Игры и Люди

… одетый только в халат из холщовой ткани, ходил в кабачки и к певичкам. Когда его спрашивали, почему он таков, он каждый раз открывал рот, засовывал туда кулак и не говорил. Император Лян-цзун призвал его и спросил: «Каков принцип Вашего Пути?» Гуйчжэнь ответил: «Одежда тонка — поэтому люблю вино, выпью вина и защищусь от холода, напишу картину — и расплачусь за вино. Кроме этого, ничего не умею». Лян-цзун не нашелся, что сказать…

От игрушек детства мы движемся к другим. Здесь — об этом.

Алхимия игры включает несколько ингредиентов.

Рецептура состоит из Миров, по которым можно путешествовать; не все из них достаточно хорошо населены. Дело — это Игрушка одного из миров.

Объединяя видимые и сокрытые элементы, Алхимия выступает и как самостоятельный Игрок.

Google+

Нейронный автокодер / Neural Autoencoder: отбрасывая лишнее

Когда мы работаем с информацией, нам хочется докопаться до самой сути и отбросить второстепенные детали. Этот процесс неизбежно связан с потерями информации, которая не представляет интереса, и одновременно с попыткой сохранить значимую информацию. Так например работают все алгоритмы со сжатием аудио и видео: оставляя ту часть сигнала которая является существенной для нашего уха и глаза, они отбрасывают второстепенные детали.

В примере с дядюшкой Ляо мы использовали метод главных компонент PCA, чтобы абстрагироваться от нетвердой походки нашего персонажа и попытаться выяснить главное: куда собственно он направляется. Это конечно не единственный метод удаления избыточной информации: в области нейроподобных сетей сходную функцию несут такие интересные устройства, как автокодеры (Autoencoder).

В отечественных статьях их часто называют автоэнкодерами, что не совсем корректно: английское выражение encoder это просто кодер, или устройство которое кодирует информацию. Название крайне неудачное, поскольку кодирование — слишком общий процесс, который в данном случае ни о чем не говорит.

Бутылочное горлышко

Автокодер — это нейронная сеть, которая выглядит следующим образом. Слева как обычно подаются входные данные, справа — выход сети. Соответственно, присутствует входной слой (input layer) и выходной слой (output layer). Размерность выходного слоя точно такая же как и входного. Внутренние слои, которые по традиции называют скрытыми — hidden layers (вот еще одно название, сбивающее с толку) представлены всего одним слоем.

Нейронный автокодер, Neural Autoencoder

Автокодер / Autoencoder.
Layer L1: входной слой
Layer L2: скрытый слой
Layer L3: выходной слой

Принципиальной особенностью автокодера является то, что при совпадении размерности входного и выходного сигнала скрытый слой имеет низкую размерность. Возникает узкое «бутылочное горлышко», которое ухудшает информационную емкость канала от входа к выходу, и мы вправе заподозрить, что это ухудшение будет сопряжено с потерей информации.

Так оно и есть, информация теряется, но разве не этого мы хотели? Отбросить лишнее и сосредоточиться на существенном. Осталось решить один простенький вопрос: как это сделать.

Есть и другие реализации нейронных автокодеров, соблюдающие тот же принцип бутылочного горлышка: например, размерность промежуточного слоя может быть большой, но при этом он выполняется разреженным, слабо связанным со входным и выходным слоями.

Есть что терять

Таким образом, автокодеру есть что терять, и чтобы очистить входной сигнал (изображение например) от несущественных деталей с одной стороны, и не расплескав донести существенные части до выхода — с другой, нужно подсказать автокодеру как это делать. Как это принято в мире нейронных структур, да и человеческого общества, это происходит с помощью обучения. Натаскивая нейронную сеть на разные виды изображений, ее весовые коэффициенты модифицируются таким образом, чтобы оставить только ключевую, существенную информацию на выходе.

Говоря другими словами, автокодер сжимает входную информацию, исходя из своего представления о том, что главное и второстепенное в этой информации.

Для того чтобы наш нейронный автокодер вел себя осмысленно, входной тренировочный набор должен быть под определенными ограничениями. Если мы будем тренировать его например на белом шуме, ни о каких существенных и второстепенных данных говорить не приходится. В этой замечательной  статье, из которой кстати я позаимствовал рисунки, для тренировки автокодера использовалось следующее ограничение по входным данным:

\| x \| ^{2} = \sum_{i=1}^{100} x_{i} ^{2} \leq 1

Под входными данными понимается квадратик изображения размером 10х10 пикселей, при этом интенсивность каждого пикселя может меняться.

Попробуем вникнуть в суть этой сухой формулы, что мы собственно считаем главным во входном сигнале. Сумма квадратов и инженерном мозгу начинает сразу ассоциироваться с энергией.  Так видимо и есть; на вход подаются тренировочные последовательности изображений, яркость которых (сумма значений каждого пикселя) не должна превышать единицы.

