Аннотации номера

ОБЗОРНАЯ СТАТЬЯ

957
Рассматриваются основные этапы развития систем автоматического распознавания речи за период около 50 лет. Сдела-на попытка оценить методы решения задачи с точки зрения приближения к функционированию биологических систем. За начало отсчета взято внедрение метода, основанного на алгоритме динамического программирования, в 1968 г. Рас-смотрены недостатки метода, позволяющие использовать его только для распознавания команд. Далее рассмотрен метод, основанный на формализме марковских цепей. На основании представления о коартикуляции показана необхо-димость перехода от моделирования фонем как цельных контекстно независимых объектов к моделированию контекстно зависимых трифонов и бифонов. Разъяснены проблемы обучения трифонов, объясняющиеся недостаточно-стью речевых баз данных, которые привели к методу связывания состояний. Показана роль методов адаптации моделей и нормализации признаков, обеспечивающих лучшую инвариантность к индивидуальным особенностям диктора, каналам связи, аддитивным шумам. В качестве самого современного метода автоматического распознавания речи рас-сматриваются глубокие нейронные сети и рекуррентные нейронные сети. Отмечено сходство глубоких (многослойных) нейронных сетей с биологическими системами. В заключении описаны проблемы и недостатки современных систем распознавания речи и дан прогноз их развития.

ФОТОНИКА И ОПТОИНФОРМАТИКА

969
Предмет исследования. Исследованы фотоэлектрический и фотомагнитный отклик пленок ITO (indium tin oxide, оксид индия-олова) на воздействие лазерного излучения ультрафиолетового диапазона. Метод. Пленки оксида индия-олова толщиной 300 нм изготовлены методом магнетронного напыления. Облучение пленок производилось с помощью KrF эксимерного лазера с длиной волны 248 нм в диапазоне энергий импульса от 10 до 100 мДж. На образцы были нанесены металлические электроды. Информация о топографии поверхности пленок получена методами атомно-силовой и сканирующей электронной микроскопии. Структура пленки была исследована с помощью дифракции рентгеновского излучения. Основные результаты. Показано, что при воздействии лазерного излучения между электродами возникает разность потенциалов. При подключении резистивной нагрузки наблюдалось протекание электрического тока. Впервые продемонстрирована анизотропия электрического поля, обусловливающего фотоэлектрический отклик. Впервые наблюдалось возникновение магнитного пола при воздействии лазерного излучения на пленки ITO. Зависимость напряжения отклика от энергии импульса лазерного излучения была линейной во всем исследуемом диапазоне энергий. Предложен физический механизм для описания наблюдаемого явления: возникновение направленного движения электронов обусловлено неравномерным распределением среднего размера кристаллитов по поверхности пленки и, как следствие, различием длин свободного пробега носителей заряда по поверхности пленки. Магнитный отклик может быть связан с коллективными взаимодействиями большого числа заряженных частиц, образовавшихся в результате воздействия лазерного излучения высокой интенсивности. Практическая значимость. Исследуемое явление может лечь в основу новых оптоэлектронных приборов, таких как модуляторы, датчики оптического излучения и т.д. В частности, в силу линейной зависимости от энергии лазерного излучения пленки ITO являются привлекательными для создания простых, надежных и дешевых измерителей энергии импульсов эксимерных лазеров. К).

ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИ

976
Рассмотрен сенсор состава газа на основе спонтанного рамановского рассеяния для анализа состава отдельных вдохов и выдохов. Приведены описания сенсора, а также процедуры калибровки, которая позволяет определить составные части газов в газовой смеси. Кроме того, дается исчерпывающая характеристика системы, которая позволяет определить погрешность измерения. Сенсор применен для измерений при последовательных актах дыхания с разрешением по времени измерений 250 мс. Рамановский сенсор позволяет обнаружить все основные компоненты газа, т.е. N2, O2, CO2, H2O, при атмосферном давлении с высоким временным разрешением. Сенсор позволяет увидеть колебания концентраций газов в пределах единичного вдоха или выдоха. 
АНАЛИЗ ОБРАЗОВАНИЯ ПЕРИОДИЧЕСКИХ НАНОСТРУКТУР НА ПОВЕРХНОСТИ ЗОЛОТА ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ЛАЗЕРНЫХ УЛЬТРАКОРОТКИХ ИМПУЛЬСОВ ВБЛИЗИ ПОРОГА ПЛАВЛЕНИЯ Иванов Д. С., Липп . ., Блуменштейн А. ., Вейко В. П., Яковлев Е. Б., Роддатис . ., Гарсия М. Э., Ретфельд Б. ., Илеман Ю. ., Симон . П.
