Аннотации номера

ФОТОНИКА И ОПТОИНФОРМАТИКА

365
Одной из задач видеокапилляроскопии является восстановление параметров капиллярного кровотока по зарегистрированной последовательности видеокадров. Из-за особенностей регистрации капиллярного кровотока положение капилляров может изменяться в пределах зарегистрированной последовательности видеокадров. В работе предложен и исследован алгоритм обработки видеокадров капиллярного кровотока на основе фазовой корреляции, позволяю- щий скомпенсировать смещения капилляров. Произведено сравнение предложенного алгоритма с известными алгоритмами стабилизации видеокадров на основе полнокадрового совмещения и на основе детектирования ключевточек. Выполнено сравнение программных реализаций данных алгоритмов при обработке экспериментально зарегистрированных последовательностей видеокадров капиллярного кровотока и при обработке смоделированных последовательностей видеокадров с заданным смещением. Алгоритм полнокадрового совмещения обеспечивает высокое качество стабилизации, но программа на основе данного алгоритма характеризуется низким быстродействием. Программная реализация алгоритма, основанного на обнаружении ключевых точек, характеризуется хорошим быстродействием, но обеспечивает низкое качество стабилизации для последовательностей видеокадров капиллярного кровотока. Показано, что алгоритм фазовой корреляции является наиболее эффективным для стабилизации рассмотренных входных видеопоследовательностей, обеспечивает высокое качество стабилизации, и программа на его основе характеризуется наилучшим быстродействием. Полученные результаты могут быть использованы в программном обеспечении для биомедицинской диагностики.

ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИ

373
Продемонстрирована пошаговая запись волоконных брэгговских решеток излучением Ti:Sa фемтосекундного лазера, излучающего на длине волны 800 нм, в двулучепреломляющее оптическое волокно с эллиптической напрягающей оболочкой отечественного производства. Предложенный метод записи волоконных решеток Брэгга имеет преимущества по сравнению с традиционным методом использования фазовой маски. Возможность создания решеточных структур со сложным профилем и относительно высокая прозрачность акрилатного покрытия для длины волны работы Ti:Sa фемтосекундного лазера (800 нм) позволяет записывать решетки с фазовыми сдвигами в структуре, чирпированные решетки и суперструктуры на их основе в оптическое волокно без снятия защитной акрилатной оболочки. Метод обеспечивает запись дифракционных структур в оптические волокна как с увеличенной, так и со стандартной концентрацией диоксида германия в сердцевине. Проведен эксперимент по записи решетки Брэгга в двулучепреломляющее оптическое волокно с эллиптической напрягающей оболочкой через защитное акрилатное покрытие. Достигнутый коэффициент отражения составил 10%. Представлено фотографическое изображение дифракционной структуры в данном типе волоконного световода, полученное на оптическом микроскопе. Решетка с периодом 1,07 мкм записана путем протаскивания волокна с постоянной скоростью при установленной частоте повторений импульсов лазера в 1 кГц. Результаты работы могут найти применение в области создания чувствительных элементов различных оптоволоконных сенсорных систем на основе решеток Брэгга.
ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА ЭЛЛИПСОМЕТРИИ В ОПТИКЕ НЕОДНОРОДНЫХ СРЕД Горляк А. Н., Храмцовский И. А., Солонуха В. М.
378
На основе обобщения теории отражения поляризованного света в приближении Борна от границы раздела неоднородных сред усовершенствованы физико-математические методы моделирования и измерений поляризационно-оптических характеристик отражающей системы «неоднородный поверхностный слой – неоднородная среда». Дано теоретическое и экспериментальное обоснование одновременного применения методов многоугловой и сканирующей эллипсометрии для элементов градиентной оптики при наличии неоднородного слоя на поверхности оптической детали. Измерение основных эллипсометрических параметров – азимута линейной восстановленной поляризации Ψ и разности фаз Δ между взаимно ортогональными p- и s-компонентами отраженного поляризованного светового пучка – осуществлялось на двухканальной установке, где в первом канале используется схема измерений поляризационных параметров Ψ и Δ по методу компенсационной (нулевой) эллипсометрии; во втором канале – по фотометрической схеме измерений параметров Ψ и Δ с применением метода Фурье-детектирования выходного сигнала. Такое разделение каналов позволяет измерять поляризационные параметры отраженного светового пучка раздельно и тем самым повысить точность эллипсометрических измерений по отношению к исследуемой физической величине объекта измерений. На основе измерений поляризационных параметров Ψ и Δ при угле падения светового пучка φ=45° в рамках метода сканирующей эллипсометрии и модели геометрически плоской границы раздела однородных сред были рассчитаны значения показателя преломления n(r) и показателя поглощения k(r) по «аксиальному значению» градана. Полученные результаты указали на некорректность модели геометрически плоской границы раздела сред для поляризационных измерений распределения показателей преломления n(r) и поглощения k(r) в элементах градиентной оптотехники. Для отражающей системы «неоднородный поверхностный слой – неоднородная среда» изменение показателя преломления n(r) по «аксиальному сечению» элемента r пропорционально разности фаз Δ(r) между двумя взаимно ортогональными компонентами отраженного светового пучка. При этом азимут линейной восстановленной поляризации Ψ(r) по сечению градиентного оптического элемента изменяется незначительно. На основе уравнения эллипсометрии, полученного в рамках теории отражения поляризованного света Борна, приведены основные соотношения для расчета показателя преломления nс и толщины dс поверхностного слоя в каждой локальной точке r градана. Полученные результаты экспериментальных исследований позволяют дать количественную оценку качества обработки поверхности элементов оптотехники. Разработанные эллипсометрические методики рекомендованы в технологическом производстве оптических узлов с элементами градиентной и волоконной оптики.
387
Предмет исследования. Рассматривается задача программной компенсации технологического разброса координат цветности жидкокристаллических панелей. Предлагается метод программной компенсации технологического разброса координат цветности. Метод позволяет снизить влияние технологического разброса координат цветности и обеспечивает характеристики цветовоспроизведения серийно изготавливаемых образцов бортовых средств индикации, соответствующие образцу индикатора, принятому в качестве эталона. Метод. Для выбранной разработчиком модели жидкокристаллической панели осуществляется математический расчет профиля. Коэффициенты, соответствующие типовым значениям координат цветности для вершин треугольника цветового охвата, образуют эталонную математическую модель цветовоспроизведения ЖК-панели определенного производителя. На этапе входного контроля планируемый к использованию экземпляр жидкокристаллической панели устанавливается на светотехническую установку, где обеспечивается подключение экрана и формирование с применением Nokia-Test управляющего воздействия в компонентах кода RGB для индикации изображения однородного поля в красном, зеленом, синем и белом цветах. С помощью колориметра с известной величиной абсолютной погрешности осуществляется измерение (x,y)-координат цветности красного, зеленого, синего и белого цветов. Подобные измерения возможно осуществлять также непосредственно на образце индикатора на этапе настройки изделия. По измеренным значениям на основе преобразования Грассмана вычисляются уникальные для данного экземпляра коэффициенты профиля жидкокристаллической панели, связывающие XYZ-координаты цвета и десятичные коды RGB индицируемого на жидкокристаллической панели изображения. Полученные коэффициенты вводятся в память графического контроллера одновременно с функциональным программным обеспечением и используются для вывода изображения. Основные результаты. Эффективность предлагаемого метода программной компенсации технологического разброса координат цветности жидкокристаллических панелей индикаторов оценена по критерию отношения площадей сечений гистограмм распределения p(x,y) на заданном уровне доверительной вероятности до и после применения процедуры компенсации. Сечения гистограмм распределения координат цветности получены методом математического моделирования в среде MathCad 15.0. Программа математического моделирования метода программной компенсации позволяет получать взаимное расположение фигур, образованных сечениями гистограммы распределения (x,y)-координат цветности, при этом наблюдается как существенное уменьшение площади фигуры сечения после осуществления компенсации, так и изменение геометрии фигуры. В ряде случаев после выполнения процедуры компенсации на гистограмме распределения координат цветности появляются дополнительные относительные частоты, отсутствовавшие в исходном распределении. Получены семейства зависимостей критерия эффективности программной компенсации от разрешающей способности колориметра, используемого для измерения координат цветности. Практическая значимость. Результаты работы могут использоваться разработчиками средств отображения информации и изготовителями жидкокристаллических панелей для выполнения колориметрических расчетов и для оценки технологического разброса координат цветности индицируемой информации по множеству серийно выпускаемых образцов дисплеев.
