Аннотации номера

ФОТОНИКА И ОПТОИНФОРМАТИКА

1
Получены и исследованы диэлектрическая и магнитная проницаемости конечного образца многослойной металлодиэлектрической наноструктуры – плазмонного мультислоя, относящегося к классу электромагнитных метаматериалов. Метаматериалы представляют собой искусственно созданные структуры, как правило, периодические, размеры элементарной ячейки которых много меньше длины волны, обладающие необычными электромагнитными свойствами, не наблюдаемыми в природе. Так, метаматериалы открывают путь к созданию оптических материалов с магнитной проницаемостью, существенно отличной от единицы, что долгое время казалось трудновыполнимой задачей. Для извлечения из коэффициентов отражения и прохождения материальных параметров, описывающих электромагнитное поведение плазмонного мультислоя, был применен классический метод Николсона–Росса–Веира. В рассматриваемом слоистом метаматериале наблюдается сильный магнетизм резонансного типа в оптическом диапазоне частот. Положение резонанса соответствует точке предельно малых значений диэлектрической проницаемости. Показана возможность перестройки резонансной частоты путем изменения соотношения толщины слоев в элементарной ячейке, образующей плазмонный мультислой. Наблюдаемая магнитная активность входит в установившийся режим, начиная с толщины мультислоя, составляющей порядка нескольких десятков слоев. Предложено использование таких многослойных наноструктур как простого и эффективного материала, способного демонстрировать магнитную активность во всем оптическом диапазоне.
5
Рассматриваются нелинейные дискретные моды в двумерной решетке металлических наночастиц, возбуждаемой оптическим излучением на частоте, близкой к частоте поверхностного плазмонного резонанса уединенной частицы. Предполагается, что размер частиц много меньше оптической длины волны, а межчастичное расстояние достаточно велико, чтобы отклик частиц можно было рассматривать в рамках дипольного приближения. Мы также считаем, что наночастицы сделаны из серебра и обладают нелинейным откликом керровского типа. В силу того, что каждая частица представляет собой резонансно возбуждаемый нелинейный осциллятор с относительно медленным инерционным откликом по сравнению с периодом колебаний света, динамический отклик системы описывается в терминах медленных амплитуд поляризаций каждого шарика. Стандартная процедура линеализации дает возможность получить зоны модуляционной неустойчивости и бистабильности однородного стационарного решения соответствующих динамических уравнений на плоскости параметров внешнего поля «интенсивность–частота». Используя эти данные, мы представляем и анализируем примеры генерации плазмонного аналога волн Фарадея, устойчивых двумерных солитонов, осциллонов и кинков (волн переключения), фронт которых представляет собой переход при изменении номера частицы от одного однородного распределения поляризаций частиц к другому при однородном внешнем возбуждении. Также обсуждается реалистичная длительность лазерного импульса, которая должна быть достаточно большой для формирования рассмотренных нелинейных дискретных мод, но в то же время достаточно малой для предотвращения теплового разрушения наночастиц.
11
Рассмотрены особенности формирования сигналов в спектральной интерферометрии и оптической когерентной томографии. Приведены основные соотношения, определяющие минимальное значение координаты по глубине исследуемого объекта, на которой регистрируется один период сигнала спектральной интерференции и устанавливаемое значение приращения по длине волны с учетом диапазона глубин, в котором регистрируются сигналы спектральной интерференции. Дана оценка разрешающей способности систем спектральной интерферометрии и оптической когерентной томографии с перестраиваемой длиной волны с учетом спектрального диапазона перестройки длины волны. Показано, что отношение среднего значения длины волны к диапазону перестройки по длине волны определяет разрешающую способность по глубине исследуемого объекта, тогда как максимальный диапазон по глубине, в котором возможно исследование микроструктуры объекта при помощи метода спектральной оптической когерентной томографии, не зависит от диапазона перестройки по длине волны и определяется шагом перестройки по длине волны (волновому числу). Представлены количественные оценки указанных параметров при использовании источников излучения в ближнем ИК диапазоне спектра, а также соотношения для оценки видности интерференционных полос в зависимости от регистрируемой относительной интенсивности измерительной волны.
17
В развитие подхода к реализации методом голографии Фурье немонотонных логик из класса нечетко-значимых показан механизм редуцирования когнитивного диссонанса. Когнитивный диссонанс возникает при восприятии новой информации, противоречащей ранее сложившейся субъективной картине мира, представленной в виде двойного каскада преобразования Фурье с голограммой Фурье-матрицы связей нейронных слоев репрезентации входной информации и заключения. Голограмма реализует монотонную логику по правилу вывода «Обобщенный Modus Ponens». Новая информация представлена голограммой исключения – матрицей связей слоев заключения и исключений, связанных преобразованием Фурье-операцией, задающей дуальность определяющих алгебру логики операций конъюнкции и дизъюнкции. Голограмма исключения формирует вывод, дуальный выводу по правилу «Обобщенный Modus Ponens». Показано, что обученная основному правилу и исключению система может быть представлена моделью двухслойной нейронной сети с разными матрицами связей для прямой и обратной итераций. Введена функция энергии сети, определяющая циклический характер динамики, и дан анализ диссипативного члена, обуславливающего конвергентность динамики. Показано влияние условий записи голограмм правила «Обобщенный Modus Ponens» и исключения на характер динамики и скорость схождения системы к устойчивому состоянию, характеризующемуся независимостью значения логического заключения от значений входных переменных. Такой тип динамики, ведущий к формированию толерантности, характерен для обыденной формы мышления, нацеленной на устойчивость внутренней картины мира. Для реализации научной формы мышления, ориентированной на адекватность внутренней картины мира реальности, необходим механизм, останавливающий релаксацию сети; этот механизм должен быть внешним по отношению к модели логики. Приведены результаты численного моделирования для условий обучения, адекватных условиям записи реальных голограмм Фурье.

ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИ

26
Рассмотрены известные методы измерения h-параметра волокна, разработан новый интерферометрический метод. На его основе предложен метод исследования зависимости h-параметра анизотропного оптического волокна от ра- диуса изгиба. Микроизгибы волокна, являющиеся дефектами намотки чувствительного элемента волоконно-оптического гироскопа, приводят к ухудшению ряда его оптических характеристик, в частности, коэффициента экстинкции и коэффициента перекрестной связи мод, что ухудшает точностные параметры волоконно-оптического гироскопа. Предложен способ повышения точности измерения и адаптации процесса измерения h-параметра к существующей технологии производства волоконно-оптических гироскопов. Механизм влияния поляризационных свойств на точностные параметры волоконно-оптического гироскопа описывается через анализ вторичных волн, индуцируемых преобразованием поляризации в волоконном контуре. Дана оценка влияния измеряемого параметра на точностные характеристики волоконно-оптического гироскопа. Для гироскопа с коэффициентом экстинкции поляризатора 27 дБ, h-параметром волокна 2·10–5 м–1, длиной волоконного контура 1500 м и длиной деполяризации волокна 4 мм амплитудная фазовая ошибка не превысит 3,2·10–5 рад, а фазовая ошибка интенсивности составит 2·10–10 рад.
31
Представлены результаты разработки технологии получения микроструктурированных волоконных световодов. В ходе проводимых работ были созданы световоды с одним или двумя циклами отверстий, получаемые по двухстадийной технологии. Использование двух циклов позволяют снизить на длине волны накачки затухание до 0,1 дБ/м. В ходе экспериментов было установлено, что эффективность вытекания коррелирует с толщиной депрессированной оболочки – чем больше толщина оболочки, тем потери меньше. В ходе работ была разработана базовая технология получения дырчатых волоконных световодов из кварцевого стекла с четырьмя циклами отверстий, базирующаяся на двухстадийном процессе. В отличие от дырчатых световодов с одноэлементной сердцевиной, в разработанных системах при равных диаметрах сердцевины шаг структур меньше в два и три раза. Это позволило получить большую устойчивость излучения к возмущениям световодного тракта. При постановке задачи получения микроструктурированного волокна с малым значением отношения диаметра отверстия конструкционной оболочки к шагу структуры и (или) с относительно малым шагом структуры возможен одностадийный процесс, так как в этом случае в исходной сборке можно использовать капилляры с небольшим по величине внутренним диаметром. Были проведены исследования по поиску технологических условий, выполнение которых делает затухание излучения определенного типа в микроструктурированных световодах минимальным. Основным способом, позволившим выявлять влияние технологической схемы на затухание излучения, являлось сравнение одно- и двухстадийного методов создания микроструктурированных световодов. Была определена зависимость потерь излучения в световодах от температуры вытяжки капилляров. Проведено сравнение методов очистки капилляров в дырчатых световодах. Предложены методы снижения затухания излучения.
38
Представлена методика создания многозонного просветляющего покрытия на подложке из оптического сульфида цинка. Покрытие одновременно эффективно работает в нескольких спектральных диапазонах: в видимой области (450–700 нм), в ближней инфракрасной области (1000–1100 нм), на длине волны 1,55 мкм, а также в средней инфракрасной области спектра (3–5 мкм). Коэффициент отражения в диапазоне 450–700 нм не превышает 2%, в диапазоне 1000–1100 нм – менее 0,5%, в диапазоне 1500–1700 нм близок к 1,5% и в диапазоне 3–5 мкм – к 0,6%. В работе представлены результаты анализа влияния отклонений в толщинах слоев, формирующих разработанное покрытие, на изменение значения энергетического коэффициента отражения в рассматриваемых областях. Получено, что отклонение в толщине слоя, граничащего с воздухом, оказывает максимальное влияние на спектральную характеристику полученного покрытия. Отклонение показателя преломления этого слоя влияет на величину остаточного отражения.
44
Рассматриваются вопросы высокоточного контроля параметров выпускаемой бумажной продукции, а именно, различных видов бумаги и фотобумаги для печати. В рамках данной работы методом атомно-силовой микроскопии проведены исследования необработанной, матовой, глянцевой и ламинированной бумаги. Для исследований использовался учебно-научный сканирующий зондовый микроскоп NanoEducator LE. Проведена визуализация характерной структуры каждого вида исследуемой бумаги, получены гистограммы шероховатости, определена средняя шероховатость перепадов высот для каждого типа бумаги. Наименьшей шероховатостью обладает ламинированная бумага (Ra около 70 нм), шероховатость глянцевой бумаги составляет около 170 нм, шероховатость необработанной бумаги с волокнами целлюлозы – 530–540 нм. Самыми высокими параметрами шероховатости характеризуется матовая бумага (Ra порядка 670–680 нм). Продемонстрировано, что применение сканирующей зондовой микроскопии позволяет проводить экспресс-контроль параметров целлюлозной бумажной продукции, что может быть использовано при ее производстве.
50
Представлена новая технология расплавления химических веществ с просветляющейся жидкой фазой световым излучением. Предложен и опробован способ расплавления, основанный на воздействии световым излучением. Разработана конструкция излучателя на основе галогенных ламп, которая использовалась в качестве насадки на контактный нагреватель. Лампы помещались в индивидуальные прозрачные корпуса, что позволяет выровнять распределение температур по поверхности излучателя и избежать сильного перегрева ламп. Такие излучатели применялись для расплавления синтетических жирных кислот, используемых в производстве моющих средств. При проектировании конструкции излучателя использовались ранее разработанные методики расчета скоростей процесса плавления при комбинированном воздействии на расплавляемое вещество светового излучения и тепловой мощности, выделяемой на поверхности прозрачного корпуса. На основе расчетов и данных по световым и тепловым характеристикам излучателей определялось их необходимое количество и требуемое расстояние между ними. Экспериментальная проверка показала возможность проплавления канала глубиной 1 м за 5–6 ч. Это в 3 раза меньше, чем необходимо для проплавления канала контактным нагревателем. Энергопотребление увеличено всего на 7% относительно энергозатрат контактного нагревателя. При этом был проплавлен канал большего диаметра, чем при использовании только контактного нагревателя.
54
На основе экспериментальных данных о геометрии сечений партии силовых стержней для заготовки анизотропного оптического волокна типа Panda выявлены зависимости изменения радиальных размеров заготовок от угловой координаты. Описан алгоритм статистической обработки геометрических параметров, который позволяет найти подобие в геометрии сечений разных стержней и выявить характерную форму сечения для всех образцов. Алгоритм заключается в смещении точек зависимостей радиусов от угловых координат с целью нахождения кривых с максимальным показателем корреляции, а затем на основе найденных кривых находится распределение значений радиусов для каждой угловой координаты. Показано, что при изготовлении силовых стержней с переменным содержанием легирующих добавок по радиусу модифицированным методом химического осаждения из газовой фазы не удается получить идеально круглую форму поперечного сечения стержня. При этом наиболее существенные отклонения (до 10%) от кругового профиля фиксируются для границы, разделяющей легированную сердцевину стержня и наружный слой чистого кварца, а отклонения других границ от круга незначительны (десятые доли процента). Установлено, что закономерным образом в условиях данного технологического процесса реализуется некруговая форма поперечного сечения легированного ядра, которую можно условно назвать формой типа «огранка» (с тремя «гранями» разной длины). Последующий длительный контроль формы поперечного сечения силовых стержней подтвердил повторяемость полученных результатов.