Это очень общее ограничение, которое позволяет делать любые допущения относительно связности и формы изображений: это может быть как бледная спираль, так и одинокий ярко и гордо светящийся пиксель, при этом спираль можно раскинуть по всему изображению: главное чтобы она не светила слишком ярко. Если копнуть немного глубже, то спирали во входных данных скорее всего не получится, поскольку набор дополнительно подвергался «отбеливанию», т.е. ослаблением корреляционных связей между соседними пикселями, что делало тестовые данные более случайными.

Поскольку по замыслу автокодер должен повторить на выходе то же самое, что подали на его вход (с некоторой степенью приближения конечно), будет интересно, как он будет изворачиваться с учетом бутылочного горлышка и насколько будут упрощены, или сжаты входные изображения.

Неслучайное в случайном

Вот тут и наступает самый интересный момент. На рисунке ниже (позаимствованном из той же замечательной статьи) показано, какие закономерности увидел автокодер во входных данных.

Результат работы нейронного автокодера

Не знаю, как у вас, но у меня это вызывает ассоциацию создания некоего порядка из хаоса. Как будто ты присутствуешь при рождении первоэлементов, из которых потом будет построена вся вселенная 🙂

Чему же научился наш Autoencoder? На рисунке видно, как он выделяет границы освещенности исходя из самых разных положений. При этом шумовая, или «отбеленная» информация подавлена: мы совершенно четко видим регулярные структуры, которые могут в дальнейшем использоваться для распознавания объектов или сигналов. Из-за ограниченной размерности скрытого слоя, или бутылочного горлышка автокодер вынужден упрощать входные данные; а путь к упрощению только один: найти закономерности, которые позволяют хранить данные об этих закономерностях в сжатом виде в структуре самого автокодера.

Подобные нейроподобные алгоритмы открывают второе дыхание для хорошо известных задач, таких как распознавание изображений, распознавание речи, поиск скрытых закономерностей в данных, сжатие данных на основе предварительного обучения. Только для этого вначале нужно решить задачи по преодолению существующего технологического барьера: выйти на другой уровень технологии, основанный на цифровой или аналоговой параллельной обработке.

Офшорная радиолокация

В разработке отечественных радиоэлектронных систем вплоть до 90-х годов было принято вести разработку всех компонентов самостоятельно. Антенна, мачта, источники питания — под каждое направление на предприятии были соответствующие секторы и отделы. С ростом сложности изделий одновременно росла роль специализации. Появились небольшие компании, которые фокусировались на высокотехнологичных компонентах: малошумящие СВЧ усилители, процессорные модули, модули АЦП/ЦАП вплоть до тех же источников питания. Со временем на ведущем предприятии — разработчике непрофильные функциональные подразделения исчезали, уступая место более компетентным и гибким внешним поставщикам решений и компонентов.

Так в конторе, где я поднимал новый радиопеленгатор, исчез отдел который занимался источниками питания, а также исчезли сектор разрабатывающий микро — ЭВМ и группа специализирующаяся на проводных модемах. Зато появились программисты, работающие под FreeBSD, возникла Linux — культура и задняя часть шкафов и блоков перестала напоминать кросс АТС со своей мощной кабельной разводкой.

Глубокая кооперация является самоочевидной для западных разработчиков, у которых нет никаких проблем с использованием ресурса многочисленных специализированных компаний, разбросанных по всему миру. Для серьезных заказчиков, в том числе военных (США), данная парадигма была зафиксирована под названием COTS. Какое — то время в отечественной разработке также начал приживаться такой выигрышный подход. Однако со временем в родных пенатах  вызрела очередная диалектическая спираль, возвращающая разработку целиком и полностью на отечественную почву. Этот процесс получил неудачное название «импортозамещения», а поскольку в глубинное импортозамещение никто не верил и похоже и не собирался ему следовать, использование иностраных компонентов начало маскироваться под перебитые шильдики, измененную «на отечественную» документацию на изделия, неимеющие_аналогов_в_мире.

Здесь я расскажу историю влияния «импортозамещения» на разработку одного аэродромного обзорного радиолокатора — АОРЛ. Многие узнают в этой истории свои собственные характерные черты, поэтому ее даже можно считать типичной. Прежде чем начать повествование, сделаю еще одно уточнение: самым ценным в использовании ресурса кооперации, по моему глубокому убеждению, является не приобретение решений и компонентов, а получение доступа к технологии и процессу разработки. Касаемо последней, самый главный вопрос будет звучать «как это сделано?», а «почему это сделано именно так?». Обратите внимание на разную информационную емкость ответов на эти вопросы: в первом случае мы получаем только единственно правильный ответ, а во втором помимо этого ответа несколько десятков решений, которые были отброшены в процессе исследований. И это есть самое ценное в разработке: почему было выбрано именно это решение.

