CC BY
10
УДК 621.396.67
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-9-9-14
АЛГОРИТМ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ РЭС СВЧ-ДИАПАЗОНА НА ОСНОВЕ ИЗМЕРЕННЫХ ЗНАЧЕНИЙ КОЭФФИЦИЕНТА СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ И ВОЛНОВОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ
В.А. Кочетков, Н.Л. Алымов, М.Е. Елесин
Представлен алгоритм диагностирования АР РЭС СВЧ-диапазона на основе измеренных значений ее коэффициента стоячей волны и волнового сопротивления. Алгоритм может быть применим для некоторого класса задач, различающихся лишь исходными данными, в частности для антенных решеток «древовидной» структуры, произвольной топологии антенных элементов и рабочей частоты.
Ключевые слова: модель, антенная решетка, алгоритм диагностирования, искусственная нейронная сеть, коэффициент стоячей волны, волновое сопротивление.
В предыдущих статьях [1-4] приведены модель диагностирования, результаты ее исследования: влияние различных видов отказов антенной решетки (АР) на значения ее параметров и характеристик, методика поиска места отказа в АР РЭС СВЧ-диапазона длин волн, составляющие основу диагностического обеспечения (ДО) таких сложных технических систем.
При построении системы контроля и диагностики АР комплексов беспроводной связи было предложено использовать в качестве обобщенного диагностического параметра характеристику зависимости коэффициента стоячей волны (КСВН) от частоты в полосе пропускания АР и величину волнового сопротивления Z0, а для обучающей выборки искусственной нейронной сети (ИНС) относительные значения параметров и характеристик антенны, что наделяло бы ДО способностью многоуровневой приспособленности к определению места и причин отказа в антенной системе в процессе контроля ее технического состояния на последнем этапе производства и диагностирования в ходе применения по назначению РЭС.
Цель статьи заключается в разработке алгоритма диагностирования АР РЭС СВЧ-диапазона, отличительной особенностью которого является совокупность кластеров на основе ИНС, каждый из которых соответствует ограниченному числу наборов контрольных точек (КТ) и диагностических параметров антенной системы.
В качестве исходных данных для диагностирования антенной решетки устанавливаются значения следующих параметров:
1. f - резонансная частота АР;
2. VSWRhом (Voltage Standing Wave Ratio) - график зависимости КСВН от частоты в полосе пропускания АР с шагом х (МГц);
3. Zo ном - номинальное волновое сопротивление АР;
Значения перечисленных параметров представлены в нормативно-технической документации на изделие или в перечне контрольных измерений протокола испытаний заведомо исправной АР, при ее вводе в эксплуатацию или модернизации РЭС.
Для корректной работы алгоритма дополнительно необходима информация о топологии и геометрии питающих линий АР. К данным параметрам относятся:
1. N - количество уровней деления мощности (1...n) системы возбуждения АР;
2. li - размеры питающих линий (ветви) различных уровней деления мощности (i=1...n).
Также необходимы массивы данных и весовых коэффициентов для работы ИНС: W(l/X), W(l,),
где i =1...n, j=1...2n 1 , которые были получены в результате их обучения в ходе исследова-
Wn, (Kj),
ний [6].
В итоге набор исходных данных разрабатываемого алгоритма состоит из совокупности (1).
- /с;
- Г8№ЯноМ-;
^С ном;
- N
- li, i=1...n
- W(irk), W(li), WNl (Kj),
n-1
(1)
где I =1...и,У=1... 2
Для технического диагностирования АР реализуется процедура измерения ее волнового сопротивления (2с изм) и зависимости КСВН от частоты в полосе пропускания антенны с шагом, равным шагу зависимости в исходных данных.
Измеренное значение волнового сопротивления (2с изм) используется в качестве исходных данных при определении расстояния от порта возбуждения до места отказа одной из питающих линий излучающего элемента АР (/гС) согласно методики, представленной в [5].
Полученные в результате измерения данные зависимости КСВН от частоты в полосе пропускания антенны преобразуются в значения слабокоррелированных функций относительно исходных данных заведомо исправной АР [1]. Расстояния до места отказа выражаются отношением //X. Использование относительных значений параметров и характеристик позволяет использовать алгоритм диагностирования для АР с различной топологией и рабочей частотой.