КОМПЬЮТЕРНЫЕ СИСТЕМЫ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

60
Рассмотрен интерактивный метод верификации параллельных автоматных программ, в которых иерархические автоматы могут реализовываться в разных потоках и взаимодействовать друг с другом. Верификация проводится при помощи инструментального средства Spin, включает в себя автоматическое построение модели на языке Promela, приведение LTL-формулы в формат, определяемый инструментальным средством Spin и построение контрпримера в терминах автоматов. Интерактивная верификация позволяет сократить время верификации и увеличить максимально возможный размер верифицируемых программ. Рассмотренный метод позволяет верифицировать параллельную систему иерархических автоматов, которые взаимодействуют между собой через сообщения и общие переменные. Особенность автоматной модели состоит в том, что каждый автомат объявляется как новый тип данных и может иметь произвольное (но заранее заданное) число экземпляров. Каждый конечный автомат в системе может запускать другой автомат в новом потоке или иметь вложенный автомат. Была проведена апробация инструментального средства Stater, разработанного на основе данного метода. На всех примерах Stater отработал правильно.
66
Рассмотрены проблемы, связанные с применением реляционных СУБД в области анализа больших объемов данных, в том числе данных, предоставляемых для аналитики посредством веб-сервисов в Интернет. Возможность их решения может быть представлена веб-ориентированной распределенной системой анализа данных, исполнительным ядром которой является процессор сервисных запросов. Функции такой системы аналогичны функциям реляционных СУБД, только применительно к веб-сервисам. Процессор сервисных запросов необходим для формирования и исполнения плана вызова веб-сервисов анализа данных. Эффективность такой веб-ориентированной системы зависит от эффективности плана вызова веб-сервисов и программной реализации веб-сервисов, основным элементом которых являются средства хранения анализируемых данных – реляционные СУБД. Развитию возможностей реляционных СУБД для анализа больших объемов данных и уделено основное внимание в данной работе, а именно – оценке перспективности реализации веб-сервисов анализа данных на основе платформы SQL/MapReduce. Для достижения поставленной цели в качестве прикладной была выбрана аналитическая задача, характерная для различных социальных сетей и веб-порталов, связанная с анализом данных об их посещаемости различными пользователями. В рамках практической части исследования был реализован алгоритм формирования плана вызова веб-сервисов для решения прикладной аналитической задачи и выполнен эксперимент, подтверждающий эффективность технологии SQL/MapReduce и перспективность применения ее при реализации веб-сервисов анализа данных.
71
В современных автоматизированных системах пользователи часто сталкиваются с проблемой информационной перегрузки из-за постоянно возрастающих объемов информации, требующей обработки за короткое время. Работа в таких условиях отрицательно сказывается на качестве работы операторов систем и на надежности самих систем. Одним из подходов к решению задачи информационной перегрузки является создание для автоматизированных систем персонализированных интерфейсов, учитывающих особенности работы пользователей с информацией. Характеристики оператора системы, определяющие предпочитаемые им форму и темп представления информации, формируют когнитивный портрет пользователя. Для диагностирования характеристик применяется или профессиональное тестирование с привлечением специалистов-психологов, или оперативное тестирование на рабочем месте пользователя. Второй вариант представляется более предпочтительным для использования в автоматизированных системах, поскольку не возникает проблемы нехватки специалистов–психологов. Составление когнитивного портрета при этом проводится в результате взаимодействия пользователя с программными средствами диагностирования, основанными на методиках когнитивной психологии. Эффект от применения в автоматизированной системе персонализированного пользовательского интерфейса можнооценить, установив, как уменьшение времени реакции пользователя на критические события влияет на уровень надежности и эффективности функционирования системы. Для этого используются формулы теории надежности сложных автоматизированных систем, показывающие зависимость надежности системы от времени реагирования пользователя на критическое событие.
76
Произведен анализ существующих подходов к отображению задач на реконфигурируемые вычислительные системы, особое внимание уделялось методам отображения на крупногранулярные реконфигурируемые вычислительные системы. На основе произведенного анализа сформированы цель и задачи создания нового эвристического метода отображения задач на крупногранулярные реконфигурируемые вычислительные системы, который базируется на методе разделения графа с выталкиванием вершин, алгоритме покрытия графов, эвристическом подходе к оптимизации и упаковке графа для конкретного варианта крупногранулярной реконфигурируемой вычислительной системы и разработанном методе отображения графа потока данных задачи на ресурсы крупногранулярной реконфигурируемой вычислительной системы. В ходе работы было осуществлено имитационное моделирование разработанного метода и существующих подходов к отображению задач на крупногранулярные реконфигурируемые вычислительные системы на модели системы с крупногранулярной реконфигурируемым аппаратным ускорителем MATRIX. Приведены экспериментальные результаты, доказывающие эффективность предлагаемого подхода по сравнению с широко используемыми методами отображения задач на крупногранулярные реконфигурируемые вычислительные системы и возможность использования динамических параметров функционирования крупногранулярной реконфигурируемой вычислительной системы для дальнейшего улучшения получаемого отображения задачи.
82
