СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТА ОДНОКРАТНОГО ОТКАЗА В АНТЕННОЙ РЕШЕТКЕ С "ДРЕВОВИДНОЙ СТРУКТУРОЙ" ДЕЛЕНИЯ МОЩНОСТИ РЭС СВЧ ДИАПАЗОНА Российский патент 2024 года по МПК H01Q21/00 

Изобретение относится к области антенной техники, а точнее к способам определения работоспособности антенных решеток (АР) на основе измерения ее характеристик.

Термины и определения:

Диагностирование – процесс определения технического состояния объекта (системы) с заключением о его техническом состоянии и указанием места, вида и причин дефекта; проверка исправности, работоспособности, правильности функционирования, поиск неисправностей. [Грицык В.И., Космин В.В. Термины и понятия (словарь): Транспорт. Строительство. Экономика. Менеджмент. Маркетинг. Системотехника. Информатика. – М.: УМК МПС России, 2000]

Антенная решетка – Антенна, содержащая совокупность излучающих элементов, расположенных в определенном порядке, ориентированных и возбуждаемых так, чтобы получить заданную диаграмму направленности. [ГОСТ 23282-91 Решетки антенные. Термины и определения].

Эксплуатационный отказ – отказ, возникший в результате нарушения установленных правил и (или) условий эксплуатации объекта. Эксплуатационные отказы являются следствием нарушений условий работы, на которые рассчитан данный период, несоблюдения оговоренных в технической документации правил эксплуатации, низкой квалификации обслуживающего персонала, естественного старения, изнашивания и других причин. Эксплуатационные отказы проявляются не только в начальный период эксплуатации, но и в последующее время [Большая энциклопедия нефти и газа [Электронный ресурс] URL: http://www.ngpedia.ru/id229377p1.html].

Коэффициент стоячей волны по напряжению – отношение наибольшего значения амплитуды напряжённости электрического поля стоячей волны в пучностях линии передачи к амплитуде в узлах [ГОСТ 18238-72 Линии передачи сверхвысоких частот. Термины и определения].

Волновое сопротивление – величина, определяемая отношением напряжения падающей волны к току этой волны в линии передачи [ГОСТ 18238-72 Линии передачи сверхвысоких частот. Термины и определения].

Искусственная нейронная сеть – математическая модель, а также её программное или аппаратное воплощение, построенная по принципу организации и функционирования биологических нейронных сетей – сетей нервных клеток живого организма. [Большая Российская энциклопедия: [в 35 т.] / гл. ред. Ю. С. Осипов. – М.: Большая Российская энциклопедия, 2004 – 2017].

Под однократным отказом понимается не более одного изменения значений параметра (характеристики) питающей линии элементов распределительной системы АР, приводящее к нарушению работоспособности (функционирования) одной или нескольких составных частей радиоэлектронного средства.

Известен "Способ определения расстояния до места обрыва кабеля проводов линии электросвязи" (патент РФ № RU2315330C1 от 17.07.2006, Бюл. № 29), заключающийся в том, что определение расстояния до места обрыва кабеля проводов линии электросвязи путем расчета остаточной электрической емкости уцелевшего участка контрольной пары проводов от исходящего конца кабеля С_ост и вычисления величины погонной электрической емкости С_погон. Расстояние до места обрыва кабеля определяют делением С_ост на С_погон.

Известен "Способ определения места повреждения линий электропередачи и связи и устройство для его осуществления" (патент RU2400765 C2 опубликован 27.09.2010) заключающийся в том, что осуществляется посылка в линию зондирующих импульсов от генератора при согласовании выходного сопротивления последнего с волновым сопротивлением линии с требуемой точностью согласования, приема отраженных импульсов, определении места повреждения по временной задержке отраженного импульса относительно зондирующего, при этом зондирующие импульсы напряжения подвергают время-частотной модуляции, а отраженные импульсы – соответствующей демодуляции, фильтрации и спектральному анализу, причем информацию о временной задержке отраженных импульсов относительно зондирующих и местах повреждений определяют по значениям получаемых амплитудно-частотных спектров.