Относительная погрешность изменения медианы 5М (%) характеризует степень изменения статистического распределения измеренных значений КСВН в зависимости от расстояния до места отказа питающей линии в антенной решетке. Линия тренда этой зависимости убывает с увеличением расстояния до места отказа. Выявлены всплески рассогласования элементов АФТ по сопротивлению при отказах на расстояниях, кратных 0,5 X, а величины максимальных значений этих всплесков уменьшаются согласно логарифмическому закону в зависимости от расстояния до места отказа в АР, что показано на рис.1 [1].
8 (%) -Цинсииис 1 ь н шеИсиН» А {*>) мс днлИи КСШI 01 рлссшяИ И* ЫССТЭ пекл и {¡ГК)
№
1т Е15 И И 5 35 5 5! ?! 5 5Ш ! П51 а I а 5 3 а Э а5 ¡¡313 6 3 Йа а а Е51! 3 5 Н1 ^ 3 $
М%1 8 Г4) <51%) 5 (%)
/А / \ I . ) 1 VI/).
Л И! 1151И 535 ' ЗЭЗ355335335ЗВ 4 5 35 5!5 215!5 ^ 3
а б в г
Рис. 1. Зависимость изменения 8 (%) медианы КСВН от расстояния до места отказа (1/Я) питающей линии: а - двух модулей (1-2 модуль); б - одного модуля (2 модуль); в - одного делителя (3-4 излучатель); г - одного излучателя (3 излучатель)
Функция «наклона» линии - линейной регрессии для точек данных в аргументах представляет зависимость известных значений у и определенных значений х. «Наклон» определяется как частное от деления расстояния по вертикали на расстояние по горизонтали между двумя любыми точками прямой; иными словами, «наклон» - это скорость изменения значений вдоль прямой (2). В рассматриваемом случае эта величина пропорциональна отклонению резонансной частоты АР от расстояния до места отказа питающей линии в антенной решетке.
Ь =
X (х - х)(уг - у) ,,ч ¿=1_, (2)
(х - х )2
где т - количество измерений значений КСВН в полосе пропускания АР.
Зависимость относительной погрешности изменения 8Ь (%) наклона характеристики КСВН от места отказа (//X) показывает, что тренд этой характеристики возрастает с увеличением расстояния до места отказа. Резкое изменение 8Ь (%) происходит при отказах на расстояниях кратных 0,5 X. Диапазон изменения 8Ь (%) с увеличением расстояния до места отказа уменьшается (Рис.2) [1].
Коэффициент корреляции г (3) может принимать значения в диапазоне от -1 до 1, при этом:
1. Если значение коэффициента приближается к -1 или 1, между двумя исследуемыми свойствами существует сильная прямая или обратная взаимосвязи соответственно.
2. Если значение коэффициента стремится к -0,5 или 0,5, два свойства слабо прямо или обратно взаимосвязаны друг с другом соответственно.
3. Если коэффициент корреляции близок к нулю, между двумя исследуемыми свойствами отсутствует прямая либо обратная взаимосвязи.
т
X(X - х) • (У1 - у) , (3)
1=1
т -2 т -2 12(х -х) •ЛХСу -у)
где т - количество измерений значений КСВН в полосе пропускания АР.
Функция «корреляция» позволяет оценивать степень искажения характеристики КСВН в результате возникновения отказа АР. Тренд зависимости г от расстояния до места отказа (//X) возрастает с увеличением расстояния. Выявлены максимумы отрицательной корреляции при отказах на расстояниях, кратных 0,5 X и положительной корреляции при отказах на расстояниях, кратных п/4 X, где п - нечетное число (Рис.3) [1].
Зависимость изменения б (%) наклона характеристики kí lil I от расстояния до места откзи (; л)
а б в г
Рис. 2. Зависимость изменения 8 (%) наклона характеристики КСВН от расстояния до места отказа (1/Я) питающей линии: а - двух модулей (1-2 модуль); б - одного модуля (2 модуль); в - одного делителя (3-4 излучатель); г - одного излучателя (3 излучатель)
Зависимость изменения коэффициента корреляции КСВН от расстояния до места отката (//X)
Г-■—Г"^-"^..........
