Технологии и преимущества

Компания «РАДИО ВИЖН» разрабатывает инновационную микроэлектронику и программное обеспечение в сфере высоких технологий на основе полного научно-производственного цикла.

К сожалению, микроэлектроника в России развита достаточно слабо, однако сохранила частично преимущества, которые были у Советского Союза. Это касается таких областей, как СВЧ-техника, инфракрасная техника, излучательные приборы на основе полупроводников. Если говорить о коммерческом рынке и, в частности, о СВЧ-технике в системах безопасности, то она в основном базируется на разработках 50-60 годов, ранее созданных СКТБ (филиал ВНИИФП) г. Пенза и до сих пор применяемых рядом компаний с небольшими изменениями и дополнениями. Устаревшие технологии легко определить — достаточно визуально посмотреть на их СВЧ-модули и антенны. Например, у всех присутствуют проблемы, связанные с добротностью антенн, которые влияют на потери в проводниках, потери на «наводки» и на излучение. Эти наблюдения были подтверждены, в частности, в 2013 году на международной выставке вооружения, военной техники и боеприпасов (RAE2013) Заместителем Председателя Правительства РФ Дмитрием Рогозиным, который отметил: «...в ОПК достаточно проблем: кадровый голод, частично устаревшее оборудование заводов и лабораторий, почти исчерпанный советский задел в плане технологий». Рынки Европы и США выглядят более интересно, но продукция по стоимости не сопоставима с решениями «РАДИО ВИЖН». Стартапов в области производства радарной техники нет, порог входа очень высокий за счет дороговизны оборудования для разработки СВЧ-приборов. Методы обработки мало изменились за последние 50 лет, а вложения в организацию и развитие производства компонентов (например, антенно-фидерного тракта) измеряются сотнями миллионов евро.

– отмечает генеральный директор «РАДИО ВИЖН» Шелестов Дмитрий

Финансирование высоких технологий играет важную роль в научных исследованиях. Огромную помощь в инвестициях оказывает Фонд «Сколково», предоставляя различные гранты, при помощи которых резиденты Фонда осуществляют разработку приборов, устройств и программного обеспечения.

Значимой и прорывной на сегодня является технология, разработанная «РАДИО ВИЖН», — радиолокация с уникальными результатами в виде инновационного способа сканирования пространства узконаправленной электромагнитной волной в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Именно благодаря ей компания стала участником Фонда «Сколково» и вошла в кластер «Ядертех». В конце 2015 года «РАДИО ВИЖН» зарегистрировала еще один новый проект: «Аппаратно-программный комплекс (АПК) NEURON для интеграции в единую сеть радиолокационных приборов на опережающей технологии электронного сканирования пространства» (протокол П5172), по сути дважды подтвердив свою инновационность.

Технология получила наименование «Радио Голографическая Камера» (РГК) с отображением результатов в 3D-режиме. Технология РГК — это совокупность инновационных методов и программных алгоритмов, технических решений и новой элементной базы, а также способов производства устройств и их настройки. Принцип работы технологии РГК основан на сканировании контролируемого пространства узконаправленной электромагнитной волной. Сканирование осуществляется передающей и приемной системами, которые формируют узконаправленную электромагнитную волну и автоматически изменяют ее направление в пространстве в горизонтальной и вертикальной плоскости. При сканировании радар измеряет уровень отраженного сигнала в контролируемом пространстве, по которому процессор радара определяет координаты объекта и его размер и отображает полученные результаты на дисплее в 3D-режиме либо передает информацию по IP-протоколу в XML-формате для интеграции с другими системами.

На текущий момент «РАДИО ВИЖН» является автором разработки «Модуля подавления шумов в реальном времени для связи и передачи данных». Разработка представляет собою прорывную базовую технологию, на основе которой оборудование связи и передачи данных, а также спектр медицинского оборудования, может многократно улучшить свои характеристики без увеличения мощности. Стадия продукта на сентябрь 2015 года – работающий прототип и мини-стенд, демонстрирующий работу технологии. На выставке «ИНТЕРПОЛИТЕХ-2015» разработка отмечена дипломом «За научный прорыв».

Цели, которые на ближайшее время ставит перед собой компания — успешно внедрить продукты, разработанные на базе своей технологии узкополосного сканирования, в различные отрасли через собственную партнерскую сеть как в России и странах ЕАЭС, так и на территории Европы, Ближнего Востока и стран БРИКС.

Визуализация объектов

Сверхширокополосные радары Узкополосный радар RK-000
Визуализация объектов при сканировании традиционными методами
Для понимания отображаемых результатов на мониторе требуется интерпретация оператором видимой картинки.
Визуализация объектов сканирования на платформе РГК
Не требуется интерпретация оператором. Объект выводится на экран как реальное изображение.

