Математическая морфология.
Электронный математический и медико-биологический
журнал. - Т. 8. -
Вып. 3. - 2009. - URL:
http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/TITL.HTM
http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-23-html/TITL-23.htm
http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-23-html/cont.htm
УДК 621.396.96
МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО
ОЦЕНКЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ АЛГОРИТМОВ РАЗРЕШЕНИЯ ЭХОСИГНАЛОВ ГРУППОВОЙ ВОЗДУШНОЙ
ЦЕЛИ, НЕРАЗРЕШАЕМОЙ ПО ДАЛЬНОСТИ И РАДИАЛЬНОЙ СКОРОСТИ
Ó 2009 г. Климов С. А., Чижов А. А.
(klimov-2.doc)
Рассмотрена методика проведения
экспериментальных исследований в интересах сравнительной оценки эффективности
алгоритмов разрешения по дальности и радиальной скорости эхосигналов групповой воздушной
цели. Предложенная в статье методика ориентирована на физическую модель
групповой воздушной цели, неразрешаемой по дальности
и радиальной скорости.
Ключевые слова: методика проведения экспериментальных
исследований, физическая модель, групповая воздушная цель
В
настоящее время наблюдается
значительный интерес исследователей к
различным методам, способам и алгоритмам “сверхрелеевского” разрешения
эхосигналов групповых целей и сравнению их эффективности. При сравнительном
анализе эффективности указанных алгоритмов используется, как правило, математическое
моделирование на персональных компьютерах. Следующим этапом исследования может
быть экспериментальная проверка с приближением к реальным условиям. Одним из
достаточно эффективных и доступных по затрачиваемым ресурсам экспериментальных
методов проверки алгоритмов “сверхрелеевского” разрешения сигналов является
физическое моделирование.
Целью физического моделирования является экспериментальное
подтверждение работоспособности алгоритмов разрешения эхосигналов групповых
воздушных целей, неразрешаемых по дальности и радиальной скорости, и
исследование их эффективности в зависимости от различных факторов, возникающих
в реальных условиях обработки радиолокационной информации.
В соответствии с целью проводимого
физического эксперимента была разработана следующая методика исследований.
На первом этапе был создан детальный
план моделирования. План включал в себя имитацию сигналов не только от групповой цели, но и ряд односигнальных
ситуаций для установления адекватности функционирования электронного стенда.
План был оформлен в виде таблицы (см. таблицу).
План моделирования сигнальных ситуаций
|
Вид моделируемого
сигнала
|
Отношение сигнал/шум,
 ,
дБ*
|
(отсчетов
АЦП), мс**
|
 , мс
|
 ,
кГц
|
 ,
мкс
|
 , мс
|
 ,
гр.
|
 , В/дБ
|
Примечание
|
|
Пачка одиночных
радиоимпульсов
|
¥
|
0,64/64
|
6,36/636
|
25/-
|
10
|
-
|
-
|
2/-
|
односигнальные ситуации
|
|
-----------------------------
|
6/20
|
1/100
|
2,05/205
|
25/-
|
10
|
-
|
-
|
1/-
|
|
Пачка радиоимпульсов из суммы 2-х сигналов
|
¥
|
2/200
|
2,05/205
|
25/1
|
10
|
0,55/55
|
0
|
2/0
|
двухсигнальные ситуации
|
|
-----------------------------
|
¥
|
2/200
|
2,05/205
|
25/1
|
10
|
0,2/20
|
0
|
2/0
|
|
-----------------------------
|
¥
|
2/200
|
2,05/205
|
25/1
|
10
|
1/100
|
0
|
2/0
|
|
-----------------------------
|
¥
|
2/200
|
2,05/205
|
25/1
|
10
|
1,76/176
|
0
|
2/0
|
|
-----------------------------
|
6/23
|
2/200
|
2,05/205
|
25/1
|
10
|
0,50/50
|
0
|
1/0
|
измерения при различном отношении
сигнал/шум
|
|
-----------------------------
|
0/20
|
2/200
|
2,05/205
|
25/1
|
10
|
0,50/50
|
0
|
1/0
|
|
-----------------------------
|
14/27
|
2/200
|
2,05/205
|
25/1
|
10
|
0,52/52
|
0
|
1/0
|
|
-----------------------------
|
20/30
|
2/200
|
2,05/205
|
25/1
|
10
|
0,52/52
|
0
|
1/0
|
|
-----------------------------
|
¥
|
2/200
|
2,05/205
|
25/1
|
10
|
1,2.2/12.20
|
0
|
1/6
|
измерения при различном
отношении
амплитуд
сигналов
|
|
-----------------------------
|
0/20
|
2/200
|
2,05/205
|
25/1
|
10
|
1,2.2/12.20
|
0
|
1/6
|
|
-----------------------------
|
¥
|
2/200
|
2,05/205
|
25/1
|
10
|
0,52/52
|
0
|
1/6
|
|
-----------------------------
|
0/20
|
2/200
|
2,05/205
|
25/1
|
10
|
0,50/50
|
0
|
1/6
|
|
-----------------------------
|
6/23
|
2/200
|
2,05/205
|
25/1
|
10
|
0,50/50
|
0
|
1/6
|
|
-----------------------------
|
¥
|
2/200
|
2,05/205
|
25/1
|
10
|
0,52/52
|
0
|
2/14
|
|
|
-----------------------------
|
6/23
|
2/200
|
2,05/205
|
25/1
|
10
|
0,50/50
|
0
|
7/20
|
|
-----------------------------
|
6/25
|
3/300
|
2,05/205
|
25/1
|
10
|
0,75/75
|
0
|
2/14
|
|
-----------------------------
|
6/17
|
0,05/50
|
2,05/205
|
25/1
|
10
|
0,12/12
|
0
|
2/14
|
|
-----------------------------
|
0/20
|
2/200
|
2,05/205
|
25/-
|
10
|
0,50/50
|
случ.
