ОДНОМЕРНЫЙ ШИРОКОДИАПАЗОННЫЙ ФАЗОВЫЙ ПЕЛЕНГАТОР НА ОСНОВЕ ИСКУССТВЕННОЙ НЕЙРОННОЙ СЕТИ
ONE-DIMENSIONAL WIDE-BAND-PHASE UNIQUE-BASED ON THE BASIS OF ARTIFICIAL NEURAL NETWORK

Устройство относится к области радиотехники и, конкретно, к системам однопозиционной пеленгации источников радиоизлучения (ИРИ). Устройство может быть использовано в системах и комплексах пассивной радиолокации и радиотехнической разведки наземного, воздушного и космического базирования.
Известен фазовый пеленгатор (ФП) реализующий метод максимального правдоподобия [1, с. 125-126]. ФП состоит из антенн, приемных устройств, фазометров, устройства устранения неоднозначности, сумматора и вычислителя пеленга.
Работа ФП производится в следующей последовательности. Сигналы, принятые антеннами, поступают в приемные устройства, где выполняется необходимое усиление, ограничение амплитуды и преобразование частоты. Частота и амплитуда выходных сигналов приемников должны быть такими, чтобы обеспечить нормальную работу фазометров. Совокупность значений разностей фаз на выходах фазометров представляет собой вектор разностей фаз, размерность которого определяется числом измерительных баз. Под измерительной базой ФП понимается расстояние между фазовыми центрами пары антенн. Вектор разностей фаз поступает в устройство устранения неоднозначности, которое формирует целочисленные фазовые добавки к каждой разности фаз (целочисленный вектор). Сумматор на основе целочисленного вектора, сформированного устройством устранения неоднозначности, и вектора разностей фаз формирует совокупность полных разностей фаз. Вычислитель пеленга по совокупность полных разностей фаз оценивает пеленг на ИРИ.
Устранение неоднозначности определения пеленга производится методом максимального правдоподобия, состоящем в последовательном сравнении измеренного фазометрами вектора разностей фаз с каждым из векторов неоднозначности, которые могут иметь место в данном пеленгаторе, и выборе целочисленного вектора, наиболее близкого измеренному. Техническая реализация метода максимального правдоподобия в ФП связана с необходимостью априорного расчета (либо расчета в реальном времени) всех векторов неоднозначности, которые могут иметь место в данном пеленгаторе и значительных затратах времени на поиск максимально правдоподобного значения путем полного последовательного перебора всех вариантов. Для многих радиотехнических систем, работающих в реальном времени, данные затраты времени не приемлемы.
В качестве аналога выбран ФП с устранением неоднозначности измерений методом максимального правдоподобия [1, с. 125-126].
Техническим результатом изобретения является повышение быстродействия ФП.
Технический результат достигается использованием в составе ФП искусственной нейронной сети (ИНС) для устранения неоднозначности измерений. ИНС обеспечивает более высокое быстродействие, чем метод максимального правдоподобия, однако, ИНС имеет существенный недостаток, заключающийся в необходимости ее обучения (переобучения) при изменении несущей частоты (длины волны). Данный недостаток преодолен следующим образом. ИНС обучается устранению неоднозначности измерений для верхней частоты рабочего диапазона (минимальной длинны волны). Пеленгование ИРИ с частотой ниже максимальной, приводит к увеличению ширины зон однозначных измерений и уменьшению их числа, что учитывается при оценке пеленга, получаемого максимальной измерительной базой. Полученная максимальной измерительной базой однозначная оценка пеленга используется для устранения неоднозначности пеленгования остальными измерительными базами.
3
1
2
4
5
6
3
1
2
4
5
6
3
*
Предложенный одномерный широкодиапазонный ФП на основе ИНС (Фиг. 1) состоит из антенн 1-4, соединенных с входами приемных устройств (ПУ) 5-8, и фазометра (ФМ) 9, входы которого соединены с выходами ПУ 5-8, отличается тем, что содержит ИНС 10, входы которой соединены с выходами ФМ 9, а выходы с входами блока определения номера входа с максимальным значением сигнала max 11, выход которого соединен с первым входом блока однозначной оценки пеленга для максимальной измерительной базы α 12, второй вход блока однозначной оценки пеленга для максимальной измерительной базы соединен с выходом ФМ 9, формирующего разность фаз для максимальной измерительной базы, блоков однозначной оценки пеленга для измерительных баз меньших максимальной α, α, α, α, α 13-17, первые входы которых соединены с выходами ФМ 9, а вторые с выходом блока однозначной оценки пеленга для максимальной измерительной базы α 12, блока уточнения пеленга α 18, входы которого соединены с выходами блоков однозначной оценки пеленга для измерительных баз меньших максимальной α, α, α, α, α 13-17 и выходом блока однозначной оценки пеленга для максимальной измерительной базы α 12.
