Аннотации номера

ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИ

1
Введение. В работе исследованы структурные и люминесцентные свойства нанокристаллических порошков состава Y3Al5O12:Re3+ (Re3+ = Nd3+, Yb3+, Ce3+), синтезированных модифицированным методом Печини с использованием поливинилпирролидона в качестве дополнительного стабилизатора и органического «топлива» в ходе синтеза. Метод. Для исследования термической эволюции гелей и свойств конечного продукта применены фурье-спектроскопия, люминесцентная спектроскопия, дифференциальная сканирующая калориметрия, сканирующая электронная микроскопия, а также рентгенофазовый анализ. Основные результаты. Показано, что применение модифицированного метода Печини при использовании добавок поливинилпирролидона в исходные растворы обеспечивает получение высокодисперсных порошков алюмоиттриевого граната, содержащих редкоземельные ионы. Установлено, что введение поливинилпирролидона оказывает существенное влияние на эволюцию композиционных гелей при их термообработке и формирование нанокристаллов алюмоиттриевого граната происходит при температуре около 883 °С. Обсуждение. Полученные в работе нанокристаллические порошки могут быть использованы в качестве прекурсоров для спекания лазерной керамики и введены в оптическое волокно для создания усилителей.
11
Введение. Рассмотрены вопросы повышения эффективности и достоверности идентификации стереоизображений за счет расчетного прогнозирования положения и размеров зоны неопределенности, в которой заведомо находится искомая точка соответствия. Метод. На одном из стереоизображений выбирается контрольная точка, для которой требуется найти точку соответствия на втором стереоизображении. По известным параметрам стереоскопической телевизионной системы и координатам контрольной точки с помощью предложенного в работе математического аппарата рассчитываются координаты границ зоны неопределенности на втором стереоизображении. Вторая точка соответствия находится с использованием поисковой процедуры путем сопоставления одинаковых малых областей с центрами в контрольной точке на первом стереоизображении и в точках зоны неопределенности на втором. Сопоставление производится по критерию минимума квадратического рассогласования интенсивностей. Необходимой априорной информацией для реализации метода являются предельные высоты отображаемого на стереоизображениях рельефа. Основные результаты. Получены соотношения линейных размеров на плоском рельефе и на изображении, формируемом по принципу центрального проецирования. Выведены соотношения, позволяющие расчетным путем получить координаты точек соответствия и стереоскопического рассогласования для стереоизображений плоского рельефа. Для стереоизображений объемного рельефа приведены расчетные формулы определения границ зоны неопределенности на втором стереоизображении, в пределах которой осуществляется поиск точки соответствия. Корректность и работоспособность полученных соотношений подтверждены компьютерным моделированием. Обсуждение. Ограничение размеров области поиска посредством расчетного прогнозирования зоны неопределенности позволяет уменьшить вычислительные и временные затраты на поисковую процедуру. За счет этого повышается эффективность идентификации точек стереоизображений и уменьшается вероятность ложной идентификации.
20
Введение. Новым методом усредненных во времени спекловых изображений и известным ранее методом интерференции двух спекл-полей изучено развитие пластических деформаций, возникающих при многоцикловой усталости конструкционной стали. Выполнена оценка корректности определения деформаций новым методом путем сравнения данных, полученных двумя методами. Метод. Исследованы две оптические системы, в которых применены лазерные модули с разными длинами волн. Предложенная оптическая система позволяет определять компоненты Δuy, Δuz вектора относительного перемещения двух точек поверхности, расположенных на расстоянии (базе измерения) Δs = 66 мкм. Известная схема дает возможность описать деформации традиционным методом на базе измерения 470 мкм. Исследуемый образец представлял собой плоскую пластину с двумя боковыми вырезами, выполненную из стали марки 09Г2С. Испытания на усталость проводились на установке резонансного типа при разных амплитудах цикла. Основные результаты. Показано, что при всех амплитудах цикла развитие пластических деформаций происходит по механизму циклической ползучести. Существует хорошая корреляция данных, полученных двумя разными спекловыми методами. Вместе с тем деформация, оцененная новым методом, в ряде случаев на порядок превышает значение деформации, рассчитанной известным методом. Очевидно, это связано с существованием локальных малоразмерных (порядка 101 мкм) участков деформации, измерение которых традиционными методами невозможно. Рассчитанная новым методом предельная растягивающая деформация Δuy/ Δs имеет порядок 10–1, что совпадает с аналогичной деформацией, возникающей при испытании стандартных образцов на разрыв. Обсуждение. Результаты, полученные новым методом, обосновывают необходимость разработки датчиков и приборов неразрушающего контроля нового поколения, позволяющих по скорости изменения физических величин и по их предельным значениям оценивать время до зарождения усталостной трещины.
