voprosyradioel42020 by markus22

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

НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ

Серия «Общетехническая» (ОТ) ВЫПУСК 4

ТОМ 49, № 4. 2020

Журнал зарегистрирован в Федеральной службе по надзору за соблюдением законодательства в сфере массовых коммуникаций и охране культурного на‑ следия (свидетельство ПИ № ФС77-31114 от 15 февраля 2008 года). Журнал включен в перечень изданий, рекомендованных Высшей аттестацион‑ ной 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) В. И. Сергеев, д. т. н., доц. (ВКБ АФУ (ОАО)) 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 пись‑ менного 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 мотивиро‑ ванный 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») Индекс 59981 (каталог «Научно-технические издания») Агентство «Урал-Пресс» www.ural-press.ru +7 (495) 961‑23‑62 Подписано в печать 27.04.2020. Отпечатано в ООО «КАПЛИ ДОЖДЯ»

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

(Issues of radio electronics)

Vol. 49, no. 4. 2020

General technical series VOLUME 4

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 commis‑ sion 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) V. I. Sergeev, Doctor of Engineering, Associate Professor (Voronezh Design Bureau Antenna Feeders) 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 27.04.2020.

АО «ЦНИИ «Электроника»

СОДЕРЖАНИЕ Государственная поддержка отрасли поможет российским производителям стать лидерами на внутреннем рынке.................. 5

Измерения. Испытания. Контроль

Радиолокация и радионавигация

Степанов М. А., Тырыкин С. В., Никулин А. В., Никулина Ю. С.. Экспериментальные исследования радиолинзы из газонаполненного материала.................................................... 32

Блудов А. А.. Совмещение изображений объектов в условиях неточного описания их образов........................................................................... 6 Орешкина М. В., Киселев А. В.. Дискретное представление отражающих свойств земной поверхности при имитации эхосигналов от нее..............................10 Кирпанев А. В., Кирпанев Н. А.. Принципы исследования антенн с обтекателем регулярной формы с помощью сферического сканера.................................... 14 Семенов С. А., Фридман А. Е.. Уменьшение времени до навигационного решения при включении приемника в режиме теплого старта................... 22

Техника СВЧ Алексейцев С. А., Горбачев А. П.. Анализ согласования двухдиапазонного излучателя дипольного вида с концевым питанием и коаксиального кабеля................................................................................................27

Винниченко А. В., Назаревич С. А., Карпова И. Р.. Модель управления автоматизированной установкой реверсивной инженерии...................................................................39 Чабаненко А. В., Смирнова В. О.. Методы контроля природной среды под антропогенным воздействием аддитивного производства.....................................44

Прикладные проблемы информационных технологий Кучеров Ю. С., Допира Р. В., Шведун А. А., . Ягольников Д. В.. Методика идентификации технического состояния оборудования электропоездов........................................................48

ПРАВИЛА ПРЕДСТАВЛЕНИЯ СТАТЕЙ..............57

CRI Electronics (Issues of radio electronics)

CONTENTS State support for industry will help Russian manufacturers become leaders in domestic market...................................................... 5

Radar and radio navigation Bludov A. A. . Combining of objects images under conditions of inaccurate description of their images.................................................................... 6 Oreshkina M. V., Kiselev A. V.. Discrete representation of terrain reflections for land clutter simulation...........................................................................................10 Kirpanev A. V., Kirpanev N. A.. Principles of regular-shaped radome antennas study with a spherical scanner............................................................................ 14 Semenov S. A., Fridman A. E.. Reducing time to navigation solution in warm start mode................. 22

Microwave technology Alekseytsev S. A., Gorbachev A. P.. Analysis of dual-band matching of an ends-fed dipole-like antenna and a coaxial line..................................................................27

Measurements. Testing. Control Stepanov М. А., Tyrykin S. V., Nikulin A. V., Nikulina Yu. S.. Experimental research of radio lens from a gas-filled material............................................................................................. 32 Vinnichenko A. V., Nazarevich S. A., Karpova I. R.. Automated reverse engineering control system model......................39 Chabanenko A. V., Smirnova V. O.. Environmental control methods under anthropogenic influence of additive production.........................................................44

Applied problems of information technology Kucherov Y. S., Dopira R. V., Shvedun A. A., . Yagolnikov D. V.. Method of identification of technical condition of equipped train equipment...................................................................................48

RULES FOR SUBMITTING ARTICLES...................59

Государственная поддержка отрасли поможет российским производителям стать лидерами на внутреннем рынке В ситуации значительных преобразований в эко‑ номике роль мониторинга, аналитики и антикризис‑ ного консалтинга значительно возрастает. Обладая оперативными и историческими данными о ситуа‑ ции в отрасли, в том числе в кризисные периоды, специалисты ЦНИИ «Электроника» моделируют возможные сценарии и формируют карты рисков, а также определяют точки роста для российских компаний. Рынок электроники в целом очень бы‑ стро меняется, а в текущих условиях спрос дина‑ мичен как никогда. Любые крупные изменения в конъюнктуре отрасли – это вызов и возможность для большинства ее участников. Для российских компаний основные возможности усиления пози‑ ций сегодня связаны с оперативным замещением иностранных товаров. И мы видим, что высшее ру‑ ководство страны уделяет большое внимание раз‑ витию радиоэлектроники: этот вопрос обсуждался и на совещании у председателя правительства, и у президента.

vre.instel.ru

Как и во всем мире, электронная промышлен‑ ность в России в значительной мере зависит от го‑ сударственного регулирования. Проходящие на вы‑ соком уровне совещания показывают понимание руководством отрасли потребности в принятии опе‑ ративных мер государственной поддержки, в том числе обеспечения режима наибольшего благо‑ приятствования для отечественных продуктов. Для этого необходимо выстроить понятную и прогнози‑ руемую для российских производителей и разра‑ ботчиков электроники систему преференций и кри‑ териев для их получения. Ключевым инструментом, который позволит регулировать рынок российской продукции, станет единый реестр российской ра‑ диоэлектронной продукции (систематизированный перечень радиоэлектроники и телекоммуникацион‑ ного оборудования), который сформирован на ос‑ новании постановления Правительства РФ № 878 от 01 июля 2019 года. Таким образом, позиции оте‑ чественных производителей значительно укрепятся и российские товары займут лидирующие позиции на внутреннем рынке. Для отрасли и государства важно понимать, ка‑ кой бюджетный и экономический эффект окажет та или иная мера – будь то снижение ставки по от‑ числениям в фонд оплаты труда для разработчи‑ ков электроники, продление до 2030 года льготных режимов в ОЭЗ технико-внедренческого типа, осу‑ ществляющих разработку и производство электрон‑ ной продукции, или введение утилизационного сбора для производителей и импортеров отдельных видов радиоэлектронной продукции, уплата которого будет компенсироваться отечественным производителям. Для ЦНИИ «Электроника» как аналитического центра действия государства, предприятий и иных участников рынка являются полем для изучения. Еще рано делать выводы о том, как изменится от‑ расль, но ряд важных преобразований уже произо‑ шел, и скорее всего они закрепятся в будущем. Так, пересмотр части устоявшихся кооперационных це‑ почек и диверсификация поставок импортной про‑ дукции сделают отрасль более устойчивой к стрес‑ сам, придадут импульс для развития новых идей и бизнесов. А. В. Фомина, доктор экономических наук, главный редактор журнала «Вопросы радиоэлектроники»

Радиолокация и радионавигация Для цитирования: Блудов А. А. Совмещение изображений объектов в условиях неточного описания их образов // Вопросы радиоэлектроники. 2020. № 4. С. 6–9. DOI 10.21778/2218-5453-2020-4-6-9 УДК 621.396.96

А. А. Блудов1 1 АО

«Научно-производственное предприятие «Радар ммс»

СОВМЕЩЕНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЙ ОБЪЕКТОВ В УСЛОВИЯХ НЕТОЧНОГО ОПИСАНИЯ ИХ ОБРАЗОВ Атрибутом современных робототехнических систем, систем управления безэкипажными транспортными средствами является машинное зрение, опирающееся на обработку изображений от высокоинформативных датчиков радиолокационного или оптикоэлектронного типов. Эффективные процедуры обработки и распознавания изображений основаны на использовании морфологических признаков образов объектов, отличающихся высокой пространственно-временной стабильностью. В работе рассмотрен один из аспектов проблемы морфологического анализа изображений, связанный с влиянием погрешностей опорных контурных описаний объектов. С привлечением разработанного аналитического аппарата показано, что результатом подобных погрешностей является снижение контраста объект/фон и, как следствие, возрастание ошибок сопоставления изображений. Степень этого возрастания зависит от типа объекта (площадной, линейный) и его характеристик (размер, контраст). Обоснованы практические рекомендации по допустимому уровню ошибок представления описаний объектов. Ключевые слова: машинное зрение, морфологический анализ, сопоставление изображений

Введение Системы технического зрения (СТЗ) и цифро‑ вой анализ изображений находят все большее при‑ менение в различных областях науки и техники, таких как интеллектуальные робототехнические комплексы, системы навигации и управления дви‑ жущимися объектами, системы автоматического сопровождения и другие. Прогресс в области радиовидения обеспечил всепогодное и круглосу‑ точное применение этих систем. Важное направление в технологии машинного зрения связано с задачей поиска и оценки коорди‑ нат заданного объекта на сцене наблюдения, пред‑ ставленной обычно ее двухмерной проекцией. Эф‑ фективным аппаратом решения задачи являются методы морфологического анализа изображений объектов, основанные на использовании такого признака-инварианта, как форма объекта [1]. Традиционным способом представления формы объекта является контурное описание в одном из цифровых форматов [2]. Несмотря на очевидные достижения технологии подготовки образов объек‑ тов, основанной на использовании детальных фото, видеоматериалов, процесс формирования контур‑ ного препарата всегда сопровождается погреш‑ ностями. Подобные погрешности, заключающиеся в неточной передаче информации об объекте, будут оказывать влияние на качество работы алгоритмов распознавания, в частности – на точность решения поисковой задачи. 6

В связи с этим приобретает актуальность задача оценки негативного влияния эффектов, обусловлен‑ ных неточностью эталонного описания образов объ‑ ектов. Ее решению посвящена настоящая работа. Основные соотношения Рассмотрим простую сцену, на основе которой сформировано опорное изображение А (рис. 1). Изображение содержит две связные области: область объекта яркостью a2 и область фона яр‑ костью a1. Подобный сюжет часто встречается, на‑ пример, в системах сопровождения объектов по их изображениям. СТЗ формирует наблюдение Z, представляющее собой изображение сцены, которое искажено шу‑ мами информационного датчика системы. В работах [3, 4] предложен морфологический ал‑ горитм сопоставления изображений, включающий следующие операции: • выделение на опорном изображении связных областей (в рассматриваемом случае это обла‑ сти объекта и фона); • вычисление оценок яркости связных областей по наблюдаемому изображению Z nj

a! j = (n j )−1 ∑ zi( j ) ,

(1)

i=1

где zi(j) – яркость i-го элемента (дискрета) на‑ блюдаемого изображения Z, соответствующего

Вопросы радиоэлектроники, 4/2020

Радиолокация и радионавигация j-й связной области изображения А; nj – количе‑ ство элементов (дискрет) в j-й связной области; • вычисление меры сходства изображений с ис‑ пользованием вместо эталонных яркостей обла‑ стей их оценок вида (1).

2 1

Применительно к изложенной постановке за‑ дачи аналитическое выражение для точности со‑ вмещения изображений получено в работе [5]

Δ σ= , l (c −1)q

(3)

(4)

а эффективный контраст будет равен

Δs Δs a! 2 a2 − 0,5 s (a2 − a1 ) c − 0,5 s (c −1) ce = ! = = . (5) a1 a + 0,5 Δs (a − a ) 1 + 0,5 Δs (c −1) 1 2 1 sf sf

Площадь невязок Δs можно оценить с помощью криволинейного интеграла модуля функции j(x), vre.instel.ru

Рисунок 1. Опорное изображение А: 1 – фактический контур объекта; 2 – эталонное описание контура объекта

описывающей ошибку отображения контура объ‑ екта (рис. 1):

Δs = ∫ ϕ(x) dx ≈ lΔ ϕ(x) ,

(6)

где ϕ(x) – математическое ожидание случайной величины |j(x)|. Допуская, что ошибка отображения контура под‑ чиняется нормальному распределению с нулевым математическим ожиданием и дисперсией σc2, по‑ лучаем

где ka – коэффициент асимметрии, равный относи‑ тельной доле отрицательных невязок; Δs – общая площадь невязок; s – площадь объекта; sf – площадь фоновой области изображения. При равной доле отрицательных и положитель‑ ных невязок ka = 0,5, поэтому выражения для оценок яркости приобретают вид Δs a! 2 = a2 − 0,5 (a2 − a1 ); s Δs a! 1 = a1 + 0,5 (a2 − a1 ), sf

ϕ(x)

(2)

где σ – среднее квадратическое отклонение ошибки совмещения изображений; Δ – линейный размер дискрета изображения; l – длина контура изображе‑ a ния объекта в дискретах; c = 2 – контраст объект/ a1 фон; q – величина действующего при наблюдении отношения сигнал/шум. Выражение (2) справедливо для гипотезы об ад‑ дитивном гауссовском шуме информационного дат‑ чика СТЗ. На рис. 1 помимо фактического контура объекта изображено его эталонное описание. Области не‑ совпадения контуров назовем невязками; в зави‑ симости от того, увеличивают они или уменьшают площадь объекта, невязки будут условно положи‑ тельными или отрицательными. Для оценок яркостей объекта и фона имеют ме‑ сто следующие соотношения: Δs Δs a! 2 = a2 − ⎡⎢ ka a2 − (1 − ka ) a1 ⎤⎥ ; s ⎦ ⎣ s ⎡ Δs Δs ⎤ a! 1 = a1 + ⎢ ka a2 − (1 − ka ) a1 ⎥ , s f ⎥⎦ ⎢⎣ s f

Δs = lΔ

2 σ c ≈ 0,7979lΔσ c . π

(7)

Для линейных объектов s = lΔ2 и относительная невязка равна

2 σc σ Δs = ⋅ ≈ 0,8 c . s π Δ Δ

(8)

Для площадных объектов при их аппроксимации равновеликой окружностью диаметром D

Δs 0,8lΔσ c σ = ≈ 3,2 c . s D πD 2 4

(9)

Как следует из формул (5), погрешности опи‑ сания контура объекта приводят к деградации контраста объект/фон. С целью количественной s оценки этого эффекта введем параметр γ = , sf равный отношению площадей объекта и фо‑ новой области на изображении. Тогда выраже‑ ние (5) для эффективного контраста примет вид 7

Радиолокация и радионавигация

8 ce(c)

6 4

2 0

Δs (c −1) s ce = . Δs 1 + 0,5 γ(c −1) s c − 0,5

6 c

Рисунок 2. Деградация контраста при неточном отображении контура объекта (Δs/s = 0,1): 1 – малый объект (γ = 0,1); 2 – крупный объект (γ = 1)

4,5

3 1 1,5 2 0 0,4

0,6

0,8

Результаты аналитического моделирования На рис. 2 приведены графики, иллюстрирующие снижение контраста при обработке изображений малых (γ = 0,1) и крупных (γ = 1) объектов. Видно, что в последнем случае данный эффект особенно выражен и для контрастных объектов достигает примерно 35%. В соответствии с (2) следствием эффекта сниже‑ ния контраста является увеличение ошибки совме‑ щения изображений. На рис. 3 приведены графики зависимости приведенной погрешности совмеще‑ σ σ ния изображений ⎛ ⎞ от параметра x = c . ⎝ Δ⎠ Δ Приведенные графики построены для значений l = 30 и q = 4. Из их рассмотрения видно, что зависи‑ σ σ мость ⎛ c ⎞ носит выраженный асимптотический Δ⎝ Δ ⎠ характер, обусловленный неопределенностью в (2) при стремлении эффективного контраста к единице. Представляет интерес оценка сверху допусти‑ мой погрешности отображения контура объекта. Такая оценка может быть получена из условия ce > 1, при котором

1,2

(10)

c − 0,5

Δs Δs (c −1) >1 + 0,5 γ(c −1). s s

(11)

Δs Δc = 0,8 , по‑ s Δ лучаем, что при подготовке контурного препарата для линейных объектов должно обеспечиваться ус‑ ловие Подставляя в неравенство (11)

а) 5

Заметим, что оценка (12) не зависит ни от раз‑ мера, ни от исходного контраста изображения ли‑ нейного объекта. В практическом случае при γ ~ 1 погрешность подготовки контурного препарата не должна превышать величины дискрета изобра‑ жения. Для площадных объектов при аппроксимации их Δs σ равновеликой окружностью = 3,2 c выполнение s D неравенства (11) обеспечивается при условии

2 1 0

1 2 1

1,5

2,5

б) Рисунок 3. Зависимость приведенной погрешности совмещения изображений от параметра

σc , 1 → c = 1,2; 2 → c = 4: Δ

а – л инейный объект; б – площадной объект

2,5 Δ. 1+ γ

σc <

(12)

1 σc D < ⋅ ; Δ Δ 1,6(1 + γ )

d σc < Δ, 1,6(1 + γ )

Вопросы радиоэлектроники, 4/2020

(13)

Радиолокация и радионавигация где d – диаметр эквивалентной окружности, выра‑ женный в дискретах. Как и в случае линейных объектов, оценка сверху погрешности оконтуривания площадного объекта не зависит от исходного контраста его изображения. Заключение Точность сопоставления изображений, представ‑ ленных морфологическими признаками, является важной характеристикой алгоритмов машинного

зрения. Полученные аналитические соотношения позволяют оценить влияние на эту характеристику погрешностей подготовки контурных образов объ‑ ектов. Рассмотрены асимптотические требования к контрасту объект/фон, на основе которых обосно‑ ваны оценки сверху для погрешностей оконтурива‑ ния объектов. Показано, что величина этих оценок зависит от типа объектов интереса, дискретности их представления и соотношения площадей объ‑ екта и фона на изображении.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Визильтер Ю. В., Желтов С. Ю. Сравнение и локализация фрагментов изображений с использованием проективных морфологий // Вестник компьютерных и информационных технологий. 2008. № 2. С. 14–22. 2. Фурман Я. А. и др. Введение в контурный анализ. М.: Физматлит, 2003. 592 с. 3. Пытьев Ю. П. Морфологический анализ изображений // Доклады АН СССР. 1983. Т. 269. № 5. С. 1061–1064. 4. Пытьев Ю. П., Куличков А. И. Методы морфологического анализа изображений. М.: Физматлит, 2010. 336 с. 5. Блудов А. А., Колтышев Е. Е., Минкин Д. Ю. Радиолокационные методы навигации по картам местности. СПб.: Вла‑ дос, 2011. 208 с.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ Блудов Александр Александрович, д. т. н., профессор, главный научный сотрудник, АО «Научно-производствен‑ ное предприятие «Радар ммс», Российская Федерация, 197375, Санкт-Петербург, ул. Новосельковская, д. 37, лит. А, тел.: 8 (812) 600‑04‑27, e-mail: bludov_aa@radar-mms.com. For citation: Bludov A. A. Combining of objects images under conditions of inaccurate description of their images. Issues of radio electronics, 2020, no. 4, pp. 6–9. DOI 10.21778/2218-5453-2020-4-6-9 A. A. Bludov

COMBINING OF OBJECTS IMAGES UNDER CONDITIONS OF INACCURATE DESCRIPTION OF THEIR IMAGES An attribute of modern robotic systems and control systems for unmanned vehicles is a machine vision, which is based on processing of images obtained from highly informative radar or optoelectronic sensors. Effective image processing and recognition procedures are based on use of morphological features of objects images with high space-time stability. This paper considers one of the aspects of images morphological analysis related to the influence of errors in the reference contour descriptions of objects. With use of developed analytical apparatus it is shown that the result of such errors is a decreasing of object/background contrast and, as a result, increasing of image comparison errors. The degree of this increase depends on the object type (area, linear) and its characteristics (size, contrast). Practical recommendations on the acceptable level of errors in the representation of object descriptions are justified. Keywords: machine vision, morphological analysis, image comparison

REFERENCES 1. Vizilter Yu. V., Zheltov S. Yu. Comparison and localization of image fragments using projective morphologies. Vestnik kompyuternykh i informatsionnykh tekhnologii, 2008, no. 2, pp. 14–22. (In Russian). 2. Furman Ya. A., et al. Vvedenie v konturnyi analiz [Introduction to contour analysis]. Moscow, Fizmatlit Publ., 2003, 592 p. (In Russian). 3. Pytev Yu. P. Morphological analysis of images. Doklady AN SSSR, 1983, vol. 269, no. 5, pp. 1061–1064. (In Russian). 4. Pytev Yu. P., Kulichkov A. I. Methods of morphological analysis of images [Metody morfologicheskogo analiza izobrazhenii]. Moscow, Fizmatlit Publ., 2010, 336 p. (In Russian). 5. Bludov A. A., Koltyshev E. E., Minkin D. Yu. Radiolokatsionnye metody navigatsii po kartam mestnosti [Radar methods of navigation on maps]. Saint-Petersburg, Vlados Publ., 2011, 208 p. (In Russian).

AUTHOR Bludov Alexander, D. Sc., professor, principal research fellow, «NPP «Radar mms» JSC, 37A, Novoselkovskaya St., SaintPetersburg, 197375, Russian Federation, tel.: +7 (812) 600‑04‑27, e-mail: bludov_aa@radar-mms.com

vre.instel.ru

Радиолокация и радионавигация Для цитирования: Орешкина М. В., Киселев А. В. Дискретное представление отражающих свойств земной поверхности при имитации эхосигналов от нее // Вопросы радиоэлектроники. 2020. № 4. С. 10–13. DOI 10.21778/2218-5453-2020-4-10-13 УДК 621.37

М. В. Орешкина1, А. В. Киселев1 1

Новосибирский государственный технический университет

ДИСКРЕТНОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ОТРАЖАЮЩИХ СВОЙСТВ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ИМИТАЦИИ ЭХОСИГНАЛОВ ОТ НЕЕ* При имитации эхосигналов от земной поверхности с использованием методов цифрового моделирования одной из основных задач является построение дискретной модели местности. Чем больше шаг ее дискретизации, тем меньшее количество вычислений необходимо для воссоздания сигнала. С другой стороны, слишком крупный шаг приводит к значительным погрешностям в его параметрах. В статье рассмотрена задача определения необходимого шага дискретизации при условии обеспечения имитации сигналов с заданной точностью. Предложенный подход основан на анализе дисперсии и корреляционной функции сигнала на выходе согласованного фильтра приемника радиолокационной станции (РЛС), полученного при подаче на ее вход имитируемого эхосигнала. Получены выражения для расчета частоты дискретизации в зависимости от особенностей распределения отражающих свойств покровов и параметров зондирующего сигнала РЛС. Эти выражения могут быть применены для построения моделей местности, используемых для имитации эхосигналов. Ключевые слова: отражения от поверхности Земли, цифровое моделирование, зондирующий сигнал

Введение В настоящее время большой интерес пред‑ ставляют лабораторные испытания и оценка па‑ раметров РЛС с использованием специальных устройств – имитаторов эхосигналов [1–3]. Эти устройства позволяют моделировать реальную ра‑ диолокационную обстановку, включающую помехо‑ вые отражения, в том числе эхосигналы от земной поверхности [1, 2]. Традиционно [2–6] при описании земной поверх‑ ности выделяют несколько категорий покровов (трава, леса, жилые постройки, снег и другие), каж‑ дому из которых присущи определенные отражаю‑ щие свойства, задаваемые зависимостью удельной эффективной поверхности обратного рассеяния (УЭПР) от углов визирования. Местоположение участков, занятых покровом каждого из этих видов, и их конфигурацию определяют по карте местности [2–5]. Наиболее простые модели предполагают од‑ нородность покрова в пределах участка [2, 4, 6, 7]. Алгоритмы имитации отражений от земной по‑ верхности предполагают ее представление на‑ бором элементарных отражателей, эффективная поверхность рассеяния которых зависит от типа подстилающего покрова в данной точке [1–5, 8].

Такое дискретное задание отражающих свойств не‑ избежно приводит к ошибкам в значениях параме‑ тров имитируемого сигнала [8, 9]. Точность можно повысить, уменьшая шаг дискретизации, однако это приводит к росту объема вычислений, необхо‑ димых для формирования имитируемого сигнала. Поэтому вопрос выбора максимального значения шага, необходимого для обеспечения заданной точ‑ ности моделирования, является актуальным. При моделировании работы наземных РЛС кру‑ гового обзора окружающую местность можно пред‑ ставить как двумерный массив отражателей [2] с по‑ стоянным шагом (по сути, шагом дискретизации), размещаемых по координатам (азимут и наклонная дальность). Вопрос о выборе шага дискретиза‑ ции по азимутальной координате был рассмотрен в [9]. В данной работе основное внимание уделим дискретизации по радиальной координате, то есть по наклонной дальности. Цель работы – обосновать требования к шагу дискретизации по наклонной дальности при зада‑ нии отражающей способности земной поверхности. Область исследования ограничим имитацией эхосигналов применительно к решению РЛС за‑ дач обнаружения, опуская известные явления,

* Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 19‑37‑90103.

Вопросы радиоэлектроники, 4/2020

Радиолокация и радионавигация Таким образом, отклик представляет собой слу‑ чайный процесс с нулевым математическим ожида‑ нием. Рассмотрим влияние дискретного представ‑ ления σ(t) на его статистические характеристики, такие как мощность и автокорреляционная функция.