|
1/0
|
некогерентные
|
|
-----------------------------
|
¥
|
2/200
|
2,05/205
|
25/1
|
10
|
0,54/54
|
12.20
|
1/0
|
противофазное
суммирование сигналов
|
|
-----------------------------
|
0/20
|
2/200
|
2,05/205
|
25/1
|
10
|
0,54/54
|
12.20
|
1/6
|
|
-----------------------------
|
¥
|
2/200
|
2,05/205
|
75/1
|
10
|
0,5/50
|
0
|
1/0
|
измерения при различном отношении частоты
сигналов и частоты дискретизации
|
|
-----------------------------
|
6/23
|
2/200
|
2,05/205
|
75/1
|
10
|
0,5/50
|
0
|
1/0
|
|
-----------------------------
|
¥
|
2/200
|
2,05/205
|
125/1
|
10
|
0,5/50
|
0
|
1/0
|
|
-----------------------------
|
6/23
|
2/200
|
2,05/205
|
125/1
|
10
|
0,5/50
|
0
|
1/0
|
* - 
- для 2-х сигналов отношение сигнал/шум по сигналу
с меньшей амплитудой на входе измерителя (для односигнальной ситуации отношение
сигнал/шум на входе измерителя); 
- отношение сигнал/шум на момент измерения;
** - 
- длительность импульса в отсчетах АЦП;
Далее, на втором этапе в соответствии с планом
проведения физического моделирования была проведена серия экспериментов. Перед
каждым экспериментом проводилась настройка аналоговой и программного
обеспечения цифровой части стенда на соответствующий вид сигнальной смеси, а
затем калибровка его аналоговой части в целом. Калибровка аналоговой части
экспериментальной установки проводилась по сигналам, наблюдаемым в контрольной
точке № 1 стенда (рис. 1а и рис. 2). После этого осуществлялась первая часть
эксперимента по обработке интересующей сигнальной ситуации. Как правило, она
реализовывалась без использования генератора шума. Для этой процедуры был
задействован один канал платы АЦП при включении его по схеме с общей землей,
так как предполагалось, что импульс “0Д” (импульс синхронизации, обеспечивающий
точное измерение времени запаздывания сигналов) начинался в тот же момент
времени, что и первый отсчет файла регистрации. Запомненные значения файла
регистрации есть не что иное, как одна из реализаций процесса моделирования
сигнальной смеси, наблюдаемой в контрольной точке № 2
(см. рис. 1б и рис. 2) в реальном масштабе времени.
а)
 ´5,12/2048, В
|
|
 ´10, мкс
|
|
б)
Рис. 1. Осциллограмма напряжения а) и
восстановленный импульс после АЦП б)
при физическом моделировании сигнала, отраженного от двух точечных источников вторичного излучения. Интервал перекрытия
равен 3/4 длительности импульса
Рис 2.
Структурная схема устройства физического моделирования групповой цели.
Вариант синфазного суммирования колебаний (A1 -
частотомер электронно-счетный Ч3-53; A2 - усилитель суммирующий; A3 - осциллограф
С1-23; А4 -
плата аналого-цифрового преобразователя, А5 - персональная ЭВМ; G1 -
генератор сигналов низкочастотный Г3-106; , G2-G4 -
генератор импульсов Г5-63; G5
- генератор сигналов низкочастотный
РГ3-124; U1, U2 -
модуляторы)
Анализируя данные файла регистрации
можно убедиться в адекватности работы физической модели, правильной настройке
тех или иных параметров сигнальной смеси (истинных значениях времен
запаздывания сигналов, их относительной интенсивности, длительности и т. п.). Кроме того, с помощью этого же файла регистрации
проводилась повторная калибровка электронного стенда, поскольку точность
обработки информации здесь весьма высока. Таким образом, зная истинное
положение сигналов на входе измерителя и, проводя их обработку в соответствии с
исследуемым алгоритмом, убеждались в его работоспособности.
