Аннотации номера

ФОТОНИКА И ОПТОИНФОРМАТИКА

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ПАРАМЕТРА ФРИДА 
Соловьев О. А., Вдовин Г. В., Беззубик В. В.
959
Проведено сравнение двух подходов к проблеме оценки величины параметра Фрида r0, основанных на параметрической аппроксимации теоретических статистических свойств параметров волнового фронта значениями, полученными из датчика волнового фронта. В первом подходе структурная функция фазы вычисляется на основе восстановленного искаженного волнового фронта. Так как большинство методов восстановления фазы используют итерационные алгоритмы, данный подход требует значительных вычислительных затрат, что приводит к невозможности получения результатов в режиме реального времени. Во втором подходе структурная функция вычисляется непосредственно на основе значений локальных наклонов волнового фронта, что позволяет производить оценку величины r0 в режиме реального времени. В работе получены выражения для расчета параметра Фрида r0 для двух рассмотренных подходов, а также проведен сравнительный анализ полученных результатов.
966
Предмет исследования. Представлены результаты аналитического и экспериментального исследования возможности формирования квантовых бит в результате интерференции когерентных многомодовых состояний на приемном узле. Такие состояния образуются на боковых частотах в результате фазовой модуляции несущей частоты из оптического диапазона. Предполагается, что оба абонента распределены в пространстве, однако приемный узел может быть подконтролен злоумышленнику. Метод. В работе продемонстрирован метод формирования исходных состояний. Показаны их распространение по оптическому волокну и результат интерференции. Для описания использовано классическое приближение. В эксперименте измеритель мощности подключался на стороне приемного узла. Результат интерференции оптических сигналов наблюдался на четырехпортовом волоконном светоделителе с коэффициентом деления 50:50. Измеряемые величины зависят от разности фаз высокочастотных электрических модулирующих сигналов (4,8 ГГц), используемых при фазовой модуляции в кристалле ниобата лития LiNbO3 интенсивной несущей частоты в оптическом диапазоне (1550 нм). Основные результаты. Экспериментально полученные зависимости соотносятся с результатами аналитического исследования. Наблюдается изменение мощности оптического сигнала на боковых частотах фазомодулированного излучения в результате интерференции по гармоническому закону. Видность интерференционной картины при этом достигает 97,4 %. Показано, что предметом дальнейшего исследования является построение модели в рамках терминов квантовой оптики, а также проведение экспериментов в квазиоднофотонном режиме. Практическая значимость. Результаты исследования могут найти практическое применение при формировании протоколов для систем квантовой коммуникации и построения новых типов систем. В таких системах повышенное внимание будет уделяться не только к потенциальному воздействию злоумышленника на квантовые состояния в канале, но и на подверженные атакам приемные узлы. Показано, что использование абонентами метода формирования квантовых состояний на боковых частотах позволяет извлекать информацию, а злоумышленник лишен такой возможности из-за неоднозначности результатов срабатывания приемного узла даже при обладании им.

ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИ

ЮСТИРОВКА ЛАЗЕРНОГО ДИОДНОГО МОДУЛЯ С ВОЛОКОННЫМ ВЫХОДОМ
Котова Е. И., Шулепов . В., Аксарин С. М., Бугров В. Е.
973
Предмет исследования. Представлены результаты юстировки оптической системы лазерного диодного модуля, включающей три этапа: коллимацию, сведение пучков от трех лазерных диодов и ввод излучения в оптическое волокно. Оптическая система лазерного диодного модуля с волоконным выходом представляет собой ступенчатую конфигурацию расположения источников со смещением по высоте друг относительно друга лазерных диодов на величину 1,6 мм. В качестве источников излучения использованы полупроводниковые лазерные диоды с резонатором Фабри–Перо и пиковой длиной волны генерации 1020 нм. Диаметр сердцевины выходного многомодового кварцевого оптического волокна составил 400 мкм, числовая апертура — NA 0,22. Метод. Реализован метод пространственного объединения лазерных пучков от трех лазерных диодов в непрерывном режиме генерации. Контроль остаточной расходимости и отклонений оптических осей в каждом канале проводился измерением профилей лазерных пучков в двух сечениях при смещении измерителя профиля пучка строго вдоль оси распространения на 100 мм. Эффективность ввода излучения в оптическое волокно определялась измерением мощности излучения до ввода лазерного пучка и на выходе из оптического волокна. Основные результаты. Максимальная выходная мощность опытного образца лазерного диодного модуля составила 19,65 Вт. Уменьшение потерь достигается за счет нанесения просветляющих покрытий на линзы и высоко отражающего покрытия на зеркала с учетом спектрального состава излучения и угла падения лазерных пучков. Практическая значимость. Реализованный метод сборки может быть использован для изготовления лазерных диодных модулей большей выходной мощности, включающих большее количество единичных лазерных диодов без снижения эффективности. Разработанный стенд позиционирования микрооптических компонент позволяет производить высокоточную юстировку линз и зеркал, а также производить стыковку с оптическим волокном оптоэлектронных устройств.
980
Исследовано влияние различных оксидов на ап-конверсионную люминесценцию иона эрбия в натриево-германатном стекле. Методом высокотемпературного синтеза при температуре 1250 °С в корундовых тиглях синтезировано стекло состава 58,95GeO2–27,79Na2O–8,67Yb2O3–4,34LaO–0,25Er2O3 мол.% с добавлением следующих оксидов: Al2O3, Nb2O5, SiO2, BaO, TiO2, PbO, P2O5, MgO. Спектры ап-конверсионной люминесценции регистрировались при возбуждении излучением полупроводникового лазера с длиной волны 975 нм в диапазоне длин волн 450–700 нм. На спектрах люминесценции выделены три полосы, соответствующие излучательным переходам иона эрбия: 2H11/2→4I15/2 с максимумом около 520 нм; 4S3/2→4I15/2 максимум 550 нм и 4F9/2→4I15/2 максимум 670 нм. Выполнено сравнение полученных спектров ап-конверсионной люминесценции стекла с добавками с исходным стеклом. Показано влияние различных оксидов на перераспределение относительной интенсивности полос люминесценции. По сравнению с красной полосой (4F9/2→4I15/2) люминесценции интенсивность зеленой полосы (2H11/2→4I15/2) максимальна для стекла с добавкой оксида фосфора, минимальной интенсивностью обладает стекло с добавкой оксида свинца. Полученная зависимость относительных интенсивностей полос ап-конверсионной люминесценции от состава стекла может найти практическое применение при разработке оптических люминесцентных датчиков, а также ап-конвертеров для солнечных батарей.
987
Предмет исследования. Представлены результаты экспериментального исследования зависимости уровня собственных шумов массива волоконно-оптических интерферометрических датчиков от коэффициентов усиления операционных усилителей, расположенных на плате обработки интерференционных сигналов и объединенных последовательно в единый каскад. Метод. Массив волоконно-оптических датчиков построен на двухлучевых волоконных интерферометрах Майкельсона, объединенных в массив с мультиплексированием по времени. Каскад операционных усилителей состоит из усилителя с токовой обратной связью (трансимпедансный усилитель), который преобразует фототок с фотоприемника в напряжение, и программируемого операционного усилителя. В процессе работы схемы сигнал с фотоприемного устройства попадает на трансимпедансный усилитель, который работает в двух режимах с коэффициентами усиления 0 и 6 дБ, и затем на программируемый операционный усилитель, который дополнительно усиливает приходящий электрический сигнал в диапазоне 0–40 дБ. Далее усиленные сигналы с каскада подаются на аналого-цифровой преобразователь, после чего демодулируются. В ходе эксперимента исследуемый массив волоконно-оптических датчиков был изолирован от внешних виброакустических воздействий. Сигналы с четырех волоконно-оптических датчиков после демодуляции при различных значениях коэффициентов усиления каскада операционных усилителей записывались в файлы данных, после чего оценивался уровень собственных шумов датчиков с помощью метода модифицированных периодограмм в зависимости от коэффициентов усиления каскада операционных усилителей. Основные результаты. Минимальные средние значения уровня собственных шумов волоконно-оптических интерферометрических датчиков в режиме с усилением 6 дБ операционного усилителя с токовой обратной связью и усилением 12 дБ программируемого операционного усилителя составили 65 мкрад/Гц0,5 на частоте 1000 Гц, а в режиме с усилением 0 дБ (без усиления) операционного усилителя с токовой обратной связью и усилением программируемого операционного усилителя — 20 дБ 80 мкрад/Гц0,5 на частоте 1000 Гц. Практическая значимость. Было продемонстрировано наличие оптимальной рабочей области в режиме с усилением 6 дБ трансимпедансного усилителя в диапазоне коэффициентов усилений 5–20 дБ программируемого операционного усилителя, при которой наблюдаются наименьшие средние значения уровней собственных шумов исследуемого массива волоконно-оптических датчиков на уровне 65–70 мкрад/Гц0,5. Данный метод с использованием операционных усилителей можно применять в массиве волоконно-оптических интерферометрических датчиков для усиления оптических импульсов, приходящих на фотоприемник, без существенного ухудшения их шумохарактеристик при условии выбора оптимальной рабочей области.
994
Предмет исследования. Впервые показано успешное применение двумерной фотоплетизмографии для получения данных о реакции периферического кровотока нижних конечностей на венозную окклюзию. Метод. Для получения данных фотоплетизмографии нижней конечности использовалась видеозапись цифровыми камерами с четырех ракурсов. Поверхность кожи освещалась зеленым светом (525 нм). Для оценки кровотока проводились четыре последовательные венозные окклюзии в течение 10 с путем быстрого повышения давления до 60 мм рт. ст. в окклюзионной манжете, наложенной на нижнюю треть бедра, с последующим 20-секундным периодом восстановления. Обработка экспериментальных данных была проведена двумя алгоритмами: путем усреднения значений откликов элементов матрицы камеры в случайно выбранных областях интереса и с помощью компонентного анализа видеосигналов камер. Было установлено, что методика усреднения значений откликов элементов матрицы камеры обеспечивает более надежную количественную оценку параметров периферического кровотока в нижних конечностях. Проведена оптимизация алгоритма обработки данных. Основные результаты. В исследовании приняло участие 16 здоровых добровольцев. В результате анализа данных у всех испытуемых удалось записать динамику изменений интенсивности света, взаимодействующего с голенью во время окклюзии, которые по своей форме совпадают с кривыми классической воздушной плетизмографии во время оценки кожно-мышечного кровотока предплечья. Практическая значимость. Учитывая простоту и бесконтактный характер исследования, метод двумерной фотоплетизмографии может быть широко внедрен в клиническую практику для изучения функционального состояния сосудов нижних конечностей при широком спектре заболеваний.