Исследуется возможность применения глобальной эмпирической модели IRI-2012 для полуавтоматической обработки данных вертикального зондирования ионосферы. Проведено сопоставление данных вертикального зондирования на станции СПбФ ИЗМИРАН в Воейково за февраль 2013 г. с результатами расчетов по модели IRI-2012 для основных ионосферных характеристик. В обработку вошло 2688 модельных значений параметров f0F2 , f0E , hmF2, hmE и 1866 реальных значений. По ионограммам определялись критические частоты (f0E, f0F2) и высоты максимумов (hmF2, hmE) слоев E и F2. По измеренным частотам и высотам с использованием модели IRI-2012 восстанавливались вертикальные профили электронной концентрации. Расчет проводился также по модели без включения реальных данных вертикального зондирования. По данным вертикального зондирования и модельным значениям были рассчитаны среднемесячные значения и стандартные отклонения (σ) для параметров f0F2, f0E, hmF2, hmE для каждого часа суток. Определены условия применимости модели для автоматизированной обработки ионограмм субавроральной ионосферы. Модель IRI-2012 на этапе первоначальной обработки субавроральной ионограммы может быть применена в дневные часы при невозмущенных условиях и отсутствии спорадической ионизации. При этом модельные отклонения могут быть скорректированы по ближайшим по времени реальным данным. Модельные данные для f0E (в дневные часы) и fmF2 могут быть применены для сокращения вычислительных затрат в системах автоматического поиска параметров по ионограммам и для предварительного определения диапазонов поиска основных определяемых параметров на основе расчета по модели IRI-2012. В отсутствии отдельных реальных значений модель IRI-2012 может быть применена для более точной аппроксимации рядов реальных данных. В условиях спорадической ионизации необходимо применять модели высокоширотной ионосферы, включающие блок корпускулярного ионообразования.
87
Авторами рассматривается проблема оценки точности отображения местоположения объекта в геоинформационных системах и системах индикации навигационных комплексов пилотируемых летательных аппаратов. Рассматриваются особенности применения различных типов жидкокристаллических экранов с разным числом пикселей по вертикали и горизонтали при отображении геоинформационных данных в различных масштабах. Отображение оценок значений навигационных параметров на борту летательного аппарата осуществляется двумя способами: непосредственно на экране многофункционального цветного индикатора отображается числовое значение параметра; на экране формируется силуэт объекта на фоне подложки, в качестве которой используется графическое изображение карты местности в зоне полета. Авторами рассмотрены различные масштабы отображения цифровой карты местности, используемые в настоящее время в авиационной промышленности. Приведены результаты расчета цены деления одного пикселя в зависимости от технических характеристик жидкокристаллического экрана и масштаба отображения карты местности на многофункциональном цифровом индикаторе. Приводятся результаты экспериментальных расчетов оценки точности отображения на местности положения летательного аппарата по данным от спутниковой навигационной системы и инерциальной навигационной системы, полученным в ходе выполнения программы полетов реального объекта. На основе произведенных расчетов построено семейство графиков ошибки точности отображения положения опорной точки объекта при использовании бортовых индикаторов с жидкокристаллическим экраном и различным разрешением экрана (в дюймах) (6ʺ×8ʺ, 7,2ʺ×9,6ʺ, 9ʺ×12ʺ) для двух масштабов (1:0,25 км, 1:2 км) отображения карты. Приведенные семейства графиков зависимостей могут быть использованы как для оценки величины ошибки отображения положения объекта на местности в существующих навигационных системах, так и для расчета величины ошибки при модернизации объектов.
93
Рассматривается один из способов решения актуальной проблемы обеспечения контроля качества продуктов питания с использованием методов машинного обучения. Существующие в настоящее время методы анализа требуют специального лабораторного оборудования, значительного времени и сильно зависят от квалификации и некоторых физиологических особенностей эксперта, в то время как предлагаемый метод позволяет существенно снизить затраты за счет автоматизации процесса. Рассмотрено устройство, реализующее данный метод, принцип действия которого основан на флуоресцентной микроскопии. Для набора обучающих данных решена задача классификации объектов на классы «бактерия» и «сторонний артефакт», проведен сравнительный анализ различных алгоритмов классификации (метод опорных векторов, случайный лес, деревья решений C4.5, метод k ближайших соседей, метод Байеса), который показал, что наилучшей эффективностью обладают метод опорных векторов и случайный лес. Данная работа выполнена на кафедре мехатроники Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики и кафедре контроля качества и промышленной обработки изображений Технического университета г. Ильменау (Германия) в рамках совместной программы «Михаил Ломоносов» Министерства образования и науки Российской Федерации и Германской службы академических обменов.
99
Рассматривается проблема кластеризации узкотематических текстов короткой длины, таких как аннотации к научным публикациям. Цель решения данной задачи – группировка результатов запросов в поисковых системах по научным публикациям. Использованы наблюдения, полученные при решении задачи извлечения ключевых фраз из документов. Был применен расширенный список стоп-слов, построенный автоматически для решения задачи извлечения ключевых фраз и позволивший значительно улучшить качество информации, получаемой из научных публикаций. Приводится описание процедуры построения данного списка стоп-слов. Основной задачей является исследование возможности повысить качество и (или) скорость кластеризации аннотаций с помощью вышеупомянутого списка стоп-слов, а также информации о частях речи лексем. В последнем случае для представления документов применяется словарь, содержащий не все слова коллекции, а только существительные и прилагательные, или словарь, состоящий из последовательностей существительных и прилагательных. Использованы два базовых алгоритма кластеризации: k-means и иерархическая кластеризация (метод межгрупповогосреднего). Показано, что использование расширенного списка стоп-слов и представление документов на основе существительных и прилагательных из словаря коллекции позволяют улучшить качество и скорость работы алгоритма k-means. Для метода межгруппового среднего в аналогичном случае может наблюдаться ухудшение качества кластеризации. Показано, что использование для представления документов последовательностей из существительных и прилагательных снижает качество кластеризации для обоих алгоритмов и оправдано только в тех случаях, когда требуется значительное снижение размерности пространства признаков.