984
Предмет исследования. Механизм структуризации поверхности сверхкороткими лазерными импульсами включает много взаимосвязанных быстрых неравновесных процессов в твердом теле. Анализ экспериментальных данных не может охватить все механизмы наноструктурирования. В работе проведено прямое сравнение данных моделирования и экспериментальных результатов по наномодификации поверхности одним лазерным импульсом пикосекундной длительности. Метод. Экспериментальные результаты получены при воздействии лазерного излучения с длиной волны 248 нм и длительностью импульса 1,6 пс. Проекция маски (дифракционной решетки) на поверхность золота создает распределения интенсивности синусоидальной формой с периодом 500 нм. Образовавшиеся структуры проанализированы на сканирующем и просвечивающем электронных микроскопах. Для моделирования воздействия лазерного импульса на толстую золотую мишень применена гибридная модель, сочетающая молекулярную динамику и анализ на основе непрерывной (континуальной) двухтемпературной модели, способная проанализировать механизмы, ответственные за процесс наноструктурирования. Основные результаты. Показано хорошее совпадение результатов моделирования и экспериментальных данных, подтверждающее, что предлагаемый подход может стать мощным инструментом выявления физических процессов наноструктурирования поверхности металлов, который обеспечит микроскопическое представление о динамике процессов их структурирования. Представленная модель является важным шагом на пути к новым вычислительным инструментам в прогнозировании реакции материалов на воздействие ультракороткого лазерного импульса в атомном масштабе и свойств модифицированных поверхностей. Практическая значимость. Детальное понимание динамики процесса даст возможность разрабатывать топологии функциональных поверхностей на нано- и микромасштабах. 
ОПТИМИЗАЦИЯ РАБОЧИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ЛАЗЕРА С ДИОДНОЙ НАКАЧКОЙ ДЛЯ КОСМИЧЕСКИХ ПРИМЕНЕНИЙ Архипов Д. А., Венглюк В. И., Деревянко В. А., Егоров М. С., Резунков Ю. А., Степанов В. В.
1000
Предмет исследований. Теоретически и экспериментально исследованы теплофизические и оптические методы стабилизации характеристик твердотельного лазера с диодной накачкой для его применения в системах лазерной космической связи и лазерной дальнометрии. Методы. Исследования проведены с использованием оригинальной конструкции лазерного модуля твердотельного лазера с диодной накачкой, которая включает в себя Nd:YAG активный элемент лазера в виде слэба с оптической накачкой излучением линейки лазерных диодов типа QCW 400W производства фирмы NORTHROP GRUMMAN, неустойчивый двухпроходный резонатор с поворотом апертуры пучка на 180° и выводным зеркалом с переменным коэффициентом отражения, систему термостабилизации режимов генерации линеек лазерных диодов на основе гипертеплопроводящих пластин. Гипертеплопроводящие пластины позволяют исключить традиционные проточные системы охлаждения рабочих элементов твердотельных лазеров. Режим стабилизации температуры обеспечивается с помощью алгоритма широтно-импульсной модуляции мощности дополнительных электрических нагревателей. Для компенсации нестационарных тепловых искажений показателя преломления слэба в схему резонатора лазера включен призменный отражатель с углом при вершине 120°. На его узкие грани нанесено отражающее покрытие, а на широкую – просветляющее. В результате тройного отражения пучка внутри отражателя происходит поворот апертуры пучка на 180°. При осевой симметрии температурных искажений слэба такая процедура приводит к компенсации фазовых искажений выходного лазерного пучка. Для подавления паразитной генерации в слэбе используются диэлектрические оптические покрытия широких граней слэба. Основные результаты. Теоретически и экспериментально показано, что применение гипертеплопроводящих пластин совместно с алгоритмом широтно-импульсной модуляции позволяет обеспечить стабилизацию температуры подложек линеек лазерных диодов с точностью ± 0,1 °С и, одновременно выравнивать распределения температуры по ее поверхности с отклонением менее 1 °С. Оптическая схема резонатора лазера позволяет сохранить угловую расходимость излучения, превышающую дифракционный предел не более чем в два раза, при мощности накачки до 100 Вт. Показано, что для повышения эффективности световой накачки и коэффициента полезного действия лазера в целом необходимо использовать многослойные покрытия широких оптических поверхностей слэба на основе чередующихся слоев SiO2 и ZrO2. Практическая значимость. Предложена оригинальная конструкция лазерного модуля твердотельного лазера с диодной накачкой, позволяющая за счет температурной стабилизации линейки лазерных диодов и компенсации искажений оптического качества активного элемента оптимизировать режимы накачки и генерации излучения твердотельных лазеров. Разработанные методы оптимизации характеристик твердотельного лазера с диодной накачкой применимы и в космических условиях, что становится определяющим фактором при разработке лазеров космического базирования.
1008
Предмет исследования. Приведены результаты сравнительного экспериментального анализа алгоритмов гомодин- ной демодуляции на основе перекрестного перемножения и на основе вычисления значений функции арктангенса в одинаковых условиях. Исследованы зависимости параметров выходных сигналов рассматриваемых алгоритмов демодуляции от интенсивности оптического излучения. Метод. Для проведения экспериментального сравнения алгоритмов демодуляции сигналов использован макет одиночного волоконно-оптического фазового интерферометрического датчика. Основные результаты. Установлено, что алгоритм гомодинной демодуляции на основе вычисления значений функции арктангенса обеспечивает в среднем на 7 дБ большее отношение сигнал/шум выходных сигналов в полосе частот акустического воздействия от 100 до 500 Гц по сравнению с алгоритмом гомодинной демодуляции на основе перекрестного перемножения. Показано, что для исследованного диапазона значений амплитуд оптических импульсов, поступающих на вход фотоприемного устройства, амплитуда выходных сигналов обработки не меняется. Полученные результаты свидетельствуют о том, что алгоритм гомодинной демодуляции на основе вычисления значений функции арктангенса является предпочтительным для использования в фазовых волоконно-оптических датчиках и обеспечивает большую повторяемость их характеристик в отличие от алгоритма гомодинной демодуляции на основе перекрестного перемножения. Практическая значимость. Алгоритмы гомодинной демодуляции интерференционных сигналов широко используются в фазовых волоконно-оптических датчиках, улучшение их характеристик положительно сказывается на эффективности работы таких датчиков. 