1004
Предмет исследования. Исследована проблема снижения качества восстановления изображения в сверхразрешающей микроскопии структурированного освещения при наличии расфокусировки и аберрационных искажений изображения. Метод. Для повышения качества восстановления пре длагается ввести предварительную программную компенсацию расфокусировки и аберраций с реконструкцией модели функции рассеяния точки системы, формируемой на основе теории фурье-оптики и результата предварительной калибровки системы. Предложен способ автоматической адаптации модели функции рассеяния точки к величине расфокусировки по регистрируемым системой изображениям, основанный на свойстве частичной избыточности входных данных в микроскопии структурированного освещения. Основной результат. Предложенные технические решения позволили снизить уровень искажений восстанавливаемого изображения для систем с аберрационными искажениями и неизвестной расфокусировкой до уровня, соответствующего применению микрообъектива с дифракционно-ограниченным качеством. В вычислительных экспериментах метод характеризуется трех-четырех кратным снижением максимальной амплитуды искажений восстанавливаемого изображения при величине аберраций, характерной для коммерчески доступных микрообъективов. Практическая значимость. Результаты исследования могут быть применены для повышения качества восстановления изображений в сверхразрешающих микроскопах структурированного освещения, а также позволяют повысить экономическую эффективность систем за счет применения неспециализированных объективов при сохранении высокого качества результирующего изображения.
ПОСТРОЕНИЕ 3D-МОДЕЛИ ИЗОБРАЖЕНИЯ ОБЪЕМНОЙ ОТРАЖАТЕЛЬНОЙ ГОЛОГРАММЫ МЕТОДОМ ФОТОГРАММЕТРИИ
Рабош Е. В., Анкушин Д. А., Балбекин Н. С., Вавилова Ю. А., Тимошенкова А. М., Авдонина Е. С., Шлыкова Т. В., Петров Н. В.
1013
Предмет исследования. Рассмотрена возможность оцифровки изобразительных голограмм с целью обеспечения возможности их хранения и обработки с использованием цифровых технологий. Впервые предложен метод использования фотограмметрической технологии для построения цифровых изображений с голограмм. Обсуждены перспективы получения цифровой копии при помощи серии фотографий и программного пакета обработки. Метод. Для эксперимента выбран объект в виде керамической скульптуры высотой 89 мм. Записаны две изобразительные голограммы скульптуры с тыльной и лицевой сторон при помощи He-Ne-лазера на длине волны λ = 633 нм, мощностью P = 50 мВт; длительностью записи 90 с. Выполнена фотосъемка самого объекта при его вращении вокруг своей оси с шагом в 1,8°. Для фотосъемки выбран фотоаппарат Canon EOS 1100D с разрешением 4,2 × 2,9 Мп (12,2 Мп). Получена серия из 300 фотографий. Для восстановления зарегистрированных на объемных монохромных голограммах изображений использован точечный источник белого рассеянного света, расположенный под углом 45° относительно нормали к пластине. Получено 90 фотографий каждой голограммы при охвате области угла 120°. Фотосъемка скульптуры и голограмм производилась вокруг объекта под углами 0 и 45°. В качестве программного пакета обработки серии фотографий применена программа Agisoft PhotoScan (версия 1.4.5). Объем обработанных файлов составил около 4,5 ГБ. Основные результаты. Приведены результаты восстановления 3D-модели из двух голограмм одного и того же объекта. Проведен сравнительный анализ полученных 3D-моделей изображения. Показано, что построенная фотограмметрическим методом объемная модель голограммы имеет визуальное отличие от модели самого объекта. Повышение качества 3D-модели возможно при увеличении количества записанных фазовых голограмм одного и того же объекта с разных ракурсов. Практическая значимость. Предложенный метод оцифровки голограмм с применением технологии фотограмметрии может найти применение для решения задач по долгосрочному хранению информации об объектах культурного наследия.
1022
Оптимизация литографических объективов является сложной задачей из-за большого количества переменных и противоречивых ограничений. В работе приведено описание методов оптимизации исходных оптических схем для ультрафиолетовых объективов, сгенерированных на основе алгоритма глобального поиска. К исходным схемам применены эффективные инструменты глобальной оптимизации: функция автоматической вставки элементов и построение седловых точек с учетом конструктивных ограничений. Ошибки трассировки лучей и критические линзы в исходных оптических системах, выбранных автоматически с применением алгоритма глобального поиска, оптимизированы и заменены с использованием метода седловых точек. Результаты работы и представленные методы глобальной оптимизации актуальны и применимы для любой центрированной сложной оптической системы.
1031
Предмет исследования. Рассмотрены варианты построения средств постановки визуально-оптических помех непоражающего действия в видимом диапазоне. Показано применение излучателей с источниками когерентного и некогерентного излучений для противодействия визуально-оптическим и оптико-электронным каналам средств визирования, наблюдения, извлечения и фиксации визуально-оптической информации. Метод. Приведены расчетные соотношения. Аналитический расчет проиллюстрирован графически. Показан численный расчет облученности от энергетически эквивалентных узконаправленных излучателей с источниками когерентного и некогерентного излучения при изменении излучаемой мощности и ширины луча в диапазоне дистанций воздействия 100–2000 м. Основные результаты. Получены количественные параметры создания облученности выше критериальных уровней функционального поражения, подавления и снижения эффективности применения оптических приборов. Рассмотрено применение для этих целей промышленно выпускаемых компактных твердотельных лазеров видимого спектра с диодной накачкой и мощных малогабаритных короткодуговых ксеноновых ламп в металлокерамическом корпусе со встроенным внутренним отражателем и вторичной формирующей оптической системой. Установлено соотношение между критериальными уровнями для подавляемого оптического прибора и диапазоном дистанций воздействия. Определены диапазоны изменения излучаемой мощности источника и ширины луча на близких расстояниях для выполнения условия непоражающего воздействия. Практическая значимость. Результаты сравнительного моделирования и полученные соотношения будут полезны при разработке излучателей визуально-оптических помех непоражающего действия на основе когерентных и некогерентных источников. Полученные соотношения могут использоваться для определения критериальных уровней функционально-разноуровневого воздействия.

АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ И РОБОТОТЕХНИКА

1041
Предмет исследования. Предложен метод синтеза динамического регулятора для робота с параллельной кинематической схемой на примере решения задачи стабилизации положения шара, расположенного на поворотной платформе с двумя степенями свободы. Предполагается, что углы поворота платформы ограничены некоторым диапазоном. Метод. Предложенный метод основан на приведении рассматриваемой нелинейной системы к виду однородного дифференциального включения. Так как исследуемый объект управления описывается непрерывной и неоднородной системой обыкновенных дифференциальных уравнений, предложенный метод основан на использовании процедуры однородного расширения. Дифференциальное включение, полученное с помощью процедуры однородного расширения, является однородным с отрицательной степенью, что обеспечивает финитную устойчивость замкнутой системы. Основные результаты. Полученный динамический регулятор робастен и позволяет компенсировать нелипшицевые возмущения определенного класса. Проведенное компьютерное моделирование подтвердило эффективность предложенного подхода. Несмотря на нелинейность исследуемой системы и полученного закона управления, предложенный динамический регулятор прост в настройке, так как его параметры рассчитываются на основе решения линейных матричных неравенств. Практическая значимость. Предложенный в работе регулятор предназначен для роботов с параллельной кинематической схемой, которые широко используются в станкостроении и авиасимуляторах. Разработанный регулятор обеспечивает  необходимые на практике робастные свойства. 

НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И НАНОТЕХНОЛОГИИ

МОРФОЛОГИЯ И ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПЛЕНОК AlN НА САПФИРЕ
Девицкий О. В., Никулин Д. А., Сысоев И. А., Осипян В. Б.
1049
Предмет исследования. Представлены результаты экспериментального исследования морфологии и оптических свойств пленок AlN на сапфире. В качестве экспериментальных образцов использовались тонкие пленки AlN на сапфире. Метод. Для получения тонких пленок использовалась установка ионно-лучевого осаждения, включающая в себя ионный источник типа КЛАН-53M с нейтрализатором ионов. Энергия ионного пучка варьировалось от 600 до 900 эВ. Ток ионного пучка составлял 60 мА, и выбирался из расчета устойчивого горения плазмы в ионном источнике. Осаждение производилось при остаточном давлении газов в вакуумной камере не менее 1,5×10–3 Па, нагрев подложек производился при помощи группы галогеновых ламп общей мощностью 2500 Вт, температура подложки составляла 550–850 °C. Время осаждения составляло 1 ч. Состав азотно-аргоновой смеси изменялся путем увеличения объемной доли азота от 10 до 90 %. Основные результаты. Полученные тонкие пленки исследованы методом сканирующей электронной микроскопии и энергодисперсионного анализа. Исследования показали, что полученные при объемной доле азота в азотно-аргоновой смеси более 50 % тонкие пленки AlN на сапфире имеют состав, близкий к стехиометрическому. Для пленок AlN на сапфире, полученных при объемной доле азота в азотно-аргоновой смеси более 90 %, температуре подложки 800 °C и энергии пучка 600 эВ, величина коэффициента пропускания во всем оптическом диапазоне длин волн составляет не менее 92 %. Определена прямая зависимость энергии пучка от объемной доли азота в азотно-аргоновой смеси – при 900 эВ по сравнению с 600 эВ содержание азота в пленке AlN повышается с 10 % до 30–35 %. При величине энергии пучка в 600 эВ имеется незначительная зависимость от температуры подложки, и сохраняется только прямая зависимость от количества азота в азотно-аргоновой смеси. При частичной ионизации ионного пучка разница между содержанием азота в пленке AlN при разной энергии пучка входит в диапазон 5–10 %. Повышенное содержание азота в пленках (более 20 %) отрицательно влияет на оптическое совершенство пленок. При режиме частичной ионизации только при 900 эВ, температуре 800 °C и при объемной доли азота в азотно-аргоновой смеси более 50 % наблюдается снижение качества пленок. При режимах с объемной доли азота в азотно-аргоновой смеси менее 30 % наблюдается большое количество микрокапель на поверхности, с размерами в диапазоне 1–6 мкм. Состав газовой смеси с содержанием объемной доли азота в азотно-аргоновой смеси в 10 % повышает концентрацию микрокапель на поверхности пленки с увеличением доли крупных микрокапель. Наиболее оптимальный режим выявлен с частичной ионизацией пучка и энергией 600 эВ, объемной доли азота в азотно-аргоновой смеси более 50 %. Изменение температуры подложки на значение доли азота в тонкой пленке нитрида алюминия практически не влияет. Практическая значимость. Тонкая пленка AlN на сапфире, осажденная при температуре подложки 800 °C и объемной доли азота в азотно-аргоновой смеси равной 90 % имеет коэффициент пропускания в оптическом диапазоне 200–1100 нм более 92 %, что характеризует полученный образец тонкой пленки как оптически прозрачный.

