Предмет исследования. Выполнен анализ результатов численного моделирования зависимости напряженности электрического поля от размерности и геометрии золотых наноструктур и их ориентации относительно поляризации падающего излучения. Метод. Моделирование напряженности электрического поля вблизи единичной наноструктуры осуществлено с применением метода конечных разностей во временной области (Finite-Difference Time-Domain, FDTD). FDTD-метод — эффективный теоретический способ исследования взаимодействия электромагнитной волны и плазмонных нанообъектов. Исследованы объекты — единичные золотые наностержни, имеющие различную геометрию (цилиндр, сфероцилиндр, вытянутый эллипсоид) и варьируемую полудлину (L = 10–120 нм). Источник излучения — плоскополяризованная волна (λ = 632 нм). Основные результаты. В результате проведенного моделирования определена локализация электрического поля вблизи наноструктур, а также получены максимальные теоретические значения напряженности ближнего электрического поля. Показано, что зависимость максимумов напряженности электрического поля от полудлины золотых наноструктур при их продольной ориентации имеет нелинейный характер. Практическая значимость. Полученные теоретические расчеты напряженности электрического поля вблизи исследуемых плазмонных нанообъектов позволят в дальнейшем определить оптимальные параметры наночастиц и условия возбуждения плазмонного резонанса. В результате возможно создание оптических структур с высоким сигналом усиления комбинационного рассеяния света, детектируемого от исследуемых веществ, находящихся вблизи такой структуры.

Предмет исследования. Рассмотрены экспериментальные и теоретические результаты изучения оптических свойств планарных, модифицированных золотыми нанозвездами кварцевых поверхностей, полученных с применением спектроскопии гигантского комбинационного рассеяния света. Созданы функционализированные нанозвезды поверхности — прототипы оптических сенсоров. Приведены результаты моделирования, химического синтеза и исследования оптических и морфологических свойств исследованных структур. Метод. Предложен комплексный метод создания и оценки оптических свойств планарных наноструктур. Моделирование реализовано с использованием метода конечных разностей во временной области (FDTD, Finite-Difference Time-Domain) напряженности электрического поля вблизи поверхностей нанозвезд золота в коллоидных растворах и на кремниевой поверхности. При проведении моделирования учтены такие параметры, как размер частиц и зависимость эффективного усиления электромагнитного поля от морфологических параметров нанозвезд. Представлена перспективность теоретического подхода к расчетам рассмотренных структур, их химического синтеза и исследования оптических свойств. Основные результаты. Выполнен расчет параметров электрического поля и оптических свойств вблизи нанозвезд разных размеров. Параметры рассчитаны методом конечных разностей во временной области. Определены оптимальные размеры нанозвезд при изменении толщины поверхностных слоев для получения максимальных значений рассеяния и дальнейшего использования исследованных структур гигантского комбинационного рассеяния света в экспериментах. Выполнен синтез нанозвезд, исследованы их оптические и морфологические свойства, а также проведена функционализация кварцевых поверхностей и созданы прототипы сенсоров с целью дальнейшей оценки усиления сигнала (комбинационного рассеяния света). По результатам математического моделирования определены оптимальные размеры для синтеза нанозвезд, который осуществлен двухступенчатым химическим методом с использованием зародышевых частиц. Для проведения экспериментальной части по получению спектров гигантского комбинационного рассеяния применен спектрометр Centaur U (ООО «НаноСканТехнология», Россия). Спектрометр оснащен тремя источниками: He-Ne лазером (λ = 632,8 нм, 17 мВт) и двумя DPSS лазерами (λ = 532 нм и λ = 473 нм, 50 мВт). В процессе проведения эксперимента использованы He-Ne лазер и DPSS лазер с длиной волны λ = 532 нм. В оптическую схему спектрометра включен микроскоп Olympus BX41 (Olympus, Япония) с объективом 100× (NA 0,9) для позиционирования луча и сбора рассеянных фотонов. Монохроматор спектрометра имеет фокусное расстояние 800 мм, голографическую дифракционную решетку 300 шт/мм и снабжен термоэлектрическим охлаждаемым ПЗС-детектором 1024 × 256 пикселов (Andor Tech., Великобритания). Практическая значимость. В результате работы получены функционализированные наночастицы поверхности — прототипы оптических сенсоров. Показано, что экспериментальный коэффициент усиления сигнала комбинационного рассеяния света может составлять не менее чем 104 раз. Полученные результаты могут служить основой для получения необходимых размеров нанозвезд в методах контролируемого химического синтеза коллоидных наночастиц. Результаты могут быть применены для разработки биосовместимых и высокочувствительных оптических сенсоров на базе эффекта комбинационного рассеяния света.

Предмет исследования. Представлен метод цифровой голографической интерферометрии для регистрации и оценки параметров низкотемпературной плазмы, генерируемой при атмосферном давлении в импульсном режиме. Подобный вид плазмы в настоящее время находит свое применение в медицине и биологии. Существует потребность контроля дозы воздействия и режимов формирования плазменной среды. В качестве контролируемых параметров плазмы рассмотрена концентрация электронов, которая может быть определена путем оценки изменения показателя преломления плазмы в импульсе относительно невозмущенного состояния. Метод. Рабочей средой формирования импульсов плазмы служил гелий. Частота следования импульсов плазмы составляла 5 кГц, а их длительность — 750 нс. Исследования выполнены на специально разработанном лабораторном комплексе регистрации голографических изображений импульсов плазмы. Голограммы зарегистрированы с использованием цифровой камеры. В качестве источника когерентного излучения выбран импульсный лазер INNOLAS SpitLight Hybrid II с длиной волны 532 нм и длительностью импульса излучения 10 нс. Для точной регистрации импульсов плазмы работа лазера, генератора плазмы и цифровой камеры были синхронизированы между собой. В ходе эксперимента получена серия из 500 голограмм с последующей реконструкцией фазы объектного поля. Анализ последовательности голограмм позволил определить разности фаз, связанных с показателем преломления низкотемпературной импульсной плазмы в гелии. Однако такая плазма создает малую фазовую задержку, что приводит к низкому фазовому контрасту рассчитываемых интерферограмм. С другой стороны, низкий контраст может быть вызван и недостатками системы регистрации. Для доказательства возможности системы записи голограмм проведены предварительные эксперименты с регистрацией плазменной дуги с аналогичными временными параметрами генерации, но с более высоким фазовым контрастом реконструированных изображений. Основные результаты. Представлены экспериментальные результаты исследования фазового контраста показателя преломления чистого гелия, плазменной дуги и импульсов плазмы в гелии. Доказана работоспособность разработанного экспериментального комплекса и метода получения интерферограмм, основанного на определении показателя преломления в импульсе плазмы. Практическая значимость. Полученные результаты могут быть использованы для оценки электронной концентрации плазмы. В дальнейшем планируется увеличение чувствительности метода с целью повышения фазового контраста за счет расширения спектрального диапазона лазерного излучения при регистрации голограмм путем перехода в другую спектральную область, например, инфракрасную.