Вторая часть эксперимента реализовывалась уже с
использованием генератора низкой частоты РГ3-124, в качестве источника шумового
напряжения. Среднеквадратическое значение напряжения шума фиксировалось по
стрелочному прибору генератора, а также по
осциллографу С1-23 в контрольной точке № 1 (см. рис. 2 и рис. 3а).
. 
 ´5,12/2048, В
|
|
а)
 ´10, мкс
|
|
б)
Рис. 3. Осциллограмма
напряжения а) и восстановленный импульс после АЦП б) при моделировании сигнала,
отраженного от двух точечных истоников вторичного излучения. Интервал
перекрытия равен 3/4 длительности
импульса. Отношение сигнал/шум 20 дБ
В этой ситуации, использование в
качестве эталонных значений времени, данных файла регистрации по одному каналу
платы АЦП невозможно. Поэтому были
задействованы два канала обработки сигналов по схеме соединения с общей землей.
По одному из каналов на вход платы АЦП поступал общий для всего электронного
стенда импульс синхронизации “0Д”, а по-другому моделируемая смесь колебаний.
Временное запаздывание исследуемой импульсной последовательности относительно
импульса синхронизации “0Д” было всегда постоянным и составляло 104 отсчета
АЦП. Здесь, в отличие от первой части эксперимента, считалось, что с момента
записи первого отсчета файла регистрации начинался не синхроимпульс “0Д”, а начало
отсчета времени запаздывания для моделируемой смеси колебаний. Импульс
синхронизации “0Д” в этом случае служил “отсчетной точкой”, относительно
которой можно было ориентироваться при наличии шума. Следовательно, в
контрольной точке № 2 (см. рис. 2 и рис. 3б) можно было наблюдать положение импульса
синхронизации “0Д” и, относительно него фиксировать расположение совокупности
сигналов в шуме. Таким же образом, проводился собственно анализ данных и на
самом файле регистрации, так как программа Oscilloscope позволяла записывать
информацию с двух каналов в реальном масштабе времени одновременно. В конечном
счете, имея данные файла регистрации и результат измерения, проводилось исследование
работоспособности способов обработки сигналов в аддитивном шуме. Действительно,
зная номер отсчета импульса синхронизации “0Д” и запаздывание относительно него
полезных сигналов, можно вычислить количество отсчетов АЦП до начала
моделируемых колебаний с момента времени, соответствующего первому отсчету
файла регистрации.
Наконец, на третьем этапе работы осуществлялись
экспериментальные исследования статистических свойств оценок в зависимости от
различных факторов, возникающих в реальных условиях обработки. Их определение
проводилось на основании изложенной выше методики путем обработки результатов
многократных измерений для каждого эксперимента.
Число статистических испытаний равнялось 100, что обеспечивало точность
эксперимента порядка 10-12%. Непосредственно сами
характеристики (математические ожидания оценок и их среднеквадратичные
отклонения), вычислялись по известным формулам [2]. Наличие достаточно большого
количества измерительной техники, привлекаемой для проведения физического эксперимента, а также существование
большого числа случайных факторов в ходе реализации процесса измерений
способствовало возникновению аномальных ошибок в выходных результатах. Они
могли значительно исказить результаты эксперимента и привести к неправильным
статистическим выводам. Устранение ошибок этого типа проводилось на этапе
статистической обработки результатов экспериментальных измерений.
Проведенные исследования поддержаны грантом РФФИ № 08-07-97503, а также
грантом Президента РФ МК-6.2008.10.
ЛИТЕРАТУРА
1. Справочник конструктора РЭА: Общие принципы
конструирования/Под ред. Р. Г. Варламова. М.: Сов. радио, - 1980. 480 с.
2. Вентцель Е. С. Теория вероятностей. М.: Изд-во
физико-математической литературы, - 1962. 564 с.
METHODS OF THE UNDERTAKING THE EXPERIMENTAL STUDIES ON ESTIMATION OF EFFICIENCY
ALGORITHM PERMITS ECHO-SIGNALS MULTIPLE AIR TARGET, NO RESOLUTION ON RANGE AND
RADIAL VELOCITIES
Klimov S. A., Chizhov A. A.
The considered methods of the undertaking the experimental studies in
interest of the comparative estimation to efficiency algorithm permits on range
and radial velocity echo-signals multiple air target.
Offered in article methods is oriented on physical model of the group air
purpose, no resolution on range
and radial velocity.
Кеу words: methods of the undertaking the experimental studies, physical model, multiple
air target.
Академия войсковой ПВО Вооруженных Сил РФ
им. Маршала Советского Союза А. М.
Василевского, г. Смоленск
Поступила в редакцию 17.09.2009.