CC BY
72
APPLICA TION OF SOFTWARE AND MA THEMA TICAL COMPLEXES TO IMPROVE PIPE CONDITIONS AT PRODUCTION
A.A. Shishkina
The paper provides an example of a decision to improve working conditions and improve the safety of a pipe in a production environment using advanced mathematical software systems.
Key words: labor protection, production, software and mathematical complex, modeling, computer modeling, information.
Shishkina Anastasia Andreevna, student, shishkina5ap@,yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.396.677
МЕТОДИКА ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ ОБРАБОТКИ
И ЕЕ РЕАЛИЗАЦИИ В АДАПТИВНЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТКАХ
С. Л. Алешин
Представлена методика формирования «нулей» диаграммы направленности адаптивной антенной решетки в режиме реального времени в сложной сигнально-по-меховой обстановке на основе градиентного метода. Приведена возможность реализации данной методики в адаптивных антенных решётках.
Ключевые слова: адаптивная антенная решетка, адаптивный процессор, диаграмма направленности, вектор весовых коэффициентов, пространственно-временная обработка, отношение сигнал/(помеха+шум).
Функционирование радиотехнических систем в современных условиях связано с необходимостью обеспечения электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств (РЭС) и борьбой с помехами естественного и преднамеренного характера. Существуют различные подходы для выполнения данных требований, такие как временное, частотное, кодовое разделение сигналов и их комбинации, а также методы помехоустойчивого кодирования. Такие подходы позволяют обеспечить требуемую электромагнитную совместимость РЭС и бороться с помехами. Однако, в связи с возрастающими возможностями по постановке преднамеренных помех перечисленные методы в перспективе не будут обеспечивать помехоустойчивость РЭС в полной мере.
Одним из возможных направлений обеспечения помехоустойчивости РЭС является применение в качестве приемо-передающей антенны антенной решетки (АР). Основными достоинствами данного типа антенн являются возможность формирования узконаправленной диаграммы направленности (ДН) и способность противостоять помехам за счет применения различных методов формирования ДН. К этим методам относятся методы синтеза, энергетической оптимизации, компенсации и адаптации.
Применение методов синтеза и энергетической оптимизации оптимально в случае наличия априорной информации о направлении действия помеховых сигналов. Однако сигнально-помеховая обстановка в современных условиях может стремительно изменяться, что ограничивает возможности антенной решетки по противодействию помехам.
Методы компенсации помех подразумевают применение дополнительных компенсационных антенн или антенных элементов, что значительно усложняет конструкцию и ограничивает области применения таких РЭС.
330
Наиболее перспективным направлением обеспечения помехоустойчивости РЭС является реализация в антенных решетках методов адаптации. Данный подход начал свое развитие в конце 70-х годов прошлого столетия и в настоящее время проработан на высоком уровне [1]. Однако существует ряд особенностей применения методов адаптации, которые требуют более тщательного исследования.
Одним из возможно исследуемых вопросов является подавления помех антенной решеткой в сложных условиях сигнально-помеховой обстановки (СПО). Под сложными условиями сигнально-помеховой обстановки будем понимать зависимость угловых координат источников сигналов и помех от времени, т.е. местоположение спутниковых станций и спутников-ретрансляторов, а также станций постановщиков помех меняется в пространстве и времени.
В статье будет представлена методика подавления помех при пространственно-временной обработке сигналов на основе рекуррентного алгоритма адаптации, реализованная по критерию отношение сигнал/(помеха+шум) (ОГТТТТТ) Так же в работе рассматривается возможность использования представленной методики в адаптивной антенной решетке (ААР).
Рассмотрим А-элементную антенную решетку (рис. 1) с известной геометрией излучающего раскрыва, осуществляющую прием полезного сигнала с направления д0,(р0 и подавление помеховых сигналов, приходящих с неизвестных направлений (I = 1,..., ¿), источники которых постоянно изменяют свое положение в пространстве. Требуется определить и реализовать набор весовых коэффициентов в каналах адаптивной антенной решетки, обеспечивающих максимум отношения сигнал / (помеха + шум) на выходе адаптивной антенной решетки.
Антенные элементы
Рис. 1. Адаптивная антенная решетка
Целевой функцией является максимум ОГТТТТТ
б = тах
УорХ
(1)
где Ж - вектор весовых коэффициентов; - ковариационная матрица полезного сигнала; Япп - ковариационная матрица помеховых сигналов; + - операция комплексного сопряжения и транспонирования.
