Аннотации номера

ФОТОНИКА И ОПТОИНФОРМАТИКА

1
Предметом исследования работы являются оптические силы притяжения как одно из проявлений механического воздействия оптического излучения на материальные объекты. В частности, рассмотрены оптические силы, действующие на димер, составленный из наночастиц с малым по отношению к длине волны радиусом. Вычисление оптических сил (сил Лоренца) осуществлено на основе электромагнитных полей, полученных в результате решения самосогласованной системы полевых уравнений. Выведена аналитическая формула, показывающая зависимость оптической силы, действующей на димер, от параметров димерной системы и структурированной волны, составленной из двух скрещивающихся плоских волн. Впервые показано, что на димер из одинаковых дипольных частиц в структурированном оптическом поле может действовать сила притяжения к источнику, так называемое «отрицательное радиационное давление». Показано, что силы притяжения обусловлены увеличением импульса фотонов (вернее, проекции импульса фотонов на направление распространения структурированной волны) в результате рассеяния. Соответствующая диаграмма рассеяния димерной системы показала усиленное рассеяние вперед, что подтверждает указанный механизм возникновения сил притяжения. Результаты исследования будут полезны для расширения возможностей оптического манипулирования нано- и микрочастицами. 

ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИ

6
Исследовано влияние дифракционных оптических элементов на оптические аберрации. Их преимуществом является способность генерировать произвольные сложные волновые фронты в плоском слое оптического материала. Рассмотрены вопросы коррекции аберраций в простых оптических системах с одной и двумя линзами (синглет и дублет). Оптические системы со стандартными поверхностями были разработаны и оптимизированы с использованием одних и тех же исходных параметров. На этой базе спроектированы и оптимизированы гибридные оптические системы с дифракционными и асферическими поверхностями. На первом этапе для сравнения уровня сложности проектирования оптических систем с узким и широким полем отдельно исследована оптическая система с узкими полями. Аналогичным образом проанализирована система с широким полем. Оптические системы были разработаны с помощью специализированного программного обеспечения для проектирования оптических систем. Характеристики проектируемых дифракционных поверхностей контролировались с использованием программного обеспечения DIFSYS 2.30. Применение дифракционных оптических элементов обеспечило снижение продольной хроматической аберраций почти в 5 раз по оси (узкие поля). Абсолютное значение коэффициента Зейделя, соответ- ствующего сферической аберрации, снижено до диапазона 0,03. В связи с тем, что дифракционные оптические элементы имеют известные недостатки (возможность присутствия паразитарных порядков дифракции и вероятное снижение пропускающей способности), нами проанализированы и разработаны оптические системы с комбинированными асферическими и дифракционными поверхностями. Сочетание дифракционных и асферических поверхностей в оптической системе объектива, считывающего информацию с оптического диска, обеспечило снижение продольных хроматических аберраций по оси почти в 15 раз по сравнению с объективом, содержащим только асферические и стандартные сферические поверхности. Все рассчитанные дифракционные оптические элементы могут быть изготовлены с применением имеющегося оборудования. 
14
Представлено экспериментальное сравнение четырех методов восстановления волнового фронта. Рассмотрены два итерационных и два голографических метода, отличающихся математической моделью и алгоритмами восстановления. Первые два из рассматриваемых методов не используют опорную волну в схеме записи, что снижает требования к стабильности установки. Основную роль в восстановлении информации о фазе такими методами играют наборы пространственных распределений интенсивности, которые записываются по мере перемещения регистрирующей матрицы вдоль оптической оси. Полученные данные последовательно используются для восстановления волнового фронта с помощью итерационной процедуры, в ходе которой численно моделируется распространение волнового фронта между плоскостями, где производилась регистрация данных. При этом информация о фазе волнового фронта везде сохраняется, а рассчитанные распределения амплитуды заменяются на измеренные в этих плоскостях. В первом из сравниваемых методов в качестве математической модели используется двумерное преобразование Френеля и итерационный расчет в плоскости объекта. Во втором методе для численного моделирования распространения волнового фронта применяется метод углового спектра, и итерационный расчет производится только между близко расположенными плоскостями регистрации данных. Сравниваемые с ними два метода цифровой голографии основаны на использовании опорной волны в схеме записи и различаются между собой численным алгоритмом восстановления цифровых голограмм. В результате сравнения установлено, что итерационный метод на основе 2D-преобразования Френеля дает результат, сравнимый с результатом распространенного голографического метода, использующего Фурье-фильтрацию. Показано, что голографический метод восстановления комплексной амплитуды поля при восстановлении амплитудного объекта является лучшим среди рассмотренных. 
22
Предмет исследования. Рассмотрены два подхода к решению задачи идентификации – алгоритмы подобных треугольников и межзвездных угловых расстояний. Метод. Применительно к задаче определения астрономических координат автоматизированным зенитным телескопом проведен сравнительный анализ этих алгоритмов с использованием экспериментальных данных, полученных с помощью макета зенитного телескопа. Основные результаты. В результате проведенного анализа определено, что метод идентификации звезд по межзвездным угловым расстояниям позволяет верно распознавать большее количество звезд и в несколько раз быстрее, чем алгоритм подобных треугольников. В связи с зависимостью алгоритма межзвездных угловых расстояний от фокуса объектива предложен комбинированный метод идентификации звезд. Идея метода заключается в совмещении двух упомянутых выше алгоритмов с целью решения следующих задач: расчета фокусного расстояния объектива и непосредственно распознавания звезд. Практическая значимость. Предложенный метод позволяет при сравнительно малом времени обработки распознавать видимые в поле зрения астроориентиры независимо от наличия информации о фокусном расстояния объектива. 
30
Всенаправленные оптико-электронные системы находят применение в тех сферах, где критичен большой угол обзора. Однако всенаправленные оптико-электронные системы имеют большую дисторсию, что затрудняет их повсеместное использование. В работе приведено сравнение проекционных функций перспективных объективов и всенаправленных сверхширокоугольных объективов типа «рыбий глаз» с углом обзора не менее 180°, из которого следует, что такие объективы не могут быть описаны с помощью отклонения от перспективной модели. Для решения этой проблемы был предложен алгоритм преобразования изображений, полученных всенаправленными оптическими системами, к классическому перспективному виду с использованием процедуры калибровки всенаправленной оптико-электронной системы. Приведено краткое сравнение четырех методов калибровки всенаправленных оптико- электронных систем, доступных в виде инструментариев с открытым исходным кодом. Приведена геометрическая проекционная модель, используемая для калибровки всенаправленной оптической системы. Алгоритм состоит из нескольких этапов. Сначала производится калибровка всенаправленной оптической системы, результатом работы которой является проекционная функция оптической системы, которая задает связь трехмерных координат точки в пространстве предметов и координат ее изображения в плоскости фотоприемника. Затем рассчитывается массив трехмерных точек, описывающий плоскость в пространстве предметов и характеризующий таким образом поле зрения виртуальной камеры. Потом с помощью проекционной функции, полученной в результате калибровки, производится расчет массива координат изображений трехмерных точек в плоскости фотоприемника. На последнем этапе результирующее изображение формируется путем приравнивания яркости пикселей этого изображения и яркостей соответствующих им пикселей исходного всенаправленного. Разработанный алгоритм позволяет получить изображение части поля зрения всенаправленной оптико-электронной системы с исправленной дисторсией из исходного всенаправленного изображения. Алгоритм предназначен для работы с всенаправленными оптико-электронными системами, как с зеркально-линзовыми оптическими системами, так и со сверхширокоугольными объективами типа «рыбий глаз». Представлены экспериментальные результаты работы алгоритма. 

АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ И РОБОТОТЕХНИКА

40
Рассматривается задача синтеза адаптивного наблюдателя магнитного потока для синхронного двигателя с постоянными магнитами. Допускается, что некоторые электрические параметры, такие как сопротивление и индуктивность, являются известными постоянными числами, но сам магнитный поток, скорость вращения ротора и угол его положения не измеряются. Предлагается новый робастный подход к синтезу адаптивного наблюдателя магнитного потока, обеспечивающий глобальную ограниченность всех сигналов, а также экспоненциальную сходимость к нулю ошибки между потоком и его оценкой, вырабатываемой адаптивным наблюдателем. Задача синтеза адаптивного наблюдателя потока была решена с использованием тригонометрических свойств и линейной фильтрации, обеспечивающей парирование неизвестных членов, полученных в результате математических преобразований. Ключевая идея заключается в новом способе параметризации динамической модели магнитного потока. На первом шаге сформирована математическая модель, содержащая неизвестные параметры и зависящая от измеряемых сигналов силы тока и напряжения в обмотках двигателя. С использованием основного тригонометрического тождества найдено линейное уравнение, из которого исключены функции, зависящие от неизмеряемых величин угла и угловой скорости вращения ротора. Применяя динамические фильтры первого порядка, получена стандартная регрессионная модель, состоящая из измеряемых функций времени и неизвестных параметров. Далее построен градиентный алгоритм оценивания неизвестных параметров, гарантирующий ограниченность всех сигналов в системе. Доказано утверждение о том, что при выполнении условия неисчезающего возбуждения, означающего наличие достаточного количества гармоник в регрессоре, гарантирована экспоненциальная сходимость к нулю всех ошибок оценивания неизвестных параметров. Показано, что ошибка наблюдения за магнитным потоком явно зависит от ошибок оценивания неизвестных параметров. Экспоненциальная сходимость к нулю ошибок оценивания обеспечивает экспоненциальную сходимость к нулю ошибки наблюдения за потоком. Приведен пример численного моделирования. 

НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И НАНОТЕХНОЛОГИИ

ИЗУЧЕНИЕ МЕХАНИЗМОВ, ОТВЕТСТВЕННЫХ ЗА ДЕГРАДАЦИЮ ЭФФЕКТИВНОСТИ СВЕТОДИОДОВ НА ОСНОВЕ НИТРИДОВТРЕТЬЕЙ ГРУППЫ Шмидт Н. М., Усиков А. С., Шабунина Е. И., Черняков А. Е., Курин С. Ю., Макаров Ю. Н., Хелава Х. И., Папченко Б. П.
46
Приведены результаты исследования деградации внешней квантовой эффективности двух типов светодиодов, ультрафиолетового и синего диапазонов, на основе полупроводниковых нитридов третьей группы. Кратко рассмотрены известные механизмы, приводящие к деградации внешней квантовой эффективности светодиодов при старении. Применение комплекса методов для изучения светодиодов после разных временных стадий старения позволило впервые выяснить возможность участия механизма многофононной рекомбинации носителей в дефектообразовании под действием инжекционного тока в системе протяженных дефектов и в локальных областях с флуктуациями состава твердого раствора. Этот комплекс включает: анализ вольтамперных характеристик, в том числе при напряжениях менее 2 В; методики низкочастотного шума; инфракрасную микроскопию. Многофононная рекомбинация носителей сопровождается генерацией собственных дефектов, в том числе атомов индия и галлия в междоузлиях, и их миграцией. Эти процессы приводят к изменению свойств системы протяженных дефектов и локальных областей твердого раствора, уменьшая концентрацию неравновесных носителей, участвующих в излучательной рекомбинации, что приводит к деградации внешней квантовой эффективности. Показано, что этот механизм может участвовать в деградации внешней квантовой эффективности светодиодов как ультрафиолетового, так и синего диапазона. В рамках этого механизма находит объяснение немонотонный характер развития процесса деградации и катастрофические отказы этих светодиодов, а также низкие сроки службы ультрафиолетовых светодиодов. 
54
Представлены спектры поглощения и люминесценции щелочно-силикатных стекол с ионами меди, введенными в приповерхностные слои стекла методом ионного обмена, для разных режимов ионного обмена. Показано, что при вводе в стекло ионов меди из расплава соли двухвалентной меди при температурах 550–600 °С восстановительные процессы в приповерхностном слое стекла приводят к переходу части двухвалентной меди в одновалентное и нейтральное состояние, и непосредственно в ионообменном процессе участвуют ионы Cu+ и Na+ . Появление в приповерхностном слое стекла нейтральных атомов меди способствует формированию субнаноразмерных молекулярных кластеров меди Cun. Показано, что волноводный слой, возникший в приповерхностном слое стекла в результате ионного обмена, обладает люминесценцией в видимой области спектра при возбуждении люминесценции ультрафиолетовым из- лучением. При этом вклад в люминесценцию вносят ионы Cu+ , молекулярные кластеры Cun и димеры Cu+ –Cu+ . В процессе высокотемпературного ионного обмена (600 °С) наблюдается смещение равновесия процессов формирования и разрушения молекулярных кластеров меди Cun. Так, при длительности 1 ч имеет место разрушение, а при длительности около 18 ч, а также менее 30 мин – формирование. Ионный обмен длительностью 18,5 ч приводит к образованию в матрице значительного количества ионов двухвалентной меди Cu2+.
ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕТЕРОСТРУКТУР 3C-SiC/15R-SiC Лебедев С. П., Лебедев А. А., Никитина И. П., Школдин В. А., Шустов Д. Б.
60
Предмет исследования. Приведены результаты исследований слоев 3C-SiC, полученных на монокристаллических подложках 15R-SiC методом сублимационной эпитаксии в вакууме. Материалы и методы. В качестве подложки использовались кристаллы Лэли политипа 15R, рост производился на полярных С (0001) и Si (0001) гранях подложки. Температура роста составляла 1950–2000 С, а время роста – 10 мин. В качестве источника использовался коммерческий мелкозернистый порошок карбида кремния с диаметром зерна 10–20 мкм. Для характеризации выращенных эпитаксиальных слоев применялись следующие методы: катодолюминесценция, оптическая микроскопия и двухкристалльная рентгеновская дифрактометрия. Основные результаты. Продемонстрирована возможность получения эпитаксиальных пленок 3C-SiC на подложке 15R-SiC методом сублимационной эпитаксии в вакууме. Показано, что, как и в случае использования подложки 6H-SiC, грань С является предпочтительной для гетерополитипного роста, поскольку на ней наблюдается более равномерный рост кубического политипа с малым процентом паразитных включений политипа подложки. Практическая значимость. Сравнение результатов гетерополитипного роста 3C-SiC на подложках других политипов (6H-SiC, 15R-SiC, 4H-SiC) позволит наиболее полно понять механизм трансформации кристаллической решетки во время эпитаксиального роста и разработать теоретическую модель данного процесса.
65
Исследовано влияние величины ортогонально поляризованных обратных отражений на спектр источника оптического излучения типа суперлюминесцентный диод, а также представлены оптимальные режимы работы источника излучения. Особенностью метода исследования является использование волоконного контроллера поляризации и оптического зеркала, нанесенного на торец оптического волокна. Исследования проводились с двумя источниками оптического излучения: суперлюминесцентный диод фирмы ThorLabs серии S5FC1005SXL и светодиодный модуль ELED-1550-1-E-9-SM1-FA-CW. Выявлено, что при величине обратных отражений, равной –13 дБ по отношению к выходной мощности источника, начинает проявляться негативное влияние на мощностные и спектральные характеристики источника с оптической мощностью 2,3 мВт. Также подтверждено, что при увеличении мощности излучения за счет увеличения тока накачки источника влияние обратных отражений начинает проявляться при более низком уровне обратных отражений. Полученные результаты необходимо учитывать при проектировании волоконно-оптических датчиков для устранения влияния обратных отражений на источники оптического излучения, исследованных в данной работе. 

