Автор неизвестен - Сборник научных трудов 3-го международного радиоэлектронного форума прикладная радиоэлектроника - страница 34

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  51  52  53  54  55  56  57  58  59  60  61  62  63  64  65  66  67  68  69  70  71  72  73  74  75  76  77  78  79  80  81  82  83  84  85  86  87  88  89  90  91  92  93  94  95  96  97  98  99  100  101  102  103  104  105  106  107  108  109  110  111  112  113  114  115  116  117 

Финишной операцией радиолокационного наблюдения является распознавание , то есть выявление геометрических особенностей формообразующей поверхности объекта для отнесения его к тому или иному классу. При этом для типовых объектов (наземная техника, инженерные сооружения и пр.) важнейшими требованиями к модели рассеяния являются:

- связь параметров рассеянного сигнала с конструктивными особенностями формо­образующей поверхности объекта;

- достаточная простота модели, позволяющая реализовать алгоритмы распознава­ния при ограниченных аппаратных и программных ресурсах радиолокационной аппара­туры.

Методы геометрической и физической теории дифракции, в принципе, могут точно описать поле, рассеянное реальными объектами. Однако их применение при распознава­нии ограничено значительными вычислительными сложностями, возрастающими при увеличении отношения l / Л. Представления реальных объектов в виде совокупности "блестящих точек" порождает два вопроса:

СРРСН'2008

1-ч.1 - 193

- как расположить "блестящие точки" на формообразующей поверхности объекта ?

- какое количество "блестящих точек" адекватно описывает объект?

В работах [3,4] на основе широкого спектра экспериментальных исследований рас­сеивающих характеристик наземных объектов в миллиметровом диапазоне предложена модель участков локального отражения (УЛО). Суть модели УЛО заключается в сле­дующем :

- поле, отраженное распределенным объектом формируется небольшим числом волн, источники которых (УЛО) расположены на "освещенной" части его формообра­зующей поверхности;

- расстояния между УЛО велики по сравнению с длиной волны Л, а занимаемая ими площадь мала относительно всей "освещенной" части поверхности объекта;

- УЛО в общем случае являются частично когерентными и могут содержать пары как полностью когерентных , так полностью некогерентных источников;

- положение УЛО однозначно связано с конструктивными особенностями формо­образующей поверхности наблюдаемого объекта.

Основные отличия модели УЛО от модели "блестящих точек":

- "блестящие точки" - небольшие площадки (фацеты) формообразующей поверх­ности объекта, ориентированные нормально к лучу падающего поля. УЛО формируется поверхностью отдельных конструктивных элементов интегральной формообразующей поверхности объектов , размеры которых сравнительно велики, а форма поверхности об­разуется сочленением различных тел;

- число "блестящих точек" велико. Число УЛО ограничено;

- положение "блестящих точек" существенно меняется при изменении ракурса зон­дирования объекта. Местоположение УЛО устойчиво, при изменении ракурса меняется не положение УЛО, а их площадь;

- амплитудные и фазовые диаграммы обратного рассеяния (ДОР) "блестящих то­чек" изотропные, а УЛО быстроосциллирующие.

Математически поле, рассеянное совокупностью УЛО, может быть представлено в

виде

Е ((, о, у) = ^ГА, (о, у)е-^' , (1) 1=1

где Аг- - амплитуда сигнала , отраженного /- тым УЛО, Р - радиус-вектор /-того УЛО, у - вектор , характеризующий условия наблюдения, в частности, ориентацию объ­екта.

Сложная зависимость поля эхо-сигнала от ракурса определяется быстро осцилли­рующим сомножителемехр{{о2Я;(у)/с}. Очевидно, что снижение вариативности па­раметров эхо-сигнала связано с решением проблемы уменьшения взаимовлияния УЛО. Одним из таких путей является повышения пространственных разрешающих способно­стей радиолокационной аппаратуры. Для РЛС с небольшими антенными аппертурами принципиальную роль играет повышение разрешающей способности по дальности. Если разрешающая способность по дальности не хуже минимального расстояния между УЛО, то на выходе согласованного фильтра получается дальностный "портрет" цели, характе­ризующий распределение УЛО в пределах физического размера цели по дальности

1 ■ 2г

g(г) = —i   Аг (о)е    сйо , (2) 2л; -1-00

где г - текущая дальность в пределах физического размера цели.