Известен "Способ определения расстояния до места повреждения на линии электропередачи" (патент RU2475768 C1 опубл. 20.02.2013) заключающийся в том, что для определения места повреждения на линиях электропередачи, используют волновой метод двусторонних измерений, по которому фиксируют электромагнитные волны, возникающие в месте короткого замыкания (КЗ) и распространяющиеся к концам линий, в моменты достижения фронтами волн концов линии, измеряют и фиксируют разность прихода этих фронтов путем остановки счетчиков хронирующих импульсов, передаваемых по каналам связи и обеспечивающих синхронность хода счетчиков (привязку моментов отсчета).

Известен "Способ диагностики состояния элементов фазированной антенной решетки" (патент RU2413345 C2 опубл. 27.02.2011) заключающийся в том, что диагностика состояния излучающих элементов ФАР осуществляется по измерениям сигнала СВЧ за счет удаления дополнительных СВЧ трактов и устройств в составе ФАР, демонтажа радиопрозрачного укрытия и наличия неподвижного измерительного зонда в ближней зоне.

Известен "Способ диагностики фазированной антенной решетки" (патент RU2623825C1 опубл. 29.06.2017) который решает задачу диагностирования, используя данные комплексных амплитуд токов (или напряжений) возбуждения излучателей и данные измерений, полученных в тех же точках ближней зоны при излучении сигналов бездефектной опорной ФАР, размещаемой на месте тестируемой ФАР и конструктивно полностью совпадающей с ней. Затем формируют функцию разности комплексных амплитуд возбуждения излучателей новой разреженной ФАР и функцию разности комплексных напряжений, регистрируемых на выходе зонда в точках проведенных измерений.

Наиболее близким по технической сущности аналогом (прототипом) к заявленному способу является способ, описанный в статье "Алгоритм диагностирования антенной решетки РЭС СВЧ диапазона на основе измеренных значений коэффициента стоячей волны и волнового сопротивления" (Кочетков В.А., Алымов Н.Л., Елесин М.Е. Алгоритм диагностирования антенной решетки РЭС СВЧ диапазона на основе измеренных значений коэффициента стоячей волны и волнового сопротивления // Тула: Известия Тульского Государственного университета. Технические науки. 2022. № 9. С. 9 – 14), заключающийся в измерении значений зависимости коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН) от частоты сигнала возбуждения в полосе пропускания антенны преобразуют в значения слабокоррелированных функций ("медианы" δ_М (%), "наклона" δ_b (%) и "корреляции" r) относительно исходных данных заведомо исправной АР, затем измеренные и преобразованные значения используют в качестве входных данных искусственной нейронной сети (ИНС), которая в зависимости от загруженных массива данных и весовых коэффициентов, определяет соответствие входных данных с отрезком длины питающих линий (ветви) l_i – соответствующим уровню деления мощности (i=1...n), на котором происходит отказ или с расстоянием от порта возбуждения АР до места отказа, выраженным в единицах l/λ, а измеренное значение волнового сопротивления (Z_{0 изм}) используют для определения расстояния от порта возбуждения до места отказа одной из питающих линий излучающего элемента АР (l_z0), затем осуществляют выбор по мажоритарному принципу значения расстояния l от порта возбуждения АР до места отказа, выраженное в миллиметрах и отказавший уровень деления мощности N_i , далее, ИНС, с загруженными массивами данных и весовыми коэффициентами, соответствующим отказавшему уровню деления мощности N_i в топологии АР, определяет номер питающей линии уровня деления мощности, на которой произошел отказ (K_j,i).

Техническая проблема – невозможность проверки условия применимости способа: однократность отказа и низкий уровень достоверности при определении номера питающей линии уровня деления мощности (K_j,i) на которой произошел отказ из-за недостаточного уровня распознавания обучающей выборки ИНС, минимальное значение которой составляет 98%.

Технический результат – проверка условия однократности отказа и повышение уровня достоверности при определении номера питающей линии уровня деления мощности (K_j,i) на которой произошел отказ, за счет использования тепловизионного контроля полотна АР во время ее работы.

Техническая проблема решается за счет разработки способа, позволяющего расширить функциональные возможности способа-прототипа по проверке условия однократности отказа и повышению уровня достоверности при определении номера питающей линии уровня деления мощности (K_j,i) на которой произошел отказ за счет определения номеров отказавших излучающих элементов по полученной термографии с последующим однозначным сопоставлением с номером питающей линии уровня деления мощности (K_j,i) на которой произошел отказ.