Только для членов клуба

Отечественных мэтров, работающих в области разработки РЛС, можно сосчитать по пальцам одной руки. Это легко объяснимо: радиолокатор вбирает в себя все современные технологии, ему посвящена львиная доля исследований по теории обнаружения сигналов. Можно сказать так, что разработчики РЛС — это элита современного радиоэлектронного мира. И поэтому когда на этом рынке появляется новый игрок, он сразу приковывает к себе внимание: откуда, зачем, почему? Может какая-то команда покинула известную радиолокационную контору и решила организовать свою фирму? Или разработчики компонентов — составных частей решили, что пора взяться за изделие целиком, как вариант.

В любом случае, разработка РЛС — это на самом деле школа, которая существует не один десяток лет. И когда в этот клуб постучалась новая российская фирма (назовем ее так — компания А), сразу возникли все эти вопросы: и про школу, и заделы, и про опыт работы. И тут, забегая вперед, выяснились интересные вещи. Оказывается, чтобы успешно работать на российском рынке, всех этих инженерных премудростей — опыта работы, технической истории, заделов — иметь не обязательно. Что действительно важно это иметь хорошую историю отношений с заказчиком. С этим проблем как раз таки не было: компания А поставляла средства управления воздушным движением, такие как радиопеленгаторы, вторичные радиолокаторы, маяки DVOR, системы связи и системы ILS/DME. Но в продуктовой линейке компании А был небольшой, но существенный пробел: отсутствовал первичный аэродромный обзорный радилокатор S-диапазона: АОРЛ.

Но и тут ломать голову не пришлось — отсутствие собственного продукта при здоровом коммерческом подходе это не проблема. Компания А пошла давно опробованным методом: если нет собственной разработки, то ее можно просто купить. Купить можно даже историю работы на этом рынке, если кому-то не нравится подозрительная краткость существования на нем. С таким багажом — приобретенный продукт и красивая история — успех гарантирован.

Приобретение технологий или торгово — закупочная деятельность?

Заголовок немного режет глаз: благородное понятие «технологии» соседствует с фразой, которая вызывает ассоциации с колхозным рынком и торговлей овощами и фруктами 🙂 . На самом деле и то и другое просто разные модели построения бизнеса.

В первом варианте технологии приобретаются, усваиваются и становятся частью собственного процесса разработки. Часто приобретение идет рука об руку с наймом носителей этих технологий. Это позволяет продолжать разработку с более высокого уровня и хранить собственные ноу-хау. Так, например, за время моей работы в системном телекоммуникационном интеграторе лучшей в классе решений Fault Management была небольшая компания Micromuse. Она была приобретена IBM и ее продукт был включен в линейку ИБМовских решений Tivoli. Специалисты Micromuse также перешли в IBM: помню, как искрили взаимоотношения между новой креативной командой и солидным древним менеджментом IBM. В конце концов, все притерлось.

Во втором варианте, нацеленном на производство и продажу, полноценную разработку сохранить не удается. В конце — концов команда инженеров — разработчиков схлопывается до одного человека, который и сопровождает эту систему. В корпоративной терминологии этот человек по факту является Product Manager’ом: решает текущие вопросы с производством, отвечает на вопросы в процессе развертывания и эксплуатации, согласует замены. Развивать продукт он уже не в состоянии.

Торгово — закупочная модель отлично работает на короткой дистанции, когда необходимо максимизировать прибыль в ближайшее время. Однократная закупка и минимум расходов на персонал понижает уровень расходов.Про стратегию тут говорить не приходится — и может быть это правильно в отечественных условиях, ибо какой наш бизнес на открытом рынке может планировать свое будущее дальше чем на 3 года?

Когда приобретается разработка, преимущества проявляются не сразу. Это более затратный по сравнению с торгово — закупочным процесс, зато бизнес получает дополнительную устойчивость в будущем — если конечно направления разработки будут соответствовать будущим рыночным потребностям.

Наша компания А пошла по торгово — закупочному пути. До сих пор все работало отлично, если говорить о существующих продуктах: так, по средствам связи разработка была заказана и приобретена у маленькой специализированной фирмы; вторичная локация появилась благодаря приобретению НИИ, который работал в этой области, заодно и приплюсовали 50 лет истории («50 лет на рынке радиоэлектронных разработок» — звучит здорово и на сайте и в рекламной брошюре, не правда ли?). ILS/DME были разработаны в другой маленькой компании — тут даже разработку выкупать не пришлось, достаточно было переманить ключевых специалистов, а разработка уже автоматом пришла вместе с ними. Средства управления воздушным трафиком — купили другую небольшую компанию программистов. Радиопеленгатор вообще разрабатывала внешняя команда.

