Сущность и методика решения задач распознавания и различения сигналов Ансамбли распознаваемых

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.
Рис. 1. Классификация радиолокационных портретов
Мощностями портретпредставляется 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 портретпредставляется совокупностью Nкомп­лексных 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 портретпредставляется совокупностью Nкомплексных амплитуд />, где n=1,…N, зафиксированных на Nчастотах 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)--PAGE_BREAK--
/>
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 портретпредставляется совокупностью комплексных амплитуд />, n=1,…N, зафиксиро­ванных в один и тот же момент времени на Nчастотах, 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 Rшпроявляются 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 портретпредставляет 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
/>    продолжение
--PAGE_BREAK--
— 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 портретпредставляет собой совокупность Nком­плексных 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 портретпредставляет 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 портретпредставляет собой совокупность Nком­плексных амплитуд отраженного сигнала />/>относящихся к различным элементам разрешения по доплеровский час­тоте. Пространством распознавания является доплеровская частота />.
ЛИТЕРАТУРА
Охрименко А.Е. Основы извлечения, обработки и передачи информации. (В 6 частях). Минск, БГУИР, 2004.
Девятков Н.Д., Голант М.Б., Реброва Т.Б… Радиоэлектроника и медицина. –Мн. – Радиоэлектроника, 2002.
Медицинская техника, М., Медицина 1996-2000 г.
Сиверс А.П. Проектирование радиоприемных устройств, М., Радио и связь, 2006.
Чердынцев В.В. Радиотехнические системы. – Мн.: Высшая школа, 2002.
Радиотехника и электроника. Межведоств. темат. научн. сборник. Вып. 22, Минск, БГУИР, 2004.