05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющие системы (технические науки)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Тема:
Разработка математического и алгоритмического обеспечения для улучшения технических характеристик информационно-измерительной системы радиолокационного комплекса
Нечаев Виталий Станиславович
Тамбов 2011
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Тамбовский государственный технический университет" (ГОУ ВПО ТГТУ) и в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Воронежская государственная лесотехническая академия» (ГОУ ВПО ВГЛА).
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Стародубцев Виктор Сергеевич
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, доцент Смирнов Андрей Павлович
кандидат технических наук, старший научный сотрудник Беляев Виктор Вячеславович
Ведущая организация: Институт теоретической и прикладной электродинамики Российской академии наук
Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных гербовой печатью, просим направлять по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Советская, 106, ТГТУ, ученому секретарю диссертационного совета Д212.260.05 Селивановой З.М.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО ТГТУ.
Автореферат диссертации размещен на официальном сайте ГОУ ВПО ТГТУ
Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор З.М. Селиванова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Задача улучшения технических характеристик является одной из важнейших в системе работ, направленных на оптимизацию структуры как существующих, так и вновь разрабатываемых информационно-измерительных систем (ИИС) самого различного назначения. В радиолокационном диапазоне длин волн для получения изображений объектов, используемых в последующем при решении задач распознавания образов, дефектоскопии, неразрушающего контроля изделий, активно используются ИИС, входящие в состав радиолокационных комплексов (РК). Анализ работ, выполненных в данной области (Мицмахер М.Ю., Гинзбург В.М., Штагер Е.А., Зиновьев Ю.С., Менцер Дж. Р., Бахрах Л.Д., Смирнов А.П., Анфиногенов А.Ю., Булкин В.М., Емельянов С.В., Сафронов Г.С. и др.) показывает, что в основном ИИС РК построены в виде компактной схемы, использующей коллиматорный метод формирования поля облучения с планарным сканированием приемного элемента в предобъектной плоскости. Планарное (плоскостное) сканирование позволяет получать детальную информацию о параметрах рассеянного поля, производить расчет и осуществлять прогнозирование характеристик объекта практически в любых условиях на любом участке радиолокационного диапазона.
При этом технические характеристики(ТХ) значительной части существующих ИИС РК(размер рабочей зоны, чувствительность*, динамический диапазон, погрешность измерений амплитуды и фазы сигнала) возросшим требованиям не удовлетворяют. Таким образом, объективно существует необходимость улучшения (приведения в соответствие с современными требованиями) ТХ в случае, если параметры ИИС РК(вследствие естественных процессов старения ее элементов) не в полной мере соответствуют техническим условиям, а ее модернизация связана с большими техническими проблемами. Кроме того, в целом ряде случаев нужно обеспечить возможность получения информации об объектах, размеры которых выходят за пределы рабочей зоны ИИС РК, а также обеспечить возможность проведения измерений объектов с малой отражательной способностью в помещениях с достаточно высоким уровнем паразитных отражений от стен, пола и потолка помещения.
Анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований, выполненных в данном направлении, позволяет говорить о формировании нового нетрадиционного направления совершенствования существующих и создания перспективных высокоинформативных ИИС РК, основанных на разработке специальных методов математической коррекции результатов измерений с использованием информации о структуре конкретной измерительной системы, а также о закономерностях влияния искажающих факторов на процесс измерения.
Данное направление не является альтернативным традиционному, однако имеет существенное значение для решения важной государственной задачи модернизации существующей и разработки новой измерительной базы. Практическое значение этого направления состоит в том, что оно доказывает возможность улучшения технических характеристик существующих ИИС РК за счет применения математических методов коррекции технического несовершенства существующей измерительной аппаратуры, а также предполагает существенный экономический выигрыш при создании перспективных ИИС РК.
Таким образом, задача исследования возможностей и путей улучшения технических характеристик ИИС РК (за счет коррекции технического несовершенства ее элементов при математической обработке результатов измерений) является актуальной.