398
Предмет исследования. Предложен метод измерения углового положения точечного источника в системе с ПЗС-линейками посредством преобразования «угол – время – код» в условиях малой освещенности и при повышенных соотношениях сигнал/шум. Проведена оценка потенциальной точности метода, которая определяется неустранимыми аппаратурными случайными погрешностями измерения в условиях оптимальной обработки поступающей информации при однократном считывании ее с ПЗС-линеек. Метод. Предлагается схема оптико-электронной системы измерения углового положения с ПЗС-линейками с вытянутыми чувствительными элементами и опорной точкой отсчета. При этом на линейки проецируются изображения как опорного точечного источника, так и измеряемого точечного источника, угловое положение которого следует определять с высокой точностью. С выхода ПЗС-линейки сигналы поступают на линейный оптимальный (или близкий к нему) фильтр, а с него – на схему фиксации положения максимума сигнала. Схема обеспечивает минимальную погрешность, обусловленную влиянием шумов. Фронты импульсов, соответствующие максимумам сигналов, формируют временной интервал, который заполняется счетными импульсами высокой частоты. Число импульсов в этом интервале будет соответствовать измеряемому угловому положению точечного источника. Основные результаты. Проведен анализ случайных погрешностей с позиции теории статистических решений. Анализ учитывает спектральную функцию сигналов, определяемую передаточными функциями оптической системы и ПЗС-линейки как анализатора изображения. Проведено исследование точности измерения в зависимости от тактовой частоты считывания информации с ПЗС-линеек при различных значениях отношения сигнала к шуму. Показано, что даже при однократном считывании ПЗС-линейки по предлагаемой оптико-электронной схеме погрешность измерения не превышает 0,01 размера чувствительного элемента. Практическая значимость. Результаты работы могут найти применение в высокоточных измерительных оптико-электронных системах звездных датчиков для определения углового положения маломощных точечных источников излучения.
405
Предмет исследования. Предложен метод формирования требований к качеству изображений аварийных космических аппаратов. Изображения получаются средствами дистанционного зондирования околоземного космического пространства орбитального базирования в видимом диапазоне электромагнитного излучения. Метод базируется на совместном учете условий космической съемки, характеристик аппаратуры наблюдения, основных конструктивных особенностей наблюдаемых космических аппаратов и задачах орбитальной инспекции. Метод. Показателем качества является прогнозируемое линейное разрешение изображения, которое позволяет сформировать полное представление об изобразительных свойствах космического снимка, полученного оптико-электронной системой наблюдающего спутника. Формулирование требований к численному значению данного показателя предлагается выполнять с учетом свойств системы дистанционного зондирования, формирующей изображения в условиях космического пространства, и свойств наблюдаемого аварийного космического аппарата: габаритных размеров, конструкции платформы спутника, мест размещения бортовой аппаратуры. Для реализации метода авторами разработана модель прогнозирования требований к линейному разрешению изображений аварийных космических аппаратов, позволяющая выбрать интервалы космической съемки и получить космические снимки необходимого для интерпретации качества. Основные результаты. С целью проверки работоспособности предложенной модели проведены расчеты численного значения линейного разрешения изображения, обеспечивающего успешное решение задач определения грубых повреждений конструкции космических аппаратов и выявления изменений их пространственной ориентации. В качестве исходных данных использовались габаритные размеры и геометрические примитивы, соответствующие форме условно инспектируемых космических аппаратов «Ресурс-П», «Канопус-В», «Электро-Л». Получены численные значения линейного разрешения изображений, обеспечивающие успешное решение задач определения грубых повреждений конструкций космических аппаратов. Практическая значимость. Метод может найти применение в системе планирования работы средств орбитальной инспекции, в частности, при решении баллистических задач. Это позволит оптимизировать рабочую программу бортовой оптико-электронной аппаратуры и продлит срок эксплуатации космической техники.
411
Предмет исследования. Предложен алгоритм расчета контактных офтальмологических линз двойного применения на основе единого подхода к их расчету. Алгоритм апробирован на композиции оптической системы офтальмологической линзы Гольдманна и оптической системы линзы Панфундоскоп. Метод. На начальном этапе расчета выполняется условие взаимно однозначного ориентирования глаза пациента и приборов за счет лицевого установа и перемещений координатного стола с оптической головкой. Далее выбирается такая модель оптической системы глаза пациента, чтобы линза совмещалась с передней поверхностью роговицы оптической системы глаза. Зрачок глаза пациента находится под анестезией. На заключительном этапе расчета определяются функции качества изображения офтальмологической линзы и их значения, исходя из медико-технических требований к компонентам составной системы. Основные результаты. Предложен алгоритм расчета контактных офтальмологических линз, доказана его корректность на примере двух базовых моделей группы этого типа линз, применяющихся на практике в составной системе с офтальмологическими лазерными коагуляторами. Приведен оптический расчет контактной офтальмологической линзы Гольдманна и Панфундоскопа. Для линзы Гольдманна оптимальным является метод нейтрализации. В Панфундоскопе первый компонент управляет расположением предметных плоскостей, а второй – расположением зрачков составной системы с офтальмокоагулятором. Компьютерное моделирование составной системы «Компьютерная модель глаза – офтальмологическая линза» в пакете прикладных программ ZEMAX подтвердило корректность примененного алгоритма расчета по критерию дифракционного качества изображения. Показана возможность использования упрощенной компьютерной модели глаза – «Редуцированный глаз» по Вербицкому. Практическая значимость. Найден и подтвержден общий научный подход к проблеме синтеза, расчета и исследований составных систем с контактными офтальмологическими линзами для диагностики и лазерного вмешательства на глазном дне. Полученные результаты имеют практическое значение для дальнейшего развития методов оптического расчета и таких оптических офтальмологических приборов,

АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ И РОБОТОТЕХНИКА

СПОСОБЫ СТАБИЛИЗАЦИИ ДВУНОГИХ РОБОТОВ В ПОЛОЖЕНИИ СТОЯ НА ПОДВИЖНОЙ ОПОРЕ Базылев Д. Н., Пыркин А. А., Маргун А. А., Зименко К. А., Кремлев А. С., Ибраев Д. Д., Чех М. .
418
Предмет исследования. Рассматривается задача стабилизации двуногих шагающих роботов на поверхности, угол наклона и угловая скорость которой изменяется произвольно в ограниченном диапазоне. Методы. Предлагаются два способа стабилизации двуногих роботов. В первом способе требуется построение кинематической и динамической моделей робота. Динамические уравнения получены с помощью метода Эйлера–Лагранжа. Алгоритм управления основан на методе инверсной динамики, при котором исходная нелинейная динамическая модель линеаризуется обратной связью. Во втором способе стабилизации используется только кинематическая модель робота. Для данного подхода разработан гибридный регулятор. При низких угловых скоростях подвижной опоры стабилизация робота выполняется ПД-регулятором по ошибке углов отклонения вала сервоприводов. При относительно высоких угловых скоростях опоры в управлении дополнительно используются измерения гироскопа, установленного в торсе робота. В качестве цели управления для двух подходов было выбрано условие поддержания центра масс робота над центром опоры для обеспечения устойчивого положения. Основные результаты. Работоспособность и эффективность предложенных способов стабилизации двуногих роботов на подвижной поверхности продемонстрированы на примерах численного моделирования. Оба способа обеспечивают устойчивость балансирующих роботов при изменении угла наклона и угловой скорости подвижной поверхности в диапазонах (50; 50) и (40 / c; 40 / c) соответственно. Проведен сравнительный анализ данных подходов при одинаковых требованиях к показателям качества переходных процессов: время переходного процесса 0,2 с п t  и перерегулирование   0%. Определены условия, при которых каждый из способов управления будет более эффективным при реализации на практике.

НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И НАНОТЕХНОЛОГИИ

426
Предмет исследования. Исследованы процессы абляции поверхности монокристаллических пластин кремния и свойства материалов, получаемых в результате абляции кремния при облучении сканирующим пучком импульсного иттербиевого волоконного лазера с длиной волны λ = 1062 нм при варьировании мощности излучения лазера и режимов сканирования. Метод. Исследования проведены на пластинах промышленного кремния КДБ-10 (111), КЭФ-4.5 (100) со слоем собственного оксида кремния толщиной в несколько десятков нанометров и толщиной слоя SiO2 от 120 до 300 нм, выращенного методом термического окисления. Облучающая система включает в себя импульсный иттербиевый волоконный лазер с длиной волны λ = 1062 нм. Номинальная выходная мощность лазера 20 Вт, длительность импульсов 100 нс. Частота следования импульсов от 20 кГц до 100 кГц. Номинальная энергия в импульсе при максимальной выходной мощности 20 Вт составляла 1,0 мДж. Сканирование проводилось с помощью двухосевого сканатора на базе приводов VM2500+ с управлением через персональный компьютер с программным комплексом «SinMarkТМ». Скорость сканирования от 10 мм/с до 4000 мм/с, перекрытие варьировалась с 100 лин/мм до 3000 лин/мм. Контроль образцов проводился на оптическом микроскопе типа Axio Imager A1m фирмы Carl Zeiss с цифровой видеокамерой высокого разрешения. Все эксперименты проводились в режиме сфокусированного лазерного пучка с диаметром пятна облучения на подложке 50 мкм. Изменение температуры и ее распределение по поверхности оценивались с  помощью тепловизора FLIR серии SC7000. Основные результаты. Показано, что процесс абляции происходит без плавления кремния с образованием факела плазмы. Частицы эжектированного кремния участвуют в формировании плазмы ионов кремния и атмосферных газов, обеспечивая процесс плазмо-химического роста SiO2. Установлен диапазон режимов сканирования пучка, в котором наблюдается рост слоя SiO2. Начиная со скорости сканирования 2000 мм/с, наличие факела визуально не фиксируется, прекращается образование оксида кремния, а в результате разрушения кремния образуются частицы кремния нанометровых размеров. При этом разрушение кремния сопровождается звуками разной частоты, зависящей от скорости сканирования. Практическая значимость. Впервые показано, что на абляцию поверхности монокристаллов кремния существенно влияют такие характеристики процесса лазерного облучения, как скорость сканирования лазерного пучка и перекрытие линий сканирования. Выявлены режимы сканирования лазерного пучка импульсного иттербиевого волоконного лазера с длиной волны λ = 1062 нм, обеспечивающие
435
Предмет исследования. Представлены результаты синтеза многослойного субстрата, обладающего эффектом усиления сигнала комбинационного рассеяния света от молекул гидроксибензойных кислот, которые адсорбированы на его поверхности. Методы. Для получения усиливающего субстрата применялись методы коллоидной химии: промывка коллоидных растворов с использованием лабораторной центрифуги ОПн-8УХЛ4.2, проведение последовательных химических реакций по модификации поверхности полупроводниковых частиц SiO2 в растворе, определение максимума спектра поглощения полученного субстрата (в диапазоне от 400 до 1000 нм). Для наблюдения молекул гидроксибензойных кислот использовался метод комбинационного рассеяния света на спектрометре ОРТЕС-785 Видео-М. Основные результаты. Предложен новый метод химического синтеза субстрата, обладающего эффектом гигантского комбинационного рассеяния света на длине волны возбуждения излучения 785 нм, на основе микронных частиц диоксида кремния с иммобилизованной поверхностью из золота и серебра. Экспериментально получены и интерпретированы спектры комбинационного рассеяния света гидроксибензойных кислот (галловой и парагидроксибензойной) в свободном и адсорбированном состоянии. Показано, что обе кислоты в кристаллическом со- стоянии находятся в форме димеров. Наличие определенной группы характеристичных полос указывает на то, что гидроксибензойные кислоты образуют химическую связь с поверхностью субстрата через кислородный мостик депротонированных гидроксильных групп. При этом, в отличие от галловой кислоты, пара-гидроксибензойная кислота переходит в форму мономера. Практическая значимость. Методику приготовления усиливающего субстрата можно использовать в лабораторных условиях, не имея сложного технического оборудования. Экспериментальные данные о способе крепления гидроксибензойных кислот и форме их существования на поверхности данного субстрата будут полезными при разработке сенсорных систем на их основе. Неискаженные характеристические полосы ароматического кольца гидроксибензойных кислот также могут быть использованы при разработке сенсорных систем и в аналитических целях при идентификации таниновых соединений в экстрактах лекарственных растений.
443
Изучены особенности формирования серебряных наночастиц во фторофосфатных стеклах системы 0,25Na2O-0,5P2O5-0,10Ga2O3-0,075AlF3-0,025NaF-0,05ZnF2 с добавками EuF3 (0,8 и 4 вес.% сверх 100%) и без них. Синтез стекол проводился в закрытых стеклоуглеродных тиглях в атмосфере аргона. Наночастицы были сформированы в процессе низкотемпературного Ag+→Na+ ионного обмена (320 оС) и последующей термообработки. Показано, что в исходных стеклах, содержащих ионы европия, редкоземельный ион находится в двух валентных формах (Eu2+ и Eu3+) в динамическом равновесии, причем концентрация Eu2+ увеличивается пропорционально общей концентрации фторида. Показано, что в зависимости от концентрации фторида европия в результате ионного обмена формируются молекулярные кластеры или металлические наночастицы. Определены размеры сформированных металлических Ag-наночастиц в стеклах с различными временами термообработки и ионного обмена. Доказана возможность стимулирования роста наночастиц посредством дополнительного введения в стекло EuF3. Показана возможность полу- чения наночастиц без проведения термообработки в стеклах с высоким содержанием EuF3. Предложено химическое обоснование процесса формирования Ag-наночастиц в ходе ионного обмена.
449
Приведены результаты исследования технологии получения, механических и оптических свойств поликристаллического селенида цинка. Совокупность физико-химических свойств обеспечивает ему широкое применение в оптике инфракрасного диапазона. Технология получения основана на физическом осаждении пара на разогретую подложку (PVD). Исследованы на рентгеноспектральном микроанализаторе «CAMEBAX» структурные особенности и неоднородности элементного состава поверхностей роста поликристаллических заготовок селенида цинка. Для всех поверхностей роста зафиксированы характерные кристаллиты пирамидальной формы, измерения соотношения концентраций основных элементов свидетельствуют об их соответствии стехиометрии соединения селенида цинка. Произведены измерения двулучепреломления, оптической однородности, теплопроводности, механических и оптических свойств. Установлено, что независимо от столбчатости и текстурированности поликристаллического конденсата оптический материал является фотомеханически изотропным и однородным. Показана реальная работоспособность деталей из поликристаллического оптического селенида цинка в тепловизорах спектральных диапазонов от 3 до 5 мкм и от 8 до 14 мкм и CO2-лазерных технологичеcких уcтановках с плотностью мощности 500 Вт/cм2. Разработанная технология позволяет производить поликристаллический оптический материал в промышленном масштабе.
457
На примере свинцово-фторидной наностеклокерамики проведено исследование и сравнение двух методов измерения температуры в диапазоне от 317 до 423 К с целью оценки возможности их последующего применения в температурных датчиках. Исследованы метод измерения температуры по регрессии на латентные структуры спектров апконверсионной флуоресценции в фиолетовой, зеленой и красной полосах и метод измерения температуры по отношению интенсивностей двух полос флуоресценции в зеленой области спектра. Показано, что оптимальным, с точки зрения точности измерения температуры, является четырехмерное пространство латентных структур, позволяющее с помощью обучающего набора спектров флуоресценции с шагом 10 К определять температуру выше 340 К с относительной погрешностью не более 0,15%. Метод измерения температуры по отношению интенсивностей двух полос флуоресценции в зеленой области спектра уступает по точности. Существенным преимуществом второго метода является отсутствие зависимости точности от флуктуаций мощности излучения накачки. Для реализации преимуществ первого метода необходимо применение стабилизации уровня накачки. Результаты работы могут быть использованы при создании температурных оптических сенсоров с лучшими эксплуатационными характеристиками (по точности и диапазону измерения) по сравнению с существующими на сегодняшний день датчиками, использующими температурное перераспределение интенсивности люминесценции в близко расположенных полосах или изменение времени затухания люминесценции.

