Аннотации номера

ФОТОНИКА И ОПТОИНФОРМАТИКА

ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЕ ТЕРАГЕРЦОВЫЕ ФИЛЬТРЫ НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК
Гомон Д. А., Соболева В. Ю., Демченко П. С., Литвинов Е. А., Шекланова Е. Б., Ходзицкий М. К.
775
Предмет исследования. Исследован оптически перестраиваемый терагерцовый фильтр на основе крестообразных резонаторов с нанесенным слоем углеродных нанотрубок. Экспериментально показана возможность управления оптическими спектральными характеристиками терагерцовых устройств с нанесенным на них в один слой углеродных нанотрубок. Метод. Для расчета геометрических параметров крестообразных резонаторов для заданных резонансной частоты и добротности фильтра использованы эмпирические формулы. Образцы режекторного фильтра изготавливаись методом лазерной гравировки. На экспериментальный образец фильтра наносился слой углеродных нанотрубок, которые синтезированы путем аэрозольного химического осаждения. Экспериментальные спектры пропускания «пустого» фильтра, фильтра со слоем углеродных нанотрубок без накачки и фильтра со слоем углеродных нанотрубок с лазерной накачкой на длине волны 980 нм измерялись методом импульсной терагерцовой спектроскопии. Основные результаты. Экспериментально показано, что оптическая накачка фильтра со слоем углеродных нанотрубок приводит к уменьшению пропускания основного резонансного пика и сдвигу в сторону больших частот побочного резонансного пика. Практическая значимость. Фильтры с нанесенным слоем углеродных нанотрубок могут использоваться в качестве недорогих и компактных перестраиваемых компонентов для устройств терагерцовой фотоники. 

ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИ

783
Предмет исследования. Разработан новый метод для построения «карты глубины» искусственного космического объекта. Проанализированы методы построения трехмерного образа искусственного космического объекта лазерным локатором и представлены основные результаты экспериментального исследования. За основу разработки взяты мето- ды телевизионной локации. Первый метод разработан в «Научно-исследовательском институте телевидения» (Россия, Санкт-Петербург) и предложен П.С. Варгиным. Метод позволяет получить «карту глубины» удаленного искусственного космического объекта за двойное время пролета одного импульса света от точки наблюдения до объекта. Второй метод применяется в импульсной системе определения дальности и основан на работе flash-лидара. Система облучает интересующую область космического пространства, где предположительно находится объект наблюдения, отраженный сигнал от объекта сначала фиксируется фотодиодом и производится оценка дистанции до объекта. Затем по опреде- ленному количеству точек строится трехмерный образ объекта. Третий метод реализуется многоимпульсной системой телевизионного лазерного локатора и основан на использовании многоимпульсной подсветки для исследования объекта наблюдения. За счет этого удается существенно увеличить разрешение по глубине до 10–50 мм и уменьшить пиковую мощность излучения лазера. Метод. На основе существующих методов с целью увеличения энергии оптического сигнала предложен новый метод многоимпульсной подсветки искусственного космического объекта, основанный на использовании матрицы прибора с зарядовой связью в режиме сверхмалого времени накопления (до 200 нс). Метод дает возможность оперативного высокоточного измерения углового разрешения (0,25 угл.мин.), дальности до цели (100–2000 м) и построения «карты глубины». Основные результаты. Разработан макет лазерной системы, состоящий из телевизионной камеры на основе прибора с зарядовой связью с разрешением 752×582 пиксела и кадровой часто- той 50 Гц, а также лазерного диода с минимальной длительностью импульса 40 нс и частотой повторения импульсов 1 кГц. Управление и синхронизация лазера производится с помощью программируемой логической интегральной схемы, установленной в телевизионной камере, что обеспечивает синхронность работы камеры и излучающего лазера. Система позволяет реализовать взаимообменные соотношения точности измерения дистанции, угловое и временное разрешения. Моделирование показало, что погрешность измерений на малых дистанциях не превышает 20 мм, а на дистанции 2000 м не превышает 160 мм. Практическая значимость. Полученные результаты позволяют определить характеристики телевизионной лазерной системы, необходимые для решения задачи локации искусственных косми- ческих объектов на дальности от 100 до 2000 м. Анализ исследований показывает, что современные лазеры нацелены на работу в спектральном диапазоне 1,54–1,57 мкм, что значительно снижает коэффициент полезного действия теле- визионной лазерной системы от 2 до 10 раз. Для улучшения тактико-технических свойств в целях инспекции космоса необходимо реализовывать лазерные системы с длинами волн 0,86–1,06 мкм.
790
Целью настоящей работы является разработка метода получения исходных оптических схем для литографических объективов ультрафиолетового (UV) и глубокого ультрафиолетового диапазонов (DUV) на основе алгоритма глобального поиска. Исследованы возможности алгоритма глобального поиска для получения локальных минимумов в пространстве оценочной функции проектирования литографических объективов. Среди основных задач представленной работы — определение закономерностей для параметрических и входных данных макроса, связанных с количеством линз, длиной объектива и материалом оптических стекол. Полученные результаты демонстрируют эффективность и основные до- стоинства метода, основанного на алгоритме глобального поиска. Результатом работы является разработанный метод и критерии успешного выбора исходных оптических схем для микролитографических объективов.
КЛАССИФИКАЦИЯ ГИДРООБЪЕКТИВОВ И МЕТОД ИХ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Анитропов Р. В., Лившиц И. Л., Новоселов М. В.
801
Предмет исследования. Рассмотрены гидрообъективы для исследования Мирового океана, в том числе его Арктической зоны. Вопросы проведения работ на небольших глубинах и шельфе считаются решенными, активно ведутся работы на средних глубинах — 300–500 м, поэтому наиболее актуальными становятся проекты, связанные с изучением больших глубин. Эти задачи являются комплексными и мультидисциплинарными и, безусловно, требуют больших научных, тех- нических и финансовых вложений для их решений и способны обеспечить замещение дорогостоящей импортной техни- ки. По степени сложности они не уступают вопросам освоения космического пространства. Метод. Максимум внимания уделяется проектированию специализированных оптических систем, обеспечивающих формирование, ввод и передачу визуальной информации от удаленных объектов, которую невозможно получить какими-либо другими способами. При проектировании таких систем важно понимать роль и назначение каждого элемента. Эти знания помогают разработчику найти оптимальное решение для выбора начальной точки оптической системы. В основу методов проектирования был положен опыт Университета ИТМО в разработке оптических схем гидрообъективов и их внедрении в отечественные проекты по освоению Мирового океана. Основной подход, применяемый при проектировании гидрообъективов, заклю- чается в сочетании анализа известных решений, их классификации, рекомендаций оптиков-экспертов, специализирующихся в этой области, а также структурном и параметрическом синтезе с последующей автоматизированной коррекцией схем объективов. В последние годы активно применяется виртуальное прототипирование моделей гидрообъективов и их взаимодействие с внешней средой. Основные результаты. Основные результаты и их практическая значимость заключаются в разработке методики расчета гидрообъективов для глубоководных исследований и создании ряда гидро- объективов для решения научно-прикладных задач. В работе приведены схемы некоторых объективов. Практическая значимость. Разработанные гидрообъективы могут использоваться для решения различных научных и хозяйственных задач на больших глубинах Мирового океана, вплоть до максимальных.
ОБНАРУЖЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ ВОЛОКОННЫХ РЕШЕТОК БРЭГГА
Власов . А., Алейник А. С., Шуклин Ф. А., Никитенко . ., Моторин Е. А., Киреенков А. Ю.
809
Предмет исследования. Представлены результаты экспериментального исследования возможности применения одиночных волоконных брэгговских решеток в качестве чувствительных элементов для обнаружения ультразвуковых воздействий в газообразных или жидких средах, а также при размещении волоконных брэгговских решеток в различных материалах и конструкциях с целью мониторинга их состояния. Метод. Ультразвуковое воздействие с основной часто- той 65 кГц оказывалось поочередно на два чувствительных элемента на основе двух волоконных брэгговских решеток с различающимися параметрами — физической длиной решетки, коэффициентом отражения и крутизной наклона линейного участка спектральной характеристики. Произведен сравнительный анализ полученных данных с данными от опорного пьезоэлектрического ультразвукового датчика. Оценка результатов производилась в частотной области до 200 кГц, исследовались три первые гармоники сигнала — 65, 130 и 195 кГц. Оценивались соотношение сигнал-шум для каждого чувствительного элемента, а также отношения значений сигналов, полученных с различных чувствительных элементов. Основные результаты. Создана измерительная установка на основе малогабаритного перестраиваемого вертикально излучающего лазерного диода и программируемой логической интегральной схемы. Показано, что одиноч- ные волоконные брэгговские решетки пригодны для построения чувствительных элементов ультразвуковых датчиков и обладают сопоставимыми с пьезоэлектрическими датчиками значениями чувствительности и динамического диапазона. Проведена теоретическая оценка диапазона детектируемых частот и оценка влияния параметров брэгговской решетки на чувствительность датчика к ультразвуковому воздействию. Отношения сигналов, измеренных брэгговской решеткой с крутизной наклона спектральной характеристики 142 1/нм и коэффициентом отражения 100 %, к сигналам от решетки с наклоном 44 1/нм и отражением 40 % — 5,8, 3,8, 7,1 для 65, 130 и 195 кГц соответственно. Отношения сигналов, из- меренных опорным пьезоэлектрическим датчиком, к сигналам, измеренным брэгговской решеткой с крутизной наклона спектральной характеристики 142 1/нм и коэффициентом отражения 100 % — 3,8, 6,2, 7,7 для 65, 130 и 195 кГц соот- ветственно. Практическая значимость. Результаты исследования показывают возможность применения волоконных брэгговских решеток в качестве чувствительных элементов пороговых и измерительных ультразвуковых датчиков для размещения в объеме и на поверхности исследуемых материалов. Особенности и преимущества волоконно-оптических измерительных систем обеспечивают простоту монтажа массивов чувствительных элементов в исследуемый материал или конструкцию в процессе производства, нечувствительность к внешним электромагнитным помехам и возможность мультиплексирования большого числа чувствительных элементов на одном оптическом волокне
818
Предмет исследования. Рассмотрен способ определения параметров поворота базового блока оптико-электронного прогибомера, влияющих на погрешность определения прогиба крупногабаритного объекта типа плавучего дока. Метод. С помощью элементов векторной алгебры и матричного анализа предложены алгоритм и структура математической модели влияния погрешности определения координат изображения коллимационной марки объекта на погрешность определения параметров поворота базового блока прогибомера. Основные результаты. Доказана возможность опре- деления параметров поворота базового блока в результате решения систем нелинейных уравнений на основе алгоритма оптимизации Левенберга–Марквардта. Исследования на математической модели позволили оценить влияние погреш- ности определения координат изображения коллимационной марки объекта на параметры поворота базового блока. Практическая значимость. Полученные результаты данной работы позволят разработать алгоритм компенсации параметров поворота базового блока вследствие влияния внешних факторов и в результате – уменьшить погрешность определения пространственных координат контролируемого объекта (прогиба плавучего дока).
818
Предмет исследования. Проведено исследование влияния формы представления объекта на глубину резкости изо- бражений, восстановленных с помощью синтезированных голограмм-проекторов Френеля. Метод. Исследование осу- ществлялось путем проведения математического моделирования синтеза и восстановления в виртуальном пространстве голограмм различных объектов с характеристическим размером 20 × 20. Метод основан на представлении объектной волны при синтезе голограммы в виде суперпозиции объектных волн, исходящих от двух одинаковых объектов, распо- ложенных на различных расстояниях от плоскости синтеза голограммы. Все численные эксперименты проводились с помощью специализированного программного комплекса при следующих значениях параметров синтеза и восстановле- ния голограмм: длина волны используемого излучения 13,5 нм, размер пиксела голограммы 20 × 20, расстояние между плоскостями объекта и голограммы 20,3 мкм, угол падения опорной волны 14,7°. Критерий качества восстановленного изображения выражался через число градаций при пороговой обработке этого изображения, при котором распределение интенсивности в восстановленном изображении было бы идентично распределению интенсивности в исходном объек- те. Основные результаты. На основании проведенных экспериментов была выявлена зависимость глубины резкости изображений, восстановленных с помощью синтезированных голограмм-проекторов Френеля, от формы представления объекта. В частности, было установлено, что наиболее эффективным является полное представление объекта на транспарантах, чем представление только одной его части, содержащей лишь малоразмерные элементы структуры объекта. Практическая значимость. Применение данного метода позволяет выбрать оптимальные параметры структуры объекта, т. е. вида и размеров составляющего его элементов при синтезе для разработки голограмм-проекторов Френеля с увеличенной глубиной резкости.

АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ И РОБОТОТЕХНИКА

832
Предмет исследования. Представлены результаты геометрического синтеза кинематических схем механизмов бедра и всей ноги робота-гепарда, способного прыгать на месте и бегать с разной скоростью. В статье обоснована топология механизмов, даны описание принципа работы, характеристики и отличительные качества, заключающиеся в управля- емой реконфигурации механизмов для изменения траектории точки контакта с полом, а также в использовании гибких элементов и звеньев переменной длины для обеспечения энергоэффективной локомоции. Метод. Структурная схема всей ноги робота-гепарда получена путем присоединения четырех подвижных звеньев к механизму бедра, имитируя большую и малую берцовые кости, плюсну и портняжную мышцу. Полученная структура декомпозирована на три составляющих механизма: «минитаур», двукоромысловый четырехзвенный лямбда механизм и коромысло-ползунный механизм. Методом крайних дискретных положений синтезированы кинематические схемы механизмов, в результате чего была получена кинематическая схема всей ноги с промежуточными положениями. Приведено описание алгоритма параметрической оптимизации и приведена целевая функция механизма бедра с помощью математического моделирования. Основные результаты. Получена кинематическая схема всей ноги робота-гепарда в первом приближении без учета динамики движения робота, расположения гибких элементов и их резонанса, необходимого для автоколебательного режима работы робота в целях достижения энергоэффективного перемещения. Приведены результаты моделирования динамики робота по синтезированной схеме. Получено стабильное поведение как при прыжке на месте, так и при беге. Практическая значимость. Исследование проведено в рамках разработки энергоэффективного четырехногого гало- пирующего робота-гепарда, осуществляющего рекуперацию энергии с помощью гибких элементов. Синтезированная кинематическая схема может быть использована для подробных анализов динамики, кинетостатики, рекуперации и определения потерь энергии при ударе о поверхность пола, а также конструирования и прототипирования опытного образца устройства.

НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И НАНОТЕХНОЛОГИИ

ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ТОНКОДИСПЕРСНЫХ УГОЛЬНЫХ ШЛАМОВ НА ИХ ФЛОТИРУЕМОСТЬ
Петухов В. Н., Свечникова Н. Ю., Куклина О. В., Пузина А. С., Ахметзянов Т. Н., Гаврюшина Я. В.
840
Предмет исследования. Исследовано влияние физико-химических свойств тонкодисперсных угольных шламов ООО «ММК-УГОЛЬ» на их флотируемость. Метод. Петрографический анализ углей осуществлялся с помощью анализатора петрографических свойств каменных углей SIAMS 620. Для выявления наличия основных функциональных групп в макромолекуле органической массы углей использован метод автоматизированного анализа углей по инфракрасным спектрам отражения. Электропроводность пульпы с измельченной пробой угля определялась с помощью анализато- ра жидкости АНИОН 4100. Флотационные исследования проводились в лабораторной флотационной машине типа ФМЛ-1 (НПК «Механобр-Техника», Россия). Основные результаты. Выявлен механизм действия новых реагентов при флотации тонкодисперсных угольных шламов. Установлено флокулирующее действие на минеральные частицы тонкодисперсных угольных шламов нового реагента «Синтерол», что значительно улучшает селективность процесса флотации. В лабораторных условиях разработан оптимальный режим флотации тонких угольных шламов, который позволит повысить ресурсоэффективность технологического процесса обогащения угля за счет снижения потери органической массы с отходами на 33 %. При этом расход потребляемых реагентов снижается в 3 раза. Практическая значимость. Эффективность реагента-флокулянта «Синтерол» была подтверждена промышленными испытаниями на ООО «ММК-УГОЛЬ» (Россия). При подаче реагента-флокулянта «Синтерол» в процесс флотации в количестве 0,001–0,003 кг/т и одновременном снижении общего расхода реагентов в среднем на 13,0 % с 3,000 до 2,613 кг/т вы- ход концентрата увеличился на 2,5–8,5 %, зольность концентрата снизилась на 2,7–3,0 %, при этом зольность отходов увеличилась на 2,9–12,3 %.  
848
Предмет исследования. Представлены результаты экспериментального исследования особенностей воздействия пучка ионов аргона на поверхность сапфира под малыми углами к поверхности. В качестве экспериментальных образцов использовались механически шлифованные и дефектные эпиполированные пластины лейкосапфира размерами 20 × 20 × 1,2 мм. Исходная шероховатость поверхности шлифованных образцов составляла 0,250–1 мкм, эпиполиро- ванных — 5–10 нм. Метод. Для проведения исследований использована установка ионно-лучевого осаждения, включа- ющая в себя ионный источник типа КЛАН-53M с нейтрализатором ионов. Ионный источник генерирует ионный поток с энергиями в диапазоне 150–1500 эВ при выходной плотности ионного тока до 4 мА/см2, с ионным током от 10 до 80 мА. Исследования проведены при разных технологических параметрах ионно-лучевой полировки: энергии ионов, угле между поверхностью сапфира и осью ионного пучка α. Основные результаты. Выявлены эффекты изменения морфологии поверхности сапфира как с сохранением, так и с изменением общего уровня шероховатости, а также эф- фект структурирования поверхности при обработке в двух проекциях с формированием пологих вершин диаметром 2 мкм. Результаты эксперимента показали, что максимальная эффективность (наибольшее значение изменения средней арифметической шероховатости поверхности) при ионно-лучевой полировке наблюдается при α равном 15° и энергии ионного пучка 400 эВ. При значении α от 25 до 30° происходит ориентированное изменение морфологии поверхности от симметрично упорядоченного микрорельефа поверхности на асимметричный. При этом пологие стороны мало стравливаются, и наблюдается эффект крутого теневого выглаживания локального микрорельефа, но с сохранением общего уровня шероховатости на прежнем уровне. После обработки поверхности данного образца ионным пучком на первом этапе эксперимента произведена повторная обработка под углом 90° по отношению к предыдущей обработке, что привело к перекрестному распылению теневых участков и оформлению пологих вершин диаметром около 2 мкм (эффект структурирования поверхности подложки). Практическая значимость. После проведения ионно-лучевой полировки образцов эпиполированной сапфировой подложки наблюдается сглаживание наиболее высоких неровностей поверхности, причем значение средней арифметической шероховатости поверхности снизилось с 5,7 до 0,9 нм для полированного образца.
855
Предмет исследования. Рассмотрен новый метод математического моделирования процессов синтеза углеродных наноструктур в плазме, отличающийся использованием кинетического уравнения Больцмана, и функций распределе- ния частиц с учетом парных упругих и неупругих столкновений. Широкое использование нанотрубок, фуллеренов в современной промышленности сдерживает высокая стоимость и низкая производительность методов синтеза, которые обусловлены недостаточной теоретической изученностью процессов их формирования. Цель работы — построение модели процессов получения различных углеродных наноструктур в плазме дугового разряда и развитие эффективных численных методов для расчетов условий, позволяющих повысить эффективность синтеза. Метод. Представлен метод численного решения рассмотренной многомерной нелинейной задачи с применением технологии nVidia CUDA в сочетании с технологией распараллеливания на центральном и графическом процессорах, позволяющий получить экономичное решение с использованием ограниченных вычислительных ресурсов персонального компьютера. Основные результаты. Показано, что предложенная модель позволяет адекватно описывать процессы образования и роста кластерных групп, являющихся основой формирования углеродных нанаструктур в плазме дугового разряда, а также учитывать влияние условий синтеза на выход конечного продукта. Практическая значимость. Разработанную математическую модель и ее элементы можно использовать при проектировании установок синтеза углеродных наноструктур методом термического испарения графита
862
Предмет исследования. Рассмотрен новый метод математического моделирования процессов синтеза углеродных наноструктур в плазме, отличающийся использованием кинетического уравнения Больцмана, и функций распределе- ния частиц с учетом парных упругих и неупругих столкновений. Широкое использование нанотрубок, фуллеренов в современной промышленности сдерживает высокая стоимость и низкая производительность методов синтеза, которые обусловлены недостаточной теоретической изученностью процессов их формирования. Цель работы — построение модели процессов получения различных углеродных наноструктур в плазме дугового разряда и развитие эффективных численных методов для расчетов условий, позволяющих повысить эффективность синтеза. Метод. Представлен метод численного решения рассмотренной многомерной нелинейной задачи с применением технологии nVidia CUDA в сочета- нии с технологией распараллеливания на центральном и графическом процессорах, позволяющий получить экономичное решение с использованием ограниченных вычислительных ресурсов персонального компьютера. Основные результаты. Показано, что предложенная модель позволяет адекватно описывать процессы образования и роста кластерных групп, являющихся основой формирования углеродных нанаструктур в плазме дугового разряда, а также учитывать влияние условий синтеза на выход конечного продукта. Практическая значимость. Разработанную математическую модель и ее элементы можно использовать при проектировании установок синтеза углеродных наноструктур методом термического испарения графита.
869
Предмет исследования. В работе исследованы различные методы получения покрытий на молибдене и жаропрочных материалах. Предложен способ усовершенствования технологии чернения молибдена. Рассмотрены способы получения черных светопоглощающих покрытий. Метод. Первый метод подразумевает выдержку образца в дистиллированной воде в течение некоторого времени после предварительной обработки, а второй — ее отсутствие. В ходе эксперимента взятые образцы подвергались трехступенчатой обработке, включающей травление в водном растворе, содержащем HCl и HF в течении десяти минут. После этого образцы погружались в емкость с раствором молибдата аммония, в которой прово- дилось нанесение покрытия электрохимическим способом. Основные результаты. Полученное в ходе эксперимента черное покрытие имееет достаточно большую стойкость: смывается только концентрированной кислотой (например, азотной), устойчиво к действию щелочи, а также с трудом удаляется при крацевании. На первом образце покрытие не является долговечным и со временем отслаивается от поверхности образца. При использовании усовершенствованной технологии с течением времени на покрытии также образовывались трещины, но само покрытие от поверхности образца не отслаивалось. Образцы хранились в нормальных условиях. Исследование деградации полученных покрытий на образцах проводилось с помощью электронного микроскопа Inspect SEM FEI. Практическая значимость. Результаты работы могут быть применены при создании новых образцов оптической аппаратуры, в частности, для нанесения светопоглощающего покрытия на молибденовые детали. Также работа может служить основой для дальнейшего со- вершенствования технологии чернения молибдена.