обусловленные многолучевым распространением (антипода и др.). Рассмотрим земную поверхность как совокуп‑ ность большого числа отражающих элементов. Эхосигнал, приходящий от m-го отражателя, можно записать в виде [10]:

Мощность сжатого импульса Мощность сжатого эхосигнала H(t) определя‑ ется его дисперсией:

SÓÚ1 (t) ~Y (tm )exp( jϕ(tm )) s!Á (t − tm ),

2rm – время задержки фронта волны от m-го c отражателя; rm – расстояние от антенны РЛС до отра‑ жателя; с – скорость света; Y (tm ) = F (tm )ξ(tm ) – ам‑ σ(tm ) плитудная функция; F (tm ) = ; ξ(tm) – нормаль‑ (4π)3 rm4 ный случайный процесс с нулевым математическим ожиданием и единичной дисперсией; σ – УЭПР; j – начальная фаза (принимает случайные значения в диапазоне от 0 до 2π); sз(t) – зондирующий сигнал РЛС; j – мнимая единица. Тогда эхосигнал, приходящий от бесконечного количества отражателей (реальной непрерывной поверхности Земли), имеющих одинаковое азиму‑ тальное положение, при условии постоянства уси‑ ления антенн по углу места где tm =

G D ( f ) ∼ Gσ ( f ) G B ( f ),

где GD, Gσ, GB – спектры (изображения Фурье) функ‑ ций Dс, σ(t) и B2. При дискретном задании распределения покро‑ вов по поверхности Земли и функции σ(t) можно за‑ писать:

Dc (t) ∼ ∑ σ(tn )∗ B 2 (t − tn ),

(2)

n=1

где tn – значения задержек, для которых берутся от‑ счеты распределения УЭПР на поверхности Земли tn = nTd; Td – шаг дискретизации; N – количество от‑ счетов. Дискретизация функции σ(t) ведет к периодиза‑ ции ее спектра с шагом fd = 1/Td и к известному явле‑ нию, называемому наложением спектров. При этом если область, в которой возникают наложения, вхо‑ дит в область, ограниченную GB(f), то спектр функ‑ ции (2) будет отличаться от спектра функции (1). Введем порог ε, ниже которого значениями Gσ(f) и GB(f) допустимо пренебречь (рис. 1). Он определяет

H (t) ~ ∫ σ(tm )ξ(tm )exp( jϕ(tm )) s!Φ (t − tm )dtm ,

где s!Φ ( t ) =

(1)

где D[…] – обозначение операции вычисления дис‑ персии; * – з нак операции свертки. Перейдем в частотную область. Нетрудно за‑ метить, что выражение (1) представляет собой свертку двух функций σ(t) и B2(t). Поэтому спектр Dc(t) можно выразить как произведение функций

SÓÚ (t) ∼ ∫ Y (tm )exp( jϕ(tm )) s!Á (t − tm )dtm ,

0 τ

где T – длительность эхосигнала от поверхности. В тракте РЛС осуществляются усиление сиг‑ нала, преобразования частоты и согласованная фильтрация – сжатие принятого эхосигнала [9–10]. Считая, что каскады приемника компенсируют ослабление эхосигналов с ростом дальности, а операции усиления и преобразования линейны, сигнал на выходе фильтра сжатия можно предста‑ вить как

= ∫ σ(tm )B (t − tm )dtm = σ(tm )∗ B (t − tm ),

⎡T ⎤ Dc (t) ∼ D ⎢ ∫ σ(tm )ξ(tm )exp( jϕ(tm )) s!Φ (t − tm )dtm ⎥ = ⎢⎣ 0 ⎥⎦

∫ s!Á (t1 )s!Á (t − t 1 )dt1 = B(t)exp(− j(2πf0t + ϕ(t)), *

−τ

B(t) и j(t) – огибающая и фаза сжатого зондирую‑ щего импульса; f0 – центральная частота сжатого импульса.

|GB(f)| |Gσ(f)|

ε –1/Td

–f2

–f1

1/Td

Рисунок 1. Модули спектров Gs(f), GB(f)

vre.instel.ru

Радиолокация и радионавигация –30

УЭПР, дБ

–40

–50

–60

–70

Наклонная дальность, км

Рисунок 2. Зависимость удельной эффективной поверхности обратного рассеяния от наклонной дальности

уровень ошибок, который признается допустимым и может задаваться, например, исходя из суммар‑ ной мощности составляющих, попадающих в отсе‑ каемую часть спектров. Пусть f1 и f2 (рис. 1) – ча‑ стоты, выше которых GB(f) и Gσ(f) принимаются равными нулю. Тогда из условия пересечения GB(f) и Gσ(f) на уровне ε получим требования к частоте и шагу дискретизации по задержке Td = 1/fd ≤ 1/(f1 + + f2) и наклонной дальности Dd ≤ c/2(f1 + f2). Автокорреляционная функция сжатого импульса При моделировании сжатый сигнал должен иметь автокорреляционную функцию (АКФ), иден‑ тичную полученной при оптимальной фильтрации реальных отражений от земной поверхности. Для карты местности, представленной дискрет‑ ными отсчетами УЭПР, АКФ сигнала будет иметь вид M

Rc (t,Δτ) ∼ ∑ σ(tm )R(t − tm ,Δτ), m=1

где R(t – tm, Δτ) – автокорреляционная функция оги‑ бающей сжатого зондирующего импульса. Видно, что вычисление АКФ тоже представляет собой свертку. Однако теперь вместо B2(t) вы‑ ступает функция R(t – tm, Δτ). Проводя аналогию с предыдущими выкладками, можно определить значение частоты f1, выше которой спектр функ‑ ции R(t – tm, Δτ) будет ниже порога ε. При этом из всего диапазона возможных значений Δτ нужно выбрать такое, при котором спектр R(t – tm, Δτ) имеет наибольшую ширину и соответствующая f1

максимальна. Тогда, как и ранее, Td = 1/fd ≤ 1/(f1 + + f2) и Dd ≤ c/2(f1 + f2). Результаты численного моделирования Для проверки полученных соотношений был проведен численный эксперимент. Рассматрива‑ лась имитация эхосигналов РЛС с разрешением по наклонной дальности порядка 30 м. В качестве распределения УЭПР вдоль наклонной дальности при выбранном азимутальном направлении были взяты экспериментальные данные из [2] (рис. 2). От распределения, включавшего 10 тыс. отсчетов при шаге 1,5 м, было взято преобразование Фу‑ рье. Затем для ε, соответствующих относительным уровням отсекаемой части спектра порядка 1, 2 и 5% от суммарной мощности, получены f1, соответ‑ ствующие шагу дискретизации УЭПР порядка 15, 17 и 21 м, вместо 1,5 м для исходной карты. Примечательно, что для поверхности, имеющей постоянную УЭПР, как и ожидалось, получили f1 = 0. Заключение Полученные соотношения обосновывают вы‑ бор шага дискретизации распределения покровов по поверхности Земли и позволяют рассчитать его максимальное значение при заданном уровне оши‑ бок, обусловленных дискретным представлением поверхности. В частности, для рассмотренного при‑ мера удалось снизить шаг дискретизации в 10–14 раз при погрешности задания УЭПР 1–5%. Эти ре‑ зультаты могут быть использованы при формирова‑ нии модели земной поверхности для последующего математического и имитационного моделирования.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Тверской Г. Н., Терентьев Г. К., Харченко И. П. Имитаторы эхосигналов судовых радиолокационных станций. СПб.: Судостроение, 1973. 224 с. 2. Billingsley J. B. Low-angle radar land clutter – measurement and empirical models. New York, William Andrew, 2002. 719 p.

Вопросы радиоэлектроники, 4/2020

Радиолокация и радионавигация 3. Kulemin G. P. Millimeter-wave radar targets and clutter. Boston, Artech House, 2003. 327 p. 4. Nathanson F. E., Reilly J. P., Cohen M. Radar design principles: signal processing and the environment. New York, McGrawHill, 1991. 720 p. 5. Кулемин Г. П., Горошко Е. А., Тарнавский Е. В. Пространственно-временные характеристики обратного рассеяния от земной поверхности // Успехи современной радиоэлектроники. 2004. № 12. С. 60–70. 6. Richards M. A., Scheer J. A., Holm W. A. Principles of modern radar: basic principles. Edison, Scitech Publishing, 2010. 960 p. 7. Быков В. В. Цифровое моделирование в радиотехнике. М.: Советское радио, 1970. 327 c. 8. Орешкина М. В., Киселев А. В. Влияние дискретности цифровой карты земной поверхности на точность моделирова‑ ния эхосигналов от нее // Вопросы радиоэлектроники. 2018. № 4. С. 10–13. 9. Кук Ч., Берифельд М. Радиолокационные сигналы. М.: Советское радио, 1971. С. 568. 10. Скольник М. И. Справочник по радиолокации. М.: Техносфера, 2014.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ Орешкина Маргарита Валерьевна, аспирант, Новосибирский государственный технический университет, Российская Федерация, 630073, Новосибирск, пр-т Карла Маркса, д. 20, тел.: 8 (383) 364‑15‑46, e-mail: oreskina.m@yandex.ru. Киселев Алексей Васильевич, д. т. н., профессор, заведующий кафедрой радиоприемных и радиопередающих устройств, Новосибирский государственный технический университет, Российская Федерация, 630073, Новосибирск, пр-т Карла Маркса, д. 20, тел.: 8 (383) 346‑15‑46, e-mail: nil_rtu@ngs.ru. For citation: Oreshkina M. V., Kiselev A. V. Discrete representation of terrain reflections for land clutter simulation. Issues of radio electronics, 2020, no. 4, pp. 10–13. DOI 10.21778/2218-5453-2020-4-10-13 M. V. Oreshkina, A. V. Kiselev

DISCRETE REPRESENTATION OF TERRAIN REFLECTIONS FOR LAND CLUTTER SIMULATION The formation of a discrete terrain model is one of the tasks of simulation of land clutter simulation using digital modeling methods. The smaller the sampling step is, the fewer calculations are needed to recreate the echo signal. On the other hand, too large the step leads to significant errors in the parameters of a simulated signal. The article considers the task of determining the necessary sampling step provided that the signals are simulated with a given accuracy. The approach proposes the analysis of the dispersion and autocorrelation function of the signal at the output of the matched filter of the radar station receiver that is obtained by transmitting a simulated echo signal to receiver input. The expressions are obtained for calculating the sampling frequency depending on the distribution properties of terrain reflections and the probing signal parameters. They can be used to build terrain models for echo signal simulation. Keywords: terrain reflection, digital modeling, echo signal

REFERENCES 1. Tverskoy G. N., Kharchenko G. K., Terentev I. P. Imitatory ekhosignalov sudovykh radiolokatsionnykh stantsii [Echo shipboard radar simulators]. Saint-Petersburg, Sudostroenie Publ., 1973, 224 p. (In Russian). 2. Billingsley J. B. Low-angle radar land clutter – measurement and empirical models. New York, William Andrew, 2002, 719 p. 3. Kulemin G. P. Millimeter-wave radar targets and clutter. Boston, Artech House, 2003, 327 p. 4. Nathanson F. E., Reilly J. P., Cohen M. Radar design principles: signal processing and the environment. New York, McGrawHill, 1991, 720 p. 5. Kulemin G. P., Goroshko E. A., Tarnavskiy E. V. Spatial-temporal characteristics of backscattering from the Earth’s surface. Uspekhi sovremennoy radioelektroniki, 2004, no. 12, pp. 60–70. (In Russian). 6. Richards M. A., Scheer J. A., Holm W. A. Principles of modern radar: basic principles. Edison, Scitech Publishing, 2010, 960 p. 7. Bykov V. V. Cifrovoe modelirovanie v statisticheskoj radiotehnike [Digital modeling in statistical radio engineering]. Moscow, Sovetskoe radio Publ., 1970, 327 p. (In Russian). 8. Oreshkina M. V., Kiselev A. V. Vliyanie diskretnosti tsifrovoy kartyi zemnoy poverhnosti na tochnost modelirovaniya ehosignalov ot nee. Issues of radio electronics, 2018, no. 4, pp. 10–13. (In Russian). 9. Cook C. E., Bernfeld M. Radar signals: an introduction to theory and application. Artech House, 1993, 552 p. 10. Skolnik M. I., editor. Radar handbook. 3rd ed. McGraw-Hill, 2008, 1328 p.

AUTHORS Oreshkina Margarita, postgraduate student, Novosibirsk State Technical University, 20, Karl Marx Ave., Novosibirsk, 630073, Russian Federation, tel.: +7 (383) 364‑15‑46, e-mail: oreskina.m@yandex.ru. Kiselev Aleksey, D. Sc., professor, head of the Department of radio receivers and radio transmitters, Novosibirsk State Technical University, 20, Karl Marx Ave., Novosibirsk, 630073, Russian Federation, tel.: +7 (383) 346‑15‑46, e-mail: nil_rtu@ngs.ru.

vre.instel.ru

Радиолокация и радионавигация Для цитирования: Кирпанев А. В., Кирпанев Н. А. Принципы исследования антенн с обтекателем регулярной формы с помощью сферического сканера // Вопросы радиоэлектроники. 2020. № 4. С. 14–21. DOI 10.21778/2218-5453-2020-4-14-21 УДК 621.396.67

А. В. Кирпанев1, Н. А. Кирпанев1 1

АО «Научно-производственное предприятие «Радар ммс»

ПРИНЦИПЫ ИССЛЕДОВАНИЯ АНТЕНН С ОБТЕКАТЕЛЕМ РЕГУЛЯРНОЙ ФОРМЫ С ПОМОЩЬЮ СФЕРИЧЕСКОГО СКАНЕРА В статье предложен метод определения характеристик на основе амплифазометрических измерений ближнего поля системы «антенна – радиопрозрачный обтекатель» с помощью сферического сканера. Метод основан на определении составляющих амплитудных спектров однородных плоских волн через амплитуды векторных сферических волн испытуемой антенны и системы «антенна – радиопрозрачный обтекатель». Предполагается, что обтекатель имеет регулярную форму поверхности и является однослойным. Предложенный метод, кроме определения характеристик излучения, позволяет для заданной поляризации поля антенны определить комплексный коэффициент прохождения обтекателя как функцию пространственных частот. Помимо этого, показана возможность оценки комплексной диэлектрической проницаемости однослойного обтекателя как с помощью вычисления составляющих однородных плоских волн, так и непосредственно по восстановленным составляющим поля на внешней поверхности обтекателя. Предложены пути исследования радиофизических характеристик обтекателя. Ключевые слова: радиопрозрачный обтекатель, дальнее поле, ближнее поле, сканер ближнего поля, диэлектрическая проницаемость

Введение Методы определения характеристик излуче‑ ния по измерениям в ближней зоне давно вошли в практику экспериментального исследования ан‑ тенн больших волновых размеров [1–3]. Обычно ан‑ тенны больших волновых размеров имеют плоский раскрыв и достаточно узкую диаграмму направлен‑ ности, а их ближнее поле излучения существенно уменьшается за границами апертуры. Последним объясняется больший интерес к определению ха‑ рактеристик излучения остронаправленных антенн по измерениям их ближнего поля с помощью пла‑ нарного сканера [4–6]. Известно [2], что диаграмма направленности (ДН) испытуемой антенны по ре‑ зультатам планарных измерений достоверно вос‑ станавливается в следующем угловом секторе:

β = ±arctg

L−D , 2d

(1)

где L – размер плоскости сканирования; D – наи‑ больший линейный размер исследуемой антенны; d – расстояние от антенны (от плоскости решетки, например) до плоскости сканирования. Чтобы ис‑ ключить взаимное влияние между испытуемой ан‑ тенной и антенной-зондом, достаточно выполнить условие d ≥ 5λ, где λ – длина волны. На практике антенна, как правило, распола‑ гается под радиопрозрачным обтекателем или 14

радиопрозрачным укрытием. При этом расстоя‑ ние от апертуры антенны до наружной передней стенки обтекателя может составлять, например, (1–2)D. Учитывая, что d > 2D, а L, как правило, редко превышает (1,5–2)D, угловой сектор β мо‑ жет существенно уменьшиться. Кроме того, для антенн с электромеханическим сканированием необходимо определять характеристики системы «антенна – радиопрозрачный обтекатель» (далее – «антенна – обтекатель») при максимальных углах отклонения антенны. Успешно преодолеть указанные выше труд‑ ности можно, если исследовать характеристики системы «антенна – обтекатель» с помощью сфе‑ рического сканера. Обтекатель, как известно, вли‑ яет на все характеристики размещенной под ним антенны [7–13]. Одна из наиболее распространенных кинемати‑ ческих реализаций сферического сканера показана в упрощенном виде на рис. 1. Основной поток излучаемой мощности при вы‑ полнении измерений с помощью сканера, показан‑ ного на рис. 1, направлен вдоль оси OZ декарто‑ вой системы координат, совпадающей с осью 1–1 (рис. 1). На рис. 2 представлена практическая реа‑ лизация подобного сканера [14]. Другие варианты исполнения сферических сканеров приведены на рис. 3 и 4. На рис. 3

Вопросы радиоэлектроники, 4/2020

Радиолокация и радионавигация

θ-ось

Испытуемая антенна

ϕ-ось Зонд

Зонд

Антенна θ

Поворотный стол

Рисунок 1. Наиболее распространенная схема сферического сканера

Измерительный зонд

Рисунок 2. Сферический сканер с испытуемой рефлекторной антенной Испытуемая антенна

ϕ-ось Ось зонда

Антенна-зонд

ОПУ θ

Рисунок 3. Сферический сканер с двухкоординатным опорно-поворотным устройством

сферическое сканирование реализуется с по‑ мощью двухкоординатного опорно-поворотного устройства (ОПУ). В этом случае сканирование вы‑ полняется на небольшом участке сферы и, следо‑ вательно, подходит для остронаправленных антенн с узкой ДН. Сферический сканер, представленный на рис. 4, позволяет выполнять измерения в значительно большей области сферы [15]. Во всех случаях ме‑ таллические поверхности элементов сканера не‑ обходимо закрывать радиопоглощающим матери‑ алом (РПМ). Основной поток излучаемой мощности при вы‑ полнении измерений с помощью сканеров, показан‑ ных на рис. 3 и 4, направлен вдоль оси OX декарто‑ вой системы координат, связанной с испытуемой антенной или системой «антенна – обтекатель». Аналогичная геометрия соответствует мобильному сферическому сканеру (рис. 5). vre.instel.ru

θ-ось

Испытуемая антенна

Рисунок 4. Один из вариантов сферического сканера

Особенности сетки зондирования и ориен‑ таций апертур испытуемых антенн приведены на рис. 6 [15]. Рассматриваемый далее метод исследования характеристик системы «антенна – обтекатель» со‑ ответствует варианту рис. 6б. 15

Радиолокация и радионавигация Методы решения Составляющие напряженности электрического поля испытуемой антенны в дальней зоне опреде‑ ляются известными выражениями [16]:

Постановка задачи Обычно экспериментальное исследование си‑ стем «антенна – обтекатель» предполагает опре‑ деление характеристик излучения в дальней зоне испытуемой антенны без обтекателя, а затем – в системе «антенна – обтекатель». Вместе с тем также целесообразно найти комплексный коэффи‑ циент прохождения обтекателя и оценить его ди‑ электрическую проницаемость. Учитывая, что об‑ текатель заданной формы может использоваться для различных антенн и углов сканирования, же‑ лательно определить комплексный коэффициент прохождения обтекателя для всех угловых направ‑ лений сектора сканирования размещенной под ним антенны.

∂

∑ ∑ i n eimϕ (bnm ∂θPnm (cosθ) + n=1 m=−n

m Pnm (cosθ)), +iµωanm sin θ

Eϕ =

Рисунок 5. MVG StarBot 4300 – мобильный сферический сканер с дуговой зондовой решеткой

2k e −ikr π r

Eθ =

2k e −ikr π r

∑ ∑ i n+1 eimϕ (bnm sin θPnm (cosθ) + n=1 m=−n

∂ +iµωanm Pnm (cosθ)), ∂θ

anm =

µω(2n +1)(n − m)! r0

π 2π

4πn(n +1)(n + m)!H (2)1 (kr0 ) ∫0 n+

×(cosθ) − iEϕ (r0 ,θ,ϕ)

∫ (Eθ (r0,θ,ϕ)mPn

∂Pnm (cosθ) ∂θ

sin θ)e −imϕ dθdϕ,

Y X

а)

б)

Рисунок 6. Варианты сеток зондирования в зависимости от способа сканирования: а – д ля сканеров, изображенных на рис. 1 и 2; б – для сканеров, изображенных на рис. 3–5

Вопросы радиоэлектроники, 4/2020

× (4)

(3)

где r, θ, j – сферические координаты; k = 2π/λ – вол‑ новое число; λ – длина волны; ω – угловая частота; μ – магнитная проницаемость среды; Pnm (cosθ) – присоединенный полином Лежандра, anm, bnm – под‑ лежащие определению амплитуды векторных сфе‑ рических волн; N = kra + 10 – число удерживаемых векторных сферических волн [15]; ra – минимальный радиус сферы, в который вписывается испытуемая антенна. Равенства (2) и (3) определяют составля‑ ющие поля Eθ и Ej в пространственно-частотной области, при этом временной множитель имел вид eiωt. Амплитуды anm и bnm определяются с помощью амплифазометрических измерений на сфере ради‑ уса r0 следующими равенствами

(2)

Радиолокация и радионавигация

(2n +1)(n − m)!r0 bnm = ∂ 4πn(n +1)(n + m)! ( r H (2)1 (kr))r=r0 n+ ∂r 2 ×

∂Pnm (cosθ) ∂θ

π 2π

∫ ∫ (Eθ (r0,θ,ϕ) × 0

(5)

sinθ − iEθ (r0 ,θ,ϕ)mPnm (cosθ))e −imϕ dθdϕ,

где Eθ(r0, θ, j) и Ej(r0, θ, j) – измеренные с помощью сферического сканера составляющие напряжен‑ ности электрического поля антенны; H (2)1 (kr) – ци‑ n+

векторных сферических волн anm ′ и bnm ′ системы «антенна – обтекатель». Однако в этом случае число удерживаемых векторных сферических волн существенно возрастает, так как уже зависит от ра‑ диуса сферы rа_о, в которую полностью вписывается система «антенна – обтекатель», и определяется равенством Nа_о = krа_о + 10 [15]. Составляющие век‑ торного амплитудного спектра системы «антенна – обтекатель» определяются выражениями Fy (k y ,kz ) = Ay (k y ,kz )Ty (k y ,kz ) =

линдрическая функция Ханкеля второго рода. При исследовании системы «антенна – обтека‑ тель» на первом этапе на основе измерений с по‑ мощью сферического сканера определяются со‑ ставляющие векторного амплитудного спектра однородных плоских волн Ay(ky, kz) и Az(ky, kz) испы‑ туемой антенны без обтекателя через значения anm и bnm [17]. Для расположения антенны и способа ска‑ нирования, соответствующего варианту на рис. 6б: Ay (k y ,kz ) = −

N n ky i i n exp(imarcsin )× ∑ ∑ 2 π 2π k n=1 m=−n k − kz2 (6)

×(bnm K nm (k y ,kz ) + anmΩ m n (k y ,kz )),

Az (k y ,kz ) =

i k 2 − kz2

1 2 2 2 π 2π k k − k y − kz

k Pnm (kz k)

∑ ∑ i n( n=1 m=−n

k 2 − kz2

anm )exp(imarcsin

bnm × 2

ky k 2 − kz2

где ky = ksinθsinj, kz = kcosθ – независимые проек‑ ! ции вектора k, определяющие направление рас‑ пространения однородной плоской волны. При этом k x = k 2 − k y2 − kz2 , а K nm (k y ,kz ) и Ω m n (k y ,k z ) опреде‑ ляются равенствами

K nm (k y ,kz ) = i

=−

i π 2π k

k y kz mk 2 m × 2 2 Pn + k − kz 2 (k 2 − kz2 )(k 2 − k y2 − kz2 )

⎛ ⎞ ky n i exp imarcsin ⎜ ⎟ × (8) ∑ ∑ ⎜⎝ k 2 − kz2 ⎟⎠ n=1 m=−n

N a_o

×(bnm ′ Ωm ′ K nm (k y ,kz ) + anm n (k y ,k z )), Fz (kz ,k y ) = Az (kz ,k y )Tz (kz ,k y ) = =

i k 2 − kz2

1 2 2 π 2π k 2 k − k y − kz

k Pn|m| (kz k) k

− kz2

kµω k 2 − kz2

k y kz m (k 2 − kz2 )(k 2 − k y2 − kz2 )

vre.instel.ru

ky 2

k − kz2

(9)

A Xп X

На втором этапе исследуется система «ан‑ тенна – обтекатель» по измерениям с помощью сферического сканера составляющих Eθ (r0′,θ,ϕ) и Eϕ (r0′,θ,ϕ) на сфере радиуса r0′, окружающей об‑ текатель с размещенной под ним антенной. На ос‑ нове равенств (4) и (5) определяются амплитуды

n=0 m=−n

bnm ′ × 2

где Ty(ky, kz) и Tz(ky, kz) – комплексные коэффици‑ енты прохождения обтекателя для y и z составляю‑ щих напряженности электрического поля. Состав‑ ляющими Fy(ky, kz) и Fz(ky, kz) определяется поле во внешней области по отношению к наружной по‑ верхности обтекателя (рис. 7), включая так называ‑ емую область фиктивного раскрыва [8]. Составляющие Ty(ky, kz) и Tz(ky, kz) являются комплексными гладкими функциями, которые

Pnm ×

1 ×(kz k) − [(n − m +1)(n + m)Pnm−1 (kz k) − Pnm+1 (kz k)]). 2

∑ ∑ i n(

anm ′ )exp(imarcsin

×[(n − m +1)(n + m)Pnm−1 (kz k) − Pnm+1 (kz k)],

Ωm n (k y ,k z ) =

N a_o

×[(n − m +1)(n + m)Pn|m−1| (kz k) − Pn|m+1| (kz k)]+ +iµωm

×[(n − m +1)(n + m)Pnm−1 (kz k) − Pnm+1 (kz k)]+ (7) +iµωm

ϕп

B Yп Обтекатель

Испытуемая антенна

Рисунок 7. Исследуемая система «антенна – обтекатель»

Радиолокация и радионавигация определяют влияние обтекателя на характеристики излучения антенны. Если испытуемая антенна яв‑ ляется остронаправленной, то их непосредственное определение с помощью равенств (8) и (9) ослож‑ няется наличием нулевых значений составляющих Ay(ky, kz) и Az(ky, kz). Тем не менее это можно сде‑ лать в угловом секторе, соответствующем области главного лепестка, например, в точке O фиктивного раскрыва А-В. Диэлектрическая проницаемость обтекателя ε определяется путем вычисления составляющих поля с помощью равенств для испытуемой антенны

k ⎧ − ixk x − iyk y − ik z z E (x, y,z) = Ay (k y ,kz )e dk y dkz , ⎪ y ∫ ∫ ⎪ −k (10) ⎨ k ⎪ −ixkx −iyk y −ikz z dk y dkz , ⎪ E z (x, y,z) = ∫ ∫ Az (k y ,kz )e −k ⎩

и для системы «антенна – обтекатель»

k ⎧ − ixk x − iyk y − ik z z E (x, y,z) = Fy (k y ,kz )e dk y dkz , ⎪ y ∫ ∫ ⎪ −k (11) ⎨ k ⎪ −ixkx −iyk y −ikz z dk y dkz , ⎪ E z (x, y,z) = ∫ ∫Fz (k y ,kz )e −k ⎩

где k x = k 2 − k y2 − kz2 . Для остронаправленных ан‑ тенн область апертурного поля определяется усло‑ вием [20] r‡ÔÂ ≤ 0,6D D λ, где D – размер апертуры антенны. Поле антенны (составляющая y) на вну‑ тренней стенке обтекателя в точке О (рис. 7) опре‑ деляется равенством k

E y (d‚Ì ,0,0) = ∫ ∫ Ay (k y ,kz )e

− id ‚Ì k

dk y dkz ,

(12)

−k

а на наружной стенке k

E y (dÌ‡ ,0,0) = ∫ ∫Fy (k y ,kz )e

− id Ì‡ k

dk y dkz ,

(13)

−k

где dнар = dвн + d. В этом случае коэффициент про‑ хождения через стенку обтекателя в точке О опре‑ делится выражением

TÒÚ y (0,0) =

E y (dÌ‡ ,0,0) E y (d‚Ì ,0,0)

(14)

После определения Tст y(0, 0) диэлектрическая проницаемость ε однослойного обтекателя с тол‑ щиной стенки d может быть найдена с помощью итерационной процедуры из уравнения [18, 19].

