БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

кафедра ЭТТ

РЕФЕРАТ на тему:

«Сущность и методика решения задач распознавания и различения сигналов. Ансамбли распознаваемых портретов»

МИНСК, 2008

Сущность и методика решения задач распознавания и различения сигналов.

Одновременно о решением задачи обнаружения, т.е. принятием решения о наличии или отсутствии сигнала в каждом элементе разрешения пространства наблюдения, что равносильно принятию решения о наличии или отсутствии в нем объекта наблюдения или некоторого элементарного сообщения, встает вопрос о принадлежности обнаруженного объекта наблюдения к определенному классу, о соответствии обнаруженного элементарного сообщения определенному каналу для многоканальной системы.

Распознавание (или классификация) объектов наблюдения необходимо для определения их значимости или опасности с целью принятия адекватных мер воздействия. Различение сигналов в многоканальных системах необходимо для разделения каналов с целью адресной передачи сообщений.

Основой решения задач распознавания в РЛС и различения в РТС ПИ являются отличия сигналов разных объектов наблюдения, разных каналов. Эти отличия могут быть энергетическими, временными, спектральными (частотными), пространственными, поляризационными. При построении многоканальных РТС ПИ эти различия сигналов можно организовать, выбирая определенным образом группу или совокупность однородных сигналов, т.е. некоторый ансамбль сигналов, различающихся по какому-то параметру или признаку (по форме, по времени, по частоте, по пространству, по поляризация).

Для радиолокационных систем отличия между сигналами от разных целей невозможно организовать принципиально. Они существуют постольку, поскольку объективно, независимо от свойств зондирующего сигнала, существуют различия в образах целей, т.е. в их геометрических, акустических, динамических характеристиках (радиальные и поперечные размеры, ферма, ориентация в пространстве, конструктивные особенности двигательных установок, параметры регулярных поступательных, вращательных и случайных перемещений цели и элементов ее планера, двигателей, несущих винтов и т.п.). Эти отличия в образах целей при отражении зондирующего сигнала из-за явлений вторичной модуляции трансформируются в отличия в портретах целей, Которые можно рассматривать как некоторое подобие их образов. Радиолокационный портрет воспринимается как несколько огрубленный образ объекта, причем степень огрубления зависит от свойств того "инструмента", с помощью которого "выполняется" портрет. Таким инструментом является зондирующий сигнал, его временные, спектральные, пространственные и поляризационные характеристики. Выбор характеристик зондирующего сигнала позволяет обеспечить получение некоторой группы или совокупности однородных портретов объектов, т.е. ансамбля портретов, отличавшихся по каким-то одноименным параметрам (временный, спектральным, пространственным, поляризационным), которые отображают или подчеркивают положенные в основу распознавания классификационные признаки объектов.

Ансамбли распознаваемых портретов

Постановка любой задачи всегда предполагает формализацию основных категорий, положенных в основу ее решения. В данном случае такой категорией является радиолокационный портрет. Под радиолокационным портретом будем понимать совокупность N комплексных амплитуд принятого сигнала En, относящихся к различным элементам пространства распознавания. В зависимости от положенных в основу распознаваний классификационных признаков пространством распознавания может быть время, частота, время запаздывания, доплеровское смещение частоты, пространственная (угловая) частота, поляризационный базис. Ниже рассматриваются ансамбли радиолокационных портретов, связанных с каким-то одним классификационным признаком, и как следствие, с одномерным пространством распознавания. К таким портретам относятся (рис.1): мощностный, флуктуационный, частотно-коррелированный, частотно-резонансный, поляризационный, дальностный, картинный, доплеровский. Эти портреты следует называть простыми. Возможно использование нескольких классификационных признаков и, как следствие, многомерного пространства распознавания. Такие портреты следует называть сложными или комбинированными.

Ансамбли

Радиолокационных портретов

Мощностный

Флуктуационыый

Частотно-коррелированный

Частотно-резонансный

Поляризационный

Дальностный

Картинный

Доплеровский

Рис. 1. Классификация радиолокационных портретов

Мощностями портрет представляется одной комплексной амплитудой (N=I). В этом вырожденном случае единственную комплексную амплитуду можно отнести к любому пространству распознавания. Единственной характеристикой этой комплексной амплитуды является средний квадрат модуля (удвоенная мощность отраженного сигнала.) при нулевом среднем:

Мощность отраженного сигнала пропорциональна эффективной поверхности рассеяния (ЭПР) или эффективной отражающей поверхности (ЭОП) цели ():

Однако, мощность отраженного сигнала, как классификационный признак одноименного портрета, не позволяет однозначно судить о каких-либо геометрических размерах цели.

Флуктуационный портрет представляется совокупностью N комплексных амплитуд , n=1,…N , взятых в различные моменты времени , где

комплексная огибающая отраженного сигнала с учесом его амплитудных и фазовых флуктуации.

Пространством распознавания является время, флуктуационный портрет дает представление о корреляционной функции флуктуации отраженного сигнала

,

времени корреляции флуктуации

,

энергетическом спектре флуктуации

,

ширине спектра флуктуаций

Перечисленные характеристики позволяет однозначно судить об интегральных (продольных и поперечных) размерах целей, поскольку с увеличением этих размеров спектр флуктуации отраженного сигнала расширяется) и его корреляционная функция сужается (рис. 2).

Рис. 2 Корреляционные функции и энергетические спектры флуктуации малоразмерной и крупноразмерной цели.

Рис. 3 Интервал частотной корреляции целей с большой (1) и малой (2) радиальной протяженностью

Частотно-коррелированный портрет представляется совокупностью N комплексных амплитуд , где n=1,…N, зафиксированных на N частотах в один и тот же момент времени, где - комплексная амплитуда отраженного сигнала.