Предмет исследования. В работе рассмотрено применение современных и перспективных методов биорадиофотоники для обработки биоэлектрических сигналов на базе оптических и акустооптических устройств. Основные трудности применения этих методов связаны с тем, что исследуемые сигналы являются низкочастотными, и требуется разработка специальных мер адаптации рассматриваемых устройств для их обработки. Метод. Предложено вводить информационный биоэлектрический сигнал в акустооптическую систему обработки с временны́м интегрированием, используя модуляцию высокочастотной несущей с линейной частотной модуляцией низкочастотным информационным сигналом. Такая система должна обеспечить реализацию операции свертки с помощью ячеек Брэгга, которые ориентированы навстречу друг к другу. Предложенный подход обеспечил возможность вычисления спектра мощности биоэлектрического сигнала и его вейвлет-преобразования, причем наличие несущей с линейной частотной модуляцией обязательно для обоих видов обработки. Впервые использован метод предварительного сжатия биоэлектрического сигнала для его переноса в высокочастотную область. Это позволило вводить низкочастотный информационный сигнал в высокочастотную акустооптическую систему обработки с пространственным интегрированием. В простом акустооптическом корреляторе с опорным транспарантом на выходе фотоприемника сформирована огибающая корреляционной функции. Применен набор опорных транспарантов в многоканальном корреляторе для реализации вейвлет-анализа протяженного биоэлектрического сигнала с использованием материнского вейвлета. Предварительная оптическая обработка исследуемого сигнала осуществлена на жидкокристаллических матрицах. Основные результаты. Выполнен анализ обработки электрокардиосигналов, снятых с подопытных животных (крыс) с использованием жидкокристаллической матрицы для ввода этих сигналов в оптическую систему. Показано, что спектральная и вейвлет-обработка могут быть реализованы без использования модуляции высокочастотной несущей низкочастотным информационным сигналом. Практическая значимость. Использование полученных результатов позволит создать новое семейство устройств вейвлет-обработки биоэлектрических сигналов, реализуемой в реальном масштабе времени, что внесет важный вклад в совершенствование диагностики заболеваний сердечно-сосудистой системы, головного мозга и центральной нервной системы.

Предмет исследования. При диагностике онкологических заболеваний кожи остается актуальной проблема несвоевременного выявления патологий. Современные диагностические методы имеют ряд недостатков, связанных с ограниченными возможностями человеческого зрения, высокими требованиями к неинвазивным исследованиям и к цифровому представлению полученных результатов для их передачи по каналам связи. Важнейшие задачи ранней бинарной диагностики кожных новообразований могут быть решены с использованием методов биорадиофотоники. Метод. В работе рассмотрен авторский многоспектральный метод обработки изображений участков кожи с использованием нового специализированного полихромного источника света с программным управлением длиной волны излучения. Проанализирован принцип действия такого источника и обосновано применение набора светодиодов со специальным расположением, что позволяет направлять пучок света любой длины волны в одном направлении. Подтвержден выбор используемых диапазонов длин волн светодиодов, описан первый вариант макета такого источника света, приведены его оптическая и структурная схемы. Показано, что оптимальным способом программного управления длиной волны является ее грубая настройка переключением светодиодов и тонкая настройка установленными на выходе источника акустооптическими перестраиваемыми фильтрами. Основные результаты. Приведен ряд тестовых снимков пигментного пятна на коже размером 40 × 30 мм с длинами волн в пределах от ближнего ультрафиолетового до ближнего инфракрасного диапазонов с использованием черно-белой камеры. При цифровой обработке полученных монохроматических изображений проведены гистограммная эквализация и медианная фильтрация снимков для расширения динамического диапазона уровней яркости и минимизации искажений, вызванных неравномерностью исследуемого участка кожи и наличием теневой засветки. Получены графики распределения амплитудной интенсивности в исходных и отфильтрованных снимках для выбранных длин волн светодиодов. Показано, что о наличии кожного новообразования можно судить по провалам кривой распределения интенсивности света. Обосновано радиальное расположение светодиодов на плате для минимизации теневой засветки при освещении кожи. Практическая значимость. Проведенные исследования многоспектральной обработки изображений с помощью реализованного полихромного источника света вносят вклад в развитие новых методов ранней диагностики кожных новообразований на основе фотоники и оптоэлектроники и могут найти практическое применение в медицинских технологиях.

Представлена новая принципиальная схема для автоматического распознавания формы и взаимного расположения включений в движущихся полупрозрачных объектах. Введен новый критерий для автоматической идентификации структур (их локализации) на основе анализа интерференционной картины, спроецированной на поверхности ПЗС-матрицы, которая является элементом схемы оптического коррелятора на основе конфокального голографического томографа. Результаты данной работы могут быть полезны специалистам в области неразрушающего контроля и найти применение в соответствующих областях.