TÒÚ y (0,0) =

1 − R2 ξ, 1 − R 2 ξ2

(15)

1− ε – коэффициент отражения от гра‑ 1+ ε ницы «воздух – диэлектрик» в точке О, ξ = e −ik ε d . где R =

Коэффициент прохождения и диэлектрическую проницаемость можно определить и при макси‑ мальных углах отклонения испытуемой антенны (рис. 7). Математически проще эта задача реша‑ ется при отклонении антенны по азимуту. Состав‑ ляющие Fy(ky, kz) и Fz(ky, kz) определяются в откло‑ ненной на угол jп системе координат XпYпZп, в свою очередь, через амплитуды векторных сферических волн с учетом поворота по координате j. В этом случае R и ξ будут зависеть от угла между линией координатной оси Xп и нормалью к внутренней по‑ верхности обтекателя. Зная геометрию обтекателя, этот угол несложно определить. Следует заметить, что к полю, излучаемому ан‑ тенной, прибавляется поле, отраженное от обтека‑ теля, падающее на антенну и заантенное простран‑ ство и вторично переизлучаемое через обтекатель. Последнее приведет к методической погрешности определения характеристик обтекателя по приве‑ денным выше соотношениям. Однако при правиль‑ λ ном выборе толщины стенки (d кратна ) вто‑ 2 ε ричным рассеянием можно пренебречь. Предложенными выше способами можно опре‑ делить характеристики облучателя для всех ky и kz области передней полусферы, если использовать слабонаправленный облучатель, в качестве ко‑ торого может служить открытый конец волновода с основной волной Н10 (рис. 8). Чтобы ослабить вторичное рассеяние, заантен‑ ное пространство укрыто РПМ. Так как антенна является слабонаправленной и нули отсутствуют, то Ty(ky, kz) и Tz(ky, kz) определяются для всех углов –90° ≤ j ≤ 90° и 0 ≤ θ ≤ 180°. Значения ε можно найти во всех точках обтекателя области передней полу‑ сферы как с помощью приведенной выше мето‑ дики, так и непосредственно через составляющие Eθ и Ej, которые рассчитываются по измерениям на сфере без обтекателя и с обтекателем, соответ‑ ственно, на поверхностях, соответствующих вну‑ тренней и наружной стенкам. При этом, например,

Ty (0,0) =

E y (dÌ‡ ,0,0) E y (d‚Ì ,0,0)

(16)

Значения ε(θ, j) определяются методом итера‑ ций с помощью равенства (15) с учетом угла паде‑ ния сферической волны, излученной волноводом, на внутреннюю поверхность обтекателя. Обтекатель одинаковой формы может исполь‑ зоваться для различных антенн. Если экспери‑ ментально определены составляющие Ay(ky, kz) и Az(ky, kz) испытуемой антенны, то после нахож‑ дения Ty(ky, kz) и Tz(ky, kz) с помощью слабонаправ‑ ленной антенны (рис. 8) составляющие векторного амплитудного спектра системы «антенна – обтека‑ тель» будут иметь вид

Вопросы радиоэлектроники, 4/2020

Радиолокация и радионавигация

⎪⎧ Fy (k y ,kz ) = Ay (k y ,kz )Ty (k y ,kz ), ⎨ ⎪⎩ Fz (k y ,kz ) = Az (k y ,kz )Tz (k y ,kz ).

(17)

Составляющие дальнего поля системы «ан‑ тенна – обтекатель» в сферической системе коор‑ динат определяются равенствами ⎧ e −ikr Fz (k y ,kz )cosθ, ⎪⎪ Eθ = −i2πk r (18) ⎨ −ikr ⎪ E = i2πk e (Fy (k y ,kz )sin θ + Fz (k y ,kz )cosθsin ϕ). ⎪⎩ ϕ r Если Fy(ky, kz) и Fz(ky, kz) определить по непосред‑ ственным измерениям системы «антенна – обтека‑ тель», то можно оценить влияние вторичного поля на результат. Заключение Предложенные методы определения характе‑ ристик системы «антенна – обтекатель» по изме‑ рениям на сферической поверхности позволяют исследовать как остронаправленные, так и слабо‑ направленные излучающие системы в области пе‑ редней полусферы. Методы могут найти примене‑ ние для экспериментального исследования антенн

РПМ

Волновод

Рисунок 8. Обтекатель со слабонаправленной антенной

радиолокационных систем переднего обзора. Ме‑ тоды основываются на связи для рассматриваемой излучающей системы составляющих векторного амплитудного спектра однородных плоских с ам‑ плитудами векторных сферических волн. Работо‑ способность подобного подхода была подтверж‑ дена ранее с помощь натурного эксперимента по определению поля в раскрыве испытуемой ан‑ тенны [21].

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Захарьев Л. Н., Леманский А. А. и др. Методы измерения характеристик антенн СВЧ. М.: Радио и связь, 1985. 368 с. 2. Бахрах Л. Д., Кременецкий С. Д. и др. Методы измерения параметров излучающих систем в ближней зоне. Л.: Наука, 1985. 272 с. 3. Yaghjian A. D. An overview of near-field antenna measurements // IEEE Trans. Antennas Propag. 1986. Vol. 34. P. 30–45. 4. Kerns D. M. Plane-wave scattering-matrix theory of antennas and antenna-antenna interactions. Washington, U. S. Government Printing Office, 1981. 179 p. 5. Hollis J. S., Lyon T. J., Clayton L. Microwave antenna measurements. 3rd ed. Scientific-Atlanta, 1985. 6. Yell R. W. Antenna measurements. London, Microwave Meas, 1985. P. 375–387. 7. Пригода В. А., Кокунько В. С. Обтекатели антенн летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1978. 288 с. 8. Каплун В. Л. Обтекатели антенн СВЧ. М.: Советское радио, 1974. 239 с. 9. Гуртовник И. Г., Соколов В. И. и др. Радиопрозрачные изделия из стеклопластиков. М.: Мир, 2002. 368 с. 10. Балашов В. М., Бузинов И. А., Смирнов А. О. Оценка погрешностей СВЧ датчиков радиоволнового контроля антен‑ ных обтекателей // Радиопромышленность. 2017. № 4. С. 80–84. 11. Метод измерения угловых ошибок пеленга в системе «антенна-обтекатель» в области сканирования луча ФАР / И. Е. Макушкин, А. Е. Дорофеев, А. Н. Грибанов, С. Е. Гаврилова, А. И. Синани // Вестник Концерна ВКО «Алмаз-Ан‑ тей». 2019. № 2. С. 7–24. 12. Колосов Ю. А., Левков Ф. Е. Об использовании метода стационарной фазы в экспресс-оценке влияния обтекателя на параметры антенны // Антенны. 2012. № 1. С. 23–26. 13. Басков К. М., Федоренко А. М., Федоров С. А. Методика расчета радиотехнических характеристик антенна-обтека‑ тель // Журнал радиоэлектроники. 2016. № 2. 14. Hindman G., Fooshe D. S. Probe correction effects on planar, cylindrical and spherical near-field measurements. Antenna Measurement Techniques Association Conference, 1998. 15. Hansen J. E. Spherical near-field antenna measurements. London, Peter Peregrimus, 1988. 876 p. 16. Ludwig A. C. Near-field far-field transformations using spherical-wave expansion // IEEE. Trans. Ant. and Prop. 1971. Vol. AP‑19. No. 2. P. 214–220. 17. Кирпанев А. В., Лавров В. Я. Идентификация электромагнитных полей и ее применение. СПб.: СПбГУАП, 1999. 140 с. 18. Беляев А. А., Романов А. М. и др. Измерение диэлектрической проницаемости стеклосотопласта в свободном про‑ странстве // Электронный журнал «ТРУДЫ ВИАМ». 2014. № 5. 19. Кобак В. О. Радиолокационные отражатели. М.: Советское радио, 1975. 248 с. 20. Геруни П. М. Антенны сверхвысоких частот. Антенные измерения. Термины и определения. Рекомендация. Ереван: ВНИИРИ, 1990.

vre.instel.ru

Радиолокация и радионавигация 21. Кирпанев А. В., Шубников В. В. Метод амплитудной диагностики апертурных антенн и плоских антенных решеток на основе сферического сканирования ближнего поля // Вопросы радиоэлектроники. 2015. № 2. С. 131–142.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ Кирпанев Алексей Владимирович, д. т. н., доцент, начальник отдела, АО «Научно-производственное предприятие «Ра‑ дар ммс», Российская Федерация, 197375, Санкт-Петербург, ул. Новосельковская, д. 37, лит. А, тел.: 8 (911) 982‑75‑55, e-mail: kirpanev_av@radar-mms.com. Кирпанев Никита Алексеевич, инженер, АО «Научно-производственное предприятие «Радар ммс», Российская Фе‑ дерация, 197375, Санкт-Петербург, ул. Новосельковская, д. 37, лит. А, тел.: 8 (911) 720‑28‑95, e-mail: kirpanev_na@ radar-mms.com. For citation: Kirpanev A. V., Kirpanev N. A. Principles of regular-shaped radome antennas study with a spherical scanner. Issues of radio electronics, 2020, no. 4, pp. 14–21. DOI 10.21778/2218-5453-2020-4-14-21 A. V. Kirpanev, N. A. Kirpanev

PRINCIPLES OF REGULAR-SHAPED RADOME ANTENNAS STUDY WITH A SPHERICAL SCANNER The paper considers the characteristics determination method basing on amplifasometric measurements of near field of the «antenna-radio-transparent radome» system with use of a spherical scanner. The method is based on determination of components of the amplitude spectra of homogeneous plane waves through the amplitudes of vector spherical waves of the tested antenna and the «antenna-radio-transparent radome» system. It is assumed that the radome has a regular surface shape and is a single-layer radome. The proposed method, in addition to determination of radiation characteristics, allows for the given antenna field polarization to determine the complex coefficient of passage thorough the radome as a function of spatial frequencies. It is also shown that it is possible to estimate the complex dielectric permittivity of a single-layer radome, both by calculating the components of uniform plane waves, and directly from the reduced field components on the outer surface of radome. Ways to study the radiophysical characteristics of the radom, are proposed. Keywords: radio-transparent radome, far field, near field, near field scanner, dielectric permittivity

REFERENCES 1. Zakharyev L. N., Lemansky A. A., et al. Metody izmereniya kharakteristik antenn SVCh [Methods for measuring the characteristics of microwave antennas]. Moscow, Radio i svyaz Publ., 1985, 368 p. (In Russian). 2. Bahrakh L. D., Kremenetsky S. D., et al. Metody izmereniya parametrov izluchayushchikh sistem v blizhnei zone [Methods of measuring the parameters of radiating systems in the near zone]. Leningrad, Nauka Publ., 1985, 272 p. (In Russian). 3. Yaghjian A. D. An overview of near-field antenna measurements. IEEE Trans. Antennas Propag., 1986, vol. 34, pp. 30–45. 4. Kerns D. M. Plane-wave scattering-matrix theory of antennas and antenna-antenna interactions. Washington, U. S. Government Printing Office, 1981, 179 p. 5. Hollis J. S., Lyon T. J., Clayton L. Microwave antenna measurements. 3rd ed. Scientific-Atlanta, 1985. 6. Yell R. W. Antenna measurements. London, Microwave Meas, 1985. P. 375–387. 7. Prigoda V. A., Kokunko V. S. Obtekateli antenn letatelnykh apparatov [Fairings of aircraft antennas]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1978, 288 p. (In Russian). 8. Kaplun V. L. Obtekateli antenn SVCh [Fairings of microwave antennas]. Moscow, Sovetskoe radio Publ., 1974, 239 p. (In Russian). 9. Gurtovnik I. G., Sokolov V. I., et al. Radioprozrachnye izdeliya iz stekloplastikov [Radiolucent fiberglass products]. Moscow, Mir Publ., 2002, 368 p. (In Russian). 10. Balashov V. M., Buzinov I. A., Smirnov A. O. Evaluation of errors of microwave sensors for radio wave monitoring of antenna fairings. Radiopromyshlennost, 2017, no. 4, pp. 80–84. (In Russian). 11. Makushkin I. E., Dorofeev A. E., Gribanov A. N., Gavrilova S. E., Sinani A. I. Method for measuring the angular errors of the bearing in the «antenna-fairing» system in the field of scanning the beam of the phased array. Vestnik Kontserna VKO «Almaz-Antei», 2019, no. 2, pp. 7–24. (In Russian). 12. Kolosov Yu. A., Levkov F. Ye. On the use of the stationary phase method in an express assessment of the influence of a radome on antenna parameters. Antenny, 2012, no. 1, pp. 23–26. (In Russian). 13. Baskov K. M., Fedorenko A. M., Fedorov S. A. Method for calculating the radio characteristics of the radome antenna. Zhurnal radioelektroniki, 2016, no. 2. (In Russian). 14. Hindman G., Fooshe D. S. Probe correction effects on planar, cylindrical and spherical near-field measurements. Antenna Measurement Techniques Association Conference, 1998. 15. Hansen J. E. Spherical near-field antenna measurements. London, Peter Peregrimus, 1988, 876 p. 16. Ludwig A. C. Near-field far-field transformations using spherical-wave expansion. IEEE. Trans. Ant. and Prop., 1971, vol. AP‑19, no. 2, pp. 214–220. 17. Kirpanev A. V., Lavrov V. Ya. Identifikatsiya elektromagnitnykh polei i ee primenenie [Identification of electromagnetic fields and its application]. Saint-Petersburg, SPbGUAP Publ., 1999, 140 p. (In Russian).

Вопросы радиоэлектроники, 4/2020

Радиолокация и радионавигация 18. Belyaev A. A., Romanov A. M. et al. Measurement of the dielectric constant of fiberglass in free space. TRUDY VIAM, 2014, no. 5. (In Russian). 19. Kobak V. O. Radiolokatsionnye otrazhateli [Radar reflectors]. Moscow, Sovetskoe radio Publ., 1975, 248 p. (In Russian). 20. Geruni P. M. Antenny sverkhvysokikh chastot. Antennye izmereniya. Terminy i opredeleniya. Rekomendatsiya [Antennas of superhigh frequencies. Antenna measurements. Terms and Definitions. Recommendation]. Yerevan, VNIIRI Publ., 1990. (In Russian). 21. Kirpanev A. V., Shubnikov V. V. Method for amplitude diagnostics of aperture antennas and flat antenna arrays based on spherical scanning of the near field. Issues of radio electronics, 2015, no. 2, pp. 131–142. (In Russian).

AUTHORS Kirpanev Alexey, D. Sc., associate professor, chief of department, «NPP «Radar mms» JSC, 37A, Novoselkovskaya St., SaintPetersburg, 197375, Russian Federation, tel.: +7 (911) 982‑75‑55, e-mail: kirpanev_av@radar-mms.com. Kirpanev Nikita, engineer, «NPP «Radar mms» JSC, 37A, Novoselkovskaya St., Saint-Petersburg, 197375, Russian Federation, tel.: +7 (911) 720‑28‑95, e-mail: kirpanev_na@radar-mms.com.

vre.instel.ru

Радиолокация и радионавигация Для цитирования: Семенов С. А., Фридман А. Е. Уменьшение времени до навигационного решения при включении приемника в режиме теплого старта // Вопросы радиоэлектроники. 2020. № 4. С. 22–26. DOI 10.21778/2218-5453-2020-4-22-26 УДК 629.056.8

С. А. Семенов1, А. Е. Фридман1 1

Московский авиационный институт (Национальный исследовательский университет)

УМЕНЬШЕНИЕ ВРЕМЕНИ ДО НАВИГАЦИОННОГО РЕШЕНИЯ ПРИ ВКЛЮЧЕНИИ ПРИЕМНИКА В РЕЖИМЕ ТЕПЛОГО СТАРТА Статья посвящена проблеме уменьшения времени между включением навигационного приемника и получением им навигационного решения в случае, когда доступная точность начальной синхронизации шкалы времени приемника недостаточна для реализации сценария горячего старта. Предложен и математически обоснован алгоритм, позволяющий достичь средних значений времен ожидания первого решения, характерных для горячего старта, при выполнении условий теплого старта. Новизна представленного подхода заключается во введении в оцениваемый вектор состояния системы дополнительной временной переменной, что позволяет решить навигационную задачу даже при невозможности вычислить псевдодальности навигационных спутников классическими способами. Использование предлагаемого алгоритма открывает широкие перспективы по упрощению и удешевлению навигационных систем, что особенно важно в ряде специальных применений. Приведены результаты апробации описанного метода на реальных измерениях и в серийных изделиях. Ключевые слова: навигационный приемник, горячий старт, GPS

Введение Одной из важнейших характеристик навигацион‑ ного приемника (НП) считается время, которое про‑ ходит от момента включения до получения первых координат. Это время существенно зависит от ус‑ ловий, в которых происходит включение, сами же эти условия обычно группируются в несколько стан‑ дартных сценариев: • горячий старт, при котором НП имеет возмож‑ ность немедленно получить доступ к эфеме‑ ридно-временной информации спутников, из‑ вестны приблизительные координаты и шкала времени приемника может быть выставлена от‑ носительно шкалы времени GPS или ГЛОНАСС с точностью не менее чем в два раза лучшей, чем период дальномерного кода используемой навигационной системы; • теплый старт, при котором выполняются все ус‑ ловия горячего старта, кроме возможности уста‑ новить шкалу времени НП; • холодный старт, при котором неизвестно ничего. В данной работе для простоты изложения (но без снижения общности) рассмотрим сигнал Coarse/ Acquisition (C/A) GPS с периодом повторения даль‑ номерного кода 1 мс. Для быстрейшего получения координат (а это режим горячего старта), кроме 22

получения эфемерид спутников и приблизитель‑ ной позиции, необходимо синхронизовать шкалу времени НП со шкалой GPS с точностью не хуже 0,5 мс. Поясним причины такой оценки точности установки шкалы времени. Для начала решения на‑ вигационной задачи необходимо рассчитать псев‑ додальности спутников, для чего воспользуемся классическим определением псевдодальности, данным А. А. Поваляевым [1]:

ρi = Tri −Tei ,

(1)

где Tei – время излучения i-го сигнала по часам спутника; Tri – время приема i-го сигнала по часам приемника. Под временем излучения и приема сигнала для определенности будем принимать моменты излуче‑ ния и приема нулевой фазы СА-кода, хотя это и не‑ существенно. Tri становится известно практически сразу, как только петли слежения входят в захват, а определение Tei несколько сложнее. Если в мо‑ мент включения питания шкала времени приемника каким-то образом установлена с точностью лучше 0,5 мс (относительно системной), то это ситуация традиционного горячего старта, и Tei определя‑ ется аналитически. Для этого достаточно из Tri вы‑ честь расчетное время распространения сигнала из известной точки излучения (положение спут‑ ника) до приемника, округлить результат до целой

Вопросы радиоэлектроники, 4/2020

Радиолокация и радионавигация ближайшей миллисекунды и учесть известное сме‑ щение часов спутника (учитываем, что нулевая фаза дальномерного кода излучается спутником строго по границе миллисекунды по своей шкале времени). Если же точность привязки шкалы вре‑ мени приемника хуже 0,5 мс, то такой расчет ста‑ новится невозможным, и для определения Tei не‑ обходимо ждать метку времени, передаваемую спутником. В системе GPS такая метка (HOW) [2] передается раз в 6 с. В обычных приемниках для обеспечения горя‑ чего старта используют энергонезависимые часы реального времени, которые некоторый период по‑ сле выключения питания (обычно не более 30 мин) позволяют поддерживать шкалу времени с необ‑ ходимой для него точностью. Однако существует большой класс применений НП, когда требуется минимальное время до получения координат, но не‑ возможно обеспечить условия для горячего старта. В качестве примера приведем часто встречающи‑ еся условия использования НП в специальных при‑ ложениях: • изделие, оснащенное навигационным приемни‑ ком, долгое время хранится на складе в выклю‑ ченном состоянии; • в момент начала использования изделие нахо‑ дится в радионепрозрачном контейнере. На из‑ делие подается питание, и от внешних приборов вводится эфемеридно-временная информация спутников, приблизительные координаты и гру‑ бая метка времени (точность порядка нескольких секунд). Важно, что улучшение точности метки времени сопряжено со значительным увеличе‑ нием сложности системы в целом, и достичь точ‑ ности горячего старта (0,5 с) невозможно; • после выхода изделия из контейнера в зону радиовидимости требуется получить первое ме‑ стоопределение не позже, чем через 1–3 с. Оче‑ видно, что мы имеем ситуацию теплого старта, но с требованием по времени до первого реше‑ ния, как при горячем старте. Разработанный и описанный в статье алгоритм позволяет решить проблему быстрого старта для вышеуказанных условий использования НП. Постановка задачи Предположим, что сразу после включения пи‑ тания в приемник каким-то образом загружена эфемеридная информация и текущие координаты с точностью не хуже 2–3 км. Шкала времени при‑ емника после его запуска установлена с точностью порядка единиц секунд относительно системной шкалы времени. В рамках этих условий необходимо разработать алгоритм, позволяющий получить vre.instel.ru

первое навигационное решение не позднее 2–3 с после включения приемника. Алгоритм быстрого старта Сразу после вхождения петель слежения в за‑ хват (в современном приемнике это занимает не бо‑ лее 1–2 с после включения) доступна следующая информация: • время приема сигнала по шкале приемника. Для определенности под временем приема сигнала будем считать время приема начальной фазы дальномерного кода. Известно, что спутник из‑ лучает эту фазу дальномерного кода строго на границе миллисекунд своей шкалы времени; • примерные координаты приемника с точностью в несколько километров, примерные коорди‑ наты спутников также с точностью в несколько километров (проистекает из точности установки шкалы времени НП в несколько секунд), следо‑ вательно, с такой же точностью мы знаем и рас‑ стояние от НП до спутника, а также время рас‑ пространения сигнала от спутника до НП. Мы не знаем целое количество миллисекунд во времени излучения сигнала спутником, но, ис‑ ходя из точности установки шкалы времени НП, диапазон неопределенности целого числа милли‑ секунд во времени излучения по шкале спутника ограничен. Вообще говоря, можно организовать простой перебор всех комбинаций неопределен‑ ностей по всем спутникам, для каждого набора получить навигационное решение и отобрать наи‑ лучшие комбинации, используя критерий метода наименьших квадратов (МНК). В настоящей работе предлагается гораздо менее затратный с точки зре‑ ния вычислительных ресурсов подход. Пусть ∂Tr – ошибка (неопределенность) уста‑ новки шкалы времени НП относительно системной шкалы GPS или какой-либо другой. Предположим также (для простоты записи, что никак не влияет на конечные результаты), что часы спутника со‑ впадают с системной шкалой GPS. Связь между шкалами спутника и приемника в этом случае вы‑ глядит так:

Tsv = Tr + ∂Tr,

где ∂Tr – ошибка установки времени НП. Далее все времена и интервалы времени пред‑ ставим в виде суммы целого числа миллисекунд и дробной части миллисекунды. Представим ∂Tr как

∂Tr = ∂ϑ + ∂η,

где ∂ϑ – целое число миллисекунд; ∂η – дробная часть миллисекунды. 23

Радиолокация и радионавигация Аналогично время распространения сигнала из точки излучения до точки приема для i-го спут‑ ника: τi =

Tri = ϑ ir + ϕica ,

где ϑ ir – целое число миллисекунд во времени при‑ i ема; ϕ ca – дробная часть миллисекунды во времени приема (эта величина измеряется в петлях слежения приемника как фаза С/А-кода сигнала спутника). Далее выразим время излучения по часам спут‑ ника через время приема по часам приемника, рас‑ хождение шкал приемника и спутника и время рас‑ пространения сигнала: Tei = Tri + ∂Tr − τi = ϑ ir + ϕica + ∂ϑ+ ∂η− ϑ i − ηi .