Лазерно-индуцированное тепловое воздействие на электрические характеристики фоточувствительных пленок селенида свинца
Ольхова А. А., Патрикеева А. А., Бутяева М. А., Пушкарева А. Е., Авилова Е. А., Москвин М. К., Сергеев М. М., Вейко В. П.
30
Введение. В работе представлено исследование влияния лазерного облучения кристаллических халькогенидных пленок селенида свинца на их электрические характеристики, вызванные необратимой модификацией структуры за счет валентной переконфигурации свинца в результате его окисления. Метод. Исследование особенностей модификации электрических свойств пленок выполнено в результате лазерного воздействия наносекундных импульсов с длиной волны 1064 нм. Измерения электрических характеристик пленок селенида свинца проводились с помощью четырехзондового метода. Основные результаты. Показано, что при направлении тока параллельно лазерным трекам, записанным в режиме потемнения, сопротивление модифицированной пленки снизилось на 44 % по сравнению с исходным образцом, а при перпендикулярном направлении тока сопротивление возросло на 153 %. Сопротивление пленки увеличилось более чем в 27 раз после лазерного облучения в режиме просветления вне зависимости от направления тока относительно лазерных треков. Экспериментально измеренные температура и ее градиент по лазерному пятну на пленке в режимах потемнения и просветления оказались в хорошем соответствии с предложенной математической моделью теплового воздействия лазерных импульсов. Показано, что процессы лазерной модификации пленок происходят при более низких температурах, чем при стандартной тепловой обработке в печи. Обсуждение. Полученные результаты могут быть применены при разработке фотодетекторов в среднем инфракрасном диапазоне спектра на основе пленки селенида свинца.

КОМПЬЮТЕРНЫЕ СИСТЕМЫ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Алгоритм распознавания омографов на основе евклидовой метрики
Израилова Э. С., Астемиров А. В., Бадаева А. С., Султанов З. А., Умархаджиев С. М., Хехаев М. Л., Ясаева М. Л.
41
Введение. Проблема разрешения неопределенностей, связанных с омонимией, для чеченского языка стала особенно актуальной после создания систем синтеза речи. Основным недостатком синтезаторов речи на чеченском языке являются ошибки чтения слов-омографов, различающихся долготой/краткостью гласных — долгота таких звуков никак не отображается при письме. Вызывает проблемы воспроизведение дифтонгов, которые обозначаются на письме так же, как близкие им по звучанию монофтонги. Для повышения качества синтезируемой речи на чеченском языке необходима программа автоматического распознавания омографов. Для решения этой проблемы рассмотрена задача устранения неоднозначности смысла слов Word Sense Disambiguation (WSD). Метод. Для чеченского языка выбраны алгоритмические (управляемые) методы, работающие на основе заранее размеченной базы данных. Эти методы являются наиболее распространенными при устранении неоднозначности смысла слов. Реализация таких методов возможна при наличии больших размеченных корпусов, которые недоступны для большинства языков мира, в том числе и для чеченского. Чеченский язык относится к малоресурсным языкам, для которых оптимальным подходом, с точки зрения экономии трудовых и временных ресурсов, является полууправляемый гибридный метод распознавания омографов, основанный на использовании алгоритмических и статистических методов. Основные результаты. Разработан алгоритм распознавания омографов по шести соседним словам в предложении. Алгоритм реализован в виде программы. Предварительная подготовка исходных данных для работы алгоритма включает разметку предложений по значениям омографов, выполняемую «вручную». Результаты работы программы оценены с использованием общепризнанных метрик точности и составили F1 — 39 %, Accuracy — 45 %. Обсуждение. Сравнительный анализ полученных данных c результатами других методов и моделей показал, что точность представленного алгоритма наиболее близка к результатам точности алгоритмов на основе метода Леска. По методу Леска для английского языка получены результаты точности F1 — 41,1% (простой Леск) и 51,1 % (Леск расширенный). Методы, использующие нейросетевые алгоритмы, дают более высокие показатели точности по WSD для большинства языков, однако для их реализации требуется наличие больших корпусов данных, что не всегда доступно для малоресурсных языков, в том числе и для чеченского.
