Предмет исследования. Исследован процесс формирования динамических голограмм в фоторефрактивном кристалле силиката висмута наносекундными лазерными импульсами при изменении длины волны излучения. Предложена оригинальная схема записи голограмм для сохранения периода решетки при работе на разных длинах волн. Метод. Применен метод импульсной записи динамических решеток на основе предложенной оптической схемы, который обеспечивает выполнение условия Брэгга для зондирующего излучения. Оригинальность схемы заключается в использовании первых порядков дифракции пропускающей дифракционной решетки в качестве опорной и сигнальной волн, а также телескопической системы, примененной для фиксации периода записываемой решетки независимо от используемой длины волны. Основные результаты. Получены кинетические зависимости дифракционной эффективности динамических голограмм в фоторефрактивном кристалле силиката висмута при изменении длины волны записывающего излучения в актуальном спектральном диапазоне (от 450 до 600 нм). Установлен эффект проявления конкурирующих механизмов записи коротко- (сотни микросекунд) и долгоживущих (секунды) решеток, вклад которых зависит от длины волны записывающего голограмму излучения. Определена оптимальная длина волны для получения наибольшей дифракционной эффективности голограмм. Показано, что излучение в сине-зеленой области спектра приводит к преимущественной записи короткоживущей решетки, в то время как в красной области спектра доминируют долгоживущие решетки. Практическая значимость. Необходимость исследований фоторефрактивных кристаллов семейства силленитов определена их применением для мультиплексной записи динамических голограмм и реализации метода адаптивной интерферометрии для отслеживания изменений объектов в реальном времени.

Предмет исследования. Эндоскопы широко применяются для диагностики различных заболеваний внутренних органов. Наиболее совершенные эндоскопы содержат встроенные в зонд миниатюрные телевизионные камеры, которые обеспечивают высокое пространственное разрешение. Однако традиционные телевизионные камеры существенно искажают спектральный состав передаваемого изображения, так как в системе RGB воспроизводят только ограниченные по ширине спектральные линии. Вместе с тем полный оптический спектр изображения обследуемого внутреннего органа несет более обширную информацию, которая может оказаться решающей при диагностике онкологических заболеваний. Таким образом, важную роль играет спектральное разрешение изображения. Метод. Для эффективного выявления одновременно пространственной и спектральной информации предложено применять многоспектральную обработку. В результате обработки возможно получение серии монохромных субизображений, каждое из которых соответствует выбранному разрешаемому спектральному интервалу. В качестве селективного элемента, позволяющего в реальном времени выделять субизображения, использованы акустооптические перестраиваемые фильтры. При этом увеличение спектрального разрешения сопровождается падением пространственного разрешения. Для решения этой проблемы предложен новый гибридный эндоскоп, в котором реализован метод совместного применения телевизионной камеры и устройства многоспектральной обработки. Основные результаты. Показано, что предложенный метод гибридной эндоскопии дает возможность обеспечить высокие разрешения: пространственное с помощью камеры и спектральное (не менее сотни разрешимых интервалов) благодаря многоспектральной обработке. Получаемые оптические изображения позволяют выявлять четкие очертания области новообразования. Результаты многоспектральной обработки диагностируют злокачественную природу новообразований. Представлена структурная схема предложенного эндоскопа, и показаны принципы управления. Определены характеристики телевизионных и многоспектральных изображений. Оценка линейности характеристик акустооптических фильтров показала возможность передачи максимального объема информации за счет линейности преобразования сигнала в звеньях фильтров. Практическая значимость. Реализация предложенного метода в конструкции гибридного эндоскопа позволила получать наиболее полную спектральную информацию о новообразованиях и обеспечить возможность диагностики рака внутренних органов на более ранних стадиях развития.

Предмет исследования. Исследованы оптические схемы дисплеев дополненной реальности волноводного типа. Дисплеи, построенные на основе объемных фазовых голограмм, отличаются малыми размерами, большим выходным зрачком и высоким коэффициентом пропускания в каналах проецируемого изображения и прямого зрения. Однако с увеличением апертуры, поля зрения и рабочего спектрального диапазона увеличивается разброс значений угла падения луча и длины волны излучения при решении задачи дифракции в разных точках поверхности голограммы. Это накладывает ограничения на пространственное разрешение и дифракционную эффективность. Для преодоления данного явления предложено использовать композитную голограмму, в виде объемной фазовой решетки, разделенной на зоны с независимо изменяющимися параметрами наклона полос, формой и толщиной голографического слоя, а также глубиной модуляции. Метод. Предложен алгоритм, который позволяет проводить трассировку луча через голограмму, записанную двумя точечными когерентными источниками при помощи вспомогательного асферического зеркала. Первоначальная трассировка луча в схеме записи голограммы выполнена с использованием минимизации функции ошибок методами покоординатного спуска и золотого сечения. На основе полученных результатов с помощью уравнения Уэлфорда вычислены направляющие векторы дифрагированного луча. С использованием результатов трассировки на базе теории связанных волн Когельника определена дифракционная эффективность голограммы. Предложенные алгоритмы реализованы в среде Zemax Optics Studio. Основные результаты. Применение представленного композитного голограммного элемента и средств моделирования его работы показаны на примере дисплея, работающего в диапазоне 510–530 нм с полем зрения 7°36ʹ × 5°48ʹ и диаметром выходного зрачка 8 мм. Предложенные решения позволили повысить дифракционную эффективность в 3,45 раза, а пространственное разрешение на 12,7 %, которое варьируется по полю зрения в пределах 0ʹ44ʺ–1ʹ6ʺ. Практическая значимость. Применение композитных голограмм позволит создавать дисплеи, отличающиеся более высоким пространственным разрешением и яркостью проецируемого изображения, а также равномерностью характеристик по полю зрения.