Предмет исследования. Исследована возможность применения нейронных сетей и компьютерного зрения для анализа изображений кожных новообразований и выявления признаков развития различных патологий, в том числе онкологических. Разработана методика оценки значимости комбинаций цветовых каналов и пространств с применением технологий компьютерного зрения, а именно, методов локальных бинарных шаблонов и гистограмм ориентированных градиентов для извлечения признаков кожных изменений и бинарной классификации новообразований кожи человека. Оптимизация комбинаций признаков позволит более эффективно решать проблему разделимости данных при классификации. Показана возможность исследования кожных новообразований при использовании набора данных малого объема (менее 1000 изображений). Предложено применение методики к данным, получаемым с помощью нового уникального метода многоспектральной обработки кожных новообразований. Метод. Использованы изображения из наборов данных ISIC-19 и ISIC-20. Для тренировки и валидации моделей сформированы выборки с ограничением в 1000 изображений, а также дополнительная тестовая выборка из 250 изображений. Все изображения приведены к единому размеру 128 × 128 пикселов и преобразованы в цветовые пространства YCrCb, BGR, Grayscale, HSV. По каждому цветовому каналу извлечены признаки с помощью методов локальных бинарных шаблонов и гистограмм ориентированных градиентов. Для классификации данных применен ряд математических моделей, в том числе нейронные сети. Выполнена оценка эффективности комбинаций объединения признаков по цветовым каналам и методам их извлечения. Предобработанные изображения разделены на тренировочную и валидационную подвыборки в соотношении 70/30 %. Проведена оценка моделей с помощью метрик Accuracy, Recall, Precision и F1-score на стратифицированной кросс-валидации и тестовой выборке. Оптимизация параметров моделей осуществлена на основе функции потерь, представленной усредненным значением по кросс-валидации и оценке на валидационной выборке. Основные результаты. В процессе исследований выполнено более 15 000 оптимизаций параметров моделей. Наиболее устойчивые результаты на валидационном наборе данных достигнуты при ансамблировании моделей, обученных на комбинации признаков с применением методов локальных бинарных шаблонов и гистограмм ориентированных градиентов. Показано, что модели с использованием только метода локальных бинарных шаблонов имеют лучшие значения метрик, применение их не рекомендуется на практике без ансамблирования с более сильными моделями. Практическая значимость. Полученные результаты могут найти применение при использовании ансамбля из state-of-the-art сверточных и рекуррентных нейронных сетей. Предложенный подход является универсальным и применим как для анализа отдельных изображений кожных новообразований, так и для анализа их последовательностей, полученных по методу многоспектральной обработки изображений. Методику можно использовать на наборах данных с ограниченным их количеством. Полученные результаты будут полезны специалистам в областях компьютерного зрения и анализа медицинских снимков.

Предмет исследования. Паразитная амплитудная модуляция оптического сигнала в фазовом модуляторе — один из факторов, ограничивающих точность высокочувствительных волоконно-оптических датчиков. Волоконно-оптический гироскоп — датчик угловой скорости, чувствительность которого составляет менее 0,001 °/ч. Изменение интенсивности оптического излучения при прохождении через фазовый модулятор приводит к возникновению ложного сигнала рассогласования в интерферометре Саньяка, что вносит ошибку в сигнал угловой скорости. Способы подавления паразитной амплитудной модуляции основаны на уменьшении отражений в местах стыковки оптических волокон, изготовлении поглощающих канавок для блокировки оптического излучения от нижней грани фазового модулятора и алгоритмических способов компенсации. Метод. Представлен новый метод уменьшения влияния паразитной амплитудной модуляции LiNbO3 фазового модулятора на сигнал волоконно-оптического гироскопа. Особенность метода — применение дополнительной модуляции дифференциальным сигналом с равномерным распределением амплитуд в диапазоне рабочих напряжений фазового модулятора. Основные результаты. Предложенный метод позволяет уменьшить влияние паразитной амплитудной модуляции фазового модулятора многофункциональной интегрально-оптической схемы на сигнал волоконно-оптического гироскопа более чем в три раза. Для этого применена дополнительная модуляция треугольным сигналом с частотой f = 200,09 МГц и мощностью P = 36 дБм. Практическая значимость. Разработанный метод может использоваться для повышения точностных характеристик волоконно-оптических гироскопов. Кроме того, метод может быть применим и к другим волоконно-оптическим датчикам, в которых использованы фазовые модуляторы на основе кристалла ниобата лития. Работа может быть интересна специалистам в области высокочувствительных волоконно-оптических датчиков, волоконной и интегральной оптики.

Предмет исследования. Рассмотрен метод проектирования и оптимизации оптической схемы фотоприемного модуля, содержащего одномодовое оптическое волокно и полупроводниковый p-i-n фотодиод с активной областью InGaAs, чувствительной к оптическому излучению диапазона 1,3–1,6 мкм. Исследована проблема потерь оптической мощности при согласовании расположенных в фотоприемном модуле оптического волокна и активной области p-i-n фотодиода, что приводит к уменьшению спектральной фоточувствительности и внешней квантовой эффективности модуля. Метод. Оптимизация оптической схемы стыковки оптического волокна и p-i-n фотодиода выполнена с использованием программного комплекса Zemax® с применением встроенного алгоритма Левенберга–Марквардта. Выполнены численные расчеты влияния продольных и поперечных сдвигов оптического волокна на качество оптической стыковки в фотоприемном модуле и его фоточувствительность. Основные результаты. Предложена и оптимизирована оптическая схема фотоприемного модуля на базе стандартного металлостеклянного корпуса. Определено оптимальное расстояние между элементами системы, при котором более 93 % излучения, выходящего из оптического волокна, достигает активной области p-i-n фотодиода. Найдена предельная чувствительность линейных микротрансляторов, необходимых для сборки фотоприемных модулей и обеспечения юстировки оптических элементов. Получена эффективность согласования оптического волокна с активной областью p-i-n фотодиода более 90 %. Практическая значимость. Результаты работы могут быть использованы при проектировании фотоприемных модулей инфракрасного диапазона. Предложенные решения найдут применение при создании фотоприемных модулей для использования в других спектральных диапазонах