Для максимизации выражения (1) необходимо, чтобы вектор весовых коэффициентов принял оптимальное значение
Wopt = К-П ¿0, (2)
где ¿о - вектор, отвечающий за формирование диаграммы направленности адаптивной антенной решетки в направлении прихода полезного сигнала в отсутствии помех; * - операция комплексного сопряжения.
Весовые коэффициенты, полученные на основе выражения (2), позволяют сформировать «нули» диаграммы направленности адаптивной антенной решетки в направлениях на источники помеховых сигналов и подавить их. Однако, если источники помехо-вых сигналов находятся в движении, необходимо постоянно вычислять обратную ковариационную матрицу помеховых сигналов, что связано с большими временными и вычислительными затратами. В связи с этим, данный подход целесообразнее применять для случая стационарных источников помех.
Так как целевой функции (1) соответствует только один глобальный максимум, то для его поиска возможно применение градиентного метода, описанного в [1,7]
Ж (у +1) = Ж (у) -а(/)У №(0, (3)
где Ж (у +1) - значение вектора весовых коэффициентов на у +1 итерации (у = 0, J ); Ж (у) - значение вектора весовых коэффициентов на у -ой итерации; а(у) - число, определяющее направление и шаг адаптации на у -ой итерации; V№ (0 - градиент целевой функции.
Выражение (3) после несложных математических преобразований, описанных в [1-6], примет вид
Ж (У +1) = [(Л -1)Е + уШт ]Ж (У) + АЖ (У), (4)
где Л - шаг итерации; Е - единичная матрица; у - коэффициент, характеризующий интенсивность адаптации; АЖ (у) - вектор, характеризующий шумы адаптации.
Следует отметить, что в начальный момент времени при первой итерации значение Ж(у) равно Ж(0) = ¿о . Далее с каждым шагом Ж(у) будет стремиться к Жр .
Основным достоинством данного метода является то, что отпадает необходимость в прямом обращении ковариационной матрицы помеховых сигналов. Однако выражение (4) эффективно для случая, когда источники сигналов не перемещаются в пространстве. Это связано с тем, что в случае изменения направления излучения хотя бы одного из источников помеховых сигналов необходимо производить подстройку вектора весовых коэффициентов, опять начиная с Ж(0) = ¿о, хотя сам вектор весовых коэффициентов изменяется незначительно. Данный подход приводит к увеличению времени переходного процесса (рис. 2, кривая 1) при подстройке вектора весовых коэффициентов в каналах обработки и снижению быстродействия функционирования адаптивной антенной решетки при формировании «нулей» диаграммы направленности в направлении на источники по-меховых сигналов, находящихся в движении.
Для сокращения время переходного процесса при подстройке вектора весовых коэффициентов в каналах обработки и повышения быстродействия функционирования адаптивная антенная решетка при формировании «нулей» диаграммы направленности в направлении на помеховые сигналы, источники которых находятся в движении, необходимо, чтобы при каждом изменении ковариационной матрицы Япп производился пересчет вектора весовых коэффициентов на основе выражения (4), но уже с учетом предыдущего значения, так как его амплитудные и фазовые характеристики изменяются незначительно. Скорость пересчета вектора весовых коэффициентов должна быть в разы больше скорости изменения направления на источник полезного сигнала и помех.
С учетом вышесказанного, выражение (3) примет вид
Ж (г, у + 1) = Ж (г, у) - а(г, ') V № (0. (5)
В выражении (5) индекс г = 0,0 обозначает изменение углового положения источников излучения помеховых сигналов.
Тогда выражение (4) преобразуется к виду
Ж (г, ' +1) = [(Л -1) Е + Ж (г, У) + А Ж (г, у). (6)
Отличительной особенностью функционирования адаптивной антенной решетки на основе выражения (6) является тот факт, что вектор весовых коэффициентов Ж (г, у) только в начальный момент при первой итерации принимает значение Ж(0, 0) = ¿0, далее, при изменении углового положения источников помех и, следовательно, ковариационной матрицы помеховых сигналов Япп , вектор весовых коэффициентов принимает значение вектора, полученного при предыдущем угловом положении источников помех, то есть Ж (г +1, 0) = Ж (г, 3) . Такой подход позволяет уже в начальный момент времени при изменении углового положения источников помеховых сигналов обеспечить формирование «нулей» диаграммы направленности в их направлении и значительно сократить время переходного процесса (рис. 2, кривая 2). В случае, если изменяется направление излучения полезного сигнала, алгоритм, описанный выше, повторяется, то есть вектор весовых коэффициентов в начальный момент времени принимает значение Ж (0, 0) = ¿0 .