Предмет исследования. В работе предложен метод инфракрасной спектроскопии для объективного контроля клеящего состава при производстве бумаги. Для проклейки бумаги с целью повышения механической прочности и снижения водопоглощения используются гидрофобизирующие материалы. Один из наиболее эффективных и используемых гидрофобизирующих материалов — канифоль из сосновой живицы. В работе исследованы свойства нового клея на основе канифоли из живицы черешневого дерева для использования его при проклейке в бумажной массе, с целью расширения номенклатуры проклеивающих веществ и снижения доли импортной составляющей в структуре местного бумажного производства. Метод. Для идентификации клея на канифольной основе из живицы черешневого дерева использован метод инфракрасной спектроскопии. Встроенное устройство с алмазным кристаллом универсального и компактного ИК-Фурье спектрометра Nicolet iS50 от Thermo Scientific позволило зарегистрировать спектры в среднем и дальнем инфракрасных диапазонах вплоть до 100 см–1. Эффективность проклейки образцов бумаги исследована по стандартным методикам и оценена по следующим свойствам: плотность, прочность на разрыв при растяжении на разрывной машине, поверхностная впитываемость при одностороннем смачивании. Основные результаты. По инфракрасным спектрам на основании близости химического состава выявлена идентичность проклеивающего вещества из живицы черешневого дерева клею из сосновой живицы, используемого для сравнения. Сравнительный анализ механических и поверхностных свойств образцов бумаги подтвердил возможность использования исследуемого проклеивающего вещества, так как получены значения свойств, близкие к клею, примененному для сравнения. При этом целесообразным является добавление в предлагаемое вещество сухого целлюлозного сырья в пределах от 1 до 1,5 г на 100 г. Практическая значимость. Применение метода инфракрасной спектроскопии для экспресс-анализа состава проклеивающего вещества является перспективным, так как появляется возможность управления технологическим процессом и создание проклеенных видов бумажной продукции с заданными свойствами, обеспечивающими качество печати без потерь мелких деталей изображения.

Предмет исследования. Рассмотрена задача оптимизации параметров матрицы видеокамеры для снижения избыточности информативности видеосигнала. Актуальность темы обусловлена существующей избыточностью формируемых матрицами видеосигналов в разных частях зоны наблюдения и, как следствие, избыточной загрузкой устройств передачи, хранения и обработки сигналов. Данная задача решена путем достижения равномерности распределения плотности пикселов по зоне наблюдения. Методика основана на решении задачи программным способом в отличие от существующих решений, использующих аппаратные методы. Метод. Предложен метод представления зоны обзора как совокупности подмножеств пространства задач наблюдения с последующей ее фрагментацией. Задачи наблюдения определяют требуемую минимальную плотность пикселов в разных фрагментах. Основные результаты. Осуществлена сегментация матрицы в соответствии с размерами фрагментов зоны наблюдения и заданным допустимым диапазоном изменения распределения плотности пикселов в зоне обзора телекамеры. Предложены обязательные и дополнительные критерии оптимизации распределения. Сформулирована методика оптимизации. В соответствии с коэффициентом избыточности распределения плотности пикселов в сегментах произведено объединение пикселов в группы, различные в разных сегментах. Приведены примеры решения задач оптимизации по разным критериям. Практическая значимость. Предложенный подход позволил минимизировать избыточность плотности пикселов и, как следствие, снизить загрузку каналов связи, объем памяти устройств хранения видеоинформации и требования к производительности устройств обработки видеосигналов. Решена задача формирования непрерывного изображения зоны наблюдения. Результаты работы могут найти применение при обработке видеосигналов и разработке новых телекамер систем наблюдения.

Предмет исследования. В процессе изготовления изделий с высокой степенью точности широко используется оборудование с числовым программным управлением. Известно, что в процессе изготовления изделий числовые программные устройства до сих пор не позволяют скомпенсировать влияние вибраций и связанное с ними появление неровностей на поверхности изделий. Предложена модифицированная платформа Стюарта, которая обладает тремя степенями свободы и может вращаться вдоль осей X и Y, и линейно перемещаться вдоль оси Z. Такая платформа может быть использована для увеличения точности и стабилизации в оборудовании с числовым программным управлением. Выполнена оценка точности позиционирования модифицированной платформы Стюарта. Метод. Разработаны макет и симуляционная модель модифицированной платформы Стюарта. В качестве данных для сравнения использованы углы наклона платформы. В ходе эксперимента для определения ошибки позиционирования изменена не только величина линейного перемещения, но и угол в плоскости X–Y, изменение которого показало влияние на величину ошибки выставления угла в плоскости Z–A. Симуляция проведена в программе MATLAB. В результате получен угол поворота платформы. Выполнено сравнение результатов расчета углов наклона модели и макета модифицированной платформы Стюарта с соответствующими размерами. Модель предоставляет данные об угле наклона, высоте, длине сторон и их относительном удлинении. Результаты. Обнаружено, что угловое перемещение платформы согласуется с предварительно вычисляемым положением согласно разработанной симуляционной модели, а ошибка позиционирования мала и постоянна. Предложенный метод может быть применен для оценки ошибки позиционирования платформы и дальнейшей калибровки механизмов с пространственной кинематикой. В ходе перемещения подвижного звена изменение его пространственного положения влияет на возможность перемещения остальных звеньев. При этом величина ошибки позиционирования при разных положениях подвижных звеньев изменяется. Показано, что в одном направлении погрешность остается практически неизменной. Погрешность механизма позиционирования платформы может быть уменьшена путем изменения конструкции платформы и использования деталей, обеспечивающих более точное перемещение. На основании предварительных измерений возможно построение таблицы с поправками, к которой будет обращаться управляющая программа для корректировки пространственного положения подвижной платформы. Точность и повторяемость перемещений могут быть улучшены, что позволяет применить платформу в оборудовании с числовым программным управлением. Практическая значимость. Разработанная методика позволяет проводить оценку погрешности позиционирования подвижной платформы механизма с пространственной кинематикой. Таким образом, ошибка позиционирования подвижной платформы может быть уменьшена, либо скомпенсирована. Представляется возможным обеспечение калибровки подвижной платформы в автоматическом режиме.

