Применение современных моделей машинного обучения для повышения эффективности оптимизации полосковой и кабельной помехозащитных структур

Постановка проблемы. В настоящее время к современным радиоэлектронным средствам (РЭС) предъявляются жесткие требования по обеспечению электромагнитной совместимости, особенно в условиях воздействия преднамеренных электромагнитных помех: сверхширокополосных помех и сверхкоротких импульсов. Традиционные защитные устройства достаточно часто демонстрируют низкую эффективность при подобных воздействиях, что обуславливает использование альтернативных подходов, в частности, различных конструкций модальных фильтров (МФ). Оптимизация МФ представляет собой сложную многопараметрическую задачу, а классические методы глобальной оптимизации, традиционно используемые для решения данной задачи, требуют значительных вычислительных затрат, особенно при работе со сложными структурами МФ. Следовательно, для ускорения процесса оптимизации и повышения его точности целесообразно создание перспективного подхода, основанного на применении методов машинного обучения (МО).

Цель. Разработать подход к оптимизации полосковых и кабельных МФ за счет применения регрессионных моделей МО, позволяющих существенно сократить время на поиск оптимальных параметров с сохранением точности получаемых результатов.

Результаты. Предложен подход к оптимизации полосковых и кабельных МФ, основанный на использовании регрессионных моделей МО. Продемонстрирована его высокая эффективность. Установлено, что для двух различных МФ наилучшие результаты, в части высокой скорости предсказания оптимальных параметров МФ с сохранением точности результатов, показали модели LightGBM и CatBoost с коэффициентом детерминации R2>0,99 и малыми значениями среднеквадратической ошибки (RMSE) вычисленных и предсказанных значений (RMSE<2,4% для LightGBM и RMSE<1,7% для CatBoost), а коэффициент переобучения для всех моделей находится в допустимых пределах, что является показателем их хорошей обобщающей способности. При этом поиск оптимальных параметров посредством глобальных методов оптимизации занимает примерно 16 000 с, а для обученных моделей МО – менее 1 с.

Практическая значимость. Разработанный подход к оптимизации МФ может быть использован для существенного ускорения проектирования различных типов линий передачи (полосковая структура с лицевой связью и плоский кабель) с заданными защитными характеристиками. Применение предложенного подхода позволяет существенно сократить временны́е и вычислительные ресурсы на оптимизацию МФ, обеспечивая высокий уровень защиты РЭС в условиях преднамеренных электромагнитных воздействий без необходимости выполнения затратных вычислений глобальными методами оптимизации.