КОМПЬЮТЕРНЫЕ СИСТЕМЫ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

875
Постановка задачи. Исследован метод разрешения временной непоследовательности кадров в двухмерной допплеров- ской эхокардиографии. Непоследовательность возникает в результате работы алгоритмов, основанных на перестановке кадров, — после перестановки временное расстояние между кадрами становится меньше, чем их продолжительность. Имеющийся на данный момент алгоритм временного взвешивания работает крайне долго и не рассчитан на обработку данных кровотока. Метод. Предложенный метод разрешения временной непоследовательности основан на временном взвешивании, однако веса рассчитываются не для каждого пиксела, а для подсектора изображения, который извлекается с помощью заранее подготовленной маски. Кровоток рассчитывается с помощью раздельного взвешивания пикселов, соответствующих противоположным направлениям кровотока, и оценки полученных весов. Время и качество работы алгоритма измерены на 10 наборах эпикардиальных данных животных. Результаты. Выполнено сравнение результатов и времени работы алгоритма с аналогичными показателями для алгоритма временного взвешивания. Получено увеличение скорости обработки с 0,40 до 4,63 кадр/с. Изменение интенсивности пикселов изображений при этом оказалось незначительным: среднее , максимальное при общем диапазоне целых значений. Практическая значимость. Предложенный алгоритм позволяет получать более верные результаты обработки данных допплеровской эхокардиографии с исполь- зованием перестановки кадров. Скорость обработки данных при этом близка к скорости съемки.
883
Предмет исследования. Рассмотрены способы повышения виброустойчивости кварцевого маятникового акселерометра с цифровым усилителем обратной связи, не требующие доработки конструкции измерителя или применения демпфи- рования прибора. Метод. Предлагаемые способы реализованы алгоритмически посредством управляющей программы контроллера цифрового усилителя и основаны на расширении полосы пропускания прибора, коррекции коэффициентов регулирования во время работы акселерометра, введении дополнительного канала управления в контур обратной связи. Основные результаты. Предлагаемые способы исследованы экспериментально на макетном образце кварцевого маятникового акселерометра с цифровым усилителем обратной связи и диапазоном измерения ±50 g. Исследования проводились в условиях действия вибраций: широкополосной случайной вибрации в частотном диапазоне от 20 до 2000 Гц (среднеквадратическое отклонение амплитуды виброускорения 8 g) и синусоидальной вибрации в частотном диапазоне от 20 до 2000 Гц (амплитуда виброускорения 10 g) по оси чувствительности. Эффективность способов оценивалась по величине виброошибки прибора — разности между осредненным значением показаний прибора до вибрации и осредненным значением показаний прибора за время действия вибрации. Экспериментально установлено, что наилучшим решением является сочетание широкой полосы пропускания прибора с дополнительным каналом управления в контуре обратной связи, что позволяет на порядок снизить виброошибку акселерометра. Практическая значимость. Предлагаемые способы повышают виброустойчивость кварцевого маятникового акселерометра за счет применения оригинальных алгоритмов в управляющей программе контроллера его цифрового усилителя, что позволяет отказаться от доработки конструкции измерителя или демпфирования прибора и применять такие акселерометры на объектах, подверженных воздействию вибраций.
892
Разработан подход к созданию распределенной информационной системы обработки персональных данных, основанной на технологии блокчейн, включающий предложения по определению общей архитектуры системы, а также порядка хранения данных, вознаграждения пользователей, достижения консенсуса, внедрения и развития системы. Хранение данных обеспечивается с применением личных устройств пользователей, а также средств криптографической защиты информации. Механизм вознаграждения пользователей основан на применяемой в Китае системе социального креди- тования, обеспечивающей отбор наиболее благонадежных субъектов персональных данных, способных занять роль узлов консенсуса. Процедура достижения консенсуса включает в себя автоматизированный анализ рисков обработки недостоверных данных. В качестве математических аппаратов анализа рисков предложены теория искусственных нейронных сетей и теория нечетких множеств. Применение искусственной нейронной сети обеспечивает гибкость системы в целом в условиях роста количества пользователей. Применение предложенного подхода к созданию распределенной информационной системы позволит обеспечить повышение доступности, целостности и конфиденциальности данных за счет децентрализованной обработки, а также применения хорошо изученных методов криптографической защиты.
901
Предмет исследования. Рассмотрена концепция применения платформенного решения при проектировании автома- тизированных электронных устройств. Сопоставлены понятия «разработка на основе платформенного решения» и «унификация и стандартизация разработок». Анализ проведен на собственных примерах разработки семейства эллип- сометрической аппаратуры и разработки платформы сверхмалых космических аппаратов стандарта CubeSat. Метод. Представлена декомпозиция указанных платформенных решений на унифицированные модули. Показаны основные шаги и критерии разбиения функционала по электронным модулям. В соответствии с действующей нормативной доку- ментацией вычислены количественные показатели межпроектной унификации разработок. По опыту типовое значение показателя межпроектной унификации, задаваемое в технических заданиях на разработку приборов, составляет от 60 % и выше. Основные результаты. По расчетам коэффициента межпроектной унификации для семейства эллипсометров получено значение 96,3 %. В результате вычисления коэффициента межпроектной унификации для платформы сверх- малых космических аппаратов получено значение 84 %. Обе величины значительно превосходят величину типовых задаваемых значений. Показано, что приведенные в работе разбиения платформы на унифицированные модули являются оптимальными с точки зрения разграничения функционала модулей. Практическая значимость. Продемонстрированы преимущества платформенного подхода на собственных примерах разработки семейства быстродействующего эллип- сометрического оборудования и универсальной платформы сверхмалых космических аппаратов стандарта CubeSat. Показано, что полученные высокие показатели унификации достигаются за счет применения модульного принципа проектирования электронных систем. Многолетняя практика эффективного проектирования новых автоматизирован- ных устройств в рамках имеющейся платформы согласуется с качественными расчетами. Количественное значение показателей стандартизации и унификации может служить индикатором для принятия инженерных и управленческих решений о внесении изменений в разрабатываемые изделия.  