Ну в общем так и есть: торгово — закупочный кооператив в чистом виде )

Единственное с чем пришлось помучиться самим — это радиомаяк DVOR. Приобрести разработку было не у кого, поэтому маяк делали с нуля по Thales’овским описаниям, что заняло 10 лет с лишним. Да и разработку эту завершенной назвать трудно: вибраторы с пассивных заменялись на активные, образцы менялись от поставки к поставке, своих передатчиков не было, а покупные выходили из строя, не шла заявленная дальность действия: в общем единственный опыт собственной разработки оказался неудачным.

Только вот у кого приобрести разработку радиолокатора, когда отечественные НИИ и КБ не горят желанием растить молодого конкурента? Точно также как и раньше: у маленькой специализированной фирмы, только не отечественной а зарубежной. Какая в сущности разница? Сказано — сделано, и мы в ходе нашей истории перемещаемся в солнечную Италию.

Италия — страна локаторов

В ходе этого проекта я провел большое количество времени в Риме. Каждый раз когда меня встречали в аэропорту, уже в машине мы начинали дискуссию и споры по тому, как надо делать этот радиолокатор. Я до сих пор с удовольствием вспоминаю эту часть своей работы, которая так разительно отличалась от торгово — закупочной суеты в конторе. Подозреваю что собственно сама разработка так и не была понята конторой до конца («что там локатор делать — в книжках все давно разжевано» — эта буквальная цитата одного из топов компании А красной нитью проходила через весь проект 🙂 ). В проекте я получил уникальный опыт в европейской команде профессионалов, в которой было интересно все: используемые технологии управления, разработки, взаимоотношений. В короткие сроки мы разработали прототип аэродромного обзорного радиолокатора S-диапазона, учитывающий компромиссы стоимости и сроков, создали схему кооперации и логистики по комплектующим, определили источники узконаправленных технологий… но я несколько забежал вперед.

Фирма с которой я работал в проекте была действительно небольшой, и область деятельности у нее была несколько иной. Но это только на первый взгляд. Создатель этой маленькой компании, будучи разработчиком радиолокационной техники в Selex’е, прошел все ступени до топ — менеджера, после чего удалился от корпоративной суеты, купил здание в Риме и основал свою компанию. Его команда — тоже инженеры Selex’а с большим опытом разработки. Коллеги босса, или друзья (в Италии трудно отделить коллег от друзей) которые являются профессионалами в антенной локационной технике, теперь также возглавляют маленькую симпатичную компанию, которая поставляет спутниковые антенны и оборудование к ним. В общем, я попал в такой профессиональный сгусток знаний и технологий по радиолокационной технике, которая была воплощена в большом количестве поставляемых изделий, как гражданских, так и военных для разных стран мира.

Философия проекта

Применимо ли понятие философии к проекту? Безусловно, если мы принимаем базовые принципы и подходы, по которым будем строить наш проект. Какие принципы — такие сроки, бюджет и реализация. В результате многочисленных жарких споров и дискуссий, которые проходили в большой светлой комнате, окна которой выходили на via Tiburtina, под чашечку крепкого итальянского кофе было решено идти следующим путем:

  • АОРЛ должен обеспечивать дальность 80 NM при ЭПР 5 м2 , вероятности обнаружения 80% и вероятности ложной тревоги 10-6;
  • радиолокатор будет использовать как режим одночастотных, так и многочастотных импульсов, во втором случае используется две или более частоты из 10 возможных в диапазоне 200 МГц. Для многочастотного режима первый импульс длительностью 10 мкс используется для зондирования целей на коротком расстоянии — 8 NM или 15 км (Short Range Pulse), остальные длительностью 100 мкс — для обнаружения целей на большой дальности — вплоть до 80 NM (Long Range Pulse).
  • антенна локатора как наиболее критичный узел будет собственной разработки. Типовые компоненты СВЧ тракта, такие как ответвители, ограничители, вращпереход, малошумящие усилители будут покупными в соответствии с идеологией COTS. Там, где компоненты требуют дополнительного специфицирования — будут разработаны заказные спецификации;
  • пьедестал вместе с устройством юстировки и электромеханическим приводом — также собственной разработки;
  • антенна будет выполнена со смещенным вниз облучателем, чтобы не затенять рефлектор и уменьшить уровень боковых лепестков. Неизбежное усложнение конструкции будет компенсировано технологичностью реализации и точным выдерживанием профиля рефлектора с использованием разрабатываемой технологической остнастки;
  • антенна будет формировать два луча: главный — на передачу и прием, и вспомогательный — только на прием. Вспомогательный отличается от главного измененной диаграммой в вертикальной плоскости (расположена выше), что позволяет подавить переотражения от земли для близко расположенных целей и обеспечить лучшее обнаружения целей, расположенных высоко в ближней зоне. Локатор будет позволять работать с режимом главного, вспомогательного луча или используя их попеременно;
  • ряд узлов, которые являются хорошо известными в реализации, но которые требуют ресурсы, для ускорения проекта приобретаются готовыми и в процессе разработки заменяются на узлы собственной разработки. Под это определение попала вся синтезирующая часть локатора: генератор опорных колебаний STALO, генератор waveforms, синтезаторы опорных частот. Эти устройства были представлены покупными стандартными компонентами из линейки National Instruments LabView, что позволило на первом этапе сосредоточиться на задачах обработки сигнала используя тот факт, что опорные сигналы и последовательности формируются с метрологической точностью;
  • передающий тракт — с использованием твердотельных усилительных 2 КВт модулей своей разработки, исключающие полный отказ передающего тракта при отказе одного из выходных СВЧ транзисторов модуля (техника Graceful Degradation);
  • для тракта обработки сигнала была принята платформа VPX, которая по своим характеристикам позволяет организовать высокоскоростной параллельный обмен между модулями и платами. Но самое главное: VPX стандартизирует форм — фактор этих модулей, под который выпускается большая номенклатура плат, и не только протоколирует обмен по шине, но и предусматривает для этой шины готовые интерфейсные элементы на базе ПЛИС с разъемами. Таким образом, приобретая плату VPX с установленной ПЛИС, задача шинного обмена полностью переходит в плоскость работы с драйвером шины, что существенно облегчает и сокращает разработку;
  • принято принципиальное решение делать только один перенос частоты из S-диапазона 2.6 — 3.0 ГГц на промежуточную частоту 640 МГц. Реализовать такой однократный перенос позволяют высокопроизводительные покупные модули АЦП, которые с помощью мезонинной архитектуры будут устанавливаться на платы VPX.