Предмет исследования. Рассмотрена задача компенсации внешних неизвестных возмущений по выходу при неизмеримом векторе состояния для класса линейных систем с запаздыванием в канале управления. Предполагается, что возмущение является выходом автономного линейного генератора. Метод. Для оценки возмущения построен специальный наблюдатель. На основе оценок наблюдателя сформирована система с расширенным вектором состояния, для которой построен регулятор, обеспечивающий компенсацию возмущения. Основные результаты. Представлен метод компенсации по выходу внешних возмущений для класса линейных систем с входным запаздыванием. Предложенный подход не требует идентификации параметров возмущения. Работоспособность полученного результата подтверждена с использованием компьютерного моделирования в среде MATLAB Simulink. Практическая значимость. Разработанный алгоритм может быть эффективно применен для класса задач, связанных с компенсацией качки в корабельных системах, в управлении движением робототехнических комплексов различного вида и других.

Методы получения наночастиц хорошо известны, однако стабильно повторяемое получение наночастиц с одинаковыми специфическими характеристиками, позволяющими их использовать в качестве биосенсоров, в настоящее время представляет собой проблему. Проблема многих методов заключается в получении результатов с хорошей воспроизводимостью оптических свойств и их стабильностью во времени. В работе получены наночастицы AgInS2 в виде коллоидных квантовых точек различными методами. Выполнен анализ процесса синтеза, который влияет на оптические характеристики наночастиц, их размер, состав, спектры поглощения и люминесценции. Для получения нанокристаллических частиц при изготовлении AgInS2 применен капиллярный электрофорез с модификациями растворителя и температуры. Обнаружено, что накопление Ag в решетке InS способствует деформации, которая приводит к структурным дефектам и, следовательно, к смещению спектральной полосы люминесценции. Исследованы характеристики смешанных наночастиц AgInS2 при различных вариациях технологии изготовления, стабильности поверхности и включения металлических примесей. Показано, что в спектрах люминесценции наночастиц AgxIn1–xS2 доминирует одна полоса. Исследована зависимость между стехиометрическим соотношением, амплитудой люминесценции, шириной линии и максимальной длиной волны. Средний размер полученных нанокристаллов определен с использованием метода динамического светорассеяния. Расчетный размер наночастиц составил в среднем 3–3,5 нм.

Предмет исследования. Соединения III-V-N являются перспективным классом твердых растворов, которые могут активно использоваться в оптоэлектронных приборах, работающих в широком спектральном диапазоне вплоть до 3 мкм. Соединения также применяются для увеличения эффективности фотодетекторов, лазеров в волоконно-оптических линиях связи и телекоммуникационных системах. В работе исследованы особенности различных способов получения новых полупроводниковых материалов III-V-N. Тонкие пленки InGaAsN получены методом импульсного лазерного напыления на подложках GaAs (100) и Si (100) в атмосфере активного фонового газа. Метод. Импульсное лазерное напыление тонких пленок InGaAsN проведено с использованием мишени In0,02Ga0,98As в атмосфере особо чистой аргоно-азотной смеси при давлениях 2, 5 и 10 Па. В качестве источника лазерного излучения использовался лазер AYG:Nd3+ с длиной волны 532 нм (вторая гармоника), плотностью энергии лазерного излучения 2,3 Дж/см2, частотой следования импульсов 15 Гц и длительностью импульса 10 нс. Температура подложки составила 350 °C, время напыления 60 мин. Основные результаты. Показано, что поверхность тонких пленок текстурирована микрокаплями. Установлено, что микрокапли на поверхности тонкой пленки образованы металлическим индием, а их распределение по поверхности пленки в основном упорядочено в виде линий. Подобное явление можно объяснить наличием дислокаций несоответствия. Средний размер микрокапель на поверхности пленки InGaAsN на GaAs (100) около 30 нм, а их плотность не превышала 0,076 мкм–2. Для сравнения в пленках, полученных на Si подложках при давлении 2 Па, наибольшая плотность микрокапель — 0,26 мкм–2. Наименьшая плотность микрокапель на поверхности (0,17 мкм–2) зафиксирована в образцах тонкой пленки InGaAsN на Si (100), полученной при давлении 10 Па. Отмечено, что интенсивность локальной фононной колебательной моды (Local Vibrational Modes, LVM) InN на частоте 430 см–1 возрастает с увеличением давления аргонно-азотной смеси при импульсном лазерном напылении в спектрах комбинационного рассеяния пленок InGaAsN на Si. Обнаружены фононные моды второго порядка: LVM InN на частоте 450 см–1 и LVM GaN — 470 см–1. Данное обнаружение подтверждает наличие азота в тонкой пленке InGaAsN, полученной методом импульсного лазерного напыления. Показано, что увеличение давления аргоно-азотной газовой смеси при импульсном лазерном напылении способствует увеличению концентрации азота в тонких пленках InGaAsN на Si. Установлено, что концентрация азота в пленках InGaAsN, полученных при давлении 10 Па на подложках GaAs (100) и Si (100), различается незначительно и составляет 1,9 и 1,8 % соответственно. Практическая значимость. Представленные результаты могут быть использованы при создании на основе полученных тонких пленок InGaAsN высокоэффективных фотоэлектрических преобразователей, фотодетекторов ближнего и среднего инфракрасного диапазона до 3 мкм.

Предмет исследования. Исследовано распределение концентрации электронов в однородно легированных кремнием сверхрешетках AlGaAs/GaAs с толщинами слоев 1,5/10 нм и различным количеством квантовых ям. Метод. Структуры с одинаковыми параметрами слоев и уровнем легирования, содержащие 3, 5 и 25 периодов, выращены на установке молекулярно-пучковой эпитаксии. Профили концентрации носителей в структурах определены методом вольт-фарадного профилирования экспериментально и с помощью численного моделирования. Основные результаты. В результате анализа экспериментальных вольт-фарадных характеристик получено, что концентрация носителей заряда растет с увеличением числа квантовых ям от 7,1∙1016 см–3 (для трех ям) до 9,2∙1016 см–3 (для 25-ти ям) при уровне легирования 1017 см–3. На профилях концентрации у части образцов наблюдаются плоские участки насыщения в областях, соответствующих сверхрешетке. Концентрации, полученные из компьютерного моделирования, соответствуют экспериментальным данным с точностью в пределах 10 %. Практическая значимость. Вольт-фарадное профилирование позволило определить профиль концентрации носителей по глубине в сверхрешетках с узкими барьерами. Несмотря на то, что метод дает представление о распределении «кажущейся» концентрации носителей, его можно использовать для оценки характера распределения легирующей примеси в гетероструктурах с сильно связанными квантовыми ямами.