Предмет исследования. Продемонстрировано сходство процессов организации транспортировки в инфокоммуникационной сети, выполняющей доставку данных своим абонентам, и транспортной сети, выполняющей функцию перевозок. Показано, что в структурно-функциональном отношении имеется практически полное совпадение по назначению элементов инфокоммуникационной сети и транспортной сети, есть совпадения по постановке задач, решаемых на сетях при макромоделировании, и для многих объектов аналогичны модели. Используемые подходы. Модельное обеспечение инфокоммуникационных сетей как сложного стохастического объекта исследования может быть адаптировано для транспортной сети при решении задач оценки распределения транспортных потоков на сети и маршрутизации транспорта, выявления чрезвычайных ситуаций и узких мест в сети с целью их своевременной ликвидации. Основные результаты. Предложена трехуровневая концептуальная модель, демонстрирующая сходство организации транспор- тировки в инфокоммуникационной и транспортной сетях. Приведены соответствия элементов инфокоммуникационной и транспортной сетей по их функциональному назначению. Предложено использовать аналитико-статистическое моделирование совместно с ускоренным моделированием при проектировании транспортных сетей. Практическая значимость. Появление межотраслевых моделей позволит решать задачи оптимизации методов и структуры управления производственным процессом в различных прикладных областях
918
Предмет исследования. Рассмотрена проблема выбора и оценки способов формирования многочастотных сигналов в сетях сотовой связи. Выполнено сравнение таких способов с методом ортогонального разделения поднесущих, определенного для сетей 5-го поколения 5G. Рассмотренные способы оцениваются по их эффективности в интернете вещей. Рассмотрена эффективность применения беспроводных сенсорных сетей в сети датчиков вдоль автомобильных дорог. Альтернативные методы формирования многочастотных сигналов оценены также с точки зрения выигрыша при использовании в традиционных сетях сотовой связи. Метод. Сравнение предлагаемых к внедрению способов выпол- нено по критериям, имеющим высокое значение для интернета вещей. Дана оценка возможного выигрыша в радиусе покрытия базовых станций с учетом параметров, определенных спецификациями 5G и New Radio, разрабатываемыми консорциумом 3rd Generation Partnership Project. Основные результаты. Сформулирован аналитический метод для оценки выигрыша в радиусе покрытия базовой станции при внедрении альтернативных способов формирования мно- гочастотных сигналов. Увеличение радиуса покрытия происходит при повышении энергетической эффективности, наблюдаемой при снижении мощности излучения вне заданной полосы частот («боковых лепестков») и отношения пиковой к средней мощности. Рассчитано, что выигрыш в радиусе покрытия базовой станции от внедрения в 5G-сети метода «универсально фильтрованных поднесущих» составляет до 12 %. Практическая значимость. Полученные результаты могут быть полезны при принятии решений о релевантности внедрения новых способов формирования многочастотных сигналов в сетях сотовой связи после 5G. По увеличению радиуса покрытия можно оценивать, насколь- ко увеличится число обслуживаемых абонентов, если плотность абонентов по площади равномерна, и, как следствие, насколько снизятся капитальные затраты, если число базовых станций будет снижено.
ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПОРТАЛА ДИСТАНЦИОННОЙ НЕЙРОРЕАБИЛИТАЦИИ
Иванилова Т. Н., Василенко И. В., Семенов В. А., Буслов И. А., Ильминская А. А., Субочева С. А.
925
Разработан портал дистанционной реабилитации пациентов с различными неврологическими патологиями. Отличи- тельными особенностями разработанной системы перед существующими является: возможность коммуникации паци- ента с лечащим врачом, своевременная корректировка индивидуальной траектории реабилитации пациента, контроль результатов реабилитации путем онлайн-мониторинга состояния здоровья пациента с помощью встроенной в систему функции записи видео, создание возможности реабилитации для пациентов в отдаленных точках Красноярского края. Программная реализация реабилитации базируется на авторских медицинских методиках, разработанных на кафедре нервных болезней с курсом медицинской реабилитации последипломного образования Красноярского государствен- ного медицинского университета им. профессора В.Ф. Войно-Ясенецкого (научный руководитель д.м.н., профессор С.В. Прокопенко). Показаны функциональные возможности работы системы дистанционной реабилитации пользо- вателей с ролями «Врач», «Пациент» и «Администратор». Представлены скриншоты портала. Система представляет собой классическое веб-приложение, построенное на свободном программном обеспечении. Представленная работа может быть полезна нейрореабилитологам Красноярского края и специалистам по всей России. Предложенную ин- формационную систему можно использовать также для обучения врачей и медсестер различным упражнениям для реабилитации пациентов.
931
Предмет исследования. Представлены результаты разработки системы управления масштабируемым географически распределенным центром обработки и хранения данных. Особое внимание уделено гибкости перестройки системы на новые задачи эффективности использования ресурсов, надежности функционирования в условиях отказов компонентов системы и защите информации от несанкционированного доступа. Метод. Использован подход, основанный на тех- нологиях программно-конфигурируемых инфраструктур. Технические решения созданных программных компонент реализованы на базе свободно распространяемого программного обеспечения. Для защиты линий связи между локаль- ными центрами обработки данных в составе масштабируемого географически распределенного центра обработки и хранения данных применены технологии квантовой коммуникации на боковых частотах. Компоненты разработанной системы интегрированного управления реализованы в форме программных агентов, выполняющихся в операционно-и- золированной среде. Основные результаты. Создан аппаратно-программный комплекс, функционирующий по модели «Инфраструктура как услуга». Экспериментальные исследования системы интегрированного управления проведены на макете масштабируемого географически распределенного центра обработки и хранения данных, построенного со- вместно с компанией АО «СМАРТС» (г. Самара). Эти исследования показали работоспособность и высокую эффектив- ность примененных решений для удовлетворения технических требований к разработке. Практическая значимость. Рассмотренный аппаратно-программный комплекс может быть использован при формировании или модификации масштабируемого географически распределенного центра обработки и хранения данных в первую очередь государ- ственными организациями, поскольку является отечественной разработкой, в которой отсутствует заимствованное проприетарное программное обеспечение. Компоненты системы могут быть применены и при построении частной облачной инфраструктуры.  