51
Распространенность вооруженных ограблений стала серьезной проблемой в современном мире, что требует разработки эффективных систем обнаружения. Существующие разнообразные устройства обнаружения не обладают способностью автоматически выявлять и предупреждать о наличии оружия во время осуществления вооруженных ограблений. Для решения этой проблемы предлагается подход, основанный на глубоком обучении, с использованием модели RetinaNet. В результате его применения возможно точное обнаружение оружия и дальнейшее предупреждение об ограблении полицейского участка или владельца банка. Ядро модели RetinaNet состоит из трех основных компонентов: остаточной сети (Residual Neural Network, ResNet), функциональной пирамидальной сети (Feature Pyramid Net, FPN) и полностью сверточной сети (Fully Convolutional Networks, FCN). Эти компоненты работают вместе, обеспечивая обнаружение оружия в режиме реального времени без вмешательства человека. Предлагаемая реализация использует специальный набор данных для обнаружения грабежей, который состоит из классов активности с применением огнестрельного оружия, без оружия и грабежей. Оценка производительности предлагаемой модели на разработанном специальном наборе данных показал, что магистральная архитектура ResNet50 превосходит точность обнаружения ограблений, достигая меры оценки качества ранжирования (Mean Average Precision, mAP) 0,92. Эффективность модели заключается в ее способности точно определять наличие оружия во время ограбления.  
62
Введение. В условиях формирования существенно отличающихся по своей природе разнородных данных даже небольшого объема возникает необходимость их анализа для принятия решений. Это характерно для многих высокотехнологичных промышленных областей деятельности человека. Задача может быть решена путем приведения разнородных данных к единому виду с последующим разбиением на кластеры. Вместо поиска решения по каждому элементу данных предлагается использовать разбиение всей совокупности нормированных данных на кластеры, и тем самым упростить процесс вычленения кластера и принятия по нему решения. Метод. Сущность предлагаемого решения состоит в автоматической группировке объектов со схожими данными в кластеры. Это позволяет снизить объем анализируемой информации за счет объединения множества данных и выполнить математические операции уже для кластера. При разбиении предлагается использовать теорию нечеткой логики. Возможность такого подхода связана с тем, что различные объекты всегда имеют несколько признаков, по которым они могут быть объединены. Эти признаки чаще всего не являются явными и плохо формализуются. Основные результаты. Предложена иерархическая модификация метода распределения по нечетким кластерам, основанного на операции (max-min) нечеткого отношения сходства. Рассмотрены основные понятия и определения предлагаемого метода автоматического разбиения совокупности входных данных, поэтапная схема соответствующей кластер-процедуры. Работоспособность предложенного метода продемонстрирована на примере решения задачи формирования потока летательных аппаратов. В качестве исходных данных использована информация, которая имеется у лиц, принимающих решение, и анализируется вручную. Численный эксперимент показал, что разработанный алгоритм позволяет автоматически провести анализ информации и корректно сформировать поток. Обсуждение. Применение предложенной модификации позволяет провести предварительное разбиение данных на кластеры и снизить в дальнейшем объем анализируемых данных. При этом отсутствует необходимость рассматривать объекты в каждом случае отдельно.
