voprosyradioel07082020 by bortnikova

АО «ЦНИИ «Электроника» ISSN 2218-5453 (Print) ISSN 2686-7680 (Online)

НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ

Серия «Общетехническая» (ОТ) ВЫПУСК 7

ТОМ 49, № 7-8. 2020

Журнал зарегистрирован в Федеральной службе по надзору за соблюдением законодательства в сфере массовых коммуникаций и охране культурного наследия (свидетельство ПИ № ФС77-31114 от 15 февраля 2008 года). Журнал включен в перечень изданий, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией Министерства образования и науки Российской Федерации для опубликования результатов диссертационных исследований (Перечень ВАК). Журнал включен в Российский индекс научного цитирования (РИНЦ). ГЛАВНЫЙ РЕДАКТОР

РЕДАКЦИОННЫЙ СОВЕТ Г. В. Анцев, к. т. н., доц. (АО «НПП «Радар ммс») В. М. Балашов, д. т. н., проф. (АО «НПП «Радар ммс») Я. В. Безель, д. т. н., проф. (АО «Концерн ПВО «Алмаз-Антей») А. И. Белоус, чл.-корр. НАН Беларуси, д. т. н., проф. (ОАО «ИНТЕГРАЛ») А. Б. Бляхман, д. т. н., проф. (АО «ФНПЦ «ННИИРТ») М. М. Бутаев, д. т. н., проф. (АО «НПП «Рубин») Н. Ю. Жибуртович, д. т. н., проф. (АО «Корпорация Фазотрон-НИИР») Н. Н. Иванов, д. т. н. (ОАО «Авангард») А. В. Киселев, д. т. н., проф. (ФГБОУ ВО НГТУ) В. Е. Красовский, к. т. н., проф. (ПАО «ИНЭУМ им. И. С. Брука») С. Ф. Боев, д. т. н., д. э. н. (ПАО «МАК «Вымпел») В. В. Мартынов, д. т. н., проф. (ФБГНУ «Аналитический центр») Н. А. Махутов, чл.-корр. РАН, д. т. н., проф. (ИМАШ РАН) Н. Л. Прохоров, д. т. н., проф. (ПАО «ИНЭУМ им. И. С. Брука») С. А. Прохоров, д. т. н., проф. (Самарский национальный исследовательский университет имени академика С. П. Королева) П. И. Смирнов, к. т. н. (АО «НИИ «Масштаб») С. А. Сорокин, д. т. н. (АО «НИИВК им. М. А. Карцева») А. Ф. Страхов, д. т. н., проф. (АО «ГПТП «Гранит») В. Ф. Хватов, д. т. н. (Гостехнадзор Ленинградской области) С. В. Хохлов (ФГУП «ГосНИИАС») В. И. Штейнберг, к. т. н. (АО «НИИ «Аргон»)

Генеральный директор, главный редактор Алена Фомина instel@instel.ru +7 (495) 940-65-00

Выпускающий редактор Дмитрий Гудилин gudilin@instel.ru +7 (495) 940-65-24 Реклама Полина Корсунская korsunskaya_p@instel.ru +7 (495) 940-65-24 Распространение и подписка Вероника Филиппова filippova_v@instel.ru +7 (495) 940-65-46 Корректор Лариса Ильина Компьютерная верстка Григорий Арифулин

Полное или частичное воспроизведение материалов допускается только с письменного разрешения АО «ЦНИИ «Электроника». При перепечатке материалов ссылка на журнал «Вопросы радиоэлектроники» обязательна. Ответственность за содержание рекламных материалов несут рекламодатели. Ответственность за достоверность приведенных сведений, за наличие данных, не подлежащих открытой публикации, и точность информации по цитируемой литературе несут авторы. Позиция редакции может не совпадать с мнением автора. Все поступившие в редакцию материалы подлежат рецензированию. Редакция не вступает в переписку с авторами статей, получившими мотивированный отказ в опубликовании.

Требования к оформлению статей размещены на сайте vre.instel.ru.

Издатель АО «ЦНИИ «Электроника»

Руководитель издательского отдела Полина Корсунская korsunskaya_p@instel.ru +7 (495) 940-65-24

А. В. Фомина, д. э.н., доц., чл.-корр. Академии военных наук

Материалы, переданные в редакцию, не возвращаются.

Учредитель АО «ЦНИИ «Электроника»

Адрес редакции 127299, г. Москва, ул. Космонавта Волкова, д. 12 +7 (495) 940-65-00 www.instel.ru instel@instel.ru Подписка В редакции publish@instel.ru +7 (495) 940-65-46 Агентство «Роспечать» Индекс 84529 (каталог «Газеты. Журналы») Агентство «Почта России» Индекс ПР207 Агентство «Урал-Пресс» www.ural-press.ru +7 (495) 961-23-62 Подписано в печать 17.08.2020. Отпечатано в ООО «КАПЛИ ДОЖДЯ».

CRI Electronics ISSN 2218-5453 (Print) ISSN 2686-7680 (Online)

(Issues of radio electronics)

Vol. 49, no. 7-8. 2020

General technical series VOLUME 7

The journal is registered at the Federal Service for Compliance with the Law in Mass Communications and Cultural Heritage Protection (Certificate PI № FS77-31114 of February 15th, 2008).

Founder Central Research Institute of Economy, Management Systems and Information «Electronics»

SCIENTIFIC JOURNAL

The journal is included into the List of periodicals recommended by the State commission for academic degrees and titles for publishing of dissertation research results. This journal is included in Russian Index of Scientific Citations. EDITOR-IN-CHIEF A. V. Fomina, Doctor of Economics, Associate Professor, Corresponding Member of Russian Academy of Military Sciences EDITORIAL COUNCIL G. V. Antsev, Candidate of Engineering, Associate Professor (Radar mms) V. M. Balashov, Doctor of Engineering, Professor (Radar mms) Y. V. Besel, Doctor of Engineering, Professor (Concern PVO Almaz-Antei) A. I. Belous, Corresponding Member of the National Academy of Sciences of Belarus, Doctor of Engineering, Professor (Joint Stock Company INTEGRAL) A. B. Blyakhman, Doctor of Engineering, Professor (NNIIRT) M. M. Butaev, Doctor of Engineering, Professor (NPP Rubin) N. Y. Zhiburtovich, Doctor of Engineering, Professor (PHAZOTRON-NIIR) N. N. Ivanov, Doctor of Engineering (Public Joint Stock Company Avangard) A. V. Kiselev, Doctor of Engineering, Professor (Novosibirsk State Technical University) V. E. Krasovskiy, Candidate of Engineering, Professor (The Institute of Electronic Control Computers named after I. S. Bruk) S. F. Boev, Doctor of Engineering, Doctor of Economics (MAK Vympel) V. P. Martynov, Doctor of Engineering, Professor (Analytical Center at the Ministry of Education and Science of the Russian Federation) N. A. Makhutov, Corresponding Member of Russian Academy of Sciences, Doctor of Engineering, Professor (Russian Academy of Sciences) N. L. Prokhorov, Doctor of Engineering, Professor (The Institute of Electronic Control Computers named after I. S. Bruk) S. А. Prokhorov, Doctor of Engineering, Professor (Samara University) P. I. Smirnov, Candidate of Engineering (Scientific Research Institute Mashtab) S. А. Sorokin, Doctor of Engineering (Scientific Research Institute of Computer Science named after M. A. Karzev) A. F. Strakhov, Doctor of Engineering, Professor (Head center maintenance and repair Granite) V. F. Khvatov, Doctor of Engineering (State Technical Supervision Body of Leningrad Region) S. V. Khokhlov (GosNIIAS) V. I. Shteinberg, Candidate of Engineering (Research Institute «Argon») Full or partial reproduction of materials is allowed only with the written permission of the Central Research Institute of Economy, Management Systems and Information «Electronics». At a reprint of materials the link on journal «Issues of radio electronics» is mandatory. Advertisers are responsible for the content of advertisements. Authors are responsible for reliable information, for the availability of data are not subject to open publication, and accuracy of information on the cited literature. The editorial standpoint may not correspond with authors’ opinions. All incoming manuscripts are subject to review. Editors do not correspond with authors, whose articles are considered unsuitable for the publication. Materials sent to the editor will not be returned.

Publisher Central Research Institute of Economy, Management Systems and Information «Electronics» General director, Editor-in-Chief Alena Fomina instel@instel.ru +7 (495) 940-65-00 Head of publish department Polina Korsunskaya korsunskaya_p@instel.ru +7 (495) 940-65-24 Managing editor Dmitry Gudilin gudilin@instel.ru +7 (495) 940-65-24 Advertise Polina Korsunskaya korsunskaya_p@instel.ru +7 (495) 940-65-24 Distribution and subscribe Veronika Filippova filippova_v@instel.ru +7 (495) 940-65-46 Proofreader Larisa Ilyina Design Grigoriy Arifulin Editorial office Kosmonavta Volkova st., 12, Moscow, Russian Federation, 127299 +7 (495) 940-65-00 www.instel.ru instel@instel.ru Subscribe publish@instel.ru +7 (495) 940-65-46 Signed to print 17.08.2020. Printed in Raindrops Ltd.

АО «ЦНИИ «Электроника»

СОДЕРЖАНИЕ Гражданская электроника – основа для ускоренного развития отрасли ................................................................................ 5

ТЕХНОЛОГИИ, СХЕМЫ И КОНСТРУКЦИИ Авдзейко В. И., Карнышев В. И., Паскаль Е. С. Анализ перспективных направлений развития систем, использующих отражение или вторичное излучение акустических волн .............................................................................. 6

РАДИОЛОКАЦИЯ И РАДИОНАВИГАЦИЯ Бызов А. Н., Изюмов А. В., Петров Ю. В. Исследование возможностей уменьшения времени обзора воздушного пространства при обнаружении и сопровождении радиолокационных целей ................................ 22

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ Паршуткин А. В., Святкин С. А., Бучинский Д. И. Оценка влияния непреднамеренных нестационарных помех на функционирование системы спутниковой связи с частотно-временным разделением каналов ............................. 28

МАТЕРИАЛЫ Сулаберидзе В. Ш., Скорнякова Е. А. Физико-механические, теплофизические и электрические характеристики композиционных материалов на основе

МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ Романов А. Е. Прогнозирование значений факторов пожароопасных ситуаций на кораблях на основе искусственных нейронных сетей .............34

полиуретанового связующего и минеральных наполнителей ................................................................................... 14

ПРАВИЛА ПРЕДСТАВЛЕНИЯ СТАТЕЙ..............41

CRI Electronics (Issues of radio electronics)

CONTENTS Civil electronics as basis for accelerated development of industry............................................................................................. 5

TECHNOLOGIES, CIRCUIT DIAGRAMS AND CONSTRUCTIONS Avdzeyko V. I., Karnyshev V. I., Paskal E. S. Analysis of prospective directions for development of systems using reflection or secondary radiation of acoustic waves ................................................................................. 6

MATERIALS Sulaberidze V. Sh., Skorniakova Е. А. Physico-mechanical, thermal and electrical characteristics

RADAR AND RADIO NAVIGATION Byzov A. N., Izjumov A. V., Petrov Yu. V. Possibilities of reducing airspace review time when detecting and tracking radar targets ................................................................ 22

ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY Parshutkin A. V., Svyatkin S. A., Buchinsky D. I. Evaluation of influence of unintentional non-stationary interference on functioning of satellite communication system with multi-frequency time-division multiple access .......................... 28

SYSTEM MODELING Romanov A. E. Marine fire-dangerous situations factors’ values forecasting based on artificial neural network .....................................................34

composite materials based on polyurethane binder and mineral fillers .............................................................................. 14

RULES FOR SUBMITTING ARTICLES ..................43

Гражданская электроника – основа для ускоренного развития отрасли Цифровые технологии непосредственно определяют качество повседневной жизни современного человека, и сегодня уже сложно представить развитие государства в отрыве от технологического прогресса. Радиоэлектронная промышленность является отраслью, критически значимой для обеспечения экономического роста и национальной безопасности России. Несмотря на то, что доля электронной промышленности в валовом внутреннем продукте все еще составляет около 2%, активно предпринимаются шаги по улучшению ситуации, привлечению в отрасль инвестиций, специалистов и новых технологий. В 2020 году правительство Российской Федерации приняло решение о новых форматах поддержки отечественной промышленности. На развитие электронной и радиоэлектронной отраслей выделено дополнительно 15 млрд рублей, а в 2021 году объем

vre.instel.ru

средств вырастет почти в восемь раз. Финансовая поддержка будет направлена предприятиям, ведущим наиболее перспективные разработки высокотехнологичной продукции на базе отечественных решений. Это позволит значительно увеличить присутствие российских продуктов на внутреннем рынке. Кроме того, появится дополнительный стимул для создания новых рабочих мест, развития образования и науки, а также наращивания компетенции в областях разработки и массового производства продуктов, способных конкурировать с зарубежными аналогами. В рамках принятой стратегии в 2020–2021 годах планируется увеличение доли российской электроники в основном за счет традиционных рынков и национальных проектов, а также подготовка выхода на международные рынки. Электроника – капиталоемкая отрасль, требующая участия государства, его тесной кооперации с компаниями и наличия поддерживающего систему внутреннего спроса. Реализация стратегической программы обеспечит российской электронике запас в несколько лет, необходимых как для наращивания компетенций специалистов, так и для проведения инфраструктурных изменений. На первом этапе особенно важно, чтобы меры государственной поддержки и инновационная активность предприятий радиоэлектронной промышленности шли одним курсом. Приоритетной задачей этого периода является усиление позиций на внутреннем рынке. Развитие массового гражданского сектора позволит в дальнейшем проводить модернизацию электронной отрасли с привлечением частных инвестиций и уже на этой базе развивать экспорт российской электроники. Амбициозность поставленных задач и ориентация на создание конкурентоспособной на мировом рынке российской продукции говорят о том, насколько важным это направление является как для российской промышленности, так и для экономики в целом. А. В. Фомина, доктор экономических наук, главный редактор журнала «Вопросы радиоэлектроники»

Технологии, схемы и конструкции Для цитирования: Авдзейко В. И., Карнышев В. И., Паскаль Е. С. Анализ перспективных направлений развития систем, использующих отражение или вторичное излучение акустических волн // Вопросы радиоэлектроники. 2020. № 7–8. С. 6–13. DOI 10.21778/2218-5453-2020-7-8-6-13 УДК 534.6.08, 534.24, 534.21, 534.232, 608.3, 347.771.3

В. И. Авдзейко1, В. И. Карнышев1, Е. С. Паскаль1 1

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР)

АНАЛИЗ ПЕРСПЕКТИВНЫХ НАПРАВЛЕНИЙ РАЗВИТИЯ СИСТЕМ, ИСПОЛЬЗУЮЩИХ ОТРАЖЕНИЕ ИЛИ ВТОРИЧНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН* Для выявления перспективных направлений развития радиоэлектронных систем, использующих отражение или вторичное излучение акустических волн, применен метод патентного анализа, который основан на формировании временных рядов патентов США и сравнении между собой различных технических решений по количеству патентов, зарегистрированных в конкретных подгруппах Международной патентной классификации (МПК), и динамике их выдачи на интервале 2010–2019 гг. Использование МПК позволяет проводить эффективный поиск и классификацию технических решений, выполнять ретроспективный анализ, а также формировать прогнозные оценки развития технологий с привлечением открытых ресурсов различных патентных ведомств. В результате исследования установлено, что последние десять лет успешно развиваются все виды систем, использующих отражение акустических волн. Наиболее перспективными среди них являются системы для определения местоположения цели за счет измерения только дальности, использующие передачу прерывистых импульсно-модулированных сигналов. Ключевые слова: акустические системы, патентный анализ, Международная патентная классификация, временные ряды, системы особого применения

Введение Несколько десятилетий назад патентная информация использовалась в основном в процессе формирования заявок на изобретения при проведении патентного поиска. Появление компьютеризированных баз данных позволило значительно расширить области применения патентной информации для проведения анализа патентной деятельности на уровне страны, отрасли или компании. Основная цель такого анализа заключается в выявлении и прогнозировании направлений развития и технических изменений в конкретных областях исследований. Качество и уровень анализа патентной информации определяют успех выполнения проекта, а следовательно, и успех предприятия. Такое использование патентной информации нашло применение при разработке тактических и стратегических планов развития как на уровне страны [1], так и на уровне отдельных компаний или лабораторий [2].

Патентная информация хорошо структурирована в соответствии с МПК, а существующие базы данных патентов, например www.uspto.gov, www.wipo. int, www.espacenet.com и др., содержат громадное количество патентов и постоянно пополняются. В работе [3] приведено обоснование применения МПК для проведения патентного анализа, использование которого позволяет снизить трудоемкость и сократить потери информации в процессе ее обработки. Патентная документация как источник информации Одним из условий выдачи патента является раскрытие сущности изобретения в подаваемой патентной заявке, которая в обязательном порядке должна содержать титульную страницу, реферат и описание изобретения, включая чертежи и одну или несколько формул изобретения. Титульный лист отражает библиографическую информацию: название изобретения, даты подачи

* Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований в рамках научного проекта № 18-07-01270А.

