|
Оглавление
Введение
Во многих областях человеческой деятельности встречаются задачи обработки сигналов (или модулированных волн) различной физической природы с целью извлечения полезной информации. Это системы радио- и акустолокации, системы связи, передачи данных и телекоммуникаций, навигации, управления наземным, морским, воздушным и космическим движением. Бурное развитие современных технологий обработки сигналов (в том числе и цифровых) позволяет использовать при этом все более "интеллектуальные" алгоритмы, извлекающие максимально возможное количество информации, содержащееся в обрабатываемых сигналах. Радиолокационные станции (РЛС) нашли широчайшее применение на практике. В монографии, в основном, будет рассматриваться обработка сигналов в активных РЛС с пассивным ответом, образующих радиоканал с рассеянием или дисперсный радиоканал. Однако большинство полученных результатов может быть распространено и на другие виды локации, на обработку сигналов в когерентных квантовых каналах с рассеянием, а также системах связи и т.п. Объекты радиолокации, то есть физические тела, сведения о которых представляют практический интерес, называются радиолокационными целями. В зависимости от области применения радиолокации цели могут быть: аэродинамическими (самолеты, крылатые ракеты), баллистическими и космическими (боеголовки, спутники), наземными и надводными (танки, корабли), естественного и искусственного происхождения (радиоконтрастные ориентиры на местности, населенные пункты, облака и т.п.). Радиолокационная цель считается сосредоточенной, если ее протяженность в пространстве параметров (в общем случае многомерном) меньше или сравнима с разрешаемым объемом. При этом групповая цель состоит из двух или более одиночных целей. В монографии рассматриваются вопросы разрешения именно групповых сосредоточенных целей (ГСЦ). При первичной обработке сигналов в дисперсных радиоканалах традиционно выделяют следующие задачи [60]: обнаружение целей; измерение координат и параметров движения целей; разрешение целей. Каждый этап оптимизируется по своим критериям специальными методами. И если для этапов обнаружения и измерения существует достаточно стройная теоретическая и методологическая основа, получены соответствующие оптимальные или квазиоптимальные методы обработки радиолокационных сигналов, то задачу разрешения, как правило, сводят лишь к обоснованию выбора параметров зондирующего сигнала и/или антенной системы РЛС. Вопрос о возможности оптимизации процедуры разрешения ГСЦ остается открытым и в настоящее время. Для практики разрешить ГСЦ означает определить количество и параметры движения входящих в ее состав одиночных целей. И если даже для одиночной цели оптимизация решения задач обнаружения и измерения параметров осуществляется по разным критериям (хотя в качестве критической статистики используется один и тот же модуль корреляционного интеграла), то естественным является вопрос: возможно ли использовать какой-либо критерий оптимизации процедуры разрешения, который одновременно учитывал бы ошибки оценивания и количества и параметров эхосигналов одиночных целей из состава ГСЦ? Тем более неясно, в каком соотношении должны находиться эти ошибки: какие веса назначить тем и другим ошибкам, что важнее? Можно констатировать, что в теории разрешения целей проблемы возникают уже в постановочной части задачи разрешения. Поэтому широкий спектр имеющихся в настоящее время подходов к разрешению ГСЦ затруднительно классифицировать не только по видам исходных моделей полезных сигналов и помех, но и по каким-либо целевым функциям. Тем более существует множество подходов к разрешению ГСЦ в дисперсных радиоканалах, первоначально синтезированных под принципиально другие задачи с заметными отличиями в постановочной части (особенно это относится к интенсивно внедряющимся в последнее время методам, так называемого, современного спектрального анализа (спектрального оценивания) [37, 41, 74 и др.]). Основная цель настоящей монографии – представить основные известные автору направления, использующиеся при решении задачи разрешения ГСЦ в дисперсных радиоканалах и формально схожих задачах в других предметных областях. Первые известные определения разрешающей способности оптических приборов и спектроанализаторов приводились в статьях Рэлея о волновой теории света, опубликованных в изданиях Британской энциклопедии 1888 г. и в [42] (Рэлей – английский физик Джон Уильям Стретт (Strutt), третий барон Рэлей (Lord Rayleigh), 12.11.1842–30.06.1919, Нобелевская премия по физике, 1904 г.). Оптические изображения двух точек по Рэлею можно наблюдать раздельно, если центр дифракционного пятна каждого из них пересекается с краем первого темного кольца другого. Анализируя данный критерий, можно заключить, что, фактически, его интерпретация применительно к разрешающей способности РЛС используется и по настоящее время. Поэтому справедливо говорить о сверхрэлеевском разрешении при использовании методов обработки сигналов, позволяющих преодолеть указанный рэлеевский предел. Одной из первых широко известных работ, в которых дан методически и математически строгий подход к анализу и оценке разрешающей способности РЛС, является работа Ф.М.