Реализовать представленную методику обработки возможно в адаптивном процессоре, представленном на рис. 3 [8].
Рис. 3. Состав адаптивного процессора
333
Рассмотрим подробнее функционирование адаптивного процессора (рис. 3). Смесь полезного и помехового сигналов подаются на входы блока формирования ковариационной матрицы помеховых сигналов, в которых в соответствии с приведенными соотношениями формируются коэффициенты ковариационной матрицы помеховых сигналов. Сигналы, соответствующие коэффициентам ковариационной матрицы помеховых сигналов, поступают на входы блока формирования вектора весовых коэффициентов (рис. 4).
Рис. 4. Состав блока формирования вектора весовых коэффициентов
На управляющий вход блока формирования вектора весовых коэффициентов поступает также сигнал от блока формирования управляющего вектора (SQ = Anexp(—ik(xn sin в0 cos cpQ + yn sin 6Q sin <p0))), содержащего сведения о направлении прихода полезного сигнала и амплитудно-фазовом распределении токов в излучателях антенной решетки. Сигнал о направлении прихода полезного сигнала и изменении амплитудно-фазового распределения токов в излучателях антенной решетки поступает на информационный вход блока формирования управляющего вектора от внешнего источника. По управляющей команде от блока измерения отношения сигнал / (помеха+шум) в блоке формирования вектора весовых коэффициентов формируются сигналы, соответствующие элементам вектора весовых коэффициентов. Формирование этих сигналов выполняется на основе градиентного метода.
Рассмотрим подробнее функционирование блока формирования вектора весовых коэффициентов (рис. 4). На входы первого вычислительного модуля поступают сигналы от блока формирования ковариационной матрицы помеховых сигналов, а также сигнал от блока формирования шага. В результате в первом вычислительном модуле, хранящем информацию о значении коэффициента у, производится операция умножения уdtRnn. Сигнал от блока формирования шага поступает на вход второго вычислительного модуля, который хранит информацию о размерности единичной матрицы Е. В результате во втором вычислительном модуле производится операция (dt — Х)Е. Сигналы от первого и второго вычислительных модулей поступают на соответствующие входы третьего вычислительного модуля, где производится операция сложения [(dt — \)Е + ydtRnn ]. Далее сигналы от третьего вычислительного модуля поступают на входы четвертого вычислительного модуля. Также на входы четвертого вычислительного модуля поступают сигналы блока формирования управляющего вектора и от блока хранения вектора весовых коэффициентов, в котором хранится значение вектора весовых коэффициентов, рассчитанное на предыдущем шаге итерации. В четвертом вычислительном модуле производится формирование вектора весовых коэффициентов на основе выражения (6), значение которого записывается в блок хранения вектора весовых
коэффициентов. Управляющие воздействия от вычислительного модуля поступают на соответствующие управляющие входы блоков комплексного взвешивания сигналов. Составляющие полезного сигнала, умноженные на свои весовые коэффициенты, поступают в сумматор, где производится суммирование сигналов. С выхода сумматора сигнал поступает на вход адаптивного процессора, а именно на вход блока измерения отношения сигнал / (помеха+шум), где производится измерение ОСПШ и сравнение его со значением, полученным на предыдущем шаге итерации. Если значение ОСПШ больше, чем на предыдущем шаге итерации, то блок измерения отношения сигнал / (помеха+шум) подает команду на блок формирования шага, который формирует значение следующего шага итерации, и блок хранения вектора весовых коэффициентов, который формирует сигнал, характеризующий значение вектора весовых коэффициентов, рассчитанного на предыдущем шаге итерации. Если значение ОСПШ меньше, чем на предыдущем шаге итерации, то блок измерения отношения сигнал / (помеха+шум) подает команду только на блок хранения вектора весовых коэффициентов, который формирует сигнал, характеризующий значение вектора весовых коэффициентов, рассчитанного на предыдущем шаге итерации. Данный сигнал поступает на четвертый вычислительный модуль и далее на управляющие входы блоков комплексного взвешивания сигналов, затем на сумматор и на выход устройства. В случае, если источник полезного сигнала изменил свое местоположение, то в качестве значения вектора весовых коэффициентов, рассчитанного на предыдущем шаге, выступает значение управляющего вектора S0 , которое поступает на четвертый вычислительный модуль от блока формирования управляющего вектора, сформированного на основе информационного сигнала, поступившего от внешнего источника.
Таким образом представленная выше схема адаптивной антенной решетки и адаптивного процессора позволяют реализовать описанную выше методику обработки сигналов, тем самым повысить скорость переходного процесса.