\ Л / \ /
V /А
33SÍS3i.'S!!5B3SS5535355E-E-55 5 5 3 §33 а.333;&8 SSS^SS-SSSSSSS S 3 л 53 За
Рис. 3. Зависимость изменения коэффициента корреляции КСВН от расстояния до места отказа
(I/)) питающей линии
Взаимная корреляция между представленными зависимостями 5М (%), 5b (%) и r от расстояния до места отказа (//X) составляет от -0,06 до -0,62. Этот факт способствует большей определенности при классификации выборки диагностических параметров по классам технического состояния объекта диагностирования (ОД).
Измеренные и рассчитанные значения в соответствии с выражениями (2), (3), поочередно поступают на входы двух ИНС, которые представляют собой двухслойные нейросети с 17 входами и одним выходом. На 14 входов поступают значения отклонения от нормы измеренных значений КСВН в полосе пропускания АР с шагом x (МГц) (A VSWR (/)), а на 3 входа - значения, характеризующие степень отклонения от нормы характеристики КСВН в результате отказа:
а) по изменению уровня КСВН (5м (%));
б) по отклонению резонансной частоты (5b (%));
в) по искажению характеристики КСВН в целом (r).
Выход одной из сетей определяет соответствие входных данных с отрезком длины питающих линий (ветви) /i - соответствующим уровню деления мощности (i=1...n), на котором происходит отказ. Второй - с расстоянием от порта возбуждения АР до места отказа, выраженным в единицах //X.
В целях повышения достоверности по трем, условно обозначенным как зависимости: "//X от КСВН"; " / от КСВН"; "/z0 (мм) от Z0", полученным на предыдущих шагах значениям осуществляется выбор по мажоритарному принципу значения расстояния / от порта возбуждения АР до места отказа, выраженное в миллиметрах. Критерием выбора места отказа (/ (мм)) является соответствие ему хотя бы
двух значений диагностических параметров (4), при этом в случае выполнения условия для^-L. х)(мм) и
X
/z0 (мм) приоритет отдается последнему, так как данное значение определяется аналитическим выражением. Если условие не выполняется, то рекомендуется произвести повторные измерения волнового сопротивления (Z0 изм) и зависимости КСВН от частоты в полосе пропускания антенны и (или) проверить корректность параметров АР согласно технической документации.
(— • Х)(мм) е /i U lz0(мм) е li U ((-X. Х)(мм)П /z0 (мм)) е V /i,где i = 1...n (4) X X
В случае выполнения условия, полученный результат / (мм) определяет отказавший уровень деления мощности N, как минимальное значение n для которого справедливо неравенство:
/(мм) < X /1 (5)
1=1
В зависимости от полученного результата положения уровня деления мощности N в топологии АР, выбираются массивы данных и весовых коэффициентов ИНС, которые соответствуют данному уровню деления мощности.
Тип и входные данные ИНС представлены ранее, а выходной параметр соответствует номеру питающей линии уровня деления мощности, на которой произошел отказ (К). Общее количество питающих линий уровня деления мощности определяется как 2п-1 .
Анализ исследований [3-5] показал изменение значений основных параметров и характеристик АР при однократном отказе, при котором неработоспособной становится менее 5% излучающей поверхности, не значительны и трудноразличимы по сравнению с нормальными значениями. Поэтому диагностирование однократного отказа целесообразно проводить на уровнях деления мощности п<5. Алгоритм диагностирования АР РЭС СВЧ-диапазона на основе измеренных значений 20 и характеристики КСВН приведен на рис. 4.
В результате работы алгоритма фиксируется значение расстояния от порта возбуждения АР до места отказа / (мм) и номер отказавшей питающей линии соответствующего уровня деления мощности
К].
С
Ввод исходных данных (1)
X
Измерение характеристики VSWR
х
Измерение 20изм
х
Расчет /20 [5]
X
Расчет относительных значений параметров и характеристик [1]: А VSWR (/); 8ь (%); 8м (%); г.