КОМПЬЮТЕРНЫЕ СИСТЕМЫ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

РАЗРАБОТКА ПРОТОКОЛА МНОЖЕСТВЕННОГО ДОСТУПА ДЛЯ ПРОЦЕССОРОВ С МНОГОУРОВНЕВЫМ КЭШИРОВАНИЕМ Антонов А. А., Ключев А. О., Комар М. С., Кустарев П. В., Кучерявый Е. А., Молчанов Д. А., Петров В. И., Платунов А. Е.
463
Приведены результаты исследования архитектуры современных процессоров с иерархической организацией внутренней памяти. Выполнен анализ возможности внедрения беспроводной сети для организации взаимодействия между вычислительными ядрами и общим кэшем последнего (третьего) уровня. Для формирования требований к беспроводному каналу связи определяется набор функций обмена сообщениями в современных процессорах общего назначения на примере Intel Core i7 (Haswell). Разработана модель взаимодействия компонентов кэш-подсистемы процессора, на базе которой оцениваются характеристики обмена между ними. Анализ модели показывает, что задержка предлагаемого беспроводного канала при передаче пакета данных в кэш-подсистеме составит 0,26 нс, что хорошо соотносится с задержкой обращения к кэшу самого первого уровня (около 2 нс). Беспроводной канал удовлетворяет требованиям по дальности, предполагая возможность передачи данных на расстояние до 3 см, и энергоэффективности, расходуя мощность 1 мкВт. Результатом работы является протокол множественного доступа, предназначенный для реализации в рамках беспроводной сети на кристалле для сопряжения вычислительных ядер с кэшем третьего уровня. Принимая во внимание требования к простоте и эффективности реализации таких протоколов,  предлагается работать в едином частотном диапазоне для всех радиоинтерфейсов, используя технологию временного разделения канала с фиксированными временными интервалами. В работе предлагается структура блоков данных, посредством которых идет взаимодействие между узлами. Возможность создать общий счетчик времени обеспечивает синхронизацию между узлами. Временное разделение используется для организации дуплексной связи, причем долю времени, отведенную нисходящему и восходящему каналу, можно изменять динамически. Механизм временного разделения позволяет адаптироваться под неравномерность нагрузки между ядрами посредством выделения различного количества временных слотов на каждое ядро.
470
Предмет исследования. Предложен метод ограничения минимального уровня префиксного дерева в системе бесхешевой дедупликации данных. Метод. Сущность предлагаемого метода заключается в принудительном заполнении префиксного дерева до определенного минимального уровня. Использование предлагаемого метода позволяет снизить количество коллизий на нижних уровнях префиксного дерева. Максимальный теоретический прирост производительности соответствует доле коллизий от общего количества операций чтения данных с носителя. Применение метода ограничения минимального уровня префиксного дерева увеличивает объем метаданных на объем новых структур, содержащих один элемент. Основные результаты. Результаты работы подтверждены данными вычислительного эксперимента бесхешевой дедупликации на наборе данных объемом 528 ГБ. Анализ процесса показал, что 99% времени выполнения занимает позиционирование головок жестких дисков. Причиной этого является распределение блоков на носителе в случайном порядке. На экспериментальном наборе данных применение метода ограничения минимального уровня префиксного дерева может увеличить производительность на 16%, а возрастание объема метаданных составит 49%. Общий объем метаданных будет меньше на 34%, чем при применении метода хешевой дедупликации с использованием алгоритма MD5 и на 17% меньше, чем c использованием алгоритма Tiger192. Полученные результаты подтверждают эффективность предложенного метода. Практическая значимость. Предложенный метод позволяет увеличить производительность процесса за счет сокращения количества коллизий при построении префиксного дерева. Результаты представляют практическую значимость для специалистов, занимающихся разработкой системы бесхешевой дедупликации данных.
476
Предмет разработки. Предложен метод формирования структуры исходного множества однородных вариантов в базе данных, настроенной на решение задачи выбора в соответствии с их целевым (функциональным) назначением. Эта задача актуальна для электронных справочников (по материалам, компонентам, деталям, лекарствам и т.д.), целевое назначение которых в однородной группе более устойчиво во времени, чем требования по допустимости в каждой новой задаче выбора. Метод. Предлагаемый подход основан на формировании структуры данных, представляющей собой частичный порядок альтернатив, построенный по безусловному критерию Парето из набора линейных или частичных порядков вариантов меньшей размерности. Количество учитываемых показателей качества задает размерность частичного порядка, а его структура предопределена целевым назначением вариантов в однородном множестве через принимаемые во внимание показатели качества. Концевые элементы в графе частичного порядка представляют собой оптимальные по Парето варианты, которые в каждой новой задаче выбора остается проверить только на допустимость. Результирующий частичный порядок формируется с использованием фактор-множеств. Основные результаты. Разработан способ адаптивной настройки данных на задачу выбора, которая позволяет начинать решение сразу с Парето-оптимальных вариантов, лишь проверяя их на допустимость. Предлагаемый подход гораздо эффективнее традиционного, предполагающего вначале выбор допустимых, а затем оптимальных вариантов вследствие сокращения числа множественных комбинаторных критериальных сравнений в каждой новой задаче выбора. Эффективность метода подтверждается тем, что мощность Парето оптимальных вариантов всегда меньше или равна мощности исходных вариантов, а поиск допустимых вариантов по тем же требованиям на множестве меньшей мощности всегда менее трудоемок, чем поиск допустимых вариантов на множестве большей мощности, вследствие меньшего числа операций бинарных сравнений вариантов. Практическая значимость. Результаты работы могут найти применение при разработке электронных справочников для стандартных и типовых изделий как в составе систем автоматизированного проектирования, так и при создании справочных систем для менеджеров и поставщиков комплектующих компонентов и материалов. В первом случае это сателлитные системы, во втором – автономные. .
АБСТРАКТНЫЕ МОДЕЛИ ВИРТУАЛИЗАЦИИ СИСТЕМЫ Ковешников М. Г., Щеглов К. А., Щеглов А. Ю.
483
Представлены результаты исследования защиты системных объектов – системных файлов и файлов пользовательских конфигураций системы и приложений – от несанкционированного к ним доступа, в том числе с целью реализации защиты от атак на отказ в обслуживании. Предложен метод и разработаны абстрактные модели виртуализации системы, на которых исследованы сценарии атак для различных режимов виртуализации. Дана оценка эффективности технологии виртуализации системных средств. Предлагаемая технология основана на реализации перенаправлений запросов доступа к разделяемым между субъектами системным объектам. Смоделированы режимы полной и частичной виртуализации системы: в режиме полной виртуализации создаются копии всех системных объектов доступа, на которые перенаправляются запросы субъектов, включая соответствующие объекты приложений; в режиме частичной виртуализации создаются соответствующие копии лишь части системы, например, только системные объекты приложений. Применительно к различным сценариям атак оценена эффективность альтернативных решений. Рассмотрено запатентованное апробированное техническое решение, реализующее метод виртуализации системы для операционных систем семейства MicrosoftWindows, на примере которого показаны возможности и простота администрирования соответствующим образом построенных средств защиты системных объектов. Подтверждена практическая значимость предложенного метода защиты.