70
Введение. Исправление ошибок, возникающих при хранении, обработке, передаче информации является важнейшим методом обеспечения целостности данных. Для борьбы с возникающими ошибками используются методы помехоустойчивого кодирования. В реальных системах шумовые процессы обычно являются коррелированными, однако традиционные методы кодирования и декодирования используют декорреляцию, при этом известно, что эта процедура снижает предельно достижимые характеристики кодирования. Таким образом, актуальной является задача построения вычислительно эффективных методов декодирования, которые позволяли бы бороться с группирующимися ошибками при использовании широкого класса кодов. Метод. Для борьбы с одиночными пакетами ошибок использован подход, основанный на декодировании по информационным совокупностям. Несмотря на то, что при исправлении независимых ошибок данный метод имеет экспоненциальную сложность, предложенный подход применяет количество информационных совокупностей, линейно растущее с длиной кода, и обеспечивает, таким образом, полиномиальную сложность декодирования. Дальнейшее уменьшение числа информационных совокупностей возможно с помощью предложенного метода использования плотных информационных совокупностей. Выполнен анализ векторов ошибки, корректно исправляемых предложенными методами. Анализ проведен для кодов небольшой длины на основе стандартной расстановки, позволяющей оценить как множество ошибок, потенциально исправляемых кодом, так и характеристики декодера. Основные результаты. Предложен метод декодирования одиночных пакетов на основе выбора линейного числа информационных совокупностей. Описано улучшение метода декодирования с помощью использования счетчика векторов ошибки, позволяющее в ряде случаев увеличить число исправляемых векторов ошибки. Представлен метод декодирования на основании плотных информационных совокупностей, который позволяет значительно снизить количество информационных совокупностей или повысить количество исправляемых векторов ошибок по критерию минимальной длины пакета. Выполненный анализ рассмотренных декодеров с помощью стандартной расстановки показал, что предложенные алгоритмы позволяют исправлять значительное число векторов ошибки сверх гарантированно исправляемой длины пакета. Обсуждение. Предложенные декодеры позволяют исправлять одиночные пакеты ошибок за полиномиальное время для произвольных линейных кодов, при этом результаты экспериментов продемонстрировали, что декодеры не только исправляют все ошибки в пределах корректирующей способности кода, но и значительное количество векторов ошибки сверх нее. Направлениями дальнейших исследований возможен анализ предложенных алгоритмов декодирования для длинных кодов, где метод анализа на основе стандартной расстановки неприменим. Также могут быть осуществлены разработка и анализ методов декодирования для множественных пакетов и совместного исправления пакетирующихся и независимых ошибок.
81
Исследован комплексный подход к повышению эффективности и производительности беспроводных сенсорных сетей путем решения критических проблем, таких как условия гонки, проблемы резервирования и избыточные данные. Для решения этих проблем предложен новый протокол, сочетающий в себе самоадаптирующуюся кластеризацию с устранением избыточности и управление полосой пропускания распределенной нагрузки. Используется разумный способ для извлечения функции передачи сообщений с «перескоком» через узлы (их пропуском) и передачи сообщений любому из ближайших узлов. Для этого используется информация о разнесенном трафике, получаемая на основе файлов трассировки, исключая узлы с избыточными данными. Количество кластеров динамически регулируется в зависимости от плотности узлов, используя метод распространения сходства. Балансировка нагрузки достигается посредством перераспределения доступной полосы пропускания и повторной сегментации полосы пропускания. В исследовании представлена предлагаемая сетевая инфраструктура и координация каналов. Архитектура включает в себя совместную кластеризацию узлов, выбор точки доступа, сжатие данных и миграцию каналов. Эффективность сети значительно повышается за счет взаимодействия между узлами внутри кластеров, разумного выбора точек доступа и использования эффективных методов сжатия данных. Стратегия миграции каналов еще больше повышает гибкость и оперативность сети. Интеграция способности обнаружения канала обогащает подход за счет сбора информации о состоянии канала и дополнения пространственной и временной информации об узлах. Эта дополнительная информация позволяет сети принимать более обоснованные решения относительно распределения и координации каналов, способствуя снижению помех и оптимизации передачи данных. Предложенная методология позволила получить средний коэффициент доставки пакетов (PDR) равный 99,1 % и среднее снижение потерь пакетов на 4,3 % по сравнению с существующими исследованиями. Новый протокол продемонстрировал повышение средней пропускной способности на 4,7 % и снижение средней задержки сети до 52 мс, что подчеркивает его значительный вклад в увеличение производительности WSN.