Значительный рост последовательно получаемых изображений при дистанционном зондировании ведет к увеличению количества данных. Такие данные используются в таких областях как: мониторинг сельского хозяйства, развитие городских районов и наблюдение за растительными зонами. Отметим, что обычное последовательное извлечение пространственных структур эффективно не применяется особенно по отношению к последовательно получаемым изображениям в результате дистанционного зондирования. Предложен анализ остаточных признаков при разложении изображений по эмпирическим модам для повышения эффективности извлечения пространственных последовательных структур из растровых изображений дистанционного зондирования. Входные изображения извлечены с помощью минимальных и максимальных растровых структур путем вычисления среднего значения огибающих и компонентов функции разложения на внутренние моды для спектрального анализа Гильберта. При выполнении условия функции разложения на внутренние моды, производится операция вычитания функции из исходного изображения. Далее изображение разлагается на множество функций внутренних мод и на остаток. Полученные экспериментальные результаты показали, что предложенная стратегия способна непрерывно извлекать пространственные структуры из последовательно получаемых изображений дистанционного зондирования. Хотя опорные значения структур могут быть получены неточно, представленная схема гарантирует, что структуры в целом извлекаются с меньшими затратами времени.

Предмет исследования. Системы контроля автоматизированных линий требуют высокой точности и скорости обработки получаемой информации. В последние годы быстро развиваются технологии цифрового двойника, цифровой модели системы, повторяющей параметры реального объекта. Цифровой двойник используется в задачах удаленного контроля состояния реальных систем, испытаний реакций воздействия внешних факторов, без прямого влияния на реальную систему. Цифровой двойник применяется во многих сферах, таких как здравоохранение, промышленность, образование, городская инфраструктура и многих других. Несмотря на популярность исследований данной тематики, не выделено единого подхода к формированию цифрового двойника. Зачастую в современных работах освещается задача синтеза двойника с известными параметрами рассматриваемой системы. В данной работе предложен метод формирования цифрового двойника многозвенного механизма с неизвестными параметрами движения рассматриваемой системы, основанный на адаптивной оценке параметров траектории движения многозвенных механизмов, который способен облегчить задачу удаленного контроля состояния производства и расширить применимость технологии цифрового двойника на новый класс задач. Метод. В работе представлено описание синтеза адаптивного регулятора, основанного на внутренней модели, приведено теоретическое обоснование представленного алгоритма, а также описано его применение в задаче слежения за траекторией движения многозвенного механизма. Основные результаты. Выполнена экспериментальная апробация формирования цифрового двойника робота-манипулятора Kuka youBot в реальном времени с использованием адаптивного оценщика, основанного на внутренней модели. Адаптивная оценка параметров движения проведена для двух звеньев манипулятора с целью подтверждения возможности формирования цифрового двойника многозвенного механизма в условиях неизвестных параметров. Параметры движения звеньев робота-манипулятора задавались вручную посредством хаотических генераторов и не были известны адаптивному регулятору. Такой подход к формированию траектории движения звеньев манипулятора использован для оценки точности работы алгоритма путем вычисления ошибки слежения адаптивного алгоритма. Ошибка слежения определена как разность между эталонным воздействием, обеспечивающим движения манипулятора, и выходным сигналом адаптивного оценщика, который использован для описания траектории на модели робота-манипулятора в трехмерном пространстве. Проведены испытания, целью которых стала оценка ошибки слежения описываемого алгоритма. Положительными результатами принято считать сходимость ошибки слежения в области [–0,005, 0,005] рад. По результатам испытаний построены графики оценки, которые показали положительный результат. Существуют колебания ошибки слежения вокруг нуля, что обусловлено шумами измерений и задержками при симуляции режима работы реального времени в выбранной среде моделирования. По итогам испытаний приведены дальнейшие шаги по увеличению точности и производительности описываемого подхода к формированию цифрового двойника. Практическая значимость. Результаты представленной работы могут быть использованы при дальнейших исследованиях технологий цифрового двойника, в условиях неизвестных параметров системы. Представленный метод формирования может применяться в задачах телеуправления манипуляторами, в системах контроля технического состояния роботов на производственной линии, а также в общих задачах слежения за траекторией движения многозвенных механизмов.

Предмет исследования. В рамках научного проекта «Исследование спектрально-люминесцентных свойств квантовых точек CsPb(BrCl)3 во фторфосфатных стеклах» синтезированы и исследованы квантовые точки CsPbX3 (X = Br, Cl). Методика исследования. Исследование спектров поглощения выполнено с помощью двулучевого спектрофотометра Perkin Elmer lambda 650. Для получения спектров люминесценции использован спектрофлуориметр Perkin Elmer LS50B. Изучены температурные зависимости спектров люминесценции посредством оригинальной установки, включающей спектрофлуориметр, многомодовое оптическое волокно, криостат и температурную приставку. Возбуждающий свет от лампы спектрофлуориметра фокусировался на входной канал оптического волокна. После выхода из канала излучение собиралось линзой, в фокусе которой находился образец, закрепленный в термостате. Люминесценция образца собиралась в обратном направлении с выводом на приемник спектрофлуориметра, который соединен с компьютером. Термостат, в свою очередь, был подключен к криогенной приставке «Variable Temperature Cell», позволяющей регулировать температуру в пределах от 74 до 472 К. Основные результаты. Показано, что при увеличении времени термообработки образцов происходит рост квантовых точек, что приводит к уменьшению ширины запрещенной зоны вследствие квантово-размерного эффекта. При замене в CsPbBr3 брома на хлор были получены смешанные нанокристаллы CsPb(BrCl)3, что привело к сдвигу полос поглощения и люминесценции в коротковолновую область. Таким образом, выбирая различные лиганды для CsPbX3 (X = Br, Cl), изменяя их соотношение и условия термообработки, можно перестроить длину волны люминесценции в широкой области видимого диапазона. Исследование зависимости ширины запрещенной зоны от температуры наглядно показало влияние фазовых переходов. Определена последовательность фазовых переходов для различных химических составов, а именно, был обнаружен вклад введения хлора в изменение температурной зависимости ширины запрещенной зоны в диапазоне от 180 до 400 К. Предположено, что основными причинами тушения люминесценции выше 300 К являются фазовые переходы. Практическая значимость. В результате доказано, что фторфосфатное стекло — химически устойчивая среда для защиты квантовых точек от внешних воздействий. В работе получена возможность создания стабильных люминофоров, новых лазерных сред и люминесцирующих покрытий как белого света, так и во всем видимом диапазоне.

