Обоснована актуальность проведения исследований за счет разработки специальных алгоритмов коррекции результатов измерений. Показано, что задача разработки средств улучшения технических характеристик современных ИИС РК по существу сводится к разработке соответствующих алгоритмов коррекции, минимизирующих ошибки оценивания по принятому для сравнения критерию.
Рис. 1. Обобщенная структурная схема построения ИИС РК
1 - синтезатор частот; 2 - формирователь опорного сигнала; 3,13 - усилитель(и); 4 - передающий волноводный тракт; 5 - передающий облучатель; 6 - антенный коллиматор; 7 - координатно-сканирующее устройство(КСУ); 8 - измерительная камера; 9-объект измерений; 10-приемный зонд; 11 - опорно-поворотное устройство (ОПУ); 12 - приемный волноводный тракт; 14 - ЭВМ; 15-интерфейс связи; 16 - блок управления движением КСУ; 17 - блок управления движением ОПУ; 18 - цифровой амплифазометр; 19 - преобразователь частоты
Принцип коррекции технического несовершенства элементов системы облучения основан на предположении о том, что каждая радиолокационная характеристика (РЛХ) может рассматриваться как некоторое сечение оператора рассеяния в пространстве параметров облучающих сигналов и при этом обладает достаточной устойчивостью при незначительных изменениях характеристик входного воздействия. Тогда, по зарегистрированному полю, можно рассчитать рассеянное поле на поверхности объекта и функцию рассеяния объекта :
(1)
где - локальные амплитудный и фазовый коэффициент отражения в точке с координатами поверхности объекта.
Принципиальная возможность использования модели (1) для коррекции технического несовершенства элементов системы облучения ИИС РК обусловлена следующем. Во-первых, наличие в составе ИИС РК сканирующего устройства позволяет, при развороте приемного зонда на 1800, измерить реальное амплитудно-фазовое распределение (АФР) поля коллиматора в плоскости сканирования. Во-вторых, с использованием методов вычислительной электродинамики, по полю коллиматора, зарегистрированному в плоскости сканирования, можно рассчитать поле облучения на плоскости, непосредственно прилегающей к объекту. В-третьих, по зарегистрированному полю также возможен расчет рассеянного объектом поля в тех же точках этой плоскости. Таким образом, формально пользуясь выражением (1), можно записать уравнение, принципиально обосновывающее возможность коррекции технического несовершенства элементов системы облучения
, (2)
где - скорректированное АФР рассеянного поля; и расчетные значения распределения плоского поля и реального поля облучения на той же отсчетной поверхности.
Отмечено, что на практике, коррекция технического несовершенства элементов системы облучения может быть выполнена лишь приближенно, с ошибкой восстановленного скорректированного изображения , которая зависит от ошибок, связанных с использованием приближенной модели (1) , с неучетом сложной формы реальных объектов и с ошибками измерения реального поля коллиматора , т.е.
(3)
Поэтому, вопрос целесообразности использования приближенной модели рассеяния (1) для коррекции результатов измерения может быть решен положительно только при выполнении условия
, (4)
где - функционал, определяемый выбранным критерием качества обработки результатов измерений РЛХ объектов.
Принцип коррекции технического несовершенства ИК базируется на использовании возможностей селективной пространственно-частотной обработки сигналов, зарегистрированных при проведении многократных измерений с изменением местоположения объекта в ИК. При этом, пространственный спектр функции рассеяния объекта можно получить в виде
, (5)
где н - пространственная частота;
- пространственный спектр информационной составляющей радиоголограммы, зарегистрированной при некоторых k-том и l-том положении объекта;
- пространственно-частотные передаточные характеристики участка свободного пространства при k-том и l-том положении объекта.
По пространственному спектру можно рассчитать искомую функцию рассеяния объекта. Однако, несмотря на то, что соотношение (5) по существу представляет собой селективный пространственно-частотный фильтр для сигнала, отраженного от объекта измерений, его практическая реализация сопряжена с трудностями, общими для всех задач инверсной фильтрации в присутствии помех, когда даже весьма малые изменения входных данных могут стать причиной радикальных изменений в получаемой оценке. Поэтому важной задачей исследований является оптимизация обработки результатов многократных измерений.
