Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги из ГПНТБ / Хомяков Э.Н. Вопросы статистической теории оптимальных измерительных систем. Основание для расчета и проектирования

.pdf
Скачиваний:
2
Добавлен:
23.10.2023
Размер:
7.2 Mб
Скачать

М И Н И С Т Е Р С Т В О

О Б О Р О Н bf

С С С Р

э . н . х о м я к о в

ВОПРОСЫ СТАТИСТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ ОПТИМАЛЬНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

ОСНОВАНИЕ

ДЛЯ РАСЧЕТА И

ПРОЕКТИРОВАНИЯ

1 Э 7 ' 1

У ДК ti2l.3!lli.9<)

копросы статистической теории опти­

мальных

измерительных

систем,.

Э

II Х о м я к о в , Л10

СССР, 1972

В книге излагаются основные

положения теории

onгимнзацнн

измерительных радиотехнических систем и комплексов по критериям точностного тина. Изложение опирается на теорию статистических

решений

и проноднтсн

с приплаченном аппарата

функционального

анализа,

нариационного нечисления, дифференциальных и интеграль­

ных уравнении.

 

 

Большое внимание

уделено центральным проблемам теории из­

мерительных систем н комплекеон — оптимизации алгоритмом оцен­ ки процессов, оценки параметров пространственно временных и вре­ менных сигналов при наличии аддншвных и, главным образом, мультипликативных помех, а также вопросам группировании вы­ ходных 'аффектов различных измерительных средств при их комилек-

;нровании, вопросам оптимизации

систем фильтрации и экстраполя­

ции векторных статистически или

функционально юаимоснячанных

процессов.

 

 

Иллюстраций — '22. таблиц - -

I, библиография

И З нанм'е "

ковании

 

 

Гас. _...-:.п--ччя."- К'-^учно-*. ••>•• •

Сйблиотвиа -••

Г.иЗЕМПТ-ГК-

 

 

 

 

I I Р Е Д П С Л О В Н Е

 

 

 

 

Д а н н а я

.книга является учебным пособием для

курсантов

с т а р -

шнх

курсов

радиотехнических

факультетов

высших

военных

учеб­

ных

заведении. Возможность

написания

такого пособия

обусловле­

н а тем, что

в последнее время

появился

ряд

материалов,

необходи­

мых

при

.курсовом

и дипломном

проектировании и

ранее не

осве­

щенных

в учебных

пособиях

в

достаточной

мере.

П р е ж д е

всего,

это материалы, кнсаюшиеся вопросов оптимизации обработки сиг­ налов при наличии мультипликативных помех, вопросы оптималь­

ной

демодуляции непрерывных сообщении, вопросы многоканаль­

ной

обработки данных и т. д.

В книге сделана попытка частично ликвидировать, указанный пробел на основе изложении в доступной форме и с единых пози­ ций вопросов статистической теории оптимальных измерительных систем. Хотя пособие предназначено, прежде «сего,, для курсантов старших курсов, оно может быть полезным для адъюнктов н соис­ кателей, а гакже для специалистов в области статистической' ра­ диотехники, связи и управления.

Автор выражает глубокую благодарность профессорам, докто­ рам технических наук С Е. Фальковнчу, И . Д . Большакову, С. Н. Терентьеву за большую помощь, полезные советы и крити­

ческие

замечания,

способствующие к а к написанию данной работы,,

Так и

улучшении}

ее содержания

3

 

В В Е Д Е Н И Е

 

 

Радиотехнические

измерительные

системы

находят

в настоя­

щее время широкое

применение в

различных

областях

современ­

ной науки и техники и, прежде всего, в радиолокации (10,12,32,66),

радионавигации

[7,28,90], телеметрии

и

связи

[26,61,721,

метрологии

|1,23,33,57],

при

телеуправлении

и

трасктормых

измерениях

И 1,54,56,67].

Растущие

потребности

практики

обусловили

появле­

ние измерительных

радиотехнических

комплексов

-

больших

пространственно-разнесенных систем, решающих разнообразные

измерительные задачи пои координированной обработке

и н ф о р м а ­

ции

[18,351.