Предмет исследования. Представлено исследование в области разработки и создания модернизированных мультиспектральных систем цветоделения многослойного типа, обладающих повышенным цветовым разрешением. Рассмотрены виды структур разработанных шаблонов матричных фотоприемников на основе многослойного кремния с рабочими слоями для применения в синем, зеленом, красном и инфракрасном диапазонах спектра. Метод. Предложена методика расчетов слоев кремния в виде оптических пленок с заданными характеристиками. Слои кремния выполняют функции как чувствительного элемента, так и фильтра определенной длины волны для выделения синиего, зеленого, красного и инфракрасного диапазонов спектра. Выполнен расчет коэффициентов отражения и пропускания для выбранных длин волн при различных углах падения на сенсор. Рассчитан угол Брюстера для этих длин волн. Учтено возможное наличие поверхности сенсора микролинзы. Представлены расчеты для ячеек с четырехслойной и двухслойной структурами при различных комбинациях слоев. Основные результаты. Получены зависимости коэффициентов отражения и пропускания для двухслойных и четырехслойных структур полупроводниковых сенсоров для p- и s-поляризации, также для неполяризованного света. Показано, что минимальным коэффициентом отражения и максимальным коэффициентом пропускания обладает сочетание слоев красного и инфракрасного диапазонов спектра. Практическая значимость. Полученные результаты могут быть использованы при разработке многослойных мультиспектральных систем с регистрацией инфракрасного излучения. В результате возможно применение пары красного и инфракрасного спектров в качестве основы шаблона матричного фотоприемника, а слои синего и зеленого спектров как вспомогательные для построения полноцветного изображения.

Предмет исследования. Исследованы эффективность конверсии ионов Cr4+ и оптические свойства керамики на основе иттрий-алюминиевого граната, легированного хромом. Повышение эффективности конверсии ионов Cr3+ в Cr4+ открывает широкие перспективы использования керамики в качестве насыщающихся поглотителей для пассивной модуляции добротности Nd- и Yb-твердотельных лазеров. Цель работы — исследование влияния концентрации оксида магния на эффективность конверсии ионов Cr3+ в Cr4+ в условиях избытка катионов Al3+ (4,8 мол.%) и Y3+ (2,9 мол.%) в структуре граната, а также при стехиометричном соотношении Y3+/Al3+ = 3/5. Исследована возможность изменения концентрации ионов Cr4+ как в октаэдрической, так и тетраэдрической позициях за счет образующихся дефектов замещения магния при отклонении состава композиции от стехиометрии иттрий-алюминиевого граната. Метод. Оптическая керамика на основе иттрий-алюминиевого граната с различным соотношением катионов Y3+/Al3+, допированная хромом, получена методом двухстадийного соосаждения. В качестве спекающей добавки и компенсатора заряда для преобразования ионов хрома из трехвалентного в четырехвалентное состояние использован оксид магния в концентрациях от 0 до 0,2 масс.%. Основные результаты. Установлено, что наличие избытка алюминия в матрице иттрий-алюминиевого граната приводит к снижению эффективности конверсии ионов Cr3+ в Cr4+. Отклонение от стехиометрии в сторону избытка иттрия способствует снижению температуры отжига на воздухе, при которой происходит окисление ионов хрома в четырехвалентное состояние и их переход в тетраэдрическую позицию. Однако оптическое пропускание образцов с избытком иттрия ниже, чем в случае избытка алюминия и стехиометрии. Показано, что при увеличении температуры вакуумного спекания от 1780 до 1820 °С в образцах с избытком алюминия происходит повышение концентрации ионов Cr4+ в тетраэдрической позиции, о чем свидетельствует более высокая интенсивность поглощения на длине волны 1030 нм. Для случаев стехиометрии и избытка иттрия в гранате данный эффект выражен слабее. Практическая значимость. Получены образцы оптической керамики иттрий-алюминиевого граната со светопропусканием более 75 % в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах с выраженными полосами поглощения хрома. Результаты работы могут быть применены при создании пассивных затворов для твердотельных лазеров.

Предмет исследования. Представлены результаты исследования оптических свойств низкоплотных квантовых точек InGaPAs. Показано влияние на оптические и структурные свойства квантовых точек низких температур и параметров термического отжига. Метод. Квантовые точки InGaPAs получены методом молекулярно-пучковой эпитаксии за счет замещения фосфора на мышьяк в тонком слое InGaP непосредственно в процессе эпитаксиального роста. Оптические свойства квантовых точек InGaPAs исследованы методом спектроскопии фотолюминесценции, в том числе при температуре жидкого азота (–196 °С), что позволило определить особенности безызлучательной рекомбинации в исследуемых гетероструктурах. Гетероструктуры были подвергнуты кратковременному термическому отжигу при температурах 600 и 650 °C в течение 2 мин для оценки влияния отжига на оптические и структурные свойства квантовых точек. Основные результаты. Показано, что при температуре –196 °С вклад безызлучательной рекомбинации можно считать несущественным для всего измеряемого диапазона мощности накачки. При температуре –73 °С наибольший вклад в безызлучательную рекомбинацию вносит рекомбинация Шоккли–Рида. Кратковременный отжиг гетероструктур может уменьшить количество точечных дефектов, что приводит к росту эффективности фотолюминесценции и уменьшению ее полуширины. Практическая значимость. Полученные квантовые точки InGaPAs, а также оригинальный метод их получения могут найти применение при создании источников одиночных фотонов на основе микрорезонаторов. Представленные экспериментальные результаты должны быть учтены при реализации таких источников, в частности при оптимизации ширины и интенсивности линии излучения