При определении критериев и показателей качества измерений РЛХ объектов показано, что задача сводится к выбору состава тестовых объектов, определению "эталона" и выбору "расстояния" между сравниваемыми изображениями. Наиболее универсальным, с точки зрения решения задач оптимизации, является квадрат разности векторов (квадратическая ошибка (КО)) сравниваемых изображений, который имеет вид:
коррекция информационный измерительный радиолокационный
, (6)
где - векторы сравниваемых изображений.
Во втором разделе «Разработка математической модели информационно-измерительной системы радиолокационного комплекса», на основе использования принципов системного подхода, производится разработка математической модели ИИС РК, отражающей взаимные связи основных элементов системы. Показано, что такая модель представляет собой основу для эффективной разработки практически всех алгоритмов коррекции технических характеристик. Существующие модели не учитывают составляющие погрешности измерений, обусловленные искажениями поля облучения и фоновыми переотражениями в ИК, что приводит к низкой практической эффективности построенных с их помощью алгоритмов коррекции ТХ из-за нарушения целостности и порядка проведения обратных преобразований.
Разработка математической модели ИИС РК строится на основе исследования и анализа источников и составляющих инструментальной погрешности измерений и структурной схемы ИИС РК. Рассмотрение ограничено использованием монохроматического, линейно поляризованного пространственного зондирующего сигнала и предположением о линейности процесса рассеяния электромагнитного излучения в ИК. Для описания происходящих в системе процессов использован аппарат теории матриц и векторной алгебры. Обобщенная математическая модель ИИС РК, получена в виде:
, (7)
где - вектор результатов измерений;
- систематическая составляющая погрешности системы регистрации ИИС РК;
D - матрица, описывающая диаграмму направленности приемного зонда;
- передаточная характеристика участка свободного пространства длиной ;
- вектор идеально плоского поля облучения;
- систематическая составляющая погрешности, вносимая приемным трактом ИИС РК;
- вектор комплексных коэффициентов рассеяния объекта;
- вектор комплексных коэффициентов пропускания КСУ в i-том положении;
- систематическая составляющая погрешности передающего тракта ИИС РК;
- обобщенный вектор, определяющий систематическую составляющую фоновых отражений и переотражений при i-том положении сканера;
- неисключенная случайная составляющая погрешности.
Показано, что вектор фоновых переотражений может быть представлен (согласно итогам анализа его составляющих) в виде суммы
, (8)
где - независимые, обусловленные только отражениями и переотражениями от элементов конструкции ИК;
- зависимые только от положения объекта в ИК;
- зависимые от местоположения объекта в ИК и положения сканирующего устройства.
Далее в работе приведены результаты экспериментальных исследований по определению вида и статистических характеристик, рассматриваемых составляющих погрешности измерений применительно к рассматриваемой ИИС РК в типовых условиях наблюдения. Они использованы при оценке достоверности функционирования разработанной математической модели ИИС РК.
Третий раздел диссертации «Разработка методического обеспечения для коррекции технического несовершенства информационно-измерительной системы радиолокационного комплекса» посвящен решению следующих задач:
Ш разработке алгоритма математической коррекции, увеличивающего размеры рабочей зоны ИИС РК;
Ш разработке алгоритма математической коррекции, улучшающего чувствительность ИИС РК;
Ш разработке методики комплексной коррекции технических характеристик ИИС РК.
При разработке алгоритма математической коррекции, увеличивающего размеры рабочей зоны ИИС РК, показано, что, для получения результата, отражающего истинную информацию о характеристиках крупногабаритных объектов, необходимо использовать следующее векторное выражение:
, (9)
где - модифицированная передаточная характеристика (МПХ) измерительной системы.
Таким образом, алгоритм математической коррекции, увеличивающий размеры рабочей зоны ИИС РК, по существу выполняет модификацию передаточной характеристики измерительной системы с использованием априорной информации об АФР поля облучения и ошибках системы регистрации в плоскости сканирования.