Вопросы радиоэлектроники, 7-8/2020

Технологии, схемы и конструкции заявки и получения приоритета, техническую область, имя и адрес заявителя и изобретателя, реферат и чертеж, поясняющий принцип действия изобретения. Данную библиографическую информацию можно использовать для патентного анализа, а именно – выявить область техники, дату подачи заявки, страну, компанию, а также заявителя и изобретателя. Описание изобретения позволяет раскрыть и понять сущность изобретения. Этому способствуют примеры и чертежи, поясняющие, как изобретение работает на практике. Использование описаний изобретения – это следующий этап патентного анализа, который позволяет выявить технические решения и тенденции их развития в конкретных областях техники. Этот этап – самый трудоемкий, предполагающий высокую квалификацию аналитика, но и самый эффективный. Анализ большого количества патентов в одной подгруппе МПК с большой вероятностью позволяет выявить на ближайшие годы тенденции развития в исследуемых областях техники. Формулы изобретения устанавливают объем правовой охраны, использование ключевых слов или словосочетаний в процессе их обработки позволяет выявить группы и подгруппы МПК, в которых могут регистрироваться аналогичные патенты, что способствует расширению области проводимых патентных исследований. Достоинства и недостатки использования патентной информации для анализа Достоинства патентной документации основаны на полноте и уникальности информации, опережении публикуемых сведений по отношению к рыночной продукции, реализующей изобретение. Полнота информации объясняется требованиями раскрытия сущности, ясности изложения, подробного описания технологии реализации предлагаемого технического решения. По некоторым оценкам патенты содержат около 80% научной и технической информации, которая отсутствует в других источниках [4]. Модернизация структуры классов, подклассов, групп и подгрупп МПК осуществляется крайне консервативно, поэтому новейшие направления развития техники и технологии не отражаются в МПК, не формируются новые группы и подгруппы, особенно на уровне схемных решений. Отсутствие доступного программного обеспечения сдерживает проведение анализа большого количества патентов, что, в свою очередь, снижает достоверность прогнозирования, а необходимость обработки большого количества информации повышает трудоемкость анализа. На достоверность прогнозирования направлений развития оказывает влияние и политика сохранения промышленных секретов, реализуемая vre.instel.ru

путем оформления «ложных» патентов, мер по обеспечению секретности технологической информации, публикаций в доступных средствах информации с целью ограничения возможности другим получить патент на это изобретение. Тем не менее патентная информация, особенно в странах с развитой экономикой, является ключевым методом для анализа и выявления перспективных и прорывных направлений развития отраслей и предприятий, в том числе среднего и малого бизнеса. Анализ патентной информации Условно анализ патентной информации реализуется двумя путями – проведением количественного и качественного анализа. Количественный анализ основан на формировании специализированных баз данных патентов и их статистической обработке. Характер изменения количества патентов в заданный промежуток времени позволяет косвенно судить о дальнейшем развитии конкретных направлений исследований. Количественный анализ не позволяет учитывать степень значимости патентов, что возможно при использовании качественного метода. Качественный метод основан на изучении полной патентной документации, библиометрических данных, цитирования патентов, анализе «портфеля» предприятия или автора, преемственности публикуемых патентов и еще множества данных, содержащихся в патентной документации. Очевидно, что чем глубже изучается информация, тем достовернее будут полученные результаты. Развитие данного метода сдерживают необходимость обработки большого объема информации и привлечения к исследованию высококвалифицированных специалистов, а также трудоемкость процесса анализа и создания специализированного программного обеспечения. Одним из подходов, позволяющим выявлять и прогнозировать перспективные направления развития, является анализ технологических трендов с использованием методологии патентных ландшафтов [5, 6]. Помимо выявления преимущественных тенденций развития, известен подход, основанный на поиске ключевых технических решений (патентов), в частности, с использованием сетей цитирования (citation network) [7]. Кроме количественного анализа временных рядов патентов, распространение получил метод, связанный с анализом текстов и цитированием патентной документации [8–10]. По мнению авторов, наиболее перспективен комбинированный метод, основанный на сочетании обоих методов. На первом (количественном) этапе исследований осуществляется сбор патентной 7

Технологии, схемы и конструкции информации – формирование специализированной базы данных патентов, построение и анализ их временных рядов. Результатом этапа является выявление перспективных направлений развития в конкретных областях и тематиках исследований. На втором (качественном) этапе исследований проводится анализ патентов, зарегистрированных в самых перспективных группах и подгруппах МПК. Выбор базы данных для построения временных рядов Несколько десятилетий назад изучение патентной информации осуществлялось путем просмотра бумажных носителей. Позже появились базы данных на компактных дисках. Недостатки этих источников заключались в невозможности обновления информации, что удалось устранить при появлении интернета. Развитие компьютерных сетей позволило использовать бесплатные базы данных различных стран. Однако бесплатные базы позволяют проводить обработку информации последовательно для каждого патента из выбранного списка на основе ключевых слов (номер патента, фамилия изобретателя или заявителя) и не подходят для более сложных исследований, требующих одновременной работы с десятками или сотнями патентов. Поэтому на рынке появилось большое количество коммерческих баз данных, например Derwent, Dialog, STN, Questel Orbit, Micropatent, WIPS и т. д., с различными формами оплаты предоставляемых услуг. В случае необходимости постоянного использования патентной информации коммерческих баз данных стоимость услуг становится очень высокой. На наш взгляд, целесообразно создавать постоянно пополняемые специализированные базы данных самостоятельно, например, по группам или подгруппам МПК, в которых проводятся исследования. В этом случае удается проводить количественный анализ в конкретной области исследований и отслеживать динамику количества регистрируемых патентов. Одним из крупнейших и постоянно пополняемых ресурсов, обеспечивающих непосредственный доступ к полнотекстовым описаниям патентов, является интернет-портал патентного ведомства США (USPTO), который выбран в качестве основного источника информации для настоящего исследования. В работах [11, 12] рассмотрен программный подход, позволяющий формировать перечни патентов США по заданным номерам патентов, подгруппам МПК, ключевым словам и словосочетаниям, создавать обновляемые локальные базы патентов, получать сведения о количественном распределении патентов во всех подгруппах МПК, формировать временные ряды, производить их обработку и строить ряды в заданном временном интервале. 8

Анализ систем, использующих отражение или вторичное излучение акустических волн Анализ акустических систем проведем путем последовательного сравнения количества патентов на них, классифицированных на одинаковых уровнях МПК, начиная с классифицированных в основных группах, затем – в подгруппах по мере снижения их уровней – от принципов построения систем к конкретным схемным решениям. Системы с использованием отражения или вторичного излучения акустических волн, например системы гидроакустических станций, в соответствии с МПК имеют следующие модификации: • • •

• •

с использованием отражения акустических волн (G01S15/02–G01S15/62); звуколокационные следящие системы (G01S15/ 66); системы, использующие вторичное излучение акустических волн, например системы распознавания типа «свой – чужой» (G01S15/74); комбинации систем гидроакустических станций (G01S15/87); системы, специально предназначенные для особых применений (G01S15/88–G01S15/96).

Количество патентов, выданных на эти модификации за последние 10 лет, приведено в таблице. Очевидно, что наибольшее количество патентов было выдано на системы с использованием отражения акустических волн, и на системы, специально предназначенные для особых применений. В соответствии с принятым допущением о том, что количество выданных патентов отражает перспективность развития исследуемых систем, можно сделать вывод, что эти две модификации в последние годы получили наибольшее развитие. В свою очередь, эти модификации имеют свои разновидности, поэтому для выявления среди них самых перспективных также проведем патентный анализ. Анализ систем с использованием отражения акустических волн Системы с использованием отражения акустических волн подразделяются на системы для обнаружения цели (G01S15/04), системы для определения местоположения цели (G01S15/06–G01S15/46) и измерительные системы, основанные на относительном перемещении цели (G01S15/50–G01S15/62). В таблице приведены данные о количестве выданных патентов за последние 10 лет на эти варианты систем. На рис. 1 представлена диаграмма, иллюстрирующая динамику выдачи патентов за последние пять лет, в течение которых наблюдается значительный рост их количества.

Вопросы радиоэлектроники, 7-8/2020

Технологии, схемы и конструкции Временные ряды на рис. 1 показывают, что в последние годы все варианты данных систем успешно развиваются, но наибольшее количество патентов было выдано на системы для определения местоположения цели (G01S15/06–G01S15/46). В соответствии с МПК данные системы подразделяются на три подкатегории. Для выявления наиболее перспективных из них проведем анализ.

приведены временные ряды, характеризующие динамику выдачи патентов в этих подгруппах за последние 10 лет. Сравнение диаграмм, приведенных на рис. 2, позволяет сделать вывод о том, что среди данных систем наиболее перспективными являются системы для определения местоположения цели, осуществляющие измерение только дальности. В соответствии с МПК эти системы, в свою очередь, выполняются с использованием передачи прерывистых импульсно-модулируемых сигналов (G01S15/10–G01S15/18) и с использованием передачи непрерывных немодулированных колебаний и колебаний, модулированных по амплитуде, частоте или фазе (G01S15/32–G01S15/36). Сравним эти системы между собой по числу патентов (табл.). Как видно из приведенных в таблице значений, системы с использованием передачи прерывистых

Анализ систем с использованием отражения акустических волн для определения местоположения цели В соответствии с МПК системы для определения местоположения цели разрабатываются для измерения только дальности (G01S15/08–G01S15/36), одновременного измерения дальности и других координат (G01S15/42), косвенного определения данных местоположения (G01S15/46). На рис. 2

120

Количество патентов

100 80 60 40 20 0

2010

2011

2012

G01S15/04

2013

2014

2015

G01S15/06–G01S15/46

2016

2017

2018

2019

G01S15/50–G01S15/62

Рисунок 1. Количество патентов США, выданных на варианты выполнения систем с использованием отражения акустических волн

80 70

Количество патентов

60 50 40 30 20 10 0

2010

2011

2012

2013

2014

G01S15/08–G01S15/36

2015

2016

G01S15/42

2017

2018

2019

G01S15/46

Рисунок 2. Количество патентов США, выданных на системы для определения местоположения цели

vre.instel.ru

Технологии, схемы и конструкции развиваются, однако, общее число патентов, выданных на системы для определения скорости или траектории движения, а также для определения знака направления движения примерно в три раза превышает количество патентов, выданных на системы для распознавания различия между неподвижными и подвижными объектами или между объектами, движущимися с различными скоростями. Следовательно, можно спрогнозировать, что в ближайшие 3–5 лет разработчики будут отдавать предпочтение именно системам первого вида. В свою очередь, измерительные системы для определения скорости или траектории движения, а также для определения знака направления движения могут быть реализованы с передатчиком и приемником, установленными на движущихся объектах, например, для определения скорости летательных аппаратов относительно земли, угла сноса, наземного курса объекта (G01S15/60) или определения знака направления движения (G01S15/62). Количественные значения патентов для этих систем приведены в таблице. Несмотря на малое число зарегистрированных патентов, можно констатировать, что при четырехкратном численном превосходстве над подгруппой G01S15/62 системы с передатчиком и приемником, установленными на движущихся объектах, являются наиболее перспективными среди измерительных систем, основанных на относительном перемещении цели.

импульсно-модулированных колебаний в последние годы являются более перспективными. В свою очередь, данные системы имеют три модификации со следующими особенностями: •

•

частота повторных импульсов изменяется с целью обеспечения требуемой временной зависимости между моментом передачи одного импульса и моментом приема отраженного предшествующего импульса (G01S15/12); время начала и конца импульсов напряжения или тока непосредственно связано с моментами передачи импульса и приема отраженного сигнала (G01S15/14); используются стробирующие импульсы (G01S15/ 18).

В соответствии с данными таблицы выделить какую-либо из этих подгрупп как самую перспективную не представляется возможным, поэтому следует продолжать наблюдение за динамикой выдачи патентов в подгруппах в ближайшие 2–3 года. Анализ измерительных систем с использованием отражения акустических волн, основанных на относительном перемещении цели Измерительные системы, основанные на относительном перемещении цели, применяются для распознавания различия между неподвижным и подвижным объектами или между объектами, движущимися с различными скоростями (G01S15/52), и для определения скорости или траектории движения, а также для определения знака направления движения (G01S15/58–G01S15/62). На рис. 3 приведены временные ряды патентов, выданных в этих подгруппах за последние 10 лет. Обе разновидности измерительных систем за анализируемый промежуток времени

Анализ систем, специально предназначенных для особых применений Специальные акустические системы используются в соответствии с МПК для картографирования или отображения (G01S15/89), предотвращения столкновений (G01S15/93) и нахождения косяков

35 30

Количество патентов

25 20 15 10 5 0

2010

2011

2012

2013

G01S15/52

2014

2015

2016

2017

2018

G01S15/58–G01S15/62

Рисунок 3. Динамика выдачи патентов США на измерительные системы

Вопросы радиоэлектроники, 7-8/2020

2019

Технологии, схемы и конструкции

300

Количество патентов

250 200 150 100 50 0

2010

2011

2012

2013

G01S15/89

2014

2015

2016

G01S15/93

2017

2018

2019

G01S15/96

Рисунок 4. Динамика выдачи патентов США на системы, предназначенные для особых применений

Таблица. Количество патентов США, выданных в подгруппах МПК с 2010 по 2019 гг.

Подгруппа МПК

2010

2011

2012

2013

2014

2015

2016

2017

2018

2019 Всего

Патенты, выданные на модификации акустических систем G01S15/02 – G01S15/62

110

134

145

192

712

G01S15/66

G01S15/74

G01S15/87

168

G01S15/88 – G01S15/96

164

257

288

383

1434

Патенты, выданные на системы с отражением G01S15/04

116

G01S15/06 – G01S15/46

106

367

G01S15/50 – G01S15/62

125

Патенты, выданные на разновидности систем для измерения только дальности G01S15/10 – G01S15/18

117

G01S15/32 – G01S15/36

G01S15/12

G01S15/14

G01S15/18

Патенты, выданные на системы с передатчиком и приемником, установленными на движущихся объектах, и с определением знака направления движения G01S15/60

G01S15/62

Патенты, выданные на системы для особых применений G01S15/89

115

188

174

192

242

946

G01S15/93

312

G01S15/96

vre.instel.ru

Технологии, схемы и конструкции рыб (G01S15/96). В таблице приведено количество патентов на эти системы, выданных за последние 10 лет. Очевидное преимущество имеют системы для картографирования или отображения, за это время на них выдано в три раза больше патентов, чем на системы для предотвращения столкновений, и в 9,5 раз больше, чем на системы для картографирования (рис. 4).

•

Заключение Таким образом, можно сделать следующие выводы: • •

все системы с использованием отражения акустических волн успешно развиваются, особенно в последние пять лет (2014–2019 гг.);

среди акустических систем наибольшее внимание уделяется патентованию технических решений с использованием систем с отражением акустических волн (G01S15/02–G01S15/62), а также системам, специально предназначенным для особых применений (G01S15/88–G01S15/96); наиболее перспективными среди систем с отражением акустических волн являются системы для определения местоположения цели за счет измерения только дальности, использующие передачу прерывистых импульсно-модулированных сигналов (G01S15/10–G01S15/18); наилучшую динамику патентования демонстрируют акустические системы, специально предназначенные для картографирования или отображения (G01S15/89).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Campbell R. S. Patent trends as a technological forecasting tool // World Patent Information. 1983. Vol. 5. P. 137–143. 2. Mogee M. E. Using patent data for technology analysis and planning // Research Technology Management. 1991. Vol. 34. P. 43–49. 3. Kim J., Hwang M., et al. Technology trends analysis and forecasting application based on decision tree and statistical feature analysis // Expert Systems with Applications. 2012. Vol. 39. P. 12618–12625. 4. Ruotsalainen L. Data mining tools for technology and competitive intelligence // VTT Tiedotteita, Research Notes 2451. Espoo, 2008. 63 p. 5. Liu Z., Jia Z., et al. A patent analysis of prognostics and health management (PHM) innovations for electrical systems // IEEE Access. 2018. Vol. 6. P. 18088–18107. 6. Анализ технологических трендов на основе построения патентных ландшафтов / С. В. Кортов, Д. Б. Шульгин, Д. Е. Толмачев, А. Д. Егармина // Экономика региона. 2017. Т. 13. № 3. С. 935–947. 7. Kim D., Lee B., et al. Automated detection of influential patents using singular values // IEEE Transactions on Automation Science and Engineering. 2012. Vol. 9. Iss. 4. P. 723–733. 8. Ki W., Kim K. Generating information relation matrix using semantic patent mining for technology planning: a case of nanosensor // IEEE Access. 2017. Vol. 5. P. 26783–26797. 9. Nam S., Kim K. Monitoring newly adopted technologies using keyword based analysis of cited patents // IEEE Access. 2017. Vol. 5. P. 23086–23091. 10. Yoon J., Kim K. Identifying rapidly evolving technological trends for R&D planning using SAO-based semantic patent networks // Scientometrics. 2011. Vol. 88. No. 1. P. 213–228. 11. Патентный анализ: выявление перспективных направлений развития радиоэлектронных систем, использующих отражение и вторичное излучение радиоволн / В. И. Авдзейко, В. И. Карнышев, Р. В. Мещеряков, Е. С. Паскаль // Радиопромышленность. 2019. Т. 29. № 1. С. 53–61. 12. Авдзейко В. И., Карнышев В. И., Мещеряков Р. В. Патентный анализ. Выявление перспективных и прорывных технологий // Вопросы инновационной экономики. 2018. Т. 8. № 1. С. 79–90.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ Авдзейко Владимир Игоревич, к. т. н., ст. научный сотрудник, зам. начальника научного управления, Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР), Российская Федерация, 634050, Томск, Ленина пр-т, д. 40, тел.: 8 (909) 546-48-86, e-mail: avi@main.tusur.ru. Карнышев Владимир Иванович, к. т. н., начальник патентно-информационного отдела, Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР), Российская Федерация, 634050, Томск, Ленина пр-т, д. 40, тел.: 8 (961) 095-92-23, e-mail: pio@main.tusur.ru. Паскаль Евгения Сергеевна, магистрант, ассистент кафедры РТС, Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР), Российская Федерация, 634050, Томск, Ленина пр-т, д. 40, тел.: 8 (913) 887-64-62, e-mail: evgeniapascal@gmail.com.