Предмет исследования. Рассмотрен один из эффектов, возникающих при печати по технологии экструзии материала или послойного наплавления, который называется нежелательной динамикой экструзии. Этот эффект проявляется при больших ускорениях печатающей головки и приводит к наплавлению в углах деталей и неровностям печатного слоя. Чтобы минимизировать этот эффект, в современных системах управления применяются алгоритмы контроля динамики Advance. Однако такие недостатки как инертность, необходимость экспериментального определения степени компенсации, а также неопределенность влияния материала, геометрии сопла и параметров процесса печати на работу алгоритма не позволяют использовать данную группу решений в промышленных масштабах. Методы. Представлено исследование влияния следующих характеристик печати: типов материала и экструдера; температуры материала; геометрии слоя и сопла на проявление динамики экструзии путем проведения серии экспериментов. Тесты выполнены на трехмерном принтере Creality Ender 3. Полученные экспериментальные данные позволят расширить понимание влияния динамики экструзии при FDM-печати, а также найдут применение для модификации существующих алгоритмов управления динамикой. Представлена модификация алгоритма Advance на основе машинного обучения. Предложено внедрить алгоритм, содержащий две обученные модели нейронной сети. Одна модель предсказывает изменения направления движения печатающей головки для минимизации остаточных дефектов и повышения средней скорости печати. Вторая модель прогнозирует параметр компенсации для конкретных условий печати без необходимости ручной калибровки. Основные результаты. Предложена нейронная сеть, позволяющая определять параметр компенсации в зависимости от типа материала, толщины слоя, геометрии сопла и температуры печати. Обучение нейронной сети выполнено на основе экспериментальных данных. Разработанный алгоритм внедрен в алгоритм Linear Advance системы управления Marlin и протестирован на установке Creality Ender 3. Эксперименты показали, что разработанная модель способна успешно прогнозировать требуемую величину компенсации и может быть применена во время процесса печати. Практическая значимость. Предложенная модификация алгоритма Advance поможет облегчить и автоматизировать процесс компенсации динамики экструзии, что расширит возможности применения трехмерных принтеров в промышленных условиях. Полученный алгоритм может повысить точность и скорость печати, что впоследствии повысит экономическую независимость и конкурентоспособность малых проектных организаций и предприятий России, применяющих трехмерные принтеры. Полученные результаты работы расширят возможности быстрого прототипирования и обеспечат ускорение создания опытных партий.

Выявление структур сообщества в сетевой динамике важно для анализа сети относительно: скрытой структуры, понимания функций, прогнозирования развития, обнаружения необычных событий. В рассмотренных научных исследованиях рекомендуется использовать различные подходы к динамическому обнаружению сообщества. Однако из-за сложности настройки параметров, высокой временной сложности и снижения точности обнаружения по мере увеличения временного интервала распознавание состава сообщества в динамических сетях усложняется. Рассмотрены основные схемы, принципы, свойства и методы моделей латентных факторов, а также их системные модификации, обобщения и расширения. Основное внимание уделено теоретическим и экспериментальным исследованиям моделей латентных факторов за последние десять лет. Скрытая факторная модель — неотрицательная матричная факторизация, считается одной из наиболее успешных для идентификации сообщества и направлена на раскрытие распределенного представления более низкого измерения с целью определения членства в узле сообщества. Модели основаны на реконструкции сети из представлений узлов при условии, чтобы представление обладало особыми желательными качествами (например, не отрицательностью). Цель работы — получить экспериментальный и теоретический сравнительные анализы подходов со скрытым фактором, используемых для обнаружения сообществ в динамических сетях. Разработана общая и улучшенная неотрицательные матричные модели, основанные на факторизации для получения надежных результатов обнаружения сообщества в динамических сетях. Полученные результаты рассчитаны на основе экспериментов, проведенных на языке программирования Python. Предложенная методология моделей сфокусирована на динамике информации, для количественной оценки распространения информации между задействованными узлами. Отличие предложенной модели от существующих состоит в получении топологической информации сети первого порядка, описываемой ее матрицей смежности, без учета распространения информации между узлами. Предложено создание единой современной структуры, предназначенной для концепции неотрицательной матричной факторизации, которая может быть полезна для будущих исследований.

Предмет исследования. Представлена система визуального отображения изменения физиологического состояния пациентов и передачи данных по беспроводной оптической связи. Существующие методы на основе прикроватных мониторов не предоставляют возможность визуального отображения информации вблизи объекта в условиях высокой загруженности персонала и позволяют осуществлять передачу данных по электрическому кабелю или дистанционно в радиочастотном диапазоне. Подобные недостатки снижают оперативность реагирования персонала и приводят к большому количеству ошибок в передаваемых данных. Более эффективна удаленная оперативная система мониторинга, обеспечивающая сбор данных с датчиков, отображение с минимальным временем задержки и передачу данных по помехозащищенному каналу связи в оптическом диапазоне. Простой и наглядный способ отображения информации позволяет оперативно, безошибочно и точно распознать критические ситуации. Метод. Предлагаемая система имеет два канала. По первому каналу осуществляется визуальное отображение изменения физиологического состояния на носимом устройстве в виде браслета. Второй канал передает данные об отклонении в состоянии пациента по беспроводной оптической связи в инфракрасном диапазоне спектра для последующего подробного отображения на компьютере. Визуальное отображение изменения физиологического состояния состоит в программируемом изменении цветности индикаторных светодиодов и изменении режимов их свечения. Полученные результаты. Представлена структурная схема и конструкция системы визуального отображения и передачи данных. В рамках оценки работоспособности системы выполнена оценка нагрева устройства визуального отображения в среде COMSOL Multiphysics. Показано, что средняя температура нагрева индикаторной части, соприкасающейся с кожей человека, не превышает 24 °C и безопасна для пациента. Предложена оптическая схема блока приема и передающего модуля. Оптическая модель модуля разработана в программе Zemax. Предложена оптическая схема блока приема и передающего модуля. Показано, что требуемая средняя оптическая мощность рабочей области спектра составляет 235 мкВт при наличии четырех инфракрасных светодиодов и фотодиодов, расположенных на расстоянии 1 м друг от друга. Рассмотрено описание рабочего макета устройства визуального отображения и передачи данных, включающего цифровой датчик пульса и уровня кислорода в крови, блок управления цветностью и обработки данных, устройство визуального отображения, блок передачи данных. Режимы работы светодиодов и их соответствие отклонению контролируемых параметров проверено специальной программой микроконтроллера. Практическая значимость. Внедрение разрабатываемой системы актуально при мониторинге состояния объекта наблюдения в случаях, когда применение радиочастотного диапазона ограничено, и важную роль играет устойчивость канала передачи данных к электромагнитным помехам.