Предмет исследования. Исследовано влияние внешнего электрического поля на люминесцентные характеристики наночастиц сульфида серебра, внедренных в пленку на основе оптически пассивной диэлектрической матрицы. Метод. Исследование люминесцентных характеристик выполнено методами оптической спектроскопии, а также времяразрешенной спектроскопии с применением техники времякоррелированного счета одиночных фотонов. Морфология наночастиц изучена при помощи просвечивающей электронной микроскопии. Основные результаты. Показано, что помещение наночастиц сульфида серебра во внешнее электрическое поле приводит к увеличению интенсивности полосы рекомбинационной люминесценции, а также к ускорению процессов релаксации электронного возбуждения. Этот эффект можно объяснить тем, что электрическое поле увеличивает скорость транспорта свободных дырок к электронным ловушкам, которые играют роль центров излучательной рекомбинации. Практическая значимость. Показано, что наночастицы сульфида серебра могут быть эффективно использованы в качестве активных слоев органических светоизлучающих диодов, где внешнее поле порядка 500 кВ/см не приведет к ухудшению их рабочих люминесцентных характеристик.

Предмет исследования. Количественный послойный анализ поверхностных слоев тонких пленок проводят с помощью метода рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии по расчетной модели, которая предполагает, что поверхностные слои образца однородны и плоскопараллельны. Однако практически любая поверхность ультратонкой пленки неровная. Исследование такой поверхности по модели плоскопараллельных слоев может привести к некорректным результатам. В настоящей работе для анализа ультратонкой пленки предложено использовать модель неоднородного стохастического наноструктурированного поверхностного слоя. Метод. Поверхностные стохастические наноструктурированные неоднородности описаны функцией нормального распределения Гаусса и определяются тремя параметрами: дисперсия (разброс толщин по слою), средняя и максимальная толщины поверхностного слоя. Впервые определен вид рентгеновского фотоэлектронного спектра неоднородной стохастической наноструктурированной поверхности с помощью функций рождения и прохождения фотоэлектронов через поверхностный слой. Разработанная модель основана на следующих предположениях: фотоэлектроны рождаются в веществе и движутся прямо-вперед (приближение Straight Line Approximation) по нормали к поверхности, плотность их потока ослабевает в слое по закону Бугера–Ламберта; фотоэлектроны с различными энергиями теряют энергию по-разному; потери энергии фотоэлектронов в объеме и на поверхности слоя различны. Основные результаты. Выполнено моделирование рентгеновских фотоэлектронных спектров окисленной металлической пленки по следующим моделям: однородные плоскопараллельные слои, островковый и неоднородный стохастический наноструктурированные поверхностные слои. Определены границы применимости моделей однородных плоскопараллельных слоев и простого периодически островкового наноструктурированного поверхностного слоя для анализа неоднородной стохастической наноструктурированной поверхности. При некоторых параметрах неоднородного стохастического поверхностного слоя модель однородных плоскопараллельных слоев показывает удовлетворительные результаты послойного анализа. Показано, что модель простого периодически наноструктурированного островкового слоя дает неадекватные результаты при анализе неоднородной стохастической поверхности. Практическая значимость. Проведенные в работе исследования показали, что для более точного послойного анализа неоднородной ультратонкой пленки необходимо учитывать неоднородность реальной поверхности, в противном случае полученные результаты будут не соответствовать фактическим.

Предмет исследования. Представлены результаты исследования люминесцентных свойств органических светоизлучающих диодов на основе новых люминесцентных соединений, содержащих кумариновый фрагмент. Метод. Изготовление светоизлучающих диодов проведено методами центрифугирования и термического напыления в вакууме в условиях чистой комнаты. Измерение характеристик светодиодов выполнено методами оптической спектроскопии, а также электрическими методами. Основные результаты. Экспериментально показано, что формирование активного слоя светодиода на основе люминесцентных соединений, содержащих кумариновое ядро, приводит к образованию димеров, спектр люминесценции которых существенно отличается от спектра исходного соединения в растворе толуола. Преобразование структуры соединения привело к изменению вольтамперных характеристик результирующего устройства и спектров свечения. Данные измерения возникли из-за различий электронной структуры исследуемых соединений, а также разницы значений подвижностей носителей заряда и высот потенциальных барьеров, возникающих на гетерогранице с другими рабочими слоями светодиода. Практическая значимость. Полученные результаты могут служить основой для систематизации знаний о зависимости свойств новых люминесцентных соединений, в состав которых входит кумариновое ядро, от их структуры. Структуры, разработанные в рамках работы, могут стать прототипами для промышленно выпускаемых светоизлучающих устройств, излучающих в том числе белый свет.

Обработка трением с перемешиванием (Friction Stir Processing, FSP) — технология, в которой микроструктура материала и его механические свойства усиливаются за счет воздействия трения специальным инструментом. Существует множество применений материалов, получаемых методом FSP, которые используются в различных отраслях промышленности, в том числе аэрокосмической, судостроении, приборостроении и многих других. В работе представлено исследование гибридного композита, изготавливаемого из порошков карбида кремния (SiC) и Rice Husk Powder (RHP) в качестве армирующего элемента, включаемого в алюминиевый сплав Al6082. Исследование характеристик изготовленного композита выполнено с применением оптического микроскопа, автоэмиссионного сканирующего электронного микроскопа рентгеновским дифракционным методом. Определены прочность на растяжение и твердость. Методом микроскопии выявлено, что на поверхности композита происходит модификация микроструктуры. Рентгеноструктурный анализ показал наличие в спектре элементов, аналогичных гибридной композиции Al/SiC/RHP. Показано увеличение прочности на растяжение и твердости по Бриннелю в 1,36 и 1,75 раза соответственно по сравнению с основным алюминиевым материалом.