Ввод данных в ИНС (для определения //X): А VSWR (/), 8Ь (%), 8М (%), г, W(//X)
X
Вывод результата ИНС: //X
х
Ввод данных в ИНС (для определения /¿ ): А VSWR 05, 8Ь (%), 8М (%), г, W(í)
X
/ = /(мм) / = (мм) / = Ьц (мм)
N = г, 1=1..п N=г ,1=1..п .= г, 1 =1..п
Введены некорректные данные
Ввод данных в ИНС. (г=1...п ) (для определения К], ]'=1...2п"1 ): А VSWR О, 8ь (%), 8м (%), г, Wм(K/) I
Вывод результата ИНС: К
X
Вывод результата алгоритма: - значения расстояния (в мм) от порта до места отказа "/" - номер питающей линии соответствующего уровня деления _мощности "К]=1...2П"1_
С
Конец
3
Рис. 4. Структура алгоритма диагностирования АР РЭС СВЧ
12
Допускается использование представленного алгоритма и в режиме ограниченных исходных данных. Если имеется возможность измерения и расчета зависимости лишь / (мм) от то поиск одной
_п—1 " "
из 2 отказавшей питающей линии уровня деления мощности осуществляется методом последовательных поэлементных проверок.
Если проведено измерение только зависимости КСВН от частоты в полосе пропускания антенны, то алгоритм отработает в полном объеме, но с меньшей достоверностью, т. к. уровень распознавания обучающей выборки ИНС составляет 98% -г- 100%.
Алгоритм имеет строго определенное число входных величин - выражение (1).
Цель выполнения алгоритма - вывод значений расстояния в (мм) от порта возбуждения АР до места отказа и номера питающей линии уровня деления мощности в системе возбуждения антенной решетки РЭС СВЧ-диапазона длин волн.
Ограничения, при которых выполняется разработанный алгоритм диагностирования:
1) Погрешность позиционирования излучающих элементов решетки и положения линий задержки (питающих линий) на апертуре антенны - не более 3% относительно электрических центров излучателей и координат начальной и конечной точек линии распределения мощности СВЧ сигнала, измеряемых в относительных единицах //X.
2) Обеспечена требуемая стабильность амплитуды и фазы коэффициента передачи в СВЧ тракте между входами измерительной техники и портами возбуждения АР при их различных положениях.
3) Паразитные отражения от конструкции измерительной техники при измерении КСВН - не учитывается.
4) В ходе проведения измерений величины КСВН АР в передающем тракте РЭС СВЧ-диапазона необходимо, что бы все антенные элементы решетки излучали мощность одновременно.
5) Измерения параметров АР, развертываемых (устанавливаемых) на АМУ высотой более 20 м при силе ветра 15 м/с - не производятся.
6) Поиск места отказа в АР, имеющих любой вид апертуры кроме плоской (конформная, круговая, цилиндрическая, специальная и др.) с использованием разработанного алгоритма - не выполняется.
Допущения, принимаемые в процессе функционирования разработанного алгоритма диагностирования АР РЭС СВЧ-диапазона длин волн:
а) определение комплексных значений возбуждения каждого элемента АР, а также параметров и характеристик решетки осуществляется при помощи математической обработки результатов измерений.
б) взаимная связь между излучающими элементами АР, оказывающая влияния как на фазу, так и на амплитуду возбуждения, потери в распределительной системе и фазовые ошибки в ее элементах -не учитываются.
Область применения алгоритма - класс задач технического диагностирования антенных решеток РЭС СВЧ-диапазона длин волн с плоской апертурой, синфазным возбуждением, различной топологией распределительной системы и геометрией излучающих элементов (треугольная, прямоугольная, гексагональная и др. плоские многоугольные структуры).
Направлением дальнейших исследований является исследование свойств разработанного алгоритма: сходимости, чувствительности к отклонению исходных данных, наличие элементов робастности, а также проверки выполнения требований, предъявляемых к алгоритмам, как к вычислительным процессам.
Кроме того, необходима разработка предложений и обоснование свойств, требований, предъявляемых к измерительной техники, реализующей представленный алгоритм диагностирования антенной решетки.
Список литературы
1. Алымов Н.Л. Модель диагностирования планарной антенной решетки РЭС СВЧ диапазона // Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2021. Вып. 3. С. 32 - 41.
2. Кочетков В.А., Алымов Н.Л. Использование САПР Genesys при моделировании процессов диагностирования элементов антенно-фидерного тракта и антенных решеток РЭС СВЧ диапазона // Информационные системы и технологии. Орел, 2018. № 3. С. 5 - 14.