107
Изображения с высокой глубиной цвета обладают гораздо лучшими возможностями воспроизведения цветов и плавных градиентов, особенно при использовании устройств с широким цветовым охватом. В работе рассматривается проблема сжатия текстур с глубиной цвета 10 бит, применяемых в трехмерной компьютерной графике. Предложен метод хранения подобных текстур с использованием стандартного формата сжатия текстур BC7, рассмотрен тип блока BC7, с помощью которого можно закодировать цвета с точностью, превышающей 8 бит, и показаны необходимые изменения в аппаратуре декодера. Предложенный подход обладает обратной совместимостью с существующими декодерами. В ходе исследования была разработана программная реализация кодека на основе компрессора bc7_gpu. Сравнение исходного и предлагаемого кодека показало уменьшение ошибок сжатия для изображений с высокой глубиной цвета.
112
Рассмотрено зашумление смазанных или (и) дефокусированных изображений. Определяется последовательность фильтрации шумов на таких изображениях – до устранения смазывания/дефокусирования или после него. Введены понятия предшествующей и последующей фильтрации шумов. Устранение смазывания/дефокусирования ряда изображений выполнено методами параметрической фильтрации Винера и регуляризации Тихонова, а фильтрация шумов – методами медианной фильтрации Тьюки и адаптивной фильтрации Винера. На репрезентативных выборках проведена экспериментальная проверка, получены количественные оценки погрешностей восстановления изображений при различных типах шумов и очередностей их фильтрации. Показано, что методы параметрической фильтрации Винера и регуляризации Тихонова достаточно эффективно устраняют смазывание/дефокусирование, но недостаточно фильтруют шумы. Эффективность фильтрации шумов повышается при добавлении таких методов, как медианный фильтр Тьюки, адаптивный фильтр Винера. При этом для импульсного шума важен порядок (очередность) его фильтрации (до или после устранения смазывания/дефокусирования в зависимости от помехо-сигнальной ситуации), а для гауссова шума порядок несущественен. Показано, что импульсный шум лучше фильтруется медианной, ранговой, адаптивной медианной фильтрацией, а гауссовый шум – адаптивной винеровской фильтрацией, среднеарифметическим фильтром. Дается объяснение этим эффектам.
123
Рассматривается проблема возможности воспроизведения на экранах видеомониторов полного диапазона цветовых тонов классической масляной живописи. Показаны модели стандартных цветовых охватов современных мониторов. Модели визуализированы в цветовой координатной системе CIELab. Доказано, что чистые минеральные пигменты имеют бóльшую хроматическую насыщенность по сравнению с масляной краской, исходя из этого, возможность воспроизведения насыщенных пигментов обеспечивает воспроизведение всего диапазона масляных красок. Методом спектрофотомерии получены 75 хроматических координат насыщенных пигментов. Показано положение измеренных координат относительно цветовых охватов стандартных мониторов. Разработана количественная методика оценки достоверности воспроизведения на экранах современных мониторов полного диапазона тонов классической масляной живописи. Методика включает расчет цветовых отличий ряда выходящих за пределы цветового охвата монитора цветовых тонов (исходной координаты и координаты, преобразованной в диапазон охвата), результаты рассмотрены относительно стандартизованных пороговых цветовых отличий. Доказано, что видеомонитор стандарта sRGB не позволяет воспроизводить полный диапазон тонов масляной живописи, а видеомонитор стандарта AdobeRGB воспроизводит их удовлетворительно (с отличием ниже порога различимости). Разработанная количественная методика может применяться для оценки любого монитора.
129
систем, в результате чего выявлен их общий недостаток, заключающийся в том, что данные подходы не позволяют рассматривать угрозы информационной безопасности в качестве эксплуатационной характеристики информационной системы. Это не позволяет построить адекватную модель информационной системы, в том числе защищенной, как системы с отказами и восстановлениями, характеризуемыми возникновением и устранением угроз в процессе эксплуатации системы, не позволяет выявить и соответствующие взаимосвязи, в том числе временные, между угрозами и их совокупностями, эксплуатируемыми атаками, ввести количественные меры актуальности угроз и эффективности атак как эксплуатационных характеристик системы и, как следствие, количественно оценить уровень эксплуатационной безопасности информационной системы и эффективности средств защиты. Предложены основы теории эксплуатационной информационной безопасности, введены основные эксплуатационные параметры и характеристики, предложен подход к оцениванию эксплуатационных характеристик информационной системы, введены эксплуатационные характеристики риска нарушений безопасности информационной системы, в том числе риска потерь.
139
Задача идентификации анонимных пользователей Интернет-порталов становится все более актуальной научной задачей, это обусловлено ростом числа интернет-пользователей, в том числе анонимных, ростом числа случаев совершения противоправных действий (например, анонимных угроз и экстремистских высказываний) и несовершенством существующих подходов и алгоритмов идентификации анонимных пользователей. В контексте работы под идентификацией пользователя понимается распознавание анонимного пользователя в Интернете [1–5]. Распознавание производится путем соотнесения набора характеристик анонимного пользователя с характеристиками, собранными ранее и уже имеющимися в базе данных. К характеристикам пользователя относятся ряд технических (IP-адрес, версия операционной системы и пр.) и лингвистических (стиль письменной речи автора сообщения) характеристик. В работе рассматривается возможность идентификации пользователей по различным наборам таких характеристик (техническим, лингвистическим и комбинированным). Анализируется возможность применения различных методов классификации (метод опорных векторов, нейросети, логическая регрессия) для решения задачи по идентификации анонимных пользователей. Проведенные эксперименты показали, что использование лингвистических характеристик совместно с техническими позволяет повысить точность идентификации анонимного пользователя Интернет-портала.

ТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИ

145
Разработана приближенная методика расчета эффективных коэффициентов облученности космического объекта цилиндрической формы, которая типична для наружных корпусов космических телескопов, а также фрагментов космических аппаратов. В настоящее время отсутствуют аналитические методики расчета интегральных и эффективных коэффициентов облученности для такой конфигурации космических объектов. Интегральные коэффициенты облученности определяют средний тепловой баланс на цилиндрической поверхности, а эффективные – на всей поверхности цилиндра с учетом его торцов. Расчеты эффективных коэффициентов облученности космических объектов подсветкой Земли необходимы для определения важнейшей компоненты энергетического баланса – удельной мощности собственного теплового излучения Земли. Такие расчеты используются для определения средних температур космических объектов. Методика основана на обобщении и аппроксимации результатов численных расчетов в диапазоне изменения высоты орбиты от 200 км до 40000 км, а также во всем возможном диапазоне изменения угла наклона оси цилиндра. Показаны неопределенности в математической модели при небольших отклонениях положения оси цилиндра от линии зенит–надир. Исследованы погрешности приближенного решения при определении интегрального коэффициента облученности боковой цилиндрической поверхности. Допустимая итоговая погрешность полученного приближенного решения оценивалась по отклонению температуры объекта в тени Земли от ее точного значения. При больших отношениях высоты цилиндра к диаметру погрешности расчета интегрального коэффициента облученности максимальны и могут приводить к погрешности определения температур в тени Земли до 1,5 К. Погрешности расчета температуры цилиндра уменьшаются с уменьшением отношения его высоты к диаметру. Они минимальны для модели тонкого диска. Погрешности расчета температур значительно снижаются для случая нахождения цилиндрического объекта на подсвеченном Солнцем участке траектории, а еще более – при расчетах нестационарного теплового режима. Предложенная методика расчета достаточно точна, проста и удобна для расчетов.
151
Математической моделью многих механических систем является система динамических уравнений полиномиальной структуры с периодическими или постоянными параметрами. Такие механические системы широко применяют в динамике виброзащиты приборов и устройств. Исследование нелинейных систем с конечным числом степеней свободы представляет сложную актуальную проблему по сравнению с линейными системами. Исследование нелинейных систем не сводится к определению конечного числа частных решений, поскольку нелинейные системы не обладают свойством суперпозиции решений. Рассматривается математическая модель нелинейной динамической системы с тремя степенями свободы, которая содержит многочлены до четвертой степени от фазовых переменных. Для исследования данной модели представлены алгоритмические формулы метода автономизации нелинейных динамических систем. Нелинейная математическая модель динамической системы преобразуется к автономной форме, и определяются главные параметры динамической системы. Представлен алгоритм метода автономизации для исследования виброзащитной нелинейной системы с тремя степенями свободы. При решении задач виброзащиты широко применяются линейные системы, хотя линейность функций недостаточно точно аппроксимирует характеристики системы, внося погрешности при анализе. В работе решена задача получения и исследования более точной нелинейной модели виброзащитной системы. Рассмотрена нелинейная виброзащитная система с тремя степенями свободы с нелинейными правыми частями в виде многочлена третьей степени от фазовых переменных с постоянными и периодическими параметрами. Система состоит из объекта виброзащиты, установленного на две платформы, находящиеся одна под другой, нижняя из которых поставлена на вибрирующее основание. Внешнее гармоническое возмущение воздействует на основание. Предполагается, что упругие элементы системы описываются многочленами третьей степени, демпфирующие элементы имеют нелинейную кубическую характеристику. В результате применения метода нелинейная система преобразуется к более простому автономному виду, и существенно сокращается количество параметров нелинейной динамической системы без ухудшения качества решения. Применение метода существенно упрощает исследование переходных и установившихся процессов нелинейных динамических систем. Решаемая задача исследования виброзащитной системы в нелинейной постановке является новой, имеет теоретическое и практическое значение.
156
Проанализировано современное состояние базовых терминов в области мехатроники, которое зафиксировано в документах комиссии по стандартизации и терминологии Международной федерации по теории машин и механизмов. Указаны новые термины, которые были введены в научный оборот с начала XXI века. К таким терминам относятся «мехатронизированный объект», «мехатронный класс», объединяющый «мехатронные» и «мехатронизированные» объекты. Дано понятие об «уровневом подходе» к мехатронике, который позволяет увязать между собой собственно мехатронику, микросистемную технику и наноиндустрию. Изложены некоторые соображения о применении термина «мехатронный комплекс», которые стали особенно актуальным в связи с появлением орбитальных группировок малых космических аппаратов. Внесены коррективы по таким критериям оценки мехатронных объектов, как ремонтопригодность и долговечность, а также по использованию термина «мехатронные модули». Поставлены вопросы о расширении понимания мехатроники от компьютерного управления движением до управления состоянием объекта, о терминах «авионика» и «автоника», о взаимосвязи мехатроники и логистики, которую стали относить к предметной области мехатроники.
165
На основе опыта применения технологии алмазного микроточения в Научно-исследовательском институте оптикоэлектронного приборостроения и анализа литературных источников рассмотрены области использования и направления дальнейшего развития технологии алмазного микроточения. Отмечается, что на сегодняшний день технология в основном применяется для формообразования рабочих поверхностей оптических элементов, изготовления киноформов, деталей точной механики, а также декоративной обработки. К новым областям применения алмазного микроточения относятся: изготовление рабочих поверхностей пресс-форм; технологии, позволяющие совместить технологические процессы формообразования и сборки оптико-механических систем; исследование технологической наследственности путем анализа дифракционной структуры поверхности, обработанной алмазным микроточением; получение рабочих поверхностей оптических элементов с астигматизмом заданной величины и направления, используемых в глубокоохлаждаемых оптико-механических системах. Приведены перспективные направления развития алмазного микроточения: создание станков на основе новых кинематических схем, химическая и электрохимическая дополировка рабочих поверхностей оптических элементов после алмазного микроточения с целью уменьшения шероховатости и создания нерегулярного рельефа для работы в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах спектра, разработка технологии алмазного микроточения для новых материалов и совершенствование известных технологий на основе современных представлений о состоянии поверхностного слоя, создание упорядоченного нанорельефа для генерации поверхностных электромагнитных волн для управления свойствами поверхности.
170
Трудоемкость формирования зубчатых поверхностей традиционными методами достаточно высока. Разработка новых, относительно эффективных методов их обработки имеет важное научно-практическое значение. Разработан новый способ – скоростное зубодолбление прямых зубьев цилиндрических колес косозубым ступенчатым долбяком, зубья которого расположены ступенчато, вдоль собственной оси. После наладки технологической системы инструменту и заготовке сообщается непрерывное станочное зацепление. Инструмент получает одновременно и радиальное перемещение. При этом, несмотря на отсутствие осевого относительного перемещения заготовки и инструмента в целом, режущие кромки последнего совершают осевое перемещение, что обеспечивается конструкцией инструмента и кинематикой нарезания, и снимают материал. После достижения требуемой глубины нарезки производится однократное перемещение инструмента вдоль оси заготовки. Обеспечивается калибровка поверхности, и уменьшаются погрешности обработки, так как каждый зуб долбяка имеет возможность участвовать в формировании любого зуба колеса. Спроектированы и изготовлены ступенчатые долбяки разной конструкции, было создано модернизированное оборудование на базе вертикально-фрезерного станка мод. 6Р13. Опробование и промышленные испытания разработанного метода проведены на машиностроительном заводе им. Г. Мусабекова. Установлено, что нарезание зубьев ступенчатым долбяком обеспечивает 8–9 степень точности по [1] при значительном сокращении машинного времени по сравнению с традиционным зубодолблением. На специальном станке можно нарезать зубчатые поверхности, обладающие точностью не ниже 8 степени.