Техническая проблема решается тем, что в способе определения места однократного отказа в антенной решетке с "древовидной структурой" деления мощности РЭС СВЧ диапазона длин волн измеряют значения зависимости коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН) от частоты сигнала возбуждения в полосе пропускания антенны преобразуют в значения слабокоррелированных функций ("медианы" δ_М (%), "наклона" δ_b (%) и "корреляции" r) относительно исходных данных заведомо исправной АР, затем измеренные и преобразованные значения используют в качестве входных данных искусственной нейронной сети (ИНС), которая в зависимости от загруженных массива данных и весовых коэффициентов, определяет соответствие входных данных с отрезком длины питающих линий (ветви) l_i – соответствующим уровню деления мощности (i=1...n), на котором происходит отказ или с расстоянием от порта возбуждения АР до места отказа, выраженным в единицах l/λ, а измеренное значение волнового сопротивления (Z_{0 изм}) используют для определения расстояния от порта возбуждения до места отказа одной из питающих линий излучающего элемента АР (l_z0), затем осуществляют выбор по мажоритарному принципу значения расстояния l от порта возбуждения АР до места отказа, выраженное в миллиметрах и отказавший уровень деления мощности N_i ,

Согласно изобретению дополнительно проводят тепловизионный контроль полотна АР во время ее работы, по полученной термографии определяют номера отказавших излучающих элементов, которые, в случае однократного отказа, однозначно сопоставляют с номером питающей линии уровня деления мощности (K_j,i) на которой произошел отказ, исходя из известной топологии АР.

Перечисленная новая совокупность существенных признаков обеспечивает возможность проверки условия однократности отказа и повышения уровня достоверности при определении номера питающей линии уровня деления мощности (K_j,i) на которой произошел отказ, за счет использования тепловизионного контроля полотна АР во время ее работы.

Проведенный анализ позволил установить, что аналоги, тождественные признакам заявленного способа, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленного способа условию патентоспособности "новизна".

Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного объекта, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из уровня техники также не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".

"Промышленная применимость" способа обусловлена наличием элементной базы, на основе которой могут быть выполнены устройства, реализующие данный способ с достижением указанного в изобретении назначения.

Результаты поиска известных решений в данной и смежной областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипов признаками заявленного изобретения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".

Заявленный способ поясняется чертежом, на котором показаны:

фиг. 1 – блок-схема алгоритма способ определения места однократного отказа в антенной решетке с "древовидной структурой" деления мощности РЭС СВЧ диапазона;

фиг. 2 – пример топологии АР (4х4);

фиг. 3 – пример соответствия отказавших излучающих элементов с номером питающей линии уровня деления мощности (K_j,i) на которой произошел отказ, исходя из известной топологии АР, для случая однократного отказа питающей линии элементов распределительной системы АР.

В качестве исходных данных для диагностирования антенной решетки задают значения следующих параметров, значения которых, 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, например, с использованием панорамного измерителя КСВН Р2-137 и измерителя волнового сопротивления CITS880s (блок 1, фиг.1):

1. f₀ – резонансная частота АР;

2. VSWR_ном (Voltage Standing Wave Ratio) – график зависимости КСВН от частоты в полосе пропускания АР;

3. Z_{0 ном} – номинальное волновое сопротивление АР.

Задают информацию о топологии и геометрии питающих линий АР:

1. N – количество уровней деления мощности (1...n) системы возбуждения АР;

2. l_i – размеры питающих линий (ветви) различных уровней деления мощности (i=1...n).

Задают массивы данных и весовых коэффициентов для работы ИНС: W(l/λ), W(l_i), где i =1…n, которые получены в результате ее обучения, описанного [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// Тула: Известия Тульского Государственного университета. Технические науки. 2019. № 3. С. 9-19.].

В итоге набор исходных данных разрабатываемого алгоритма состоит из совокупности (1).