90
Введение. С быстрым развитием интернет-технологий проблемы сетевой безопасности продолжают обостряться. Так одним из наиболее распространенных методов поддержания безопасности и предотвращения вредоносных атак на интернет-ресурсы является полностью автоматизированный публичный тест Тьюринга (Completely Automated Public Turing test to tell Computers and Humans Apart, CAPTCHA). CAPTCHA чаще всего состоит из некоторого защитного кода, для обхода которого необходимо выполнить простую задачу. Однако наиболее широко используемым видом CAPTCHA до сих пор остается текстовый тип. В последние годы развитие компьютерного зрения и, в частности, нейронных сетей позволило снизить устойчивость к взлому текстовых CAPTCHA. Однако безопасность и надежность сложных CAPTCHA, содержащих много шума и искажений, все еще недостаточно изучена. Предметом данного исследования является устойчивость к распознаванию CAPTCHA. Особенность CAPTCHA — использование большого количества разнообразных искажений, причем на каждом отдельном изображении применяется свой набор искажений. При наличии искажений человеческий глаз не всегда может распознать, что изображено на фотографии. Данная работа состоит в тестировании устойчивости сайтов, использующих исследуемую CAPTCHA, к автоматизированному решению. Полученная методика тестирования может быть применена для последующей разработки рекомендаций по повышению эффективности механизмов защиты. Метод. В работе продемонстрирован новый метод к распознаванию CAPTCHA с использованием синтетического генератора и дискриминатора условно генеративно-состязательной архитектуры, а также программы-декодера, представляющей собой обученную сверточную нейронную сеть. Основные результаты. Результатом работы являются реализованные генератор и дискриминатор совместно с программой-декодером, решающей данный тип CAPTCHA. Точность распознавания построенной модели составила 63 % на изначально очень ограниченном наборе данных, что показывает риски информационной безопасности, которые могут нести сайты, использующие подобный вид CAPTCHA. Обсуждение. Несмотря на то, что получена точность распознавания ниже, чем у некоторых существующих методов (70–99 %), данный результат обладает следующей значимостью: продемонстрирован неизученный ранее в подобных работах вид CAPTCHA, а также предложен новый метод по распознаванию текстовых CAPTCHA.
101
Утрата регуляторной функции генов, подавляющих опухоль, и мутации в протоонкогенах являются общими механизмами, лежащими в основе неконтролируемого роста опухолей при разнообразном комплексе заболеваний, известных как рак. Онкоген можно излечить путем диагностики и лечения возможностей протоонкогена на ранних стадиях. В последнее время подходы машинного обучения помогают сосредоточить внимание и предоставить информацию о возможностях протоонкогена, который может превращаться в онкоген при различных типах рака или изменять его на ранних стадиях. Предложен эффективный и уникальный предиктор протоонкогена с помощью нейронной сети Bi-Directional Long Short Term Memory (BiLSTM), дополненный концепцией ухода за больными. Этот подход также позволяет определить вероятность перехода от протоонкогена к онкогену с использованием статистических моментов, представления аминокислотного состава на основе положения и глубоких особенностей, извлеченных из последовательности. В работе применен классификатор K-Nearest Neighbor с помощью, которого можно определить вероятность перехода от протоонкогена к раковому онкогену.
