Скачков Валерій Вікторович. Розвиток теорії і практики підвищення систем якості адаптації інформаційних радіотехнічних до зовнішніх завад в умовах внутрішньосистемних збурювань

Короткий опис

Скачков Валерій Вікторович. Розвиток теорії і практики підвищення систем якості адаптації інформаційних радіотехнічних до зовнішніх завад в умовах внутрішньосистемних збурювань : Дис... д-ра наук: 05.12.17 - 2007.

Скачков В.В.Розвиток теорії і практики підвищення якості адаптації інформаційних радіотехнічних систем до зовнішніх завад в умовах внутрішньосистемних збурювань. Рукопис.
Дисертація на здобуття вченого ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.12.17 Радіотехнічні й телевізійні системи. Одеська Національна академія зв'язку ім. О.С. Попова, Одеса, 2007.
Дисертація присвячена розвитку теорії й практики адаптивного приймання сигналів в умовах невизначеності, яка породжується присутністю в інформаційній радіотехнічній системі внутрішньосистемних збурювань. Визначено узагальнену залежність критеріального функціонала інформаційної системи від першого і другого статистичних моментів внутрішньосистемних збурювань. Запропоновано методику оцінки якості адаптації системи, що поєднує в рамках заданого критерію оптимальності як зовнішні випадкові процеси, так і внутрішньосистемні збурювання випадкового характеру.
Отримано дискретний аналог процесу параметричної адаптації системи в умовах внутрішньосистемних збурювань. Доведено неспроможність збуреного процесу параметричної адаптації в сенсі його збіжності по евклідовій нормі до оптимального параметричного вектора. Запропоновано математичні моделі внутрішньосистемних збурювань лівої й правої частин векторно-матричної апроксимації рівняння Вінера. Розроблено комплекс методик для оцінки впливу внутрішньосистемних збурювань на якість базових операцій лінійної алгебри, що застосовуються у практиці адаптивної обробки сигналів. Представлено сукупність аналітичних виразів для оцінки впливу внутрішньосистемних збурювань на якість адаптації радіотехнічних систем, оптимальних у сенсі таких критеріїв як мінімум середнього квадрата помилки, максимум вихідного відношення сигнал/(завада+шум), максимум функції правдоподібності.
У рамках розроблених методів підвищення стійкості адаптивних радіотехнічних систем до внутрішньосистемних збурювань запропоновані стійка й квазістійка до варіацій величини регуляризувального параметра апроксимації збуреного параметричного вектора адаптивної системи, синтезовано алгоритм для адаптивного пошуку параметра регуляризації в умовах апріорної невизначеності й представлена апроксимація недоступного вимірюванням декорелювального оператора ланцюжком фізично реалізованих елементарних операторів.
Показано застосування стійких до внутрішньосистемних збурювань методів адаптивного приймання сигналів для виявлення радіолокаційних цілей в умовах шумових завад, а також відновлення зображень, прийнятих по радіоканалу на фоні зовнішніх шумів. Представлено результати статистичного й натурного моделювання процесу адаптивного виявлення сигналів в умовах внутрішньосистемних збурювань.