КОМПЬЮТЕРНЫЕ СИСТЕМЫ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

70
Предмет исследования. Представлен полуавтоматический метод идентификации диктора по речи на основе сравнения просодических признаков – статистик длительностей звуков. В последнее время благодаря развитию речевых технологий наблюдается значительный интерес к поиску экспертных методов идентификации диктора по голосу, дополняющих с целью повышения надежности идентификации известные методы, а также обладающих низкой трудоемкостью. Эффективное решение данной проблемы необходимо для принятия надежного решения о тождестве либо различии голосов дикторов, представленных на фонограммах.   Описание метода. Впервые представлен алгоритм расчета оценки различия голосов дикторов на основе сравнения статистик длительностей фонем и аллофонов. Характерной особенностью предложенного метода является возможность его применения в комплексе с другими полуавтоматическими методами (акустическими, аудитивно-лингвистическими) в связи с отсутствием ярко выраженной корреляции между анализируемыми признаками. Преимуществом метода является возможность проведения экспресс-исследования фонограмм большой длительности за счет автоматизации процесса подготовки данных для анализа. Описываются принципы работы автоматического сегментатора речи, используемого для расчета статистик длительностей звуков по акустико-фонетической разметке. Программное обеспечение разработано в качестве инструмента подготовки данных для экспертного анализа. Апробация метода. Метод апробирован на базе 130 речевых записей, включающей русскую речь дикторов-мужчин и дикторов-женщин, и показал надежность 71,7% на базе, содержащей записи женской речи, и 78,4% на базе, содержащей записи мужской речи. Также было экспериментально установлено, что из всех используемых признаков наиболее информативными являются статистики длительностей фонем гласных и сонорных согласных. Практическая значимость. Результаты эксперимента показали применимость предложенного метода для решения задачи распознавания диктора по голосу и речи в рамках проведения фоноскопической экспертизы. 
78
Рассматривается задача описания локального апостериорного вывода в алгебраических байесовских сетях, являющихся одним из классов вероятностных графических моделей, с помощью матрично-векторных уравнений. Такие уравнения, в основном, были описаны в предыдущих работах, однако содержали нормирующие множители, вычисления которых использовали алгоритмическую компоненту, не получившую искомой интерпретации на матрично-векторном языке. Для устранения указанного недостатка нормирующие множители сначала были представлены в форме скалярного произведения. Удалось показать, что одна из компонент в каждом скалярном произведении выражается как степень Кронекера фиксированного вектора размерности два. За счет переноса транспонированной матрицы-оператора ненормированного апостериорного вывода внутри скалярного произведения было получено разложение одного из множителей в виде последовательности тензорных произведений векторов размерности два, причем такие векторы могут принимать лишь два значения в одном случае и три – в другом. Выбор указанных значений определяется структурой поступившего свидетельства. Второй компонентой скалярного произведения становятся векторы с исходными данными. Вычислительные эксперименты позволили построить соответствующие векторы, примеры некоторых из них приведены в работе. Описание в виде матрично-векторных уравнений локального апостериорного вывода упрощает разработку спецификации алгоритмов локального апостериорного вывода, обоснование их корректности и последующую реализацию с применением уже существующих библиотек. Также такие уравнения позволяют применить классические математические техники для анализа полученных результатов. Полученные результаты делают возможным использование метода отложенных вычислений: не формировать для проведения вычислений векторы большой размерности, а вычислять их компоненты за счет применения побитовых операций по мере надобности. 
86
Рассматриваются методы интерполяции изображений и возможность их применения в процессе сжатия видеоданных для устранения ряда артефактов, связанных как с динамическими свойствами объектов видеопоследовательности, так и с алгоритмами, используемыми в последовательности этапов кодирования. Основным недостатком существующих методов является высокая вычислительная сложность алгоритмов, неприемлемая при обработке видео. В ходе исследования предложено использование интерполяции отсчетов сигнала для устранения блокинг-эффекта на выходе блока кодирования преобразованием. Было необходимо разработать методы повышения степени сжатия и качества восстановленных видеоданных путем устранения блокинг-эффекта на границах сегментов путем внутрикадровой интерполяции сегментов видеопоследовательности. Сущностью разработанных методов является использование адаптивного рекурсивного алгоритма с адаптивным размером ядра интерполяции как с учетом градиента яркости на границах блоков и объектов видеопоследовательности, так и без него. В рамках теоретической части исследования использовались методы теории информации (RD-теории и устранения избыточности данных), методы распознавания образов и цифровой обработки сигналов, а также методы теории вероятностей. В рамках