Измеряют следующие параметры АР: панорамным измерителем КСВН Р2-137 зависимость КСВН от частоты в полосе пропускания антенны (блок 2, фиг.1) и измерителем волнового сопротивления CITS880s волновое сопротивления (Z_{0 изм}) (блок 4, фиг.1)

Измеренное значение волнового сопротивления (Z_{0 изм}) используется в качестве исходных данных при определении расстояния от порта возбуждения до места отказа одной из питающих линий излучающего элемента АР (l_z0) (блок 5, фиг.1) согласно методике, представленной в [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 // Орел: Информационные системы и технологии. 2021. № 6. С. 83 – 92.].

Полученные в результате измерения данные зависимости КСВН от частоты в полосе пропускания антенны преобразуются в значения слабокоррелированных функций (изменения медианы δ_М (%), изменения δ_b (%) наклона характеристики, коэффициент корреляции r) относительно исходных данных заведомо исправной АР (блок 3, фиг.1). Расстояния до места отказа выражаются отношением l/λ. Использование относительных значений параметров и характеристик позволяет использовать алгоритм диагностирования для АР с различной топологией и рабочей частотой. Взаимная корреляция между представленными зависимостями δ_М (%), δ_b (%) и r от расстояния до места отказа (l/λ) составляет от –0,06 до –0,62. Этот факт способствует большей определенности при классификации выборки диагностических параметров по классам технического состояния объекта диагностирования (ОД) [Алымов Н.Л. Модель диагностирования планарной антенной решетки РЭС СВЧ диапазона // Тула: Известия ТулГУ. 2021. №3. С. 32 – 41.].

Рассчитанные значения поочередно подают на входы ИНС, которая представляет собой двухслойную нейросеть с M входами и одним выходом. На M – 3 входа подают значения отклонения от нормы измеренных значений характеристики КСВН от частоты с шагом, позволяющим перекрыть полосу пропускания АР, а на 3 входа – значения, характеризующие степень отклонения от нормы характеристики КСВН в результате отказа:

а) по изменению уровня КСВН (δ_М (%));

б) по отклонению резонансной частоты (δ_b (%));

в) по искажению характеристики КСВН в целом (r).

Выход сети, в зависимости от загруженных массивов данных и весовых коэффициентов (блок 6, фиг.1), (блок 8, фиг.1), определяет соответствие входных данных с отрезком длины питающих линий (ветви) l_i – соответствующим уровню деления мощности (i=1...n) (блок 9, фиг.1), на котором происходит отказ или – с расстоянием от порта возбуждения АР до места отказа, выраженным в единицах l/λ (блок 7, фиг.1).

В целях повышения достоверности по трем, условно обозначенным как зависимости: "l/λ от КСВН"; " l_i от КСВН"; "lz₀ (мм) от Z₀", полученным на предыдущих шагах значениям выбирают по мажоритарному принципу значения расстояния l от порта возбуждения АР до места отказа, выраженное в миллиметрах (блок 10, 12, 14, фиг.1). Критерием выбора места отказа (l (мм)) является соответствие ему хотя бы двух значений диагностических параметров (2), при этом в случае выполнения условия для$$(\frac{l}{\lambda }\cdot \lambda )$$(мм) и lz₀ (мм) приоритет отдается последнему, так как данное значение определяется аналитическим выражением. Если условие не выполняется (блок 16, фиг.1), то рекомендуется произвести повторные измерения волнового сопротивления (Z_{0 изм}) и зависимости КСВН от частоты в полосе пропускания антенны и (или) проверить корректность параметров АР согласно технической документации.

$$(\frac{l}{\lambda }\cdot \lambda )(\text{мм})\in l_i\cup$$ $$l{z}_0(\text{мм})\in l_i\cup$$ $$((\frac{l}{\lambda }\cdot \lambda )(\text{мм})\cap l{z}_0(\text{мм}))\in \forall l_i,\text{где}i=\mathrm{1...}n$$ (2)

В случае выполнения условия (блок 11, 13, 15, фиг.1), полученный результат l (мм) определяют отказавший уровень деления мощности N, как минимальное значение n для которого справедливо неравенство $$l(\text{мм})\le {\displaystyle \sum _{i=1}^n}{l}_i$$.