Исследования, проведенные на модели (7) с использованием разработанного алгоритма показали, что он позволяет уменьшить величину КО в пределах рабочей зоны ИИС РК в зависимости от размера объекта на величину до 20 дБ или увеличить размеры исследуемых объектов в предметной плоскости (а, соответственно, и размер рабочей зоны комплекса) до 2.5 метров, сохранив прежней величину допустимого значения КО. С увеличением геометрических размеров исследуемых объектов по глубине эффективность коррекции снижается, что объясняется ростом составляющей ошибки , связанной с не учетом формы исследуемого объекта в модели рассеяния (1). Ошибки пересчета становятся сопоставимыми по значениям КО при размерах объектов по глубине порядка 140 см. Размер апертуры сканирования в равной степени влияет на оценки РЛХ, получаемые с использованием традиционного и разработанного алгоритмов. Результативность проводимой коррекции снижается незначительно при работе с объектами, максимальные геометрические размеры которых в предметной плоскости составляют до 2/3 размеров зоны сканирования. Однако, используемое для коррекции ядро преобразования является весьма чувствительным к ошибкам регистрации отраженного сигнала, поэтому данная задача оказывается тесно связанной с задачей разработки алгоритма математической коррекции, улучшающего чувствительность ИИС РК.
Эффективным способом построения такого алгоритма является использование переопределенной модели и открывает возможности для перехода к рассмотрению связанных систем многократных наблюдений, основанных на использовании идей вычитания и когерентного накопления сигналов.
В основу построения системы связанных многократных наблюдений положена идея перемещения (в общем случае произвольного) объекта в ИК в процессе проведения нескольких измерений. Процесс формирования суммарного вектора результатов , с учетом принятых допущений может быть представлен системой матричных уравнений:
, , (10)
где - матрица, описывающая линейный процесс формирования i-той части вектора принятых сигналов , отраженных от исследуемого объекта, находящегося в i-том положении;
- вектор, описывающий фоновые переотражения, характеристики которых считаются неизвестными.
Основной задачей исследований является решение системы уравнений наблюдения (10), обеспечивающее получение обратного оператора преобразования результатов измерения в оценку исследуемой характеристики с минимальной ошибкой отклонения оценки от истинного значения .
Для отыскания решения использован оператор псевдообращения матрицы , обеспечивающий получение искомой оценки с минимальной нормой.
Окончательно для оценки искомой характеристики получено выражение
, (11)
где матрицы T11 и T12 не зависят от результатов измерений и определяются параметрами модели наблюдения:
, (12)
(13)
Таким образом, алгоритм математической коррекции, улучшающий чувствительность ИИС РК, по существу сводится к решению переопределенной системы уравнений (10) методом обобщенного псевдообращения.
Исследования, проведенные на модели (10) с использованием разработанного алгоритма показали, что оптимальными, с точки зрения эффективности коррекции технического несовершенства ИК, являются расстояния, кратные нечетному количеству четвертей рабочей длины волны. Выбор расстояния перемещения с учетом такой рекомендации позволяет дополнительно уменьшить КО на 15-20 дБ. При этом, для достижения максимального эффекта коррекции, величину смещения объекта целесообразно выбирать меньшей половины длины волны поля облучения. Относительное положение объекта на апертуре сканирования не оказывает существенного влияния на получаемые результаты. Определяющими, подавляющими до 70-90% фоновых переотражений, являются первые 2-3 перемещения объекта. Разработанный метод устойчив к наличию случайных фазовых ошибок регистрации и сохраняет вычислительную эффективность при фазовой неравномерности случайной составляющей регистрации до 150.
Далее в работе отмечается, что ИИС РК представляет собой достаточно сложную измерительную систему, что не позволяет напрямую использовать разработанные алгоритмы коррекции без существенной или полной потери их эффективности из-за нарушения целостности и порядка проведения обратных преобразований. Только совместный учет причинно-следственных связей и последовательности применения обращающих операторов позволяет получить результат, достаточно хорошо совпадающий с эталонным изображением. В этой связи проводится разработка методики комплексной коррекции технических характеристик ИИС РК с компенсацией основных составляющих инструментальной погрешности измерений в которой впервые учтены искажения волнового фронта поля облучения и фоновые переотражения в измерительной камере. Основой методики является вышерассмотренная математическая модель ИИС РК, которая определяет порядок и правила проведения обратных преобразований.