12
13
14
23
24
34
Антенны 1-4 образуют шесть измерительных баз b, b, b, b, b и b (Фиг. 2).
1-4
12
13
14
23
24
34
1-6
ФМ 9 рассчитывает вектор разностей фаз Δϑ сигналов d, поступающих с выходов ПУ 5-8. Элементами вектора разностей фаз Δϑ являются разности фаз измерительных баз b, b, b, b, b и b. ФМ 9 состоит из шести идентичных блоков вычисления разностей фаз Δ 9.1-9.6 (Фиг. 3).
14
α
min
1-7
α
ИНС 10 типа персептрон имеет входы (по числу измерительных баз) и выходы. ИНС 10 (Фиг. 4) имеет один распределительный слой из нейронов (а), промежуточный слой из нейронов (b) и выходной слой из нейронов (с). На вход ИНС 10 с выхода ФМ 9 поступает вектор разностей фаз Δϑ. Нейроны (а) входного слоя выполняют функцию распределения сигналов между нейронами (b) промежуточного слоя. Структура ИНС 10 показана на Фиг. 4. Число входов ИНС 10 определяется числом элементов вектора разностей фаз Δϑ. Число нейронов (b) промежуточного слоя выбирается опытным путем по критерию работоспособности ФП. Число нейронов (с) выходного слоя выбирается равным числу зон однозначного измерения угла пеленгования для максимальной измерительной базы b в секторе пеленгования Δ, при минимальной длине волны λ. Пример зон однозначного измерения угла пеленгования для максимальной измерительной базы приведен на фиг. 5. На фиг. 5 зоны однозначного измерения угла обозначены Δβ, где индекс соответствует номеру зоны, а сектор пеленгования Δ от -80° до 80°.
14
Блок определения номера входа с максимальным значением сигнала max 11 работает по принципу полного последовательного перебора всех числовых значений, поиска наибольшего их них и формирования номера входа с максимальным значением сигнала, соответствующим целочисленной фазовой добавке к разности фаз, измеренной максимальной измерительной базы b.
3
Блок однозначной оценки пеленга для максимальной измерительной базы α 12 производит оценку пеленга в соответствии с выражением
где λ - длина волны принимаемых сигналов;
u - номер выхода ИНС 10, имеющего максимальное значение сигнала;
n - число выходов ИНС 10.
1
2
4
5
6
1
Блоки однозначной оценки пеленгов для измерительных баз меньших максимальной α, α, α, α, α и 13-17 являются идентичными. Структурная схема блока оценки пеленга для измерительной базы меньше максимальной α 13 приведена на Фиг. 6. Блок состоит из k вычислителей параметра z 13.1-13.5, k сумматоров 13.6-13.10, блока определения номера входа с минимальным значением сигнала min 13.11 и мультиплексора MX 13.12.
Вычислители параметра z (13.1-5) производят вычисление в соответствии с выражением
где ν - номер блока вычислителя параметра z;
r
Δϕ - разность фаз с выхода r ФМ 9;
ij
r
b - измерительная база, соответствующая разности фаз Δϕ.
Блок определения номера входа с минимальным значением сигнала min 13.11 работает по принципу полного последовательного перебора всех числовых значений, поиска наименьшего их них и формирования номера входа с минимальным значением сигнала.
Мультиплексор MX 13.12 имеет k входов данных, один (многоразрядный) адресный вход и один выход. На выход мультиплексора поступает сигнал с входа, соответствующего адресу.
1
С выхода мультиплексора MX 13.12 оценка пеленга поступает на выход блока однозначной оценки пеленга для измерительной базы меньше максимальной α 13.
*
Блок уточнения пеленга α 18 производит совместную обработку оценок пеленгов для всех измерительных баз с целью повышения точности пеленгования. Структурная схема блока приведена на фиг. 7.
*
Блок уточнения пеленга α 18 состоит из шести (по числу измерительных баз) входных умножителей 18.1-18.6, сумматора 18.7 и выходного умножителя 18.8.
1
2
4
5
6
i
На первый вход каждого входного умножителя 18.1-18.6 поступают оценки пеленгов α, α, α, α, α. На вторые входы каждого входного умножителя 18.1-18.6 поступают весовые коэффициенты w рассчитываемые в соответствии с выражением
i
где σ - СКО измерения разности фаз i - ой измерительной базой.