Предмет исследования. Предложено практически эффективное решение задачи автоматизированной обработки данных ледовой разведки в высоких широтах. Промежуточный результат ледовой разведки — большой массив данных аэрофотосъемки, состоящий из изображений низкого качества. Такой результат является следствием сложных условий аэрофотосъемки в высоких широтах. Цель работы — создание высокоэффективного метода, который при минимальных требованиях к вычислительным ресурсам способен или эффективно обработать предварительно собранный массив данных, или выполнить обработку подобных изображений в реальном масштабе времени. Метод должен обеспечить высокую надежность решения задачи по распознаванию класса распределения льдин на водной поверхности. Решена задача автоматической классификации типа распределения льдин по размерам для трехклассовой модели на основе данных аэрофотосъемки. Рассмотрен практически важный случай низкокачественных снимков, что является обычной ситуацией для метеорологических условий Крайнего Севера. Метод. Предложенный подход основан на использования методов машинного обучения, в частности на мультиклассовой машине опорных векторов, который является крайне нетребовательным к вычислительным ресурсам и поэтому может быть реализован даже бортовым вычислителем беспилотного летательного аппарата ледовой разведки. По входным изображениям низкого качества вычисляются многомерные числовые характеристики входного изображения, которые его информативно характеризуют. Характеристики (признаки) данного типа инвариантны к масштабу, повороту и освещению, а также имеют значительно меньшую размерность, чем исходное изображение. Основная идея, лежащая в основе предлагаемого метода, заключается в формировании оригинальной совокупности признаков. Признаки реализуются в оригинальном пространстве признаков, эффективно характеризуют крупные фрагменты анализируемого изображения и являются «устойчивыми», в отличие от признаков, характеризующих мелкие детали. Основные результаты. Предложен новый метод классификации типа распределения льдин на водной поверхности на основе обработки данных аэрофотосъемки с использованием методов машинного обучения, который эффективен для обработки низкокачественных изображений бортовым вычислителем беспилотного летательного аппарата ледовой разведки. Предложено оригинальное пространство признаков классификации, которое обеспечивает высокую практическую эффективность данного метода. Метод показал высокую эффективность при тестировании на наборе данных, составленном из реальных изображений низкого качества (высокая размытость, нечеткость, наличие метеорологических помех). Практическая значимость. Разработанный алгоритм может быть использован для экспресс-анализа данных ледовой разведки, в том числе и как компонент программного обеспечения бортовых вычислителей беспилотных летательных аппаратов ледовой разведки.

Предмет исследования. Появление нового коронавируса SARS-CoV-2 является основой развития пандемии COVID-19. Пандемия привела к резкому росту нагрузки на системы здравоохранения высокой летальности и существенным трудностям в организации медицинской помощи. Для прогнозирования течения заболевания и определения показания к более агрессивному лечению предложено множество различных клинических и биологических маркеров. Однако не всегда клинико-лабораторная оценка состояния точно предсказывает развитие тяжелого течения болезни. В этом случае технологии, основанные на искусственном интеллекте, могут существенно влиять на оценку прогнозирования. Выполнен системный анализ факторов, влияющих на течение инфекционного заболевания у пациентов с диагностированным COVID-19, госпитализированных в стационар. Метод. Предложенный подход основан на применении машинного обучения для прогнозирования летального исхода у пациентов с установленным диагнозом COVID-19. В основе подхода лежит анамнез пациента и клинические, лабораторные и инструментальные данные, полученные в первые 72 часа нахождения пациента в стационаре. Основные результаты. Алгоритм машинного обучения для прогнозирования летального исхода у пациентов с COVID-19 в течение 72 часов госпитализации продемонстрировал высокую чувствительность (0,816) и специфичность (0,865). Практическая значимость. Созданный алгоритм может помочь улучшить оказание медицинской помощи пациентам, снизить смертность и свести к минимуму нагрузку на врачей во время пандемии COVID-19. При ограничении ресурсов в период пандемии, включая аппараты искусственной вентиляции легких, точное прогнозирование состояния пациентов с тяжелым течением и возможным летальным исходом может дать важные рекомендации для разделения групп пациентов и рационального распределении лечебных ресурсов.

Предмет исследования. Символьное исполнение — широко известный метод систематического исследования путей исполнения программ. Метод позволяет решить ряд важных задач, связанных с контролем корректности: поиск ошибок и уязвимостей, автоматическая генерация тестов и др. Основная идея символьного исполнения — порождение и использование символьных логических выражений при анализе программ в прямом порядке, т. е. от входной точки к точкам интереса. Хорошо известен метод обратного символьного исполнения, когда условия попадания в точку интереса распространяются ко входной точке программы за счет итеративного вычисления слабейших предусловий. Реализовать этот метод, как правило, намного труднее, чем прямое символьное исполнение, так что даже артефакты последнего не удается использовать при реализации. Метод. Исследована связь между прямым и обратным символьными исполнениями на основе вычисления слабейших предусловий. В частности показано, как обратное исполнение может быть реализовано на базе прямого. Основные результаты. Приведено формальное описание процедуры символьного исполнения с ленивой инициализацией для программ с динамической памятью. Предложен алгоритм вычисления слабейших предусловий для произвольных ветвей исполнения программы. Механизм ленивой инициализации и алгоритм вычисления слабейших предусловий реализованы в символьной виртуальной машине KLEE, работающей на базе широко известной платформы LLVM. Практическая значимость. Представленный метод позволяет выполнять обратный символьный анализ при помощи прямого символьного исполнения. Это важно для реализации двунаправленного исполнения программ, которое может быть применено для верификации программ и автоматического порождения тестовых покрытий.