1015
Предмет исследования. Приведены результаты моделирования и экспериментального исследования характеристики направленности сдвоенного волоконно-оптического гидрофона на различных акустических частотах. Использование нескольких волоконно-оптических преобразователей в конструкции волоконно-оптического гидрофона, размещенных в едином чувствительном плече интерферометра, позволяет естественным образом добиться увеличения чувствительности волоконно-оптического гидрофона без изменения параметров материалов волоконно- оптических преобразователей. В простейшем случае волоконно-оптический гидрофон может быть построен на основе двух разнесенных в пространстве акустических преобразователей. Однако подобное разнесение неизбежно приводит к появлению неравномерности характеристики направленности на акустических частотах, длины волн которых соизмеримы с размерами системы преобразователей. Метод. Создана математическая модель, и на ее основе в среде Mathcad выполнено исследование системы из двух акустических преобразователей. Получены расчетные характеристики направленности системы из двух акустических преобразователей в зависимости от частоты акустического воздействия и расстояния между чувствительными элементами. Для подтверждения корректности математической модели и результатов проведенного теоретического анализа направленности изготовлен и экспериментально исследован сдвоенный волоконно-оптический гидрофон на брэгговских решетках, состоящий из двух последовательно сваренных между собой чувствительных элементов, расположенных на расстоянии 9 см. Испытания опытного образца проведены в условиях открытой воды, исключающих переотражения акустического сигнала. Исследуемый волоконно-оптический гидрофон размещался на устройстве, обеспечивающем круговое вращение приемника относительно акустического излучателя. Записанные данные представляли собой последовательность 32-битных цифровых отсчетов, следующих на частоте дискретизации 100 кГц. Данные об амплитудах измеряемого сигнала получены после обработки записанного сигнала в среде MATLAB. Оценка амплитуды измеряемого фазового сигнала, а также построение характеристик направленности исследуемого образца осуществлялись на частотах 1000, 3000 и 8000 Гц. Основные результаты. Чувствительность сдвоенного волоконно- оптического гидрофона составила 5,5 рад/Па на частоте сигнала 1 кГц, 0,77 рад/Па на частоте 3 кГц и 0,42 рад/Па на частоте 8 кГц. Сопоставление расчетных значений и экспериментальных результатов подтвердило корректность предложенной модели. Показана возможность увеличения чувствительности волоконно-оптического гидрофона за счет использования в его конструкции нескольких преобразователей без изменения характеристики направленности в области низких частот до 3 кГц. На частотах, выше 3 кГц, сдвоенный волоконно-оптический гидрофон предложенной конструкции приобретает выраженные направленные свойства. Практическая значимость. Результаты работы могут найти применение при проектировании волоконно-оптических гидроакустических приемников, позволяющих сочетать в себе компактность и высокую чувствительность. 
1021
Предмет исследования. Представлены результаты макетирования малогабаритного лазера с диодной накачкой. Лазер построен на основе слэбового активного элемента из иттербий-эрбиевого стекла и оптико-механического затвора на эффекте нарушения полного внутреннего отражения. Исследованы особенности воздействия генерируемых им импульсов на водосодержащие среды. Излучатель, работающий в режиме разгрузки резонатора, обеспечивает генерацию одиночных микросекундных импульсов или регулярных пакетов из этих импульсов с пиковой мощностью до 100 кВт при средней выходной мощности до 8 Вт. Лазер позволяет варьировать выходные параметры излучения в широких пределах и предназначен для использования в технологии и в биомедицинских приложениях. Рассмотрены возможности адаптации параметров излучения лазера для использования в составе компактного комплекса лазерной экстракции катаракты. Метод. Исследован энергетически эффективный для трехуровневой лазерной среды метод повышения частоты повторения импульсов генерации путем генерации пачек импульсов посредством нескольких срабатываний затвора на одном импульсе накачки. Проведен анализ возможности использования микросекундных лазерных импульсов с длиной волны 1,54 мкм и пиковой мощностью в десятки киловатт при обработке водосодержащих биотканей. Исследован акустический отклик от взаимодействия излучения с модельной средой. Основные результаты. В режиме модуляции полезных (активных) потерь резонатора на выходе излучателя получены импульсы с длительностью в единицы микросекунд и с энергией свыше 100 мДж, а также пакеты из таких импульсов с суммарной энергией до 0,5 Дж при эффективной частоте повторения импульсов свыше 60 Гц. На основе проведенных оптоакустических исследований определен минимальный допустимый интервал следования лазерных импульсов в пакете (300 мкс), отвечающий критерию безопасности проведения операции – предотвращению риска повреждения задней капсулы хрусталика лазерным излучением. Практическая значимость. Результаты, полученные на макете иттербий-эрбиевого лазера с модуляцией полезных потерь резонатора с использованием слэбового активного элемента, являются рекордными на данный момент для излучателей с диодной накачкой, генерирующих на длине волны 1,54 мкм. Полученные в эксперименте результаты измерения акустического отклика на световое воздействие в ранее не исследованном диапазоне параметров световых импульсов полезны при оценке возможности и эффективности использования тех или иных источников излучения для обработки биоткани
1030
