Характеристика інформаційно-вимірювальних систем і комплексів

Модель узагальненої вимірювальної системи, яка запропонована Фальковічем С.Є. і Хомяковим Є.М., представлена на рис. 1. Носієм інформації в цьому випадку є сигнал , випромінюваний блоком . Сигнал є детермінованою, квазідетермінованою або випадковою функцією.

У більш загальному випадку, коли випромінююча система розподілена в просторі, сигнал є функцією просторово-часового аргументу (просторово-часовий сигнал, що складається з окремих сигналів, які змінюються в часі й приходять із різних точок простору). Сигнали у вигляді електромагнітних хвиль випромінюються в навколишній простір, у якому й відбувається накладення на сигнал інформації про характеристики навколишнього простору (на відміну від штучного кодування сигналу в системах передачі інформації). Вимірювальна інформація, накладена на сигнал, характеризується величиною інформаційного (істотного) параметра сигналу , що може бути величиною скалярної або векторною, безперервною або дискретною. Передбачається, що на елементарному інтервалі спостереження (виміру) цю величину можна вважати постійною.

Крім того, у процесі поширення й взаємодії з навколишнім середовищем або спостережуваним об'єктом сигнал піддається іншим змінам, які не відбивають корисної інформації. Ці впливи характеризуються величиною параметра , що заважає (є несуттєвим, нефіксуємим). Він може бути скалярною або векторною величиною і (як і інформаційний) змінюється в часі . Однак на елементарному інтервалі його зміною можна зневажити й уважати постійним .

Таким чином, у процесі взаємодії випромінюваного сигналу з навколишнім середовищем і об'єктами, що перебувають у ній, формується прийнятий сигнал

. (1)

Цей сигнал є функцією часу й двох, у загальному випадку векторних, параметрів: інформаційного (фіксуємого) і неінформаційного (заважаючого, нефіксуємого) ; - оператор формування (кодування) прийнятого сигналу.

Випромінюваний сигнал є вузькосмуговим процесом. До прийнятого сигналу додаються (+) адитивні перешкоди (див. рис. 1), що включають зовнішні перешкоди й внутрішні шуми прийомної системи, перелічені до її входу. Можна вважати, що внутрішні шуми апаратури й багато зовнішніх перешкод являють собою стаціонарні (на інтервалі спостереження) гаусовські процеси, що мають спектр, значно ширший спектра корисного сигналу й приблизно постійну спектральну щільність потужності - спектральну інтенсивність усередині смуги частот, зайнятих сигналом.

У приведеній моделі узагальненої радіосистеми (рис. 1) система обробки починається з виходу прийомної антени, а прийняті коливання , сигнали й перешкоди є часовими процесами - функціями часу. Останнім часом широко використовується просторово-часове трактування, при якому антена включається в систему обробки. При цій точці зору прийняті коливання (сигнали, перешкоди) вважаються електромагнітними полями (просторово - часовими процесами) на вході (на апертурі) приймальної антени

, (2)

Просторово-часове трактування дозволяє повніше відобразити реальні умови роботи радіосистем і, відповідно, повніше реалізувати їхні можливості. Однак традиційна модель дозволяє швидше одержати результат тому, що вона простіша, зрозуміліша, вимагає менше вихідних даних, тому що враховує тільки часові процеси.

Перешкоди радіоприйому, а отже, і прийняті коливання є випадковими процесами. Тому задача витягу інформації із прийнятого коливання є статистичною. У статистичній теорії радіосистем звичайно використовується байесовський підхід, відповідно до якого передбачається, що параметри сигналу є випадковими величинами, самі сигнали - випадковими процесами, і що в просторах визначені розподіли ймовірностей, частина параметрів яких можуть бути невідомими. Знання розподілу ймовірностей і закону формування прийнятого сигналу дозволяє знайти відповідний розподіл ймовірностей у просторі прийнятих коливань . Зі статистичної точки зору задача радіотехнічної вимірювальної системи зводиться до оцінки по прийнятій вибірці деяких параметрів розподілу ймовірностей, визначеному в просторі . Не завжди можна довести, що даний параметр сигналу є випадковою величиною, що задовольняє основним аксіомам теорії ймовірностей. У зв'язку із цим слід зазначити, що при використанні моделі системи мають справу не із самими явищами, а з їхніми моделями, тому ідеалізація явищ цілком припустима.

Таким чином, прямим призначенням системи обробки є формування (визначення) оцінки параметрів сигналу ; ці оцінки робляться на основі отриманих даних і є корисним виходом вимірювальної системи. Процедури, виконувані над прийнятим коливанням у процесі обробки, характеризуються оператором , що називається оператором системи

. (3)

3. Управління системою обробки й зондувальним сигналом

У сучасних прецизійних системах передбачається управління системою обробки, а також, іноді, пристроєм, що передає. Управління системою обробки має на меті адаптацію алгоритмів обробки до перешкоджаючої обстановки, що змінюється, та до характеристик радіоканалу. Аналогічне управління характеристиками випромінюваного сигналу (передавачем) повинне забезпечити найкраще узгодження характеристик випромінюваного сигналу з характеристиками навколишнього оточення.