КОМПЬЮТЕРНЫЕ СИСТЕМЫ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

1058
Предмет исследования. Выполнено исследование метода повышения показателей качества кластеризации текстов на естественном языке. Основное внимание уделено выделению признаков, составляющих математическую модель текстов. Для кластеризации полученного векторного представления текстов использовался метод k-means. Метод. Предложенный аналитический подход основан на использовании семантико-синтаксических признаков кластеризируемых текстов. Выделение признаков проведено с помощью Stanford CoreNLP Toolkit. Некоторые связи между словами текстов в представлении «Enhanced++ Dependencies» вместе со связывающими их словами кодируются. На основании частот их встречаемости в текстах вычисляются значения семантико-синтаксических признаков. Основные результаты. Эксперимент по сравнению показателей качества прототипа, разработанного на основе предложенного метода, и системы кластеризации, на основе статистических признаков, показал, что использование предложенного метода позволяет сократить количество ошибок кластеризации в проведенном эксперименте более чем на 15 %. Практическая значимость. Для получения семантико-синтаксических признаков текстов не требуется предобучение. Рассматриваемый подход может быть использован для повышения показателей качества кластеризации в условиях отсутствия больших корпусов текстов, которые необходимы для предобучения статистических моделей языка на основе «word embeddings».
1064
Предмет исследования. Представлены результаты исследования компьютерных систем при организации обмена через резервированные каналы с целью анализа возможностей повышения, надежности и своевременности взаимодействия компьютерных систем в результате резервированных передач через агрегированные каналы с учетом вариантов реализации в компьютерных узлах распределенных раздельных очередей на доступ к каждому каналу, или обшей очереди на доступ ко всем каналам. Метод. Используемый метод основан на построении имитационных моделей рассматриваемых вариантов резервированного обмена через агрегированные каналы. Основные результаты. Показана эффективность резервированного обмена с учетом организации в узлах распределенных очередей на доступ к агрегированным каналам. Для первого варианта резервированного обмена в каждом компьютерном узле организованы раздельные очереди на доступ к каждому каналу. Поступающий запрос копируется k раз (в зависимости от критичности к времени ожидания), и каждая копия помещается в одну из очередей. Для второго варианта в каждом компьютерном узле организована одна общая очередь ко всем каналам, в которую заносится каждый поступающий пакет (запрос на его передачу). При выдаче запроса из общей очереди формируется k копий передаваемого пакета, каждая из которых передается через один из n каналов по мере предоставления узлу полномочий доступа к нему. Особенность резервированного обслуживания заключается в формировании для каждого запроса k его копий, выдаваемых на обслуживание в разные каналы. Обслуживание считается успешно завершенным, если за заданное время безошибочно выполняется хотя бы одна из k создаваемых копий запроса (пакета). Показано существование оптимальной кратности резервирования передаваемых копий пакетов, определена область эффективности резервированного межмашинного обмена. Практическая значимость. Результаты могут быть использованы при проектировании высоконадежных компьютерных систем, в том числе реального времени.
СУБПОЛОСНЫЙ АНАЛИЗ ИЗОБРАЖЕНИЙ МОРСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ НА ОСНОВЕ КОСИНУС-ПРЕОБРАЗОВАНИЯ
Черноморец Д. А., Михелев В. М., Болгова Е. В., Черноморец А. А.
1072
Предмет исследования. Предложен подход к исследованию частотных свойств последовательности изображений морской поверхности (кадров видеозаписи) на основе субполосного анализа в рамках косинус-преобразования. Изучение частотных свойств позволяет решать задачи обнаружения объектов на взволнованной поверхности моря. Метод. Приведены основные теоретические положения субполосного анализа в рамках косинус-преобразования. Показаны способы формирования применяемых при анализе данных субполосных матриц косинус-преобразования и вычисления частей энергий анализируемых векторов в различных частотных интервалах. Приведено описание субполосного подхода к анализу распределения значений энергии компонент изображений в частотной области. Показан способ построения отдельных компонент последовательности изображений морской поверхности (кадров видеозаписи) в виде векторов. Векторы содержат значения пикселей, имеющих одни и те же координаты в наборе изображений, и позволяют вычислять части энергии в заданных частотных интервалах. Основные результаты. В вычислительных экспериментах использованы видеозаписи морской поверхности с различными уровнями волнения. Анализ распределения значений частей энергии соответствующих компонент используемых видеозаписей показал, что различной взволнованности морской поверхности соответствуют различные распределения в частотной области энергии соответствующих компонент. Установлено, что при слабой взволнованности энергия компонент изображений сосредоточена в области низких частот, при увеличении взволнованности морской поверхности значения частей энергии компонент соответствующих изображений повышаются в области высоких частот. Практическая значимость. Полученные особенности распределения частей энергии компонент изображений морской поверхности могут быть использованы при решении задач обнаружения объектов, плавающих на морской поверхности, на основе анализа их частотных характеристик.
1079
Предмет исследования. Представлены результаты исследования инструментальных средств разработки программного обеспечения. Решена задача создания архитектуры среды разработки программного обеспечения с поддержкой структурного редактирования. Показан процесс проектирования и экспериментальные проверки модифицированной архитектуры интегрированной среды разработки. Метод. На основе анализа существующих интегрированных сред разработки программного обеспечения с поддержкой структурного редактирования выделены их особенности и недостатки. Предложена архитектура среды разработки, позволяющая создать прототип системы для решения таких проблем существующих структурных редакторов как круговая трансляция из текстового представления исходного кода в промежуточное и обратно, недостаточный функционал (по сравнению с классическими средами разработки), сложность разработки новых сред разработки с поддержкой структурного редактирования. Основные результаты. При проектировании архитектуры предложено отказаться от текстового представления исходного кода на всех этапах разработки. Это позволило отказаться от круговой трансляции и уменьшить количество компонентов системы. Такое решение привело к повышению производительности среды разработки. Предложенный прототип среды разработки с поддержкой структурного редактирования позволил экспериментальным образом проверить эффективность модификации архитектуры. Выполнены эксперименты по сравнению скорости компиляции программных проектов и скорости проведения автоматического рефакторинга исходного кода. Практическая значимость. Предложенное решение может быть использовано в организациях, занимающихся промышленной разработкой программного обеспечения, а также создателями новых сред разработки программного обеспечения.
1086
Представлена облачная система для географически распределенных центров обработки данных. В основу разработки положен принцип мультиагентности структуры (микросервисы). Для связи агентов между собой предложен специально разработанный протокол взаимодействия, работающий в асинхронном режиме. Асинхронность системы взаимодействия агентов достигается за счет применения специально разработанного алгоритма. Программа, реализующая предложенный алгоритм, написана на языке программирования Python. В данном решении используются реляционные базы данных и системы очередей. Реляционная база данных применяется для хранения запросов и ответов от агентов. Для обмена YAML сообщениями с идентификаторами этих запросов и ответов применяется брокер сообщений. Апробация разработанного программного обеспечения произведена на макете масштабируемого географически распределенного центра обработки и хранения данных. Получено оригинальное техническое решение, успешно прошедшее контрольно-тестовые испытания и внедренное в действующую облачную инфраструктуру. Показаны особенности применения системы очередей RabbitMQ и системы управления баз данных PostgreSQL в кластерном режиме с шифрованием трафика. Использование разработанной модели представляется перспективным в условиях работы с высоконагруженными распределенными системами.