За последние несколько лет количество устройств, используемых в беспроводных сенсорных сетях (Wireless Sensor Networks, WSN), растет в геометрической прогрессии. Данный рост связан с появлением множества сложных приложений, что приводит к серьезным проблемам безопасности. Устройства в WSN должны быть защищены от воздействия различных атак. Сети можно настроить динамически без фиксированной инфраструктуры, а их устройства могут обмениваться данными друг с другом в режиме ad-hoc. Из-за динамической природы WSN-маршрутизация считается сложной задачей, которая должна эффективно выполняться с помощью надежного механизма. Несмотря на то, что для таких сетей разработано множество схем маршрутизации, они плохо масштабируются. В работе представлена стратегия многопутевой маршрутизации. Маршрутизация выбрана на основе доверенных узлов, которые идентифицированы с использованием доверенных показателей каждого узла в сети. Метрики рассчитаны на основе порогового значения узлов и далее установлена безопасная маршрутизация с помощью изоляции от пути узла, перехватывающего атаки. Выполнен анализ производительности работы сети с точки зрения потери пакетов, времени вычислений и пропускной способности. Приведено сравнение производительности с современными схемами маршрутизации, такими как расширенная устойчивость к атакам на основе нескольких атрибутов (Enhanced Multi Attribute Based Attack Resistance, EMBTR), модель безопасной маршрутизации на основе доверия (Trust based Secure Routing Model, TSRM) и инфраструктура маршрутизации с поддержкой доверия для WSN (Trust-Aware Routing Framework for WSNs, TARF). Результат моделирования показал, что предложенная схема превосходит другие варианты с точки зрения вычислительных затрат, пропускной способности и задержки.

Предмет исследования. Представлен метод описания вычислительных механизмов и документирования вычислительных платформ. Новизна метода заключается в использовании унифицированных средств для документирования на разных уровнях гранулярности аппаратного, программного и инструментального обеспечения, а также реконфигурируемых (интеллектуальных, адаптивных) компонент. Метод позволяет представлять в понятном виде вычислительные системы с нестандартными архитектурными решениями. Метод. Предложенный метод заключается в описании идеальной модели вычислительной платформы с ее последующей итеративной детализацией. Особенность метода — наличие единого для различных систем ядра, которое используется для упрощения описаний и структурирования информации. Ядро включает в себя универсальные элементы и создано на основе анализа большого количества архитектур вычислительных систем. Основные результаты. С использованием предложенного метода описаны принципы организации широкого спектра вычислительных платформ. Рассмотрены следующие платформы: обобщенные процессоры с классической архитектурой, которая является развитием принципов фон-Неймана; программно-аппаратные системы на базе микроконтроллеров; операционные системы общего назначения; крупногранулярные и мелкогранулярные реконфигурируемые вычислительные системы; специализированные процессоры и ускорители; искусственные нейронные сети. Практическая значимость. Предложенный метод может быть использован для структурирования информации как по традиционным, так и по активно развивающимся направлениям: реконфигурируемым вычислительным системам и специализированным процессорам. На основе метода создана общая база универсальных вычислительных механизмов, пригодных для использования в разных узлах системы, для объектов разной гранулярности программными, аппаратными и иными средствами, на разной элементной базе. Результаты работы могут быть полезны системным архитекторам для документирования сложных вычислительных компонент, состоящих из программных, аппаратных и прочих механизмов. Метод направлен на упрощение повторного использования вычислительных механизмов и призван облегчить генерацию новых архитектурных решений. Также метод может быть полезен при обучении профильных специалистов, поскольку позволяет демонстрировать основные принципы вычислительной техники.

Предмет исследования. Системы автоматического распознавания речи (Automatic Speech Recognition, ASR) активно внедряются в нашу повседневную жизнь, тем самым упрощая способ взаимодействия с электронными устройствами. Развитие интегральных (end-to-end) подходов только ускоряет данный процесс. Тем не менее постоянная эволюция и большая степень флективности русского языка приводят к проблеме распознавания новых вне словарных (Out Оf Vocabulary, OOV) слов, которые не принимали участие в процессе обучения ASR-системы при ее создании. В связи с этим ASR-модель может прогнозировать наиболее похожее слово из обучающих данных, что влечет к ошибке распознавания. Особенно это касается ASR-моделей, использующих декодирование на основе взвешенного конечного автомата (Weighted Finite State Transducer, WFST), так как они заведомо ограничены списком словарных слов, которые могут появиться в результате распознавания. Выполнено исследование проблемы на основе открытой базы русского языка (common voice) и интегральной ASR-системы, использующей WFST-декодер. Метод. Предложен метод дообучения интегральной ASR-системы на основе дискриминативной функции потерь MMI (Maximum Mutual Information) и метода декодирования интегральной модели с помощью TG графа. Дискриминативное обучение позволило сгладить распределение вероятностей предсказания акустических классов, добавив таким образом большую вариативность в результате распознавания. Так как декодирование с помощью TG графа не имеет ограничений на распознавание только словарных слов, оно позволило использовать языковую модель, обученную на большом количестве внешних текстовых данных. Основные результаты. В качестве тестового множества использована восьмичасовая подвыборка из базы common voice. Общее число OOV-слов в тестовой выборке составило 18,1 %. Полученные результаты показали, что использование предложенных методов сократило пословную ошибку распознавания на 3 % в абсолютном значении относительно стандартного метода декодирования интегральных моделей. При этом сохранилась возможность распознавания OOV-слов на сравнимом уровне. Практическая значимость. Использование предложенных методов может улучшить общее качество распознавания ASR-систем и сделать их более устойчивыми к распознаванию новых слов, которые не участвовали в процессе обучения модели.