Выходной умножитель 18.8 производит нормировку входного сигнала путем его умножения на весовой коэффициент q, рассчитываемый в соответствии с выражением
На фиг. 1 приведена структурная схема одномерного широко диапазонного ФП на основе ИНС. На фиг. 1 обозначены:
1-4 - антенны;
5-8 - приемные устройства (ПУ);
9 - фазометр (ФМ);
10 - искусственная нейронная сеть (ИНС);
11 - блок определения номера входа с максимальным значением сигнала (max);
3
12 - блок однозначной оценки пеленга для максимальной измерительной базы α;
1
2
4
5
6
13-17 блоки однозначной оценки пеленгов для измерительных баз меньших максимальной α, α, α, α, и α;
*
18 - блок уточнения пеленга α.
На фиг. 2 приведено взаимное расположение антенн 1-4 ФП и обозначение измерительных баз. Антенны 1-4 расположены на одной прямой. Выходы антенн 1-4 соединены с входами ПУ 5-8.
1-4
1-6
На фиг. 3 приведена структурная схема ФМ 9. На входы ФМ 9 поступают сигналы d с выходов ПУ 5-8. ФМ формирует разности фаз Δϕ. На фиг. 3 обозначены:
9.1-6 - блоки вычисления разностей фаз.
1-n
На фиг. 4 приведена структура ИНС 10. ИНС 10 имеет шесть входов, на которые поступают элементы вектора разностей фаз Δϑ. ИНС 10 состоит их шести нейронов (а) распределительного слоя, m нейронов (b) промежуточного слоя и n нейронов (с) выходного слоя. Сигналы на выходах ИНС 10 обозначены s.
1-7
На фиг. 5 приведен пример зон однозначного измерения угла пеленгования для максимальной измерительной базы. На фиг. 5 зоны однозначного измерения угла обозначены Δβ, где индекс соответствует номеру зоны.
1
На фиг. 6 приведена структурная схема блока оценки пеленга для измерительной базы меньше максимальной α 13. На фиг. 6 обозначены:
13.1-13.5 - вычислители параметра z;
13.6-13.10 - сумматоры;
13.11 - блок определения номера входа с минимальным значение сигнала (min);
13.12 - мультиплексор MX.
*
На фиг. 7 приведена структурная схема блока уточнения пеленга α 18. На фиг. 7 обозначены:
18.1-18.6 - входные умножители;
18.7 - сумматор;
18.8 - выходной умножитель.
На фиг. 8, 9 и 10 приведены зависимости ошибок пеленгования ИРИ от истинного пеленга ИРИ для частот 300, 150 и 30 МГц соответственно.
Реализация широкодиапазонного ФП на основе ИНС рассмотрена на примере со следующими техническими характеристиками:
14
12
13
23
24
34
измерительные базы: b=3.5 м, b=1 м, b=2.5 м, b=1.5 м, b=2.5 м, b=1 м;
диапазон длин волн: 1-10 м;
ошибка (средне квадратическое отклонение) значений фаз на входах ФМ 9: 5°;
число входов ИНС 10: 6;
число нейронов промежуточного слоя ИНС 10:20;
ширина спектра пеленгуемых сигналов 100 кГц;
число выходов ИНС 10: 7;
диапазон углов пеленгования: от -80° до 80°.
ПУ 5-8 могут перестраиваться в диапазоне частот от 30 до 300 МГц. Мгновенные полосы пропускания ПУ 5-8 согласованы с шириной спектра сигнала пеленгуемого ИРИ.
Обучение ИНС 10 проведено однократно на этапе разработки пеленгатора. При работе пеленгатора в заданном частотном диапазоне переобучение ИНС 10 не требуется. В рассматриваемом примере обучение ИНС 10 проведено для длины волны 1 м (частота 300 МГц) в диапазоне углов пеленгования от -80° до 80°.
3
14
1-7
1-7
Для обучения ИНС 10 использован набор обучающих выборок, состоящий из двух составляющих: входной и целевой. Входная составляющая представляет собой варианты разностей фаз, подаваемых на входы ИНС для заданных значений углов пеленгования, а целевая - желаемое состояние выходов ИНС 10, соответствующее входным данным. Поскольку задачей, решаемой ИНС 10 в ФП, является устранение неоднозначности измерений для максимальной измерительной базы, целевая составляющая набора обучающих выборок представляет собой набор бинарных значений, в каждой обучающей выборке которого только один из семи (по числу выходов ИНС) элементов принимает значение «1», а значения остальных элементов равны «0». При обучении значение «1» присутствует на выходе ИНС 10, соответствующем номеру сектора однозначного измерения (от 1 до 7). На фиг. 8 показано соответствие одного из элементов входного вектора обучающей выборки m (разность фаз для измерительной базы b) элементам ψ целевого вектора в диапазоне углов пеленгования от -80° до 80°. Качество обучения ИНС 10 зависит от числа обучающих выборок (в рассмотренном примере обучение ИНС 10 произведено по 1000 выборок). При подаче на входы обученной ИНС 10 вектора разностей фаз Δϑ на ее выходах формируются значения (амплитуды) сигналов s. Номер выхода ИНС 10 с максимальным значением (амплитудой) сигнала соответствует номеру наиболее вероятного сектора однозначного измерения пеленга (целочисленной фазовой добавке).