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

177
На примере задачи моделирования динамики температурного поля при лазерно-дуговой наплавке композитных материалов исследуется проблема учета явлений плавления и кристаллизации сталей и сплавов. Математическая модель принадлежит классу задач Стефана и описывается нестационарным нелинейным трехмерным уравнением теплопроводности с граничными условиями. Задача решается конечно-разностным методом сквозного счета. Нелинейность задачи обусловлена зависимостью коэффициента объемной теплоемкости от температуры, которая имеет всплеск в интервале плавления-кристаллизации. Для учета этой зависимости предлагается метод линейно-экспоненциальной аппроксимации. За счет стремительности нагрева в некоторых узлах разностной сетки возникает проблема перехода температуры из диапазона твердой фазы в диапазон жидкой фазы за один шаг интегрирования по времени. Для решения этой проблемы предлагается алгоритмический метод учета всплеска зависимости коэффициента объемной теплоемкости от температуры в интервале плавления-кристаллизации, который основан на идее вложенных сеток. Предложенный метод увеличивает алгоритмическую сложность расчета, однако дает гарантию учета физики процесса плавления-кристаллизации. Приводится сравнение результатов расчетов, полученных при использовании кусочнолинейной и линейно-экспоненциальной аппроксимации зависимости коэффициента объемной теплоемкости от температуры. Показано, что в случае использования линейно-экспоненциальной аппроксимации процесс решения на адаптивной сетке ускоряется за счет уменьшения количества временных шагов интегрирования.Известия Гомельского государственного университета им. Ф. Скорины. 2011. № 6 (69). С. 105–109.
182
Сущность бесконтактной лазерной деформации состоит в изменении геометрической формы объекта в процессе его нагревания и охлаждения без применения механического воздействия. Среди факторов, влияющих на деформацию, присутствуют нагрев, создающий температурное поле, и скорость изменения температурного поля. В работе рассмотрен результат компьютерного моделирования температурного поля пластины, возникающего под воздействием перемещающегося лазерного луча. Проведено сравнение расчетов по двум математическим моделям с результатами эксперимента. В первой модели такие параметры, как плотность, удельная теплоемкость и теплопроводность, приняты константами, во второй – зависящими от температуры по закону, полученному путем линейной аппроксимации табличных данных методом наименьших квадратов. В обеих моделях температурное поле определяется из решения трехмерного нестационарного уравнения теплопроводности: линейного – в первом случае, квазилинейного – во втором. Для решения использована шестиэтапная неявная разностная схема расщепления по координатам, имеющая второй порядок точности по всем координатам. Системы линейных алгебраических уравнений, возникающие в этой разностной схеме, решаются модифицированным методом Гаусса. Для автоматического построения переменной разностной сетки применяется адаптивный метод, который «сгущает» узлы в зонах с большим градиентом температур и располагает их более редко в областях, где температура изменяется плавно. Это позволяет сократить время расчета и получить результат с заранее заданной точностью. Компьютерное моделирование показало, что учет зависимости параметров материала от температуры дает более точный результат. Однако такой метод связан с большим числом временных шагов и соответственно более длителен.
187
Приведен краткий обзор основных математических моделей описания потоков жидкостей и газов, от модели пути смешения Прандтля до одно- и двухпараметрических дифференциальных RANS-моделей, а также нестационарных моделей крупных LES- и отсоединенных DES-вихрей. Последний тип моделей, впервые предложенный П. Спалартом в 1997 г., позволил объединить преимущества моделей LES и RANS, что впоследствии расширило область применения нестационарных математических моделей к описанию потоков жидкостей и газов. Авторы исследования приводят математическую формулировку моделей DES, подробно останавливаясь на принципиальных отличиях данных методов от моделей RANS. Также приведен вид трехмерной геометрической модели носовой полости человека, полученной на основе данных компьютерной томографии с использованием программного пакета Mercury Amira. После сегментации данной модели с помощью программного пакета Altair Hypermesh была построена объемная нерегулярная сетка из 1,5×107 конечных элементов, на основе которой произведен нестационарный расчет параметров потока (программный пакет Ansys Fluent). Приведены полученные в результате расчета поля скоростей потока для вдоха и выдоха. Использование подробной расчетной сетки и нестационарной модели DES позволило выделить внутри потока отдельные мелкомасштабные вихревые структуры. Авторами разработана твердотельная модель носовой полости, на основе которой были проведены экспериментальныеисследования процесса дыхания. Измеренные значения перепада давления потока в преддверии носа показали удовлетворительное согласие с соответствующими расчетными данными, и был сделан вывод о возможности применения моделей DES для моделирования течений жидкостей и газов в каналах нерегулярной формы.
193
Маркет-мейкер – важнейший участник современной биржевой торговли, обеспечивающий повышение ликвидности рынка и уменьшение спрэда между ценой покупки и продажи. В работе представлена автоматическая стратегия маркет-мейкера для квотирования опционов и других финансовых инструментов на электронных биржах. Котировки инструментов рассчитываются на основе их теоретической стоимости, что является ресурсоёмким вычислением. Для обеспечения смены котировок в режиме реального времени предложены алгоритмические оптимизации, позволившие добиться четырехкратного ускорения смены котировок в рыночных условиях – механизм кэширования котировок и сглаживание колебаний цены базового актива. Механизм кэширования предварительно рассчитывает котировки в заданном диапазоне вокруг текущей цены базового актива. При изменении цены на рынке в пределах диапазона стратегия отправляет на биржу готовое сообщение о смене котировок вместо выполнения нового трудоемкого расчета. Сглаживание колебаний цены базового актива позволяет избежать постоянного изменения границ диапазона и реагировать только на существенные движения рынка. Экспериментально определен размер кэшируемого диапазона (40 элементов), обеспечивающий оптимальное соотношение скорости смены котировок и потребляемых ресурсов. При квотировании 36 опционов на рынке Eurex Exchange средняя задержка смены котировок при изменении цены базового актива составила 277 мкс. Замеры производились на сервере Sun X4170 M3: CPU(s): 2xXeon 2.9 ГГц RAM: 128 ГБ под управлением операционной системы Solaris 10. Полученные результаты соответствуют современным требованиям маркет-мейкеров. Разработанная стратегия используется крупными европейскими банками и трейдинговыми фирмами.