Предмет исследования. Широкое распространение киберфизических систем, а также повсеместная интеграция вычислительных ресурсов в физические сущности привели к повышению рисков преднамеренных и случайных инцидентов безопасности. В связи с этим приобретает особую актуальность разработка новых и совершенствование существующих методов и средств мониторинга таких систем. Создаваемые и модернизируемые методы должны обладать повышенной полнотой и точностью идентификации, в особенности для объектов критической инфраструктуры. Метод. Предложен оригинальный метод обработки данных мониторинга состояния киберфизических систем на основе анализа временных рядов с применением весовых коэффициентов значимости в качестве постобработки результатов классификации. Метод отличается от существующих комбинированным подходом, сочетающим применение в системах мониторинга событий информационной и функциональной безопасности. Характеризуется использованием ансамбля деревьев решений, а также параллельно работающих классификаторов и весовых коэффициентов Фишберна при анализе совокупности наиболее информативных признаков, полученных из временных рядов. Основные результаты. Применимость метода обоснована при помощи вычислительного эксперимента на известном наборе данных, характеризующем функционирование информационной и физической составляющих при осуществлении различных типов атак на компоненты экспериментального стенда киберфизической системы водоочистки. Точность идентификации по сравнению с лучшими подходами, представленными в научных работах при использовании разработанного метода, увеличилась на 1,45 %, полнота — на 4,45 % и составила 99,85 % для обоих показателей. Практическая значимость. Полученные результаты адаптированы для практического использования в системах идентификации состояния киберфизических систем. Теоретическая значимость состоит в возможности использования результатов исследования при проектировании систем мониторинга информационной и функциональной безопасности киберфизических систем.

Предмет исследования. Исследована волновая модель представления коротких текстов на русском языке. Модель является одной из реализаций дистрибутивной семантики. В модели учтены не только частоты встречаемости слов в тексте, но и их взаимное влияние. Итогом реализации модели служит повышение точности анализа тональности коротких текстов. Метод. Основу определения взаимосвязей между текстом и термином составляет расчет амплитуды вероятности близости текста к термину с использованием волновой модели. Термин, обладающий наибольшей амплитудой вероятности, считается наиболее точно соответствующим смыслу текста. Волновая модель позволяет учесть тот факт, что известные методы определяют антонимы как семантически близкие лексические единицы. Основные результаты. Для экспериментального исследования предложенного метода выбрано решение задачи сентимент-анализа, то есть нахождения соответствия отзывов пользователей о покупках на маркетплейсе классам «позитивный» и «негативный». В результате эксперимента получена точность оценки тональности текста до 76,4 %, что превышает точность классического подхода, а также известных методик сентимент-анализа для русского языка. Выявлено значительное влияние таких параметров модели, как выбор базисной дистрибутивно-семантической модели, выбор контрольной точки для расчета волновых чисел, учет влияния антонимов на точность классификации. Представленная модель показала высокую точность в выявлении взаимосвязей текста с не присутствующими в нем явно понятиями. Практическая значимость. Предложенный метод может успешно применяться как математическая основа решения задач сентимент-анализа. Полученные результаты показали потенциальные возможности использования волновой модели в областях, требующих классификации текстов по косвенным признакам, например, для определения элементов психологического портрета автора.

Предмет исследования. Рассмотрены алгоритмы оперативной автоматизированной оценки параметров электрокардиограммы в условиях отсутствия специализированного оборудования и профильных специалистов. Метод. Электрокардиограмма пациента записана на бумажную ленту, которая сфотографирована на мобильный телефон врача первичного звена и обработана специализированным приложением. С помощью приложения выполнена оцифровка фотографируемого изображения электрокардиограммы, оценка ее основных параметров, а также расчет критериев для дифференциальной диагностики отдельных заболеваний по приближенным формулам. Кроме того, оцифрованное изображение электрокардиограммы передается на сервер и обрабатывается с помощью системы машинного обучения. Основные результаты. Разработаны алгоритмы оцифровки и анализа электрокардиограммы, которые могут быть использованы для оценки ее элементов, важных для диагностики. Средняя ошибка определения положения наиболее сложных (сглаженных) пиков — зубцов P и T — составила не более 0,1 мм. Предложен алгоритм критериального анализа электрокардиограммы для поддержки дифференциальной диагностики острого инфаркта миокарда с подъемом сегмента ST и синдрома ранней реполяризации желудочков, который обеспечил значения точности 0,85 и F-меры 0,74. Представлен альтернативный алгоритм на основе глубокой нейронной сети, который обеспечивает лучшие значения точности и F-меры — 0,96 и 0,88, но требует больших затрат вычислительных ресурсов и выполнения расчетов на сервере. Практическая значимость. Алгоритмы реализованы в виде набора библиотечных функций. Они могут быть использованы как самостоятельно, так и в составе полномасштабной системы поддержки принятия клинических решений для автоматизированной оценки параметров электрокардиограммы на основе клиент-серверной архитектуры. Все результаты расчетов совместно с фотографией исходной электрокардиограммы могут быть оперативно переданы квалифицированному кардиологу с целью дистанционного получения консультативного заключения.

Предмет исследования. Регулярным условием, характерным для пакетной маршрутизации, а также задач транспортировки грузов и управления потоками, является изменчивость графа, на котором осуществляется маршрутизация. Это условие учитывают алгоритмы адаптивной маршрутизации, использующие обучение с подкреплением. Однако при значительных изменениях графа существующим алгоритмам маршрутизации требуется полное переобучение. Метод. Предложен новый метод, основанный на мультиагентном моделировании с агентами-клонами, с использованием новой архитектуры нейронной сети с многоголовым внутренним вниманием, которая предобучена в рамках парадигмы обучения с нескольких взглядов. Агент в такой парадигме использует вершину как вход, а его клоны помещены в вершины графа и осуществляют выбор соседа, которому следует передать объект. Основные результаты. Выполнен сравнительный анализ с существующим алгоритмом мультиагентной маршрутизации DQN-LE-routing по следующим этапам: предобучение и симуляция. Для каждого этапа рассмотрены запуски с помощью изменения топологии в процессе тестирования или симуляции. Эксперименты показали, что предложенный метод повышения адаптивности обеспечивает глобальную адаптивность, увеличивая время доставки при глобальных изменениях не более чем на 14,5 % от оптимального. Практическая значимость. Предложенный метод может быть использован для решения задач маршрутизации со сложными функциями оценки пути и динамически меняющимися топологиями графов, например, в транспортной логистике и для управления конвейерными лентами на производстве.