Разгон и торможение

Когда находишься в едином философском поле, дальше продвигаться уже гораздо проще 🙂 В ходе проекта были разработаны функциональные схемы всех узлов, а также определены перечни всех покупных узлов. Была полностью разработана конструкторская документация на антенну и пьедестал. Оставался открытым важный вопрос разработки программного обеспечения, и поскольку контора решила создать экономию по этой статье бюджета, со временем в проекте стало нарастать финансовое напряжение. Изначально это напряжение незримо присутствовало благодаря тому, что весь бюджет итальянской части проекта по сумме соответствовал стоимости только одного серийного радиолокатора! Другими словами, первое же поставленное изделие отбивало стоимость всей разработки. Трудно сказать, что было этому причиной: то ли итальянская фирма рассчитывала на дальнейшую разработку (на подходе был вторичный радиолокатор и современная антенна для него), то ли сыграли необоснованные надежды на дальнейшее участие в проекте — бюджет проекта составлял очень скромную величину.

Претендовать на интеллектуальную собственность или хотя бы на авторство разработки итальянцы не могли: платежи по главным контрактам на эскизно — технический проект контора проводила с офшорных безымянных фирм. Дальше — больше: контора оказалась не в состоянии разрабатывать начинку функциональных узлов, как это было предусмотрено контрактом: от радиотракта до ПО на ПЛИС и пыталась переложить разработку на итальянцев. Но самый торт произошел когда пошли санкции на поставку хайтек оборудования и возникло пресловутое импортозамещение. Это полностью противоречило идеологии разработки, основанной на COTS компонентах; и контора не мудрствуя лукаво, сделала следующий шаг: вменила в обязанность исполнителя предоставить КД на эти покупные компоненты с тем, чтобы иметь возможность производить их самостоятельно. Не знаю, где итальянцы могли достать документацию например на такой сложный узел как вращпереход, и где и как контора собиралась его производить, но все эти события собранные в кучу привели к одному: отношения начали портиться и контора решила продолжать этот проект самостоятельно.

Итальянская компания приступила к работе в далеком 2012 году и выдала результаты, включая полную КД на антенну к весне 2013 года. Антенну изготовили на специализированном заводе в Неаполе и привезли в РФ, но не тестировали: так и не был создан требуемый полигон. Работы по остальной части РЛС идут еле-еле. С начала работы прошло уже 5 лет, а опытного образца до сих пор нет. Ну ничего, DVOR делали лет 10 с лишним, почему локатор должен получиться быстрее?

Проект получился слишком объемным, чтобы можно было его переварить в торгово — закупочной схеме. Как ни крути, а без специалистов не обойтись — а их как раз таки нет. Сказанное совсем не означает, что у изделия нет коммерческой перспективы: главное чтобы антенна крутилась на кузове — «вот это я понимаю — локатор!» (прав был главный инженер итальянской фирмы, когда говорил про stupid rotation piece of metal), поэтому можно легко продать заказчику первый экземпляр и потом доводить его до ума на позиции. В случае с первым DVOR так и было.