Учитывая, что дробная часть миллисекунды во времени излучения сигнала по шкале спутника равна нулю, получим соотношение:

после преобразований cρ! i = R u − R isv (Tri − ρ! i ) − Vsvi (Tri − ρ! i )∂ϑ − c ∂Tr + c ∂ϑ, cρ! i = R u − R isv (Tri − ρ! i ) − Vsvi (Tri − ρ! i )∂ϑ − c ∂η.

Далее все как в обычной навигационной задаче. Выберем вектор состояния системы в виде

= ηi − δη+ ϑ i − ∂ϑ = ϕica + ϑ i − ∂ϑ,

В отличие от обычной формы, здесь в вектор состояния входит не просто смещение шкалы вре‑ мени НП, а отдельно его дробная часть и целое число миллисекунд. Уравнение измерений (4) для всей совокупности спутников в матричной форме запишем как:

(2)

Обозначим ρ! i = ϕica + ϑ i , тогда ρi = ρ! i − ∂ϑ.

(3)

" ∂F ! F(X 0 )+ cρ= (X 0 )(X − X 0 )+ ς. ∂X

(5)

Для расчета матрицы направляющих косинусов вычислим частные производные по компонентам вектора состояния: ∇F(X)= H(X)=

= ⎡ h1 ⎢ x ⎢ ... ⎢ N ⎢ hx ⎣

h1y

hz1

V x1h1x +V y1 h1y +Vz1 hz1

...

hxN

V xN hxN +V yN hyN +VzN hzN

1 ⎤ ⎥, (6) ... ⎥ ⎥ 1 ⎥ ⎦

где

С другой стороны,

X svi (Tri − ρ! i ) , Ri Y i (T i − ρ! i ) , hyi = sv r i R Z i (T i − ρ! i ) . hzi = sv r i R

hxi =

ρi = Tri −Tei = Tri − (Tri + ∂Tr − τi )= τi − ∂Tr ,

или cρi = cτi − c ∂Tr .

Расстояние между точкой излучения и точкой приема равно R i = R u (Tri ) − R isv (Tri − ρi ) = R u (Tri ) − R isv (Tri − ρ! i + ∂ϑ). 24

! F ( X ) + ς. cρ=

ρi = ϕica + ϑ i − ∂ϑ.

⎡ x ⎤ ⎢ ⎥ ⎢ y ⎥ X = ⎢ z ⎥. ⎢ ⎥ ⎢ ∂ϑ ⎥ ⎢ ∂η ⎥ ⎣ ⎦

ρi = Tri −Tei = ϑ ir + ϕica − (ϑ ir + ϕica + ∂ϑ + δη− ϑ i − ηi )=

(4)

То же самое в линейном приближении:

На самом деле, правильно будет записать по мо‑ дулю 1 мс, так как в сумме отброшенные дробные доли могут превзойти миллисекунду, но не будем усложнять запись, – это обстоятельство можно легко учесть в конечном алгоритме. С учетом изложенного запишем псевдодаль‑ ность (1) как

cρi = R u − R isv (Tri − ρ! i ) − Vsvi (Tri − ρ! i )∂ϑ − c ∂Tr ,

ηi = ϕica + ∂η.

R i = R u − R isv (Tri − ρ! i ) − Vsvi (Tri − ρ! i )∂ϑ .

Здесь мы учли, что скорость спутника изменя‑ ется достаточно медленно. Окончательно получим:

Ri = ϑ i + ηi , c

где Ri – расстояние от точки излучения до точки приема; ϑi – целое число миллисекунд во времени распространения сигнала; ηi – дробная часть мил‑ лисекунды во времени распространения сигнала. Величина ϑi может быть рассчитана по пример‑ ным координатам спутника и приемника. Кроме того, представим время приема i-го сиг‑ нала по часам приемника как

В линейном приближении по ∂ϑ

(7)

Таким образом, получена линеаризован‑ ная система уравнений относительно компонент вектора состояния системы, которая решается

Вопросы радиоэлектроники, 4/2020

Радиолокация и радионавигация стандартными методами, многократно описанными в литературе, например в [3]. На основании вышеизложенного построим алго‑ ритм решения навигационной задачи: 1. Принимаем в качестве начального приближения вектора состояния априорную позицию НП и ну‑ левые значения смещений времени. 2. Вычисляем матрицу направляющих косинусов, согласно уравнениям (6) – (7), для текущего на‑ чального значения вектора состояния. 3. Решаем линейную систему (5) любым извест‑ ным способом и получаем уточненное значение вектора состояния. 4. Проверяем условие необходимости продолже‑ ния уточнения вектора состояния (им может быть наложено ограничение на минимальное измене‑ ние вектора состояния или просто ограничение на количество проделанных итераций). Если не‑ обходимо продолжить уточнение, возвращаемся к п. 2. Важно заметить, что ∂ϑ в (4) входит как множи‑ тель при скорости спутника, а не света, как смеще‑ ние часов в обычной навигационной задаче. Это означает, что при обычных ошибках измерений в петлях приемника в единицы метров ошибка ∂ϑ составит несколько миллисекунд, то есть точно вос‑ становить шкалу времени приемника, как это про‑ исходит в обычной задаче, не получится. Временная привязка по-прежнему будет иметь ошибку в еди‑ ницы миллисекунд, то есть данный алгоритм дает координаты с обычной точностью, но их привязка к шкале времени GPS имеет неопределенность в единицы миллисекунд. Но даже при скорости объекта в несколько км/с это дает дополнитель‑ ную погрешность в несколько метров, что вполне допустимо для предполагаемой области примене‑ ния. Считается, что как только НП-приемник полу‑ чит со спутника сообщение HOW, время излучения

будет установлено обычным способом, и приемник перейдет на решение традиционной навигационной задачи. Апробация результатов Для проверки работоспособности предложен‑ ного алгоритма и изучения условий его сходимости была разработана программная модель. В каче‑ стве входных данных использовались сырые из‑ мерения, полученные с приемника, разработанного по заказу Центра волоконно-оптических систем передачи информации (ВОСПИ). После обработки сырых измерений от НП был получен следующий результат: когда неопределенность начальной уста‑ новки шкалы времени НП не превышает 5 с, а гео‑ метрический фактор точности не превышает 4, то практически в 100% случаев достигается успеш‑ ная сходимость алгоритма и получение навигацион‑ ного решения за время, не превышающее 2 с после включения приемника. Данный результат был оце‑ нен заказчиком как удовлетворяющий поставлен‑ ным задачам. Заключение Разработанный алгоритм позволил решить по‑ ставленную задачу – уменьшить время ожидания первого навигационного решения в случае, когда доступная точность начальной синхронизации шкалы времени приемника недостаточна для ре‑ ализации сценария горячего старта. Несмотря на некоторые ограничения, он вполне может быть применен в большинстве приложений, в которых требуется быстрое решение, но нет возможности оснастить систему энергонезависимыми часами достаточной точности. На основании полученных результатов в дальнейшем предложенный алго‑ ритм был успешно реализован в навигационном приемнике. Эксплуатация НП, оснащенного опи‑ санным алгоритмом, подтвердила его работоспо‑ собность.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Поваляев А. А. Спутниковые радионавигационные системы: время, показания часов, формирование измерений и определение координат. М.: Радиотехника, 2008. 324 с. 2. Интерфейсный контрольный документ, ICD-GPS‑240 [Электронный ресурс]. 2019. 39 c. URL: http://www.gps.gov/ technical/icwg/#icd-gps‑240 (дата обращения: 21.03.2020). 3. Поваляев А. А. Об оценке максимального правдоподобия в многошкальном измерительном устройстве // Радиотех‑ ника и электроника. 1976. № 5. С. 1042–1049.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ Семенов Сергей Александрович, к. т. н., научный сотрудник, Московский авиационный институт (Национальный исследо‑ вательский университет), Российская Федерация, 125993, Москва, Волоколамское ш., д. 4, e-mail: ls_semenov@rambler.ru. Фридман Александр Ефимович, к. т. н., Московский авиационный институт (Национальный исследовательский уни‑ верситет), Российская Федерация, 125993, Москва, Волоколамское ш., д. 4, e-mail: aleks.fridman@gmail.com.

vre.instel.ru

Радиолокация и радионавигация For citation: Semenov S. A., Fridman A. E. Reducing time to navigation solution in warm start mode. Issues of radio electronics, 2020, no. 4, pp. 22–26. DOI 10.21778/2218-5453-2020-4-22-26 S. A. Semenov, A. E. Fridman

REDUCING TIME TO NAVIGATION SOLUTION IN WARM START MODE The article is devoted to the problem of reducing the time between switching on the navigation receiver and getting a navigation solution in the case when the available accuracy of the initial synchronization of the receiver’s time scale is insufficient for the implementation of a hot start scenario. An algorithm is proposed and mathematically justified that allows achieving the average waiting time for the first solution, typical for a hot start, when the conditions for a warm start are met. The novelty of the presented approach consists in the introduction of an additional time variable into the estimated state vector of the system, which allows solving the navigation problem even if it is impossible to calculate the pseudodalities of navigation satellites using classical methods. The use of the proposed algorithm opens up wide prospects for simplifying and reducing the cost of navigation systems, which is especially important in a number of special applications. The results of testing the described method on real measurements and in mass-produced products are presented. Keywords: navigation receiver, hot start, warm start, GPS

REFERENCES 1. Povalyaev A. A. Sputnikovye radionavigatsionnye sistemy: vremya, pokazaniya chasov, formirovanie izmerenii i opredelenie koordinat [Satellite navigation systems: time, time scales, generation of measurements and determination of coordinates]. Moscow, Radiotekhnika Publ., 2008, 324 p. (In Russian). 2. Interface control document, ICD-GPS‑240, 2019, Available at: http://www.gps.gov/technical/icwg/#icd-gps‑240 (accessed 21.03.2020). 3. Povalyaev A. A. On maximum likelihood estimation in a multi-scale measuring device. Radiotekhnika i elektronika, 1976, no. 5, pp. 1042–1049. (In Russian).

AUTHORS Semenov Sergey, Ph. D., Moscow Aviation Institute (National research university), Russian Federation, 125993, Moscow, Volokolamskoe Rd., 4, e-mail: ls_semenov@rambler.ru. Fridman Alexander, Ph. D., Moscow Aviation Institute (National research university), Russian Federation, 125993, Moscow, Volokolamskoe Rd., 4, e-mail: aleks.fridman@gmail.com.

Вопросы радиоэлектроники, 4/2020

Техника СВЧ Для цитирования: Алексейцев С. А., Горбачев А. П. Анализ согласования двухдиапазонного излучателя дипольного вида с концевым питанием и коаксиального кабеля // Вопросы радиоэлектроники. 2020. № 4. С. 27–31. DOI 10.21778/2218-5453-2020-4-27-31 УДК 621.396.678

С. А. Алексейцев1, А. П. Горбачев1 1

Новосибирский государственный технический университет

АНАЛИЗ СОГЛАСОВАНИЯ ДВУХДИАПАЗОННОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ ДИПОЛЬНОГО ВИДА С КОНЦЕВЫМ ПИТАНИЕМ И КОАКСИАЛЬНОГО КАБЕЛЯ Вопрос двух/многодиапазонного излучения с одного монолитного антенного модуля в настоящее время является актуальным в условиях совершенствования как гражданских, так и оборонных систем беспроводной связи. В работе приведены результаты анализа вопросов согласования двухдиапазонных излучателей дипольного вида с концевым питанием (ИДВКП) с коаксиальными кабелями стандартных волновых сопротивлений. Основное внимание уделено формулировке необходимых требований к пространству параметров системы и частотному диапазону. В связи с этим исследована возможность сокращения объема вычислений на ранних этапах формирования облика излучателя, включающих в себя строгие методы расчета поля в ближней зоне, за счет неодинакового влияния зависимых параметров на входной импеданс излучателя. В качестве аппарата анализа электродинамических свойств рассматриваемой системы используется метод наведенных электродвижущих сил из теории цилиндрических излучателей, зарекомендовавший себя как один из наиболее эффективных в данной области техники. Ключевые слова: входной импеданс, критериальный подход, метод наведенных электродвижущих сил

Введение Известно, что двухдиапазонные излучатели, формирующие две различные диаграммы направ‑ ленности с одной конструктивно-компоновочной единицы, находят широкое применение при постро‑ ении антенных систем различного назначения [1–7]. При этом в связи с совершенствованием коммер‑ ческих пакетов прикладного электродинамического моделирования процесс проектирования двухдиа‑ пазонных излучателей все в большей степени зави‑ сит от сложной многокритериальной оптимизации параметров последних. Кроме того, развитие при‑ кладного электродинамического моделирования в значительной мере уменьшает участие самого разработчика в процессе проектирования излу‑ чателя. Обе эти тенденции весьма рельефно про‑ являются при разработке печатных конструкций новых двухдиапазонных излучателей. В частно‑ сти, в связи с проектированием двухдиапазонных ИДВКП актуальны следующие вопросы: • не в полной мере решена задача проектирова‑ ния двухдиапазонных излучателей с целью их последующего применения в многодипольных антенных системах; • недостаточно проработан вопрос влияния сим‑ метрирующих устройств (СУ) различных геоме‑ трий на характеристики ИДВКП; vre.instel.ru

• открытым остается вопрос максимального раз‑ несения обоих частотных диапазонов ИДВКП (другими словами: не оценены предельно-до‑ стижимые (потенциальные) характеристики ИДВКП). В соответствии с изложенным ниже рассма‑ тривается задача двухдиапазонного согласования двух линейных ИДВКП со стандартными коаксиаль‑ ными кабелями. Формулировка задачи двухдиапазонного согласования ИДВКП Анализу подлежит система, которая состоит из двух параллельно соединенных линейных ИДВКП, расположенных в свободном пространстве (рис. 1). Для решения поставленной задачи источник возбуждения считается подключенным ко входу, а фазовый набег вдоль неизлучающих отрезков линий передачи в местах параллельного соедине‑ ния двух ИДВКП считается пренебрежимо малым по сравнению с длиной излучающих проводни‑ ков. На основе метода наведенных ЭДС из теории проволочных излучателей [8] и представления си‑ стемы, согласно рис. 1, как СВЧ-многополюсника записываются выражения для касательной состав‑ ляющей вектора E вблизи поверхности ИДВКП и входного импеданса: 27

Техника СВЧ

взаимного импеданса CI α = Ci(kd Aα ), SI α = Si(kd Aα ); SI α = Si(kd Aα ); Dα – аргумент специальных функ‑ ций собственного импеданса, D1 = ka, D2 = kl( 4 + (a l)

⎧⎪ ⎡ e − jkR1l 1 Ez = I sin kl ( ) ⎨ m ⎢ 3 (z − l)(1 + jkR1l ) − j 4πωε r ε0 ⎩⎪ ⎣ R1l

−

⎤ e − jkR2 l 3 (z + l)(1 + jkR2l ) ⎥ − R2l ⎦

(1)

⎡ ⎡ e − jkR1l e − jkR2 l ⎤ e − jkR0 ⎤ ⎪⎫ + −kI m ⎢cos(kl) ⎢ ⎥ ⎬, ⎥−2 R2l ⎦ R0 ⎥⎦ ⎭⎪ ⎢⎣ ⎣ R1l

Z in =

Z11Z22 − Z221 , Z11 − 2Z21 + Z22

(2)

где R1l = r 2 + (z − l)2 , R2l = r 2 + (z + l)2 , R0 = r 2 + z 2 – пространственные аргументы функции Грина для свободного пространства (не показаны на рис. 1); k – волновое число свободного пространства; z – продольная координата плеча ИДВКП; l – длина плеча; r – расстояние между излучателями (r = d). Проведя интегрирование и необходимые матема‑ тические операции, можно получить в замкнутой форме выражения для собственного Z11 и взаим‑ ного Z21 импедансов элементов системы (рис. 1):

D2 = kl( 4 + (a l)2 + 2),

D3 = kl( 4 + (a l)2 − 2),

D4 = kl( 1 + (a l)

D4 = kl( 1 + (a l)2 +1), D5 = kl( 1 + (a l)2 −1); v1 = 3; v2 = = 0,5; v3 = 0,5; v4 = –2; v5 = –2; a – радиус плеча. Aα – аргументы специальных функций взаимного импеданса, связанные с геометрическими параме‑ трами излучателя:

A1 =

1 − sin(arctg(Δl d)) 1 + sin(arctg(Σl d)) , A2 = , (5) 1 + sin(arctg(Δl d)) 1 − sin(arctg(Σl d))

A3 =

1 − sin(arctg(Σl d)) 1 + sin(arctg(Δl d)) , A4 = , (6) 1 + sin(arctg(Σl d)) 1 − sin(arctg(Δl d))

A5 =

1 − sin(arctg(l2 d)) 1 − sin(arctg(−l2 d)) , A6 = . (7) 1 + sin(arctg(l2 d)) 1 + sin(arctg(−l2 d))

Здесь l1 и l2 – длины первого и второго ИДВКП соответственно, Δl = l1 – l2, Σl = l1 + l2. Проанализи‑ руем выражения (2–4) с точки зрения возможности двухдиапазонного согласования системы на рис. 1. ⎛ sin(kl 4 + (a l)2 ) sin(ka) ⎞ Z11 Минимально необходимым числом характеристик 2 = sin (kl) ⎜ − ⎟+ 2 произвольной многодипольной системы, требуемым ka ⎠ 60 ⎝ kl 4 + (a l) для ее анализа, является пара собственного (Zii) ⎛ cos(kl 4 + (a l)2 ) cos(ka) ⎞ и взаимного (Zij) импедансов, где индексы прини‑ − + j sin 2 (kl) ⎜ ⎟ + (3) 2 мают все значения из множества числа элементов. ka ⎝ kl 4 + (a l) ⎠ Выделим подпространство физически реали‑ N зуемых параметров (l1, l2, d): Ω = ! 3 \ (( p,l2 ,d) ∪(l1, p,d) ∪(l1, + ∑ vα [ Ci(Dα ) − jSi(Dα )]; Ω = ! 3 \ (( p,l2 ,d) ∪(l1, p,d) ∪(l1,l2 , p)), где p = {0, ∞}. Для всего Ω предел α=1 lim Z11,Z 21 не определен. По этой причине исклю‑ − jkd Aα f →0 N +1 − B ( α )+2 A e Z 21 чим из рассмотрения сечение (l1, l2, d, f) при f = {0}. α = j ∑ (−1)α+1 e jkl2 (−1) + Волновой характер (3) обусловлен наличием CI 2 d( Aα +1) α=1 волнового числа k во всех аргументах тригономе‑ − B ( α )+2 1 N −1 + k ∑ CI α (e jkl2 (−1) [(−1)B(α)+1 − j ctg(kl2 )]) + трических и специальных функций, входящих в (3) 2 α=1 и (4). При этом само волновое число k входит и как N −1 − B ( α )+2 свободный член, внося также модуляционный ха‑ 1 + k ∑ SI α (e jkl2 (−1) [ j(−1)− B(α)+2 − ctg(kl2 )]) + рактер в абсолютное значение (2). Кроме точки 2 α=1 f = {0} также существуют особые частотные точки N +1 C ( α )+1 вида kl = ±πn, где n – натуральное число. +k ∑ CI α (e jkl2 (−1) [(−1)C (α)+1 + j ctg(kl2 )]) + (4) α=5 Зададим анализируемый частотный диапазон N +1 [fl; fh = 2fl]. Рассмотрим функцию обобщенного ар‑ C ( α )+1 +k ∑ SI α (e jkl2 (−1) [ j(−1)−C (α)+2 + ctg(kl2 )]) + гумента argi = kji(l1, l2, d), фигурирующую во всех α=5 аргументах тригонометрических и специальных +l2 −1 sinc −1 (kl2 )( jCi(k( d 2 + l12 − l1 )) + функций (3) и (4). В ней k имеет смысл масштаб‑ ного множителя для пространства (l1, l2, d), опре‑ +Si(k( d 2 + l12 − l1 )) − j2Ci(kd) − 2Si(kd) + деляя, таким образом, растяжение/сжатие (2) по соответствующим координатам. Разобьем Ω + jCi(k( d 2 + l12 + l1 )) + Si(k( d 2 + l12 + l1 ))), на непересекающиеся множества следующим об‑ где C = j60 k sin(kl1 ); N = 5; B(α), C(α) – параме‑ разом: Ω= { f }∪{l}∪{d}, где {l} – множество длин тры степеней знакопеременных слагаемых, B(α) = ИДВКП; {d} – множество межэлементных расстоя‑ = σ(α – ((N + 1)/2 – δ)), C(α) = σ(α – ( N + 1 – δ)); ний, мощность которого определяется как: α – индекс по количеству слагаемых; σ(x) – функ‑ Nl ! ция Хевисайда; δ – бесконечно малый скаляр; (8) d = , 2!(N l − 2)! CIα, SIα – коэффициенты слагаемых в выражении 28

Вопросы радиоэлектроники, 4/2020

Техника СВЧ Zin, Ом 5000

4000

f = 1,18f0

3000 Противофазный делитель мощности 1:1

2000

Re(Zin)

f = 0,75f0

1000 0

Вход

–1000 Рисунок 1. Схема расположения исследуемой системы излучателей

–2000 –3000 –4000

в котором Nl – число ИДВКП. Влияние этих мно‑ жеств на (2) неодинаково, и на основе их разделе‑ ния по значимости можно существенно уменьшить время анализа данных структур как на этапе ана‑ литического рассмотрения, так и на последующих этапах математического моделирования, в том числе в процессе оптимизации. Параметр d определяет абсолютное значение самой функции (2) за счет того, что, во‑первых, не входит в аргументы частнотно-зависимых функ‑ ций, имеющих полюсы ctg(x) и sinc–1(x), во‑вторых, входит в знаменатель первого слагаемого (4). Инте‑ гральные оценки влияния параметров k и d

∑

ξik (d) =

8 kh

∑∫ i=1 kl

0,01

0,02

0,03

0,04 l2, м

0,05

Zin, Ом 3000

l1 = 0,5λ0 l2 = 0,6λ0

2000

Re(Zin) d

1000

(9)

–1000 Im(Zin)

∧

∂ f (k,d)i dd ∂d d _min

∑ ξid (k) = ∑ ∫ i=1

(10)

на затухающие слагаемые (3) и (4) приблизи‑ тельно одинаковы, однако вклад самих специ‑ альных функций Ci(x) и Si(x) в результат в Ω пре‑ небрежимо мал, поскольку они ограничены в Ω значениями 0 – δ и π + δ для достаточно больших значений аргументов. В (9) и (10) подынтеграль‑ ная функция имеет смысл обобщенной частоты для всех остальных параметров аргументов спе‑ циальных функций. Проиллюстрируем графически результат влияния параметров d и k на характери‑ стики (2) (рис. 2 и 3). Вариация параметра d в обоих случаях видоиз‑ меняет график по оси ординат, тогда как смена ча‑ стоты на рис. 2 приводит к сдвигу графиков в про‑ странстве {l}. Оценивание предельных возможностей согласования двухдиапазонного ИДВКП с коаксиальным кабелем Представим графически в общем виде дина‑ мику движения подпространства допустимых зна‑ чений Re(Z in ) ⊂ ρ01...ρ02 ,Im(Z in ) ≈ 0, обозначаемого vre.instel.ru

0,07

Рисунок 2. Графики входного импеданса при вариации параметров d и k и при l1 = const

–2000 8 d _ max

0,06

∧

∂ f (k,d)i dk ; ∂k

Im(Zin)

–5000

–3000 –4000

f0 2

2,4

2,8 3,2 f, ГГц

3,6

Рисунок 3. Графики частотной зависимости входного импеданса при вариации параметра d при l1 = const, l2 = const

далее как Ω1, в пространстве {l} вдоль координаты f с учетом влияния {d} (рис. 4). Пространство Ω1 получается из подпростран‑ ства Ω присвоением каждой точке последнего комплексного числа Re(Zin) + jIm(Zin), удовлетворя‑ ющего критерию. Движение проекции Ω1 в подпро‑ странстве {l} вдоль оси f 1 (рис. 4), исходя из этого, характеризует двух/многодиапазонные свойства рассматриваемой системы следующим образом. Если зафиксировать в Ω1 точку, что эквивалентно наличию, как минимум, одночастотного согласо‑ вания в {l}, а затем, двигаясь по частотной оси, отметить ровно два пересечения отмеченной точ‑ кой границы Ω1, то путь l1, соединяющий точки a и a1 (рис. 4), пересечет границу проекции Ω1 также 29

Техника СВЧ

Ω Re(Z in )

f →0

01... 02 ,Im(Z in )

0 r{l}({d, k})

f →∞

∆f a

{l}

Рисунок 4. Схематическое изображение динамических характеристик входного импеданса

ровно два раза, а само наличие этих двух точек a и a1 будет говорить о двухчастотном согласовании в диапазоне частот [fl; fh]. Параметр r{l}({d, k}) в за‑ висимости от d при фиксированной частоте рас‑ ширяет или сужает проекцию Ω1 на {l}, тем самым позволяя изменять уровень согласования в найден‑ ных частотных точках.