Предмет исследования. Рассмотрена задача маршрутизации системы конвейерных лент на основе мультиагентного подхода. В большинстве данных конвейерных систем багажных лент в аэропортах используются алгоритмы маршрутизации, основанные на ручном моделировании поведения конвейеров. Такой подход плохо масштабируем. Новые исследования в области машинного обучения предлагают решать задачу маршрутизации с помощью обучения с подкреплением. Метод. Сформулирован подход к совместному обучению агентов и векторных представлений графа. В рамках подхода предложен алгоритм QSDNE, использующий агентов DQN и векторные представления SDNE. Основные результаты. Выполнен сравнительный анализ разработанного алгоритма c алгоритмами мультиагентной маршрутизации без совместного обучения. На основании результатов работы алгоритма QSDNE сделан вывод о его эффективности для оптимизации времени доставки и энергопотребления в конвейерных системах. Алгоритм позволил сократить среднее время доставки на 6 % по сравнению с лучшим аналогом. Практическая значимость. Разработанный подход может быть использован для решения задач маршрутизации со сложными функциями оценки пути и динамически меняющимися топологиями графов, а предложенный алгоритм — для управления конвейерными лентами в аэропортах и в цеховых производствах.

Предмет исследования. Представлены результаты численного моделирования процесса переноса излучения в газожидкостных пенах. Для исследования переноса зондирующего излучения в газожидкостных пеноподобных средах на различных этапах старения предложен метод численного моделирования Монте-Карло. Для учета переотражения на границах раздела двух фаз применена методика на основе формул Френеля. Метод. В качестве модельной среды рассмотрены ячеистые структуры Кельвина, имитирующие газовые пузырьки в жидкой матрице в процессе старения (coarsening), представляющем переход пеноподобной среды от «влажной» к «сухой». Подобный переход для изолированной системы обусловлен медленным стеканием жидкости по стенкам газовых ячеек и каналам Плато–Гиббса вследствие влияния гравитационной силы. В процессе эволюции происходит уменьшение объемной доли жидкой фазы и увеличение среднего размера газовых ячеек пеноподобной среды. Трехмерная ячеистая структура на разных этапах эволюции представлена как система плотноупакованных упорядоченных сфер или тетрадекаэдров различных геометрических размеров в зависимости от длительности процесса старения. Основные результаты. На основе численного моделирования методом Монте-Карло и формул Френеля получены значения коэффициентов пропускания и обратного рассеяния зондирующего излучения для газожидкостной пены. Полученные результаты хорошо коррелируют со спектрометрическими измерениями вспененной жидкости производства Gillete (Gillete shaving cream). Приведен анализ влияния фактора анизотропии среды на среднюю оптическую длину зондирующего излучения. Практическая значимость. Разработка теоретических подходов к диагностике двухфазных пеноподобных материалов позволит оптимизировать синтез вспененных материалов с заданными реологическими и структурными свойствами и повысить эффективность оценки функциональных параметров подобных материалов.

Предмет исследования. Современные акустико-эмиссионные диагностические системы и комплексы являются чувствительным инструментом обнаружения развивающихся дефектов при мониторинге технического состояния объектов в условиях эксплуатационных нагрузок на ранних стадиях. Существенное ограничение применения метода акустической эмиссии — сложность выделения сигналов на фоне акустических и электромагнитных помех. Влияние помех при регистрации акустической эмиссии существенно затрудняет интерпретацию ее параметров, характеризующих техническое состояние объекта контроля. Для повышения значения величины сигнал/помеха и достоверности полученных результатов контроля при количественной оценке параметров эмиссии используют методы фильтрации. Рассмотрено влияние величины сигнал/помеха на погрешность измерения параметров акустической эмиссии, выработанных при компенсации помех с помощью полиномиального метода фильтрации. Метод. В основу статистической модели определения влияния величины сигнал/помеха на погрешность измерения параметров акустической эмиссии положен метод машинного обучения — линейной регрессии. Зависимость погрешности измерения от величины сигнал/помеха аппроксимирована методом наименьших квадратов и визуализирована с помощью скатерограммы. Основные результаты. Выявлено, что при применении фильтра Баттерворта величина относительной погрешности измерений параметров акустической эмиссии не превышает 3 %, что на порядки ниже значений, полученных для фильтра Бесселя и вейвлет-фильтра на основе материнской функции Добеши 8-го порядка. Установлена высокая обратная не случайная корреляционная связь (r > 0,9), обусловленная снижением значений относительной погрешности измерений параметров эмиссии и повышением величины сигнал/помеха. Разработанная статистическая модель описывает влияние величины сигнал/помеха на значение относительной погрешности при оценке параметров акустической эмиссии. Функционирование предложенной модели подтверждено вычислением коэффициента детерминации и проверки его статистической значимости. Практическая значимость. Показано, что применение фильтра Баттерворта для компенсации помех существенно повышает информативность результатов измерений параметров акустической эмиссии. Разработанная статистическая модель может быть использована при создании новых или усовершенствовании существующих диагностических комплексов и систем обработки данных для повышения достоверности результатов акустического контроля.