Также несомненно, что в РФ этот АОРЛ появится как российский продукт, и компания А будет заявлена как носитель технологий, необходимых для его воспроизводства. При этом его начинка все равно будет состоять из импортных компонентов, потому что полностью отсутствуют следующие отечественные аналоги сопоставимого качества:

  • малошумящие СВЧ усилители;
  • мощные и надежные СВЧ транзисторы;
  • вращпереходы, ограничители мощности;
  • высокоскоростные АЦП — более 100 млн. выборок в секунду (на которые подозрительные буржуи заставляют оформлять документы конечного пользователя);
  • производительные DSP процессоры, специально разработанные для радиолокационных приложений;
  • модули и компоненты VPX.

Веселые картинки

Чтобы не заканчивать на печальной ноте, покажу кусочки того, что было сделано. В конце концов, опыт и знания никуда не деваются, и их можно применить в более эффективной структуре. Мораль из этой истории извлекать также не будем: больше всего в выводах должна быть заинтересована компания А, ведь в конце концов это ее расходы и недополученная прибыль. Можно ограничиться только одним замечанием: от книжек, в «которых все разжевано», до технологии и изделий — большой путь.

PSR, Primary Radar Antenna, S-band Radar, Антенна первичного радиолокатора, Аэродромный обзорный радиолокатор S-диапазона, АОРЛ

Опытный образец антенны первичного радиолокатора S-диапазона перед отправкой в РФ. Антенна изготовлена и собрана на заводе в Неаполе. Конструкторская документация разработана итальянской стороной.

На рисунке выше — красавица антенна, разработанная в рамках проекта. Конструкторская документация разрабатывалась итальянцами в Pro Engineer далее портировалась в Solid Works для того чтобы с ней могли работать в конторе.

Далее, на рисунке функциональная схема приемного тракта радиолокатора. Принятые сигналы с основного и вспомогательного канала промежуточной частоты 640 МГц оцифровываются в 2-х АЦП модуля DDC, которые располагаются на FMC соединителе платы VPX 3U. С помощью быстродействующей ПЛИС производится цифровой перенос двух входных сигналов целей на цифровую промежуточную частоту. На этой же плате происходит сжатие входных импульсов.

В сигнальном процессоре SP реализован алгоритм MTD: Moving Target Detection, или как его называют в отечественной литературе — СДЦ, селекция движущихся целей. Основу сигнального процессора составляет банк цифровых доплеровских фильтров.

В процессоре RP происходит обнаружение целей с заданными вероятностями и выделение координатной информации.

 

Radar Data Processing, PSR, Primary Radar, S-band Radar, Первичный радиолокатор, Аэродромный обзорный радиолокатор S-диапазона, АОРЛ

Тракт обработки радиолокатора состоит из 4-х VPX модулей:
DDC, Digital Downconverter: цифровой перенос частоты;
SP, Signal Processor: сигнальный процессор;
CB, Control Board: плата контроля;
RP, Radar Processor: обнаружитель целей и plot extractor

На этом рисунке показан фрагмент схемы, иллюстрирующей прохождение основного и вспомогательного приемного сигнала. Развязка приемных цепей от мощных выходов усилителей производится циркулятором. Кроме этого, на входе каждого из каналов стоит быстродействующий ограничитель мощности, защищающий входы малошумящих усилителей от проникновения мощного импульса. Сами усилители имеют коэффициент усиления 30 дБ и уровень собственного шума 0.7 дБ. Последний параметр имеет ключевое значение: чем ниже уровень шума, тем меньшую мощность требуется излучать в эфир.

Radar Data Processing, PSR, Primary Radar, S-band Radar, Первичный радиолокатор, Аэродромный обзорный радиолокатор S-диапазона, АОРЛ

СВЧ тракт АОРЛ. Циркулятор обеспечивает развязку передающих цепей, используются малошумящие усилители

При разработке АОРЛ было уделено большое внимание моделированию важных цепей и алгоритмов. Так, на этих диаграммах с помощью специального ПО просчитывалась диаграмма направленности антенны в зависимости от формы рефлектора, расположения облучателей, длины волны и многоих других факторов. На диаграмме видны ДН основного и вспомогательного луча, а также уровень лепестков в горизонтальной плоскости. Расчеты подобного типа имеют критическое значение: после изготовления антенну не подправишь!

Radar Data Processing, PSR, Primary Radar, S-band Radar, Первичный радиолокатор, Аэродромный обзорный радиолокатор S-диапазона, АОРЛ

Результаты моделирования антенной системы АОРЛ S-диапазона

Вот такая получилась история. Так что если вы захотите разработать современный радиолокатор, милости просим.

Эффект полостных структур Гребенникова

Виктор Степанович Гребенников прожил трудную жизнь. Среди ученых он известен как фанатично преданный своему делу энтомолог. Любил своих подопечных — насекомых настолько, что создал в окрестностях Новосибирска, где жил и работал, заповедники (заказники) для насекомых.