Вариативность дальностного "портрета" определяется зависимостью параметров отдельных УЛО от условий у и, естественно, слабее чем у поля (1). На рис. 1, 2 пред­ставлены эксперементально полученные в коротковолновой части миллиметрового диа­пазона фрагменты ДОР танка Т-72 и одного УЛО его формообразующей поверхности при изменении азимутального ракурса на 1 градус.

СРРСН'2008

1-ч.1 - 194

А 1

0,75

0,5

0,25

< 4-им-91 14:33

1 Ф [град]

Рис. 1. Фрагмент ДОР танка Т-72 при изменении азимутального ракурса зондирования на 1 градус

А

1

0,75

0,5

0,25

0 1 ф

[град]

Рис. 2. Фрагмент ДОР УЛО танка Т-72 при изменении азимутального ракурса зондирования на 1 градус (разрешающая способность по дальности 15 см)

В работе [3] экспериментально показано, что для объектов наземной техники поло­жение УЛО в миллиметровом диапазоне на дальностных "портретах" однозначно связано с расположением характерных конструктивных элементов формообразующей поверхно­сти объекта ( для танка, например, это ствол пушки, траки, башни). Последнее является убедительным доказательством адекватности модели УЛО для решения задач распозна­вания наземных объектов.

Вывод. Физическая модель рассеяния радиолокационных сигналов на протяженных объектах, представленная в виде ограниченной совокупности УЛО, применительно к за­дачам распознавания является более эффективной по сравнению с моделью "блестящих точек" поскольку:

0

СРРСН'2008

1-ч.1 - 195

- является феноменологической;

- обеспечивает техническую реализацию алгоритмов распознавания при ограни­ченных аппаратных и программных ресурсах радиолокационной аппаратуры.

Литература

1. Штагер Е.А. Рассеяние радиоволн на телах сложной формы. - М.: Радио и связь, 1986. - 184с.

2. Островитянов Р.В., Басалов Ф.А. Статистическая теория радиолокации протя­женных целей. - М.: Радио и связь. - 1982. - 231с.

3. Зубков А.Н. Системы радиовидения миллиметрового диапазона. Принципы по­строения. Сопоставления и интеграция с оптическими каналами, результаты эксперимен­та // Радиоэлектроника.- 2005.- №9.- С.3-16, №10.- С.3-10 (Изв. вузов).

4. Zubkov, M. Lobur. Echo Signal Frequency Averaging as Method of Forming the Sta­ble Criteria of Compound Object Identification in Microwave Band. CADSM ' 2007, Polyana, UKRAINE.-2007.- pp.98-100.

СРРСН'2008

1-ч.1 - 196

КОНТРОЛЬ СОСТОЯНИЯ КОЛОКОЛЬНИ СОФИЕВСКОГО СОБОРА С ПОМОЩЬЮ НАЗЕМНОГО ШУМОВОГО РСА 8 ММ ДИАПАЗОНА

Лукин К.А., Могила А.А., Паламарчук В.П., Выплавин П.Л., Е.А.Кожан, Институт радиофизики и электроники Национальной академии наук Украины Ул. Акад. Проскуры 12, 61085, г.Харьков, Украина, тел.(057) 720-33-49 E-mail: Lukin@ire.kharkov.ua This work is devoted to in-field testing of a new Ka-band Ground Based Noise Waveform SAR (GB NW-SAR). Its design is based upon new synthetic aperture antennas and Noise Radar Technology. We present results of measurements of possible shifts in the structure of "Sofia Kyivska" national reserve. The GB NW-SAR operated in monostatic regime with CW signals. Resolution of the GB NW-SAR is ~ 0.30 cm both in range and azimuth. Precision of shifts measurements is up to 0.1 mm. High stability of the object of interest has been shown. Changes of the building during heating by sun have been measured.

В 1990 г. ансамбль собора София Киевская внесен в список всемирного наследия ЮНЕСКО. Беспощадное время, а также техногенное воздействие большого города, оста­вили на конструкциях объектов ансамбля ряд трещин, неравномерные осадки, подъем уровня грунтовых вод, которые являются самым грозным фактором возможного разру­шения объектов в связи с тем, что ансамбль расположен на толще просадочных грунтов. Намокание этих грунтов приводит к потере их прочности, и в результате этого происхо­дит разрушение строений.