Предмет исследования. Представлены результаты исследования возможности расширения динамических диапазонов термоанемометрических методов. Актуальность работы обусловлена востребованностью новых методов измерения теплогидродинамических параметров высокоскоростных газовых потоков для целей научного приборостроения. Новизна представляемого решения состоит в использовании двух термоанемометров с существенно различающейся тепловой инерцией для одновременного измерения скорости потока и коэффициента теплоотдачи. Метод. Предложенный метод основан на явлении инерционности отклика любой термодинамической системы при ступенчатом тепловом воздействии. Согласно методу в исследуемом потоке, размещают два одинаковых по форме и размерам тела, обладающие разной тепловой инерцией. На тела оказывают ступенчатое тепловое воздействие и выполняют регистрацию нестационарного температурного запаздывания тел друг относительно друга. Используя максимальное значение температурного запаздывания, расчетным путем находят значение коэффициента теплоотдачи тел с исследуемым потоком. Скорость потока определяют по величине момента времени, соответствующего максимальному температурному запаздыванию, при этом используют градуировочную характеристику, полученную предварительно на эталонном потоке. Основные результаты. Научно обоснован новый метод термоанемометрии, получено уравнение измерения метода, разработаны алгоритм измерений и обобщенная схема устройства, реализующего метод, дано значение ожидаемой неопределенности результатов измерений. Результаты моделирования показали, что относительная неопределенность, обеспечиваемая представленным методом, не превышает 1,5 %. Практическая значимость. Разработанный метод позволяет существенно повысить точность и расширить исследуемые динамические диапазоны искомых величин для широкой номенклатуры газовых потоков. Метод может найти применение в расходометрии газовоздушных потоков.

Предмет исследования. Исследованы упруго-релаксационные свойства одноосноориентированных полимерных материалов при динамическом режиме деформирования. Предложено теоретическое объяснение явления возникновения биений. Приведено экспериментальное подтверждение полученных теоретических результатов. Метод. Используя метод барьерной теории и применяя уравнение баланса числа переходов кластеров через энергетический барьер с учетом времени перехода, получено уточненное определяющее уравнение вязкоупругости полимерного материала. Экспериментальные исследования в динамическом режиме проведены методом свободных продольных малоамплитудных колебаний. Основные результаты. Для полимерного материала с учетом времени перехода кластера через энергетический барьер получено уточненное определяющее уравнение. Данное уравнение является дифференциальным уравнением второго порядка и допускает периодическое решение. Рассмотрено применение полученного уравнения к исследованию свободных продольных малоамплитудных колебаний в одноосноориентированных полимерных материалах. Показано, что решение уравнения допускает два близких комплексных корня, существование которых приводит к эффекту наблюдаемых биений. Получены соотношения между параметрами колебательного процесса и вязкоупругими характеристиками. Эксперимент показал, что у исследуемых полимерных материалов в определенном интервале нагрузок наблюдается сложная форма колебательного процесса, аналогичная явлению биений. Зависимость тангенса угла механических потерь, рассчитанного по основной частоте, от напряжения имеет острый максимум в интервале напряжений, где наблюдаются биения. По полученным теоретическим соотношениям и определенным экспериментально коэффициенту затухания и основной частоте определено время перехода кластера через энергетический барьер или время жизни кластера в данном энергетическом состоянии. Использование дополнительной информации, полученной в ходе экспериментов в статических режимах, позволило определить время релаксации для данного материала. Расчет на примере нити из полиэтилентерефталата показал, что теория согласуется с экспериментом. Практическая значимость. На основании экспериментальных данных, получаемых при исследовании свободных продольных колебаний, и решения уточненного определяющего уравнения можно определить необходимые вязкоупругие характеристики, что дает возможность прогнозировать динамические процессы деформирования в полимерных материалах.

Предмет исследования. Рассмотрена проблема создания высоконесущих профилей с энергетическими методами увеличения подъемной силы. Разработана методика математического моделирования профилей, построенных методом решения обратной задачи аэродинамики по заданным свойствам потока, омывающего профиль. Изучена зависимость несущих свойств профилей от расхода отбираемого с их поверхности воздуха. В качестве основы выбран профиль Гриффина/Голдшмида с отбором воздуха в верхней критической точке. Разработаны профили: первый — с плоским днищем для создания на взлете и посадке экранного эффекта, второй — с выбросом отбираемого воздуха через заднюю кромку, третий — модификация второго с увеличенной строительной высотой. Метод. Для построения аэродинамических профилей использовано решение обратной задачи аэродинамики в рамках модели идеального газа. Задано распределение давления на верхней части профиля, его строительная высота и диапазон изменения углов атаки от 0° до 16°, а также степень разрежения до 0,5 атм в щели, через которую отбирался воздух. Для профилей с выбросом воздуха через заднюю кромку в пределах от 50 до 200 % варьировалось отношение расхода выбрасываемого воздуха к расходу отбираемого воздуха. Для каждого полученного варианта выполнены численные расчеты с помощью чисел Рейнольдса в диапазоне от 1,5·105 до 1,5·106 с использованием моделей турбулентности Спаларта–Алмараса, Transition Shear Stress Transport (SST) и Ленгтри, настройка которых производилась по известным эталонным результатам. Основные результаты. Расчеты показали, что профили имеют высокий коэффициент подъемной силы Cy ≈ 3–3,4, который достигается при разрежении в щели 0,5 атм. Cy зависит от угла атаки практически линейно вплоть до максимальных значений. Выброс воздуха через заднюю кромку профиля при степени разрежения 0,5 атм приводит к росту Cy, значение которого зависит от увеличения расхода воздуха. Практическая значимость. Исследованные профили имеют большую строительную высоту и несущую способность, создают тягу даже при отсутствии выдува через заднюю кромку. Эти свойства позволяют их использовать в конструкции воздушных судов, для которых важным является объем внутренних отсеков, необходимых, например для размещения водородного топлива.