ с целью повышения их оперативности и достоверности.

Предварительный анализ показывает, что для эффективной обработки сигналов с расширенным спектром и ограниченной длительностью в первую очередь требуется существенная переработка экспресс-анализатора (ЭА), который является одной из основных подсистем АКР 19/.

Целью данной диссертационной работы является разработка и исследование экспресс-анализаторов электромагнитной обстановки в УКВ диапазоне, построенных на основе совместного использования спектральных и корреляционных методов обработки информации. Разрабатываемые экспресс-анализаторы должны обеспечить повышение оперативности и достоверности РМ в условиях многокомпонентной ЭМО, в составе которой могут присутствовать сигналы с расширенным спектром, например, ДЧ, ЛЧМ и ФМ сигналы.

Для реализации сформулированной цели были поставлены и решены следующие задачи: разработка функциональной и информационной моделей автоматизированного комплекса радиомониторинга, использующих совокупность спектральных и корреляционных информативных признаков для повышения достоверности и быстродействияпостроение метода систематизации и унификации задач радиомониторинга на основе использования теории распознавания образовпостроение алгоритмов и структур экспресс-анализаторов электромагнитной обстановки при совместном использовании методов спектрального и корреляционного анализаразработка метода анализа пропускной способности, быстродействия и достоверности предложенных экспресс-анализаторовисследование путей повышения эффективности экспресс-анализаторов электромагнитной обстановкипроверка разработанных в диссертации теоретических положений на основе экспериментальных исследований и моделирования.

Научная новизна диссертационной работы определяется поставленными задачами, методами их решения и впервые полученными результатами.

1. Разработаны принципы построения экспресс-анализатора электромагнитной обстановки, обладающего высокой оперативностью и достоверностью радиомониторинга.

2. Предложены методы систематизации и унификации задач радиомониторинга на основе использования теории распознавания образов, обеспечивающие единообразие процедуры анализа помехоустойчивости при различных функциональных преобразованиях.

3. Исследованы алгоритмы оценки количества и параметров компонент ЭМО в режиме панорамного спектрального анализа, обеспечивающие высокую пропускную способность.

4. Предложены и исследованы алгоритмы классификации компонент ЭМО на основе внутри и межцикловой обработок, обладающие высокими помехоустойчивостью и быстродействием.

5. Предложены и исследованы алгоритмы и структуры корреляционных обнаружителей, классификаторов и измерителей, обеспечивающих высокий уровень достоверности РМ сигналов с расширенным спектром.

6. Разработаны методы анализа основных характеристик экспресс-анализатора (ЭА) обеспечивающие оптимизацию их помехоустойчивости и быстродействия при различных исходных данных.

Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения.

Результаты работы могут быть использованы при проектировании перспективных и модернизации существующих комплексов радиоконтроля, обладающих высокими достоверностью, быстродействием, а также способностью выделения сигналов «скрытных» РЭС, использующих кратковременные «пакетные» сигналы и сигналы с расширенным спектром.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Радиомониторинг обеспечивает поиск и сбор информации на основе приема электромагнитных излучений. Одним из основных направлений радиомониторинга является экспресс-анализ, отличительными особенностями которого являются оперативность и высокая достоверность обработки информации.

Существующие технические средства радиомониторинга не в полной мере удовлетворяют современным требованиям по оперативности и достоверности экспресс-анализа в связи с возрастанием плотности потока источников радиоизлучений, увеличением уровня априорной неопределенности и динамичности компонент ЭМО, а также появлением РЭС, излучающих новые классы сигналов с расширенным спектром типа ДЧ, ФМ, ЛЧМ сигналов.

С целью решения указанной выше проблемы в диссертации разработаны и исследованы экспресс-анализаторы электромагнитной обстановки, реализованные на основе совместно используемых методов спектрального и корреляционного анализа.

Основные научные результаты работы сводятся к следующему:

1. Сформулированы задачи радиомониторинга, разработан набор рабочих моделей, адекватных реальной электромагнитной обстановке для различных тактических ситуаций.

2. На основе аппарата теории распознавания образов проведена систематизация и унификация функциональных задач и разработан метод анализа сложности алгоритмов статистической обработки информации в автоматизированных комплексах радиомониторинга различного назначения, позволяющие осуществлять сравнительный анализ вариантов построения и выбор предпочтительного варианта.

3. Разработаны и исследованы алгоритмы и структура экспресс-анализатора, основанного на использовании панорамного последовательно-параллельного спектрального анализа и обеспечивающего прием, как квазинепрерывных узкополосных связных сигналов, так и кратковременных «пакетных» сигналов, а также ДЧ и ДСЧ сигналов. При этом показана необходимость увеличения в существующих технических средствах радиомониторинга скорости панорамного анализа на 27 дБ (с 108 Гц/сек до 5−1010 Гц/сек) и быстродействия на 20 дБ (с Ю-1 сек до 10~3 сек).

4. Для повышения полноты и достоверности радиомониторинга на основе сочетания внутри и межцикловой обработок разработаны алгоритмы классификации компонент ЭМО, в том числе ДЧ сигналов, по ряду информативных признаков.

При этом показано, что при переходе от одноцикловой к многоцикловой обработке вероятность правильной классификации ДЧ сигналов вырастает с 0,5 до 0,95.

5. Выполненный сравнительный анализ помехоустойчивости различных типов обнаружителей показал, что при обнаружении сигналов с расширенным спектром переход от оптимального некогерентного к автокорреляционному или энергетическому обнаружителю обеспечивает энергетический выигрыш от 9 до 17 дБ.

6. Разработаны и исследованы алгоритмы, структуры и методы оценки основных параметров корреляционно-фильтрового и корреляционного классификаторов, обеспечивающие в режиме частотной панорамы классификацию таких типов сигналов, как НК, ЛЧМ, ЧМГ, АМ, СБФМ.

7. Выполненный анализ показал, что использование в составе ЭА корреляционных обнаружителей, классификаторов и измерителей обеспечивает достоверную обработку сигналов с расширенным спектром при малом входном отношении сигнал/помеха (< 1), что недостижимо в ЭА, реализованных на основе спектральных методов.

8. Совместное использование в экспресс-анализаторах методов спектрального и корреляционного анализа позволяет повысить их эффективность за счет расширения номенклатуры используемых информативных признаков, повышения помехоустойчивости и уровня автоматизации.

9. Проверка разработанных в диссертации теоретических положений осуществлялась на основе экспериментальных исследований и имитационного моделирования.

В ходе экспериментальных исследований, выполненных на основе использования комплекса АРК-ПА2, подтверждена корректность теоретических положений, связанных с оценкой сложности электромагнитной обстановки, формированием банка компонент и возможности классификации компонент, а также сформулированы рекомендации по модернизации существующих средств радиомониторинга.

В ходе моделирования, выполненного на основе ППП «МюгоСар — V», подтверждены теоретические положения о возможности обработки сигналов с расширенным спектром при малом входном отношении сигнал/помеха < 1).