Список литературы
1. Пистолькорс А. А., Литвинов О.С. Введение в теорию адаптивных антенн. М.: Наука, 1991. 200 с.
2. Монзинго Р.А., Миллер Т.У. Адаптивные антенные решетки: Введение в теорию: пер. с англ. М.: Радио и связь, 1986. 448 с.
3. Ратынский М.В. Адаптация и сверхразрешение. М.: Радио и связь, 2003.
200 с.
4. Григорьев В.А., С.С. Щесняк, В.Л. Гулюшин, Ю.А. Распаев, О.И. Лагутенко, Щесняк А.С. Адаптивные антенные решетки. Учебное пособие в 2-ух частях. Часть 1; под. общ. ред. В.А. Григорьева. СПб: Университет ИТМО, 2016. 179 с.
5. Алешин С.Л., Бибарсов М.Р., Ладыка М.Б., Габрильян Д.Д. Алгоритм адаптации для антенной решетки систем космической связи в стационарных условиях сиг-нально помеховой обстановки // Информация и космос - 2016. №4. С. 15-21.
6. Лосев Ю.И., Бердников А.Г., Гойхман Э.Ш., Сизов Б.Д. Адаптивная компенсация помех в каналах связи. М.: Радио и связь, 1988. 208 с.
7. Габрильян Д.Д., Бибарсов М.Р., Новиков А.Н., Алешин С.Л. Метод формирования «нулей» диаграммы направленности адаптивной антенной решетки для подвижных источников излучения // Антенны. 2019. С. 59-64.
8. Алешин С.Л. Реализация адаптивного процессорав адаптивных антенных решетках при пространственно-временной обработке сигналов // Проблемы технического обеспечения войск в современных условиях. Труды IV межвузовской научно-практической конференции. Военная академия связи. 2019. С. 55-58.
Алешин Степан Леонидович, начальник учебной лаборатории, asl.87@mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военная академия связи
METHODS OF SPACE-TIME PROCESSING AND ITS IMPLEMENTA TION IN ADAPTIVE ANTENNA ARRAYS
S.L. Aleshin
The article presents a method of formation of «zeros» of the diagram of the adaptive antenna array in real time in a complex signal-noise environment based on the gradient method. The possibility of implementing this technique in adaptive antenna arrays is presented.
Key words: adaptive antenna array, adaptive processor, radiation pattern, vector of weight coefficients, space-time processing, signal/(noise+noise) ratio.
Aleshin Stepan Leonidovich, head of the educational laboratory, asl.87 a mail.ru, Russia, Saint Petersburg, military Academy of communications
УДК 004.94; 628.1
АНАЛИЗ ПОТЕРЬ В ТРУБОПРОВОДЕ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПРОГРАММНЫХ ПРОДУКТОВ
А. А. Вайцель
Описывается аналитический метод сравнения нескольких видов трубопроводов для выявления наибольших потерь среди них. Анализ проводится в программе Атух и представляются схемы распределения скорости в потоке жидкости, а также давление.
Ключевые слова: компьютерное моделирование, анализ, обработка, водоснабжение, трубопровод.
Компьютерное математическое моделирование является одним из самых эффективных и быстрых методов анализа любых процессов. В том числе и строительство, а именно водоснабжение зачастую прибегает к этому способы анализа. Основными преимуществами данного способа исследования процессов является низкое затраченное время и результат, который невозможно получить при использовании традиционных методов, таких как эксперимент [1, 2, 3].
В основе водоснабжения лежат трубы, которые выполняют функцию подвода как горячей, так и холодной воды к потребителю. Но очень часто трубы лежат не на одном уровне и имеют перепад высоты, который является сопротивлением для напора воды [4, 5]. При этом перепад высоты может быть различного вида, как вариант, многоступенчатый жесткий, или соединение с помощью гибкого шланга. Потери при различных видах соединения различны и в данной работе проведен анализ величины потерь в трубопроводе. Рассматривались два варианта трубопровода, один из которых имеет в качестве соединения труб, лежащих на разной высоте, одноступенчатый переход, а в другом случае - гибкий шланг, имеющий вид спирали.
В данной работе рассматриваются потери в трубопроводах при помощи программы АшуБ, которая позволяет определить различные гидродинамические параметры трубопроводов без применения экспериментальных исследований. Перепад высоты рассматривается как две различные системы, система жесткого перехода под 30° (рис. 1, а). и система гибкого шлангового соединения (рис. 1, б).
336