С помощью тепловизора RGK TL-60 проводят тепловизионный контроль полотна АР во время ее работы, по полученной термографии определяют номера отказавших излучающих элементов (как области термографии с низкой температурой вследствие отсутствия в них протекающего тока возбуждения), которые однозначно сопоставляют (фиг.3) с номером питающей линии уровня деления мощности (K_j,i) на которой произошел отказ, исходя из известной топологии АР (фиг.2) (блок 17, фиг.1).

В случае выполнения условия (блок 18, фиг.1), запоминают полученный результат номера питающей линии уровня деления мощности (K_j,i) (блок 20, фиг.1). Невыполнение этого условия может являться признаком неоднократного отказа излучающей системы АР (блок 19, фиг.1).

В результате работы алгоритма фиксируется значение расстояния от порта возбуждения АР до места отказа l (мм) и номер отказавшей питающей линии соответствующего уровня деления мощности K_j,i (блок 21, фиг.1).

Достижение технического результата поясняется тем, что способ-прототип имеет низкий уровень достоверности при определении номера питающей линии уровня деления мощности (K_j,i) на которой произошел отказ из-за недостаточного уровня распознавания обучающей выборки ИНС, минимальное значение которой составляет 98%, в свою очередь, предложенный способ позволяет определить номера отказавших излучающих элементов при применении тепловизионного контроля с последующим однозначным сопоставлением (фиг.3) с номером питающей линии уровня деления мощности (K_j,i) на которой произошел отказ. Невозможность сопоставления номеров отказавших излучающих элементов (фиг.3) с номером питающей линии уровня деления мощности (K_j,i) является признаком неоднократности отказа.

Таким образом, поставленный технический результат, а именно повышение (100%–98% = 2%) до 2% уровня достоверности при определении номера питающей линии уровня деления мощности (K_j,i), на которой произошел отказ, и возможность подтверждения однократности отказа за счет применения тепловизионного контроля, обеспечен.

Изобретение относится к антенной технике, а именно к способам определения работоспособности антенных решеток (АР) на основе измерения ее характеристик. Технический результат - повышение уровня достоверности при определении номера питающей линии уровня деления мощности K_j,i, на которой произошел отказ. Результат достигается тем, что предложен способ определения места однократного отказа в антенной решетке с древовидной структурой деления мощности радиоэлектронной системы (РЭС) СВЧ диапазона, отличающийся от прототипа тем, что дополнительно проводят тепловизионный контроль полотна АР во время ее работы, по полученной термографии определяют номера отказавших излучающих элементов, которые однозначно сопоставляют с номером питающей линии уровня деления мощности K_j,i, на которой произошел отказ, исходя из известной топологии АР, причем невозможность сопоставления номеров отказавших излучающих элементов с номером питающей линии уровня деления мощности K_j,i является признаком неоднократности отказа. 3 ил.

Способ определения места однократного отказа в антенной решетке с древовидной структурой деления мощности радиоэлектронной системы (РЭС) СВЧ диапазона, заключающийся в том, что измеряют значения зависимости коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН) от частоты сигнала возбуждения в полосе пропускания антенны, преобразуют в значения слабокоррелированных функций, а именно медианы - δ_М, %; наклона - δ_b, % и корреляции r относительно исходных данных заведомо исправной АР, затем измеренные и преобразованные значения используют в качестве входных данных искусственной нейронной сети (ИНС), которая в зависимости от загруженных массива данных и весовых коэффициентов определяет соответствие входных данных с отрезком длины питающих линий - длины ветви – соответствующим уровню деления мощности (i=1...n), на котором происходит отказ или с расстоянием от порта возбуждения АР до места отказа, выраженным в единицах , а измеренное значение волнового сопротивления Z_{0 изм} используют для определения расстояния от порта возбуждения до места отказа одной из питающих линий излучающего элемента АР , затем осуществляют выбор по мажоритарному принципу значения расстояния от порта возбуждения АР до места отказа, выраженное в миллиметрах и отказавший уровень деления мощности N_i , отличающийся тем, что далее проводят тепловизионный контроль полотна АР во время ее работы, по полученной термографии определяют номера отказавших излучающих элементов, которые однозначно сопоставляют с номером питающей линии уровня деления мощности K_j,i, на которой произошел отказ, исходя из известной топологии АР; невозможность сопоставления номеров отказавших излучающих элементов с номером питающей линии уровня деления мощности K_j,i является признаком неоднократности отказа.