112
Введение. Алгоритмы машинного обучения для информационного поиска позволяют представить текстовые и мультимодальные документы в виде векторов. Такие векторные представления (embeddings) сохраняют семантическое содержание документов и сводят задачу поиска к задаче определения расстояния между векторами. Сжатие векторных представлений позволяет уменьшить объем памяти, занимаемый ими, и повысить эффективность вычислений. В работе рассмотрены существующие способы сжатия векторных представлений без потери и с потерей точности. Предложен метод уменьшения ошибки путем кластеризации векторных представлений при использовании сжатия с потерей точности. Метод. Сущность метода состоит в предварительной кластеризации векторных представлений, сохранении центров каждого кластера и значений координат каждого векторного представления относительно центра его кластера. Центры каждого кластера сжимаются без потери точности, а получившиеся смещенные векторные представления с потерей точности. Основные результаты. Предложенный метод протестирован на наборах данных fashion-mnist-784- euclidean и NYT-256-angular. Проведено сравнение векторных представлений, сжатых с потерей точности при помощи уменьшения разрядности, с векторными представлениями, сжатыми по предложенному методу. При незначительном, около 10 %, увеличении размера сжатых данных средняя абсолютная величина ошибки от потери точности для наборов fashion-mnist-784-euclidean и NYT-256-angular снизилась в четыре и примерно в два раза соответственно. Обсуждение. Разработанный метод может быть применен для решения задач хранения и обработки векторных представлений мультимодальных документов, например, при разработке поисковых систем.

ИСКУССТВЕННЫЙ ИНТЕЛЛЕКТ И КОГНИТИВНЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

118
Введение. Рассмотрена задача построения карты двумерной среды. Предложен алгоритм оценки на основе монокулярной оптики и RGB-изображений. Алгоритм позволяет получать результаты, сопоставимые с подходами на основе дорогостоящих датчиков, таких как RGBD-камеры и лидары. Метод. Решение задачи включает нескольких этапов. На начальном этапе выполняется обучение нейронной сети, которая формирует относительную карту несоответствия (смещений) на основе входного потока RGB-изображений от RGBD- камеры. С использованием измерений глубин от той же камеры выполняется оценка двух параметров, связывающих относительную и абсолютную карты смещений в виде линейного регрессионного соотношения. На основе более простой RGB-камеры, путем применения нейронной сети и оценок масштабирующих параметров формируется оценка абсолютной карты смещений, позволяющей получить оценку карты глубин. Таким образом, синтезирован виртуальный сканер, который формирует данные о глубине для построения карты окружающей среды. Основные результаты. Представленный алгоритм апробирован при моделировании движения мобильного робота в среде ROS 2.0. Удалось достичь более быстрого прогнозирования глубины объектов по сравнению с другими алгоритмами оценки глубины. Карты, сгенерированные согласно разработанному алгоритму, продемонстрировали высокую степень совпадения с картами, полученными с помощью идеальной RGBD-камеры. Обсуждение. Предложенный алгоритм может найти применение в ключевых задачах управления мобильными роботами, такими как избегание препятствий и планирование пути. Алгоритм может быть использован при разметке карт по областям с различной степенью сложности прохождения, повышая безопасность и адаптивность навигации мобильных роботов.  
124
Введение. С возрастающей рутинной нагрузкой на врачей-рентгенологов, связанной с необходимостью анализировать большое количество снимков, возникает потребность в автоматизации части процесса анализа. Саркопения представляет собой состояние, при котором происходит потеря мышечной массы. Для диагностики саркопении наиболее часто применяется компьютерная томография, по снимкам которой может быть оценен объем мышечной ткани. Первым этапом анализа является ее оконтуривание, которое выполняется вручную, занимает продолжительное время и не всегда производится достаточно качественно, что оказывает влияние на точность оценок и, как следствие, на план лечения пациента. Предметом исследования является применение подходов компьютерного зрения для точной сегментации мышечной ткани по снимкам компьютерной томографии с целью саркометрии. Цель исследования — разработка подхода к решению задачи сегментации собранных и размеченных снимков. Метод. Представленный подход включает в себя этапы предварительной обработки снимков, сегментации при помощи нейронных сетей семейства U-Net и постобработки. Всего рассмотрено 63 различных конфигурации подхода, которые отличаются с точки зрения данных, подаваемых на вход моделей, и архитектур моделей. Оценено влияние предложенного способа постобработки получаемых бинарных масок на точность сегментации. Основные результаты. Для конфигурации подхода, включающей предварительную обработку с маскированием стола томографа и применением анизотропной диффузионной фильтрации, сегментацию моделью, имеющей архитектуру Inception U-Net и постобработку на базе анализа контуров, получен коэффициент схожести Дайса (Dice similarity coefficient, DSC) 0,9379 и пересечение над объединением (Intersection over Union, IoU) — 0,8824. Девять из исследованных в работе конфигураций также продемонстрировали высокие значения метрик DSC (в диапазоне 0,9356–0,9374) и IoU (0,8794–0,8822). Предлагаемый подход на базе предобработанных трехканальных изображений позволяет достигать значений 0,9364 для DSC и 0,8802 для IoU с применением легковесной модели сегментации U-Net. В соответствии с описанным подходом реализован программный модуль на языке Python. Обсуждение. Результаты исследования подтверждают целесообразность применения компьютерного зрения для оценки показателей мышечной ткани. Разработанный модуль может применяться для снижения рутинной нагрузки на рентгенологов.