'

 

 

Важнейшим требованием, предъявляемым к современным из­

мерительным

системам, является обеспечение высокой

точности

при

условии

неизбежного воздействия аддитивных и мультиплика­

тивных помех. Вопросам математического анализа и синтеза изме­ рительных систем посвящено большое количество отечественных и

зарубежных

публикации [3,4,8,10,14,30,73,76,78].

Развивается

интен­

сивно общая

теория систем [59,62] и

ее многочисленные ветви.

/ Н е с м о т р я

на разнообразие задач, решаемых

радиотехнически­

ми измерительными системами, в их

работе имеется много общего.

В к а ж д о й

системе осуществляется

обработка

электромагнитных

сигналов,

оценка их параметров . Затем, как

правило, имеет

место

вторичная обработка результатов оценки параметров сигналов с

Целью

их дополнительной фильтрации и повышения

точностных

характеристик

измерений

за счет

учета предшествующих

измере­

ний и

аппаратурной

избыточности

Последнее характерно

для из­

мерительных

комплексов.

При вторичной обработке

информации

обычно

определяются

и точностные

характеристики измерительных

систем

и комплексов

в целом.

 

 

 

Цель данной книги состоит в компактном и по возможности последовательном изложении вопросов теории оптимизации изме­ рительных систем и комплексов по критериям точностного типа. В основу этой теории целесообразно положит!, принципы теории

*/

статистических решении [10,42,78] п аппарат функционального ана­ лиза, адекватность и широкие возможности которого при решении

задач

общей

теории

систем

убедительно

доказаны

в

работах

У. Портера [62], Р. Куликовского

[49] и других авторов.

 

 

 

Книга

содержит семь

глав

и

приложения.

 

 

 

 

 

 

В первой главе обсуждается статистическая

модель

измери­

тельной системы, математически формулируется задача

оптимиза­

ции алгоритмов обработки информации, намечаются пути

-реше­

ния ее с

использованием

вероятностных

функционалов

отношения

правдоподобия, в эскизном пляпе рассматривается

 

-возможность

синтеза

обучающихся

и адаптирующихся

измерительных

систем с

частично

 

определенной

структурой.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вторая глава посвящена одной из

центральных

проблем

тео­

рии измерительных спетом

 

оценке процессов. В

последние

годы

большой вклад в теорию оптимального измерения

процессов

(тео­

рию

нелинейной и линейной

фильтрации)

внесли

советские уче­

ные [4,15,64,68,73]. Среди работ данного направления

 

выделяются

исследования Р. Л, - Стратоиовича

по фильтрации• марковских

гфО-

цессов, а т а к ж е И. А. Большакова и В. Г. Репина

по

квазилиней­

ным

методам

нелинейной

фильтрации

гауссоьых

функций.

Этим

же двум направлениям следует и многочисленные

 

работы

зару­

бежных

авторов [19,104,105,106,107].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Общий метод решения задачи оценки процессов сводится к на­

хождению

апостериорного

распределения

 

для

конечного

числа

значении Лц, А г Л ц .

 

процесса

в

фиксированные

моменты

времени,

 

к последующему

усреднению

по

параметрам Л „ Д г , . . . А п . ,

и определению экстремальной

точки, а . т а к ж е

дисперсии

финаль­

ного

распределения вероятности

параметра

Лп.

Предшествующие

оценки обычно уточнению не подлежат. "1акпм образом

синтези­

руются оптимальные алгоритмы

измерения

дискретных

процессов.

П е р е х о д а непрерывному

наблюдению

выполняется'па

заключи­

тельном этане. При этом и марковской теории для

 

корректности

предельного

перехода

вводится

специальный,

симметрнзованнын

вид записи стохастических интегралов и дифференциальных у р а в ­

нений, а в

гауссовой теории для

этой

цели широко

используется

разложение

случайного1 процесса

в ряд Каруиепа — Лоэва .

Сложность задач оценки процессов заключается в необходимо­

сти использовать информацию о всех

конечномерных

распредслё"-

UH9X случайного процесса. Известно,

что эта информация содер­

жится в функции плотности вероятностной меры одного процесса

относительно

меры другого

{функционале отношения правдоподо­

б и я ) . Имеется

значительное

количество работ, посвященных, вы­

числению плотностей вероятностных мер дли гауссопых и марков­

ских

процессов

]'Л, 11,521

 

 

 

 

 

И последнее

прем я нчинляются аналогичные

работы

и для про-

Ц€С«щ более о б т е г о х а р а к и р и

191]. Р е з у л ы

i r u

этих

исследова­

ний

позволяют

решать

з.п.ччн синтеза измерителен процессов

наи­

более обиЁГ?м методом,

с т и р а я с ь

на а п п а р а т

функционального

ана -

лиза п вариационного исчисления.. И главе изучаются

задачи

не

линейной и линейной фильтрации на

основе функционального

дифференцировании

плотностей

вероятностных

мер

н

решения,

функциональных

уравнении

правдоподобия.