эксперимен- тального исследования проведена программная реализация алгоритмов сжатия с последующим сравнением реализованных алгоритмов с уже существующими алгоритмами. Проведено сравнение предлагаемых алгоритмов с алгоритмом простого усреднения и адаптивным алгоритмом интерполяции центрального отсчета. Показано, что разработанный алгоритм интерполяции на основе адаптивного выбора размера ядра повышает степень сжатия на 30%, а модифицированный алгоритм интерполяции на основе адаптивного выбора размера ядра – на 35% по сравнению с существующими алгоритмами интерполяции; качество восстановленной видеопоследовательности улучшается на 3% по сравнению со сжатием без интерполяции. Результаты исследования найдут широкое применение в задачах обработки видеоданных, различных кодеках сжатия видео и системах потокового вещания. 
АЛГОРИТМ ВЫБОРА РАЦИОНАЛЬНОЙ ПРОЦЕССОРНОЙ АРХИТЕКТУРЫ Зыков А. М., Шаменков Н. А., Карытко А. А.
94
Представлен алгоритм, позволяющий осуществить выбор процессорной архитектуры вычислительного ядра. Такая архитектура обеспечивает максимально возможный темп вычислительного процесса. Работа алгоритма основана на использовании метода скользящего окна, применяемого к фрагментам кода программ, исполнение которых занимает максимальный процент времени – «узким местам». Алгоритм обеспечивает расчет рационального числа арифметико-логических каналов вычислительного ядра процессора в зависимости от типа поддерживаемых им операций. На примере программного кода, реализующего алгоритм расчета тессеральных гармоник гравитационного поля Земли, произведен расчет рационального числа арифметико-логических каналов процессорной архитектуры. В примере учитывались арифметические операции целочисленного и вещественного сложения (вычитания), вещественного умножения, а также операции расчета значений логических предикатов. В соответствии с результатами расчета установлено, что для рассмотренного примера рациональный вариант процессорной архитектуры должен вклю- чать два арифметико-логических канала, способных выполнять указанные операции. Разработанный алгоритм целесообразно использовать при решении задач синтеза процессорных архитектур и вычислительных систем, создаваемых на их основе. Максимальный эффект использования результатов работы алгоритма достигается в процессе синтеза вычислительных систем, выполняющих задачи на основе единого математического аппарата. 
101
Представлены результаты исследования влияния распределения нагрузки между вычислительными узлами на время выполнения распределенной имитационной модели компьютерной сети. Рассматриваются два основных типа балансировки – по вычислительной нагрузке и по объему передаваемых данных. Моделирование проводилось на одном компьютере, и распределение осуществлялось между ядрами одного процессора. В результате проведенных имитационных экспериментов на моделях сетей сетчатой топологии показано, что отсутствие сбалансированности по объему передаваемых данных между частями распределенной модели ведет к снижению скорости выполнения модели в несколько раз, что объясняется накладными расходами на передачу данных между логическими процессами распределенной модели в связи с использованием MPI. Изменение времени выполнения модели при неравномерном распределении вычислительной нагрузки в значительной степени зависит от нагрузки, которую создают приложения, работающие на узлах моделируемой сети. Показано, что даже при использовании приложений, не требующих значительных вычислительных ресурсов, сбалансированная модель выполняется быстрее несбалансированного варианта. Для уменьшения времени распределенного моделирования предлагается разделение модели таким образом, чтобы уменьшить количество передаваемых данных между ее частями и сократить разброс нагрузок, создаваемый приложениями в разных логических процессах модели. 
107
Предметом исследования в работе являются методы генетического программирования при решении задач экстраполяции целочисленных последовательностей. В целях проверки гипотезы о влиянии выразительности языка представления программ на эффективность предсказания был реализован метод генетического программирования на основе нескольких ограниченных языков для представления рекуррентных последовательностей. На одной выборке последовательностей реализованный метод с использованием наиболее полного языка показал результаты, существенно превосходящие один из представленных в литературе современных методов на основе искусственных нейронных сетей. Анализ результатов экспериментального сравнения разработанного метода с использованием различных языков показал, что расширение языка, делая доступными для предсказания новые классы последовательностей, в то же время увеличивает сложность поиска закономерностей для последовательностей, доступных для предсказания в более простом языке. Данный эффект может быть ослаблен, но не устранен полностью, при расширении языка конструкциями, делающими решения наиболее компактными. На основе проведенных исследований сделан вывод, что, хотя с использованием генетического программирования могут быть получены практически применимые методы, одного только выбора адекватного языка представления решений недостаточно для полного решения задачи предсказания целочисленных последовательностей (и, тем более, проблемы универсального предсказания). 

ТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИ

115
Предложена новая методика регистрации сигнала ядерного магнитного резонанса от малого объема исследуемой среды (0,5 мл) в слабом магнитном поле В0 (0,06–0,08 Тл) и измерения констант релаксации Т1 и Т2 жидких и вязких сред. Для решения задач, связанных с регистрацией сигнала ядерного магнитного резонанса, разработана новая конструкция магнитной системы ядерно-магнитного минирелаксометра, в которой значение неоднородности магнитного поля в зазоре между полюсами в месте размещения катушки регистрации составляет 0,410–3 см–1 при индукции поля В0 = 0,079 Тл. Для новой конструкции магнитной системы релаксометра разработана схема автодинного детектора (генератора слабых колебаний) с использованием слабошумящих дифференциальных усилителей, а также схема управления и обработки сигнала ядерного магнитного резонанса для проведения измерений констант релаксации в автоматическом режиме, выполненная на базе микроконтроллера STM32. Применение новых технических решений позволило повысить быстродействие и увеличить динамический диапазон измерения констант релаксации Т1 и Т2 в разработанном релаксометре с сохранением точностных характеристик по сравнению с ранее предлагаемыми авторами малогабаритными измерителями. Разработанные схемы автоподстройки частоты регистрации сигнала ядерного магнитного резонанса, амплитуды генерации магнитного поля Н1 в катушке регистрации, а также частоты и амплитуды поля модуляции позволили проводить измерения Т1 и Т2 при отношении сигнал/шум около 1,2 с погрешностью не выше 0,5% в диапазоне температур окружающей среды (воздуха) от 3 до 40 °С. Разработанная конструкция электронных схем позволила уменьшить вес минирелаксометра до 4 кг (включая автономный блок питания), что повысило удобство его транспортировки и использования. 