Рассматриваются причины возникновения децентрировок линз при их вклейке в оправы. Приведены зависимости величины смещения центров кривизны рабочих поверхностей линзы с базовой оси оправы от первичных технологических погрешностей сопрягаемых деталей. Показано, что некоторые погрешности формы и расположения поверхностей оправы влияют не на точность центрирования линзы в оправе, а на точность контроля центрировки, и приводят к возникновению смещения центров рабочих поверхностей линзы при последующей сборке линзового узла в корпус объектива. Представлена функциональная схема станции для автоматизированной вклейки и центрировки линз в оправы, рассматриваются погрешности ее работы. Приводятся способы повышения точности центрировки линз в оправах, осуществляемой на этой станции, благодаря центрированию не по одной, а двум рабочим поверхностям линзы. Разработаны конструкции составных оправ для осуществления точной центрировки линз при сборке для различных вариантов их базирования в оправах. Выполнена модернизация технологического процесса автоматизированной юстировки линзы для осуществления центрировки по обеим рабочим поверхностям.

АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ И РОБОТОТЕХНИКА

1036
Для стохастических воздействий, стационарных в широком смысле, решена задача формирования корреляционных матриц и функций векторов состояний и выходов линейных непрерывных систем на основе их фундаментальных матриц. Показано, что если линейная непрерывная система относится к классу систем типа одномерный вход– одномерный выход, то корреляционная функция выхода такой системы может быть найдена как свободное движение этой системы, порождаемое ее начальным состоянием, конструируемым на матрице дисперсий вектора состояния и транспонированной матрице выхода. Установлено, что когда непрерывная система относится к классу систем типа многомерный вход–многомерный выход, то возможны следующие варианты решения задачи формирования корреля- ционной функции линейной системы. Первый вариант состоит в разбиении системы на сепаратные каналы с после- дующим применением к каждому из сепаратных каналов подхода, разработанного для систем типа одномерный вход–одномерный выход. Второй вариант применяется для случая сохранения векторной природы стохастического внешнего воздействия, но использует разбиение вектора выхода на скалярные компоненты путем разделения матри- цы выхода на сепаратные матрицы–строки с последующим формированием корреляционной функции по схеме сис- тем типа одномерный вход–одномерный выход. Третий вариант основан на скаляризации матричной корреляционной функции выхода путем применения к ней сингулярного разложения, позволяющего сформировать скалярные мажо- ранту и миноранту корреляционных функций выхода. Установлено, что ключевым компонентом вычислительной процедуры формирования корреляционной функции линейных непрерывных систем является матрица дисперсий вектора состояния системы. Матрица дисперсий, в случае экзогенного стохастического воздействия типа «белый шум», вычисляется с помощью матричного уравнения Ляпунова. Обнаружено, что в случае экзогенного стохастиче- ского воздействия типа «окрашенный шум» возможность поиска матрицы дисперсии состояния системы с помощью уравнения Ляпунова возникает, если сконструировать агрегированную систему, составленную из исследуемой систе- мы и формирующего фильтра, на выходе которого наблюдается «окрашенный шум». Полученные процедуры форми- рования корреляционных функций иллюстрируются примерами.
УПРАВЛЕНИЕ КВАДРОКОПТЕРОМ С КОМПЕНСАЦИЕЙ ВЕТРОВЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ Петраневский И. В., Борисов О. И., Громов В. С., Пыркин А. А.
1045
Предмет исследования. В работе представлен алгоритм управления по выходу для нелинейных многоканальных систем. Модель квадрокоптера выбрана для наглядной демонстрации эффективности метода последовательного компенсатора для стабилизации объектов этого класса. Базовые положения исследования. Динамические свойства квадрокоптера могут быть описаны с помощью нелинейной многоканальной системы. Соответственно, первым этапом совершается ее декомпозиция, в результате чего модель делится на две части – статическое преобразование и несколько динамических каналов с одним входом и выходом. После этого осуществляется вывод упрощенной математической модели квадрокоптера, вводится, помимо абсолютной системы координат, локальная система, жестко связанная с роботом. Принимается в расчет соответствующее преобразование координат. Промежуточные результаты. Декомпозиция математической модели позволяет осуществить построение системы управления в два шага. Во-первых, применяется закон, в соответствии с которым формируются так называемые виртуальные управляющие сигналы для каждого из каналов модели квадрокоптера. Здесь используется известный метод робастного управления «последовательный компенсатор», удачно зарекомендовавший себя как наиболее простой в реализации с инженерной точки зрения и позволяющий управлять по выходу объектом в условиях его параметрической неопределенности. Во- вторых, осуществляется обратное преобразование, в результате чего получаются реальные управляющие сигналы, распределяемые между исполнительными приводами системы. В данной работе предполагается, что на каждый из каналов объекта действует ветровое возмущение, причем значения и направления этих возмущений меняются пренебрежимо медленно. Таким образом, мы можем рассматривать их как неизвестные константы, которые подлежат компенсации. Основной результат. В работе была осуществлена декомпозиция математической модели, осуществ- лены необходимые преобразования, получена упрощенная модель, синтезировано управление по выходу на основе метода последовательного компенсатора. Получившаяся замкнутая система была промоделирована, получены соот- ветствующие результаты. 

НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И НАНОТЕХНОЛОГИИ

ХИРАЛЬНОЕ РАСПОЗНАВАНИЕ МОЛЕКУЛ ЦИСТЕИНА КВАНТОВЫМИ ТОЧКАМИ CdSe и CdS Корсаков И. В., Мухина М. В., Маслов В. Г., Баранов А. В., Федоров А. В., Гунько Ю. К.
1054
Представлены результаты исследования механизма хирального молекулярного распознавания биологических молекул аминокислоты цистеин полупроводниковыми нанокристаллами CdSe и CdS, обладающими собственной и индуцированной оптической активностью. Для наблюдения хирального распознавания подготовлены энантиообогащенные образцы нанокристаллов, покрытых ахиральными лигандами. Для этого в случае нанокристаллов CdSe с собственной оптической активностью выполнялось разделение рацемической смеси энантиомеров при помощи хирального межфазового перевода из хлороформа в воду с использованием хиральных молекул L- и D-цистеина. После этого для образцов нанокристаллов обоих типов проводилась замена хирального солюбилизатора цистеина или пеницил- ламина в случае квантовых точек CdSe и CdS, соответственно, на ахиральный додекантиол при помощи процедуры обратного межфазового перевода из воды в хлороформ. Далее подготовленные образцы были использованы для сравнения эффективности формирования гомо- (l-L) и гетерокомплексов (d-L или l-D) энантиообогащенных ансамблей квантовых точек и молекул цистеина. Эффективность образования комплексов оценивалась по выходу реакции комплексообразования. Данные спектроскопии кругового дихроизма, полученные для образцов нанокристаллов с собственной и индуцированной хиральностью, указывают на преимущественное формирование d-L гетерокомплек- сов нанокристаллов с молекулами L-цистеина по сравнению с формированием l-L гомокомплексов. Развитие способов получения хиральных нанокристаллов при помощи энантиоселективного межфазового перевода открывает большие возможности для исследования молекулярного распознавания в био-нано-интерфейсах. 
1062
Предмет исследования. Исследована структура поверхности пластины монокристаллического кремния (подложки) с термически выращенным на поверхности диоксидом кремния (системы SiO2/Si) после облучения импульсным иттербиевым волоконным лазером типа ИЛИ-1-20. Основными требованиями к режимам облучения системы являлись сохранение целостности пленки диоксида кремния в процессе микроструктурирования и отсутствие взаимовлияния близлежащих облученных областей подложки. Метод. Исследования проведены на пластинах монокристаллического кремния КЭФ-4,5, ориентированных в кристаллографической плоскости (111) с исходным (естественным) диоксидом кремния (SiO2), толщиной порядка 4 нм, и SiO2, толщиной 40 нм и 150 нм, выращенном методом термического окисления во влажном кислороде. Исследованы также пластины КДБ-10, ориентированные в плоскости (100), с толщиной термического окисла 500 нм. Облучение системы SiO2/Si производилось с помощью лазерного комплекса, на основе импульсного иттербиевого волоконного лазера ИЛИ-1-20. Номинальная выходная мощность лазера составляет 20 Вт, а длина волны лазерного излучения составила λ=1062 нм. Облучение производилось сфокусированным пучком, диаметр пятна 25 мкм, с частотой следования импульсов 99 кГц. Облучение образцов с толщиной SiO2 150 нм и 40 нм производилось при плотности мощности 1,2·102 Вт/см2 , а образцов с толщиной SiO2 500 нм – при плотности мощности 2,0·102 Вт/см2 . Сканирование проводилось с помощью двухосевого сканатора на базе приводов VM2500+ с управлением через персональный компьютер с программным комплексом «SinMarkТМ». Использовалась только одна линия сканирования при максимальной скорости перемещения луча 8750 мм/с. Контроль морфологии облученных образцов проводился на оптическом микроскопе ZeissA1M с высоко разрешающей ПЗС-матрицей. Для структурных измерений использовался сканирующий зондовый микроскоп Nanoedicator компании NT-MDT. Основные результаты. Показано, что при однократном воздействии высокочастотного импульсного лазерного излучения на систему SiO2/Si при сохранении целостности пленки SiO2 на поверхности кремния происходит образование однотипных симметричных микроструктур. Высказывается предположение, что причина их появления – реконструкция поверхности кремния, возникающая в процессе рекристаллизации поверхностного расплава кремния в облученной области подложки. Морфология этих микроструктур обусловлена действием ряда факторов: кристаллографическая ориентация пластины, исходная (перед термическим окислением) реконструкция поверхности пластины, упругие механические напряжения системы SiO2/Si, лазерное воздействие (термическое, корпускулярное, волновое). Установлены режимы облучения, при которых наблюдаются данные структуры. Практическая значимость. Впервые при микроструктурировании системы SiO2/Si волоконным лазером в режиме высокоскоростного сканирования получены изображения фигур, по которым можно косвенно судить о реконструкции атомов на поверхности кремниевой подложки, которую имела подложка перед термическим окислением. Четко выраженная локализация энергии лазерного излучения при выбранных режимах облучения позволяет утверждать о возможности выявления и контроля структурных дефектов элементов полупроводниковых электронных устройств.