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

493
Представлена аналитическая теория самосогласованного поля, описывающая плоские щетки, образованные регуляр-но разветвленными дендронами второго и третьего поколений. Развитый подход позволяет вычислить самосогласо ванный молекулярный потенциал, действующий на мономерные звенья привитых цепей. В режиме линейной эла-стичности для растянутых полимеров молекулярный потенциал имеет параболическую форму с коэффициентом, зависящим от архитектурных параметров привитых макромолекул – степеней полимеризации развязок, степени ветвления и числа поколений. Для дендронов второго поколения сформулировано общее уравнение для параметра k и проанализировано, как из-менения в архитектурных параметрах таких дендронов влияют на молекулярный потенциал. Для дендронов третьего поколения аналитическое выражение для параметра k получено только для симметричных макромолекул с одинако-выми длинами всех развязок и одинаковой степенью ветвления во всех поколениях. Исследовано, как толщина дендронной щетки в хорошем растворителе варьируется с изменением архитектуры цепи. Результаты развитой теории сопоставлены с предсказаниями скелинговой ящичной модели. Показано, что в пределе высокой степени ветвления результаты обоих подходов становятся согласованными, если величина показателя β в ящичной модели равна единице. В заключении коротко обсуждены системы, к которым применима развитая в работе теория. Они включают плоские и вогнутые сферические и цилиндрические дендронные щетки в растворителях разного качества (в том числе сухие,  расплавленные щетки) и щетки из заряженных (полиэлектролитных) дендронов. 
500
Предмет исследования. Рассматривается интерференция скачков уплотнения одного направления или, как их еще называют, догоняющих скачков уплотнения. Цель работы – дать классификацию ударно-волновых структур, возникающих при такого рода взаимодействии ударных волн, и область их существования. В результате пересечения скачков уплотнения одного направления в точке пересечения возникает ударно-волновая структура, содержащая главный скачок уплотнения, тангенциальный разрыв и еще один отраженный газодинамический разрыв, тип которого заранее неизвестен. Задача об определении типа отраженного разрыва – это основная задача, которую приходится решать при изучении интерференции догоняющих скачков. Основные результаты. Представлены качественные картины ударно-волновых структур, возникающих при взаимодействии догоняющих скачков уплотнения. Описаны области, в которых имеет место регулярное и нерегулярное взаимодействие догоняющих скачков. Наибольший интерес представляют характеристические ударно-волновые структуры, в которых отраженный разрыв вырождается в разрывную характеристику. Такие структуры обладают рядом экстремальных свойств. В работе найдены области существования таких ударно-волновых структур. Существуют также области, в которых стационарное решение отсутствует. Последнее определило возрождение интереса к теоретическому изучению рассматриваемой задачи, так как былиобнаружены факты внезапного разрушения ударно-волновой структуры внутри воздухозаборника сверхзвуковых летательных аппаратов при больших числах Маха. Практическая значимость. Теория интерференции скачков уплотнения одного направления и методика их расчета могут быть применены при проектировании сверхзвуковых воздухозаборников. Актуальным также является исследование возможности использования догоняющих косых ударных волн для создания пересжатой детонации в перспективных детонационных воздушно-реактивных и ракетных двигателях.
509
Предмет исследования. Приведены результаты исследования применимости наиболее распространенных моделей турбулентности к расчету сверхзвуковых турбулентных струй, содержащих ударные волны. Целью исследования является отработка эффективной методики расчета неизобарических турбулентных сверхзвуковых газовых струй, содержащих ударные волны. В осесимметричном случае такие струи характеризуются нерегулярным (маховским) отражением ударных волн от оси симметрии, что сопровождается образованием прямых скачков уплотнения (дисков Маха), которым соответствуют пики давления и температуры на оси струи. Течение за дисками Маха – дозвуковое. Появление дозвуковых областей течения, а также резкого изменения параметров течения на прямых скачках уплотнения приводит к некоторым методическим сложностям в применении стандартных двухпараметрических дифференциальных моделей турбулентности. Известно, что разные модели турбулентности приводят к существенно отличающемуся распределению параметров вдоль оси струи. В частности, степень размытия ударно-волновой структуры струи при использовании некоторых моделей турбулентности значительно отличается от экспериментально наблюдаемой. Основные результаты. Выполнено сравнение широко представленных в современных коммерческих вычислительных пакетах моделей турбулентности: k-ω-модель турбулентности, модель Realizablek-ε, модель RNG k-ε, SAS-модель, cтандартная SST k-ω-модель, transitionSST-модель. Проведенное тестирование показало, что наилучшие результаты при расчетах сверхзвуковых течений, характерных для перспективных воздушно-реактивных двигателей, дают Realizablek-εи transitionSST-модели турбулентности. Первая модель при небольшом перепаде давления на срезе сопла и в окружающей среде, типичном для штатных режимов работы воздушно-реактивных двигателей, обеспечивает получение надежных данных о распределении давления по оси струи, донном давлении, распределении давления по стенкам сопла и эжектора. Хорошую точность удается получить на достаточно грубой сетке без применения каких-либо специальных приемов и ухищрений. TransitionSST-модель турбулентности обеспечивает лучшее совпадение с результатами эксперимента в случае большого перепада давления между срезом сопла и окружающей средой. Она более требовательна к разностной сетке, граничным и начальным условиям, отличается существенно большим временем счета. Вместе с тем, она гарантированно позволяет получить качественно верную картину ударно-волновой структуры при приемлемой точности определения распределения давления по оси струи. Практическая значимость. Практическое применение приведенных в работе рекомендаций позволит исследователям избежать грубых неточностей при расчете сверхзвуковых газовых струй.
О ВЫБОРЕ ЦЕН ПРИ ПРОДАЖЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ РЕСУРСОВ Иванова О. С., Амелькин С. А., Цирлин А. М.
517
Рассмотрена проблема определения ценовой политики фирмы, реализующей на рынке информационный ресурс. Решена задача определения оптимальной зависимости цены информационного ресурса от времени для случая, когда фирма-продавец не имеет конкурентов на рынке, рынок насыщается, а покупатели не имеют возможности дальнейшего распространения ресурса. Получены условия оптимального выбора цены информационного ресурса. Для линейной функции спроса рассчитан максимально возможный доход фирмы, а также получены условия, определяющие продолжительность и объем продаж, обеспечивающих максимум среднего дохода фирмы. Задача оптимального выбора цен решена с использованием макросистемного подхода, что дало возможность свести ее к изопериметрическому виду. Показано, что оптимальная зависимость цены от времени для линейной функции спроса должна обеспечивать линейную возрастающую интенсивность продаж. Получены условия, при которых доход от продажи информационного ресурса положителен, определены зависимости между объемом и продолжительностью продаж, при которых средний доход за время продаж достигает своего максимума. Результаты приведены в безразмерном виде, что позволило сократить количество независимых параметров. Материалы работы могут найти применение при анализе ценообразования программного обеспечения и других информационных продуктов.