Вопросы радиоэлектроники, 7-8/2020

Технологии, схемы и конструкции For citation: Avdzeyko V. I., Karnyshev V. I., Paskal E. S. Analysis of prospective directions for development of systems using reflection or secondary radiation of acoustic waves. Issues of radio electronics, 2020, no. 7–8, pp. 6–13. DOI 10.21778/2218-5453-2020-7-8-6-13 V. I. Avdzeyko, V. I. Karnyshev, E. S. Paskal

ANALYSIS OF PROSPECTIVE DIRECTIONS FOR DEVELOPMENT OF SYSTEMS USING REFLECTION OR SECONDARY RADIATION OF ACOUSTIC WAVES In this work, to identify promising areas for the development of electronic systems using reflection or secondary radiation of acoustic waves, a patent analysis method is used based on the formation of time series of US patents and comparison between different technical solutions for the number of patents registered in specific subgroups of the International Patent Classification (IPC), and the dynamics of their issuance in the interval 2010–2019. The use of the IPC allows an effective search and classification of any technical solution, a retrospective analysis, as well as the formation of predictive assessments of the development of technologies, involving open resources of various patent offices. As a result of the study, data were obtained that suggest that all systems using the reflection of acoustic waves have been successfully developing for the past ten years. The most promising among them are systems using reflection of acoustic waves and systems specially designed for special applications. Among systems with reflection of acoustic waves, the most promising systems are systems for determining the location of a target by measuring only range using transmissions of intermittent pulse-modulated signals. Keywords: acoustic systems, patent analysis, International Patent Classification, time series, special application systems

REFERENCES 1. Campbell R. S. Patent trends as a technological forecasting tool. World Patent Information, 1983, vol. 5, pp. 137–143. 2. Mogee M. E. Using patent data for technology analysis and planning. Research Technology Management, 1991, vol. 34, pp. 43–49. 3. Kim J., Hwang M., et al. Technology trends analysis and forecasting application based on decision tree and statistical feature analysis. Expert Systems with Applications, 2012, vol. 39, pp. 12618–12625. 4. Ruotsalainen L. Data mining tools for technology and competitive intelligence. In: VTT Tiedotteita, Research Notes 2451. Espoo, 2008, 63 p. 5. Liu Z., Jia Z., et al. A patent analysis of prognostics and health management (PHM) innovations for electrical systems. IEEE Access, 2018, vol. 6, pp. 18088–18107. 6. Kortov S. V., Shulgin D. B., Tolmachev D. Ye., Yegarmina A. D. Analysis of technological trends based on the construction of patent landscapes. Ekonomika regiona, 2017, vol. 13, no. 3, pp. 935–947. (In Russian). 7. Kim D., Lee B., et al. Automated detection of influential patents using singular values. IEEE Transactions on Automation Science and Engineering, 2012, vol. 9, iss. 4, pp. 723–733. 8. Ki W., Kim K. Generating information relation matrix using semantic patent mining for technology planning: a case of nanosensor. IEEE Access., 2017, vol. 5, pp. 26783–26797. 9. Nam S., Kim K. Monitoring newly adopted technologies using keyword based analysis of cited patents. IEEE Access., 2017, vol. 5, pp. 23086–23091. 10. Yoon J., Kim K. Identifying rapidly evolving technological trends for R&D planning using SAO-based semantic patent networks. Scientometrics, 2011, vol. 88, no. 1, pp. 213–228. 11. Avdzeyko V. I., Karnyshev V. I., Meshcheryakov R. V., Paskal E. S. Patent analysis: revealing the promising trends in the advancement of radio electronic systems using the reflection or reradiation of radio waves. Radio industry (Russia), 2019, vol. 29, no. 1, pp. 53–61. (In Russian). 12. Avdzeyko V. I., Karnyshev V. I., Meshcheryakov R. V. Patent analysis. Identification of promising and breakthrough technologies. Voprosy innovatsionnoy ekonomiki, 2018, vol. 8, no. 1, pp. 79–90. (In Russian).

AUTHORS Avdzeyko Vladimir, Ph. D., deputy head of scientific management, Tomsk state university of control systems and radioelectronics (TUSUR), 40, Lenina Ave., Tomsk, 634050, Russian Federation, tel.: +7 (909) 546-48-86, e-mail: avi@main.tusur.ru. Karnyshev Vladimir, Ph. D., head of patent information department, Tomsk state university of control systems and radioelectronics (TUSUR), 40, Lenina Ave., Tomsk, 634050, Russian Federation, tel.: +7 (961) 095-92-23, e-mail: pio@main.tusur.ru. Paskal Evgeniya, undergraduate, Tomsk state university of control systems and radioelectronics (TUSUR), 40, Lenina Ave., Tomsk, 634050, Russian Federation, tel.: +7 (913) 887-64-62, e-mail: evgeniapascal@gmail.com.

vre.instel.ru

Материалы Для цитирования: Сулаберидзе В. Ш., Скорнякова Е. А. Физико-механические, теплофизические и электрические характеристики композиционных материалов на основе полиуретанового связующего и минеральных наполнителей // Вопросы радиоэлектроники. 2020. № 7–8. С. 14–21. DOI 10.21778/2218-5453-2020-7-8-14-21 УДК 67.017

В. Ш. Сулаберидзе1, Е. А. Скорнякова1 1

Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ, ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ПОЛИУРЕТАНОВОГО СВЯЗУЮЩЕГО И МИНЕРАЛЬНЫХ НАПОЛНИТЕЛЕЙ В статье приведены результаты исследований физико-механических, теплофизических и электрических характеристик композиционных материалов на основе полиуретана в качестве связующего и минеральных наполнителей из мелкодисперсных порошков AlN, Al(OH)3, SiO2, CaSiO3 с содержанием до 70 масс. %. Указанные композиционные материалы применяются для создания современных герметиков и диэлектрических покрытий, отвечающих особым требованиям к прочности, упругости, термостойкости и огнестойкости. Определены зависимости прочности при разрыве коэффициента упругости, модуля упругости при сжатии и твердости образцов, удельного электрического сопротивления и теплопроводности от массового содержания наполнителя. Установлено, что по совокупности физико-механических характеристик композиции на основе примененного полиуретана – более прочные, эластичные и упругие, чем композиции на основе силиконового связующего с такими же наполнителями, исследованные авторами ранее. Ключевые слова: полимерные связующие, порошковые наполнители, теплопроводность, прочность при разрыве, модуль упругости, твердость

Введение Для создания герметиков и диэлектрических покрытий, отвечающих особым требованиям к прочности, упругости, термостойкости и огнестойкости, широко применяются композиционные материалы на основе полиуретанового связующего и минеральных наполнителей. Качество готовой продукции зависит от физико-механических, теплофизических и электрических характеристик таких композиционных материалов, что обуславливает актуальность их исследования. В настоящей статье представлены результаты исследования композиций на основе полиуретана BASF производства СП «Эластокам» (Нижнекамск) в качестве связующего и минеральных наполнителей из мелкодисперсных порошков AlN, Al(OH)3, SiO2, CaSiO3 с содержанием до 70 масс. %, проведенные в соответствии с соглашениями о научно-техническом сотрудничестве ГУАП и малых инновационных предприятий (ООО «Функциональные материалы», ООО «СТОЛП») и нацеленные на достижение и поддержание высокого уровня качества отечественных 14

композиционных материалов на основе полимерных связующих. Объект и цель исследований В состав исследованных в работе композиционных материалов входят полимерное связующее и мелкодисперсный минеральный наполнитель. В качестве наполнителей применены порошки AlN, Al(OH)3, SiO2, CaSiO3 [1–4] (табл. 1), в качестве связующего – полиуретан BASF производства СП «Эластокам», г. Нижнекамск. Свойства полиуретанов (ПУ) и форма их представления могут меняться в широком диапазоне, что обусловлено природой и длиной участков цепи между уретановыми группами, молекулярной массой, степенью кристаллизации, а также структурой самого материала. ПУ могут быть как твердыми веществами, так и вязкими жидкостями [5]. Предельные минимальное и максимальное значения температур эксплуатации ПУ при постоянной динамической нагрузке составляют –70 и 120 °C соответственно. Плотность «жестких» и «эластичных»

Вопросы радиоэлектроники, 7-8/2020

Материалы ПУ различается примерно на 10% – от 1,10 до 1,22 г/см3. Прочность на разрыв «жестких» ПУ достигает 50–60 МПа, «эластичных» – 20–25 МПа, а относительное удлинение – 50–150% и 400–650% соответственно [5]. Исследуемые композиции применяются для создания герметиков и диэлектрических покрытий, к прочности, упругости, термостойкости и огнестойкости которых предъявляют особые требования. Характеристики наполнителей приведены в табл. 1. Целью работы является исследование свойств компаундов, в частности их физико-механических, теплофизических и электрических характеристик, с различными видами и процентным содержанием наполнителей в полимерном связующем.

Содержание исследований В работе определены механические характеристики исследуемых образцов: модуль Юнга (Е), относительное удлинение при разрыве (δ), прочность на разрыв (Р), коэффициент упругости при сжатии (k). Расчет указанных величин проводился согласно формулам, представленным в работе [6]. Значения относительной расширенной неопределенности (U0,95) проводимых измерений образцов типичных геометрических размеров приведены в табл. 3 и определяются показателями точности применяемых средств измерений входных величин. Испытания проводились при нормальных условиях согласно ГОСТ РВ 20.57.416–98: • • •

Основное оборудование Использованное в работе основное оборудование приведено в табл. 2. К вспомогательному оборудованию отнесены средства контроля и измерения массы и геометрических размеров образцов, а также температуры, давления и влажности в лаборатории.

влажность воздуха от 45 до 75%; температура воздуха от 15 до 35 °C; атмосферное давление от 86 до 106 кПа (от 645 до 795 мм рт. ст.).

Для проведения испытаний изготовлены образцы, соответствующие требованиям нормативных документов к испытаниям механических

Таблица 1. Характеристики наполнителей

Характеристики частиц порошка Химическое соединение (минерал) Размер, мкм

Плотность, г/см3

Агломераты 10–15

3,26

Al(OH)3 (305), гидроксид алюминия*

90% < 25; макс. – 50; мин. – 1,6; пики: 3–4 (7%) и 16–20 (4%)

2,42

Al(OH)3 (104), прокаль*

90% < 10; макс. – 50; мин. – 1,4; пик: 2–5 (15%)

2,45

SiO2, кристобалит*

90% < 24; макс. – 50; мин. – 6; пик: 2,3–3,2 (13%)

2,35

SiO2, кварц марки Б*

90% < 64; макс. – 150; мин. – 2; пик: 2–4 (5%)

2,65

l/d = 10–20; осн. l = 12

2,9

AlN, нитрид алюминия

CaSiO3 (SiO2, CaO), волластонит

* Дисперсность порошков исследована методом лазерной дифракции. Таблица 2. Основное оборудование

Наименование, тип оборудования Стенд МЕГЕОН 03000 Тераомметр Е6–13А Компактный твердомер по Шору ТШ-Ц (шкалы A, D) Измеритель теплопроводности МИТ-1

vre.instel.ru

Диапазон измерений

Предельно допускаемая погрешность

Усилие до 1 кН; перемещение до 20 см

± 0,5%; ± 0,1 мм

106–1012 Ом; 1013 Ом

± 2,5%; ± 10%

1–100 ед.

± 1 деление шкалы

0,03–2,0 Вт/(м · К)

± 7%

Материалы характеристик. Характеристики образцов приведены в табл. 4. Для закрепления образцов, испытываемых на растяжение, на торцевых частях плоских пластин предусмотрены утолщенные площадки. Согласно рекомендациям нормативных документов, длина образцов, испытываемых на сжатие, должна составлять менее трех диаметров платформы машины, иначе в ходе испытаний может произойти изгиб образца. При этом следует учитывать, что у слишком коротких образцов деформация происходит неравномерно и они приобретают бочкообразную форму по мере сжатия. Это происходит из-за влияния сил трения при контакте торца Таблица 3. Относительная расширенная неопределенность U0,95 проводимых измерений

Измеряемая величина

Относительная расширенная неопределенность U0,95, %

0,6

0,9

0,6

образца и поверхности платформы. Для снижения сил трения рекомендуется использовать смазки, например парафин. Для определения значений удельных объемного и поверхностного сопротивлений были использованы плоские образцы прямоугольной формы, имеющие толщину 1–4 мм. Измерения проводились в камере, куда были помещены образцы, при помощи тераомметра Е6–13А при напряжении 100 В по схеме с тремя электродами. Определение значений удельных объемного и поверхностного сопротивлений осуществлено согласно полученной интерполяционной зависимости. Измерения теплопроводности композиций проводили на установке МИТ-1, реализующей зондовый метод по ГОСТ 30256–94. Испытания образцов композиционных материалов проводились в соответствии с требованиями стандартов [7–11]. Результаты испытаний механических свойств Измеренные значения механических характеристик композиций с содержанием наполнителя в диапазоне от 30 до 70 масс. % приведены в табл. 5.

Таблица 4. Характеристики образцов для испытаний

Вид испытаний

Форма образца

Длина, мм

Толщина (диаметр), мм

Высота, мм

Примечание

На растяжение

Плоская пластина

1–3

Ширина образца определяется захватом разрывной машины

На сжатие

Цилиндр

30–50

20–30

–

Диаметр цилиндров определялся диаметром верхней подвижной платформы машины

Таблица 5. Механические свойства композиций

Химическое соединение (минерал)

Содержание Прочность Относительное Модуль Твердость Коэффициент в композиции, на разрыв, удлинение при Юнга при по Шору, упругости при масс. % МПа разрыве, % сжатии, МПа шкала А сжатии, Н/мм

Полиуретан BASF

100

0,7

150

2,7

50–70

Пенополиуретан

100

–

100

Al(OH)3 (TS305), гидроксид алюминия

30–70

1,5–4,6

80–20

15–21

75 (70%)

115–190

Al(OH)3 (104), прокаль

30–60

3–4,6

150–50

15–40

76 (40%)

100–200

SiO2, кристобалит

30–50

3–8

50–45

10–16

70–80

120–150

SiO2, кварц марки Б

30–70

2–2,5

50–20

8–16

70–80

70–140

CaSiO3 (SiO2, CaO), волластонит

30–40–60

4,2–4,8–2,6

70–20

–

Вопросы радиоэлектроники, 7-8/2020

Материалы

На рис. 1 представлены примеры зависимостей прочности образцов на разрыв и относительного удлинения при разрыве от содержания наполнителя. Прочность при растяжении меняется немонотонно – с ростом содержания наполнителя сначала растет, достигает максимума и далее может уменьшаться (рис. 1). Эти особенности изменения свойства в зависимости от содержания наполнителя типичны для композиций на основе полиуретанового связующего [12, 13] и отличают их от композиций на основе диметилсилоксана, в которых наблюдается монотонное изменение свойства с увеличением содержания наполнителя [6]. Для лучшей адгезии поверхности раздела полимера и наполнителя, повышения способности к диспергированию наполнителя и обеспечения

6 4 2 0

долговечности композита применяются органофункциональные силаны [14]. В нашем случае в исследованной композиции ПУ+Al(OH)3 (305) применяли несколько видов обработки наполнителя: В.С. – обработка винилсиланом, М.С. – обработка метакрилсиланом и А.С. – обработка аминосиланом. На рис. 2 приведены результаты измерений прочности на разрыв образцов с обработанным силанами порошком гидроксида алюминия. Из приведенных на рис. 2 данных видно, что обработка порошка силанами в явном виде не влияет на величину прочности на разрыв. Значения прочности всех образцов находятся в пределах 1,5–4,6 МПа при содержании наполнителя от 30 до 70 масс. %.

200 100 0

,% 20

100

г) 200 100

,% 20

е) 200 100 0

д)

3 2 1 0

200

в)

6 4 2 0

б)

0 0

а) 3 2 1 0

60 ,

ж)

з)

Рисунок 1. Зависимости прочности и удлинения при разрыве образцов от содержания наполнителей: а, б – Al(OH)3 (104), прокаль; в, г – Al(OH)3 (TS305, обработка М.С.); д, е – волластонит; ж, з – кварц Б

vre.instel.ru

Материалы 5 4,5

1 2 3 4 5

3,5 3 2,5 2 1,5 1

Содержание Al(OH)3, % Рисунок 2. Зависимость прочности на разрыв образцов с разным массовым содержанием гидроксида алюминия: 1 – TS305 без обработки; 2 – обработка В.С.; 3 – обработка М.С.; 4 – обработка А.С.; 5 – 104 прокаль

На рис. 3 приведены примеры зависимостей модуля Юнга и коэффициента упругости при сжатии образцов от содержания наполнителя. Твердость образцов по Шору при максимальном содержании наполнителей составляла 70–80 единиц по шкале А. В ряде случаев измерение твердости затрудняло наличие на торцевой поверхности образцов (на сжатие) пористости, что обусловлено

заостренной клиновидной формой индентора твердомера. Результаты испытаний электрических свойств Значения удельного объемного сопротивления (ρ), эффективной площади для кольцевых электродов (А) и удельного поверхностного сопротивления (σ) рассчитаны по формулам, представленным

, /

200

20 10 0

100 0

, /

150,00

20,00

100,00 50,00 0,00

г)

, 0

в)

б)

40,00

60,00 40,00 20,00 0,00

а)

0,00

60,00 40,00 20,00 0,00

д)

е)

Рисунок 3. Зависимости модуля Юнга и коэффициента упругости при сжатии образцов от содержания наполнителей: а, б – Al(OH)3 (TS305); в, г – кварц Б; д – кристобалит; е – прокаль

Вопросы радиоэлектроники, 7-8/2020

Материалы в [6]. В табл. 6 приведены рассчитанные значения удельных объемного и поверхностного электрических сопротивлений. На рис. 4 в качестве примера показано изменение удельного объемного и поверхностного сопротивления образца с увеличением содержания гидроксида алюминия в композиции.

по известной формуле из работы [16] (λкр/λам – 1 = = 5,8(ρкр/ρам – 1)) показывает, что отношение плотностей ρкр/ρам при этом составляет около 1,06. Отличия в теплопроводности жидких и твердых композиций с теплопроводными наполнителями будут заметно меньше, причем тем меньше, чем больше содержание наполнителя.