1072
Предмет исследования. Исследование давления насыщенного пара низколетучих индивидуальных соединений представляет сложную задачу с точки зрения как экспериментальной реализации, так и корректности анализа и обработки опытных данных. В силу этого требуется, как правило, привлечение эталонных веществ с хорошо изученными давлениями паров. Последнее резко снижает эффективность применяемых экспериментальных методов и сужает область их применимости. В работе предложен подход к описанию процесса испарения (сублимации) низколетучих веществ, основанный на молекулярно-кинетическом описании процесса с учетом диффузионных и конвективных процессов. Предложенный подход опирается на результаты экспериментальных термогравиметрических исследований в широкой области температур, скоростей потоков продувочных газов и времени. Метод. Метод основан на расчете давления насыщенного пара на основе данных скорости испарения методом термогравиметрического анализа в зависимости от температуры, скорости потока продувочного газа и времени испарения. В основе расчета лежит диффузионно-кинетическое описание процесса испарения (потери массы) вещества с открытой поверхности. Метод применим для определения термодина-мических характеристик как испарения (равновесие жидкость-пар), так и сублимации (равновесие твердое тело–пар). Предложен соответствующий метод постановки эксперимента и анализа его данных с целью нахождения давлений насыщенного пара индивидуальных низколетучих веществ. Основные результаты. Метод апробирован на веществах с недостаточно надежно и полно изученными термодинамическими характеристиками, но нередко используемыми (в силу ограниченности других данных) в качестве эталонных. Изучены процессы испарения (жидкость–пар) для ди-н-бутилфталата C16H22O4 (при 323,15–443,15 К) и сублимации для бензойной кислоты C7H6O2 (при 303,15–183,15 К). Оба процесса осуществлялись в токе азота N2 (20–250 мл*мин–1), продолжительность испарения-сублимации (термо-гравиметрического опыта) – 10 час. Получены значения давления насыщенного пара для исследованных веществ, про-веден анализ зависимости коэффициента испарения от условий термогравиметрического эксперимента, даны рекомендации по их выбору для определения энтальпии испарения и сублимации по скорости испарения. Практическая значимость. Представленный теоретико-экспериментальный аппарат позволяет определять давление насыщенного пара методом термогравиметрического анализа для широких классов соединений с различной летучестью, в том числе низколетучих. Предложенный метод базируется на данных по изотермическому испарению (сублимации) и не требует использования эталонов. Рекомендуется его применение для исследования широкого круга высококипящих соединений – таких как фармакологически активные субстанции, масла, «зеленые растворители», включая ионные жидкости, и другие вещества.

КОМПЬЮТЕРНЫЕ СИСТЕМЫ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

ИССЛЕДОВАНИЕ АКТУАЛЬНЫХ СПОСОБОВ ПУБЛИКАЦИИ ОТКРЫТЫХ НАУЧНЫХ ДАННЫХ В СЕТИ Муромцев Д. И., Леманн Й. ., Семерханов И. А., Навроцкий М. А., Ермилов И. С.
1081
Предмет исследования. Приведен обзор программных средств и технологий публикации открытых данных в сети Интернет в машиночитаемых форматах в контексте данных университетов, образовательных и исследовательских организаций, научных лабораторий. Выполнен анализ наиболее часто используемых форматов публикации, включая не только такие популярные форматы, как pdf, csv, excel, но и форматы Семантического Веба, например, RDF. Рассмотрены способы публикации научных данных в семантических форматах на примере импорта и конвертации информации из базы данных университета. Методы. Описаны методы публикации открытых научных данных в сети, состоящие из набора преобразований исходных массивов данных к конечному семантическому представлению. Показаны этапы преобразований, включая выгрузку данных из реляционной базы данных, отображение (маппинг) данных на онтологическую модель (схему) и генерацию массива RDF-триплетов, соответствующего исходному фрагменту базы данных. Приведено описание популярных систем публикации открытых данных, таких как CKAN, VIVO и другие. В качестве основной системы хранения и публикации данных рассмотрена система OpenLinkVirtuoso. Дано описание модели данных RDF в качестве способа представления открытых данных Университета ИТМО. Основные результаты. Приведено описание способов публикации открытых научных даных, показаны их недостатки. Для демонстрации работоспособности предложенного способа публикации открытых данных университета разработан программный прототип, доступный в сети Интернет. Приведен пример использования системы. Практическая значимость. Внедрение предложенного подхода позволит значительно повысить эффект от публикации открытых данных университетов для использования этих данных другими приложениями, например, приложениями поиска информации об образовательной деятельности и результатах исследований, анализа научной деятельности университетов и их научных подразделений.