3. Кочетков В.А., Елесин М.Е., Алымов Н.Л., Черкасов А.Е. Результаты электродинамического моделирования влияния изменения фазы возбуждения излучающих элементов на диаграмму направленности планарных антенных решеток СВЧ диапазона // Информационные системы и технологии. Орел, 2018. № 4. С. 5 - 13.
4. Кочетков В.А., Тихонов А.В., Алымов Н.Л., Ремизов Ю.А. Результаты исследования влияния отказов излучателей антенных решеток РЭС СВЧ диапазона на изменение параметров антенно-фидерного тракта с использованием САПР Genesys // Информационные системы и технологии. Орел, 2018. № 6. С. 5 - 12.
5. Кочетков В.А., Елесин М.Е., Алымов Н.Л. Методика определения места отказа в антенной решетке РЭС СВЧ диапазона на основе анализа значений ее волнового сопротивления // Информационные системы и технологии. Орел, 2021. № 6. С. 83 - 92.
6. Кочетков В.А., Алымов Н.Л., Елесин М.Е., Горшков А.А. Способ описания процесса формализации уровней диагностических моделей и постановка задачи их выделения из конфигурационных наборов топологии антенной решетки РЭС СВЧ диапазона с использованием нейросетевых технологий // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2019. Вып. 3. С. 9-19.
Кочетков Вячеслав Анатольевич, канд. техн. наук, сотрудник, buhtins@mail.ru, Россия, Орел, Академия Федеральной службы охраны,
Алымов Николай Леонидович, сотрудник, n.alymov@mail.ru, Россия, Россия, Орел, Академия Федеральной службы охраны,
Елесин Максим Евгеньевич, канд. техн. наук, сотрудник, awgn@rambler.ru, Россия, Орел, Академия Федеральной службы охраны
DIAGNOSTIC ALGORITHM OF AERIAL ARRAYS OF MICROWAVE RANGE ON THE BASIS OF ITS MEASURED VALUES OF STANDING WA VE RATIO AND WAVE RESISTANCE
V.A. Kochetkov, N.L. Alymov, M.E. Elesin
The developed diagnostic algorithm of aerial arrays of microwave range based on its measured values of standing wave ratio and wave resistance is presented. The algorithm can be applicable for some class of problems, which differ only in basic data, particularly for antenna arrays of "treelike" structure, arbitrary topology and working frequency.
Key words: model, antenna array, diagnostic algorithm, artificial neural network, standing wave ratio, wave resistance.
Kochetkov Vyacheslav Anatolevich, candidate of technical sciences, employee, buhtins@mail.ru, Russia, Orel, Academy of Federal Security Service of Russia,
Alymov Nikolay Leonidovich, employee, n. alymov@mail. ru, Russia, Orel, Academy of Federal Security Service of Russia,
Elesin Maxim Evgenevich, candidate of technical sciences, employee, awgn@rambler.ru, Russia, Orel, Academy of Federal Security Service of Russia
УДК 004.932
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-9-14-17
О НЕОБХОДИМОСТИ АНАЛИЗА СТРУКТУРИРОВАННЫХ ГРАФИЧЕСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ
В СООБЩЕНИЯХ СОЦИАЛЬНЫХ СЕТЕЙ
А.Ю. Андросов, М.А. Васюков, Д.Л. Жусов, А.А. Толкунов
В статье представлено обоснование необходимости анализа структурированных графических изображений в сообщениях социальных сетей с целью обеспечения идентичности данных для оценки общественного мнения за счет увеличения полноты обрабатываемых сообщений.
Ключевые слова: социальная сеть, сообщение, структурированное графическое изображение, общественное мнение.
В последние годы социальные сети стали неотъемлемой частью жизни общества. По данным международного агентства We Are Social [1], в 2021 году социальными сетями в России пользовалось 99 млн человек, что составляет 67,8% населения страны. В сообществах социальных сетей пользователи публикуют открытые сообщения с целью общения, обсуждения вопросов, выражения своих мнений, размещения сведений о себе и т.п. По данным Brand Analytics ежемесячный объем публичных сообщений за 2021 год составил порядка 1.1 млрд публикаций [2], структура которых состоит из непосредственно текста оригинального сообщения, его повторения (репоста), а также комментариев (реакции) к нему (рис. 1) на примере комментариев сообщества Barnaul 22 [3].
14