В данном контексте двух/многодиапазонность понимается как динамическое свойство проекции подмножества Ω1 множества Ω на пространство {l}. Заключение Таким образом, возможность сокращения про‑ странства анализа на Nl/(2!(Nl – 2)!) размерностей позволит значительно сократить время анализа системы ИДВКП как на этапе рассмотрения мате‑ матической модели для расчета начальных геоме‑ трических параметров излучателя, так и на этапе оптимизации его геометрии. Кроме того, аналогии между процедурой учета отражающих свойств токо‑ несущих предметов (заземленный экран, рефлектор) в задачах определения электродинамических харак‑ теристик сложных систем и расчетом взаимного им‑ педанса, присущие методу наведенных ЭДС, позво‑ ляют без потери общности предыдущих рассуждений рассматривать системы линейных параллельных ИДВКП с произвольным их числом. К тому же, осно‑ вываясь на данных результатах, возможны форму‑ лировка и решение задачи согласования описанных систем в произвольном числе частотных диапазонов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Cui Y., Li R., Wang P. Novel dual-broadband planar antenna and its array for 2G/3G/LTE base stations. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2013. Vol. 61. No. 3. P. 1132–1139. 2. An W., Wong H., Lau K., Li S., Xue Q. Design of broadband dual-band dipole for base station antenna. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2012. Vol. 60. No. 3. P. 1592–1595. 3. An W., Shen Z., Wang J. Compact low-prole dual-band tag antenna for indoor positioning systems. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2017. Vol. 16. P. 400–403. 4. Sun X., Liu L., Cheung S., Yuk T. Dual-band antenna with compact radiator for 2.4/5.2/5.8 GHz WLAN applications. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2012. Vol. 60. No. 12. P. 5924–5931. 5. Lin C., Jin P., Ziolkowski R. Single, dual and tri-band-notched ultrawideband (UWB) antennas using capacitively loaded loop (CLL) resonators. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2012. Vol. 60. No. 1. P. 102–109. 6. He K., Gong S., Gao F. A wideband dual-band magneto-electric dipole antenna with improved feeding structure. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2014. Vol. 13. P. 1729–1732. 7. Mao C. et al. Dual-band patch antenna with filtering performance and harmonic suppression. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2016. Vol. 64. No. 9. P. 4074–4077. 8. Balanis C. Antenna theory. Analysis and design. 4th ed. John Wiley & Sons Inc., 2016. 1072 p.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ Алексейцев Сергей Александрович, аспирант, Новосибирский государственный технический университет, Россий‑ ская Федерация, 630073, Новосибирск, пр-т Карла Маркса, д. 20, тел.: 8 (913) 913‑33‑90, e-mail: alekseytsev94@mail.ru, alekseytsev@ngs.ru. Горбачев Анатолий Петрович, д. т. н., профессор, Новосибирский государственный технический университет, Россий‑ ская Федерация, 630073, Новосибирск, пр-т Карла Маркса, д. 20, тел.: 8 (913) 761‑91‑08, e-mail: apgor@ngs.ru. For citation: Alekseytsev S. A., Gorbachev A. P. Analysis of dual-band matching of an ends-fed dipole-like antenna and a coaxial line. Issues of radio electronics, 2020, no. 4, pp. 27–31. DOI 10.21778/2218-5453-2020-4-27-31 S. A. Alekseytsev, A. P. Gorbachev

ANALYSIS OF DUAL-BAND MATCHING OF AN ENDS-FED DIPOLE-LIKE ANTENNA AND A COAXIAL LINE The problem of dual/multi-band radiation of a single-body antenna is of a great topicality today when there is a continuing development of wireless communications both for civil and military purposes. The estimation of dual-band performance of endsfed dipole-like radiator, in particular, its matching with a standard purely active resistance coaxial line is given in the paper. The

Вопросы радиоэлектроники, 4/2020

Техника СВЧ focus was on stating the necessary conditions and requirements on the geometric sizes of the structure under investigation and the frequency range it have to be analyzed through. It is also considered how to decrease amount of calculations needed at the starting stage of the antenna designing that includes the exact analytical approaches for near field calculations. This decrease is based on the difference in the impact the parameters under consideration have on the antenna input impedance. For the crucial electrodynamics characteristics calculations the induced electromotive forces (EMF) method is used, which has established itself as one of the most convenient in this field. Keywords: radiation pattern, printed radiators, input impedance, induced electromotive forces method

REFERENCES 1. Cui Y., Li R., Wang P. Novel dual-broadband planar antenna and its array for 2G/3G/LTE base stations. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2013, vol. 61, no. 3, pp. 1132–1139. 2. An W., Wong H., Lau K., Li S., Xue Q. Design of broadband dual-band dipole for base station antenna. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2012, vol. 60, no. 3, pp. 1592–1595. 3. An W., Shen Z., Wang J. Compact low-prole dual-band tag antenna for indoor positioning systems. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2017, vol. 16, pp. 400–403. 4. Sun X., Liu L., Cheung S., Yuk T. Dual-band antenna with compact radiator for 2.4/5.2/5.8 GHz WLAN applications. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2012, vol. 60, no. 12, pp. 5924–5931. 5. Lin C., Jin P., Ziolkowski R. Single, dual and tri-band-notched ultrawideband (UWB) antennas using capacitively loaded loop (CLL) resonators. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2012, vol. 60, no. 1, pp. 102–109. 6. He K., Gong S., Gao F. A wideband dual-band magneto-electric dipole antenna with improved feeding structure. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2014, vol. 13, pp. 1729–1732. 7. Mao C. et al. Dual-band patch antenna with filtering performance and harmonic suppression. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2016, vol. 64, no. 9, pp. 4074–4077. 8. Balanis C. Antenna theory. Analysis and design. 4th ed. John Wiley & Sons Inc., 2016, 1072 p.

AUTHORS Alekseytsev Sergey, postgraduate student, Novosibirsk State Technical University, 20, Karl Marx Ave., Novosibirsk, 630073, Russian Federation, tel.: +7 (913) 913‑33‑90, e-mail: alekseytsev94@mail.ru, alekseytsev@ngs.ru. Gorbachev Anatoliy, D. Sc., professor, Novosibirsk State Technical University, 20, Karl Marx Ave., Novosibirsk, 630073, Russian Federation, tel.: +7 (913) 761‑91‑08, e-mail: apgor@ngs.ru.

vre.instel.ru

Измерения. Испытания. Контроль Для цитирования: Экспериментальные исследования радиолинзы из газонаполненного материала / М. А. Степанов, С. В. Тырыкин, А. В. Никулин, Ю. С. Никулина // Вопросы радиоэлектроники. 2020. № 4. С. 32–38. DOI 10.21778/2218-5453-2020-4-32-38 УДК 621.3.018.75

М. А. Степанов1, С. В. Тырыкин1, А. В. Никулин1, Ю. С. Никулина1 1

Новосибирский государственный технический университет

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАДИОЛИНЗЫ ИЗ ГАЗОНАПОЛНЕННОГО МАТЕРИАЛА В качестве коллиматоров, позволяющих преобразовать сферический фазовый фронт в плоский, соответствующий дальней зоне источника электромагнитной волны, часто используют радиолинзы. В работе освещены актуальные вопросы изготовления радиолинз из газонаполненных материалов. Описана последовательность действий в процессе получения радиолинзы из газонаполненного материала. Представлены результаты экспериментальных исследований радиолинзы, изготовленной с использованием предложенной технологии. Исследования осуществлялись с помощью сканера электромагнитных полей в Х-диапазоне. Установлено, что использование радиолинзы, изготовленной из газонаполненного материала по предложенной технологии, приводит к выравниванию фазового фронта в ее раскрыве. Также радиолинза из газонаполненного материала позволяет сформировать диаграмму направленности, характерную для дальней зоны. Представленные в работе графики и расчеты показывают снижение интегральной ошибки, характеризующей отклонение формы диаграммы направленности от эталонной (для дальней зоны), приблизительно на два порядка. Ключевые слова: линзовый коллиматор, фазовый фронт, диаграмма направленности

Введение На начальных этапах проектирования радио‑ технических средств традиционно используются безэховые камеры [1–4]. Изготовление безэховой камеры связано с большими расходами. Поэтому зачастую размеры камеры уменьшают [5, 6] и ис‑ пользуют так называемые коллиматоры – устрой‑ ства, позволяющие преобразовать сферический фазовый фронт в плоский, соответствующий даль‑ ней зоне источника электромагнитной волны. В качестве коллиматоров часто используют радиолинзы. Трансформация фазового фронта происходит в силу того, что фазовая скорость электромагнитной волны различна в теле линзы и в окружающем ее пространстве. Известны спо‑ собы построения линз из металлических пластин, отрезков различных линий передачи, но наиболь‑ шее распространение получили линзы, выполнен‑ ные из диэлектрических материалов [7–10]. В [11] рассмотрены вопросы использования од‑ ноповерхностных радиолинз в задачах полунатур‑ ного моделирования при перемещении облучателя из точки фокуса. Показано, что такие радиолинзы, изготовленные из газонаполненных материалов с низким значением относительной диэлектриче‑ ской проницаемости, допускают перемещение об‑ лучателя в окрестности точки фокуса. Нерешенной остается задача практической реализации одноповерхностной радиолинзы, 32

изготовленной из газонаполненного материала с учетом формы его выпуска, и ее дальнейшего ис‑ следования в лабораторных условиях. Это и послу‑ жило целью настоящей работы. Вопросы изготовления радиолинз из газонаполненных материалов Газонаполненные материалы [12] относят к классу композитов. Их структура представляет со‑ бой систему, состоящую из твердой и газообразной фаз. Эти материалы подразделяют на две группы: пенопласты и поропласты. Пенопласты имеют ячеистую структуру. Их поры изолированы друг от друга полимерной прослой‑ кой. В качестве материала для изготовления радио‑ линз они не очень удобны. Ячеистая структура при‑ водит к неоднородностям материала. Полимерная прослойка, разделяющая поры друг от друга, будет являться источником многократных переотражений волны в теле радиолинзы, приводящих в конечном счете к искажению амплитудно-фазового распре‑ деления в раскрыве радиолинзы. Кроме того, ма‑ териал с такой структурой крайне неудобен для механической обработки – она сопровождается крошением материала, форма поверхности радио‑ линзы получается сильно шероховатой. Поропласты имеют открыто-пористую структуру. В процессе производства гранулы полистирола подвергаются воздействию высокого давления

Вопросы радиоэлектроники, 4/2020

Измерения. Испытания. Контроль и температуры. Катализатором служит специаль‑ ное вещество для вспенивания. Обычно создается смесь из двуокиси углерода и легкого фреона. По‑ лученная масса выдавливается из экструзионной установки наружу. Через некоторое время фреон улетучивается, а на его место в ячейки поступает воздух. Ячейки поропластов свободно сообщаются друг с другом и окружающей средой. Благодаря экструзии изготовляемый материал имеет мел‑ копористую структуру. Размер ячеек составляет от 0,1 до 0,2 мм, внутри материала они распреде‑ лены равномерно. Поропласты удобны для произ‑ водства радиолинз по следующим причинам: • однородность материала, отсутствие внутрен‑ них переотражений [13]; • возможность изменять плотность материала, ко‑ торая напрямую определяет относительную ди электрическую проницаемость среды (полимера и воздуха). Диэлектрическая проницаемость газонаполненного материала может регулиро‑ ваться степенью вспененности полимера; • легкость обработки. Как правило, такие матери‑ алы могут резаться обычным ножом либо нагре‑ той струной. Точная форма может быть придана с использованием шлифовальных машин. Мате‑ риалы не осыпаются и не крошатся, не требуют использования масок и других средств защиты; • длительный срок службы при сохранении пара‑ метров; • минимальное впитывание воды. Диэлектриче‑ ская проницаемость материала слабо зависит от влажности и температуры в помещении [14]; • низкая плотность материала. Даже при больших габаритах радиолинза имеет малую массу. Это облегчает ее транспортировку и установку. В качестве примера поропласта можно рас‑ смотреть экструдированный пенополистирол [15], широко используемый в настоящее время в стро‑ ительстве в качестве утеплителя. Материал не до‑ рог, технологичен, доступен. Экструдированный пенополистирол промышленно выпускают в виде плит (листов) толщиной от 10 до 120 мм. Типовой размер плиты – 600×1200 мм. Одна из основных проблем при изготовлении радиолинзы заключается в соединении листов ди‑ электрика в единую форму. Очевидно, что исполь‑ зование традиционных материалов (металлических болтов, шурупов) при этом недопустимо – они явля‑ ются отражающими элементами. Возможны следу‑ ющие варианты сбора линзы из листов диэлектрика: • склеивание листов (рис. 1а) с помощью клея. К достоинствам можно отнести надежность кре‑ пления. Недостатки: газонаполненные матери‑ vre.instel.ru

алы реагируют и разрушаются в контакте с мно‑ гими клеями; диэлектрическая проницаемость клея отличается от проницаемости материала, что приведет к неоднородности диэлектрика в теле линзы; • сборка штифтами (рис. 1б): в теле линзы свер‑ лятся отверстия, в которые вставляются штифты из того же поропласта. К недостаткам можно от‑ нести сложность реализации этого способа для линз большого диаметра; • сборка в диэлектрический короб (рис. 1в). Линза при этом выполняется с пьедесталом, который и зажимается коробом. Внутренний размер

Место склеивания листов

а) Диэлектрические стержни (штифты)

б)

Стягивающие болты

в) Рисунок 1. Варианты сборки радиолинзы из листов диэлектрика: а – к леевое соединение; б – с оединение штифтами; в – с борка с помощью диэлектрического короба

Измерения. Испытания. Контроль короба равен размеру пьедестала. Он находится за пределами исследуемой антенны и будет слабо влиять на поле в раскрыве. К недостаткам такого способа можно отнести большую массу короба. Наиболее удобным, технологичным способом следует признать сборку листов диэлектрика в ко‑ роб. Этот короб может быть выполнен из дерева (фанеры) или пластика. Стяжка короба и листов диэлектрика в нем осуществляется винтами. Такой способ крепления можно использовать только для жестких газонаполненных материалов, например, экструдированного пенополистирола. На примере одноповерхностной радиолинзы опишем последовательность действий по изготов‑ лению линзового коллиматора из листов экстру‑ дированного пенополистирола с учетом их формы и геометрических размеров: • для исследуемой антенны с учетом фокусного расстояния и диэлектрической проницаемости материала рассчитывается профиль радио‑ линзы [8, 16] – кривая y(x). Поверхность линзы образуется путем вращения рассчитанного про‑ филя вокруг электрической оси; • к рассчитанному профилю добавляется пье‑ дестал высотой h, который будет использован в качестве крепежного элемента при сборке радиолинзы из листов. Для обеспечения проч‑ ности крепежа его высота должна быть не ме‑ нее 5–10 см. Для облучателя, расположенного в фокусе радиолинзы, добавление к ней пьеде‑ стала не приведет к ухудшению фокусирующих свойств, так как лучи будут параллельно пере‑ мещаться в теле линзы и искажения фазового фронта в ее раскрыве не произойдет; • полученный профиль радиолинзы разбивается на N равных участков шириной Δd, где Δd – тол‑ щина используемых листов диэлектрика. Эта процедура эквивалентна дискретизации про‑ филя с шагом Δd. Полученная дискретная по‑ верхность может быть набрана из N листов

Профиль линзы

•

• •

•

диэлектрика. Дискретизированный профиль радиолинзы показан на рис. 2; из прямоугольных листов вырезается N загото‑ вок для набора дискретной поверхности. Форма заготовки в области линзы определяется выра‑ жением yz (i, x) = y(iΔh)y(x), где i – порядковый номер заготовки; заготовка должна содержать пьедестал. Форма заготовки изображена на рис. 3; сборка радиолинзы из заготовок скреплением листов диэлектрика по схеме, изображенной на рис. 1в. При этом профиль линзы будет иметь вид, аналогичный представленной на рис. 2; излишки материала с заготовок (области на рис. 2, выходящие за профиль радиолинзы) убираются, чтобы сделать профиль линзы глад‑ ким. Газонаполненные материалы легко обраба‑ тываются. Кроме того, в силу низкого значения относительной диэлектрической проницаемости (εr ≈ 1,047 [11]) требования к точности изготовле‑ ния профиля радиолинзы из газонаполненных материалов низки [17]. Это позволяет убирать излишки материала, например, с применением ручной шлифовальной машины.

В результате будет изготовлена радиолинза, со‑ бранная из листов диэлектрика. Пример фрагмента подобной радиолинзы изображен на рис. 4. Описание и исследование радиолинзы из экструдированного пенополистирола С применением описанной технологии была из‑ готовлена радиолинза из листов экструдирован‑ ного пенополистирола для экспериментальных ис‑ следований амплитудно-фазового распределения поля в ее раскрыве. Радиолинза имеет диаметр 0,5 м, фокусное расстояние 4 м. Линза – однопо‑ верхностная, с плоской теневой стороной. За те‑ невой стороной добавлен пьедестал высотой 5 см из того же материала. Расстояние от теневой сто‑ роны радиолинзы до плоскости сканирования (пло‑ скости измерения амплитудно-фазового распреде‑ ления) составляет 10 см.

Листы диэлектрика

∆d Пьедестал

h h

Рисунок 2. Профиль радиолинзы из листов диэлектрика

Рисунок 3. Форма заготовки из листа диэлектрика

Вопросы радиоэлектроники, 4/2020

Измерения. Испытания. Контроль

Рисунок 4. Радиолинза диаметром 0,5 м из экструдированного пенополистирола

измеренных амплитудно-фазовых распределений при использовании радиолинзы (крестики) и без нее (пунктирная линия). Стоит заметить, что для удобства сравнения максимумы всех трех ДН, изо‑ браженных на рис. 6, совмещены, т. е. скомпенсиро‑ ван линейный наклон фазового фронта в раскрыве радиолинзы, вызванный неточным позиционирова‑ нием вспомогательной антенны относительно точки фокуса. Рис. 5 и 6 показывают следующее: • плоскость сканирования находится в ближней зоне облучающей антенны. На рис. 5 виден сфе‑ рический фазовый фронт, квадратичная фазо‑ вая ошибка в пределах пятна диаметром 0,5 м составляет около 75°. С точки зрения ДН это при‑ водит к «замыливанию» ее нулей, росту уровня боковых лепестков (на 1–2 дБ), снижению коэф‑ фициента направленного действия; • радиолинза формирует в своем раскрыве пло‑ ский фазовый фронт (рис. 4). ДН, рассчитанная

400

300

200

200 Угол, град.

Угол, град.

Исследования проводились для Х-диапазона с помощью сканера поля в ближней зоне произ‑ водства «ТРИМ Сверхширокополосные системы». В фокусе радиолинзы установлена излучающая рупорная антенна. Радиолинза установлена перед двухкоординатным сканером ближнего поля. В результате измерений получено два ампли‑ тудно-фазовых распределения поля в раскрыве радиолинзы: без использования радиолинзы и с ее использованием. Сечения фазовых распределений приведены на рис. 5. Из рис. 5 видно, что фазовый фронт волны без использования радиолинзы – сферический. В пре‑ делах области, где будет установлена линза, ква‑ дратичная фазовая ошибка составляет около 75°. Использование радиолинзы приводит к уплощению фазового фронта в ее раскрыве. Видно, что пло‑ скость фазового фронта в раскрыве радиолинзы имеет наклон – это объясняется не совсем точным позиционированием облучателя в точке фокуса. Фронт в раскрыве линзы флуктуирует. Среднеква‑ дратическое отклонение флуктуаций фазы состав‑ ляет 3,5°. Их наличие можно объяснить неоднород‑ ностями материала радиолинзы, погрешностями ее изготовления и измерения. Стоит отметить, что аналогичные флуктуации присутствуют и на изме‑ рениях, проводимых без радиолинзы. Скорее всего, в обоих случаях флуктуации имеют одну и ту же природу и определяются точностью измерений. Амплитудное распределение с радиолинзой и без нее одинаково и практически равномерно. В совокупности с плоским фазовым фронтом диа‑ грамма направленности (ДН) для дальней зоны должна иметь вид sin(x)/x. На рис. 6 она изображена сплошной линией. Помимо ДН в дальней зоне на рис. 6 приве‑ дены сечения ДН в горизонтальной плоскости для

100

0 –100 –200 –0,5

100

–100

Без радиолинзы С радиолинзой 0 X, м

0,5

а)

–200 –0,5

Без радиолинзы С радиолинзой 0 Y, м

0,5

б)

Рисунок 5. Сечения фазового фронта: а – горизонтальное; б – в ертикальное

vre.instel.ru

Измерения. Испытания. Контроль

0 Дальняя зона С радиолинзой Без радиолинзы

–5

F(θ), дБ

–10 –15 –20 –25 –30 –15

–10

–5

0 θ, град.

Рисунок 6. Сечение диаграммы направленности F(θ) в горизонтальной плоскости для измеренного амплитудно-фазового распределения в раскрыве радиолинзы Таблица. Интегральная ошибка диаграммы направленности

Параметр

Без радиолинзы С радиолинзой

Пороговое значение

0,0009524

Вертикальное сечение

0,019528

0,00034602

Горизонтальное сечение

0,014258

0,0002907

по измеренному амплитудно-фазовому распре‑ делению поля, близка по форме к ДН, рассчи‑ танной для дальней зоны. Для количественной оценки искажений формы ДН рассчитаем интегральную ошибку [18], опре‑ деляющую отклонение формы измеренной ДН от эталонной: θmax

ΔFΣ =

∫ [ FA (θ) − F0 (θ)]

θmin

θmax

∫

dθ ,

F0 ( θ ) dθ 2

θmin

где F0(θ) – эталонная ДН, определенная для даль‑ ней зоны; FA(θ) – измеренная ДН; [θmin, θmax] – диа‑ пазон углов, в пределах которых производится рас‑ чет интегральной ошибки.

В таблице показаны пороговые значения инте‑ гральной ошибки, рассчитанные в [18] для вели‑ чины квадратичной фазовой ошибки в раскрыве линзы 22,5°, и интегральные ошибки, вычисленные для вертикального и горизонтального сечений ДН. В том случае, если пороговые значения интеграль‑ ной ошибки будут превышены, считается, что форма ДН искажена и отличается от ДН в дальней зоне. Из рис. 6 и таблицы видно, что ДН без линзы сильно искажена – интегральная ошибка на два порядка выше порогового значения. ДН, рассчи‑ танная для фазового распределения в раскрыве радиолинзы из газонаполненного материала, прак‑ тически совпадает с ДН в дальней зоне. Интеграль‑ ная ошибка ниже порогового значения примерно в три раза. Заключение Предложена технология изготовления радио‑ линз из газонаполненных материалов. Проведены экспериментальные исследования радиолинзы из экструдированного пенополистирола. При‑ ведены результаты ее исследований с помощью сканера электромагнитных полей «ТРИМ Сверх‑ широкополосные системы» в Х-диапазоне частот электромагнитных волн. Установлено, что исполь‑ зование радиолинзы, изготовленной из газонапол‑ ненных материалов по предложенной технологии, приводит к выравниванию фазового фронта в ее раскрыве.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Самбуров Н. В., Рыбаков Д. Ю., Иванов Н. Г. Компактный антенный полигон в условиях геометрически ограниченных помещений // Электромагнитные волны и электронные системы. 2014. Vol. 19. № 10. С. 25–32. 2. Hemming L. H. Electromagnetic anechoic chambers: a fundamental design and specification guide. New York, Wiley-IEEE Press, 2002. 240 p. 3. Knott E. F. Radar cross section. SciTech Publishing, 2006. 546 p.