Можливість управління системою обробки й передавачем у моделі узагальненої вимірювальної системи, представленої на рис. 1, забезпечується операторами відповідно. При формуванні операторів управління в загальному випадку, крім інформації про істотні параметри, потрібна інформація про деякі несуттєві параметри (наприклад, про характеристики навколишнього середовища) і оцінка якості функціонування системи. Ці види обробки представлені на рис. 1.1 оператором формування оцінки несуттєвих параметрів і оператором оцінки якості функціонування. Елементами простору рішень щодо якості функціонування можуть використовуватися оцінки середньоквадратичних помилок виміру, оцінки аномальних помилок, оцінки ймовірності хибної тривоги, правильного виявлення й ін.

Таким чином, корисним виходом вимірювальної системи є оцінка інформаційних параметрів, що представляє рішення основної задачі: виявлення, розрізнення, оцінки параметрів і т.д. Для забезпечення адаптації й найкращого узгодження вимірювальної системи з характеристиками навколишнього середовища можуть формуватися додаткові виходи: оцінки несуттєвих параметрів і оцінки якості функціонування. Подальша обробка отриманої інформації проводиться в рамках вимірювального комплексу.

4. Модель інформаційно-вимірювального комплексу

Задачі, розв'язувані в рамках вимірювального комплексу, значною мірою аналогічні задачам, розв'язуваним системами. Відмінність в основному зводиться до використання порівняно більших інтервалів спостереження, що включають у себе велику кількість елементарних інтервалів, і, можливо, до спільного використання декількох вимірювальних систем. У результаті інформаційні параметри здобувають характер процесів. При цьому виникають задачі фільтрації, екстраполяції (можливо, інтерполяції) процесів з урахуванням надлишковості вимірювальної інформації. Якщо контрольований процес може бути представлений функцією, що містить порівняно невелике число невідомих параметрів, то задача комплексу зводиться до оцінки цих параметрів. На відміну від вимірювальної системи, що робить вимір параметрів радіосигналу (час запізнювання, інтенсивність, доплерівський зсув частоти, різниця фаз), у комплексі, в остаточному підсумку, потрібно відновити первинне повідомлення: траєкторію руху об'єкта, просторовий розподіл інтенсивності випромінювання й т.д. Для спрощення будемо вважати, що первинним повідомленням є функція часу . У загальному випадку може бути деякою функцією просторового або просторово-часового аргументу. Модель узагальненого вимірювального комплексу приведена на рис. 2.

Оператор Z встановлює зв'язок між досліджуваними фізичними величинами, які входять у безліч Г, і інформаційними параметрами . Параметри обстановки входять у безліч А і за допомогою оператора Z перетворюються в неінформаційні параметри . Усередині оператора Z присутні «чисті» прийняті сигнали, кожний з яких містить параметри . Далі на сигнал впливають шуми, як це відбувалося у випадку вимірювальної системи й остаточно формуються вхідні сигнали радіосистем, що входять у комплекс. Кожна радіосистема виробляє оцінки , а також може виробляти оцінку неінформаційних параметрів. Через канали передачі ця інформація надходить на оператор V формування інформації для системи обробки комплексу. Система обробки комплексу має у своєму розпорядженні оператори , які визначають оцінку часової функції , оцінку неінформаційного параметра й сумарну оцінку . За результатами роботи операторів комплексу виробляються команди управління операторами обробки комплексу й радіосистемами, що входять у комплекс.

При створенні вимірювальних комплексів центральною задачею є визначення алгоритму обробки . Ця обробка часто виконується у два етапи. На першому етапі вирішується задача одноканальної фільтрації результатів вимірів однієї радіосистеми. При цьому використовується апріорна інформація про модель оцінюваних параметрів як функцій часу. На другому етапі вирішується задача багатоканальної фільтрації з використанням результатів вимірів декількох радіосистем. Обробка у два етапи найпоширеніша в наземних комплексах, вимірювальні радіосистеми яких рознесені в просторі на значні відстані.

5. Задачі, розв'язувані оптимальним оператором інформаційно-вимірювальної системи

У теорії статистичних рішень як узагальнений критерій якості обробки інформації при використанні байєсовського підходу приймається так званий середній ризик

радіосистема зондувальний сигнал інформаційний

, (4)

де - спільна щільність імовірності подій і ,

- функція втрат, що характеризує ступінь збитку від помилкових рішень. Функція втрат приписує деяке числове значення втрат кожній парі спільних реалізацій інформаційного параметра і його оцінки . Функція втрат зростає в міру зростання небезпеки спільної реалізації подій і .

Таким чином, середній ризик являє собою математичне очікування втрат , усереднене по всіх можливих значеннях і .

Як функція ризику (або вартості) може використовуватися величина різниці . Функція ризику при цьому залежить від однієї перемінної. Як основна використовується функція . При цьому середній ризик відповідає квадрату помилки, а оптимізація виміру зводиться до досягнення мінімуму середньоквадратичної помилки. При використанні залежності для забезпечення оптимізації виміру необхідно забезпечити мінімум середнього модуля помилки.

Якість системи тим вище, чим менше середній ризик . Оптимізація системи зводиться до мінімізації по всіх можливих правилах рішення середнього ризику, тобто до рішення рівняння . Правила рішення , що дають мінімум ризику, називаються оптимальними або байєсовськими правилами рішення. Відшукавши це правило, знаходять, таким чином, математичний опис структури оптимальної системи обробки (прийомного пристрою). Середній ризик , що відповідає оптимальному рішенню , являє собою теоретично граничне (потенційне) значення якісного показника системи. Про ступінь досконалості системи можна судити по ступені близькості її якісного показника до потенційного значення .

6. Рішення, які приймаються за результатами роботи радіовимірювальних засобів