Работа широкодиапазонного ФП на основе ИНС производится в следующей последовательности.
1-6
1-7
14
3
3
3
3
14
ПУ 5-8 настраиваются на частоту пеленгуемого ИРИ (в рассматриваемом примере в диапазоне от 30 до 300 МГц). Сигналы, принятые антеннами 1-4 поступают в ПУ 5-8. С выходов ПУ 5-8 сигналы поступают в ФМ 9, на выходе которого формируется вектор разностей фаз Δϑ. Элементы вектора разностей фаз Δϕ поступают на входы ИНС 10. На выходах ИНС 10 формируются значения (амплитуды) сигналов s, которые поступают в блок определения номера входа с максимальным значением сигнала max 11. Блок определения номера входа с максимальным значением сигнала max 11 формирует номер выхода ИНС 10 u, имеющего максимальное значение (амплитуду) сигнала. Значение u соответствует целочисленной фазовой добавке к разности фаз, измеренной максимальной измерительной базы b. В рассматриваемом примере u может принимать значения от 1 до 7 включительно. Значение u поступает в блок однозначной оценки пеленга для максимальной измерительной базы α 12, на второй вход которого поступает разность фаз Δϕ. Блок однозначной оценки пеленга для максимальной измерительной базы α 12 в соответствии с (1) производит оценку пеленга α для максимальной измерительной базы b.
1
2
4
5
6
1,
2
4
5
6
3
14
На первые входы блоков оценки пеленга для измерительных баз меньше максимальной α, α, α, α, и α 13-17 подаются значения разностей фаз Δϕ Δϕ, Δϕ, Δϕ и Δϕ соответственно. На вторые входы этих блоков подается оценка пеленга α для максимальной измерительной базы b.
1
2
4
5
6
1
Поскольку блоки однозначной оценки пеленга для измерительных баз меньших максимальной α, α, α, α, и α 13-17 являются идентичными, их работа рассмотрена примере блока α 13.
1
1
Разность фаз Δϕ поступившая на вход блока α 13 подается в каждый из пяти вычислителей параметра z 13.1-5, которые производят вычисление параметра z в соответствии с (2).
3
1
12
Вычисленные параметры z поступают на сумматоры 13.6-13.10, где суммируются с оценкой пеленга α. Пять полученных числовых значений с выходов сумматоров 13.6-10 поступают на входы блока определения номера входа с минимальным значением сигнала min 13.11, на выходе которого формируется оценка номера входа с наименьшим значением сигнала. Сформированное блоком 13.11 значение используется в качестве адреса для мультиплексора MX 13.12, который коммутирует один из своих входов, соответствующему адресу, с выходом. Выходной сигнал мультиплексора 13.12 является выходным сигналом блока 13 и оценкой пеленга α для измерительной базы b. Оценка пеленга блоками 14-17 происходит аналогично.
1
2
4
5
6
*
Полученные оценки пеленга α, α, α, α, α поступают в блок уточнения пеленга α 18, где производится их суммирование с весовыми коэффициентами, рассчитываемыми в соответствии с (3), и взвешивание полученной суммы весовым коэффициентом, рассчитываемым в соответствии с (4).
*
*
Выходной сигнал блока уточнения пеленга α 18 является выходным сигналом ФП и представляет собой оценку пеленга α.
Результаты работы ФП в виде зависимостей ошибок пеленгования ИРИ от истинного пеленга ИРИ приведены на фиг. 9, 10 и 11 для частот 300, 150 и 30 МГц соответственно.
Как видно из фиг. 9, 10 и 11 ФП способен пеленговать ИРИ в широком диапазоне частот без ошибок неправильного устранения неоднозначности.
Оценка выигрыша в быстродействии одномерного широкодиапазонного фазового пеленгатора на основе искусственной нейронной сети в сравнении с прототипом проведена методом имитационного моделирования на одной персональной ЭВМ при одном наборе входных данных. Выигрыш в быстродействии в рассмотренном примере составил более 23 раз. Данный технический результат может быть дополнительно повышен за счет распараллеливания вычислений при работе ИНС 10.
Одномерный широкодиапазонный фазовый пеленгатор на основе искусственной нейронной сети отличается от аналога использованием ИНС для устранения неоднозначности измерений пеленга. Техническим результатом изобретения является повышение быстродействия фазового пеленгатора без снижения других характеристик устройства.
Литература
1. Денисов П.В., Дубинин Д.В. Фазовые пеленгаторы: Монография. - Томск: Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, 2002.