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ОБРАЗОВАНИИ

ОТ ТРАДИЦИОННОГО ДИСТАНЦИОННОГО ОБУЧЕНИЯ К МАССОВЫМ ОТКРЫТЫМ ОНЛАЙН-КУРСАМ Васильев В. Н., Стафеев С. К., Лисицына Л. С., Ольшевская А. В.
199
Поставлена проблема перехода вузов России от традиционного дистанционного обучения к массовому электронному обучению на основе открытых онлайн-курсов, обоснована ее актуальность. Проведен анализ важнейших предпосылок для успешности перехода (востребованность образовательных интернет-ресурсов, используемых с мобильных устройств; наличие большого количества различных электронных ресурсов, успешно используемых вузами на практике в дистанционных образовательных технологиях; наличие опыта ведения электронных журналов успеваемости студентов для планирования и оценивания результатов обучения; существенный рост материальных затрат в мировом рынке онлайн-обучения). Определены ключевые задачи перехода и сформулированы основные принципы разработки электронных онлайн-курсов. Приведена методика разработки результатоцентрированного электронного онлайн-курса. Методика содержит четыре этапа: планирование ожидаемых результатов обучения, структурирование электронного содержания курса и разработка сценария обучения, разработка плана испытаний и электронных оценочных средств для автоматического контроля запланированных результатов обучения, реализация курса с использованием игровых механик и технологий сетевого общения обучаемых. Определены требования к различным формам контроля запланированных в курсе результатов обучения. Выделены два вида электронных онлайн-курсов (наукоемкие и технологические курсы). Приведены примеры их реализации в авторских онлайн-курсах «Волновая оптика», «Теория графов», «Разработка веб-интерфейсов на основе HTML и CSS», созданных и используемых на практике в 2013 году в НИУ ИТМО. Поставлены актуальные задачи развития массового открытого образования в ведущих вузах России.

КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ

ОБРАТИМАЯ ФОТОДЕСТРУКЦИЯ НАНОЧАСТИЦ СЕРЕБРА В ФОТО-ТЕРМО-РЕФРАКТИВНЫХ СТЕКЛАХ Игнатьев Д. А., Игнатьев А. И., Никоноров Н. В., Стародубов Д. С.
206
Исследован процесс фотодеструкции наночастиц серебра в фото-термо-рефрактивных стеклах. Показано, что при облучении импульсным лазером в фото-термо-рефрактивных стеклах происходит фотофрагментация и фотоионизация наночастиц серебра. Последующая термообработка приводит к росту наночастиц серебра, что говорит об обратимости процесса фотодеструкции наночастиц серебра.
207
Сформулирована схема веерного сканирования горячего газа в задаче инфракрасной томографии. Использованы два режима диагностики: активный (ON) – с включенным источником, пассивный (OFF) – без источника. Выведены два интегральных уравнения относительно коэффициента абсорбции k и функции Планка B среды (по которой можно рассчитать температурный профиль среды T).
209
Рассматриваются проблемы получения спектров электрофизиологических сигналов, зависимости результата диагностики от зашумленности данных и квалификации эксперта. Разработан модуль оценки амплитудно-частотных спектров биосигналов в реальном времени. Приводится общая схема подключения измерительного модуля к спектроанализатору в составе многофункционального диагностического комплекса. Модуль реализован на базе миникомпьютера Cubieboard A20. Осуществляется непрерывное разложение сигналов (до 32 каналов) на фрагменты равной продолжительности и их независимая математическая обработка по каждому измерительному каналу. Предложенное устройство позволяет анализировать динамику изменений спектра в реальном времени.
Информация 2001-2019 ©
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики.
Все права защищены.

Яндекс.Метрика