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

122
    Рассматривается проблема выбора оптимального способа слияния информации, поступающей от множества каналов системы когерентной оптической рефлектометрии во временной области (C-OTDR). Каждый из этих каналов является источником данных для автоматических классификаторов источников упругой сейсмоакустической вибрации. Эти классификаторы образуют ансамбль классификаторов. Были рассмотрены ансамбли липшицевых классификаторов. В этом случае целью слияния информации является построение интегрального классификатора, предназначенного для эффективной классификации целевых сейсмоакустических событий. Сравнивались следующие методы: поиск совпадений на ансамбле классификаторов (MPOEC), бустинг с линейным программированием (LP-Boost) (LP-β и LP-B модификации), обучение с множественными ядерными функциями (MKL) и метод обратных констант Липшица (WILC). Выделен WILC как новый подход к оптимальному слиянию информации на ансамбле липшицевых классификаторов. Обсуждены основы работы каждого из методов с указанием специфических особенностей. Показано, что все методы основаны на сведении проблемы выбора параметров выпуклой оболочки кА.В. Тимофеев Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2015, том 15, № 1 123 оптимизационной задаче. Все рассмотренные подходы могут успешно использоваться при обработке информации в C-OTDR системах. Представлены результаты практического использования этих методов. 
130
Представлены результаты исследований по разработке методов и средств математического и компьютерного моделирования многоуровневых сетецентрических систем управления региональной безопасностью. Исследования ведутся в рамках реализации стратегии развития Арктической зоны Российской Федерации и обеспечения национальной безопасности на период до 2020 года на территории Мурманской области. Предполагается создание единой межведомственной многоуровневой автоматизированной системы мониторинга социально-экономической безопасности арктических регионов России. Отличительными особенностями исследуемого класса систем являются открытость, самоорганизация, децентрализация функций управления и принятия решений, слабая иерархия в контуре принятия решений и способность порождать цели внутри себя. Методы исследования включают функционально-целевой подход, математический аппарат теории иерархических многоуровневых систем, принципы сетецентрического управления распределенными системами с активными компонентами и переменной структурой. В работе решаются задачи согласования и координации локальных решений сетецентрического управления в многоуровневых распределенных системах информационного обеспечения региональной безопасности. Предложены подход к решению и формализация задач координации в многоуровневых сетецентрических системах управления региональной безопасностью, основанные на разработанной многоуровневой рекуррентной иерархической модели комплексной безопасности региональных социально-экономических систем. Модель обеспечивает координацию показателей региональной безопасности, оптимизируемых различными элементами многоуровневых систем управления, в условиях децентрализованного принятия решений. Специфика модели заключается в использовании функционально-целевой технологии и математического аппарата теории иерархических многоуровневых систем для реализации процедур согласования локальных решений сетецентрического управления. Результаты работы смогут найти приложение как в задачах координации процессов принятия управленческих решений в многоуровневых сетецентрических системах управления, используемых в различных предметных областях, так и в задачах анализа и синтеза интегрального показателя комплексной безопасности региональных социально-экономических систем, представляющего собой матрицу показателей региональной безопасности. 
139
Рассматривается задача Римана о распаде одномерного произвольного разрыва параметров нестационарного газового потока в приложении к построению численных методов типа Годунова. Задача решается в точной и приближенной постановке (разностная схема Ошера–Соломона, используемая в численных методах сквозного счета): определяются интенсивности (отношения статических давлений) и перепады скорости потока на сторонах образующихся разрывов и волн, после чего рассчитываются остальные параметры во всех областях течения. Выполнено сравнение результатов расчетов модельных течений с использованием точных и приближенных решений. Введено понятие скоростной функции. Исследована зависимость скоростной функции от интенсивности разрыва. Выявлена особая интенсивность, при которой изоэнтропическая волна создает такой же скоростной напор, как и ударная волна. В окрестности этой особой интенсивности приближенные методы дают наиболее высокую точность. Путем выполнения тестовых расчетов определена область применимости приближенного решения Ошера–Соломона, результаты представлены в виде, удобном для использования в численных методах. Результаты работы могут быть применены для численных методов высокого порядка точности. 
149
Рассматривается математическая модель динамической системы с одной степенью свободы, представленная в виде обыкновенных дифференциальных уравнений с нелинейными частями в форме многочленов с постоянными и периодическими коэффициентами. Представлен модифицированный метод для исследования автоколебаний нелинейных механических систем. Авторами разработан уточненный метод преобразования и интегрирования уравнения, основанный на методе нормализации Пуанкаре–Дюлака. Уточнение метода заключается в учете нелинейных членов высших порядков методом экономизации Чебышева, что улучшает точность результатов вычислений. Выполняется аппроксимация остаточных членов высших порядков однородными формами меньших порядков, в рассмотренном случае кубическими формами. В качестве примера рассмотрено применение модифицированного метода для уравнения Ван-дер-Поля и получены выражения для амплитуды и фазы автоколебаний в аналитическом виде. Выполнено сравнение решения уравнения Ван-дер-Поля, найденного разработанным методом, с точным решением численным методом Рунге–Кутта. Погрешность решения модифицированным методом в два раза меньше и составляет 1%, что показывает применимость разработанного метода для исследования автоколебаний нелинейных динамических систем с постоянными и периодическими параметрами. 