 

 

 

 

В

третьей

главе

излагаются

вопросы

теории

статистического

синтеза систем

обработки

пространственно-временных

 

сигналов

при

наличии

т а к ж е пространственно-временных

аддитивных

н

мультипликативных помех. Имеется достаточно много

публикации

но вопросам анализа влияния мультпплпхатнпиых

(модулирую­

щих)

помех на

системы обнаружения

и измерения

параметров-сиг­

налов, на системы

когерентной связи

[38',44,92]. Наиболее

полно это

. направление исследовании представ.тепо в

монографии

[4Г)].

Проб­

лема оптимального приема

пространственно-временных

сигналов,

по-видимому, впервые была

поставлена и

решена в общем

плане

вработе !г>0].

-Дальнейшие исследования касались конкретизации статистики пространства принимаемых колебании [77,79], исследований изме­ рительных систем как пространственно-временных фильтров [41.46], оптимизации антенных систем с обработкой информации [46.94].

Здесь

же рассма i ривнюген

вопросы влияния прострапстнепп.)-

времеппыч

мультипликативных

помех па структуру и потенциаль­

ные точностные характеристики

ичмерптетьиых систем, делается по­

пытка оценить эффективность оптимальных алгоритмов по отно­

шению к их неонтпмальным вариантам, в

качестве

которых

фигу­

рируют алгоритмы

ирострапствеипо-чфеменного

корреляционного

и кг.адратурпо-корреляцпонпого приема. Рассматриваются

системы

с непрерывной,

дискретной

апертурами, а также

Двухаптепные

 

сис­

темы,

нашедшие

широкое

распространение

в

радиолокации

 

и в

радиотехнических комплексах

траекториих

 

измерении.

 

 

 

 

Четвертая глава

посвящена

синтезу"систем совместною

итмере

' ния энергетических

и

пеэпергетпческих

 

параметров

сигналов.

К неэнергетнческим

параметрам

относятся

средняя

частота,

фазо­

вая н

групповая

з а д е р ж к а

сигналов. В

качестве

энергетических

параметров оценке

подлежат

амплитуда

нефлуктуирующен

части

сигнала, статистические

характеристики

мультипликативных

по­

мех. Измерение

энергетических

параметров

сигналов п

помех

по

звбляет'оцепить реальную погрешность частотных, фазовых и вре­ менных измерений н контролировать качество функционирования систем. Такие измерения оказываются необходимыми в метрологии [29,57], при исследовании распространения поли [3IJ, при статисти­ ческой аттестации радиоканалов и прецизионной аппаратуры 11,75].

Изложение ведется

во временной

области, хотя аналогичные зада ­

ли представляют интерес

и для

случая нри< м;\ флуктуирующих

электромагнитных

нолей.

 

 

П я т а я и шестая главы содержат результаты исследований во­ просов оптимизации алгоритмов обработки информации в изме­ рительных комплексах, В пятой главе рассматриваются за чачи мп тимнзацпи линейных алгоритмов измерения процессов и их стлти-

б

стнчески.х характеристик при многоканальном приеме. Проблем» комплекснрованпя измерительных средстп, по-видимому, ранее псе го возникла и радионавигации [7,90|. Н настоящее время во многих

других приложениях т а к ж е

встречается

ситуация,

когда

один

и

тот ж е процесс или некоторые линейные

 

функционалы

 

одного

и

того же процесса

наблюдаются

в смеси

с

различными

аддитивны­

ми шумами. Многоканальное наблюдение при оптимальной

обра­

ботке

данных

позволяет

существенно

ряде

случае

на

 

порядок

и

г.ыше)

улучшить точностные

характеристики

измерительных

систем

и комплексов.