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

1094
Предмет исследования. Предложен новый способ организации систем превентивного сервисного обслуживания (включая системы обслуживания по состоянию и системы предсказательного обслуживания), основанных на использовании современных методов машинного обучения и функционирующих с привлечением оригинального, непараметрического метода идентификации текущей фазы деградации обслуживаемого оборудования. Метод. Предложенный подход заключается в сведении задачи идентификации текущей фазы деградации оборудования к интервальному оцениванию величины параметра «индекс здоровья» оборудования, представляющего собой ступенчатую функцию. Аргументами этой функции является некоторый набор измеримых параметров, объективно характеризующих состояние оборудования. Текущая фаза деградации оборудования определяется с использованием классификационного подхода, в рамках которого на основании анализа наблюдаемых данных, принимается решение о том, какому классу (фазе состояния) эти данные соответствуют. В качестве данных, используемых для идентификации стадии деградации оборудования, рассматриваются измерения от группы сенсоров в общем случае различной физической природы, которые размещены как на поверхности, так и внутри контролируемого оборудования. Математически предложенный подход сводится к взвешенной комбинации двух классификаторов. Один из классификаторов этой комбинации основан на решении группы задач бинарной классификации. Второй классификатор базируется на оценивании параметра «оставшийся срок полезного использования» методом непараметрической регрессии. Основные результаты. В отличие от традиционных, предложенный подход использует минимум априорной информации о принципах функционирования и устройстве обслуживаемого оборудования и основан на использовании ступенчатой функции «индекс здоровья» оборудования. Новизна подхода заключена в одновременном использовании ступенчатой функции «индекс здоровья» и взвешенной комбинации двух классификаторов различной структуры. Разработанный метод показал положительные результаты при его тестировании на базе данных C-MAPPS Dataset, которая содержит данные об отказах турбовентиляторных двигателей, смоделированных с использованием термодинамической имитационной модели. Предотказный статус оборудования идентифицирован с вероятностью 99 %. Практическая значимость. Полученные результаты и алгоритм могут быть использованы в системах превентивного обслуживания с целью высоконадежной идентификации текущей стадии деградации оборудования
1106
Предмет исследования. Представлены результаты исследования методов проектирования локомоционных роботов на примере создания высокоскоростного, энергоэффективного робота-гепарда, способного перемещаться по пересеченной местности. Рассмотрен энергетический анализ механизма бедра ноги робота, принцип работы которого основан на резонансе гибкого элемента, вызванного автоколебаниями инерционной массы. Разработанная конструкция рассмотрена в виде модели перевернутого пружинного маятника, гибкий элемент которого необходим для обеспечения гармонического поведения тела робота, стабильного взаимодействия с поверхностью пола, поглощения ударной силы и рекуперации энергии перемещения. Метод. При проектировании биоинспирированных робототехнических устройств предложено использовать методы биомиметики, которые заключаются в воспроизведении уникальных качеств и характеристик живых систем, а не только в имитации внешнего вида. Представленная конструкция имитирует динамику ноги прыгающего животного благодаря гармоническому характеру перемещения, вызванного вынужденной периодической силой инерции массы тела робота. Гармоническое усилие, вызывающее автоколебания, выведено с помощью уравнения динамики Лагранжа. Приведено обобщенное описание динамики робота в виде структуры Пуассона, используемой при представлении системы при помощи порт-Гамильтонового подхода. Основные результаты. Получены временные зависимости обмена энергиями и мощностями: для пружинного маятника при наличии и отсутствии внешней возбуждающей силой; механизма бедра, названного «минитаур» при наличии и отсутствии внутренней инерционной силы, вызывающей автоколебания инерционной массы тела робота в режиме прыжка на месте. Представлены графики зависимостей коэффициента затрат энергии на перемещение от конфигурации механизма и жесткости пружины при беге. Практическая значимость. Представленный анализ необходим для определения количества энергии в системе, выявления способов сохранения энергетического бюджета, причин его расходования и способов восполнения.
1115
Предмет исследования. Исследована методика расчета собственных частот системы, состоящей из позвоночника человека с фиксирующими элементами. В окрестностях подобной системы возможны резонансные эффекты, приводящие к нарушению устойчивости или разрушению конструкции. Метод. Предложена математическая модель условного позвоночного столба, состоящая из двух анатомо-физиологически обособленных колонн — спинного мозга (дорзальная продольная колонна) и его костно-связочно-мышечного «футляра» (вентральная продольная колонна), в которую введено дополнительное граничное условие — дополнительный фиксирующий элемент. Для решения поставленной задачи позвоночный комплекс моделируется с помощью геометрического графа. Рассматривается дифференциальный оператор четвертого порядка на ребрах геометрического графа, являющегося моделью биомеханической системы — позвоночника и металлической конструкции. В вершинах графа предполагается наличие точечных потенциалов, моделирующих характер связи элементов графа. Решается система дифференциальных уравнений с граничными условиями (условиями согласования решений на соседних ребрах) для нахождения спектра оператора, представляющего собой опасные для целостности механической системы частоты. Основные результаты. Предложена методика нахождения собственных частот биомеханической системы, которые приводят к резонансным эффектам. Построена корректная модель метрического графа с оператором четвертого порядка на ребрах и с условиями точечного взаимодействия в вершинах. Получены значения частот для конкретных значений параметров системы. Практическая значимость. Описанная методика получения значений опасных частот может быть использована при лечении пациентов больных сколиозом для предотвращения поломки устанавливаемой металлической конструкции и сохранения жизни пациента.
1122