Пространством распознавания является частота. Частотно-коррелированный портрет дает представление о коэффициенте частотной корреляции огибающей отраженного от объекта сигнала

и интервале частотной корреляции объекта (рис. 3)

который оказывается обратно пропорциональным радиальной протяженности объекта

Участок рабочих частот должен находиться в диапазоне сантиметровых волн, поскольку должно обеспечивать условие .

Таким образом, применяя многочастотный зондирующий сигнал и получая частотно-коррелированный портрет, можно использовать радиальную протяженность целей в качестве устойчивого классификационного признака для их распознавания.

Частотно-резонансный портрет представляется совокупностью комплексных амплитуд , n=1,…N, зафиксированных в один и тот же момент времени на N частотах, расположенных в диапазоне проявления резонансных свойств ЭПР, т.е. резкого увеличения ЭПР цели. Пространством распознавания является частота. Резонансные свойства ЭПР проявляется на частотах, при которых размер цели по периметру кратен целому числу длин волн

,

Например, резонансными свойствами характеризуется полуволновый вибратор (), поскольку . ЭПР полуволнового вибратора значительно превышает его поперечные размеры:

Резонансные свойства шара радиусом Rш проявляются на частотах , при которых периметр шара кратен целому числу длин волн (рис. 4):

Для всякой цели существует набор длин волн электромагнитного поля, при котором проявляются резонансные свойства ее ЭПР. Применяя многочастотный зондирующий сигнал и получая частотно-резонансные портреты, можно осуществлять классификацию (распознавание) целей по их отличительным резонансным длинам волн.

Рис. 4 Резонансные свойства ЭПР шара

Поляризационный портрет представляет собой совокупность четырех (N=4) комплексных амплитуд отраженного сигнала

соответствующих двум взаимно ортогональным поляризациям на прием (первые индексы элементов поляризационной матрицы рассеяния цели) при двух взаимно ортогональных поляризациях на излучение (вторые индексы элементов поляризационной матрицы рассеяния цели. Пространством распознавания является произвольный поляризационный базис .

Поляризационный портрет может быть использован для определения формы и ориентации цели в картинной плоскости (плоскости поляризации). Собственные значения и собственные направления поляризационной матрицы рассеяния отражают фундаментальные свойства объекта рассеяния - его форму и ориентацию в плоскости поляризации.

Собственные значения могут быть получены в результате решения характеристического уравнения

откуда

,

а собственные направления, отвечающие этим собственным значениям , могут быть получены в результате решения уравнений

или

,

откуда

Таким образом, фиксируя четыре комплексные амплитуды отраженного сигнала в произвольном поляризационном базисе , являющиеся компонентами поляризационной структуры рассеянного целью электромагнитного поля

где

можно, во-первых, найти элементы поляризационной матрицы рассеяния цели в этом поляризационном базисе

- во-вторых, вычислить собственные значения поляризационной матрицы рассеяния цели путем решения ее характеристического уравнения

и определить форму цели в картинной плоскости

- в-третьих, вычислить собственные направления поляризационной матрицы рассеяния цели

и определить ориентацию цели в картинной плоскости

Форма и ориентация целей в картинной плоскости могут служить основой их классификации (распознавания). Следует заметить, что поляризационное распознавание целей предполагает использование полного поляризационного зондирования

и полного поляризационного приема

Дальностный портрет представляет собой совокупность N комплексных амплитуд отраженного сигнала

,

относящихся к различным элементам разрешения цели по дальности вдоль ее радиальной протяженности. Пространством распознавания является время запаздывания или дальность . Условием получения дальностного портрета является сверхразрешение по дальности, когда разрешающая способность по дальности много меньше радиальной протяженности цели δ:

При этом число комплексных амплитуд дальностного портрета определяется отношением радиальной протяженности цели к разрешающей способности по дальности

Картинный портрет представляет собой совокупность амплитуд отраженного сигнала относящихся к различным элементам разрешения по углу вдоль ее угловой протяженности. Пространством распознавания может быть угол или пересчитанная в картинную плоскость линейная координата . Условием получения картинного портрета является сверхразрешение по углу, когда угловая разрешающая способность много меньше угловой протяженности объекта :

или линейная разрешающая способность в картинной плоскости много меньше линейной протяженности целя в той же плоскости :

Общее число комплексных амплитуд картинного портрета определяется произведением

где

- линейная протяженность цели в двух поперечных измерениях картинной плоскости,

- разрешающая способность в двух поперечных измерениях картинной плоскости.

Распределение отражательной способности объекта в картинной плоскости определяется ее конструкцией и служит устойчивым классификационным признаком.

Доплеровский портрет представляет собой совокупность N комплексных амплитуд отраженного сигнала относящихся к различным элементам разрешения по доплеровский частоте. Пространством распознавания является доплеровская частота .

ЛИТЕРАТУРА

1. Охрименко А.Е. Основы извлечения, обработки и передачи информации. (В 6 частях). Минск, БГУИР, 2004.

2. Девятков Н.Д., Голант М.Б., Реброва Т.Б.. Радиоэлектроника и медицина. –Мн. – Радиоэлектроника, 2002.

3. Медицинская техника, М., Медицина 1996-2000 г.

4. Сиверс А.П. Проектирование радиоприемных устройств, М., Радио и связь, 2006.

5. Чердынцев В.В. Радиотехнические системы. – Мн.: Высшая школа, 2002.

6. Радиотехника и электроника. Межведоств. темат. научн. сборник. Вып. 22, Минск, БГУИР, 2004.