Заповедник для насекомых! Просто нет слов.

Платформа Гребенникова, Магнетрон

Фотография платформы Гребенникова из книги «Мой Мир»

Будучи талантливым художником, он постоянно рисовал своих любимчиков. Эти рисунки попали в красочную книгу «Мой мир», которая была издана в 1998 году и которую я заказал и с удовольствием прочитал от корки до корки. Википедия скупо освещает его жизнь именно в этом качестве — как ученого — энтомолога. Однако, большое количество людей знают его совсем с другой стороны: как человека, который на основе неизвестных технологий природы создал летательный аппарат, использующий новые полевые принципы. В книге содержится описание полета над городом на этом фантастическом пепелаце. Подробно про это направление можно прочитать в самой книге или в этом описании платформы Гребенникова.

Полостные структуры

Все мы знаем, что современные математические и физические модели затрудняются объяснить полет таких тяжелых жуков, как например майский жук: по этим моделям он не может поднять себя в воздух. Только недавно начали появляться исследования вихревых эффектов, за которые ответственны определенные структуры крыльев, что позволяет существенно снизить потери и увеличить подъемную силу. Возможно, в этом Виктор Степанович продвинулся существенно дальше современных исследователей аэродинамики летающих и жужжащих существ.

Поскольку Гребенников всю жизнь, начиная с детства, изучал насекомых, его заинтересовали регулярные структуры, которые располагаются на надкрыльях у летающих жуков определенного класса. Исследования привели его к неожиданному выводу: данные структуры являются объемными резонаторами, или что ближе к нашему пониманию — 2D фазирующими антенными устройствами, которые способствуют возникновению полей определенного типа. За счет этих полей жук фактически использует механизм левитации, что является хорошим подспорьем к классическому подъемному механизму машущих крыльев.

Возможность существования антигравитационных полей такого типа и левитирующих жуков является ошарашивающей версией. Именно версией, поскольку эксперименты Гребенникова никому воспроизвести не удалось, несмотря на огромную армию последователей, которая ищет, «разбирает» и изучает несчастных жуков, которые могут претендовать на такие способности. Сам он, видимо из любви к своим маленьким друзьям, утаил, с какими именно насекомыми он работал в этом проекте. И судя по всему, в своей платформе он не использовал никакой биологический материал, а сделал физический аналог резонатора, который использует открытый им эффект полостных структур.

Вообще-то то, что природа использует различные поля, не является удивительным. Видимый, инфакрасный свет и ультрафиолет, ультразвук и другие, еще не изученные диапазоны осваивались живыми существами в ходе борьбы за существование. Почему бы и нет?

Судя по всему, несущая часть платформы Гребенникова использовала регулярную полостную структуру, которая активировалась высоковольтным напряжением. Если это работает, нам придется признать, что можно достичь самосинхронизации полей в таких структурах просто изготовив регулярную решетку. То есть речь идет о том, что можно было изготовить кусок металла периодической формы, вдарить куда-нибудь высоковольным импульсом и мы могли бы получить колебания, которые зависят именно от этой периодической (полостной) структуры? Звучит как бред, но самое смешное заключается в том, что такое устройство существует. И оно не инопланетного происхождения, а изготавливается на вполне себе земных заводах, и даже не в секретных лабораториях. Более того: у многих это устройство тихо — мирно работает на кухне. Что же это такое? Не буду интриговать, прошу знакомиться: магнетрон.

Магнетрон: примитивно устроен, сложен для понимания

Благодаря магнетрону, который является мощным генератором СВЧ колебаний, можно поджарить блюдо в микроволновке. У этого устройства есть более достойная предыстория: он используется в радиолокаторах для формирования излучаемой мощности несколько десятков кВт. Если бы последующие цивилизации откопали магнетрон из какого-нибудь нашего культурного пласта, они ни за что бы не догадались, для чего эта штука предназначена. И в самом деле: тупой фигурный кусок металла является основной частью магнетрона — никакой электроники в нем нет. Прошу любить и жаловать: регулярная полостная структура!

Платформа Гребенникова, Магнетрон

Принцип работы магнетрона. Разноцветными линиями показаны возможные траектории электронов: синяя показывает отклонение по дуге, зеленая — электрон закручен по спирали, красная — электрон будет долго крутиться, пока достигнет анода. За счет профиля анода возникают движущиеся группы электронов

Теперь набираемся терпения и внимательно смотрим, что происходит в этом куске железа между катодом (цилиндр в центре) и анодом (анод — это та самая полостная структура и есть).

Как и у Гребенникова, на анод относительно катода подается высоковольтное напряжение (все как в обычной электронной лампе). Электроны бодренько покидают катод, притягиваются к аноду и во внешней цепи начинает течь ток. Так работает электровакуумный диод, и ничего интересного в этой картинке нет: так будет продолжаться бесконечно пока катод не выгорит.