Результаты испытаний теплопроводности Поскольку одной из форм предполагаемого применения композиций являются нетвердеющие мастики и герметики, теплопроводность композиций измеряли на образцах вязких жидкостей. Теплопроводность связующего (полиуретан BASF – жидкая фаза), измеренная при 23 °C, равна 0,183 ± ± 0,03 Вт/(м · К). Здесь ± 0,03 Вт/(м · К) – повторяемость при многократных измерениях. На рис. 5 и 6 показаны измеренные зависимости теплопроводности композиций в состоянии нетвердеющей мастики от содержания наполнителя. Ранее нами было установлено, что теплопроводность жидких композиций несколько ниже аналогичных композиций в отвержденном состоянии. Объяснить это можно тем, что с возрастанием степени кристаллизации увеличивается теплопроводность полимерного материала (связующее), и это сказывается на теплопроводности композиции в целом. Максимальное отношение теплопроводностей отвержденного (кристаллизованного, λкр) и жидкого (аморфного, λам) полиуретана, согласно справочнику [15], составляет 0,25/0,19 ≈ 1,3. Оценка

Заключение Исследованы композиции на основе полиуретана BASF производства СП «Эластокам» в качестве связующего с различными наполнителями содержанием до 70 масс. %. Прочность при разрыве исследованных композиций сравнительно невысокая – 4,5 МПа, относительное удлинение при разрыве составило менее 150%, модуль Юнга при сжатии – менее 20 МПа (для прокали – 40 МПа), коэффициент Гука при сжатии – менее 200 Н/мм. Совокупность физико-механических характеристик композиций в значительной мере определяется свойствами связующего, для которого относительное удлинение при разрыве составило менее 150%, прочность на разрыв – не более 1 МПа, модуль Юнга – менее 3 МПа и коэффициент упругости при сжатии – 35 Н/мм. По этим показателям применявшийся в качестве связующего полиуретан относится к материалам невысокой прочности и эластичности, что присуще некоторым маркам полиуретанов, например исследованным в работах [12, 13]. Тем не менее по совокупности физикомеханических характеристик композиции на основе

Таблица 6. Удельные электрические сопротивления

Наполнитель, химическое соединение (минерал)

Содержание наполнителя, масс. %

ρ, Ом · см

σ, Ом

100

2,5 · 1012

1,4 · 1013

Al(OH)3 (TS305), гидроксид алюминия

40–60

(1,0–1,6) · 1013

(10–35) · 1013

SiO2, кварц марки Б

50–60

(5,0–7,4) · 1012

(4,0–11) · 1013

CaSiO3, волластонит

40–60

(0,6–1,4) · 1013

(4,0–14,5) · 1013

10 13 ,

20 15 10 5 0

1012,

Полиуретан BASF

60 ,

40 30 20 10 0

а)

60 ,

80 .%

б)

Рисунок 4. Пример изменения удельного объемного (а) и поверхностного (б) сопротивления от содержания наполнителя Al(OH)3 (TS305)

vre.instel.ru

1,6 1,2 0,8 0,4 0

Al(OH)3,

Рисунок 5. Теплопроводность жидкой композиции ПУ+Al(OH)3 (TS305)

Теплопроводность, Вт/(м · К)

Материалы 1,2 0,8 0,4 0

AlN,

Рисунок 6. Теплопроводность жидкой композиции ПУ+AlN

примененного в данной работе полиуретана – более прочные, эластичные и упругие, чем композиции на основе силиконового связующего с такими же наполнителями, исследованные нами ранее [6]. Зафиксированное в настоящей работе немонотонное увеличение прочности на разрыв с ростом содержания наполнителя характерно для композиций на основе полиуретанового связующего [13]. Полученные результаты показали монотонное возрастание удельного сопротивления с ростом процентного содержания наполнителя в композиции. При исследовании одних и тех же композиций с 70 масс. %

наполнителя удельные сопротивления превышают следующие значения: для объемного – более 1013 Ом · м, для поверхностного – более 1014 Ом. Теплопроводность исследована для двух композиций в состоянии незатвердевающего компаунда при комнатной температуре и содержании наполнителя до 70 масс. %. При практически предельном содержании наполнителей теплопроводность исследованных композиций с наполнителями Al(OH)3 и AlN достигала значения около 1,2 Вт/(м · К).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. ТУ 6-09-110-75. Алюминий нитрид чистый. Технические условия [Электронный ресурс]. URL: http://www.1bm.ru/ techdocs/kgs/tu/518/info/96996 (дата обращения: 25.06.2020). 2. ТУ 17-11-001-00658716-99. Гидроксид алюминия [Электронный ресурс]. URL: https://allbeton.ru/upload/iblock/fba/ tu_1711_001_00658716_99_gidroksid_alyuminiya_tehnicheskie_usloviya.doc (дата обращения: 25.06.2020). 3. ГОСТ 9077–82. Кварц молотый пылевидный. Общие технические условия. М.: ИПК Издательство стандартов, 2004. 8 с. 4. ТУ 08.91.19-006-00285072-2017. Волластонит Casiflux [Электронный ресурс]. URL: http://docs.cntd.ru/document/ 437215079 (дата обращения: 25.06.2020). 5. Азаров В. И., Буров А. В., Оболенская А. В. Химия древесины и синтетических полимеров. СПб.: СПбЛТА, 1999. 628 с. 6. Сулаберидзе В. Ш. Физико-технические, теплофизические и электрические характеристики композиционных материалов на основе диметилсилоксанового связующего и минеральных наполнителей // Моделирование и ситуационное управление качеством сложных систем. Сборник докладов. СПб.: ГУАП, 2019. С. 211–217. 7. ГОСТ Р 50499–93. Материалы электроизоляционные твердые. Методы определения объемного и поверхностного сопротивления. М.: Издательство стандартов, 1993. 26 c. 8. ГОСТ 11262–2017 (ISO 527–2:2012). Пластмассы. Метод испытания на растяжение. М.: Стандартинформ, 2018. 24 c. 9. ГОСТ 270–75. Резина. Метод определения упругопрочностных свойств при растяжении. М.: Стандартинформ, 2008. 11 c. 10. ГОСТ 4651–2014 (ISO 604:2012). Пластмассы. Метод испытаний на сжатие. М.: Стандартинформ, 2014. 19 c. 11. ГОСТ 30256–94. Материалы и изделия строительные. Метод определения теплопроводности цилиндрическим зондом. М.: ИПК Издательство стандартов, 1996. 20 c. 12. Тимакова К. А., Логинова С. Е., Панов Ю. Т. Одно- и двухкомпонентные полиуретановые герметики // Современные наукоемкие технологии. 2013. № 8–1. С. 107–108. 13. Тимакова К. А., Панов Ю. Т., Самойленко В. В. Принципы составления рецептур полиуретановых герметиков // Клеи. Герметики. Технологии. 2015. № 10. С. 2–8. 14. Бондалетова Л. И., Бондалетов В. Г. Полимерные композиционные материалы (часть 1). Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2013. 118 с. 15. Elastollan – свойства материала [Электронный ресурс]. URL: http://www.elastoimpex.ru/uploads/inbox/pdf_Elastollan/ Elastollan%20%20Свойства%20материала%20163–10–06%20 RU.pdf (дата обращения: 25.06.2020). 16. Van Krevelen D. W. Properties of polymers. 4th ed. Jordan Hill, 2009. 1004 p.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ Владимир Шалвович Сулаберидзе, д. т. н., с. н. с., профессор, ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения» (ГУАП), Российская Федерация, 190000, Санкт-Петербург, ул. Большая Морская, д. 67, лит. А, тел.: 8 (905) 235-70-54, e-mail: sula_vlad@mail.ru.

Вопросы радиоэлектроники, 7-8/2020

Материалы Елизавета Алексеевна Скорнякова, к. т. н., доцент, ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения» (ГУАП), Российская Федерация, 190000, Санкт-Петербург, ул. Большая Морская, д. 67, лит. А, тел.: 8 (909) 591-85-59, e-mail: elizavetasesina@mail.ru.

For citation: Sulaberidze V. Sh., Skorniakova Е. А. Physico-mechanical, thermal and electrical characteristics composite materials based on polyurethane binder and mineral fillers. Issues of radio electronics, 2020, no. 7–8, pp. 14–21. DOI 10.21778/2218-5453-2020-7-8-14-21 V. Sh. Sulaberidze, Е. А. Skorniakova

PHYSICO-MECHANICAL, THERMAL AND ELECTRICAL CHARACTERISTICS COMPOSITE MATERIALS BASED ON POLYURETHANE BINDER AND MINERAL FILLERS The article presents the results of studies of the physical, mechanical, thermal and electrical characteristics of composite materials based on polyurethane as a binder and mineral fillers from fine powders AlN, Al(OH)3, SiO2, CaSiO3 with a content of up to 70 wt.%. These composite materials are used to create modern sealants and dielectric coatings that meet special requirements for strength, elasticity, heat resistance, including those that do not support combustion (by using flame retardants). Dependences of tensile strength, coefficient of elasticity, modulus of elasticity under compression and hardness of samples, electrical resistivity and thermal conductivity on the mass content of the filler were determined. It was found that in terms of the combination of physical and mechanical characteristics, the compositions based on the applied polyurethane are more durable, elastic and resilient than compositions based on a silicone binder with the same fillers previously studied by the authors. Keywords: polymer binders, powder fillers, thermal conductivity, tensile strength, modulus of elasticity, hardness

REFERENCES 1. TU6-09-110-75. Pure aluminum nitride. Specifications. (In Russian). Available at: http://www.1bm.ru/techdocs/kgs/tu/518/ info/96996 (accessed 25.06.2020). 2. TU17-11-001-00658716-99. Aluminum hydroxide. (In Russian). Available at: https://allbeton.ru/upload/iblock/fba/ tu_1711_001_00658716_99_gidroksid_alyuminiya_tehnicheskie_usloviya.doc (accessed 25.06.2020). 3. GOST 9077–82. Ground pulverized quartz. General specifications. Moscow, Izdatelstvo standartov Publ., 2004, 8 p. (In Russian). 4. TU08.91.19-006-00285072-2017. Wollastonite Casiflux. (In Russian). Available at: http://docs.cntd.ru/document/437215079 (accessed 25.06.2020). 5. Azarov V. I., Burov A. V., Obolenskaya A. V. Khimiya drevesiny i sinteticheskikh polimerov [Chemistry of wood and synthetic polymers]. Saint-Petersburg, SPbLTA Publ., 1999, 628 p. (In Russian). 6. Sulaberidze V. Sh. Physical and technical, thermophysical and electrical characteristics of composite materials based on dimethylsiloxane binder and mineral fillers. In: Modelirovaniye i situatsionnoye upravleniye kachestvom slozhnykh sistem. Sbornik dokladov [Modeling and situational quality control of complex systems. Collection of reports]. Saint-Petersburg, GUAP Publ., 2019, pp. 211–217. (In Russian). 7. GOST R50499–93. Solid electrical insulating materials. Methods of test for volume resistivity and surface resistivity. Moscow, Izdatelstvo standartov Publ., 1993, 26 p. (In Russian). 8. GOST 11262–2017 (ISO 527–2:2012). Plastics. Tensile test method. Moscow, Standartinform Publ., 2018, 24 p. (In Russian). 9. GOST 270–75. Rubber. Method of the determination elastic and tensile stress-strain properties. Moscow, Standartinform Publ., 2008, 11 p. (In Russian). 10. GOST 4651–2014 (ISO 604:2012). Plastics. Compression test method. Moscow, Standartinform Publ., 2014, 19 p. (In Russian). 11. GOST 30256–94. Building materials and products. Method of thermal conductivity determination by cylindrical probe. Moscow, Izdatelstvo standartov Publ., 1996, 20 p. (In Russian). 12. Timakova K. A., Loginova S. E., Panov Yu. T. One and two-component polyurethane sealants. Sovremennyye naukoyemkiye tekhnologii, 2013, no. 8–1, pp. 107–108. (In Russian). 13. Timakova K. A., Panov Yu. T., Samoilenko V. V. The principles of formulation of polyurethane sealants. Klei. Germetiki. Tekhnologii, 2015, no. 10, pp. 2–8. (In Russian). 14. Bondaletova L. I., Bondaletov V. G. Polimernyye kompozitsionnyye materialy (chast 1) [Polymer composite materials (part 1)]. Tomsk, Tomsk Polytechnic University Publ., 2013, 118 p. (In Russian). 15. Elastollan – material properties. (In Russian). Available at: http://www.elastoimpex.ru/uploads/inbox/pdf_Elastollan/ Elastollan%20%20Свойства%20материала%20163–10–06%20 RU.pdf (accessed 25.06.2020). 16. Van Krevelen D. W. Properties of polymers. 4th ed. Jordan Hill, 2009, 1004 p.

AUTHORS Sulaberidze Vladimir, D. Sc., senior research officer, professor, Saint-Petersburg State University of Aerospace Instrumentation, 67A, Bolshaya Morskaya St., Saint-Petersburg, 190000, Russian Federation, tel.: +7 (905) 235-70-54, e-mail: sula_vlad@mail.ru. Skorniakova Elizaveta, Ph. D., assistant professor, Saint-Petersburg State University of Aerospace Instrumentation, 67A, Bolshaya Morskaya St., Saint-Petersburg, 190000, Russian Federation, tel.: +7 (909) 591-85-59, e-mail: elizavetasesina@mail.ru.

vre.instel.ru

Радиолокация и радионавигация Для цитирования: Бызов А. Н., Изюмов А. В., Петров Ю. В. Исследование возможностей уменьшения времени обзора воздушного пространства при обнаружении и сопровождении радиолокационных целей // Вопросы радиоэлектроники. 2020. № 7–8. С. 22–27. DOI 10.21778/2218-5453-2020-7-8-22-27 УДК 621.396.96

А. Н. Бызов1, А. В. Изюмов1, Ю. В. Петров1 1

БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ УМЕНЬШЕНИЯ ВРЕМЕНИ ОБЗОРА ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА ПРИ ОБНАРУЖЕНИИ И СОПРОВОЖДЕНИИ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ ЦЕЛЕЙ В представленной статье рассматриваются возможные пути уменьшения времени обзора воздушного пространства бортовой радиолокационной станцией по сравнению с известными «классическими» методами. Основное направление предложений связано с разбиением всего сектора обзора воздушного пространства на несколько зон по дальности. Обосновано разделение сектора обзора на три зоны в соответствии с классификацией по дальности действия ракет типа «воздух-воздух». Проведены расчет времени обзора заданной зоны воздушного пространства для предлагаемых методов и сравнение со временем обзора аналогичной зоны игольчатым лучом, которое показало возможность сокращения времени обзора до двух раз, в основном при обзоре ближней и средней зоны. Рассмотрена возможность использования разных лучей на излучение и прием сигналов. Ключевые слова: воздушная цель, сектор обзора, зона обзора, время обзора, АФАР

Введение В связи с появлением сверхманевренных и высокоскоростных (гиперзвуковых) целей в настоящее время возникли проблемы в использовании известных методов радиолокационного обзора воздушного пространства, обладающих относительно большим периодом обновления информации, что затрудняет обнаружение и взятие таких целей на сопровождение [1, 2]. Кроме того, малозаметность приводит к обнаружению целей только в ближней зоне действия радиолокационных станций (РЛС), а повышение маневренности – к частому срыву сопровождения. В погоне за США, активно эксплуатирующими истребители пятого поколения F-22 и F-35, другие страны быстрыми темпами ведут разработку своих истребителей данного поколения, например J-31 (Китай), X-2 (ATD-X) (Япония), Су-57 (Россия). Отличительной чертой пятого поколения истребителей можно назвать применение современных двигателей, позволяющих достигать сверхзвуковых скоростей без использования форсажа, а также применение современных радиоэлектронных средств. Бортовые РЛС самолетов нового поколения позволяют проводить обзор пространства с большей скоростью за счет внедрения активных фазированных антенных решеток (АФАР) и использования 22

электронного сканирования, что делает их еще опаснее в сравнении с истребителями предыдущих поколений. В связи с этим актуальна разработка новых методов радиолокационного обзора с целью уменьшения времени обзора воздушного пространства, обнаружения целей и взятия их на сопровождение. При этом необходимо использовать все преимущества АФАР [3, 4], обеспечивающих минимальное время реверса луча (по сравнению с механическими системами) и электронное сканирование зоны обзора с формированием как однолепестковых лучей на прием и излучение, так и одновременно нескольких лучей. Постановка задачи Задача обнаружения воздушных целей с помощью бортовых РЛС решается с использованием импульсной радиолокации, обладающей однозначным определением дальности до цели, и в сочетании с высокой разрешающей способностью по углу места и азимуту – его местоположения. В настоящее время существует большое количество разнообразных методов обзора (так называемых «классических»), таких как строчный, спиральный и другие [5–7], однако, их использование для обнаружения и сопровождения сверхманевренных

Вопросы радиоэлектроники, 7-8/2020

Радиолокация и радионавигация и гиперзвуковых воздушных целей неэффективно. Так, например, при строчном обзоре узким игольчатым лучом, обладающим хорошей разрешающей способностью по азимуту и углу места, метод имеет достаточно большое время обзора (единицы или десятки секунд), при этом может возникнуть угроза выхода цели из сектора обзора или опережающего обнаружения РЛС противником. В настоящей статье предлагается уменьшить время обзора воздушного пространства (с целью обнаружения и взятия целей на сопровождение) путем разбиения всей зоны обзора на несколько подзон, многоэтапности обработки и использования разных лучей на излучение и прием. Для сравнения характеристик обзора взята бортовая РЛС AN/APG-81, входящая в состав истребителя пятого поколения F-35. Он обладает высокой маневренностью и максимальной скоростью 1930 км/ч. Информация о скорости обнаружения воздушных целей бортовой РЛС AN/APG-81 доступна в открытых источниках – обнаружение 19 целей производится в течение 3 с на дальностях до 80 км [1]. Последовательный одноканальный строчный обзор Одним из наиболее распространенных в РЛС методом является последовательный одноканальный строчный обзор, при котором единственный «луч» диаграммы направленности антенны (ДНА) отклоняется в пределах заданного сектора. Многие авторы приводят описание этого «классического» метода обзора в своих работах, выделяя такие особенности, как высокая разрешающая способность и дальность. Однако к его недостаткам относят большое время обзора, которое определяется следующим образом: Tобз =

Φ ум Φ аз ⋅ Tобл , θаз K перекр θ ум K перекр

где θаз, θум – ширина ДНА в азимутальной и угломестной плоскостях соответственно; Φаз, Φум – ширина сектора обзора в азимутальной и угломестной плоскостях соответственно; Tобл – время облучения, которое, в свою очередь, равно: Tобл = NимпTповт, где Nимп – количество импульсов в пачке – величина, зависящая от требуемого отношения сигнал/ шум; Tповт – период повторения зондирующих импульсов, рассчитываемый исходя из максимальной дальности РЛС. В табл. 1 приведены исходные данные для дальнейших расчетов, определяющие возможный потенциал бортовой РЛС. Для «классического» способа последовательного обзора при заданных исходных данных период vre.instel.ru

и частота повторения зондирующих импульсов, время облучения и время обзора будут равны: Tповт =

Tобз =

2Dмакс 2 ⋅250 5 −3 = = 10 ≈1,67мс, c 3⋅105 3 3 Fповт = 103 = 600 Гц, 5 Tобл = Tповт N имп ≈16,7 мс, 60⋅60 16,7 = 40⋅40⋅16,7 ≈ 26,7c. 1,5⋅1,5

Если рассматривать в качестве цели самолет F-22, обладающий максимальной скоростью полета около 2400 км/ч, то за время 26,7 с он сможет переместиться на расстояние около 18 км, что недопустимо, особенно при его нахождении в ближней зоне. Возможности уменьшения времени обзора РЛС Для исследования возможности уменьшения времени обзора РЛС предлагается рассмотреть следующие меры: •

• •

разбиение всего сектора обзора на зоны (по дальности) и использование разной частоты повторения зондирующих импульсов в разных зонах; многоэтапный метод обзора в разных зонах; использование разных лучей ДНА на излучение и прием сигналов.