Преимущества платформы РГК (Narrow-Band Microwave Radar)

В приведенной ниже таблице кратко отражены принципиальные преимущества разработанной «РАДИО ВИЖН» платформы над технологиями конкурентов, использующих в своих приборах сверхширокополосные радары.

Параметры радаров Сверхширокополосные радары Радары «РАДИО ВИЖН» на основе РГК (узкополосный СВЧ-радар)
Время обнаружения объекта до 30 секунд 0,05 секунды, в реальном времени 50 fps
Точность определения координат объекта Низкая, из-за широкой диаграммы направленности антенн радаров Высокая, из-за узкой диаграммы направленности антенн
Возможность определить площадь объекта (например: возможность отличить человека от кошки) Нет, из-за фиксированного направления измерений в контролируемом пространстве Да, из-за измерений 2000 "точек“ (RK-000) в контролируемом пространстве
Мощность излучения Более 10 Вт 0,01 Вт (в 1000 раз меньше)
Помехоустойчивость и электромагнитная совместимость Низкая, из-за широкой рабочей полосы частот (от 1000 МГц до 7000 МГц) Высокая, из-за узкой рабочей полосы частот (1 МГц)
Сканирование сквозь преграды с повышенной влажностью Не работают сквозь преграды с повышенной влажностью Работают сквозь преграды с повышенной влажностью

Технология шумопонижения

Шумопонижение (подавление шума) — процесс устранения шумов из полезного сигнала с целью повышения его качества (увеличение отношения сигнал/шум).

Схема шумопонижения по технологии РАДИО ВИЖН

Системы шумоподавления играют важную роль на протяжении всей истории человечества. Одной из важнейших тенденций является применение быстро развивающихся цифровых технологий в системах сигнальной обработки. Они реализованы на основе универсальных программируемых процессорных элементов.

Существует большое количество алгоритмов (методов) подавление шума (увеличения отношения сигнал/шум). Они различаются вычислительной сложностью, особенностями поведения, используемыми исходными данными и структурами самих адаптирующихся систем. К основным относятся, например:

  • методы согласованной фильтрации;
  • рекурсивные алгоритмы;
  • корреляционные методы.

Их применение в радиотехнических системах и системах связи позволяет увеличить отношения сигнал/шум. Однако эти алгоритмы не могут выделить сигнал, если уровень шума больше уровня сигнала. Тогда они неэффективны. Так же можно отметить, что для всех систем подавления широкополосного шума особенно актуален неизбежный компромисс между глубиной подавления шума и деградацией (искажением) полезного сигнала.

В развитие теории и практики обработки сигналов и построения новых вычислительных систем существенный вклад внесли и российские ученые, например: В.А.Котельников, Ю.В.Гуляев, С.А.Лебедев, В.С.Бурцев, А.Я.Хетагуров, Л.Н.Преснухин, А.И.Галушкин.

Наша технология

Компания «РАДИО ВИЖН» разработала и запатентовала совершенно новый радар малой дальности на основе фазированных антенных решеток, в котором применила новый метод (real-time-алгоритмы) «убийства» шума для DSP. А именно, алгоритмы выделения сигнала из шума, даже если шум превышает сигнал в сотни раз.

Модуль решает следующую систему уравнений:

$$U_{s}(t) + U_{n}(t) \rightarrow \left\{\begin{matrix} \boxed{ \int_{-\infty}^{+\infty }(U_{n}(t))dt = 0 \; (1)\\\\ \int_{-\infty}^{+\infty }(U_{s}(t) + U_{n}(t))dt = U_{s}(t) \; (2) }\\ \text{Модуль} \end{matrix}\right. \rightarrow U_{s}(t)$$

где $U_{n}(t)$ - шум, $U_{s}(t)$ – сигнал.

На вход модуля поступает сигнал и шум $U_{s}(t) + U_{n}(t)$.

На основании уравнения $(1)$ в системе шум будет равен нулю независимо от величины его амплитуды.

На основании уравнения $(2)$ в системе из входного сигнала с шумом выделится только полезный сигнал.

Алгоритмы базируются на существенном (скачкообразном) развитии теории согласованной фильтрации и корреляционных методов. Это следующий качественный уровень развития на основе нейронных сетей. Reference-design «РАДИО ВИЖН» использует метод самоорганизующихся Карт Кохоннена с различными типами обучения: классификацией нейронов без обучения, обучение методом выпуклой комбинации, конкурентное обучение со случайной инициализацией весов и конкурентное обучение с множеством победителей.