Вопросы радиоэлектроники, 4/2020

Измерения. Испытания. Контроль 4. Мицмахер М. Ю., Торгованов В. А. Безэховые камеры СВЧ. М.: Радио и связь, 1982. 128 с. 5. Воронин Е. Н., Нечаев Е. Е., Шашенков В. Ф. Реконструктивные антенные измерения. М.: Наука. Физматлит, 1995. 352 с. 6. Балабуха Н. П., Зубов А. С., Солосин В. С. Компактные полигоны для измерения характеристик рассеяния объектов. М.: Наука, 2007. 266 с. 7. Балабуха Н. П., Меньших Н. Л., Солосин В. С. Оптимизация линзового коллиматора, расположенного в рупорной без‑ эховой камере // Журнал радиоэлектроники. 2017. № 9. С. 6. 8. Жук М. С., Молочков Ю. Б. Проектирование линзовых, сканирующих, широкодиапозонных антенн и фидерных устройств. М.: Энергия, 1973. 440 с. 9. Калошин В. А., Нгием Х. Д. Синтез и анализ диэлектрических бифокальных линз // Журнал радиоэлектроники. 2018. № 8. С. 15. 10. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2019614854 / 15.04.2019. Селезнев В. М. Рас‑ чет диаграмм направленности диэлектрических линзовых антенн. 11. Никулина Ю. С., Степанов М. А. Расчет фазового фронта в раскрыве линзового коллиматора и соответствующей ему диаграммы направленности // Вопросы радиоэлектроники. 2016. № 4. С. 40–46. 12. Гурьев В. В. Влияние структурных особенностей теплоизоляционных материалов из газонаполненных пластмасс на их механические свойства // Промышленное и гражданское строительство. 2010. № 12. С. 19–23. 13. Kalra P., Aastha, Sidhu E. Novel microstrip patch antenna design employing extruded polystyrene (XPS) substrate for GSM, IMT, WLAN, Bluetooth, WiMAX and X-band applications. International conference on automatic control and dynamic optimization techniques, Pune, 2016. P. 775–778. 14. Alvey J. B., Patel J., Stephenson L. D. Experimental study on the effects of humidity and temperature on aerogel composite and foam insulations // Energy and Buildings. 2017. Vol. 144. P. 358–371. 15. Halcomb S., Oakland B. Rigid foam as an engineered material. OTC Arctic Technology Conference, 5–7 November, 2018, Houston. 16. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2017663555 / 07.12.2017. Селезнев В. М., Болховская О. В. Расчет профиля диэлектрической бифокальной линзы. 17. Воробьева Ю. С, Киселев А. В. К вопросу о выборе материала для изготовления линзового коллиматора. Современ‑ ные проблемы радиоэлектроники, Красноярск, 2014. С. 31–35. 18. Nikulina Yu. S., Stepanov M. A. The criteria of antenna pattern distortion estimation. XIV International scientific-technical conference on actual problems of electronics instrument engineering (APEIE), Novosibirsk, 2018. P. 426–428.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ Степанов Максим Андреевич, к. т. н., доцент, Новосибирский государственный технический университет, Российская Федерация, 630073, Новосибирск, пр-т Карла Маркса, д. 20, тел.: 8 (383) 346‑15‑46, e-mail: m.stepanov@corp.nstu.ru. Тырыкин Сергей Владимирович, к. т. н., доцент, Новосибирский государственный технический университет, Россий‑ ская Федерация, 630073, Новосибирск, пр-т Карла Маркса, д. 20, тел.: 8 (383) 346‑15‑46, e-mail: tyrykin@corp.nstu.ru. Никулин Андрей Викторович, к. т. н., доцент, Новосибирский государственный технический университет, Российская Федерация, 630073, Новосибирск, пр-т Карла Маркса, д. 20, тел.: 8 (961) 846‑48‑23, e-mail: a.nikulin@corp.nstu.ru. Никулина Юлия Сергеевна, аспирант, Новосибирский государственный технический университет, Российская Феде‑ рация, 630073, Новосибирск, пр-т Карла Маркса, д. 20, тел.: 8 (383) 346‑15‑46, e-mail: nikulina-us@yandex.ru. For citation: Stepanov М. А., Tyrykin S. V., Nikulin A. V., Nikulina Yu. S. Experimental research of radio lens from a gas-filled material. Issues of radio electronics, 2020, no. 4, pp. 32–38. DOI 10.21778/2218-5453-2020-4-32-38 М. А. Stepanov, S. V. Tyrykin, A. V. Nikulin, Yu. S. Nikulina

EXPERIMENTAL RESEARCH OF RADIO LENS FROM A GAS-FILLED MATERIAL Radio lenses are often used as collimators. It is allow to convert a spherical phase front into a flat one, corresponding to the far zone of the electromagnetic wave source. The paper is dealt with the manufacturing of radio lenses from gas-filled materials. The sequence of actions performing which it is possible to make a radio lens from a gas-filled material is described. The results of experimental studies of a radio lens manufactured with using the proposed technology are presented. Studies are carried out with using an electromagnetic field scanner in the X-band. It is established that the use of a radio lens from a gas-filled material leads to equalization of the antenna aperture phase front. The use of lenses made of gas-filled material improves the shape of the antenna pattern significantly. This is confirmed by the graphs presented in the work and the fact that the use of a radio lens reduces the value of the integral error by approximately two orders of magnitude. Keywords: lens collimator, phase front, radiation pattern

REFERENCES 1. Samburov N. V., Rybakov D. Yu., Ivanov N. G. Compact antenna range in geometrically confined spaces. Elektromagnitnye volny i elektronnye sistemy, 2014, vol. 19, no. 10, pp. 25–32. (In Russian). 2. Hemming L. H. Electromagnetic anechoic chambers: a fundamental design and specification guide. New York, Wiley-IEEE Press, 2002, 240 p.

vre.instel.ru

Измерения. Испытания. Контроль 3. Knott E. F. Radar cross section. SciTech Publishing, 2006, 554 p. 4. Mitsmakher M. Yu., Torgovanov V. A. Bezekhovye kamery SVCh [Microwave anechoic chambers]. Moscow, Radio i svyaz Publ., 1982, 128 p. (In Russian). 5. Voronin E. N., Nechaev E. E., Shashenkov V. F. Rekonstruktivnye antennye izmereniya [Reconstructive antenna measurements]. Moscow, Nauka. Fizmatlit Publ., 1995, 352 p. (In Russian). 6. Balabukha N. P., Zubov A. S., Solosin V. S. Kompaktnye poligony dlya izmereniya kharakteristik rasseyaniya obektov [Compact polygons for measuring the scattering characteristics of objects]. Moscow, Nauka Publ., 2007, 266 p. (In Russian). 7. Balabukha N. P., Smaller N. L., Solosin V. S. Optimization of a lens collimator located in a horn anechoic chamber. Zhurnal radioelektroniki, 2017, no. 9, pp. 6. (In Russian). 8. Zhuk M. S., Molochkov Yu. B. Proektirovanie linzovykh, skaniruyushchikh, shirokodiapozonnykh antenn i fidernykh ustroistv [Design of lens, scanning, wide-range antennas and feeder devices]. Moscow, Energiya Publ., 1973, 440 p. (In Russian). 9. Kaloshin V. A., Ngiem H. D. Synthesis and analysis of dielectric bifocal lenses. Zhurnal radioelektroniki, 2018, no. 8, p. 15. (In Russian). 10. Seleznev V. M., inventor. Calculation of radiation patterns of dielectric lens antennas. Certificate RU2019614854. (In Russian). 11. Nikulina Yu. S., Stepanov M. A. Calculation of the phase front in the aperture of the lens collimator and the corresponding radiation pattern. Issues of radio electronics, 2016, no. 4, pp. 40–46. (In Russian). 12. Guryev V. V. The influence of structural features of heat-insulating materials from gas-filled plastics on their mechanical properties. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitelstvo, 2010, no. 12, pp. 19–23. (In Russian). 13. Kalra P., Aastha, Sidhu E. Novel microstrip patch antenna design employing extruded polystyrene (XPS) substrate for GSM, IMT, WLAN, Bluetooth, WiMAX and X-band applications. International conference on automatic control and dynamic optimization techniques, Pune, 2016. P. 775–778. 14. Alvey J. B., Patel J., Stephenson L. D. Experimental study on the effects of humidity and temperature on aerogel composite and foam insulations. Energy and Buildings, 2017, vol. 144, pp. 358–371. 15. Halcomb S., Oakland B. Rigid foam as an engineered material. OTC Arctic Technology Conference, 5–7 November, 2018, Houston. 16. Seleznev V. M., Bolkhovskaya O. V., inventors. Calculation of the profile of a dielectric bifocal lens. Certificate RU2017663555. (In Russian). 17. Vorobeva Yu. S., Kiselev A. V. On the question of the choice of material for the manufacture of a lens collimator. (Conference proceedings) Sovremennye problemy radioelektroniki, Krasnoyarsk, 2014, pp. 31–35. (In Russian). 18. Nikulina Yu. S., Stepanov M. A. The criteria of antenna pattern distortion estimation. XIV International scientific-technical conference on actual problems of electronics instrument engineering (APEIE), Novosibirsk, 2018. P. 426–428.

AUTHORS Stepanov Maxim, Ph. D., associate professor, Novosibirsk State Technical University, 20, Karl Marx Ave., Novosibirsk, 630073, Russian Federation, tel.: +7 (383) 346‑15‑46, e-mail: m.stepanov@corp.nstu.ru. Tyrykin Sergey, Ph. D., associate professor, Novosibirsk State Technical University, 20, Karl Marx Ave., Novosibirsk, 630073, Russian Federation, tel.: +7 (383) 346‑15‑46, e-mail: tyrykin@corp.nstu.ru. Nikulin Andrey, Ph. D., associate professor, Novosibirsk State Technical University, 20, Karl Marx Ave., Novosibirsk, 630073, Russian Federation, tel.: +7 (961) 846‑48‑23, e-mail: a.nikulin@corp.nstu.ru. Nikulina Yuliya, postgraduate student, Novosibirsk State Technical University, 20, Karl Marx Ave., Novosibirsk, 630073, Russian Federation, tel.: +7 (383) 346‑15‑46, e-mail: nikulina-us@yandex.ru.

Вопросы радиоэлектроники, 4/2020

Измерения. Испытания. Контроль Для цитирования: Винниченко А. В., Назаревич С. А., Карпова И. Р. Модель управления автоматизированной установкой реверсивной инженерии // Вопросы радиоэлектроники. 2020. № 4. С. 39–43. DOI 10.21778/2218-5453-2020-4-39-43 УДК 62–52

А. В. Винниченко1, С. А. Назаревич1, И. Р. Карпова2 1

Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения, «Научно-производственное предприятие «Радар ммс»

2 АО

МОДЕЛЬ УПРАВЛЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ УСТАНОВКОЙ РЕВЕРСИВНОЙ ИНЖЕНЕРИИ В статье рассматривается задача упрощения процесса обратного проектирования путем внедрения трехточечного 3D-сканирования, что позволяет ускорить технологические этапы обратного проектирования до момента изготовления изделия, а также упростить процедуру дефектации готовых изделий и создать благоприятные условия для внедрения принципов унификации. Под моделью управления подразумевается структурирование элементов технологической организации процесса 3D-прототипирования существующих копий, созданных путем применения реверсивного инжиниринга. Рассмотрены проблемы традиционных технологий, не позволяющих своевременно справляться с изменениями технической системы в соответствии с требованиями нормативных документов и окружающей среды. Проанализированы принципы работы традиционных технологий и зона реверсивной инженерии, которая позволяет достигать повышенного уровня производственных мощностей путем выделения группы ключевых дефектов на основе процесса дефектации и статистического анализа. Ключевые слова: аддитивные технологии, реверсивный инжиниринг, автоматизация, дефектация и унификация деталей

Введение В настоящее время во многих отраслях промыш‑ ленного производства преобладают традиционные технологии создания изделий, сборочных единиц, отдельных деталей и комплектующих. К подобным технологиям относятся литье, процессы механи‑ ческой обработки детали, формовка, выплавка и другие. Перспективным направлением развития металлургической, машиностроительной, электро‑ энергетической и роботостроительной промыш‑ ленности является создание моделей управления и комплексов, компактно совмещающих в единую технологическую линию различные процессы. При этом применение реверсивной инженерии на базе аддитивных технологий может существенно упро‑ стить технологическую линию и облегчить реа‑ лизацию таких процессов, как дефектация и уни‑ фикация. Применение 3D-технологий позволяет значительно повысить эффективность производ‑ ства в промышленных отраслях за счет снижения затрат на ремонт и исправление дефектов. Постановка задачи Основными проблемами традиционных техно‑ логий являются долгие жизненные циклы, а также специфические особенности технологических про‑ цессов. Высокий уровень дефектов, свойственный для тяжелой промышленности, и существующая vre.instel.ru

трудоемкая операция контроля не только повышают себестоимость изделия, срывают сроки контрактов, но и негативно влияют на имидж предприятий. Реверсивный инжиниринг представляет собой исследование некоторого готового устройства или программы, а также документации на него с целью выяснения принципа его работы; например, чтобы обнаружить недокументированные возможности (в том числе программные закладки), внести из‑ менения или воспроизвести устройство, программу или иной объект с аналогичными функциями, но без прямого копирования. Копирование различных механизмов и машин без фактической разработки позволяет с мини‑ мальными затратами воспроизвести удачную кон‑ струкцию. Реверсивный инжиниринг может приме‑ няться в следующих случаях: • срочно требуется элемент, но по определенным причинам его выпуск прекращен, цена на продукт завышена или срок поставки слишком велик; • проектная документация не соответствует устройству, утеряна, изначально отсутствует или ее сложно получить; • необходимо проанализировать состояние про‑ дукта и выполнить расчет напряжений после продолжительного использования, чтобы повы‑ сить его качество; 39

Измерения. Испытания. Контроль • требуется проанализировать детали или устрой‑ ства конкурентов. В таких ситуациях в первую очередь на помощь могут прийти аддитивные технологии производ‑ ства, позволяющие изготовить изделие на основе компьютерной 3D-модели [1]. Принцип работы системы реверсивного инжиниринга В настоящее время термином «обратный инжи‑ ниринг» по большей части обозначается процесс получения цифровой 3D-модели реального изде‑ лия с использованием автоматизированных систем проектирования. Сам процесс обратного проекти‑ рования включает в себя все этапы, начиная со ска‑ нирования и заканчивая испытаниями полученной детали (рис. 1).

Зона традиционных технологий

Поиск технических решений

ЗD-моделирование

Сопротивляемость изменениям

Эскизное проектирование

Зона оперативной реверсивной инженерии

Фронтальное сканирование/ создание модели 3D-моделирование/ пополнение базы прототипов

Выпуск КД

Изменение КД

Изготовление опытного изделия

Изготовление изделия

Испытания и доработка КД

Разработка рекомендаций и дополнений

Рисунок 1. Этапы реверсивного инжиниринга

Следует отметить, что этап 3D-сканирования формирует не готовую модель, а математический образ формы объекта в виде облака точек. Для этой цели используются лазерные сканеры, устрой‑ ства структурированного белого или синего света, координатно-измерительные машины (КИМ) и ком‑ пьютерная томография. Результаты сканирования выдаются в виде фай‑ лов измерений или фасетной 3D-модели в различ‑ ных форматах, после чего инженер получает полиго‑ нальную модель объекта. Этот этап важен, поскольку он существенно влияет на дальнейшие процессы обратного инжиниринга. Однако в результате реаль‑ ного 3D-сканирования получить идеальный результат невозможно. Причины могут быть разными, в част‑ ности, существуют проблемы со сканированием вну‑ тренних элементов. В качестве примера в табл. 1 [2] приведены недостатки сеточной модели. Для повышения качества изделия целесо образно использовать трехточечное 3D-сканирова ние, которое не только сократит и ускорит весь процесс, но и позволит получить более точное изо‑ бражение, и ему не будет требоваться длительная доработка. Основной задачей реверсивного инжиниринга является не столько получение чертежей, сколько изготовление по ним определенной детали для до‑ стижения поставленной цели [3]. Дефектация деталей выполняется с целью оценки их технического состояния, выявления дефектов и установления возможности дальнейшего исполь‑ зования, необходимости ремонта или замены. Вы‑ являются следующие дефекты: износы рабочих поверхностей в виде изменений размеров и геоме‑ трической формы; наличие выкрашивания, трещин, сколов, пробоин, царапин, рисок, задиров и т. п.; остаточные деформации в виде изгиба, скручива‑ ния, коробления; изменение физико-механических

Таблица 1. Недостатки 3D-сканирования

Источник проблемы/ недостаток

Описание

Контрастные области

Сложность, а в некоторых случаях невозможность сканирования объектов с контрастными областями, например черными и белыми

Обработка поверхности

Если объект прозрачный или его поверхность бликует, то необходима обработка специальным составом. При нарушении уже обработанной поверхности покрытие необходимо снимать и проводить обработку заново

Глубокая рельефность

Глубокий рельеф на поверхности объекта (например, барельеф или лепнина) может создавать дополнительные затруднения

Маркеры

Наклейка маркеров на поверхность объекта в некоторых ситуациях может считаться недостатком

Размер файла

В результате 3D-сканирования получаются файлы большого объема, что может замедлять работу ПК

Вопросы радиоэлектроники, 4/2020

Измерения. Испытания. Контроль

vre.instel.ru

Проанализировав данные диаграммы Парето, можно определить группу ключевых дефектов, ко‑ торые выделены отдельно. На эту группу и нужно обратить особое внимание при анализе с целью уменьшения брака. Целесообразность производства ограниченных партий малогабаритных комплектующих для за‑ мены деталей опирается на достаточно серьезные исследования. Результат – рационализаторские из‑ менения в организационной структуре тех предпри‑ ятий, которые решились на реструктуризацию ради повышения эффективности и интеграции идеоло‑ гии синхронизированного производства. Внедрение 3D-сканирования отдельных элемен‑ тов при производстве гидравлического привода тормозов позволяет заместить дефектные детали распечатанными 3D-моделями. Различные про‑ цессы по созданию ценности в производственной системе имеют смешанные параметры, стабилиза‑ ция которых ведет к созданию синхронизированного производства. Однако технологические особенно‑ сти оборудования и разнородная номенклатура из‑ делий приводят к неритмичности производственной системы, поэтому анализ возможности унификации основных технологических процессов с большей тру‑ доемкостью становится приоритетной задачей для достижения целей создания синхронизированного производства на основе современных технологий. Унификация тех технологических операций, ко‑ торые вызывают бóльшие временные потери, чем совокупность технологических операций в составе производственного цикла, приведет к уменьшению временных затрат и снижению физического износа технологического оборудования. Особенностями подобных решений является то, что необходимо

Требования о высшем качестве

Оперативная зона реверсивной инженерии

Показатели гибкости технической системы

свойств в результате воздействия теплоты или среды [4]. На рис. 2 представлена карта применимо‑ сти изменений технической системы. Для решения проблем восстановления техниче‑ ской системы после серийных отказов, вызванных тяжелыми факторами эксплуатационной среды, которые позднее послужат предпосылками к по‑ иску решений по модернизации конструкционных элементов, производят замену наиболее подвер‑ женных отказам деталей упрощенными копиями. Подобные изделия – заменители можно получить путем применения реверсивной инженерии. Это позволит сократить время не только на доставку и приработку нового изделия, но также обеспечит практически стопроцентную взаимозаменяемость деталей и компонентов устройства. Поэтому для стабильной и прогрессивной работы научно-про‑ изводственных комплексов целесообразно приме‑ нить технологию реверсивного инжиниринга для типизации основных технологических процессов и сокращения себестоимости мероприятий по вос‑ становлению или модернизации функциональных элементов изделия. Новизна настоящей работы состоит в том, что создание модели управления путем внедрения про‑ цесса 3D-прототипирования существующих копий с использованием трехточечного 3D-сканирования позволяет ускорить технологические этапы, осу‑ ществляемые на базе реверсивного инжиниринга. Суть модели гибкой технической системы заключа‑ ется в представлении выбора лицу, принимающему решение (ЛПР), на каком этапе прототипирования будет использована ручная технология, а на каком целесообразнее использовать автоматизирован‑ ную систему управления. Модель управляющей системы позволяет корректировать воздействие следующих факто‑ ров: требования о высшем качестве продукции, опережающая стандартизация, производствен‑ ная необходимость. Эти составляющие создают предпосылки для проработки оперативной зоны реверсивного инжиниринга в целях поддержания стабильности технологического процесса. Количественный эффект, характеризующий раз‑ рыв между значениями прошлых и перспективных параметров процесса при внедрении модели управ‑ ляющей системы, будет характеризоваться сокра‑ щением временных затрат и оптимизацией запасных частей, инструментов и принадлежностей (ЗИП). В качестве примера рассмотрим результаты де‑ фектации технической системы гидравлического привода тормоза. В одной партии были собраны статистически релевантным способом данные по видам и числу дефектов. Далее на основе по‑ лученных данных (табл. 2) была простроена диа‑ грамма Парето (рис. 3) [5].

Базовая точка Зона технической инерции Текущее состояние системы

Опережающая стандартизация

Рисунок 2. Карта применимости изменений технической системы под воздействием требований нормативных документов и среды

Измерения. Испытания. Контроль Таблица 2. Данные о браке в производстве гидравлического привода тормоза

Виды дефектов

Кол-во дефектов

Накопленная доля дефектов, %

Порог,%

Разрушение резиновых манжет

16,54

Износ резьбы в отверстиях

31,58

Обломы на фланцах крепления

45,86

Разбухание резиновых манжет

58,65

Трещины на фланцах крепления

69,92

Срыв резьбы в отверстиях

79,70

Износ главного цилиндра

87,97

Износ колесного тормозного цилиндра

93,98

Забитость

100,00

133

584,21

–

Итого

Рисунок 3. Диаграмма Парето для анализа брака в производстве гидравлического привода тормозов

использовать статистические методы контроля ка‑ чества, а именно контрольные карты и контрольный лист для понимания процессов организации произ‑ водства. Заключение 3D-принтеры способны работать с разными ма‑ териалами, включая инженерные пластики, ком‑ позитные порошки, различные типы металлов, керамику, порошки. Это упрощает процедуру де‑ фектации и создает предпосылки для внедрения элементов реверсивного инжиниринга. В условиях научно-технической революции унификацию рационально использовать как комплексный процесс, охватывающий вопросы 42

проектирования, технологии, контроля и эксплуа‑ тации машин, механизмов, аппаратов и приборов. Подобные решения должны опираться на всесто‑ ронний анализ производственных мощностей и ко‑ мандную работу управляющего персонала, при‑ нимающего решения на своих функциональных местах. Такой подход можно использовать при ана‑ лизе возможности модернизации существующей базовой структуры, на основе которой строится сложная техническая система. Признаки опережа‑ ющей стандартизации, заложенной в результате внедрения программы перспективной стандартиза‑ ции в период с 1950-х до 1980-х гг., создали глу‑ бинный потенциал для модернизации технических систем разного возраста.

Вопросы радиоэлектроники, 4/2020

Измерения. Испытания. Контроль СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Wong K. Generative design: advice from algorithms [Электронный ресурс] // Digital Engineering magazine. 2018. URL: https://www.digitalengineering247.com/article/designadvice-algorithms (дата обращения: 31.01.2020). 2. Солодилова Н. А. Новые технологии проектирования в рамках дисциплины «САПР в машиностроении» // Системный анализ в проектировании и управлении. 2019. № 3. С. 391–396. 3. Волин Д. В. Применение технологии обратного инжиниринга в машиностроении. Технические науки: проблемы и перспективы: материалы IV Междунар. науч. конф. Санкт-Петербург, 2016. С. 67–69. 4. Грабченко А. И. и др. Современное оборудование и программное обеспечение обратного инжиниринга промышлен‑ ных изделий // Сучасні технології в машинобудуванні: зб. наук. пр. 2010. № 5. С. 138–152. 5. Бородин А. Л., Кацай В. В., Шарыпов А. В. Влияние изменения технических характеристик элементов тормозных ме‑ ханизмов на работу тормозного привода // Вестник Курганского государственного университета. 2015. № 3 (37). С. 65–68.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ Винниченко Александра Валерьевна, ассистент, ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения» (ГУАП), Российская Федерация, 190000, Санкт-Петербург, ул. Большая Морская, д. 67, лит. А, тел.: 8 (812) 494‑70‑55, e-mail: alex23rain@gmail.com. Назаревич Станислав Анатольевич, 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 (812) 494‑70‑69, e-mail: albus87@inbox.ru. Карпова Ирина Руслановна, к. т. н., доцент, начальник отдела, АО «Научно-производственное предприятие «Радар ммс», Российская Федерация, 197375, Санкт-Петербург, ул. Новосельковская, д. 37, лит. А, тел.: 8 (911) 924‑28‑05, e-mail: karpova_ir@radar-mms.com. For citation: Vinnichenko A. V., Nazarevich S. A., Karpova I. R. Automated reverse engineering control system model. Issues of radio electronics, 2020, no. 4, pp. 39–43. DOI 10.21778/2218-5453-2020-4-39-43 A. V. Vinnichenko, S. A. Nazarevich, I. R. Karpova

AUTOMATED REVERSE ENGINEERING CONTROL SYSTEM MODEL The article deals with the task of simplifying the reverse design process by implementing three-point 3D scanning, which allows you to speed up the technological stages of reverse design to the moment of product manufacture, as well as simplify the procedure for defecating finished products and create favorable conditions for the implementation of the principles of unification. The model of the control system in this article refers to the structuring of elements of the technological organization of the process of creating 3D prototyping of existing copies created by the use of reverse engineering. For this purpose, the problems of traditional technologies that do not allow timely coping with changes in the technical system under the influence of in accordance with the requirements of regulatory documents and environmental requirements were considered. We also analyzed not only the principles of operation of traditional technologies, but also the zone of reverse engineering, which allows you to achieve an increased level of production capacity by identifying a group of key defects based on the process of flaw detection and statistical analysis. Keywords: additive technologies, automation, fault detection and unification of parts

REFERENCES 1. Wong K. Generative design: advice from algorithms. Digital Engineering magazine. 2018. (In Russian). Available at: https:// www.digitalengineering247.com/article/designadvice-algorithms (accessed 31.01.2020). 2. Solodilova N. A. New design technologies in the discipline «CAD in mechanical engineering». SAEC, 2019, no. 3, pp. 391– 396. (In Russian). 3. Volin D. V. Application of reverse engineering technology in mechanical engineering. (Conference proceedings) Tekhnicheskiye nauki: problemy i perspektivy, Saint-Petersburg, 2016, pp. 67–69. (In Russian). 4. Grabchenko A. I., et al. Modern equipment and software for reverse engineering of industrial products. Suchasni tekhnologii v mashinobuduvanni, 2010, no. 5, pp. 138–152. (In Russian). 5. Borodin A. L., Katsay V. V., Sharypov A. V. Influence of changes in the technical characteristics of the elements of brake mechanisms on the operation of the brake drive. Vestnik Kurganskogo gosudarstvennogo universiteta, 2015, no. 3 (37), pp. 65–68. (In Russian).