Основним результатом дисертаційної роботи є вирішення науково-прикладної проблеми підвищення якості параметричної адаптації інформаційних РТС до зовнішніх завад в умовах внутрішньосистемної невизначеності.
До найважливіших теоретичних і практичних результатів роботи можна віднести наступні.
1. На відміну від відомих підходів, концепція параметричної адаптації системи до випадкового стану зовнішнього середовища представлена з урахуванням внутрішньосистемної невизначеності і показано, що знизити вплив внутрішньосистемних збурювань на якість системи відомими адаптивними методами не є можливим.
2. Отримано узагальнене подання критеріального функціонала якості АС, що, на відміну від відомого, залежить від статистичних моментів внутрішньосистемних збурювань. Це дозволило довести, що в умовах внутрішньосистемної невизначеності неможливо досягти потенційного екстремуму необхідного функціонала якості, навіть незважаючи на виконання в системі операцій, які передбачені оптимальним алгоритмом обробки інформації.
3. На додаток до відомих положень теорії адаптивних систем, де основна увага приділена дослідженню збіжності алгоритмів адаптації з метою продемонструвати здатність системи перебороти апріорну невизначеність відносно стану зовнішнього середовища, отримано опис процесу параметричної адаптації системи за присутності внутрішньосистемних збурювань і показано, що за цих умов параметричний вектор АС не збігається до оптимального.
4. Запропоновано математичні моделі випадкових внутрішньосистемних збурювань параметричного вектора АС з квадратичною критеріальною функцією. Відмінна риса запропонованих моделей складається в поданні внутрішньосистемних збурювальних процесів у вигляді вектора й матриці ермітового виду. Це дозволило, по-перше, одержати аналітичну залежність величини випадкового зсуву параметричного вектора АС від внутрішньосистемних збурювань і формалізувати задачу параметричної адаптації системи у загальному вигляді; по-друге, показати, що визначення параметричного вектора АС ускладнене або не можливе через істотну некоректність векторно-матричного рівняння ВінераХопфа, ліва і права частини якого збурені внутрішньосистемними завадами.
5. Запропонована сукупність нових методик для аналітичної оцінки впливу внутрішньосистемних збурювань на якість базових операцій лінійної алгебри, що застосовуються для адаптивної обробки сигналів у багатомірних РТС. При цьому отримана сукупність аналітичних виразів, які дозволили оцінити чутливість до рівня внутрішньосистемних збурювань: по-перше, багатомірної екстремальної задачі із квадратичною функцією штрафів; по-друге, ермітової форми подання зворотної кореляційної матриці спостережуваних процесів; по-третє, процедури ортогоналізації стаціонарних випадкових процесів, представленої в класичній і мультиплікативних формах. Розроблений комплекс аналітичних методик дозволяє оцінити якість базових операцій лінійної алгебри без проведення статистичного експерименту, який пов’язаний з формуванням і обробкою великого обсягу незалежних випадкових виборок.
6. Запропоновано нову методологію аналізу якості адаптації багатомірних РТС до зовнішніх завад, що, на відміну від відомої, враховує присутність внутрішньосистемних збурювань. Виведені аналітичні вирази, що дозволяють оцінити чутливість до внутрішньосистемних збурювань таких критеріїв адаптивної обробки сигналів, як: мінімум середньоквадратичної помилки; максимум вихідного відношення сигнал/(завада-шум); максимум функції правдоподібності. Показано, що, незалежно від критерію оптимальності, що використовується, присутність внутрішньосистемних збурювань у структурно надлишковій АС супроводжується істотним падінням якості її адаптації до зовнішнього «пофарбованого» шуму.
7. На підставі теорії вирішення некоректних задач вперше розроблені стійкий і квазістійкий до варіацій регуляризувального параметра методи вирішення збуреного векторно-матричного рівняння Вінера-Хопфа з кореляційною матрицею завад, яка має максимальний дефект і погану обумовленість. Перевага запропонованих методів регуляризації перед відомими методами А.М. Тихонова й М.М. Лаврентьєва складається у відсутності необхідності апріорного узгодження величини параметра регуляризації з рівнем як внутрішньосистемних збурювань, так і зовнішніх завад. Це дозволило синтезувати структури багатомірних адаптивних систем у значній мірі некритичних до вибору величин рівня регуляризації й разом з тим достатньо стійких до внутрішньосистемних збурювань параметричного вектора.
8. Уперше розроблений і досліджений метод адаптивного вибору оптимальної (за критерієм мінімуму вихідної потужності завади) величини параметра регуляризації рівняння Вінера-Хопфа зі збуреними лівою і правою частинами. У зв'язку із цим запропонована рекурентна форма реалізації алгоритму адаптивного пошуку оптимальної величини рівня регуляризації збуреного параметричного вектора багатомірного компенсатора завад. Адаптивний метод регуляризації, на відміну від відомих, не вимагає апріорної інформації про рівні зовнішніх завад і внутрішньосистемних збурювань. Розроблено й досліджено структуру компенсатора завад, параметричний вектор якого регуляризовано запропонованим адаптивним методом.
9. У рамках теорії спектрального представлення операторів, що діють у просторі Гільберта, доведена можливість апроксимації недоступного фізичним вимірюванням декорелювального оператора елементарними операторами із заданими передавальними характеристиками. Запропоновано узагальнену структурну схему апроксимації декорелювального оператора, де власні значення найближчого до декорелювального оператора виражаються через власні значення елементарних операторів, які доступні до реалізації. Представлено практичну схему апроксимації декорелювального оператора, яку можна реалізувати на базі адаптивних трансверсальних фільтрів. Це дозволило розробити структуру адаптивної РТС, яка на відміну від відомих, некритична до зміни просторового положення джерел завад.
10. На підставі запропонованої методології підвищення якості параметричної адаптації в умовах внутрішньосистемних збурювань розроблені й досліджені структури адаптивних РТС, які призначені для вирішення таких задач, як придушення шумових завад; відновлення зображення, яке приймається по радіоканалу на фоні шуму. Розроблені для вирішення перерахованих задач структури, на відміну від відомих, є композицією в єдину систему стійких до внутрішньосистемних збурювань базових модулів, реалізованих за схемою багатомірного адаптивного вагового суматора спостерігаємих процесів. Така композиція дозволила підвищити якість адаптації багатомірної РТС в цілому, що особливо актуально при розробці цифрових виявлювачів з антенними решітками великої розмірності.
11. Адекватність і висока ефективність розроблених теоретичних положень і математичних моделей підтверджені результатами експериментальних досліджень, які отримані методами статистичного й імітаційного моделювання.