ОЦЕНКА ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ SD-КАРТ НА ОСНОВЕ ТЕХНОЛОГИИ «СИСТЕМА НА КРИСТАЛЛЕ» Костикова Е. В., Гаврилов И. А., Мукало Ю. И., Алексеенко Я. В., Фахми Ш. С.
1088
Предмет статьи. Предложен аппаратно-программный блок для выполнения операции записи, чтения и тестирования производительности различных SD-карт с использованием технологии «система на кристалле» в интегрированной среде фирмы Altera. Эта задача актуальна для проектирования высокопроизводительных параллельных видеосистем на кристалле, где нижняя граница скорости записи (и (или) чтения) критична и значима. Метод. Предлагаемый подход основан на использовании, во-первых, схем с программируемой логикой для создания компактного аппаратно-программного блока в составе видеосистем на кристалле, во-вторых, перепрограммируемых структур с поддержкой режимов последовательного и параллельного обмена, в-третьих, возможности наращения числа разрядности шин данных как с помощью последовательного переноса, так и с помощью параллельного подключения нескольких блоков одновременно. Основные результаты. Анализ результатов тестирования различных карт памяти показал, что скорость записи и чтения всех карт не соответствует заявленной производителем, и погрешность скорости записи (и чтения) данных составляет 30–50% (для чтения – около 30%). При этом максимальная скорость загрузки карт памяти возможна при увеличении числа каскадно-соединенных блоков. Результаты показывают, что в наиболее простой реализации данный аппаратно-программный блок требует ресурсов порядка 2000–2500 элементарных логических ячейках. Каждая ячейка реализует логическую операцию «И/ИЛИ с памятью», в то время как ресурс популярной микросхемы ЕР3С25F256C8 семейства Cyclone III составляет 5976 (26%) подобных ячеек при цене микросхемы $5–10 за единицу. Практическая значимость. Авторы считают, что предложенный аппаратно-программный блок можно рассматривать как наиболее дешевый специализированный компонент в составе электронной компонентной базы отечественной микроэлектроники для создания видеоинформационных систем реального времени.
1098
Предмет исследования. Исследованы процессы динамической миграции без общего хранилища с копированием до остановки и сетевой миграции. Миграция виртуальных машин является важной возможностью технологии виртуализации, которая позволяет приложениям прозрачно перемещаться вместе с их средами выполнения между физическими машинами. Динамическая миграция (живая миграция, Live Migration) становится заметной технологией для эффективной балансировки загрузки и оптимизации развертывания виртуальных машин на физических узлах в центрах обработки данных. До появления динамической миграции использовалась только так называемая сетевая миграция («Move»), которая влечет за собой остановку выполнения виртуальной машины во время копирования на другой физический сервер, а следовательно, недоступность сервиса. Метод. Рассмотрены алгоритмы динамической миграции без общего хранилища с копированием до остановки и сетевой миграции виртуальных машин с позиции исследования времени переноса и недоступности сервисов при переносе виртуальных машин. Основные результаты. Предложены аналитические модели, позволяющие предсказать время переноса виртуальных машин и время недоступности сервисов при переносе, при использовании таких технологий, как динамическая миграция с итеративным подходом без использования общего хранилища и сетевая миграция. В существующих работах по оценке времени недоступности сервисов и времени переноса при использовании динамической миграции без использования общего хранилища описаны экспериментальные результаты, по которым можно сделать общие выводы об изменении времени недоступности сервисов и времени переноса, но нельзя спрогнозировать их значения. Практическая значимость. Предлагаемые модели могут быть использованы при прогнозировании времени миграции и времени недоступности сервисов, например, при проведении профилактических и аварийных работ на физических узлах в центрах обработки данных.
1105
Рассмотрена применимость предметно-ориентированного проектирования информационных систем для предметных областей массового обслуживания клиентов. При этом были выдвинуты следующие критерии оптимальности, которым должна соответствовать конечная реализация: возможность автоматизации с помощью единой системы как небольшого заведения, так и целой сети заведений; развитый графический интерфейс с поддержкой сенсорных экранов; многопользовательский учет заказов, поступающих от клиентов; гибкая архитектура приложения с возможностью расширения в будущем; возможность интеграции с различными периферийными устройствами. Показана необходимость определения каждого критерия. Для оценки реализуемости была спроектирована тестовая информационная система, автоматизирующая систему массового обслуживания. Использован унифицированный язык моделирования UML. Приведено описание назначения каждого класса и ассоциации с другими классами. Уделено внимание проектированию древовидных (иерархических) структур и процедуре выделения базовых классов на основе анализа имеющихся общих атрибутов. Для реализации системы использована собственная среда разработки SharpArchitect RAD Studio, предлагающая MDA-подход для систем и основанная на унифицированной метамодели объектной системы. Представлен графический вид разработанного прототипа формы заказа, описаны состав и структура, а также разработанная автором нотация, позволяющая упростить процесс прототипирования. Показаны подходы к разграничению прав доступа для различных ролей пользователей. Определено соответствие полученной реализации каждому выделенному критерию оптимальности. Даны рекомендации по дальнейшей разработке системы.