Интересное начинается, когда тупой кусок железа помещают в постоянное магнитное поле (использовал ли Виктор Степанович магниты? интересный вопрос). Тогда траектория электронов под воздействием поля начинает меняться — они отклоняются от прямого маршрута. Они могут лететь по дуге, по замысловатым спиралям, как угодно: хаос в чистом виде. Но на определенном этапе возникает магия, и я уже не могу объяснить, почему это происходит именно так: за счет полостной структуры возникают группы (клубки) электронов, которые начинают бешено вращаться внутри магнетрона, создавая электромагнитные колебания. Лучше всего это видно на имитаторе:

Если на пути вращения этих клубков засунуть петлю, то можно снять высокочастотный ток высокой мощности, как это и делается в микроволновках и радиолокаторах.

Итак, железка и магнит? Просто какой-то набор артефактов в мешке колдуна, который ночью ждет грозы чтобы запустить свою адскую машину (вот откуда высокое напряжение: вспоминаем лейденские банки). Никаких высоких технологий! Магнетрон можно было создать и в Древнем Риме, много веков назад. А может и создавали, в той же древней Индии? Не случайно картинки из индийского эпоса, описывающего древние битвы подозрительно напоминают использование термоядерного оружия.

Вот только электромагнитные поля нам хорошо знакомы, а что там было у Гребенникова — тайна, которую он унес с собой.

Псевдокогерентная РЛС / Coherent-on-receive: обработка сигнала

Радиолокатор П-10

Поскольку освоение радиочастотных диапазонов начиналось от длинных волн к коротким, первые радиолокационные станции — РЛС прошли эволюцию от метровых диапазонов к все более и более высоким частотам. Преимущества очевидны: существенное сокращение размера антенных систем, которые обречены соответствовать длине волны, снижение излучаемой мощности, а также сокращение объема оборудования. С появлением твердотельных передатчиков, зависимых

Читать дальше

Кросс — функция неопределенности: два способа получения

В применении к задачам пассивной радиолокации, в конечном счете двумерное изображение радиолокационной обстановки формируется с помощью кросс — функции неопределенности (ФН):

(1)

Приставка «кросс» означает, что в отличие от классической ФН одного сигнала, выражение содержит взаимную функцию неопределенности сигнала s(Δt, Δf), переотраженного от цели с приобретенной задержкой Δt и доплеровским сдвигом частоты

Читать дальше

Кросс — компиляция для Raspberry Pi

Не так давно случилось событие, которое вернуло мой интерес к малютке Raspberry Pi. Были открыты спецификации чипа GPU, в результате чего была реализована идея выполнить быстрое преобразование Фурье (FFT) на видеопроцессоре. В результате народ написал тестовый код, и быстродействие по сравнению с выполнением на ARM возросло в 10 раз. Очень даже неплохо! Для тестирования 2D

Читать дальше

Программа создания радиосети JTRS для боевого управления и ее провал

Взаимодействие компонентов JTRS. Как все красиво выглядело вначале

Программа JTRS — Joint Tactical Radio System должна была увязать сетью цифровой радиосвязи все виды и рода вооруженных сил США. Радиостанции, выполненные по технологии SDR, могли быть выполнены в носимом и возимом варианте; предусматривалось применение как в сухопутных войсках, так и в ВВС и ВМФ.

Программа

Читать дальше

Оптическая система посадки: обнаружение ВПП

Промежуточный этап работы подсистемы обнаружения и сопровождения взлетно — посадочной полосы (ВПП). Для беспилотного аппарата (БЛА), или дрона, с учетом чувствительности к действию ветра, критически важно отрабатывать отклонения от глиссады. Для этого нужна автоматизированная система посадки, которая работает в реальном времени: оператор просто может не успеть.

В левом фрейме обычное видео из интернета, иллюстрирующее

Читать дальше

Целых три истины

Таррагона — типично испанское название. В 713 году началась эпоха арабских завоевании Испании, в результате чего Таррагона была под властью арабских правителей 400 лет. Это время было весьма неспокойным, с такими причудливыми сочетаниями действующих персонажей. Вот например фрагмент типичной хроники тех лет, взятый из Вики:

«Эль Сид совместно с войском Аль Мутамида — эмира Севильи,

Читать дальше

Методы кодирования сигналов нейронных сетей: инженерия природы

В технологиях нейроподобных сетей (НПС) делаются определенные предположения о том, как кодируются сигналы, циркулирующие внутри НПС. При этом почему-то предполагается, что природа будет использовать аналоговые сигналы в том виде, к которым мы привыкли, и есть даже попытки «натянуть» наши компьютерные бинарные представления на НПС.

Как же на самом деле кодируются сигналы в реальной нейронной сети

Читать дальше