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ОБРАЗОВАНИИ

СЕРВИСЫ ПОЛНОТЕКСТОВОГО ПОИСКА В РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ СРЕДЕ (ПРОЕКТ HUMANITARIANA) Ляпин С. Х., Куковякин А. В., Мбого И. А., Толстикова И. И., Чугунов А. В.
155
Постановка проблемы. Обосновывается возможность использования сервисов полнотекстового поиска как в уни- версальных, так и специализированных (по ресурсной базе) электронных библиотеках для извлечения и анализа кон- текстного знания в гуманитарных дисциплинах. В этой связи описываются архитектура и сервисы виртуального ин- формационно-ресурсного центра для извлечения знаний из гуманитарных текстов, создаваемого в рамках проекта «Humanitariana». Рассматривается функциональная интеграция ресурсов и сервисов полнотекстового поиска в рас- пределенной децентрализованной среде, организованной в архитектуре Интернет/Интранет под управлением кли- ентского (пользовательского) браузера, обращающегося к множеству независимых серверов. Описан алгоритм осу- ществления распределенного полнотекстового запроса. Методы. Используется методика сочетания частотно-ранжированных и абзацно-ориентированных полнотекстовых запросов: первые используются для предварительного анализа предметной области произведения или их совокупно- сти (экспликация «вертикального» контекста, или макроконтекста), вторые – для экспликации «горизонтального» контекста, или микроконтекста в рамках авторского абзаца. При этом результаты частотно-ранжированных запросов используются для составления абзацно-ориентированных запросов. Результаты. Приведены результаты текстологических исследований по темам: «проблема факта в русской филосо- фии», «проблема одиночества в русской философии и культуре». По совокупной ресурсной базе объемом около 2500 полнотекстовых ресурсов по каждой из тем эксплицировано и кратко описано около 50 фрагментов контекстного знания с целью дальнейшего его экспертного изучения. Практическая значимость. Предлагаемая технология (сервисы продвинутого полнотекстового поиска в распреде- ленной информационной среде) может быть использована для информационной поддержки гуманитарных исследо- ваний и гуманитарного образования, для функциональной интеграции ресурсов и сервисов различных организаций, для проведения междисциплинарных исследований. 

КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ

163
Ключевую роль в измерении степени оксигенации крови играет зависимость измеряемого сигнала от длины волны, на которой проводятся измерения. В данной работе приводится исследование зависимости сигнала диффузно рассеянного излучения от степени насыщения крови кислородом в диапазоне длин волн 590–860 нм. На основе ранее проведенных исследований с использованием метода Монте-Карло получена спектральная характеристика обратно рассеянного сигнала для разных степеней оксигенации крови. В такой модели фотон характеризуется координатами и весом. Размер, шаг и направление движения фотона из исходной точки определяются на каждом шаге и задаются при помощи случайных чисел. На каждом шаге фотон теряет часть веса вследствие поглощения. Также учтено ослабление веса фотона за счет отражения Френеля и эффекта полного внутреннего отражения на границе пересечения двух сред (воздух и кровь). Показано, что оптимальный диапазон длин волн, который может использоваться в оксиметрах для точного неконтактного измерения степени оксигенации крови с использованием эффекта обратного рассеянного излучения, составляет 650–750 нм. Адекватность предлагаемой модели проверена путем сравнения расчетной зависимости с экспериментальными результатами, полученными с использованием двойной интегральной сферы. Наибольший относительный сигнал обратно рассеянного излучения (0,17–0,21) регистрируется на длине волны 700 нм. 
166
Рассматривается проблема организации взаиморасчетов между субъектами бизнеса с использованием клиринга, которая решается методом поиска путей на графе. Для сокращения сложности дерева решений в работе предлагается метод прецедентов, заключающийся в том, что в процессе развертывания дерева решений сохраняются промежуточные решения, которые используются при последующих операциях поиска. Приводятся алгоритм и пример, демонстрирующий сложность поиска, приближающуюся к линейной. Проведенные испытания в системе взаиморасчетов на воздушном транспорте демонстрируют сокращение объема реальных платежей приблизительно на 30%. Разработанный алгоритм предполагается внедрить также в других клиринговых организациях Российской Федерации. 
169
Описывается подход к оценке эмоциональной окрашенности естественно-языковых текстов на основе словарей тональности. Предложен метод автоматической оценки общественного мнения с помощью сентимент-анализа отзывов и обсуждений опубликованных документов в сети Интернет, базирующийся на статистике использованных слов. Разработан исследовательский прототип программной системы, производящей сентимент-анализ естественно-языкового текста на русском языке на основе линейной шкалы. Для более точного сопоставления каждого слова в предложении словарю выполняются синтаксический анализ и лемматизация. Словари тональности представлены в открытом и удобочитаемом виде, что позволяет его расширять и корректировать. Программная система сентимент-анализа русскоязычного текста, реализованная на открытых словарях тональности, разработана впервые. 
Информация 2001-2019 ©
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики.
Все права защищены.

Яндекс.Метрика