Диссертация выполнена по программе НИР Федерального научно-исследовательского центра "Обработка", а также в соответствии с межвузовской научно-технической программой И.Т.601 «Перспективные информационные технологии в высшей школе» и научным направлением ГОУ ВПО "Воронежская государственная лесотехническая академия" "Разработка средств автоматизации управления и проектирования".
Целью диссертационной работы является увеличение размеров рабочей зоны и улучшение чувствительности ИИС РК методами математической коррекции результатов измерений с использованием информации о реальных параметрах поля облучения и особенностях конструктивного исполнения измерительной камеры.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Разработать математическую модель ИИС РК, учитывающую погрешности измерений, обусловленные искажениями волнового поля облучения передающим трактом, структуру фоновых переотражений в измерительной камере(ИК) и механизм воздействия данных погрешностей на результаты измерений.
2. Разработать алгоритмы математической коррекции технического несовершенства элементов передающего тракта и ИК, позволяющие увеличить размер рабочей зоны и улучшить чувствительность ИИС РК.
3. Разработать, на основе частных алгоритмов, методику комплексной коррекции технического несовершенства элементов ИИС РК.
4. Провести экспериментальную проверку и внедрение разработанной методики.
Объект исследования - ИИС РК, использующая коллиматорный метод формирования поля облучения с планарным сканированием приемного элемента в предобъектной плоскости.
Предмет исследования - процесс математической коррекции технического несовершенства элементов ИИС РК, компенсирующий воздействие доминирующих составляющих погрешности измерений.
Методы проведения исследований. Решение поставленных задач проводилось с использованием теории информационно-измерительных систем, дифракции и распространения радиоволн, математических методов решения обратных задач в условиях шумов, матричной алгебры, векторного анализа линейных систем, а также экспериментальных методов исследований радиолокационных характеристик объектов.
Научная новизна. В диссертации получены следующие основные результаты, характеризующиеся научной новизной:
1. Предложена математическая модель ИИС РК, учитывающая погрешности измерений, обусловленные искажениями волнового поля облучения передающим трактом за счет реализации возможности непосредственной регистрации его амплитуды и фазы в плоскости сканирования, специфику и структуру фоновых переотражений в ИК, а также механизм воздействия данных погрешностей на результаты измерений.
2. Разработаны алгоритмы математической коррекции несовершенства элементов передающего тракта и ИК, отличающиеся учетом в характеристике восстанавливающего фильтра реальных искажений волнового фронта поля облучения и синфазным суммированием полезного сигнала при совместной векторной обработке результатов нескольких независимых измерений, проводимых при фиксированных перемещениях исследуемого объекта в ИК.
3. Предложена методика комплексной коррекции несовершенства элементов ИИС РК, в которой впервые при построении радиолокационного изображения объекта обеспечена возможность математической коррекции искажений, обусловленных реальными характеристиками волнового фронта поля облучения и воздействием фоновых шумов измерительной камеры.
Положения, выносимые на защиту:
- математическая модель ИИС РК, учитывающая погрешности измерений, обусловленные искажениями волнового поля облучения передающим трактом, структуру фоновых переотражений в измерительной камере и механизм воздействия данных погрешностей на результаты измерений;
- алгоритмы математической коррекции технического несовершенства элементов передающего тракта и ИК, обеспечивающие увеличение размеров рабочей зоны и улучшающие чувствительность ИИС РК;
- методика комплексной коррекции несовершенства элементов ИИС РК обеспечивающая возможность компенсации искажений волнового фронта поля облучения и фоновых переотражений в измерительной камере.
Практическая значимость и результаты внедрения.
1. Разработанная модель ИИС РК позволяет проводить комплексные исследования, направленные на оценку влияния отдельных структурных элементов ИИС РК на ее ТХ, а также прогнозировать изменение ТХ ИИС РК за счет использования новых способов построения измерительной схемы.