AUTHORS Vinnichenko Alexandra, assistant, Saint-Petersburg State University of Aerospace Instrumentation, 67A, Bolshaya Morskaya St., Saint-Petersburg, 190000, Russian Federation, tel.: +7 (812) 494‑70‑55, e-mail: alex23rain@gmail.com. Nazarevich Stanislav, Ph. D., associate professor, Saint-Petersburg State University of Aerospace Instrumentation, 67A, Bolshaya Morskaya St., Saint-Petersburg, 190000, Russian Federation, tel.: +7 (812) 494‑70‑69, e-mail: albus87@inbox.ru. Karpova Irina, Ph. D., associate professor, chief of the department, «NPP «Radar mms» JSC, 37A, Novoselkovskaya St., SaintPetersburg, 197375, Russian Federation, tel.: +7 (911) 924‑28‑05, e-mail: karpova_ir@radar-mms.com.

vre.instel.ru

Измерения. Испытания. Контроль Для цитирования: Чабаненко А. В., Смирнова В. О. Методы контроля природной среды под антропогенным воздействием аддитивного производства // Вопросы радиоэлектроники. 2020. № 4. С. 44–47. DOI 10.21778/2218-5453-2020-4-44-47 УДК 658.5.011

А. В. Чабаненко1, В. О. Смирнова1 1

Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения

МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ ПОД АНТРОПОГЕННЫМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ АДДИТИВНОГО ПРОИЗВОДСТВА Использование аддитивных технологий обеспечивает индивидуализацию изделий, сокращение расхода сырья, улучшение экономических показателей производства, позволяет применять новые материалы и композиты, а также повышать качество продукции. Однако необходимо учитывать факторы антропогенного воздействия аддитивного производства на окружающую среду. В аддитивном производстве применяются различные виды полимеров, которые проходят процедуру сертификации. Экологический сертификат гарантирует, что в нормальных условиях эксплуатации изделие из полимера является безопасным. Однако наибольшее воздействие аддитивных технологий на окружающую среду происходит в процессе плавления полимеров. В статье предложен метод оценки экологичности аддитивного производства путем анализа проб воздуха, взятых в момент экструзии полимера. Проведен газохроматографический анализ проб воздуха, полученных при расплавлении нескольких образцов разных полимеров, используемых в аддитивных установках. Ключевые слова: аддитивные технологии, аддитивная установка, газовая хроматография

Введение Аддитивные технологии SLM (полное плавление материала), SLS (частичное плавление или жидко‑ фазное спекание материала) и EBM (электроннолучевое плавление) представляют собой процессы экструзии или плавления в экструдере материала, который может подаваться в виде нити или порошка. Технологии SLM и SLS используют для плавления лазерный источник, EBM работает с электронным пучком энергии. Классическая технология печати, при которой материал экстрагируется через экс‑ трудер слой за слоем, – FDM (послойное наплавле‑ ние). Технология стереолитографии представляет собой процесс фотополимеризации в контейнере с применением жидкого фотополимера, который затвердевает при выборочном экспонировании определенных участков. Каждая из перечисленных технологий оказывает в той или иной степени воз‑ действие как на оператора, так и другой производ‑ ственный персонал в результате выделения вред‑ ных веществ в воздух. Сущность и понятие аддитивного производства как фактора антропогенного воздействия На текущий момент одно из быстроразвива‑ ющихся направлений с высокой долей НИОКР – это аддитивные технологии, применение кото‑ рых с использованием различных материалов 44

видится крайне актуальным в мелкосерийном производстве сложных конструкций. Поэтому целесообразно провести исследование воздей‑ ствия на окружающую среду процессов аддитив‑ ного производства. Наряду с энергопотреблением и потреблением других ресурсов нужно рассма‑ тривать также воздействия, возникающие в про‑ цессе плавления материала и последующей обра‑ ботки детали. С экологической точки зрения ясно, что дополнительное антропогенное воздействие во время производства должно быть компенсиро‑ вано улучшениями при использовании произве‑ денной детали. Следуя растущему интересу к экологически безопасному производству, исследователи начали анализировать процессы аддитивного производ‑ ства с экологической точки зрения и сравнивать их рабочие характеристики с альтернативными, более традиционными производственными процессами, такими как механическая обработка или литье под давлением. Конечно, правильность этих анализов сильно зависит от наличия необходимых данных о жизненном цикле изделий и их репрезентатив‑ ности, что по-прежнему остается проблемой. Как следствие, большинство известных исследований предоставляют приблизительные оценки или фо‑ кусируются на одном конкретном случае использо‑ вания.

Вопросы радиоэлектроники, 4/2020

Измерения. Испытания. Контроль Антропогенное воздействие в процессе аддитив‑ ного производства и плавления полимера склады‑ вается из множества факторов (рис. 1). По сравнению с обычными производственными процессами аддитивное производство требует специфических исходных материалов. Часто это приводит к необходимости дополнительных этапов производства и подготовки материала, что обуслав‑ ливает дополнительное воздействие на окружаю‑ щую среду. В отличие от традиционных технологий, экологические характеристики материалов для ад‑ дитивного производства хуже документированы. Мониторинг техносферной среды посредством измерительного комплекса Для обеспечения работы аддитивного комплекса и безопасности операторов при обращении с рас‑ плавленными полимерами был разработан метод оценки и анализа экологической обстановки и со‑ держания вредных веществ в процессе экструзии материалов в 3D-печати в соответствии с требо‑ ваниями нормативной документации ГОСТ РИСО 16000‑1‑2007 «Воздух в замкнутых помещениях. Часть 1. Отбор проб. Общие положения». Экспертиза проводилась с помощью следующих приборов: • газовый хроматограф ФГХ‑10 (рис. 2); • спектрофотометр PV 1251С; • аспиратор воздушный ПУ‑4Э для автоматиче‑ ского отбора проб воздуха, паров и аэрозолей (в рабочей зоне, атмосфере и промышленных выбросах) с целью проведения санитарного и экологического контроля. Аспиратор произво‑ дит отбор проб с заданным объемным расходом в процессе печати через поглотитель частиц по четырем параллельным каналам (объемный

Материал Дизайн

Сырье

Технологии Материал

расход 0,3–2,1 л/мин для первых двух каналов и 3–22 л/мин для третьего и четвертого). Ото‑ бранные пробы воздуха анализируются в лабо‑ раторных условиях с применением стандартных методик анализа; • пробоотборный компрессор ПК‑1 – устройство, которое забирает пробу воздуха в специальный пакет из полиэтилена. Забор воздуха осуществлялся методом «мак‑ симальной разовой пробы»: максимальная кон‑ центрация определялась путем кратковременного отбора проб в непосредственной близости с адди‑ тивной установкой в процессе экструзии полимера. Вначале производился замер фоновых показате‑ лей воздуха в помещении рядом с рабочим местом, оборудованным 3D-принтером. После этого запу‑ скался процесс экструзии полимера. Заборы и замеры проб происходили при следую‑ щих условиях окружающей среды: • температура – 20 °C; • влажность воздуха – 51%; • атмосферное давление – 7 76 мм рт. ст. Использовались два вида проб. Аспиратор ПУ‑4Э проводил забор проб воздуха через колбы с дистиллированной водой. На каждый вид выброса проводился отдельный анализ, колбы менялись при смене материала для печати. С помощью компрессора ПК‑1 отбирались пробы непосредственно в рабочей зоне аддитивной установки. Для этого применялся полиэтиленовый пакет. После смены колб запускалась экструзия поли‑ меров на 3D-принтере. Для каждого полимера при‑ менялся свой температурный режим:

Изделие

Оборудование

Воздействие процессов аддитивного производства на техносферную среду

ПО

Входные данные

Персонал Параметры процесса

Рисунок 1. Основные параметры, влияющие на качество и воздействие аддитивного производства

vre.instel.ru

Рисунок 2. Газовый хроматограф для контроля ФГХ‑10

Измерения. Испытания. Контроль • • • • •

ABS – 2 45 °C; PLA – 225 °C; HIPS – 195 °C; FLEX – 2 37 °C; RUBBER – 241 °C.

Фоновые значения, показатели ПДК (предельно допустимой концентрации) в камере установки и результаты измерений по каждому материалу представлены в таблице. В результате исследования установлено, что пла‑ стики FLEX, HIPS и RUBBER не выделяют во время экструзии вредных для оператора установки ве‑ ществ. А значит, печать ими безопасна для здоровья. У полимера PLA продуктом распада является ацетон, но его выделение при плавлении в со‑ ответствии с полученными данными находится

в пределах погрешности, а общее содержание вредных веществ в воздухе в ходе эксперимента приблизительно в 7,6 раза ниже, чем ПДК, указан‑ ная в нормативной документации. При печати ABS-пластиком выделяется хлори‑ стый винил. По данным исследования и проведен‑ ной экспертизы его содержание превышает фо‑ новые показатели в 3,85 раза, но приблизительно в 26,5 раза меньше, чем ПДК. Из проведенного исследования можно сде‑ лать вывод, что предложенный метод оценки эко‑ логичности аддитивного производства и послой‑ ного синтеза позволяет определить соответствие 3D-принтера требованиям стандарта ГН 2.2.5.1313– 03 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны». Полу‑ ченные данные показывают, что к данной установке

Таблица. Данные анализа экологических показателей 3D-печати

Определяемые компоненты

Концентрация при экструзии, мг/м3

Фоновая концентрация, мг/м3

ПДК, мг/м3

Проба воздуха при экструзии пластика HIPS Стирол

< 0,05

Ацетальдегид

< 0,5

5,0

Проба воздуха при экструзии пластика РLА Метанол

< 0,1

Уксусная кислота

< 2,5

5,0

1,285±0,320

1,840±0,460

800

Ацетон

Проба воздуха при экструзии пластика RUBBER Метанол

< 0,1

Формальдегид

< 0,25

0,5

Стирол

< 0,05

Ацетальдегид

< 0,5

5,0

Проба воздуха при экструзии пластика ABS Фенол

< 0,15

1,0

Ацетальдегид

< 0,5

5,0

0,197±0,049

< 0,05

5,0

< 0,05

Хлористый винил Стирол

Проба воздуха при экструзии пластика FLEX Метанол

< 0,1

Формальдегид

< 0,25

0,5

Ацетальдегид

< 0,5

5,0

Стирол

< 0,05

Вопросы радиоэлектроники, 4/2020

Измерения. Испытания. Контроль можно допускать средств защиты.

человека

без

специальных

Заключение Вопросы, связанные с оценкой техногенной на‑ грузки на окружающую среду, стали особенно ак‑ туальны в последнее время ввиду использования

не до конца изученных технологий. Современное состояние производственно-технической и нор‑ мативной базы достаточно для организации про‑ изводства наукоемкой продукции с применением аддитивных технологий, но требуется дальнейшее изучение их влияния как фактора антропогенного воздействия на окружающую среду.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Чабаненко А. В. Управление качеством корпусных элементов РЭА // РИА. Стандарты и качество. 2018. № 2. С. 90–94. 2. Назаревич С. А., Рожков Н. Н., Бураков В. В. Методика IRO как способ усовершенствования функциональных харак‑ теристик новшества // Вопросы радиоэлектроники. 2017. № 5. С. 66–72. 3. Щеников Я. А. Экспертный метод выбора модели 3d-принтера, пригодной для опытного/мелкосерийного производ‑ ства в приборостроении // Радиопромышленность. 2017. № 2. С. 107–112.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ Чабаненко Александр Валерьевич, старший преподаватель, ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный уни‑ верситет аэрокосмического приборостроения» (ГУАП), Российская Федерация, 190000, Санкт-Петербург, ул. Большая Морская, д. 67, лит. А, тел.: 8 (812) 494‑70‑55, e-mail: chabalexandr@gmail.com. Смирнова Влада Олеговна, к. т. н., доцент, ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокос‑ мического приборостроения» (ГУАП), Российская Федерация, 190000, Санкт-Петербург, ул. Большая Морская, д. 67, лит. А, тел.: 8 (812) 494‑70‑55, e-mail: 89111533401@mail.ru. For citation: Chabanenko A. V., Smirnova V. O. Environmental control methods under anthropogenic influence of additive production. Issues of radio electronics, 2020, no. 4, pp. 44–47. DOI 10.21778/2218-5453-2020-4-44-47 A. V. Chabanenko, V. O. Smirnova

ENVIRONMENTAL CONTROL METHODS UNDER ANTHROPOGENIC INFLUENCE OF ADDITIVE PRODUCTION The use of additive technologies ensures the individualization of products, reduces the consumption of raw materials, improves the economic performance of production, allows the use of new materials and composites, as well as improves the quality of products. However, it is necessary to take into account the factors of the anthropogenic impact of additive production on the environment. In additive manufacturing, various types of polymers are used that undergo certification. The environmental certificate ensures that, under normal operating conditions, the polymer product is safe. However, the greatest impact of additive technologies on the environment occurs in the process of polymer melting. The article proposes a method for assessing the environmental friendliness of additive production by analyzing air samples taken at the time of polymer extrusion. A gas chromatographic analysis of air samples obtained by melting several samples of different polymers used in additive production was carried out. Keywords: additive technology, additive installation, gas chromatography

REFERENCES 1. Chabanenko A. V. Quality management of housing elements of electronic equipment. RIA. Standarty i kachestvo, 2018, no. 2, pp. 90–94. (In Russian). 2. Nazarevich S. A., Rozhkov N. N., Burakov V. V. Method for improvement of functional characteristics of innovations. Issues of radio electronics, 2017, no. 5, pp. 66–72. (In Russian). 3. Shchenikov Y. A. Expert method for selection of a 3d-printer model suitable for pilot/small-scale production in the instrument engineering industry. Radio industry (Russia), 2017, no. 2, pp. 107–112. (In Russian).

AUTHORS Chabanenko Aleksandr, postgraduate, Saint-Petersburg State University of Aerospace Instrumentation, 67A, Bolshaya Morskaya St., Saint-Petersburg, 190000, Russian Federation, tel.: +7 (812) 494‑70‑55, e-mail: chabalexandr@gmail.com. Smirnova Vlada, Ph. D., associate professor, Saint-Petersburg State University of Aerospace Instrumentation, 67A, Bolshaya Morskaya St., Saint-Petersburg, 190000, Russian Federation, tel.: +7 (812) 494‑70‑55, e-mail: 89111533401@mail.ru.

vre.instel.ru

Прикладные проблемы информационных технологий Для цитирования: Методика идентификации технического состояния оборудования электропоездов / Ю. С. Кучеров, Р. В. Допира, А. А. Шведун, Д. В. Ягольников // Вопросы радиоэлектроники. 2020. № 4. С. 48–56. DOI 10.21778/2218-5453-2020-4-48-56 УДК 004.896

Ю. С. Кучеров1, Р. В. Допира1, А. А. Шведун2, Д. В. Ягольников2 1 АО

«Научно-исследовательский институт вычислительных комплексов им. М. А. Карцева», академия воздушно-космической обороны им. Г. К. Жукова

2 Военная

МЕТОДИКА ИДЕНТИФИКАЦИИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОПОЕЗДОВ В связи с тем, что оборудование современных электропоездов функционально и технологически усложняется, возрастает актуальность создания бортовых систем предиктивного мониторинга для идентификации их фактического и прогнозируемого технического состояния. В настоящее время такие системы пока не созданы. Одним из возможных путей решения данной задачи можно считать применение нейросетевых технологий. В статье предлагается методика идентификации технического состояния оборудования электропоездов с использованием технологий искусственных нейронных сетей, которая позволяет в режиме реального времени обнаруживать возникновение и развитие неисправностей с отображением информации на дисплее в кабине машиниста. С учетом специфики решаемой задачи обоснован выбор многослойной архитектуры нейронной сети прямого распространения. Все слои нейронной сети являются полностью взаимосвязанными, при этом определено количество нейронов входного и выходного слоев сети, равное числу контролируемых параметров технического состояния электропоезда и числу его возможных технических состояний соответственно. В качестве функции активации нейронов сети выбрана логистическая функция. Для обучения искусственной нейронной сети применяется эвристический подход. Ключевые слова: искусственные нейронные сети, мониторинг технического состояния, бортовая система мониторинга

Введение В современных условиях, когда огромное внима‑ ние уделяется безопасности пассажиров, а также предотвращению аварий и крушений электропоез‑ дов, к надежности их оборудования предъявляются особенно высокие требования. Для непрерывного мониторинга и анализа технического состояния оборудования электропоездов необходимы борто‑ вые системы, работающие с высокой достоверно‑ стью в режиме реального времени. Анализ существующих решений для монито‑ ринга оборудования электропоездов [1] показал не‑ обходимость разработки универсальных бортовых систем, обеспечивающих требуемые уровни пол‑ ноты охвата устройств, глубины поиска мест отка‑ зов и достоверности контроля технического состо‑ яния. Одним из возможных путей решения данной задачи является использование нейросетевых тех‑ нологий [2]. Ряд авторов исследовали эти вопросы [1–6], однако, в настоящее время нет единой мето‑ дики, позволяющей решить задачу идентификации технического состояния электропоездов в процессе их эксплуатации. В статье предлагается методика идентификации технического состояния оборудования электропо‑ ездов, основанная на применении нейросетевых технологий [3, 6]. Она позволяет осуществлять 48

идентификацию фактического технического состо‑ яния оборудования поездов на основе результатов измерений диагностируемых параметров, получен‑ ных от датчиков различных видов. Методика идентификации технического состояния оборудования электропоездов: общие положения Структурно-логическая схема методики иден‑ тификации технического состояния оборудования электропоездов представлена на рис. 1. При рассмотрении методики следует учитывать, что техническое состояние оборудования поездов описывается совокупностью определяющих его ди‑ агностических параметров. Разумеется, множество параметров, характеризующих техническое состо‑ яние конкретно выбранного оборудования, может быть различным. В первую очередь оно опреде‑ ляется особенностями оборудования. Для обеспе‑ чения требуемой наблюдаемости технического состояния электропоездов результаты измерений диагностических параметров могут быть получены с различного вида датчиков, например датчиков ви‑ брации, температуры, постоянного и переменного тока, контроля напряжений, давления и т. д. Предлагаемая методика может использоваться для определения технического состояния такого

Вопросы радиоэлектроники, 4/2020

Прикладные проблемы информационных технологий

1-й

w11 x1

1 OUT = 1 + e NET

wij ij

xinorm

[0,1]

2-й

xinorm =

xi xi*

1+ e

3-й

Рисунок 1. Структурно-логическая схема методики идентификации технического состояния оборудования электропоездов

оборудования электропоездов, как механические узлы, электрооборудование, тормозная система и т. д. Однако необходимым условием для коррект‑ ной работы методики является наличие возмож‑ ности сбора результатов измерений параметров, характеризующих техническое состояние этого оборудования, а также известный перечень крите‑ риев его отказов (неисправностей). Существенной частью процесса идентифика‑ ции является выбор диагностических параметров, описывающих техническое состояние электропо‑ езда [7]. В связи с тем, что оптимальный перечень диагностируемых параметров, обеспечивающий наблюдаемость технического состояния оборудо‑ вания, задает его изготовитель, будем считать, что набор диагностических параметров опреде‑ лен. Входные данные методики: vre.instel.ru

• показания измерений диагностируемых параме‑ тров электропоездов; • возможные технические состояния электропоез‑ дов, а также критерии отказов (неисправностей) оборудования. Методика идентификации технического состоя‑ ния оборудования электропоездов состоит из трех последовательных этапов. Первый этап методики На первом этапе методики необходимо осуще‑ ствить и обосновать выбор архитектуры нейронной сети и вид функций активации ее нейронов для ре‑ шения поставленной задачи. В настоящее время существует огромное число архитектур искусственных нейронных се‑ тей, используемых в различных отраслях науки 49

Прикладные проблемы информационных технологий количеством прецедентов для обучения сети, можно признать незначительным [9]. Таким образом, для решения задачи иденти‑ фикации технического состояния оборудования электропоездов целесообразен выбор архитектуры многослойной нейронной сети прямого распростра‑ нения, которая схематично представлена на рис. 2. На вход сети поступают нормированные значе‑ ния диагностируемых параметров технического со‑ стояния оборудования электропоездов. Количество нейронов входного слоя определяется числом диа‑ гностируемых параметров оборудования. За ним

и техники [8]. Однако для решения задачи иден‑ тификации технического состояния оборудования электропоездов наиболее часто применяются ней‑ ронные сети, краткая характеристика архитектур которых [6] представлена в таблице. Анализ характеристик представленных архитек‑ тур искусственных нейронных сетей показал, что требуемой обобщающей способностью и информа‑ ционной емкостью для осуществления мониторинга технического состояния электропоездов обладают многослойные сети прямого распространения. Не‑ достаток, обусловленный требуемым большим

Таблица. Краткая характеристика базовых архитектур искусственных нейронных сетей

Максимальный объем памяти, (K – количество запоминаемых прецедентов)

Архитектура искусственной нейронной сети

Требуемый объем обучающей выборки

Функции, необходимые при контроле технического состояния

Ограничения и недостатки архитектуры

Многослойная нейронная сеть прямого распространения

K >> 2BL, B – количество нелинейных преобразователей в слое, L – количество нелинейных преобразований

Распознавание обобщения по подобию, обобщение по преобладанию

Требует большого числа прецедентов

Непрогнозируемое время синтеза классификатора

Нейронная сеть с обратными связями

K ≈ 0,14C, C – количество нейронов в сети

Распознавание, выработка прототипа, ассоциативное воспроизведение зашумленных образов

Не требует большого числа прецедентов

Непредсказуемость структуры фазового пространства сети

Распознавание и отображение входной информации с сохранением топологии

Не требует большого числа прецедентов

Требует продолжительного обучения

Самоорганизующиеся K ≈ D, слои и карты D – количество Кохонена нейронов слоя Кохонена

w11 f(Σ) x1norm

f(Σ)

f(Σ) o1

θ11 f(Σ)

f(Σ)

x2norm

o2 f(Σ)

f(Σ)

xnnorm

f(Σ)

wij

θij

Рисунок 2. Архитектура искусственной нейронной сети для решения задачи идентификации фактического технического состояния электропоездов

Вопросы радиоэлектроники, 4/2020

Прикладные проблемы информационных технологий следует скрытый слой. Далее данные о техниче‑ ском состоянии поезда снимают с выходного слоя сети. Количество нейронов выходного слоя опреде‑ ляется числом возможных технических состояний электропоезда. На рис. 2 использованы следующие обозначе‑ ния: {x1, x2,…, xn} – нормированные значения диа‑ гностируемых параметров технического состояния оборудования электропоездов; {w11… wij} – веса между i-м и j-м нейронами сети; {θ11… θij} – значения пороговых величин (смещений) в сумматорах ней‑ ронов; {o1, o2,…, om} – возможные технические состо‑ яния оборудования электропоездов; f(Σ) – функция активации нейронов сети. Структура элементарных преобразователей (нейронов) сети представлена на рис. 3 [7]. Элементарный преобразователь нейронной сети функционирует следующим образом:

Важными положительными качествами сигмо‑ иды являются гладкость и непрерывность функции. Также логистическая функция активации позво‑ ляет усиливать слабые сигналы и при этом не на‑ сыщаться от сильных. Данными качествами также обладает гиперболический тангенс, однако, эта функция активации является более чувствительной и значительно быстрее насыщается. Соответственно, учитывая положительные и от‑ рицательные качества рассмотренных функций активации нейронов сети, а также с учетом спе цифики задачи идентификации технического со‑ стояния электропоездов выбрана логистическая функция активации нейронов сети вида (1). Второй этап методики На следующем этапе методики необходимо про‑ извести предварительную обработку результатов измерений диагностируемых параметров техниче‑ ского состояния оборудования электропоездов. Диагностируемые параметры технического со‑ стояния поездов могут иметь различные единицы измерения [6]. В связи с этим для корректной ра‑ боты искусственной нейронной сети необходимо произвести предварительную обработку диагно‑ стируемых параметров, для чего осуществляется нормировка каждого значения параметра. На ос‑ нове выбранного вида функции активации (1) пре‑ образование результатов измерений параметров в единичный масштаб производится в соответствии с выражениями:

NET = ∑ xn wn , OUT = f (NET − θ),

где xn – входные данные; wn – веса сети; NET – взве‑ шенная сумма входных данных; θ – пороговая вели‑ чина нейрона. Для решения поставленной задачи следует вы‑ брать наиболее подходящую функцию активации нейронов. С учетом удобства применения в та‑ ких случаях часто используются следующие виды функции активации [3]: • сигмоида (логистическая функция)

OUT =

1 1+ e

−αNET

1+ e

где α – параметр, определяющий наклон функ‑ ции; • гиперболический тангенс

xi* =

e NET − e − NET OUT = tanh(NET ) = NET . e + e − NET

σ 2i =

k x1

xinorm =

(1)

⎛ x − x* ⎞ −⎜ i i ⎟ ⎝ σi ⎠

1 1 ∑ xi , N1 i=1 2

1 1 (xi − xi* ) , ∑ N1 −1 i=1

OUT (k – 1)

NET

f(Σ)

(k + 1)

Рисунок 3. Структура искусственного нейрона

vre.instel.ru

Прикладные проблемы информационных технологий где xinorm – нормированное значение диагностиру‑ емого параметра; xi – абсолютное значение пара‑ метра; xi* – среднее значение i-го параметра за N1 отсчетов; σi – среднеквадратическое отклонение значения i-го параметра за N1 отсчетов; N1 – число прецедентов выборки.