Известна формула для расчета дальности радиосвязи (основное уравнение радиолокации). Она применяется для расчета всех существующих радиосетей (радиолокаторов). На основании этой формулы можно определить выигрыш (V) при применении метода шумоподавления«РАДИО ВИЖН» в радиоканалах по сравнению с существующими каналами. Сократив в этой формуле одинаковые параметры, получим отношение коэффициентов сигнал/шум:

$$V = \frac{D_{new}}{D} = \frac{\sqrt[4]{\frac{1}{K_{new}}}}{\sqrt[4]{\frac{1}{K}}} = \frac{\sqrt[4]{100}}{\sqrt[4]{1}} = \frac{3,16}{0,56} = 5,64\; ,$$

где: $V$ – выигрыш от применения нашего модуля подавления шума;

$D_{new}$ – максимальная дальность радиосвязи новых радиоканалов при коэффициенте сигнал/шум $K_{new} = 1/100 $ (сигнал в сто раз меньше шума)

Таким образом, используя метод шумоподавления «РАДИО ВИЖН», можно увеличить в 5,64 раза дальность радиосвязи, не повышая мощности передатчиков. Применение же искусственной нейронной сети в задаче обработки сигнала позволяет достичь точности, определенной на стадии обучения сети. Алгоритмы Reference-design легко адаптируются к произвольным (случайным) параметрам сигналов. Возможности метода ограничены производительностью мультиядерной структуры (процессора) Reference-design, реализующего алгоритм работы нейронной сети. Они могут быть улучшены в десятки и сотни раз.

Применение технологии и рынки

Все радиоприемные устройства восприимчивы к шуму из-за принципа своей работы. Шум существенно ограничивает параметры: дальность связи, разборчивость, качество каналов и др. Применив наши алгоритмы, можно в несколько раз увеличить качественные показатели и расширить области применения различных радиоэлектронных приборов и устройств, в том числе, радиостанций. Например:

  • для мобильных систем связи, в том числе сотовых. Позволит значительно сократить количество базовых станций, так как одна станция сможет увеличить зону покрытия в десятки раз.
  • увеличение дальности существующей радиосвязи в десятки раз. В том числе, для авиа- и космической связи без увеличения мощности передатчиков.
  • новые принципы создания каналов передачи данных, которые невозможно подавить существующими способами.
  • переход медицинской техники (например, томографов) на более высокий уровень качества измерений сигналов, что позволит создавать новые приборы и системы.
  • новый этап в развитии алгоритмов управления робототехники и автонавигации.
  • новый тип радиолокаторов с меньшей мощностью передачи (в десятки раз).
  • новые приборы навигации, которые принимают сигналы от спутников там, где раньше этот прием был невозможен. Например, внутри помещения.

Применение технологии узкополосного сканирования РАДИО ВИЖН

Другие технологии «РАДИО ВИЖН»

В уникальных технологиях, которыми располагает «РАДИО ВИЖН», имеет смысл остановиться на вопросе добротности антенн, применяемых в радарах и извещателях. Компания «РАДИО ВИЖН» использует только собственные разработки и имеет патент на изобретение в РФ №2631524 «МИКРОПОЛОСКОВАЯ АНТЕННА», а также патентную заявку РСТ/RU2016/000892. От чего же зависит добротность антенны? Добротность обратно пропорциональна потерям. А потери складываются из нескольких основных составляющих:

  • Потери в проводниках антенны (омические)
  • Потери на «наводки» в окружающих предметах (магнитные и электрические) и «земле»
  • Потери на излучение

Добротность неоднозначно связана с эффективностью антенны. При одинаковой добротности в одной антенне низкая добротность определяется большими омическими потерями, в другой – потерями на излучение. Техническим результатом изобретения «РАДИО ВИЖН» является повышение точности установки требуемых значений амплитуды и фазы антенных сигналов, улучшение формы диаграммы направленности, перпендикулярной плоскости приемно-излучающего элемента, увеличение коэффициента полезного действия и коэффициента усиления антенны при уменьшении геометрических размеров приемно-излучающего элемента.

В мини-радарах (микроволновых извещателях) «РАДИО ВИЖН» применена «мультиядерная система» — FPGA + микропроцессор. Мы используем ПЛИС — программируемую логическую интегральную схему, которая состоит из множества одинаковых блоков или макроячеек — логических элементов. Эти блоки настраиваются и располагаются максимально эффективным способом, реализуя таким образом достаточно сложные цифровые схемы для обработки радиолокационного сигнала. Остальная компонентная база использует наиболее распространённые компоненты, которые не ограничены к распространению, что делает радары (извещатели) производства «РАДИО ВИЖН» удобным продуктом для пользователя, где бы он ни находился.

Патент на изобретение «МИКРОПОЛОСКОВАЯ АНТЕННА»

Патент на изобретение Микрополосковая антенна