Все объекты Национального заповедника «София Киевская» требуют постоянного мониторинга за их состоянием.

В состав ансамбля входит колокольня, которая является в настоящее время архитек­турной доминантой территории города Х1 века времен Ярослава Мудрого.

Это сооружение высотой 75 метров требует особого мониторинга осадок, а также от­клонений от вертикали. Тем более что методами инженерной геодезии с высокой точно­стью определено отклонение от вертикали

тела колокольни. Для примера на рис. 1 при­ведены отклонения по южному фасаду коло­кольни.

В последнее время для решения подоб­ных задач применяются наземные радары с синтезированной апертурой (РСА) [1]. Пред­ложенный подход позволяет дистанционно обнаруживать даже незначительные измене­ния на поверхности исследуемых объектов, а также получать радио-голограммы изучаемых объектов в значительном диапазоне расстоя­ний с высокой разрешающей способностью по дальности и азимуту. Электромагнитные волны микроволнового диапазона в отличие от оптических нечувствительны к неблаго­приятным погодным условиям, что позволяет преодолеть недостатки лазерной голографии. В отделе нелинейной динамики электронных систем ИР НАНУ был разработан и изготов­лен наземный шумовой РСА (НШ-РСА) 8 мм диапазона [4,5], в котором используются шу­мовая радарная технология [2] и антенны с

Рис. 1. Отклонения от вертикали        синтезированием апертуры (АСА) со сколь-по южному фасаду колокольни, изме-      зящим движением излучающей щели [3]. В ренные методами инженерной геодезии    сочетании с методом дифференциальной ин­

СРРСН'2008

1-ч.1 - 197

Рис. 2. Колокольня Софиевского

собора и шумовой РСА в моностатической конфигурации

терферометрии это позволило создать эффек­тивный инструмент для быстрого, точного и всепогодного контроля состояния инженерных конструкций [4,5].

В данной работе дано краткое описание НШ-РСА и его возможности, а также пред­ставлены первые результаты дистанционного мониторинга колокольни, проведенного в на­циональном заповеднике «София Киевская», с помощью этого РСА.

В состав разработанного НШ-РСА входят передатчик, приемник, блок управления и уст­ройство обработки, а также антенная система, которая состоит из передающей и приемной ан­тенн с синтезированием апертуры. Система мо­жет использоваться как в бистатическом, так и в «моностатическом» режиме. В последнем слу­чае в качестве передающей антенны использует­ся неподвижный рупорный излучатель, а в каче­стве приемной - антенна с синтезированием апертуры [3]. В бистатическом режиме в каче­стве передающей антенны также используется АСА, что позволяет достигать в два раза боль­шего разрешения, в то время как «моностатиче­ский» режим проще в реализации, поскольку требует установки только одной сканирующей антенны  и  опорно-поворотного устройства. Разрешающая    способность    НШ-РСА по дальности  равна  0,3 м.   В  данной работе приводятся результаты измерений,

проведенных в «моностатической»

конфигурации. Зондирование производилось с помощью непрерывных шумовых сигналов. Для  цифровой обработки  отраженных шу­мовых сигналов использовались быстродейст­вующий   АЦП   ОаОе82   и персональный компьютер. Разработанная АСА скользящего типа [3] позволила достичь высокой точности позиционирования фазового центра излучателя на  синтезированной   апертуре. Генераторы шума 8 мм диапазона имеют достаточную выходную  мощность   (150мВт)   в широкой полосе частот (500МГц). Составной частью РСА также является программное обеспечение устройства   ввода   и   хранения цифровых данных,  а также   программное обеспечение блока обработки и отображения информации. Для обеспечения механической стабильности, необхо­димой для получения качественных РСА интерферограмм, антенная система, приемопере­датчик и блок управления устанавливаются на измерительной платформе, позволяющей по­зиционировать антенну с требуемой точностью.