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

133
Введение. Кориолисовые вибрационные гироскопы — класс перспективных инерциальных датчиков первичной информации, реагирующих на вращение основания резонатора посредством сил инерции Кориолиса, возникающих в вибрирующей оболочке. В настоящее время получили развитие два направления производства резонаторов таких гироскопов: из кварцевого стекла — материала с чрезвычайной малым внутренним трением и на основе обработки металлического сплава. При использовании первого направления, благодаря высокой добротности кварца, удается создавать интегрирующие гироскопы навигационного класса. Существующие образцы кориолисовых вибрационных гироскопов с металлическими резонаторами, как правило, представляют собой датчики угловой скорости. Проблема создания интегрирующего режима гироскопа с металлическим резонатором связана с низкой добротностью металлических сплавов, которая обычно не превышает 35 000. При таком значении добротности длительность функционирования гироскопа в режиме датчика угловых отклонений составит несколько секунд. В работе представлены способы обеспечения функционирования кориолисовых вибрационных гироскопов, включая режим интегрирующего гироскопа. Метод. Приведено математическое описание кориолисовых вибрационных гироскопов с цилиндрическим объемным резонатором на основе динамической модели доктора Д. Линча методом огибающих амплитуд колебаний. Математическая модель дополнена поправками, обеспечивающими компенсацию диссипации энергии колебаний резонатора для реализации интегрирующего режима гироскопа. Показаны условия полной компенсации рассеяния энергии колебаний. Представлено описание способов возбуждения стоячей волны в резонаторе с помощью вынуждающего периодического воздействия и путем создания автоколебаний. Показано, что длительность переходного процесса возбуждения определяется постоянной времени резонатора. Основные результаты. Приведены результаты экспериментальных исследований кориолисовых вибрационных гироскопов с низкодобротным металлическим резонатором, подтверждающие возможность реализации интегрирующего режима функционирования гироскопа. Первоначальное возбуждение колебаний резонатора осуществлялось автоколебательным контуром. Согласно результатам экспериментальных исследований, добротность металлического резонатора удалось повысить схемотехнически в 17 раз. В равной мере увеличено и время функционирования кориолисовых вибрационных гироскопов. Обсуждение. Теоретически и экспериментально показана возможность построения кориолисовых вибрационных гироскопов в режиме интегрирующего гироскопа на основе низкодобротного металлического резонатора. Решение данной проблемы основывалось на схемотехническом способе повышения добротности. Принципиально добротность резонатора может быть значительно повышена по сравнению с достигнутым в эксперименте показателем. Это обеспечит более длительное время функционирования кориолисовых вибрационных гироскопов в интегрирующем режиме.