525
Представлена математическая модель и метод решения задачи составления календарного плана работы предприятия. Предполагается, что на предприятии происходит двухступенчатая обработка сырья. На первом этапе осуществляется раскрой сырья на полуфабрикаты. На втором этапе (этапе получения готовой продукции) производится длительная обработка полученных полуфабрикатов на одном из взаимозаменяемых рабочих центров. Раскрой сырья на полуфабрикаты проводится по заранее разработанному плану в соответствии с технологическими картами. Планирование включает в себя расчет по отдельным раскроям и составление плана раскроя всего сырья с целью наиболее эффективного выполнения спецификационного задания из имеющихся запасов. На основании плана раскроя строится календарный план производства. Этот план включает в себя последовательность раскроев с указанием объема, времени начала и окончания работы, а также план по загрузке последующей переработки. Поиск решения задачи составления календарного плана усложняется необходимостью учета большого количества ограничений, обусловленных параметрами производственного оборудования и особенностями заказов. Для решения задачи предложен специальный метод на базе генетического алгоритма. Разработанный алгоритм был протестирован на наборе реальных производственных планов. Приведена оценка его эффективности. Программная система, реализованная на основе предложенного метода, апробирована на реальных данных лесопильных предприятий. Специалисты предприятий подтвердили сокращение простоев оборудования и уменьшение невостребованных остатков готовой продукции.
532
В рамках теории функционала плотности выполнена оценка влияния обменно-корреляционных функционалов и базисных наборов на свойства молекулярного кластера серебра Ag2. Для сравнительного анализа использовались такие свойства молекулярного кластера, как равновесная длина связи и полная энергия связи. Проанализирован эффект от смены размерности полноэлектронных базисных наборов для четырех обменно-корреляционных функционалов разных категорий: в приближении локальной плотности, градиентно-скорректированные и гибридный. Обсуждаются результаты, полученные для базисных наборов с разным уровнем приближения замороженного остова. Наилучшее согласие с экспериментальным значением показали расчеты, выполненные с применением градиентно-скорректированных функционалов и четырежды поляризованного четырехэкспоненциального полноэлектронного базисного набора. Приближение замороженного остова малого размера позволяет сократить время вычисления, а отклонение расчетного значения полной энергии связи от экспериментального принимает меньшее значение по сравнению с полноэлектронным вариантом базисного набора. Полученные результаты представляют методический интерес для проведения корректных расчетов указанных характеристик молекулярных кластеров с ожидаемой точностью.
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РАСЧЕТА ИНФОРМАЦИОННЫХ РИСКОВ ДЛЯ ИНФОРМАЦИОННО-ЛОГИСТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ Коробейников А. Г., Гришенцев А. Ю., Комарова И. Э., Ашевский Д. Ю., Алексанин С. А., Маркина Г. Л.
538
Предмет исследования. Представлена математическая модель расчета оценки информационных рисков, возникающих при транспортировке и распределении материальных ресурсов в условиях неопределенности. При этом под информационными рисками подразумевается опасность возникновения убытков или ущерба в результате применения компанией информационных технологий. Метод. Решение проблемы базируется на идеологии решения транспортной задачи в стохастической постановке с привлечением методов теории математического моделирования, теории графов, теории вероятностей, марковских цепей. Построение математической модели происходит в несколько этапов. На начальном этапе, на основе полученной от информационно-логистической системы информации, вычисляется пропускная способность на разных участках в зависимости от времени, формируется весовая матрица и строится орграф. Далее при помощи алгоритма Дейкстры происходит поиск минимального маршрута, который охватывает все заданные вершины. На втором этапе, используя информацию о рассчитанном маршруте, составляются системы дифференциальных уравнений Колмогорова. Полученные решения показывают вероятности нахождения ресурсов в конкретной вершине в зависимости от времени. На третьем этапе, на базе теоремы умножения вероятностей, рассчитывается общая вероятность прохождения всего маршрута в зависимости от времени. Информационный риск как функция от времени определяется умножением максимально возможного ущерба на общую вероятность прохождения всего маршрута. В этом случае информационный риск измеряется в единицах ущерба, который выражается той денежной единицей, которой оперирует информационно-логистическая система. Основные результаты. Работоспособность представленной математической модели показана на конкретном примере транспортировки материальных ресурсов, где заданы места отгрузки и доставки, маршруты и их пропускная способность, максимально возможный ущерб и допустимый риск. Расчеты, представленные на графике, показали, что при заданных условиях риск становится ниже допустимого, если требуемое время транспортировки материальных ресурсов, установленное заказчиком, больше 50 мин. Этот расчет предоставляет лицу, принимающему решение, дополнительную информацию для принятия или отказа коммерческого предложения о транспортировке материальных ресурсов в заданные пункты. Практическая значимость. Результаты работы могут найти применение в действующих информационно-логистических системах для расчета информационных рисков, возникающих при транспортировке или распределении материальных ресурсов. Это повысит конкурентоспособность логистических компаний, действующих в условиях современных рыночных отношений.

КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ

546
Приведены результаты исследования значения микротвердости монокристаллов β-Ga2O3для грани (001), выращенных методом свободной кристаллизации на установке «Гранат-2М». Значения микротвердости в монокристаллах β-Ga2O3определялись по методу Виккерса при различных величинах нагрузки. В качестве индентора применена четырехгранная алмазная пирамида. Усредненное значение микротвердости оксида галлия составило 8,91 ГПa. Проведено сравнение полученных величин со значениями микротвердости для других широкозонных полупроводников – эпитаксиальных слоев GaN, выращенных на подложках 6H-SiC, и слоев GaP, выращенных на подложках GaP:S. Результаты работы могут быть полезны при разработке технологического процесса механической обработки монокристаллических подложек β-Ga2O3. В частности, для механической обработки могут рекомендоваться карбид кремния и электрокорунд. 
Информация 2001-2017 ©
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики.
Все права защищены.

Яндекс.Метрика