Объектом исследования было здание колокольни Софиевского собора высотой 75 мет­ров. Фотография этого здания и РСА на переднем плане приведена на рис. 2. Радар был уста­

Рис. 3. РСА изображение колокольни в 8-мм диапазоне

СРРСН'2008

1-ч.1 - 198новлен на поверхности земли на расстоянии 22 метра от стены колокольни. Передающая и приемная антенны РСА были направлены вверх под углом 54 градуса относительно горизонта. Измерения проводились в течение 20 часов с периодом 0.5 часа и 1 час в зави­симости от времени суток. Результаты измерений были записаны на жесткий диск компьютера и обработаны с помощью соответствующего алгоритма для получения РСА-изображений. Пример полученного радио-изображения колокольни приведен на рис. 3. На изображении отчетливо видно здание колокольни, можно отличить отклики от таких характерных частей здания, как козырьки, окна с металлическими решетками, купол и крест. Метод дифференциальной ин­терферометрии позволяет производить сравнение фаз между РСА изображениями, полученными в разные моменты времени. Это

дает возможность обнаруживать небольшие Рис. 4. Дифференциальная смещения частей объекта друг относительно

интерферограмма колокольни. друга.     Пример     РСА интерферограммы

Время между измерениями - 30 минут   колокольни приведен на рис. 4. На этой

интерферограмме серым цветом обозначен порог в 45 дБ. Черный цвет означает сдвиг фазы, близкий к нулю, что соответствует отсутствию смещений между измерениями. Для анализа стабильности применялись гистограммы фаз изображения. По ширине пика такой гистограммы можно судить о статистике отклонений фазы между двумя измерениями. Ночные измерения показали достаточно высокую стабиль­ность колокольни при постоянной температуре и в отсутствие ветра (отклонения от среднего значения порядка 0,05 мм, что соответствует аппаратурной погрешности). Отклонение фазы при измерениях в дневное время соответствовало смещению на величину порядка 1 мм. Предположительно, это обусловлено прогревом колокольни под действием солнечных лучей.

Таким образом, была подтверждена возможность получения изображений и интерфе-рограмм конструкций с помощью разработанной аппаратуры. Результаты измерений показа­ли очень высокую стабильность и воспроизводимость измерений благодаря, как соответст­вующему качеству оборудования, так и методу обработки сигнала, который использовался в шумовой РСА. Достигнута очень высокая точность и чувствительность к малым радиальным смещениям и структурным изменениям наблюдаемого объекта. Измерены сдвиги фазы от­раженных от объекта сигналов за счет температурных изменений. Более подробная и точная информация о смещениях в объектах может быть получена с помощью статистической обра­ботки результатов измерений, проведенных в течение большего промежутка времени.

Литература

1. D.Tarchi et al. SAR Interferometry for Structural Changes Detection: a Demonstration Test on a DAM // Proc. of IGASS'99,1999. pp.1522-1524.

2. Лукин К. А. Шумовая радарная технология // Радиофизика и электроника. - Харьков: Ин-т радиофизики и электрон. НАН Украины.-1999.-4, №3.- С.105-111.

3. K.A.Lukin. Sliding Antennas for Noise Waveform SAR // Applied Radio Electronics, v.4, No.1, 2005, pp.103-106.

4. K.A.Lukin, A.A.Mogyla. Noise Waveform SAR and Differential Interferometry for Detection Structural Changes in Chernobyl Sarcophagus // Proc. of EUSAR'2006, 6th European Conference on Syn­thetic Aperture Radar, 16-18 May 2006, Dresden, Germany, 2006, p. 249.

5. K.A. Lukin, A.A. Mogyla, V.P. Palamarchuk, et al. Ka-band Bistatic Ground Based Noise-Waveform-SAR for Short Range Applications // IET Radar, Sonar & Navigation, 2008, to be published.

СРРСН'2008

I-ч.І - 199

НЕКОТОРЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ СИНТЕЗА АДАПТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ

Т. А. Скворцов

Институт ионосферы национальной АН и Министерства просвещения Украины 61002, Харьков, ул. Краснознаменная 16, Радиофизический корпус, тел: 706-22-87

E-mail: iion.@.kpi.Kharkov.ua Opportunities of synthesis of adaptive management are considered at nonlinear models of system and any criterion of quality of an additive kind. The new technique of synthesis based on parametrical representation of density of probability and use of a principle of a maximum is de­scribed.

Введение. Рассматриваются возможности синтеза адаптивного управления при не­линейной модели системы и произвольном критерии качества аддитивного (во времени) вида.

Система адаптивного управления (АУ) состоит из стохастической управляемой сис­темы и оператора (решающего устройства). Оператор может управлять состоянием сис­темы и может наблюдать за этим состоянием. Если управление зависит от результатов наблюдения, то мы говорим об адаптивном управлении.