Разбиение сектора наблюдения на зоны Разбиение всего сектора обзора на зоны предлагается производить в зависимости от дальности действия ракет «воздух-воздух», которые имеют следующую классификацию: Таблица 1. Исходные данные для расчетов

Параметр бортовой РЛС Тип антенной системы

Значение АФАР

Ширина ДНА по азимуту θаз, град.

Ширина ДНА по углу места θум, град.

Зона обзора по азимуту Φаз, град.

±30

Зона обзора по углу места Φум, град.

±30

Коэффициент перекрытия по азимуту и углу места Kперекр

0,75

Максимальная дальность Dмакс, км

250

Количество импульсов в пачке Nимп

Максимальное количество целей на сопровождение

Радиолокация и радионавигация •

•

ракеты малой дальности, предназначенные для поражения летательных аппаратов (ЛА) в пределах визуального обнаружения цели. Как правило, оснащены инфракрасными системами наведения с дальностью действия до 30 км; ракеты средней дальности, как правило, имеющие радиолокационные головки самонаведения (ГСН) с дальностью действия до 100 км; ракеты большой дальности (более 100 км), оснащенные комбинированными системами наведения, которые состоят из инерциально-корректируемой и активной (или полуактивной) ГСН для наведения на конечном участке.

Соответственно, предлагается использовать разбиение и дальнейший обзор в трех зонах: ближней (до 30 км), средней (30–100 км) и дальней (100– 250 км). В каждой зоне период повторения зондирующих импульсов может быть свой. Преимущество заключается в повышении частоты повторения импульсов в ближней и средней зонах в зависимости от дальности и, следовательно, уменьшения времени облучения цели. Такое решение выигрывает также с точки зрения помехозащищенности в связи с непостоянным значением периода повторения зондирующих импульсов во времени. В табл. 2 представлены результаты расчета времени обзора игольчатым лучом в каждой из трех зон. Согласно приведенным выше расчетам, использование разной частоты повторения зондирующих импульсов в разных зонах позволяет сократить время обзора для средней и ближней зон. Многоэтапный метод обзора Для многоэтапного метода обзора разбиение на этапы в каждой из зон будет зависеть от максимально возможного расширения ширины ДНА (уменьшения коэффициента усиления антенны) с сохранением потенциала излучения, назовем это условием «ненарушения». Многоэтапный метод обзора ближней зоны Первый этап подразумевает обзор лучом максимально возможной ширины с сохранением заданных вероятностей правильного обнаружения и ложной тревоги, что обеспечивается за счет избыточного энергетического потенциала локатора

в этой зоне. Условие «ненарушения» вытекает из основного уравнения радиолокации. Расчет соблюдения энергетического потенциала для ближней зоны представлен ниже: Б Dмакс 30 км 4 2 2 = = GБ G Д = GБ G Д = 0,12, Д Dмакс 250 км

где GД, GБ – коэффициенты усиления антенны в дальней и ближней зонах соответственно. Отсюда GБ ≈ GД/70, т. е. коэффициент усиления антенны может быть уменьшен примерно в 70 раз. Максимально возможную ширину луча ДНА можно получить, исходя из известного соотношения зависимости коэффициента усиления от ширины луча ДНА [8]: G=

35000 . θазθ ум

При этом на разных этапах существует несколько вариантов изменения ширины луча ДНА: •

одинаковая ширина луча в двух плоскостях на всех этапах, например, на первом этапе луч будет иметь ширину: θаз1 = θ ум1 = θаз

•

GБ G Д = 12 град.;

одинаковая ширина луча в двух плоскостях на первом этапе и формирование широкого луча в одной плоскости и узкого в другой на втором этапе; формирование широкого луча в одной плоскости и узкого в другой на первом этапе, одинаковых лучей в двух плоскостях – на втором этапе.

На последующих этапах происходит обзор «подсекторов», в которых обнаружены цели. Размер «подсекторов» равен ширине луча ДНА на предыдущих этапах. В качестве примера в табл. 3 приведены результаты расчетов разных вариантов изменения ширины луча на трех этапах при обнаружении одной и 50 целей (максимальное время обзора многоэтапного метода). При отсутствии целей на первом этапе обзор ближней зоны заканчивается (время обзора будет составлять 50–60 мс) и происходит переход

Таблица 2. Расчеты времени обзора игольчатым лучом (10 импульсов в пачке)

Зона

Дальность, км

Период зондирования, мс

Частота зондирования, кГц

Время обзора, с

Дальняя

100–250

1,67

0,6

26,7

Средняя

30–100

0,67

1,5

Ближняя

< 30

0,2

Вопросы радиоэлектроники, 7-8/2020

Радиолокация и радионавигация Таблица 3. Расчеты для трехэтапного способа обзора в ближней зоне (10 импульсов в пачке)

Параметр

Этап 1

Этап 2

Этап 3

Суммарное время обзора

На всех этапах θаз = θум Ширина луча по азимуту, град.

–

Ширина луча по углу места, град.

–

Время обзора при нахождении цели в одном из элементов разрешения, мс

Время обзора при появлении 50 целей в разных элементах разрешения, мс

450

400

900

На первом этапе θаз = θум, на втором этапе θаз > θум Ширина луча по азимуту, град.

–

Ширина луча по углу места, град.

–

Время обзора при нахождении цели в одном из элементов разрешения, мс

Время обзора при появлении 50 целей в разных элементах разрешения, мс

300

600

950

На первом этапе θаз > θум, на втором этапе θаз = θум 30

–

Ширина луча по углу места, град.

–

Время обзора при появлении одной цели в одном из элементов разрешения, мс

Время обзора при появлении 50 целей в разных элементах разрешения, мс

450

400

910

к обзору следующей зоны (в том числе в зависимости от ситуации возможен повторный обзор ближней зоны). В случае обнаружения целей на первом этапе во всех элементах разрешения время обзора значительно увеличивается (до 900–950 мс). График зависимости времени обзора от количества целей приведен на рисунке. Многоэтапный метод обзора средней зоны Для средней зоны расчет соблюдения энергетического потенциала (условие «ненарушения») имеет следующий вид: C Dмакс 100 км = 4 GC2 G Д2 = GC G Д = = 0,4. Д 250 км Dмакс

Отсюда GС = GД/6,25, т. е. коэффициент усиления антенны может быть уменьшен в 6,25 раза. Для обзора средней зоны с учетом разрешающей способности по углам хватает двух этапов, соответствующие расчеты представлены в табл. 4. Многоэтапный метод обзора дальней зоны В дальней зоне (один этап) время обзора будет сравнимо с «классическим» методом обзора vre.instel.ru

Время обзора в ближней зоне, с

Ширина луча по азимуту, град.

T1_1(N1) T1_2(N1) T1_3(N1) T0(N1)

11 9,9 8,8 7,7 6,6 5,5 4,4 3,3 2,2 1,1 0 0

10 12 14 16 18 20 22 24 Количество целей

Рисунок. Зависимость времени обзора в ближней зоне от количества целей в различных элементах разрешения: T1_1(N1) – вариант 1; Т1_2(N1) – вариант 2; Т1_3(N1) – вариант 3; Т0(N1) – «классический» способ

и составлять примерно 27 с. Выигрыш по времени достигается при обзоре ближней и средней зон, что, в свою очередь, дает преимущество при наличии в них потенциально опасных целей. 25

Радиолокация и радионавигация Таблица 4. Расчеты для двухэтапного способа обзора в средней зоне (10 импульсов в пачке, на всех этапах θаз = θум)

Этап 1

Этап 2

Суммарное время обзора

Ширина луча по азимуту, град.

3,75

–

Ширина луча по углу места, град.

3,75

–

Время обзора при нахождении цели в одном из элементов разрешения, мс

1720

1755

Время обзора при появлении 50 целей в разных элементах разрешения, мс

1720

1750

3470

Наименование параметра

Использование разных лучей на излучение и прием сигналов Существует возможность сокращения времени обзора для средней и дальней зон благодаря разнесению излучаемого и принимаемого луча при цифровом диаграмообразовании [9]. Основная идея такого способа состоит в одновременном излучении и приеме сигналов на разных угловых позициях путем раздельной перестройки ДНА на прием и передачу. При использовании узкого луча на передачу и широкого луча на прием можно сократить время обзора в среднем на 50%. При применении комплекса с цифровой АФАР возможно построение многолучевой приемной системы, принимающей сигналы на тех угловых положениях, куда были излучены импульсы [10]. В результате время обзора пространства можно сократить в 2–3 раза. Основным недостатком этих способов является

сложность реализации и высокая стоимость данных систем. Заключение Сравнивая результаты проведенных расчетов с характеристиками БРЛС AN/APG-81, установленной на F-35 [1], можно сделать вывод, что совместное использование предложенных в статье мер дает потенциально превосходящие характеристики по времени обзора. При использовании разной частоты повторения зондирующих импульсов в разных зонах, многоэтапной обработки, а также разных лучей на излучение и прием сигналов достигается примерно двухкратный выигрыш по времени, в основном при обзоре ближней и средней зон. Это особенно важно при необходимости более частого обзора ближней зоны, например, в режимах ближнего боя или преодоления зоны противовоздушной обороны.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Основные направления развития авиационных бортовых РЛС / В. Н. Антипов, В. И. Меркулов, О. Ф. Самарин, B. C. Чернов // Успехи современной радиоэлектроники. 2009. № 10. С. 7–29. 2. Канащенков А. И., Меркулов В. И., Самарин О. Ф. Облик перспективных бортовых радиолокационных систем. Возможности и ограничения. М.: ИПРЖР, 2002. 175 с. 3. Воскресенский Д. И. Устройства СВЧ и антенны. Проектирование фазированных антенных решеток. М.: Радиотехника, 2012. 741 с. 4. Гостюхин В. Л. Активные фазированные антенные решетки. М.: Радиотехника, 2011. 304 с. 5. Бакулев П. А. Радиолокационные системы. М.: Радиотехника, 2004. 320 с. 6. Гришин Ю. П., Ипатов В. П. и др. Радиотехнические системы. М.: Высшая школа, 1990. 496 с. 7. Бердышев В. П., Гарин Е. Н. и др. Радиолокационные системы. Красноярск: СФУ, 2011. 400 с. 8. Справочник по радиолокации / под ред. М. Сколника. М.: Сов. радио, 1976. Т. 1. 456 с. 9. Патент РФ на изобретение № 2708371 / 09.12.2019. Ларин А. Ю., Литвинов А. В. И др. Способ обзора воздушного пространства радиолокационной станцией с активной фазированной антенной решеткой. 10. Патент РФ на изобретение № 2623579 / 28.06.2017. Алексеев О. С, Мосейчук Г. Ф. и др. Способ обзора воздушного пространства радиолокационной станцией с активной фазированной антенной решеткой.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ Бызов Алексей Николаевич, к. т. н., научный сотрудник, Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова, Российская Федерация, 190005, Санкт-Петербург, ул. 1-я Красноармейская, д. 1, тел.: 8 (931) 207-92-31, e-mail: aleksey.bizov@yandex.ru. Изюмов Александр Валентинович, магистрант, Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова, Российская Федерация, 190005, Санкт-Петербург, ул. 1-я Красноармейская, д. 1, тел.: 8 (952) 665-85-65, e-mail: al.izyumoff@yandex.ru.

Вопросы радиоэлектроники, 7-8/2020

Радиолокация и радионавигация Петров Юрий Витальевич, к. т. н., доцент, Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова, Российская Федерация, 190005, Санкт-Петербург, ул. 1-я Красноармейская, д. 1, тел.: 8 (921) 926-63-39, e-mail: petrov-i4@yandex.ru;

For citation: Byzov A. N., Izjumov A. V., Petrov Yu. V. Possibilities of reducing airspace review time when detecting and tracking radar targets. Issues of radio electronics, 2020, no. 7–8, pp. 22–27. DOI 10.21778/2218-5453-2020-7-8-22-27 A. N. Byzov, A. V. Izjumov, Yu. V. Petrov

POSSIBILITIES OF REDUCING AIRSPACE REVIEW TIME WHEN DETECTING AND TRACKING RADAR TARGETS This article considers possible ways to reduce the time of air space survey by an onboard radar station in comparison with the known «classical» methods. The main direction of the proposals is related to the division of the entire sector of the airspace survey into severalrange zones. The division of the survey sector into three zones in accordance with the classification of the range of air-to-air missiles is justified. The calculation of the time of review of a given area of airspace for the proposed methods and comparison with the time of review of a similar zone with a needle beam, which showed the possibility of reducing the review time to two times, mainly when viewing the near and middle zones.The possibility of using different beams for radiating and receiving signals is considered. Keywords: air target, sector of review, area of review, time of review, active phased array antenna

REFERENCES 1. Antipov V. N., Merkulov V. I., Samarin O. F., Chernov B. C. The main directions of development of aircraft on-board radars. Uspekhi sovremennoy radioelektroniki, 2009, no. 10, pp. 7–29. (In Russian). 2. Kanaschenkov A. I., Merkulov V. I., Samarin O. F. Oblik perspektivnykh bortovykh radiolokatsionnykh sistem. Vozmozhnosti i ogranicheniya [The appearance of promising onboard radar systems. Opportunities and limitations]. Mosocow, IPRZhR Publ., 2002, 175 p. (In Russian). 3. Voskresenskiy D. I. Ustroystva SVCH i antenny. Proyektirovaniye fazirovannykh antennykh reshetok [Microwave devices and antennas. Design of phased antenna arrays]. Mosocow, Radiotekhnika Publ., 2012, 741 p. (In Russian). 4. Gostyukhin V. L. Aktivnyye fazirovannyye antennyye reshetki [Active phased antenna arrays]. Moscow, Radiotekhnika Publ., 2011, 304 p. (In Russian). 5. Bakulev P. A. Radiolokatsionnyye sistemy [Radar systems]. Moscow, Radiotekhnika Publ., 2004, 320 p. (In Russian). 6. Grishin Yu. P., Ipatov V. P., et al. Radiotekhnicheskiye sistemy [Radio engineering systems]. Moscow, Vysshaya shkola Publ., 1990, 496 p. (In Russian). 7. Berdyshev V. P., Garin Ye. N., et al. Radiolokatsionnyye sistemy [Radar systems]. Krasnoyarsk, SFU Publ., 2011, 400 p. (In Russian). 8. Skolnik M., editor. Radar handbook. McGraw-Hill, 2008, 1328 p. 9. Larin A. Yu., Litvinov A. V., et al., inventors. Method of scanning airspace with a radar station with an active phased antenna array. Russian patent RU2708371. 2019, December 9. 10. Alekseev O. S., Mosejchuk G. F., et al., inventors. Method of reviewing air space by radar location station with active phased array antenna. Russian patent RU2623579. 2017, June 28.