снизить объем вычислительных ресурсов при обу‑ чении нейронной сети [6]:

Третий этап методики На третьем этапе методики необходимо выбрать наиболее подходящий алгоритм обучения искус‑ ственной нейронной сети для решения задачи иден‑ тификации фактического технического состояния электропоездов и произвести ее обучение. На данный момент существует множество раз‑ личных алгоритмов обучения нейронных сетей [10–14]. Наиболее распространенным является ал‑ горитм обратного распространения ошибки обуче‑ ния сети [3, 10, 11]. Однако с целью уменьшения времени обучения и обеспечения наилучшей сходи‑ мости результатов были разработаны улучшающие его эвристики [12, 13]. В [8, 11] показано, что зна‑ чительное улучшение результативности обучения может быть достигнуто использованием алгоритма Левенберга-Марквардта. Данный алгоритм основы‑ вается на стратегии оптимизации Ньютона [13]:

pk = −[H (wk )]−1 g(wk ),

E(wij ) =

1 P M 2 ∑ ∑ e pm (wij ), 2 p=1 m=1

(2)

e pm (wij ) = d pm − o pm (wij ), где dpm – учебный (идеальный) выход нейронной сети; opm – выход нейронной сети; m – количество выходов, m = 1,M ; p – количество примеров, p = 1,P; wij – веса между i-м и j-м элементарными преобразователями. В ходе реализации алгоритма вычисление ма‑ трицы Гессе не осуществляется, что позволяет 52

∂2 E(wij ) ∂w12 ∂2 E(wij ) ∂w2 ∂w1 ! 2

∂ E(wij ) ∂wi ∂w1

∂2 E(wij ) ⎤ ⎥ ∂w1 ∂w2 ∂w1 ∂w j ⎥ ⎥ ∂2 E(wij ) ∂2 E(wij ) ⎥ ! ⎥ ∂w2 ∂w j ⎥ . ∂w22 ⎥ ! ! ! ⎥ 2 2 ∂ E(wij ) ∂ E(wij ) ⎥ ! ⎥ ∂wi ∂w2 ∂wi ∂w j ⎥ ⎦ ∂2 E(wij )

Необходимо вычислить матрицу, аппроксимиру‑ ющую матрицу Гессе [6]:

H (wij ) ≈ J T (wij )J (wij ) + µ I (wij ),

(3)

где J(wij) – матрица Якоби (якобиан); JT(wij) – транс‑ понированная матрица Якоби; µ – параметр Ле‑ венберга-Марквардта (изменяется в процессе оптимизации и является скалярной величиной); I(wij) – диагональная матрица из элементов главной диагонали произведения матриц (JT(wij)J(wij)). Якобиан имеет следующий вид:

где pk – направление, обеспечивающее достижение минимального значения целевой функции для дан‑ ного шага; g(wk) – градиент в точке wk; H(wk) – ма‑ трица Гессе в точке последнего решения wk. Оригинальный алгоритм Левенберга-Марк‑ вардта обладает достаточно высокой чувствитель‑ ностью к локальным минимумам целевой функции. Для устранения данного недостатка предлагается применить эвристический подход, который позво‑ ляет «выскочить» из локального минимума функции и продолжить продвижение к новому экстремуму, используя правила оригинального алгоритма. По‑ сле шести неудачных попыток найденный минимум признается наименьшим, и алгоритм завершает свою работу [13]. Чтобы описать эвристическую модификацию ал‑ горитма Левенберга-Марквардта, представим це‑ левую функцию в следующем виде [6]:

⎡ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ H =⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢⎣

⎡ ∂E(wij ) ⎤ J (wij ) = ⎢ ⎥. ⎢⎣ ∂wi ∂w j ⎥⎦

(4)

Таким образом, эвристическая модификация алгоритма Левенберга-Марквардта с использова‑ нием данных обозначений выглядит следующим об‑ разом [6]: 1. Инициализировать случайными числами началь‑ ные значения пороговых величин θij, параметр Левенберга-Марквардта µ и веса искусственной нейронной сети wij. 2. Произвести вычисление якобиана в соответ‑ ствии с выражением (4). 3. В соответствии с выражением (3) вычислить ма‑ трицу, аппроксимирующую матрицу Гессе. 4. Определить значение изменения весов искус‑ ственной нейронной сети по следующему выра‑ жению:

Δw = (J T (wij ) J (wij ) + µI (wij ))−1 J (wij ) e(wij ).

5. Произвести корректировку для k + 1 итерации весов нейронной сети wk + 1 = wk – Δw. 6. По формуле (2) вычислить ошибку обучения ней‑ ронной сети на k + 1 итерации. 7. Произвести сравнение заданной величины ошибки обучения искусственной нейронной сети E0 со значением ошибки на k + 1 итерации. Если условие Ek + 1 ≤ E0 выполняется, то обучение сети заканчивается. Если нет, то надо перейти к шагу 8.

Вопросы радиоэлектроники, 4/2020

Прикладные проблемы информационных технологий 8. Значение ошибки обучения нейронной сети на итерации k + 1 сравнить с предыдущим зна‑ чением ошибки. Если условие Ek + 1 > Ek выпол‑ няется, то надо перейти к шагу 9, в противном случае – к шагу 11. 9. Параметр Левенберга-Марквардта необходимо увеличить в 10 раз: µ:= 10µ. 10. Если число неудачных попыток выхода из об‑ ласти локального экстремума целевой функции удовлетворяет условию mi ≤ 6, то затем надо пе‑ рейти к шагу 5, если нет, необходимо перейти к шагу 2.

11. Параметр Левенберга-Марквардта необходимо уменьшить в 10 раз µ:= µ/10 с сохранением весов искусственной нейронной сети на данной итера‑ ции wk:= wk + 1. Затем следует перейти к шагу 2. При достижении заданного значения ошибки обучения искусственной нейронной сети обучение прекращается. Рассмотренный алгоритм обучения нейронной сети представлен на рис. 4. Применение данного эвристического подхода позволяет в от‑ личие от оригинального алгоритма ЛевенбергаМарквардта и алгоритма градиентного спуска

wij, µ, θij 2

J (wij ) =

E(wij ) wi w j 3

H (wij ) J T (wij )J (wij ) + µ I (wij ) 4

w = (J T (wij ) J (wij ) + µI (wij )) 1 J (wij ) e(wij ) 5 k+1

wk + 1 = wk – ∆w 6 k+1

1 P M 2 Ek+1 (wij ) = e pm (wij ) 2 p=1 m=1

k+1

Ek + 1 ≤ E0 9

µ:= 10µ

Ek + 1 > Ek 11 -

mi ≤ 6

µ:= µ/10; wk:= wk + 1

Рисунок 4. Эвристическая модификация алгоритма Левенберга-Марквардта

vre.instel.ru

Прикладные проблемы информационных технологий с обратным распространением ошибки снизить чувствительность к локальным минимумам целе‑ вой функции, а также повысить скорость обучения сети [6]. Заключение Предложенная методика основана на нейро‑ сетевых технологиях, что позволяет производить идентификацию фактического технического со‑ стояния электропоездов с требуемым уровнем достоверности. В [15] показана возможность ре‑ ализации рассмотренной методики в виде тех‑ нического решения. Программно-аппаратная ре‑ ализация данной методики позволит получать информацию о текущем техническом состоянии электропоездов в процессе их функционирования

на дисплее бортовых систем мониторинга в ка‑ бине машиниста. В качестве дальнейшего направления иссле‑ дования может быть рассмотрена методика про‑ гнозирования технического состояния оборудо‑ вания электропоездов с применением метода сингулярного спектрального анализа для разложе‑ ния временных рядов, построенных по каждому ди‑ агностируемому параметру оборудования поезда, на интерпретируемые аддитивные составляющие и их дальнейшего прогнозирования. После синтеза спрогнозированных составляющих главных компо‑ нент временных рядов для идентификации прогно‑ зируемых технических состояний электропоездов предлагается использовать рассмотренную в на‑ стоящей работе методику.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Патент РФ на изобретение № 2386563 / 20.04.2010. Бюл. № 11. Костюков В. Н., Костюков А. В., Бойченко С. Н., Ста‑ риков В. А., Зайцев А. В., Щелканов А. В. Система мониторинга электропоездов. 2. Бабокин Г. И., Шпрехер Д. М. Контроль технического состояния электромеханических систем при помощи нейросете‑ вых схем распознавания // Известия Тульского государственного университета. 2010. № 1. С. 109–114. 3. Бабокин Г. И., Шпрехер Д. М. Нейросетевая технология диагностики электромеханических систем горных машин // Известия вузов. Горный журнал. 2011. № 3. С. 39–44. 4. Kiselev M. I., Pronyakin V. I., Tulekbaeva A. K. Technical diagnostics functioning machines and Mechanisms. IOP Conf. Ser.: MSE, 2018, vol. 312. 5. Генов А. А., Русаков К. Д., Хиль С. Ш. Идентификация состояния сложной технической системы в условиях неопреде‑ ленности измерительной информации // Программные продукты и системы. 2017. Т. 30. № 3. С. 373–377. 6. Метод идентификации технического состояния радиотехнических средств с применением технологий искусствен‑ ных нейронных сетей / Р. В. Допира, А. А. Шведун, Д. В. Ягольников, И. Е. Яночкин // Программные продукты и си‑ стемы. 2019. Т. 32. № 4. С. 628–638. 7. Русаков К. Д., Хиль С. Ш. О задаче выбора признаков наблюдаемого состояния сложного динамического объекта в условиях различного качества измерительной информации. Нейрокомпьютеры и их применение: тез. докл. XV Все‑ рос. науч. конф. М.: Изд-во МГППУ, 2017. С. 246–248. 8. Хайкин С. Нейронные сети: полный курс. М.: Вильямс, 2006. 1104 с. 9. Пекунов В. В. Извлечение информации из нейронных сетей прямого распространения в виде простых алгебраиче‑ ских моделей // Информационные технологии. 2017. Т. 23. № 1. С. 76–80. 10. Rumelhart D. E., Hinton G. E., Williams R. J. Learning internal representations by error propagation, in parallel distributed processing. Cambridge, MA, MIT Press, 2011. Vol. 1, pp. 318–362. 11. Теория и практика машинного обучения / В. В. Воронина, А. В. Михеев, Н. Г. Ярушкина, К. В. Святов. Ульяновск: Изд-во УлГТУ, 2017. 290 с. 12. Samad T. Back-propagation improvements based on heuristic arguments. proceedings of international joint conference on neural networks. Washington, 1990. Vol. 1, pp. 565–568. 13. Махотило К. В., Вороненко Д. И. Модификация алгоритма Левенберга-Марквардта для повышения точности прогно‑ стических моделей связного потребления энергоресурсов в быту // Вестник Национального технического универси‑ тета Харьковский политехнический институт. Серия: Информатика и моделирование. 2005. С. 83–90. 14. Жуков Д. А., Клячкин В. Н. Влияние объема контрольной выборки на качество диагностики состояния технического объекта // Автоматизация процессов управления. 2018. № 2. С. 90–95. 15. Полезная модель к патенту РФ № 194498 / 12.12.2019. Бюл. № 35. Шведун А. А., Ягольников Д. В., Солдатенко В. А., Созонтов И. А. Искусственная нейронная сеть для идентификации технического состояния радиотехнических средств.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ Кучеров Юрий Сергеевич, к. т. н., генеральный директор, АО «Научно-исследовательский институт вычислительных комплексов им. М. А. Карцева», Российская Федерация, 117437, Москва, ул. Профсоюзная, д. 108, тел.: 8 (495) 330‑09‑29, е-mail: postoffice@niivk.ru. Допира Роман Викторович, д. т. н., профессор, ведущий научный сотрудник, АО «Научно-исследовательский инсти‑ тут вычислительных комплексов им. М. А. Карцева», Российская Федерация, 117437, Москва, ул. Профсоюзная, д. 108, тел.: 8 (495) 330‑09‑29, е-mail: rvdopira@yandex.ru. Шведун Андрей Александрович, адъюнкт, Военная академия воздушно-космической обороны им. Г. К. Жукова, Рос‑ сийская Федерация, 170100, Тверь, ул. Жигарева, д. 50, е-mail: ashvedun@mail.ru.

Вопросы радиоэлектроники, 4/2020

Прикладные проблемы информационных технологий Ягольников Дмитрий Владимирович, к. т. н., докторант, Военная академия воздушно-космической обороны им. Г. К. Жу‑ кова, Российская Федерация, 170100, Тверь, ул. Жигарева, д. 50, тел.: 8 (4822) 34‑71‑97, е-mail: yagolnikov_dv@mail.ru. For citation: Kucherov Y. S., Dopira R. V., Shvedun A. A., Yagolnikov D. V. Method of identification of technical condition of equipped train equipment. Issues of radio electronics, 2020, no. 4, pp. 48–56. DOI 10.21778/2218-5453-2020-4-48-56 Y. S. Kucherov, R. V. Dopira, A. A. Shvedun, D. V. Yagolnikov

METHOD OF IDENTIFICATION OF TECHNICAL CONDITION OF EQUIPPED TRAIN EQUIPMENT Due to the fact that the equipment of modern electric trains is functionally and technologically complicated, the relevance of creating airborne systems for predictive monitoring of the technical condition of trains to identify their actual and predicted technical condition is increasing. At present, it has not been possible to build automatic on-board systems for predictive monitoring of the technical condition of trains. One of the possible solutions to this problem can be considered the creation of on-board systems, the identification of the technical condition of equipment in which is carried out using neural network technologies. The article proposes a methodology for identifying the technical condition of electric train equipment using artificial neural network technologies, which allows real-time detection of the occurrence and development of malfunctions of electric train equipment with the display of information on the display in the driver’s cab. Taking into account the specifics of the problem being solved, the choice of a multilayer architecture of a direct distribution neural network is justified. All layers of the neural network are completely interconnected, while the number of neurons of the input and output layers of the network is determined, equal to the number of controlled parameters of the technical condition of the electric train and the number of its possible technical conditions, respectively. As a function of activation of network neurons, a logistic function was selected. A heuristic approach is used to train an artificial neural network. Keywords: artificial neural networks, monitoring of technical condition, on-board monitoring system

REFERENCES 1. Kostyukov V. N., Kostyukov A. V., Boychenko S. N., Starikov V. A., Zaitsev A. V., Shchelkanov A. V., inventors. System of electric trains monitoring. Russian patent RU2386563. 2010, April 20. 2. Babokin G. I., Shpreher D. M. Control of the technical condition of electromechanical systems using neural network recognition schemes. Izvestiya Tulskogo gosudarstvennogo universiteta, 2010, no. 1, pp. 109–114. (In Russian). 3. Babokin G. I., Shpreher D. M. Neural network technology for the diagnosis of electromechanical systems of mining machines. Izvestiya vuzov. Gornyi zhurnal, 2011, no. 3, pp. 39–44. (In Russian). 4. Kiselev M. I., Pronyakin V. I., Tulekbaeva A. K. Technical diagnostics functioning machines and Mechanisms. IOP Conf. Ser.: MSE, 2018, vol. 312. 5. Genov A. A., Rusakov K. D., Gil S. Sh. Identification of the state of a complex technical system in the conditions of uncertainty of measurement information. Programmnye produkty i sistemy, 2017, vol. 30, no. 3, pp. 373–377. (In Russian). 6. Dopira R. V., Shvedun A. A., Yagolnikov D. V., Yanochkin I. E. A method for identifying the technical state of radio equipment using artificial neural network technologies. Programmnye produkty i sistemy, 2019, vol. 32, no. 4, pp. 628–638. (In Russian). 7. Rusakov K. D., Gil S. Sh. On the problem of choosing the features of the observed state of a complex dynamic object in conditions of different quality of measuring information. (Conference proceedings) Neirokomp’yutery i ikh primenenie, XV Vseros. nauch. konf., Moscow, 2017, pp. 246–248. (In Russian). 8. Haykin S. Neural networks: a comprehensive foundation. 2nd ed. Prentice Hall, 1998, 842 p. 9. Pekunov V. V. Information extraction from direct distribution neural networks in the form of simple algebraic models. Informatsionnye tekhnologii, 2017, vol. 23, no. 1, pp. 76–80. (In Russian). 10. Rumelhart D. E., Hinton G. E., Williams R. J. Learning internal representations by error propagation, in parallel distributed processing. Cambridge, MA, MIT Press, 2011, vol. 1, pp. 318–362. 11. Voronin V. V., Mikheev A. V., Yarushkina N. G., Svyatov K. V. Teoriya i praktika mashinnogo obucheniya [Theory and practice of machine learning]. Ulyanovsk, UlGTU Publ., 2017, 290 p. (In Russian). 12. Samad T. Back-propagation improvements based on heuristic arguments. Proceedings of international joint conference on neural networks, Washington, 1990, vol. 1, pp. 565–568. 13. Makhotilo K. V., Voronenko D. I. Modification of the Levenberg–Marquardt algorithm to improve the accuracy of prognostic models of connected consumption of energy resources in everyday life. Vestnik Natsionalnogo tekhnicheskogo universiteta Kharkovskii politekhnicheskii institut. Seriya: Informatika i modelirovanie, 2005, pp. 83–90. (In Russian). 14. Zhukov D. A., Klyachkin V. N. Influence of the volume of the control sample on the quality of diagnostics of the state of a technical object. Avtomatizatsiya protsessov upravleniya, 2018, no. 2, pp. 90–95. (In Russian). 15. Shvedun A. A., Yagolnikov D. V., Soldatenko V. A., Sozontov I. A., inventors. Artificial neural network for identification of the technical state of radio equipment. Russian patent RU194498. 2019. December 12.

AUTHORS Kucherov Yuri, Ph. D., general director, M. A. Kartsev Computing System Research and Development Institute (NIIVK, JSC), 108, Profsoyuznaya St., Moscow, 117437, Russian Federation, tel.: +7 (495) 330‑09‑29, e-mail: postoffice@niivk.ru.

vre.instel.ru

Прикладные проблемы информационных технологий Dopira Roman, D. Sc., professor, leading researcher, M. A. Kartsev Computing System Research and Development Institute (NIIVK, JSC), 108, Profsoyuznaya St., Moscow, 117437, Russian Federation, tel.: +7 (495) 330‑09‑29, e-mail: rvdopira@yandex.ru. Shvedun Andrey, adjunct, G. K. Zhukov Military Academy of Aerospace Defense, 50, Zhigareva St., Tver, 170100, Russian Federation, e-mail: ashvedun@mail.ru. Yagolnikov Dmitry, Ph. D., doctoral candidate, G. K. Zhukov Military Academy of Aerospace Defense, 50, Zhigareva St., Tver, 170100, Russian Federation, tel.: +7 (4822) 34‑71‑97, e-mail: yagolnikov_dv@mail.ru.

Вопросы радиоэлектроники, 4/2020

ПРАВИЛА ПРЕДСТАВЛЕНИЯ СТАТЕЙ К рассмотрению принимаются нигде не опубли‑ кованные ранее рукописи статей с оригинальными результатами теоретических и экспериментальных исследований в области радиоэлектроники. Мак‑ симальный объем статьи – 23 000 печатных знаков (с пробелами), включая формулы, иллюстрации, та‑ блицы. Обязательными являются следующие элементы статьи: • Тематическая рубрика журнала, к которой должна быть отнесена статья. • Индекс УДК. • Название статьи, максимально конкретное и ин‑ формативное, на русском и английском языках. • Ф.И.О. всех авторов (полностью) на русском и английском языках. • Информация об авторах на русском и англий‑ ском 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 язы‑ ках. В аннотации подчеркивается новизна и ак‑ туальность 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 ан‑ нотации, повторяющая структуру статьи и вклю‑ чающая введение, цели и задачи, методы, резуль‑ таты/обсуждение, заключение/выводы. Объем аннотации составляет 100–200 слов. • Ключевые слова на русском и английском язы‑ ках. Должны отражать основное содержание статьи, но, по возможности, не повторять ее на‑ звание. Рекомендуемый объем – 3–6 слов или коротких словосочетаний. • Основной текст статьи. Следует соблюдать еди‑ нообразие терминов, а также единообразие в обо‑ значениях, системах единиц измерения, номен‑ клатуре. Следует избегать излишних сокращений, кроме общеупотребительных. Если сокращения все-таки используются, то они должны быть рас‑ шифрованы в тексте при первом упоминании. • Список литературы, на русском и английском языках. Должен в достаточной мере отражать современное состояние исследуемой обла‑ сти и не быть избыточным. Должен содержать ссылки на доступные источники. Не цитируются тезисы, учебники, учебные пособия, диссерта‑ ции без депонирования. Допустимый объем са‑ моцитирования автора не более 20% от источни‑ ков 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 публика‑ ции в электронном виде. В состав электронной версии статьи должны входить текстовая часть в формате MS Word (фор‑ мулы в MathType), а также иллюстрации в виде от‑ дельных графических файлов (каждый файл дол‑ жен содержать один рисунок). Статья представляется в итоговом варианте, т. е. не предполагает существенных авторских измене‑ ний и дополнений, а также не содержит исправле‑ ний, 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 нахо‑ диться в отдельной папке с названием статьи; назва‑ ние файла должно включать номер рисунка. Каждый файл должен содержать только один рисунок. Параметры иллюстраций: • форматы *.tif или *.eps; • цветовая модель Grayscale (Black 95%), разре‑ шение 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, та‑ ких как Noise, Black&white noise, Top noise; • не следует добавлять сетку или серый фон на за‑ дний план графиков и схем; • желательно иллюстрации предоставлять в двух вариантах (первый – со всеми надписями и обо‑ значениями, второй – без текста и обозначений); • все надписи на рисунках и названия рисунков обязательно (!) должны быть набраны текстом и располагаться на отдельной странице в тек‑ стовой части статьи. Текст статьи Текст должен быть в формате MS Word; на‑ бран через двойной интервал; шрифтом Times New Roman, размер шрифта – 1 2 пунктов. Не следует вводить больше одного пробела под‑ ряд (в том числе при нумерации формул). Исполь‑ зуйте 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 ри‑ сунки и таблицы. Если в статье один рисунок и/или таблица, номер не ставится. Рисунки с цифро-бук‑ венной нумерацией обозначаются в тексте без за‑ пятой и пробела (например, рис. 1а). В шапке таблицы пустых ячеек быть не должно. 57

Правила представления статей В таблице не должно быть графы с порядковым номером. Если нумерация строк необходима, то по‑ рядковый номер указывается непосредственно пе‑ ред текстом. При отсутствии данных в ячейках должны быть прочерки (т. е. пустых ячеек быть не должно). Подписи к рисункам должны содержать расшиф‑ ровку 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 настрой‑ ками строго (!) по умолчанию. Не допускается на‑ бор 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 «многоэтаж‑ ных» формул. В частности, в сложных формулах экспоненту рекомендуется представлять как «exp». Дроби предпочтительно располагать отдельной строкой, числитель от знаменателя отделять гори‑ зонтальной чертой. В десятичных дробях для отделения целой части используется запятая (например, 10,5). В качестве знака умножения используется сим‑ вол 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, обо‑ значаемые латинскими буквами, набираются курси‑ вом, обозначаемые греческими буквами – прямым шрифтом. Для обозначения векторных величин используется прямой полужирный шрифт, стрелка вверху не ставится. Одиночные буквы или символы, одиночные пе‑ ременные или обозначения, у которых есть только верхний или только нижний индекс, единицы изме‑ рения и цифры в тексте, а также простые матема‑ тические и химические формулы следует набирать в текстовом режиме без использования внедрен‑ ных рамок (т. е. без использования математических редакторов). Слова «минус» и «плюс» перед цифрами обо‑ значаются знаками (например, +4; –6). Размерности Размерности отделяются от числа пробелом, кроме градусов, процентов, промилле. Для сложных размерностей допускается исполь‑ зование как отрицательных степеней, так и скобок. Главное условие – соблюдение единообразия на‑ писания одинаковых размерностей по всему тексту и в иллюстрациях. При перечислении, а также в числовых интерва‑ лах размерность приводится только после послед‑ него числа (например, 18–20 кг), за исключением угловых градусов. 58

Числовой диапазон оформляется коротким тире без пробелов (например, 18–20). Размерности переменных пишутся после их обо‑ значений 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 литера‑ туры, 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 алфа‑ вите (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. Рус‑ ские – н а русском, англоязычные – на английском. Пример оформления статьи из периодического издания: Таран П. П., Иванов А. А. Глобализация и трудо‑ вая миграция: необходимость политики, основан‑ ной 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 Рос‑ сии: тенденции, факторы, регулирование [Элек‑ тронный ресурс]. М., 2011. 30 с. Адрес доступа: http://elsevierscience.ru/ Подписи к рисункам На отдельном листе должны быть набраны (в по‑ рядке упоминания в тексте) порядковый номер ри‑ сунка, его название, а также все надписи, располо‑ женные на рисунке. Подписи к рисункам должны содержать расшифровку всех обозначений, ис‑ пользованных 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 электрон‑ ную форму на сайте vre.instel.ru.

Вопросы радиоэлектроники, 4/2020

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 maxi‑ mum amount of 23000 articles printed characters (with spaces), including formulas, illustrations, tables. The mandatory elements of the articles are the fol‑ lowing: • 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 infor‑ mative, in Russian and English languages. • The information on authors, in Russian and English languages: regalia; place of job (the full and short‑ hand name of the organization, the post address with the indication of city and the postal index), a po‑ sition; 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 lan‑ guages. 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 sum‑ mary. The summary of article have to be informa‑ tive 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 in‑ troduction, objectives and problems, methods, re‑ sults/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 no‑ tation, systems of units, nomenclature. Avoid unnec‑ essary abbreviations commonly used in addition. If the abridgement is still used then it must be tran‑ scribed 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 ex‑ ceed 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 Math‑ Type), 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, ref‑ erences 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 in‑ clude 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 pro‑ grams 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 ver‑ sions (the first – with all the inscriptions and sym‑ bols, the second – w ithout 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 dou‑ ble-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 refer‑ ence 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 ta‑ ble number is not assigned. Figures alphanumeric num‑ bering are indicated in the text without a comma and a space (for example, Fig. 1a). 59

Rules for submitting articles In the header of the table empty cells should not be. The table should not have graphs with a serial num‑ ber. 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 partic‑ ular, complex formulas recommended exponent of as «exp». Fractions are preferably arranged separately, the numerator by the denominator separated by a horizon‑ tal 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 sym‑ bols 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 indi‑ cated 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 numer‑ ical 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). 60

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 fig‑ ures. 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 au‑ thor of more than 20% of the sources in the bibliogra‑ phy. 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 Ref‑ erences. 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 – E nglish. A sample of articles from periodicals: Taran P. P., Ivanov A. A. Globalization and labor mi‑ gration: 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: ten‑ dencies, 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, 4/2020