Система АУ может иметь как информационное, так и не информационное назначе­ние. Соответственно различают управление наблюдением и управление объектом. В пер­вом случае управление используется в процессе наблюдения для улучшения качества по­лучаемой информации. Например, можно изменять модуляцию сигнала, сканировать лучом антенны или переключать приемные каналы в зависимости от наблюдаемой си­туации. Во втором случае наблюдение используется в процессе управления для улучше­ния качества функционирования некоторого объекта неинформационного назначения. Такое управление может осуществляться, например, при адаптивном управлении поле­том, полем излучения или состоянием среды.

Воздействие оператора на систему описывается вектором управления u . Состояние системы описывается случайным вектором параметров системы "kit, u). Оператор может наблюдать реализацию y((, k,u,n), зависящую от случайных помех.

Задача оператора состоит в том, чтобы в текущий момент времени т принять ре­шение по выбору управления u(yq, т), которое направлено на достижение цели управле­ния.

Замечание: обозначения типа Ftt2 здесь и далее означают функцию f (() на ин­тервале t1 < t < t2 .

При выборе решения оператор учитывает имеющуюся на данный момент информа­цию, которая содержится в реализации Y0 . Важно, что принятое решение может повли­ять как на будущие значения параметров системы, так и на будущее качество информа­ции об этих параметрах. Управление, при котором наблюдается такое двойственное влияние, называют дуальным управлением.

Целью синтеза является нахождение оптимального решения u(y0 , т), которое обес­печивает экстремум некоторого функционала качества.

Широко известна достаточно простая теория синтеза АУ, которую связывают с именем Калмана[1]. В этой теории рассматриваются линейные модели системы, а функ­ционал качества имеет квадратичный вид. Однако эти условия значительно сужают круг рассматриваемых задач. Что касается задач управления наблюдением и задач дуального управления то они при этих условиях вообще не могут возникнуть, поскольку качество наблюдения оказывается не зависящим от управления.

СРРСН'2008

!-ч.1 - 200

В общем случае для синтеза АУ используется теория статистических решений. Общее соотношение указанной теории описывает управляемый многошаговый процесс принятия решений. Соотношение основано на динамическом программировании (ДП) и имеет вид рекуррентного уравнения для оптимального апостериорного риска. Его приме­нение резко усложняется при увеличении числа шагов [2].

Применение метода ДП упрощается при использовании функционала качества ад­дитивного вида, а также марковских моделей динамики параметров системы [3]. Тем не менее, и при этих условиях основное соотношение («уравнение альтернатив») имеет дос­таточно сложный вид интегро-дифференциального уравнения в частных производных, относительно функционалов рассматриваемых многомерных плотностей вероятности (ПВ). Это весьма затрудняет получение, как аналитического решения, так и численного решения в управляющих компьютерах в масштабе реального времени. Кроме того, урав­нение альтернатив является обобщением уравнения Беллмана, которое неприменимо да­же в самых простейших примерах задач оптимального быстродействия [4].

Наиболее эффективным методом детерминистической теории управления является метод принципа максимума Понтрягина (ПМ) [4]. Поэтому целесообразно отказаться от использования метода ДП и рассмотреть возможности применения ПМ для синтеза АУ.

Таким образом, нашей целью является рассмотрение возможностей упрощения синтеза адаптивного управления и применения принципа максимума к решению этих задач.

Как известно, для использования метода ПМ вводится в рассмотрение вектор фазо­вых координат х = 1,...хп }. Критерий качества имеет вид

* * Т

б = Ш1п{б} или б = гпахМ где    б = 1 /0 [х((),и(()]<Й+/г (т)]. (1)

(и0) (и0) 0

Динамика системы описывается обычными дифференциальными уравнениями (ДУ)

£ = /о(х,и). (3)

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  51  52  53  54  55  56  57  58  59  60  61  62  63  64  65  66  67  68  69  70  71  72  73  74  75  76  77  78  79  80  81  82  83  84  85  86  87  88  89  90  91  92  93  94  95  96  97  98  99  100  101  102  103  104  105  106  107  108  109  110  111  112  113  114  115  116  117 


Похожие статьи

Автор неизвестен - 13 самых важных уроков библии

Автор неизвестен - Беседы на книгу бытие

Автор неизвестен - Беседы на шестоднев

Автор неизвестен - Богословие

Автор неизвестен - Божественность христа