AUTHORS Byzov Aleksey, Ph. D., scientific researcher, Ustinov Baltic State Technical University «VOENMEH», 1, 1st Krasnoarmejskaja St., Saint-Petersburg, 190005, Russian Federation, tel.: +7 (931) 207-92-31, e-mail: aleksey.bizov@yandex.ru. Izyumov Aleksandr, master’s degree student, Ustinov Baltic State Technical University «VOENMEH», 1, 1st Krasnoarmejskaja St., Saint-Petersburg, 190005, Russian Federation, tel.: +7 (952) 665-85-65, e-mail: al.izyumoff@yandex.ru. Petrov Yuriy, Ph. D., associate professor, Ustinov Baltic State Technical University «VOENMEH», 1, 1st Krasnoarmejskaja St., Saint-Petersburg, 190005, Russian Federation, tel.: +7 (921) 926-63-39, e-mail: petrov-i4@yandex.ru.

vre.instel.ru

Электромагнитная совместимость Для цитирования: Паршуткин А. В., Святкин С. А., Бучинский Д. И. Оценка влияния непреднамеренных нестационарных помех на функционирование системы спутниковой связи с частотно-временным разделением каналов // Вопросы радиоэлектроники. 2020. № 7–8. С. 28–33. DOI 10.21778/2218-5453-2020-7-8-28-33 УДК 621.396

А. В. Паршуткин1, С. А. Святкин1, Д. И. Бучинский1 1

Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ НЕПРЕДНАМЕРЕННЫХ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ПОМЕХ НА ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ С ЧАСТОТНОВРЕМЕННЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ КАНАЛОВ В статье рассматривается воздействие нестационарных непреднамеренных помех на наземную станцию системы спутниковой связи с частотно-временным разделением каналов. Проведено сравнение влияния нестационарных помех и белого гауссовского шума на канал приема наземной станции с помощью имитационного моделирования. Имитационная модель учитывает влияние непреднамеренных помех на подсистему синхронизации и выделение границ передаваемого пакета приемника наземной станции системы спутниковой связи. Критерием качества функционирования канала спутниковой связи была выбрана вероятность битовой ошибки. В статье приведена зависимость защитного отношения от отношения длины преамбулы к длине пакета в условиях воздействия импульсных помех. Полученная зависимость может быть использована для оценки помехозащищенности наземной станции системы спутниковой связи в условиях воздействия импульсных помех. Ключевые слова: помехоустойчивость, частотно-временное разделение MF-TDMA, протокол DVB-RCS2, наземная станция, импульсные помехи

Введение Важным направлением развития современных систем спутниковой связи является использование спектрально эффективных сигналов, адаптивных протоколов и современных технологий разделения доступа. Одной из самых эффективных технологий разделения имеющейся полосы частот является частотно-временное разделение MF-TDMA (Multi-Frequency Time-Division Multiple Access). Эта схема доступа подразумевает, что каждый абонент передает данные согласно динамически меняющемуся частотно-временному плану. Учитывая, что абоненты имеют трассы распространения различной длины, а значит, и различное время распространения сигнала, необходимо обеспечить общую синхронизацию системы спутниковой связи (ССС) и возможность корректного выделения информационной части посылки [1, 2]. Однако в связи с ростом загруженности электромагнитного спектра в крупных промышленных центрах возникают ситуации воздействия помех от наземных станций других ССС, станций наземной связи, сухопутных или воздушных станций радиолокационной, радионавигационной служб. Поскольку большое количество 28

ССС и систем передачи информации используют пакетную передачу, то возможна ситуация, когда воздействие мешающего сигнала будет полностью или частично совпадать со временем приема синхропоследовательности посылки. Поэтому оценка помехоустойчивости ССС к воздействию импульсных помех на подсистему синхронизации и выделения информационной части посылки является актуальной задачей. Модель воздействия непреднамеренных нестационарных помех на ССС с частотно-временным разделением Рассмотрим основные источники непреднамеренных нестационарных помех на наземную станцию ССС. На такую станцию ССС могут воздействовать помехи со стороны наземных станций других ССС, наземных станций передачи информации, сухопутных или воздушных станций радиолокационной, радионавигационной служб, как показано на рис. 1 [3]. При этом помехи могут возникать не только в случаях, когда совпадают частоты приема рецептора помех и частота излучения мешающих средств, но и при создании помех по нежелательным каналам приема, либо при воздействии

Вопросы радиоэлектроники, 7-8/2020

Электромагнитная совместимость

Рисунок 1. Возможные источники непреднамеренных нестационарных помех наземной станции системы спутниковой связи

нежелательных излучений от источника помех. Поскольку станции радионавигационной и радиолокационной службы используют периодические импульсные сигналы, а современные системы передачи информации – пакетные режимы передачи, то помеховое воздействие с их стороны будет носить нестационарный характер. В современных ССС выбор излучаемой передатчиком мощности осуществляется, исходя из измерения среднего отношения сигнал-шум в канале. Поэтому для нестационарной помехи существует возможность недооценки ее опасности. Современные корректирующие коды обладают высокой эффективностью и позволяют работать даже в условиях, когда средняя мощность шума выше средней мощности полезного сигнала. Однако если помеха представляет собой в первом приближении случайную последовательность помеховых импульсов с той же средней мощностью и воздействует во время приема служебной части кадра, в частности синхропоследовательности, то в работе ССС

могут возникать ситуации ошибочного приема или полной потери части информации. Рассмотрим реализацию технологии MF-TDMA на примере широко распространенных в настоящее время протоколов передачи данных спутниковой связи DVB-RCS и DVB-RCS2. Суть используемой технологии разделения доступа заключается в выделении каждому абоненту определенных временных слотов и соответствующих этим временным интервалам частотных полос для передачи пакетов. Пример организации частотно-временного плана в протоколах DVB-RCS и DVB-RCS2 и структуры суперкадра приведен на рис. 2. Как видно из рис. 2, общий частотно-временной ресурс разделяется на последовательности суперкадров. Каждый суперкадр, в свою очередь, разделен на частотно-временные единицы (ЧВЕ). Одна или несколько соседних во времени ЧВЕ формируют временные слоты, которые в зависимости от приоритета и запрашиваемой полосы пропускания динамически разделяются между абонентами.

Последовательность суперкадров 1 Суперкадр 14

Суперкадр 15

Суперкадр 16

Суперкадр 17

Последовательность суперкадров 2 Суперкадр 234 Суперкадр 235 Суперкадр 236

а)

ЧВЕ у, 1

ЧВЕ у, 2

ЧВЕ у, x

ЧВЕ 2, 1

ЧВЕ 2, 2

ЧВЕ 2, x

ЧВЕ 1, 1

ЧВЕ 1, 2

ЧВЕ 1, x

б)

Рисунок 2. Пример организации частотно-временного плана (а) и структура суперкадра (б) в протоколах DVB-RCS, DVB-RCS2

vre.instel.ru

Электромагнитная совместимость При этом пакет не полностью занимает отведенный для ее передачи частотно-временной слот. Началу передачи пакета предшествует период, в который не должно производиться какое-либо излучение. На рис. 3 показан пример излучения пакета и воздействия на него нестационарной помехи длительностью τп, начало которой смещено относительно начала пакета на время задержки τз. При этом отдельный канал связи в ССС представляет собой последовательность пакетов, передаваемых на различных частотах. Для оценки влияния нестационарных помех на такой канал была использована имитационная модель, структурная схема которой показана на рис. 4. Модель формирует случайную последовательность бит, кодирует ее корректирующими кодами, а к полученному кодовому слову добавляет преамбулу. Полученная последовательность поступает в модулятор, где формируется пакет, к которому

добавляется нестационарная помеха и белый гауссовский шум, моделирующий собственные шумы приемника. Будем полагать, что нестационарная помеха может быть представлена хаотической последовательностью радиоимпульсов без последействия. При этом задержка начала воздействия помехи относительно начала пакета может быть представлена случайной величиной τз с равномерным распределением [4]: ⎪⎧1 /T 0 ≤ τ з ≤T ; ω(τ з ) = ⎨ τ з < 0,τ з >, ⎪⎩0 где ω(τз) – плотность распределения вероятности величины τз, T – длительность пакета. Полученная реализация поступает в приемник, где осуществляется ее демодуляция и выделение информационной части пакета. Последняя декодируется [5] и поступает в блок вычисления показателя качества функционирования, в котором

Рисунок 3. Передача посылки во временном слоте и пример реализации огибающей нестационарной помехи U

Рисунок 4. Структурная схема имитационной модели воздействия нестационарных помех на канал системы спутниковой связи с частотно-временным разделением

Вопросы радиоэлектроники, 7-8/2020

Электромагнитная совместимость на основании сравнения с передаваемым сообщением вычисляется вероятность битовой ошибки. С помощью описанной модели моделировалось воздействие помех на канал спутниковой связи с частотно-временным разделением и находилась вероятность битовой ошибки. Результаты моделирования представлены на рис. 5. Пунктирные кривые показывают зависимость вероятности битовой ошибки Pb от отношения мощности сигнала к средней мощности помехи Pc Pn при воздействии белого гауссовского шума на канал передачи с модуляцией QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) и схемой кодирования с использованием

внутреннего кода БЧХ (Боуза – Чоудхури – Хоквингема) и внешнего кода LDPC (Low Density Parity Check Code) для различных скоростей кодирования R. Непрерывными кривыми показаны зависимости Pb (Pc Pn ) при воздействии нестационарной помехи на пакеты с использованием 2-, 3- и 4-сигнально-кодовой конструкции протокола DVB-RCS [6]. Из графиков видно, что нестационарная помеха может вызвать существенное снижение качества приема и препятствовать корректному приему информации при высоких отношениях мощности сигнала к средней мощности помехи, т. е. в случае расположения наземной станции в районах со сложной

дБ

Рисунок 5. Зависимости вероятностей битовой ошибки Pb от отношения мощности сигнала к средней мощности помехи Pc /Pn

дБ

Рисунок 6. Зависимости вероятностей битовой ошибки Pb от отношения мощности сигнала к средней мощности помехи Pc /Pn для пакетов с различным отношением преамбулы и информационной части

vre.instel.ru

γ, дБ

Электромагнитная совместимость

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

Рисунок 7. Зависимость защитного отношения γ от отношения длины преамбулы n к длине всего пакета m

электромагнитной обстановкой, характеризующейся наличием нестационарных непреднамеренных помех, необходимо корректировать требуемое для нормального функционирования защитное отношение. С помощью указанной имитационной модели было проведено моделирование воздействия нестационарных помех на пакеты с различным соотношением количества символов преамбулы n и количества символов всего пакета m. Использовались QPSK-модуляция и корректирующие коды

со скоростью кодирования 1/3. Результаты представлены на рис. 6. Полагая необходимой для корректной работы канала спутниковой связи вероятность битовой ошибки менее 10–7 [7, 8], можно определить защитные отношения из графика, представленного на рис. 6, и построить зависимость защитного отношения γ от отношения длины преамбулы n к длине кадра m. Указанная зависимость показана на рис. 7. Возрастание защитного отношения для пакетов с меньшей относительной длительностью преамбулы объясняется тем, что для одинаковых значений средней мощности импульсная мощность помехи увеличивается. Заключение Проведенные исследования показали, что наибольшую опасность для ССС представляют помехи в случае использования пакетов с малым отношением длины преамбулы к длине кадра и низкой скоростью кодирования. В такой ситуации помехоустойчивость к воздействию белого гауссовского шума будет существенно выше помехоустойчивости к нестационарным помехам. Полученные зависимости могут быть использованы для оценки помехозащищенности наземных станций систем спутниковой связи с частотно-временным разделением каналов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Предложения по оценке эффективности преднамеренных помех элементам синхронизации сигналов спутниковых систем / С. Н. Агиевич, В. В. Борисов, С. В. Дворников, С. А. Луценко // Вопросы оборонной техники. 2019. № 5–6. С. 114–120. 2. Маслаков П. А., Паршуткин А. В. Исследование помехоустойчивости современных стандартов спутниковой связи к воздействию нестационарных помех // Труды СПИИРАН. 2017. № 4 (53). С. 159–177. 3. Электромагнитная совместимость систем спутниковой связи /под ред. Л. Я. Кантора и В. В. Ноздрина. М.: НИИР, 2009. 280 с. 4. Тихонов В. И. Статистическая радиотехника. М.: Советское радио, 1966. 680 с. 5. Волков И. Ю., Дряхлов А. А. и др. Декодирование LDPC кодов с помощью методики стирания для алгоритма UMPAPP // Цифровая обработка сигналов. 2016. № 4. С. 31–34. 6. ETSI EN301 545–2 V1.1.1 Digital Video Broadcasting (DVB); Second generation DVB Interactive Satellite System (DVBRCS2); Part 2: Lower layers for Satellite standard. 2012–01. 7. Модель исследования помехоустойчивости канала радиосвязи с двоичной фазовой манипуляцией при передаче видеоданных / П. А. Маслаков, В. М. Баранов, И. М. Заживихин, С. Г. Ворона // Нелинейный мир. 2018. № 1. С. 26–32. 8. Исследование помехоустойчивости канала радиосвязи с четырехпозиционной фазовой модуляцией при передаче разных типов данных / П. А. Маслаков, А. В. Швецов, А. В. Пилков, М. С. Акимова // Технологии электромагнитной совместимости. 2018. № 1 (64). С. 44–53.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ Паршуткин Андрей Викторович, д. т. н., профессор, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского, Российская Федерация, 197198, Санкт-Петербург, ул. Ждановская, д. 13, тел.: 8 (812) 347-95-35. Святкин Сергей Анатольевич, к. т. н., доцент, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского, Российская Федерация, 197198, Санкт-Петербург, ул. Ждановская, д. 13, тел.: 8 (905) 213-16-46. Бучинский Дмитрий Игоревич, адъюнкт, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского, Российская Федерация, 197198, Санкт-Петербург, ул. Ждановская, д. 13, тел.: 8 (926) 015-82-74, e-mail: reys-rd@ya.ru.

Вопросы радиоэлектроники, 7-8/2020

Электромагнитная совместимость For citation: Parshutkin A. V., Svyatkin S. A., Buchinsky D. I. Evaluation of influence of unintentional non-stationary interference on functioning of satellite communication system with multi-frequency time-division multiple access. Issues of radio electronics, 2020, no. 7–8, pp. 28–33. DOI 10.21778/2218-5453-2020-7-8-28-33 A. V. Parshutkin, S. A. Svyatkin, D. I. Buchinsky

EVALUATION OF INFLUENCE OF UNINTENTIONAL NON-STATIONARY INTERFERENCE ON FUNCTIONING OF SATELLITE COMMUNICATION SYSTEM WITH MULTIFREQUENCY TIME-DIVISION MULTIPLE ACCESS The article considers the effect of non-Stationary unintentional interference on the earth station of a satellite communications system with Multi-Frequency Time-Division Multiple Access. The influence of non-stationary interference and white Gaussian noise on the earth station reception channel is compared using simulation modeling. The simulation model takes into account the effect of unintentional interference on the synchronization subsystem and the allocation of the boundaries of the transmitted packet of the receiver of the earth station of the satellite communication system. The probability of a bit error was used as a criterion for the quality of the satellite channel operation. The article shows the dependence of the protective ratio on the ratio of the preamble length to the packet length under the influence of pulsed interference. The obtained dependence can be used to assess the noise immunity of an earth station in a satellite communications system under the influence of pulsed interference. Keywords: interference immunity, MF-TDMA, DVB-RCS2, earth station, impulse disturbance

REFERENCES 1. Agievich S. N., Borisov V. V., Dvornikov S. V., Lucenko S. A. Proposals for assessing the effectiveness of deliberate interference to synchronization elements of signals from satellite systems. Voprosi oboronnoi tehniki, 2019, no. 5–6, pp. 114– 120. (In Russian). 2. Maslakov P. A., Parshutkin A. V. Study of noise immunity of modern satellite communication standards to the effect of nonstationary interference. Trudi SPIIRAN, 2017, no. 4 (53), pp. 159–177. (In Russian). 3. Kantor L. Ya., Nozdrin V. V., editors. Elektromagnitnaya sovmestimost sistem sputnikovoi svyazi [Electromagnetic compatibility of satellite communication systems]. Moscow, NIIR Publ., 2009, 280 p. (In Russian). 4. Tihonov V. I. Statisticheskaya radiotehnika [Statistical radio engineering]. Moscow, Sovetskoe radio Publ., 1966, 680 p. (In Russian). 5. Volkov I. Yu., Dryahlov A. A., et al. Decoding LDPC codes using the erasure technique for the UMP-APP algorithm. Cifrovaya obrabotka signalov, 2016, no. 4, pp. 31–34. (In Russian). 6. ETSI EN301 545–2 V1.1.1 Digital Video Broadcasting (DVB); Second generation DVB Interactive Satellite System (DVBRCS2); Part 2: Lower layers for Satellite standard. 2012–01. 7. Maslakov P. A., Baranov V. M., Zajivihin I. M., Vorona S. G. Model of research of noise immunity of a radio communication channel with binary phase shift keying during video data transmission. Nelineinii mir, 2018, no. 1, pp. 26–32. (In Russian). 8. Maslakov P. A., Shvecov A. V., Pilkov A. V., Akimova M. S. Investigation of the noise immunity of a radio communication channel with four-position phase modulation when transmitting different types of data. Tehnologii elektromagnitnoi sovmestimosti, 2018, no. 1 (64), p. 44–53. (In Russian).

AUTHORS Parshutkin Andrey, D. Sc., professor, Mozhaisky Military Space Academy, 13, Zhdanovskaya St., Saint-Petersburg, 197198, Russian Federation, tel.: +7 (812) 347-95-35. Svyatkin Sergey, Ph. D., associate professor, Mozhaisky Military Space Academy, 13, Zhdanovskaya St., Saint-Petersburg, 197198, Russian Federation, tel.: +7 (905) 213-16-46. Buchinsky Dmitry, adjunct, Mozhaisky Military Space Academy, 13, Zhdanovskaya St., Saint-Petersburg, 197198, Russian Federation, tel.: +7 (926) 015-82-74, e-mail: reys-rd@ya.ru.

vre.instel.ru

Моделирование систем Для цитирования: Романов А. Е. Прогнозирование значений факторов пожароопасных ситуаций на кораблях на основе искусственных нейронных сетей // Вопросы радиоэлектроники. 2020. № 7–8. С. 34–40. DOI 10.21778/2218-5453-2020-7-8-34-40 УДК 004.032.26

А. Е. Романов1 1

АО «Научно-производственное предприятие «Радар ммс»

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ЗНАЧЕНИЙ ФАКТОРОВ ПОЖАРООПАСНЫХ СИТУАЦИЙ НА КОРАБЛЯХ НА ОСНОВЕ ИСКУССТВЕННЫХ НЕЙРОННЫХ СЕТЕЙ Описана процедура прогнозирования значений факторов пожароопасных ситуаций на кораблях, в том числе температуры, оптической плотности воздуха, концентрации аэрозоля. Предложенная процедура является гибкой и может быть расширена для учета других факторов, определяющих противопожарное состояние объекта мониторинга. Для прогнозирования используется искусственная нейронная сеть с архитектурой типа трехслойного персептрона. Приведена обобщенная схема реализации прогнозирования факторов пожароопасной ситуации, обосновывается выбор архитектуры используемой искусственной нейронной сети, приводится алгоритм обучения персептрона. В результате выполнения описанной процедуры осуществляется прогноз значений факторов для предупреждения возникновения пожароопасной ситуации с целью принятия заблаговременных мер. Внедрение процедуры определения прогнозных значений факторов пожара в алгоритмическое обеспечение корабельных информационно-управляющих систем способно существенно повысить эффективность принимаемых решений при обеспечении пожарной безопасности кораблей и судов. Ключевые слова: пожарная безопасность, многослойный персептрон, алгоритм обучения, корабельные информационные системы

Введение Безопасность мореплавания является важнейшим условием эффективного решения задач, которые должны выполняться кораблем. Серия пожаров на надводных кораблях и подводных лодках, произошедших за последнее десятилетие, подтвердила высокую актуальность проблемы обеспечения пожарной безопасности морского транспорта. Существующие корабельные системы пожарной сигнализации способны обнаруживать факторы уже начавшегося пожара, в то время как для недопущения возгорания необходимо снабдить корабельные информационно-управляющие системы алгоритмическим аппаратом для поддержки принятия решений при контроле пожарной опасности. Для борьбы с пожарами на надводных кораблях и подводных лодках ВМФ России предназначены следующие системы и средства: • • • • •

системы пожарной сигнализации; системы температурно-тревожной сигнализации, совмещенные с пожарной сигнализацией; системы контроля влажности; системы охранной сигнализации; системы объемного химического пожаротушения;

• • • • • •

системы ингибирования; системы контроля водонепроницаемых закрытий; системы управления водоорошением; системы контроля противопожарных дверей; системы сигнализации запрещения выхода на открытые части палуб; система сигнализации о маршруте обхода дозорного.