144
Введение. Исследованы способы мониторинга экологической обстановки, проблемы решения смежных прикладных эколого-ресурсных задач в труднодоступных районах нефтегазодобычи, а также в других отраслях народного хозяйства с использованием беспилотных летательных средств. Рассмотрены методы исследования типов и толщин слоев подстилающей поверхности путем их зондирования электромагнитными импульсами радиочастотного диапазона и гамма-излучения. Метод. На основе существующих теоретических зависимостей взаимодействия электромагнитного излучения с поверхностью Земли представлены диаграммы прохождения электромагнитных волн дециметрового и сантиметрового диапазонов через различные структуры ландшафта (снег-лед-вода-мерзлая почва). Основные результаты. Показано, что использование гамма-излучения позволяет решить проблему определения эффективной высоты летательного аппарата при экологическом мониторинге за счет большой энергии фотонного излучения и альбедо от различных поверхностей, в том числе от снежного покрова. Приведена методика расчета содержания загрязнителя на подстилающей поверхности с заданной вероятностью его достоверного обнаружения. Отмечено, что на достоверность показаний измерительных средств значительное влияние оказывает их геометрическое расположение на транспортной платформе. Показано, что предложенное решение целесообразно реализовать с использованием двух беспилотных летательных аппаратов или малоразмерного беспилотного дирижабля. На основании сделанного обзора предложен состав технических средств комплекса распознавания типов и толщин слоев загрязнений подстилающей поверхности. Приведена возможная методика оценивания экологической обстановки. Обсуждение. Результаты работы могут найти применение при проведении экологической разведки, при транспортировке нефтяных и газовых ресурсов в условиях затруднения доступа к ним. Расширены возможности решения подобных военно-прикладных и инженерно-строительных задач. Впервые предложено совместное использование электромагнитных волн радиочастотного диапазона и гамма-излучения. Электромагнитное излучение радиочастотного диапазона позволяет исследовать структуру ландшафта. Гамма-излучение по обратному рассеянному ионизирующему излучению дает возможность определить тип загрязнителя и обеспечить высокую точность измерения расстояния от модуля до верхнего слоя подстилающей поверхности.
156
Введение. Широко известно, что среди звуковых сигналов, порождаемых природными и техногенными явлениями, наиболее долгоживущими являются волны частотой менее 20 Гц, именуемые инфразвуком. Это свойство позволяет отслеживать путем инфразвукового мониторинга возникновение высокоэнергетических событий в региональных масштабах на расстоянии до 200–300 км. Вместе с тем выделение полезных инфразвуковых сигналов из фонового шума является нетривиальной задачей при обработке сигналов в реальном времени и постфактум. В работе предлагается новый метод классификации специфических сигналов в данных инфразвукового мониторинга с использованием перестановочной энтропии Шеннона и векторов распределения частот встречаемости перестановок последовательных выборочных значений ранга 3 (количество элементов перестановки). Метод. Для оценки применимости предлагаемого энтропийного метода классификации использованы два метода машинного обучения — метод случайных лесов и классический нейросетевой подход. Методы реализованы на языке Python с использованием библиотек Scikit-lean, TensorFlow и Keras. Выполнена оценка качества классификации по сравнению с традиционным частотным методом выделения классов, основанном на использовании преобразования Фурье. Распознавание проведено на подготовленных данных инфразвукового мониторинга на территории Республики Алтай. Основные результаты. Результаты вычислительного эксперимента по разделению пяти классов сигналов показали, что классификация предложенным методом дает одинаковые результаты распознавания нейронной сетью. При этом по сравнению с частотной классификацией исходных данных точность распознавания составила 51–58 %. Для метода случайных лесов точность распознавания частотных классов равна 51 %, а для метода перестановочной энтропии — 45 %. Обсуждение. Анализ результатов вычислительного эксперимента показал конкурентноспособность метода классификации перестановочной энтропии при распознавании инфразвуковых сигналов. Предлагаемый метод реализуется значительно проще при поточной обработке сигнала в низкопотребляющих микроконтроллерных системах. Планируется дальнейшая апробация метода на пунктах регистрации инфразвуковых сигналов, а также в составе системы обработки данных инфразвукового мониторинга для выделения событий в реальном режиме времени.

КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ

165
Представлены результаты исследования гидроакустических процессов, возбуждаемых в объеме дистиллированной воды мощными микросекундными импульсами излучения Yb,Er:Glass-лазера, доставленными через оптические волокна с двумя различными формами выходного торца. Выполнено сравнение объема парогазовой полости, образовавшейся в жидкости, и перепадов давления, возникающих в момент действия лазерного импульса и в фазе «коллапс-возобновление» парогазовой полости. Полученные результаты полезны для развития технологий лазерных эндохирургических вмешательств, требующих эффективного разрушения патологических биотканей, например, лазерной экстракции катаракты.
Информация 2001-2024 ©
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики.
Все права защищены.

Яндекс.Метрика