Вудворда "Теория вероятностей и теория информации с применениями в радиолокации" (P.M.Woodward "Probability and information theory, with applications to radar", 1953) [20]. И хотя непосредственно анализу закономерностей, определяющих разрешающую способность РЛС при выборе того или иного зондирующего сигнала, в этой работе посвящена только часть последней (седьмой) главы, так называемая, вудвордовская теория разрешения считается классической, и до сих пор, явно или неявно, является базой при изложении вопросов разрешения радиолокационных целей практически во всех трудах по радиолокации. Изложению и некоторому развитию классической теории разрешения посвящен первый раздел монографии. Вместе с тем, практически одновременно со становлением вудвордовской теории разрешения стали появляться работы, свидетельствующие о принципиальной возможности преодоления рэлеевского предела. Здесь следует выделить работы Хелстрома (С. W.Helstrom) [51 и 67], также заслуживающие статуса классических, в которых аналитически получены отдельные закономерности, характеризующие предельные возможности по разрешению парной цели, эхосигнал которой наблюдается в присутствии шумов. Краткий анализ указанных закономерностей приведен также в первом разделе монографии. В нашей стране к одним из первых известных работ, свидетельствующих о возможности сверхрэлеевского разрешения, согласно [61] можно отнести работы 40–50-х годов Я.Д.Ширмана. В них рассмотрены, предложенные на заре развития отечественной радиолокации, эвристические способы повышения разрешающей способности по дальности РЛС при простом зондирующем сигнале с прямоугольной огибающей. Сущностью указанных способов является замена стандартной согласованной обработки эхосигналов высокочастотным дифференцированием, что позволяет при высоком отношении сигнал-шум (ОСШ) преобразовывать наблюдаемые "длинные" радиоимпульсы, сформированные отдельными целями, в короткие. Длительность последних определяется длительностью фронта принимаемого радиоимпульса и может быть намного меньше рэлеевского предела, в данном случае равного длительности импульса. Эти результаты были подтверждены лабораторным экспериментом, проведенным А.Ф.Котляковым в 1956 г., и натурным экспериментом, выполненным М.Ф.Здуровым на РЛС П-10 по реальным воздушным целям в 1957 г. [61]. Впоследствии труды Я.Д.Ширмана оказали неоценимое влияние на развитие отечественной радиолокации в целом и теории разрешения в частности. Анализ предложенного им оптимального разрешения (или оптимального обнаружения полезного сигнала на фоне мешающих) приведен в третьем разделе монографии. Значительный вклад в развитие теории разрешения ГСЦ внесла школа многоканального анализа В.А.Варюхина [18 и др.], возглавляемая в настоящее время В.В.Абраменковым [1–6 и др.]. Во втором разделе монографии развиты достигнутые в работах школы результаты по максимально правдоподобной оценке параметров эхосигнала ГСЦ, форма изложения которых позволяет сопоставить их с аналогичными результатами, приведенными в работах М.А.Бакута [13], С.Е.Фальковича [50 и др.], Л.Н.Коновалова [34], А.А.Курикши [36], Ю.С.Шинакова, В.С.Сперанского [56], В.И.Слюсара [44, 45], Царькова Н.М. [52] и др. В целом, можно указать, что задача оценки параметров эхосигнала при известном количественном составе ГСЦ (разрешения-измерения) исследована в большей степени, нежели задача обнаружения отдельных целей и оценки количественного состава ГСЦ (задача разрешения-обнаружения). В третьем разделе монографии приведен сравнительный анализ основных известных методов оценки количественного состава ГСЦ, не относящихся к, так называемым, методам спектрального оценивания. Последние, представляющие, по мнению автора, обособленный и, вместе с тем, чрезвычайно широкий по охвату формулировок задач, класс методов, описаны в четвертом разделе монографии. Теория спектрального оценивания, сама по себе в настоящее время является бурно развивающейся областью науки, классификационная часть которой далека от завершения. Тем не менее, часть методов этой теории можно в той или иной форме применить к решению задачи разрешения ГСЦ в дисперсном радиоканале. Целью четвертого раздела монографии являлась некоторая систематизация этих подходов применительно к рассматриваемой задаче, поиск в них общего и частного, а также некоторая сравнительная оценка их эффективности при определении количественного состава ГСЦ. Следует добавить, что к методам теории спектрального оценивания автор отнес и ряд методов школы многоканального анализа: один из т.н. детерминистских методов В.А.Варюхина [18], метод нормирования В.В.Абраменкова [6], а также метод фиктивного источника Ю.И.Савинова [27]. Для придания монографии некоторого гностического духа, а также подчеркивания того факта, что любые положения этой монографии не являются "истиной в конечной инстанции", а, скорее, точкой зрения, или, может быть, очередным шагом в выявлении более общих, фундаментальных закономерностей, связывающих теорию радиолокации с теорией информации, и характерных для систем обработки сигналов в целом, язык монографии ближе, скорее, к "живому" языку научной дискуссии, чем к суховатому безапелляционному стилю, характерному для "серьезных" научных изданий. Автор заранее приносит извинения тем, кому такой формат изложения материала, может быть, покажется несколько вызывающим или неполиткорректным. Об авторе
Кандидат технических наук, доцент по кафедре радиолокационного вооружения
Военной академии войсковой противовоздушной обороны ВС РФ им. Маршала
Советского Союза А. М. Василевского (г. Смоленск). Область научных
интересов – сверхрэлеевское разрешение, оптимизация стохастических
информационно-управляющих систем. Автор более 100 научных публикаций,
а также четырех запатентованных изобретений.
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||