Предмет исследования. Представлены результаты экспериментального исследования влияния предобработки на основе вэйвлетного преобразования на величину статистической утечки информации в сигнале, полученном по сторонним каналам. Изучаемый сигнал получен по электромагнитному стороннему каналу с платы на базе процессора ARM-Cortex M4F. Съем сигнала произведен на расстояниях 1 мм и 3 см. Во время снятия сигнала на плате выполнялся алгоритм AES (Advanced Encryption Standard). Метод. Электромагнитный сигнал после снятия обрабатывается при помощи дискретного вэйвлет-преобразования со сжатием коэффициентов детализации. Исследовано влияние различных порогов сжатия, вэйвлет-функций, а также уровня вэйвлет-разложения сигнала. После обработки на записях сигнала проводится анализ утечек при помощи метода оценки утечки тестового вектора (TVLA), основанного на статистическом тесте Уэлча. Полученные оценки используются для сравнения вэйвлет-преобразования с оценкой утечки, проведенной на оригинальном сигнале. Основные результаты. Сигнал, обработанный при помощи вэйвлет-преобразования, показывает более высокие показатели статистического теста, что означает большую уверенность в наличии утечки информации. Универсальный порог и обнуление коэффициентов детализации увеличивают величину t-критерия в 1,4 раза. Третий уровень разложения показал наивысший результат для всех вэйвлет-функций. Дискретный вэйвлет Мейера показывает лучший результат во всех экспериментах, также стабильный результат в экспериментах показывают симлеты и коифлеты. Практическая значимость. Статистические методы, такие как статистический тест Уэлча, позволяют обнаруживать утечки без проведения дорогостоящих и трудоемких исследований и атак. Вэйвлет-преобразование и обработка полученного сигнала увеличивает информационные составляющие сигнала, что позволяет получить более близкие к реальным статистические профили сигналов. Вэйвлет-преобразование также позволяет находить утечки на меньшем количестве записей сигнала.
1130
Предмет исследования. Представлены усовершенствованная модель и результаты экспериментального исследования поведения неорганизованной группы в случае чрезвычайной ситуации. Представленный подход к моделированию поведения человека основан на модели социальных сил Дирка Хелбинга и Питера Молнара (Social force model). Подобная модель учитывает информационное воздействие на индивидуальное поведение агентов группы. Разработанная в предлагаемой работе модель адаптирована для описания поведения группы людей в чрезвычайных ситуациях. Метод. В предлагаемой модели поведения агент в каждый момент времени решает задачу по нахождению оптимального направления перехода от своего местоположения до какого-либо более безопасного места. В качестве программной платформы для реализации симулятора предложен инструмент имитационного моделирования AnyLogic со встроенной библиотекой Pedestrian, который позволяет строить модели с большим объемом информации о передвижениях пешеходов (трафике). Используемый инструмент обеспечивает описание взаимодействия между агентами внутри группы, обладает графическим интерфейсом и позволяет использовать язык программирования Java. Основные результаты. Предложенная модель реализована в виде симулятора с использованием открытой информации о пожаре в клубе «Хромая лошадь» (5 декабря 2009 г.) в городе Пермь. Выполнено сравнение сведений о реальном пожаре, с результатами моделирования по предложенной методике, по существующей методике поведения группы в многоуровневом разветвленном помещении и методикой движения агентов по кратчайшему пути. Показано, что результаты, полученные по предложенной модели, наиболее точно совпадают с реальными результатами. Практическая значимость. Представленная модель поведения неорганизованной группы позволяет проводить анализ произошедших чрезвычайных ситуаций и выполнять тестирование существующих и проектируемых помещений с целью обеспечения их безопасности.
1139
Предмет исследования. Проведено исследование эффективности алгоритмов камерального восстановления сигнала при наличии одиночных протяженных пропусков и редком поступлении измерений. Количественное сравнение алгоритмов проведено путем моделирования и камеральной обработки реальных позиционных решений приемника спутниковой навигации. Мерой эффективности алгоритмов являлась среднеквадратическая погрешность. Метод. Рассматривается алгоритм восстановления на основе квадратичной модели с учетом ограничений на величину сигнала и его производную. Алгоритм известен из литературы, однако, в задачах спутниковой навигации применен впервые. Два других алгоритма, с которыми производится сравнение, — квадратичная аппроксимация без учета ограничений и линейная интерполяция. Основные результаты. После анализа полученных результатов выработаны следующие рекомендации по использованию алгоритмов восстановления с целью достижения минимальной среднеквадратической погрешности восстановления. Установлено, что наилучшим из рассматриваемых алгоритмов с точки зрения точности является квадратичная аппроксимация с ограничениями, однако, при восстановлении сигнала в период протяженного пропуска измерений в начале и в конце пропуска лучше использовать линейную интерполяцию. Для достижения минимальной среднеквадратической погрешности в центральной части пропуска рекомендуется использовать алгоритм с ограничениями и разбивать фрагмент обрабатываемой реализации измерений так, чтобы на участке пропуска измерений находилось не более одного стыка интервалов полиномиального представления восстанавливаемого сигнала. При коротких интервалах измерений слева и справа от пропуска наилучшим вариантом является разбиение фрагмента реализации на два интервала. При восстановлении сигналов, в условиях редко поступающих измерений, целесообразно выбирать длительность интервала полиномиального представления меньше, чем период дискретности измерений. Практическая значимость. Применение разработанных алгоритмов позволяет повысить точность позиционирования потребителей глобальных навигационных спутниковых систем, однако область их применения может быть более обширной и включать в себя постобработку полевых измерений в задачах геодезии и картографирования.
1151
Предмет исследования. Рассмотрен один из возможных подходов к проектированию и исследованию беспроводных сетей в среде имитационного моделирования OMNeT++ с использованием фреймворка INET. Показан процесс моделирования как самих моделей, так и различных режимов их работы. Также рассмотрена методология анализа работы модели на примере временной диаграммы. Метод. При рассмотрении подхода использован метод последовательного усложнения моделируемых беспроводных сетей, с учетом особенностей режимов их работы. Показана простота реализации подхода, в котором для моделирования беспроводных сетей используются готовые компоненты из состава фреймворка INET. На примере проблемной ситуации продемонстрирован процесс исследования файла временной диаграммы и объяснение поведения имитационной модели. Основные результаты. Представлена методика проектирования беспроводных сетей с использованием готовых компонентов из состава фреймворка INET. Продемонстрирована возможность переопределения встроенных компонентов составного модуля для создания модели устройства, отвечающего необходимым требованиям. Рассмотрены возможные режимы работы беспроводных сетей, как при прямом взаимодействии узлов, так и при косвенном через промежуточные узлы. Продемонстрирован подход к моделированию физического уровня и явления интерференции. Рассмотрен подход исследования проблемной ситуации, заключающийся в анализе временной диаграммы. Практическая значимость. Предложенная среда имитационного моделирования позволяет проводить исследование проектных решений при проектировании беспроводных сетей. Обоснована целесообразность применения разработанных проектов в проектной деятельности.