Предмет исследования. Измерение теплопроводности методом стационарного термоотражения основано на эффекте нагрева исследуемого образца лазерным излучением. Мощность отраженного от образца излучения определяется с помощью дополнительного зондирующего лазера. Изменение коэффициента отражения исследуемого материала при нагреве пропорционально изменению температуры образца. Поглощенная материалом мощность излучения выступает в качестве объемного источника теплоты. Величина теплопроводности рассчитана в соответствии с законом теплопроводности Фурье. При этом установка стационарного термоотражения требует калибровки, то есть проведения измерений теплопроводности эталонных образцов. Величина калибровочного коэффициента, в свою очередь, зависит от характеристик используемых в установке лазеров. В работе предложена численная модель нагрева образца, позволяющая учитывать форму и диаметр пучка падающего излучения, распределение мощности излучения по площади пучка, коэффициент поглощения и отражения материала. Предложена методика определения коэффициентов отражения и поглощения образцов, включающая экспериментальные измерения и расчеты с учетом эффекта Фабри–Перо. Метод. Исследования выполнены для образцов германия, кремния, арсенида галлия и ситалла. Облучение проведено диодным одномодовым лазером в непрерывном режиме с длиной волны 980 нм. Распределение мощности падающего излучения по площади пучка аппроксимировано в соответствии с функцией Гаусса в программе OriginPro. Выполнено измерение мощности излучения, прошедшего через образцы и отраженного от них. Температура образцов при облучении определена при помощи тепловизора. Коэффициенты отражения и поглощения образцов исследуемых материалов получены по результатам измерения мощности излучения с использованием математической модели взаимодействия плоскополяризованного ТЕ электромагнитного излучения с материалом. Сравнение результатов расчета с известными данными для образцов германия, кремния и ситалла показало их соответствие. Для арсенида галлия отмечено расхождение результатов расчета с данными, полученными другими исследователями. С целью изучения образцов арсенида галлия применена модель, учитывающая эффект Фабри–Перо, а оптические свойства определены численно, путем поиска минимума модулей передаточных функций прошедшего и отраженного излучений в программе MATLAB. Модель электромагнитного нагрева исследуемых образцов реализована в программной среде COMSOL Multiphysics. Основные результаты. Предложена методика определения коэффициентов отражения и поглощения материалов, исследуемых методом стационарного термоотражения. Представленная модель позволяет учесть форму, ширину пучка и распределение мощности излучения, а также величину поглощенной мощности излучения для каждого образца. Различие расчетных значений температуры образца с результатами измерений не превышает 9 %. Практическая значимость. Модель может быть применена для измерения теплопроводности объемных и тонкопленочных материалов с малоизученными свойствами.

Предмет исследования. Рассмотрена проблема компьютерного моделирования эффективных движителей типа винт в кольце. По опыту применения в рулевых фенестронах вертолетов спаренных лопастей известно, что такая конфигурация создает меньше шума по сравнению с равномерным расположением лопастей по окружности. Однако поток за таким винтом менее равномерный, чем у обычного винта в кольце. Для беспилотных воздушных судов мультикоптерного типа и аэротакси ключевой проблемой является полет на режимах взлета и посадки, а также акустические и вихревые поля, создаваемые движителями на данных режимах. Снижение уровня шума у движителей со спаренными лопастями потенциально может сопровождаться усилением нестационарных вихревых воздействий на летательный аппарат, а также снижением удельной тяги. В данной работе предложена методика численного моделирования винтокольцевых движителей на режиме взлета и посадки, определении оптимального угла между лопастями, а также в сравнении винтокольцевого движителя со спаренными Х-образными лопастями с обычными винтами. Метод. Расчет турбулентных течений выполнен с использованием нестационарных осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье–Стокса с привлечением модели Shear Stress Transport (SST) модели турбулентности и моделирования крупных вихрей с применением модели подсеточной вязкости WALE (Wall-Adapting Local Eddy-viscosity). В расчетах использована модификация γ–Reθ Transition SST модели турбулентности Лэнгтри−Ментера, в которой имеются соотношения для критерия перемежаемости. Это позволило учесть ламинарно-турбулентный переход и появление тонких ламинарных отрывных пузырей, влияющих как на тягу винта, так и на неравномерность течения за ним. Тестирование проведено на четырехлопастных винтокольцевых движителях по известным результатам эталонных экспериментов Центрального аэрогидродинамического института имени профессора Н.Е. Жуковского. Основные результаты. Тестирование γ–Reθ Transition Shear Stress Transport (tSST) модели турбулентности Лэнгтри−Ментера показало, что она лучше стандартной SST-модели воспроизводит зависимость коэффициентов тяги и мощности от угла установки лопастей. Расчеты показали наличие четко выраженного оптимума по углу между спаренными лопастями. Выполненное сравнение трехлопастного, шестилопастного одинарного и шестилопастного со сдвоенными лопастями винтокольцевых движителей подтвердило, что последний вариант имеет несколько лучшие характеристики тяги и создает существенно меньший уровень шума на местности. Практическая значимость. Исследованные характеристики винтокольцевого движителя продемонстрировали перспективы применения винтов со сдвоенными лопастями в воздушных судах с вертикальным взлетом и посадкой. Отработанная численная методика может быть непосредственно использована для промышленных расчетов винтов и вентиляторов.

Рассмотрена задача параметрической идентификации дифференциально-разностной модели процесса теплопереноса в сферическом теле. При разработке модели использован оригинальный расширенный фильтр Калмана, который позволяет учесть зависимость теплофизических свойств исследуемого объекта от температуры. Постановка задачи и полученное решение дают возможность учитывать различный характер внешнего теплового воздействия и процессы, происходящие внутри тел, в особенности при фазовых переходах в системах тел. Продемонстрировано хорошее совпадение результатов параметрической идентификации и численного моделирования с использованием программного пакета «Ansys». Показано, что предложенный в работе метод позволяет определять не только температуру в разных точках объекта, но и восстанавливать нестационарный тепловой поток на границе объекта, а также уточнять его теплофизические свойства. Рассмотренный метод параметрической идентификации дифференциально-разностной модели теплопереноса может найти применение при определении эффективности аккумуляторов тепловой энергии.