2. Разработанная методика комплексной коррекции элементов ИИС РК обеспечивает улучшение следующих ТХ ИИС РК:
- размера рабочей зоны - увеличение в среднем в 1.5 раза;
- чувствительности - увеличение с 10-2 до 10-4 м2 (на два порядка).
3. Разработанное математическое и алгоритмическое обеспечение внедрено на ИИС РК «Сектор» Федерального научно-исследовательского центра радиоэлектронной борьбы и оценки эффективности снижения заметности, что позволяет проводить работы по исследованию объектов с эффективной площадью рассеивания (ЭПР) до 10-4 м2 и размером до 3.5 м (ранее 10-2 м2 и 2.3 м соответственно).
4. Полученные результаты внедрены в учебный процесс Воронежского института высоких технологий на кафедре информационных систем и технологий в рамках учебных курсов «Электротехника и электроника», «Моделирование систем».
5. Результаты работы могут быть использованы без существенной доработки в качестве математического и алгоритмического обеспечения на аналогичных комплексах данного класса при проведении работ по совершенствованию их ТХ.
Апробация работы. Научные результаты и положения диссертационной работы обсуждались на научно-технических конференциях и совещаниях по выполнению НИР и ОКР на ведущих предприятиях радиоэлектронной промышленности. Основные результаты диссертационной работы докладывались на конференциях: "Проблемы коммуникации, обмена и анализа информации на современном этапе развития общества" (Воронеж, 2008 г.), "Повышение эффективности средств обработки информации на базе математического моделирования" (Тамбов, 2009) и ежегодных научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава ВГЛТА (Воронеж, 2008, 2009).
Публикации результатов работы. По теме диссертации опубликовано 17 работ, среди которых 3 научные статьи в рецензируемых журналах, входящих в перечень изданий, определенных ВАК РФ, общим объемом 107 стр. (лично автором выполнено 96 стр.). В работах, опубликованных в соавторстве, личное участие автора заключается в определении цели и задач, в выполнении теоретических и экспериментальных исследований, включающих методические разработки, проведении расчетов на ЭВМ, обработку и анализ их результатов, внедрение результатов в производство.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех частей и заключения. Материал диссертации изложен на 123 страницах машинописного текста, включая иллюстративный материал. В приложении приводятся акты внедрения результатов работы.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении к диссертации обоснована актуальность темы исследований, проведен краткий обзор ранее полученных результатов. Сформулирована цель работы, обоснована актуальность и практическая значимость работы. Подчеркивается важность и перспективность задачи улучшения технических характеристик за счет использования информации о принципах построения ИИС РК и изучения закономерностей влияния возмущающих факторов на процесс измерения.
В первом разделе диссертации «Анализ современного состояния исследований в области совершенствования технических характеристик информационно-измерительных систем радиолокационных комплексов» показано, что совершенствование ТХ ИИС РК является одним из перспективных направлений их развития. Рассмотрена структура типовой ИИС РК, использующего коллиматорный метод формирования поля облучения с планарным сканированием приемного элемента в предобъектной плоскости (рис. 1) и принцип ее работы.
Размещенный в измерительной камере объект облучается электромагнитным полем с плоским волновым фронтом, которое формируется антенным коллиматором. Регистрацию отраженной от объекта волны производит приемный зонд, расположенный на сканирующем устройстве, позволяющем осуществлять его планарное перемещение по плоскости, находящейся в ближней зоне объекта и расположенной по нормали к направлению облучения объекта коллиматором. Получаемое после обработки результатов измерений радиолокационное изображение состоит из линий равных амплитуд, приведенных к абсолютным значениям с использованием набора эталонных мер. Отмечено, что качество оценок, получаемых с помощью такой ИИС РК, во многом определяется ее ТХ. Существует возможность улучшения ТХ ИИС РК за счет совершенствования не только аппаратурного, но и математического обеспечения процесса измерений.