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

939
Предмет исследования. Представлен способ создания программного обеспечения для решения задач механики дефор- мируемого твердого тела. Программное обеспечение должно гарантировать высокую точность и скорость вычислений, а также простую подготовку начальных и обработку полученных данных даже для неопытного пользователя. При разработке программного обеспечения использовались интерфейс прикладного программирования (API) сеточного генератора с открытым исходным кодом GMSH и математическая библиотека Eigen. Метод. Разрабатываемое про- граммное обеспечение состоит из трех модулей: GMSH_API, InputFile, FEMSolver и базы данных. Модуль GMSH_API, подготавливающий конечно-элементную модель исследуемого тела, написан с использованием API сеточного генератора GMSH. В модуле InputFile описаны методы взаимодействия с предварительно созданной базой данных, использование которой позволяет быстро и просто подготовить входной файл, необходимый для запуска расчета. Численный расчет методом конечных элементов реализован в модуле FEMSolver. При его реализации активно использовалась математическая библиотека Eigen, позволяющая строить разреженные матрицы, не хранящие в памяти нулевые элементы. Такая возможность избавляет от дополнительных преобразований глобальной матрицы жесткости, используемой в методе конечных элементов. Основные результаты. В качестве примера была решена тестовая задача Кирша в плоско-на- пряженной постановке: к верхней грани стальной пластинки с круглым вырезом в центре приложена распределенная растягивающая нагрузка, нижняя грань пластинки жестко закреплена. Проведя расчет, наблюдаем погрешность в 1,72 % относительно аналитического решения. Такое значение погрешности считается низким, следовательно, разработанное программное обеспечение не просто способствует простой подготовке данных для расчета, но и гарантирует высокую точность полученных результатов. Практическая значимость. Коммерческое программное обеспечение для решения задач механики деформируемого твердого тела, такое как ANSYS Mechanical APDL, Abaqus и т. д., является очень дорогим. Свободное программное обеспечение преимущественно ориентировано на научных сотрудников и, как правило, является сложным для освоения рядовым пользователем-инженером, а компромиссный вариант PDE Toolbox для MATHLAB применим только для задач в двумерной области и поддерживает только линейный треугольный конечный элемент. Однако использование API GMSH и библиотеки Eigen позволяет создать простой в использовании, но мощный инструмент для решения задач механики деформируемого твердого тела.

КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ

947
Методом спектральной оптической когерентной микроскопии в диапазоне длин волн 1305±75 нм с разрешением 10 мкм по глубине сканирования исследовано строение поверхностных слоев двух образцов перламутра, пластинки из которых служили элементами мозаики в предмете декоративного искусства. На В-скане слоя перламутра раковины Haliotis на- блюдалась структура мезослоев перламутра с толщиной 230 мкм и 360 мкм. Томограмма второго образца перламутра характеризуется большей неравномерностью в распределении слоев по глубине сканирования, сильным рассеиванием зондирующего излучения, микроструктура перламутра визуализируется на глубине до 1,6 мм. Сравнение структуры слоев образцов перламутра с помощью метода оптической когерентной микроскопии позволило выявить их разное биологическое происхождение. Выполнен анализ области крепления элементов мозаики к основе изделия и определена толщина слоя клея в диапазоне от 67 мкм до 120 мкм.
951
Представлена новая конструкция генеративно-состязательной сети для обучения акустической модели синтеза речи. Предлагаемая конструкция состоит из генератора и двух дискриминаторов, где генератор предсказывает акустические параметры из лингвистического представления. Обучение и тестирование производились на корпусе казахского языка, который состоял из 5,6 ч записи речи. По результатам экспериментов была получена 3,46 средняя экспертная оценка, что говорит о достаточно приемлемом качестве синтезе речи. Данный подход может быть применим при создании технологий синтеза речи для других языков.
955
Предмет исследования. Обсуждается алгоритм формирования цветных QR-кодов для задач лицевой биометрии. Методы основаны на процедурах обработки изображений, методах линейной алгебры и реализованы в среде пакета МАТЛАБ. Основные результаты. Представлен новый графический объект – цветной биометрический QR-код и метод формирования цветных QR-кодов для задач лицевой биометрии, описан алгоритм его реализации, показана функци- ональная схема устройства его реализации, приводятся примеры различных вариантов цветных биометрических QR- кодов. Практическая значимость. Полученные результаты могут быть использованы в практической биометрии и ее приложениях, а также для создания новых видов тестовых баз изображений лиц.
Информация 2001-2019 ©
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики.
Все права защищены.

Яндекс.Метрика