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ОБРАЗОВАНИИ

1162
Предмет исследования. Рассмотрен процесс формирования отчетов в электронных образовательных системах. Проведена оптимизация управления учебным процессом в части формирования отчетов за счет использования технологии блокчейн. Выполнен анализ существующих систем управления обучением, их инструментов создания и анализа отчетов. Рассмотрена технология блокчейн с точки зрения возможностей применения в образовании. Метод. Процесс формирования отчетов в системе управления обучением представлен в виде математической модели. Доказано, что использование технологии блокчейн упрощает процесс формирования отчетов. Инструменты блокчейна автоматически регистрируют события сети. Разработана модель генерации отчетов в образовательной системе с использованием транзакций блокчейна. Предложенная модель реализована в тестовой версии блокчейна Ethereum с использованием механизма смарт-контрактов. Смарт-контракт записывает в блокчейн разнородные данные учебных событий, не используя при этом сложных структур данных. Блокчейн хранит данные в едином реестре и самостоятельно регистрирует время каждого события и адрес его инициатора. Данные событий доступны через консоль geth для работы с блокчейном Ethereum. Основные результаты. Получена методика документирования учебного процесса с помощью технологии блокчейн. Методика не требует создания единой модели данных для хранения сведений об учебных событиях, а также специального учета инициаторов и времени событий. Практическая значимость. Результаты работы позволяют предложить использование блокчейна в качестве средства оптимизации управления учебным процессом.

КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ

1169
Предмет. Рассмотрены вопросы архитектуры и реализации порталов управления сервисами центров обработки данных: портала администраторов и пользователей, портала конфигурирования услуг. Порталы используются в облачных сервисах для организации доступа к различным услугам на основе разграничения прав доступа пользователей. Метод. На основе анализа опыта международных провайдеров облачных услуг представлена архитектура порталов конфигурации и администрации сервисов. Предложена реализация портала администраторов на базе Openstack Horizon и собственное решение портала конфигурирования услуг. Основные результаты. Функционал порталов успешно протестирован на базе системы управления виртуализацией Openstack, экспериментальные исследования системы проведены на макете масштабируемого географически распределенного центра обработки и хранения данных, построенного совместно с компанией АО «СМАРТС» (г. Самара). Практическая значимость. Предложенный подход может быть использован для реализации аналогичных порталов взаимодействия пользователя с облачными сервисами.
Информация 2001-2019 ©
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики.
Все права защищены.

Яндекс.Метрика