Зддоча

оптимального

группирования

 

выходных

сигналов различных измерительных

средств

исследуется

но

мето­

дике С. i i . Фальковича

[78], рассмотревшего

проблему

совместного

использования

независимых

оценок

произвольного

процесса

пли

его линейных

функционалов.

Оптимальные

алгоритмы

многока­

нальной обработки

.наблюдении

получены

при различных

предпо­

ложениях о статистических характеристиках помех и измеряемых

процессов.

В качестве статистических характеристик, подлежащих

измерению,

рассматриваются

параметры

корреляционной функ­

ции 'икспопепциалыюго типа

стационарного

марковского процесса,

а также параметр шпепенппостп иппероиочого процесса первого-

порядка

 

 

 

V1

И ПН'СТОИ

171,'IIU' ШЧ'ЛеДуются i;l Ч.1Ч11 clIllleSH СОИ \К'С I 11 lil \

II3MC-

рите.теп

функционально

II.'in I'laiiicilHiecMi н tailмосня i,iiilii,i\

про

цессов.

При

нахождении

фп.тьтруощпч алгоритмов, онернрчющпх

данными пи полуоси времени, основным инструментом служит ап­

парат многомерной впиеровской фильтрации.

Многомерная

вине-

ровекпя

фильтрация

имеет

обширную

библиографию. В

рашшх

работах

197,!),°,*)!)] 'npi имущественно доказывалось

существование

решения

п пригодились

форма.iiiiit.ie

результаты,

основанные

на

факторизации спсктр.тдыюй матрицы. В условиях, когда

практи­

ческих методов факторизации д а ж е дли матриц

с

рациональным

спектром

не давалось,

предлагаемые

решения

в прикладном

пла­

не оказывались мало

интересными, Ш а г о м вперед

явились

работы

(100, 101J, где содержались попытки практической, факторизации

н

давались

первые примеры,

иллюстрирующие

чрезвычайно

трудо­

емкий, вычислительный процесс. Существенным прогрессом

нпились

работы [95, 102],в которых для синтеза

фильтров процессов

с

дроб-

по-рацпональиым спектром был, предложен метод неопределенных коэффициентов. В результате использования этого метода были решены задачи многомерной фильтрации впнеропских процессов смежного порядка, винероночого вектор-процесса первого порядка с полной корреляцией. Особый интерес представляют задачи мно­

гомерного сглаживания на

конечном интервале

времени.

Получе­

ны алгоритмы

многомерной

фильтрации

и

экстраполяции

вектор­

ных ииперовского и марковского процессов

по.

методу Р. Е. Кал -

мапа, выявлены

выигрыши

в средней кв-адратической ошибке из­

мерения процессов за счет

совместной

обработки поступающих

данных.

 

 

 

 

 

 

7.

В седьмой главе иллюстрируется применение результатов тео­ ретических исследований в области оптимальной нелинейной'и ли­ шенной фильтрации к решению задач оптимизации алгоритмов об­ работан информации в метрологических комплексах. Эти комплек - ' сы предназначены для обеспечения единства измерений в рамках

различных пространственно-разнесенных

систем. Здесь измери­

тельные задачи

оптимального сравнения

мер по радиоканалам тес­

но переплетаются с вопросами^управления. На основе анализа

динамической

модели метрологического

комплекса рассмотрены

вопросы управления мерами времени и частоты. Кроме задач оп­

тимизации

алгоритмов обработки

информации, имеющих

достаточ­

но общий

хара«тер,

рассмотрены

вопросы

статистической

аттеста­

ции мер

частоты и

времени и некоторые

аспекты эталонирования

единиц

физических

величин.

 

 

 

8

Г Л А В А 1

ВВЕДЕНИЕ В СТАТИСТИЧЕСКУЮ ТЕОРИЮ ОПТИМИЗАЦИИ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ И КОМПЛЕКСОВ

1.1. СТАТИСТИЧЕСКАЯ М О Д Е Л Ь Р А Д И О Т Е Х Н И Ч Е С К О Г О И З М Е Р И Т Е Л Ь Н О Г О К О М П Л Е К С А

Статистическая модель радиотехнического'

измерительного

комплекса приведена на рис. 1.1 в виде множества

фупкциональ -

I

•officer jt

L .

Г"

I Ж

л.

Pill-. 1.1. Стгтистическа»" Модель радиотехнического измерительного комплекса.

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