В настоящее время ведутся разработки перспективных корабельных комплексов мониторинга, пожарной и охранной сигнализации, включающих в себя различные системы контроля факторов пожароопасных ситуаций. Поддержку принятия решений при контроле пожарной опасности в корабельных информационных системах предлагается осуществлять с помощью искусственной нейронной сети (ИНС). Это обусловлено тем, что ИНС позволяют относительно просто обеспечить адекватность разработанной модели, имеют достаточную обобщающую способность и способность получения сложных нетривиальных зависимостей выходных данных от входных переменных.

Вопросы радиоэлектроники, 7-8/2020

Моделирование систем В настоящее время растет необходимость применения ИНС в целях формализации взаимодействий внутри сложно структурированных систем и процессов. Это определено особенностями ИНС, к которым относятся: • • • • •

способность к обучению и обобщению; адаптивность; толерантность к ошибкам; параллелизм вычислений; распределенные представление информации и реализация вычислений [1].

С целью сокращения времени, затрачиваемого на принятие решений по предотвращению пожароопасной ситуации, а также для повышения эффективности принимаемых мер систему поддержки принятия решений необходимо обеспечивать прогнозными значениями факторов пожароопасной ситуации (ПОС). Схема прогнозирования значений факторов ПОС На основе разработанных ранее моделей поддержки принятия решений при контроле пожарной опасности в корабельных информационных системах [2, 3] предлагается обобщенная схема реализации прогнозирования значений факторов пожароопасной ситуации на корабле (рис. 1). База данных в представленной обобщенной схеме постоянно обновляется в режиме реального времени и может принадлежать к различным системам, например системе информационной поддержки борьбы

за живучесть или системе пожарной сигнализации. Соответственно, конфигурация выходных информационных потоков (не представлены на схеме) будет различна в зависимости от конкретного применения. В общем, процесс прогнозирования значений факторов пожароопасной ситуации на корабле включает следующие процедуры: • • • •

определение значений факторов ПОС; определение архитектуры ИНС; обучение ИНС; прогнозирование на базе обученного персептрона.

Значения факторов ПОС – xkl, k, l = {1, 2, 3}, где k – индекс фактора, l – индекс момента времени измерения значения фактора. Выделим следующие факторы пожароопасной ситуации: • • •

температура воздуха в помещении, °C (k = 1); оптическая плотность воздуха в помещении, дБ/м (k = 2); концентрация аэрозоля в помещении, мг/м3 (k = 3).

Определение архитектуры используемой ИНС При выборе архитектуры используемой ИНС необходимо принимать во внимание специфику решаемых задач. В настоящее время установлено соответствие между определенными типами задач и оптимальными архитектурами ИНС для их

Объект мониторинга – корабль Значения факторов ПОС: - температура; - оптическая плотность; - концентрация аэрозоля Данные для обучения

База данных

Данные для прогнозирования

Прогнозные значения факторов ПОС

Алгоритм обучения ИНС

Обучение нейросети

ИНС

Рисунок 1. Схема прогнозирования значений факторов пожароопасной ситуации

vre.instel.ru

Моделирование систем решения. В случае отсутствия возможности классификации конкретной задачи и установления соответствующей ей оптимальной конфигурации нейронной сети требуется разработка новой архитектуры ИНС. Как было обозначено выше, конфигурация нейронной сети в значительной степени определяется видом решаемой задачи, соответственно, вряд ли возможно сформулировать какие-либо общие рекомендации о необходимых и достаточных параметрах ИНС. Таким образом, конкретный вариант архитектуры нейронной сети определяется путем подбора на основании опыта работы с ИНС. ИНС можно рассматривать как ориентированный граф с взвешенными связями, в котором узлами являются нейроны. По конфигурации связей ИНС разделяются на два класса [1]: •

•

ИНС прямого распространения. Нейронная сеть прямого распространения – это классический тип нейронных сетей, где соединения между нейронами не формируют замкнутых циклов, т. е. графы не имеют петель. В данном классе ИНС информация распространяется только в одном направлении – вперед от входов через скрытые слои (если они есть) к выходам, и в сети отсутствуют циклы; рекуррентные ИНС (сети с обратными связями). Такие сети являются динамическими – за счет обратных связей входы нейронов имеют возможность изменения, результатом чего становится изменение состояния сети.

Наиболее распространенным подклассом нейронных сетей прямого распространения являются многослойные персептроны, в которых нейроны образуют слои, причем связи между последними имеют одно направление (рис. 2) [1].

Многослойные персептроны нашли широкое применение при решении различных сложных задач. В общем случае многослойный персептрон состоит из большого количества входных узлов, составляющих входной слой, скрытых (внутренних) слоев вычислительных нейронов, которых может быть несколько, и одного выходного слоя. Поступающий на вход сигнал распространяется по ИНС от слоя к слою в прямом направлении. Входной слой персептрона служит для выполнения функций приема сигналов и последующей их передачи на нейроны скрытого слоя, которые выполняют основной объем обработки информации. В выходном слое происходит суммирование взвешенных сигналов крайнего скрытого слоя. Можно отметить следующие отличительные особенности архитектуры многослойного персептрона: •

•

функция активации каждого нейрона нелинейна, причем она должна быть дифференцируемой на всей обрасти определения, т. е. гладкой. Самой распространенной гладкой функцией активации является сигмоид; многослойный персептрон имеет один или несколько скрытых слоев нейронов. Нейроны в скрытых слоях обеспечивают обучение сети для решения сложных задач, последовательно выявляя наиболее значимые признаки из вектора входных данных; ИНС данной архитектуры имеет высокую степень связности, достигаемую за счет синаптических соединений.

Архитектурой нейросети для выполнения задачи прогнозирования значений факторов пожароопасной ситуации на корабле выбран трехслойный персептрон (входной слой, один скрытый слой,

Входной сигнал

Выходной сигнал

Входной слой

Первый скрытый слой

Второй скрытый слой

Выходной слой

Рисунок 2. Структура многослойного персептрона

Вопросы радиоэлектроники, 7-8/2020

Моделирование систем wij(1)

норм x11

wij(2)

f норм x13

норм x33

f Рисунок 3. Архитектура искусственной нейронной сети для прогнозирования факторов пожароопасной ситуации

выходной слой), структура которого представлена на рис. 3. Использованы следующие обозначения: xklнорм – нормированные значения входных значений факторов пожароопасной ситуации; wij(n) – весовые коэффициенты синапсов (межнейронных связей); n – индекс слоя; i – индекс нейрона слоя n; j – индекс нейрона слоя (n + 1); f – активационная функция; yk – прогнозное значение фактора ПОС. С целью улучшения результатов прогнозирования значения факторов необходимо нормировать к одному диапазону [0, 1], чтобы вес какого-либо из факторов не был больше остальных. Нормирование выполняется по следующему соотношению: xklнорм =

xkl − min xk , max xk − min xk

Рисунок 4. Сигмоид – логистическая функция

(1)

где min xk и max xk – минимальное и максимальное значения фактора с индексом k соответственно. Входными данными для персептрона являются три ретроспективных (полученных в предыдущие временные дискреты) нормированных значения каждого фактора пожароопасной ситуации. Таким образом, входной слой состоит из девяти нейронов. Выходные данные ИНС – три прогнозных значения этих же факторов, то есть выходной слой состоит из трех нейронов. По результатам ряда экспериментальных исследований [4] на тестовых данных было определено, что для получения адекватных результатов прогнозных значений факторов пожароопасной ситуации достаточно лишь одного скрытого слоя персептрона с количеством нейронов, равным половине сумме нейронов входного и выходного слоев, то есть в данном случае – шести нейронов. Первый слой нейронной сети не выполняет никаких функций, кроме получения входных значений. На входы первого слоя подается вектор значений vre.instel.ru

f(S)

факторов ПОС, далее эти данные через точки ветвления поступают на входы нейронов второго (скрытого) слоя. Для активации нейронов второго и третьего слоев служит сигмоид – логистическая функция: f (S ) =

1 , 1 + e −αS

(2)

где α – параметр наклона сигмоидальной функции активации, принадлежащий отрезку [0, 1]. Варьируя параметр наклона, можно строить функции с различной крутизной: при снижении α сигмоид становится более пологим, а при α = 0 вырождается в горизонтальную линию с ординатой 0,5. При повышении α сигмоид приобретает вид единичного скачка с порогом T в точке S = 0. Графически функция активации представлена на рис. 4. Обучение нейронной сети Для обучения предложенной ИНС предлагается комбинировать алгоритм обратного распространения ошибки с алгоритмом Коши, который позволяет 37

Моделирование систем достаточно быстро найти глобальный минимум ошибки обучения [5]. Данный комбинированный алгоритм предназначен для устранения недостатков базовых алгоритмов. Недостатком алгоритма обратного распространения ошибки является неспособность найти глобальный минимум функции ошибки при наличии локальных минимумов, что часто приводит к нестабильности в работе персептрона. Главным недостатком стохастических алгоритмов обучения являются сравнительно высокие временные затраты на обучение сети, так как случайные корректуры для подстройки весовых коэффициентов выбираются в неверном направлении [6]. Таким образом, настройка весовых коэффициентов в предложенном алгоритме обучения сводится к объединению двух компонентов:

Начало

Назначение случайных значений коэффициентов синаптических связей w (n) jk

Подача обучающей выборки на входной слой

Вычисление ошибки обучения для входного слоя: ( y (3) d l )dy l l , dS l где l – номер нейрона выходного слоя; yl – реальное выходное значение нейрона; dl – желаемое выходное значение; Sl – взвешенная сумма выходных сигналов нейрона 1 (3) l =

Вычисление ошибки предыдущих слоев: (n) j =

(

(n+1) (n+1) w jk )dyj k k

dS j

, n = 2,1

Изменение коэффициентов синаптических связей: ( n ) (n 1) y

(n) w jk =

Нет

E<ε Да Конец

Рисунок 5. Алгоритм обратного распространения ошибки

•

направленной компоненты, определяемой по детерминированному алгоритму обратного распространения ошибки (рис. 5); случайной компоненты, определяемой по алгоритму Коши (рис. 6).

Изменение веса xc определяется на основе выбора псевдослучайного числа из квазиравномерного распределения на интервале (–π/2; π/2). Коррекция весов синаптических связей выполняется по соотношениям: wij(n) (t) = wij(n) (t −1) + Δwij(n) (t),

(3)

wij(n) (t) = wij(n) (t −1) + Δxc(n) (t),

(4)

где wij(n) (t) – весовой коэффициент синаптической связи между i-м нейроном (n – 1)-го слоя и j-м нейроном n-го слоя на шаге t; wij(n) (t −1) – весовой коэффициент на (t – 1)-м шаге; Δwij(n) (t) – коррекция весового коэффициента по алгоритму обратного распространения ошибки; Δxc(n) (t) – коррекция весового коэффициента по алгоритму Коши. Целевая функция (функция ошибки), по которой оценивается качество обучения, вычисляется по формуле E=

1 3 ∑ ( y j − d j )2 , 2 j−1

(5)

где dj – целевое значение j-го выхода. Обучение на тренировочных векторах проводится до тех пор, пока целевая функция не достигнет требуемого значения или не будет изменять свое значение на заданную величину. Полученный обобщенный алгоритм обучения ИНС представлен на рис. 7. По причине вариативности внешних воздействующих факторов, которым подвергается корабль в процессе эксплуатации, необходима постоянная адаптация нейросети к новым условиям. В связи с этим осуществляется регулярное переобучение ИНС на новых ретроспективных данных. Ряд вопросов, связанных с обучением ИНС, в частности о формировании необходимого объема данных, требует дальнейшей проработки и будет рассмотрен в последующих публикациях. Заключение Обнаружение извещателями систем корабельной пожарной сигнализации очага пожара на надводных кораблях и подводных лодках происходит, когда очаг уже имеет некоторую тепловую мощность. Именно тепловая мощность очага пожара предопределяет величину ущерба, уже причиненного к моменту его обнаружения и тушения. Поэтому вопрос раннего обнаружения маломощного очага загораний является одним из основных

Вопросы радиоэлектроники, 7-8/2020

Моделирование систем

Начало

Инициализация весов W Вычисление {y1, y2, y3} Вычисление E

Epochs = 1; i=0

Случайное изменение веса w (n) jk Вычисление E' Нет

Да

i=i+1

Изменение веса с вероятностью:

Подача вектора i из обучающей выборки; нормирование входных данных; вычисление Yi; вычисление Ei

P( x c ) = E ( t )(Q ( t )2 + x 2c ),

Коррекция весов W по величине Ei

E' < E

где E(t) – целевая функция; xc – изменение веса:

i > Li

x c = Q ( t ) tg(P( x c ))

Нет

Да Epochs = Epochs + 1;

Переход к следующему синапсу

Все синапсы рассмотрены?

Нет

Да Нет

Вычисление E = ΣiLiEi

Нет

E<ε

(E ≤ ε) OR (Epochs > LEpochs )

Да Конец

Рисунок 6. Алгоритм Коши

направлений развития корабельных систем контроля пожарной опасности. В настоящее время для обеспечения пожарной безопасности корабля применяются следующие информационные системы: система информационной поддержки при борьбе за живучесть, система корабельного мониторинга, интегрированная мостиковая система. Указанные системы получают информацию от системы пожарной сигнализации на основании опроса пожарных извещателей и датчиков. В ходе развития средств противопожарной защиты кораблей системы пожарной сигнализации интегрируются с температурно-тревожной сигнализацией с автоматическим включением средств пожаротушения за счет объединения их в единую систему с введением новых элементов, а также создаются алгоритмы распознавания пожароопасных ситуаций в корабельных помещениях и отсеках. Интегрированные системы контроля объединяют

vre.instel.ru

Рисунок 7. Обобщенный алгоритм обучения искусственной нейронной сети для прогнозирования значений факторов пожароопасной ситуации

в себе средства телевизионного контроля зон пожарной опасности и оценки масштаба обнаруженного пожара, выработки автоматических сигналов на отключение вентиляции и герметизации аварийного помещения, выработки управляющих сигналов на включение необходимых средств пожаротушения, предупредительной сигнализации о пуске огнегасителя, опасного для здоровья человека, и охранной сигнализации о проникновении в помещения. Внедрение в существующие корабельные системы алгоритмов поддержки принятия решений с прогнозированием значений факторов пожароопасной ситуации на основе ИНС позволит повысить своевременность и эффективность принимаемых решений по предотвращению пожаров.

Моделирование систем СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Хайкин С. Нейронные сети. М.: Вильямс, 2006. 1104 с. 2. Романов А. Е. Математическое моделирование развития пожароопасной ситуации на корабле на базе клеточных автоматов. Труды научно-технической конференции «Состояние, проблемы и перспективы создания корабельных информационно-управляющих комплексов». М.: Концерн «Моринформсистема-Агат», 2020. 3. Романов А. Е. Математическая модель степени опасности пожароопасной ситуации на корабле на основе системы нечеткого вывода // Вопросы радиоэлектроники. 2020. № 6. С. 54–60. 4. Тупиков Д. В., Иващенко В. А. Нейросетевое прогнозирование значений факторов возникновения пожара на производственных объектах. Сборник трудов международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях – ММТТ-27». Тамбов: ТГТУ, 2014. Т. 3. С. 59–61. 5. Wassermann P. D. Combined backpropagation/Cauchi machine. Neural Networks. Abstracts of the First INNS Meeting, Boston, 1988. Vol. 1. P. 556. 6. Parker D. B. Optimal algorithms for adaptive networks. Second order Hebbian learning. Proceedings of the IEEE First International Conference on Neural Networks, San Diego, 1987. Vol. 2. P. 593–600.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ Романов Александр Егорович, инженер, АО «Научно-производственное предприятие «Радар ммс», Российская Федерация, 197375, Санкт-Петербург, ул. Новосельковская, д. 37, лит. А, тел.: 8 (953) 342-41-19, e-mail: romanov_ae@ radar-mms.com.

