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

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 раз-решения пространства наблюдения, что равносильно принятию реше-ния о наличии или отсутствии в нем объекта наблюдения или некоторого эле-ментарного 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 опаснос-ти 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 органи-зовать, выбирая определенным образом группу или совокупность од-нородных сигналов, т.е. некоторый ансамбль сигналов, различающих-ся 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 не-возможно организовать принципиально. Они существуют постольку, поскольку объективно, независимо от свойств зондирующего сигна-ла, существуют различия в образах целей, т.е. в их геометрических, акустических, динамических характеристиках (радиальные и попереч-ные размеры, ферма, ориентация в пространстве, конструктивные особенности двигательных установок, параметры регулярных посту-пательных, 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. Ра-диолокационный 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, спект-ральные, 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 парамет-рам (временный, спектральным, пространственным, поляризационным), которые отображают или подчеркивают положенные в основу распозна-вания классификационные признаки объектов.

Ансамбли распознаваемых портретов

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

Рис. 1. Классификация радиолокационных портретов

Мощностями портрет представляется одной комплексной амплитудой (N=I). В этом вырожденном случае единственную комп-лексную амплитуду можно отнести к любому пространству распознава-ния. Единственной характеристикой этой комплексной амплитуды яв-ляется средний квадрат модуля (удвоенная мощность отраженного сиг-нала.) при нулевом среднем:

Мощность отраженного сигнала пропорциональна эффективной по-верхности 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 комп-лексных 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 от-раженного 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 отражен-ного 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 сиг-нала.

Пространством распознавания является частота. Частотно-корре-лированный портрет дает представление о коэффициенте частотной кор-реляции огибающей отраженного от объекта сигнала

и интервале частотной корреляции объекта (рис. 3)

который оказывается обратно пропорциональным радиальной протяжен-ности 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 ра-диальную протяженность целей в качестве устойчивого классификационного признака для их распознавания.

Частотно-резонансный портрет представляется совокупностью комплексных амплитуд , n=1,…N, зафиксиро-ванных в один и тот же момент времени на N частотах, расположен-ных в диапазоне проявления резонансных свойств ЭПР, т.е. резкого увеличения ЭПР цели. Пространством распознавания является частота. Резонансные свойства ЭПР проявляется на частотах, при которых раз-мер 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 четы-рех (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. Прост-ранством распознавания является произвольный поляризационный базис .

Поляризационный портрет может быть использован для определе-ния формы и ориентации цели в картинной плоскости (плоскости поля-ризации). Собственные значения и собственные на-правления поляризационной матрицы рассеяния отражают фундаментальные свойства объекта рассеяния - его форму и ориента-цию в плоскости поляризации.

Собственные значения могут быть получены в результате решения ха-рактеристического 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 матри-цы 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 ком-плексных 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 мно-го меньше радиальной протяженности цели ?:

При этом число комплексных амплитуд дальностного портрета опреде-ляется 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 уг-ловой 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 клас-сификационным признаком.

Доплеровский портрет представляет собой совокупность N ком-плексных амплитуд отраженного сигнала относящихся к различным элементам разрешения по доплеровский час-тоте. 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.