For citation: Romanov A. E. Marine fire-dangerous situations factors’ values forecasting based on artificial neural network. Issues of radio electronics, 2020, no. 7–8, pp. 34–40. DOI 10.21778/2218-5453-2020-7-8-34-40 A. E. Romanov

MARINE FIRE-DANGEROUS SITUATIONS FACTORS’ VALUES FORECASTING BASED ON ARTIFICIAL NEURAL NETWORK The article describes the procedure of marine fire-dangerous situations factors’ values forecasting based on artificial neural network. These factors are temperature, optical air density, aerosol concentration. Given procedure is flexible and can be expanded for other factors of fire-safety state of monitored object. Artificial neural network with architecture of three-layer perceptron is used for forecasting. The article gives a common scheme for realization of fire-dangerous situations factors’ values forecasting, substantiates the choice of used artificial neural network’s architecture, gives perceptron learning algorithm. As a result of given procedure execution factors’ values forecasting is implemented for prevention of fire-dangerous situation and the adoption of early actions. In case of integration of the developed procedure inside ship information management systems’ algorithmic support is capable of dramatically raise effectiveness of decisions made while providing fire safety on ships. Keywords: fire safety, multilayer perceptron, learning algorithm, fuzzy output system, marine information systems

REFERENCES 1. Haykin S. Neural networks: a comprehensive foundation. Prentice Hall, 1998. 842 p. 2. Romanov A. Ye. Mathematical modeling of the development of a fire hazardous situation on a ship based on cellular automata. (Conference proceedings) Sostoyaniye, problemy i perspektivy sozdaniya korabelnykh informatsionno-upravlyayushchikh kompleksov. Moscow, Morinformsistema-Agat Publ., 2020. (In Russian). 3. Romanov A. E. Mathematical model of marine fire-dangerous situation hazard rate based on fuzzy output system. Issues of radio electronics, 2020, no. 6, pp. 54–60. (In Russian). 4. Tupikov D. V., Ivashchenko V. A. Neural network forecasting of the values of the factors of fire occurrence at production facilities. (Conference proceedings) Matematicheskiye metody v tekhnike i tekhnologiyakh – MMTT-27. Tambov, TGTU Publ., 2014. Vol. 3, pp. 59–61. (In Russian). 5. Wassermann P. D. Combined backpropagation/Cauchi machine. Neural Networks. Abstracts of the First INNS Meeting, Boston, 1988, vol. 1, p. 556. 6. Parker D. B. Optimal algorithms for adaptive networks. Second order Hebbian learning. Proceedings of the IEEE First International Conference on Neural Networks, San Diego, 1987, vol. 2, pp. 593–600.

AUTHOR Romanov Alexander, engineer, «NPP «Radar mms» JSC, 37A, Novoselkovskaya St., Saint-Petersburg, 197375, Russian Federation, tel.: +7 (953) 342-41-19, e-mail: romanov_ae@radar-mms.com.

Вопросы радиоэлектроники, 7-8/2020

ПРАВИЛА ПРЕДСТАВЛЕНИЯ СТАТЕЙ К рассмотрению принимаются нигде не опубликованные ранее рукописи статей с оригинальными результатами теоретических и экспериментальных исследований в области радиоэлектроники. Минимальный объем статьи – 18000 печатных знаков (с пробелами), максимальный объем статьи – 23000 печатных знаков (с пробелами), включая формулы, иллюстрации, таблицы. Обязательными являются следующие элементы статьи: • • • • •

•

Тематическая рубрика журнала, к которой должна быть отнесена статья. Индекс УДК. Название статьи, максимально конкретное и информативное, на русском и английском языках. Ф.И.О. всех авторов (полностью) на русском и английском языках. Информация об авторах на русском и английском языках: регалии; место работы (полное и сокращенное название организации, почтовый адрес с указанием города и почтового индекса), должность; электронный адрес; телефон. Если авторов несколько, то информация должна быть представлена по каждому из них. Аннотация статьи на русском и английском языках. В аннотации подчеркивается новизна и актуальность темы (без повтора заглавия статьи в тексте аннотации). Аннотация статьи должна быть информативной и подробной, описывать методы и главные результаты исследования. Из аннотации должно быть ясно, какие вопросы поставлены для исследования и какие ответы на них получены. Предпочтительна структура аннотации, повторяющая структуру статьи и включающая введение, цели и задачи, методы, результаты/обсуждение, заключение/выводы. Объем аннотации составляет 100–200 слов. Ключевые слова на русском и английском языках. Должны отражать основное содержание статьи, но, по возможности, не повторять ее название. Рекомендуемый объем – 3–6 слов или коротких словосочетаний. Основной текст статьи. Следует соблюдать единообразие терминов, а также единообразие в обозначениях, системах единиц измерения, номенклатуре. Следует избегать излишних сокращений, кроме общеупотребительных. Если сокращения все-таки используются, то они должны быть расшифрованы в тексте при первом упоминании. Список литературы, на русском и английском языках. Должен в достаточной мере отражать современное состояние исследуемой области и не быть избыточным. Должен содержать ссылки на доступные источники. Не цитируются тезисы, учебники, учебные пособия, диссертации без депонирования. Допустимый объем самоцитирования автора не более 20% от источников в списке литературы. Список иллюстраций должен располагаться в конце статьи и содержать названия статей и подписи, размещенные на рисунке. vre.instel.ru

Правила оформления статей Материалы статьи представляются для публикации в электронном виде. В состав электронной версии статьи должны входить текстовая часть в формате MS Word (формулы в MathType), а также иллюстрации в виде отдельных графических файлов (каждый файл должен содержать один рисунок). Статья представляется в итоговом варианте, т. е. не предполагает существенных авторских изменений и дополнений, а также не содержит исправлений, отображаемых на полях или в тексте работы. Английский блок должен включать (в указанном порядке): заголовок статьи, Ф. И. О. всех авторов, аннотацию, ключевые слова, список литературы в романском алфавите. Графический материал Все иллюстрации должны быть черно-белыми. Иллюстрации для каждой статьи должны находиться в отдельной папке с названием статьи; название файла должно включать номер рисунка. Каждый файл должен содержать только один рисунок. Параметры иллюстраций: • • • • •

• •

•

форматы *.tif или *.eps; цветовая модель Grayscale (Black 95%), разрешение 300 dpi при 100%-ной величине; цветовая модель Bitmap, разрешение не ниже 600 dpi; толщины линий не менее 0,5 point; не следует использовать точечные закраски в программах работы с векторной графикой, таких как Noise, Black&white noise, Top noise; не следует добавлять сетку или серый фон на задний план графиков и схем; желательно иллюстрации предоставлять в двух вариантах (первый – со всеми надписями и обозначениями, второй – без текста и обозначений); все надписи на рисунках и названия рисунков обязательно (!) должны быть набраны текстом и располагаться на отдельной странице в текстовой части статьи.

Текст статьи Текст должен быть в формате MS Word; набран через двойной интервал; шрифтом Times New Roman, размер шрифта – 12 пунктов. Не следует вводить больше одного пробела подряд (в том числе при нумерации формул). Используйте абзацный отступ и табуляцию. Подзаголовки должны быть без нумерации. Таблицы представляются в формате MS Word. Их следует располагать в тексте непосредственно после ссылки на таблицу. В тексте статьи должны быть ссылки на все рисунки и таблицы. Если в статье один рисунок и/или таблица, номер не ставится. Рисунки с цифро-буквенной нумерацией обозначаются в тексте без запятой и пробела (например, рис. 1а). В шапке таблицы пустых ячеек быть не должно. 41

Правила представления статей В таблице не должно быть графы с порядковым номером. Если нумерация строк необходима, то порядковый номер указывается непосредственно перед текстом. При отсутствии данных в ячейках должны быть прочерки (т. е. пустых ячеек быть не должно). Подписи к рисункам должны содержать расшифровку всех обозначений, использованных на рисунке. На отдельном листе в конце статьи должны быть набраны названия рисунков с подписями, а также текст, размещенный на рисунках. Формулы и буквенные обозначения Все формулы должны быть набраны только (!) в математическом редакторе MathType с настройками строго (!) по умолчанию. Не допускается набор из составных элементов (часть – текст, часть – математический редактор). Не допускается также вставка формул в виде изображений. Формулы располагают по месту в тексте статьи. По возможности следует избегать «многоэтажных» формул. В частности, в сложных формулах экспоненту рекомендуется представлять как «exp». Дроби предпочтительно располагать отдельной строкой, числитель от знаменателя отделять горизонтальной чертой. В десятичных дробях для отделения целой части используется запятая (например, 10,5). В качестве знака умножения используется символ точка (·), при переносе формулы в качестве знака умножения следует использовать символ крест (×). Знак умножения в формулах ставится только (!) перед цифрой и между дробями. В формулах и тексте скалярные величины, обозначаемые латинскими буквами, набираются курсивом, обозначаемые греческими буквами – прямым шрифтом. Для обозначения векторных величин используется прямой полужирный шрифт, стрелка вверху не ставится. Одиночные буквы или символы, одиночные переменные или обозначения, у которых есть только верхний или только нижний индекс, единицы измерения и цифры в тексте, а также простые математические и химические формулы следует набирать в текстовом режиме без использования внедренных рамок (т. е. без использования математических редакторов). Слова «минус» и «плюс» перед цифрами обозначаются знаками (например, +4; –6). Размерности Размерности отделяются от числа пробелом, кроме градусов, процентов, промилле. Для сложных размерностей допускается использование как отрицательных степеней, так и скобок. Главное условие – соблюдение единообразия написания одинаковых размерностей по всему тексту и в иллюстрациях. При перечислении, а также в числовых интервалах размерность приводится только после последнего числа (например, 18–20 кг), за исключением угловых градусов. 42

Числовой диапазон оформляется коротким тире без пробелов (например, 18–20). Размерности переменных пишутся после их обозначений через запятую, а не в скобках. Список литературы В журналах принимается Ванкуверская система цитирования – последовательный численный стиль: ссылки нумеруются по ходу их упоминания в тексте, таблицах и рисунках. Единый список литературы оформляется также в порядке упоминания в тексте. На все работы, включенные в список литературы, должна быть ссылка в тексте. Допустимый объем самоцитирования автора не более 20% от источников в списке литературы. Не цитируются: • •

тезисы, учебники, учебные пособия; диссертации без депонирования.

Единый список литературы на русском языке размещают в конце текста статьи и озаглавливают «Список литературы». Единый список литературы в романском алфавите (латинице) размещают в англоязычном блоке после ключевых слов (Keywords) и озаглавливают References. В тексте статьи ссылки приводят квадратных скобках: [1–5] или [1, 3, 5]. Источники приводят на языке оригинала. Русские – на русском, англоязычные – на английском. Пример оформления статьи из периодического издания: Таран П. П., Иванов А. А. Глобализация и трудовая миграция: необходимость политики, основанной на правах человека // Век глобализации. 2010. № 1. С. 66–88. Пример оформления книги: Костылева Л. В. Неравенство населения России: тенденции, факторы, регулирование. М.: ИСЭРТ РАН, 2011. 200 с. Пример оформления электронного источника: Костылева Л. В. Неравенство населения России: тенденции, факторы, регулирование [Электронный ресурс]. М., 2011. 30 с. Адрес доступа: http://elsevierscience.ru/ Подписи к рисункам На отдельном листе должны быть набраны (в порядке упоминания в тексте) порядковый номер рисунка, его название, а также все надписи, расположенные на рисунке. Подписи к рисункам должны содержать расшифровку всех обозначений, использованных на рисунке. Комплект предоставляемых материалов Комплект материалов рукописи статьи должен включать электронную версию статьи; иллюстрации в виде отдельных графических файлов; экспертное заключение о разрешении публикации материалов в открытом доступе. Материалы следует загружать через электронную форму на сайте vre.instel.ru.

Вопросы радиоэлектроники, 7-8/2020

RULES FOR SUBMITTING ARTICLES Accepted for consideration manuscript with original results of theoretical and experimental research in the field of electronics with no publishing record. The minimal article length is 18000 printed characters (with spaces), the maximum article length is 23 000 printed characters (with spaces), including formulas, illustrations, tables. The mandatory elements of the articles are the following: • • • •

•

Thematic heading of magazine to which article should be carried Index of the universal decimal classification. The name of article, at the most specific and informative, in Russian and English languages. The information on authors, in Russian and English languages: regalia; place of job (the full and shorthand name of the organization, the post address with the indication of city and the postal index), a position; the electronic address; phone. If there’re few authors then the information should be presented on each of them. The summary of article in Russian and English languages. Novelty and a urgency of subject matter (without repetition of the title of article in the text of the summary) should be emphasized in the summary. The summary of article have to be informative and detailed, describe methods and the main results of research. The summary has to cover what questions are put for research and the answers to them are received. The structure of the summary has to repeat structure of article and including introduction, objectives and problems, methods, results/discussions, the conclusion/conclusions is preferential. The volume of the summary makes 100–200 words. Key words in Russian and English languages. Should reflect the main content of the article, but if possible not to repeat its name. The recommended amount – 3–6 words or short phrases. The main text of the article. The uniformity of terms should be observed as well as uniformity in the notation, systems of units, nomenclature. Avoid unnecessary abbreviations commonly used in addition. If the abridgement is still used then it must be transcribed in the text at the first mention. References in English and Russian languages. Must adequately reflect the current state of the study area and not be excessive. Must contain references to available sources. Not quoted theses, textbooks, manuals, thesis without deposit. The allowable amount of self-citation of the author should not exceed 20% of the sources in the bibliography. The list of illustrations should be placed down in the end of article and contain names of articles and the signatures placed in picture. vre.instel.ru

Formalized rules for articles Materials of the Articles are submitted for publication in electronic form. The electronic version of the paper should include the text portion in MS Word format (formulas in MathType), as well as illustrations as separate image files (each file should contain one figure). The article appears in the final version and copyright does not involve significant changes and additions, as well as does not include patches that are displayed in the fields or in the text of the work. English unit should include (in indicated order): title of the article, name all authors, abstract, keywords, references in the Roman alphabet. Graphical material All illustrations should be in black and white. Illustrations for each article must be in a separate folder with the title of the article; File name should include the figure number. Each file must contain only one drawing. illustrations parameters: • • • • •

• •

•

formats *.tif or *.eps; color model Grayscale (Black 95%), the resolution of 300 dpi at 100% value; color model Bitmap, resolution of at least 600 dpi; Lines’s thickness of not less than 0,5 point; It is not necessary to use dot shadings in programs of work with vector graphics, such as Noise, Black*white noise, Top noise It is not necessary to add a grid or a grey background on a background of charts and diagrams; it is desirable to provide the illustrations in two versions (the first – with all the inscriptions and symbols, the second – without text and symbols); All signs in the figures and the names of figures is obligatory (!) Should be typed in the text and placed on a separate page in the text of the article.

The text of article The text should be in MS Word format; typed double-spaced; font Times New Roman, font size – 12 points. Do not enter more than one space in a row (including the numbering of formulas). Use indentation and tabs. Subtitles should be without numbering. Tables submitted in MS Word format. They should be placed in the text immediately following the reference to the table. The text of the article should be a reference for all figures and tables. If an article of one figure and / or table number is not assigned. Figures alphanumeric numbering are indicated in the text without a comma and a space (for example, Fig. 1a). 43

Rules for submitting articles In the header of the table empty cells should not be. The table should not have graphs with a serial number. If line numbering is needed, the serial number is indicated immediately before the text. In the absence of data in the cells must be dashes (empty cells should not be). Captions should include decoding of symbols used in the figure. On a separate sheet at the end of the article should be typed in the names of images with captions, and also the text that appears in the figures. Formulas and letter designations All formulas should be typed only (!) In MathType mathematical editor. Not allowed set of constituents (Part – text part – mathematical editor). There can be no insert formulas in the form of images. Formula for a place in the text. If possible, avoid «multi-storey» formulas. In particular, complex formulas recommended exponent of as «exp». Fractions are preferably arranged separately, the numerator by the denominator separated by a horizontal line. In decimal fractions to separate the integer part of a comma (eg 10,5). As a sign of multiplication using the dot (·), when transferring the formula should use the cross symbol (×) as a multiplication sign. The multiplication sign in the formulas is put only (!) before a figure between fractions. In the formulas and text scalar quantities, denoted by Latin letters, italicized, denoted by Greek letters – font. To indicate vector quantities used straight bold, arrow at the top is not put. Single letters or symbols, single variables or symbols that have only the upper or only the lower the index, units, and figures in the text, as well as simple mathematical and chemical formulas should be typed in text mode without the use of embedded frames (ie, without the use of Mathematical editors). The words «minus» and «plus» to the numbers indicated by signs (eg 4, –6). Dimensions Dimensions are separated from the number by a space, except degrees, percent, per mille. For complex dimensions allowed as the negative powers, and parentheses. The main condition – that the consistency of writing the same dimensions throughout the text and illustrations. In the listing, as well as the dimension of the numerical ranges given only after the last day (e. g. 18–20 kg) except angular degrees. A numeric range is made short dash without spaces (for example, 18–20). 44

The dimensions of the variables are written after the notation, separated by commas, but not in parentheses. Bibliography The magazines use the Vancouver citation system – consistent numerical style: links are numbered in the course of their appearance in the text, tables and figures. A single list of references is also executed in the order mentioned in the text. All work included in the list of references should be referenced in the text. The allowable amount of self-citation is not the author of more than 20% of the sources in the bibliography. Do not quoted: • •

theses, textbooks, teaching aids; dissertation without deposit.

A unified list of literature in Russian is placed at the end of the text and the headline «References». A unified list of references in the Roman alphabet (Roman alphabet) are placed in an English-speaking unit after keywords (CET Keywords) and headline References. The text of the article links lead brackets: [1–5] or [1, 3, 5]. Sources of lead in the original language. Russian – Russian, English language – English. A sample of articles from periodicals: Taran P. P., Ivanov A. A. Globalization and labor migration: the need for a policy based on human rights // Century of Globalization. 2010. № 1. pages 66–88. Formalizing example for the book Kostyleva L. V. Inequality of the Russian population: trends, factors that regulation. M.: ISERT RAS, 2011. 200 p. Example of electronic sources: Kostyleva L. V. Inequality population of Russia: tendencies, factors, regulation [electronic resource]. M., 2011. 30 p. Access Location: http://elsevierscience.ru/ Signatures to pictures On a separate sheet should be typed (in order of appearance in the text) the serial number of the picture, its name, as well as all the inscriptions located in the picture. Captions should include decoding of symbols used in the figure. The complete set of provided materials The complete set of materials of the manuscript of article should include the electronic version of article; illustrations in the form of separate graphic files; expert opinion on the permission of the materials publication in open access. Materials should be submit online vre.instel.ru.

Вопросы радиоэлектроники, 7-8/2020

voprosyradioel07082020

Articles inside

ПРАВИЛА ПРЕДСТАВЛЕНИЯ СТАТЕЙ

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ

СОДЕРЖАНИЕ