1115
Рассматривается проблема защиты процесса загрузки операционной системы с сервера на бездисковую рабочую станцию по сети, а также проводится анализ существующих способов контроля целостности передаваемой по сетевым протоколам информации. В рамках работы предлагается решение, позволяющее осуществлять контроль целостности загружаемого образа операционной системы до момента передачи на нее управления. Для обеспечения безопасности процесса загрузки выделяются ключевые информационные элементы, целостность которых необходимо гарантировать. Разрабатываемое решение как средство защиты информации должно удовлетворять требованиям информационной безопасности и при этом быть совместимо с остальными аппаратными и программными средствами, используемыми для защиты автоматизированных систем. Предлагаемое решение реализует алгоритм контроля целостности операционной системы, построенный с использованием инфраструктуры открытого ключа. В работе приводится анализ аппаратной конфигурации проектируемого решения с точки зрения удобства его использования и администрирования, а также оцениваются возможности осуществления атак со стороны злоумышленника на защищаемую информацию.
1122
Исследованы вопросы реализации контроля и разграничения прав доступа субъектов к объектам в современных вычислительных системах. Предложен метод контроля доступа, реализуемый перенаправлением (переадресацией) запросов доступа к объектам. Определено его принципиальное отличие от метода дискреционного контроля доступа – запрос доступа субъекта к объекту, в том случае, когда субъекту необходимо запретить запись в объект (модифицировать объект), не запрещается, он перенаправляется (право доступа сохраняется, но доступ при этом реализуется уже к иному объекту), что позволяет реализовывать разграничительные политики доступа к системным объектам без нарушения работоспособности системы и приложений и корректно разделять объекты доступа между субъектами. Данная важнейшая особенность предложенного метода контроля доступа позволяет решать принципиально новые задачи защиты системных объектов, в том числе реализовывать виртуализацию системных средств, с целью защиты системных объектов от атак со стороны пользователей и приложений. Построена абстрактная модель, на которой показано, что метод контроля доступа субъектов к объектам, реализуемый перенаправлением запросов доступа, может позиционироваться в качестве полноценного самостоятельного метода контроля, с использованием которого может быть реализована любая разграничительная политика доступа субъектов к объектам, т.е. в качестве альтернативы методу дискреционного контроля доступа.
1130
Предмет исследования. Представлены результаты исследования и предложен способ построения мобильного сервиса для автоматизированной поддержки водителя транспортного средства, основанного на использовании данных, получаемых с камер и сенсоров. Направление исследований связано с разработкой интеллектуального мобильного сервиса автоматизированной поддержки водителя автомобиля (Advanced Driver Assistance System – ADAS). Метод. Предлагаемый подход основан на активном использовании онтологий водителя и транспортного средства. Все ADAS-системы можно условно разделить по форме представления на две категории: мобильные приложения, устанавливаемые водителем на смартфон из магазина приложений, и системы безопасности, встраиваемые в автомобили на заводах-производителях или устанавливаемые в автомобильных сервисных центрах. Мобильное приложение, установленное на телефоне, использует тыловую и фронтальную камеры и сенсоры, встроенные в смартфон, для слежения как за дорогой и впереди идущими транспортными средствами, так и за водителем с целью предотвращения дорожно-транспортных происшествий. Сервис включает в себя компоненты по распознаванию объектов на изображениях, получаемых с камер, и компоненты анализа дорожных ситуаций, отвечающие за слежение той или иной небезопасной дорожной ситуацией. Основные результаты. Спроектировано мобильное решение, предназначенное для водителей, использующих персональные смартфоны. Мобильный телефон закрепляется на лобовом стекле автомобиля. Оповещения о возможности столкновения выводятся на экран смартфона и сопровождаются звуковой индикацией или вибросигналом. Наиболее распространенной небезопасной ситуацией на дороге является столкновение с препятствием, впереди идущим или неподвижно стоящим автомобилем. Приложение в режиме реального времени определяет скорость впереди идущего транспортного средства и рассчитывает время до столкновения с ним с учетом текущей скорости автомобиля. Если безопасная дистанция между автомобилями не соблюдается, то выдается соответствующее предупреждение. Разработанное мобильное приложение помогает повысить безопасность поездки, а также оценить и улучшить навыки вождения. Практическая значимость. Применение данного подхода позволит разработать мобильную информационную систему для автоматизированной поддержки водителя автомобиля с целью предотвращения дорожно-транспортных происшествий и улучшения навыков участников дорожного движения.

ТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИ

РАЗГРУЗКА СЕТЕЙ LTE ЧЕРЕЗ СЕТИ Wi-Fi Степутин А. Н., Ромашенков Н. О., Фокин Г. А.
1139
Исследованы вопросы разгрузки сетей LTE через сети Wi-Fi как один из способов решения проблемы нехватки ресурсов сети мобильной связи в будущем. Приведено сравнение предназначенных для разгрузки сетей мобильной связи технологий: фемтосоты, Small Cells и Wi-Fi. Представлено построение совмещенной сети LTE+Wi-Fi, включающее как новые элементы сети, так и новые функции для стандартных элементов сети LTE, а также взаимодействие между элементами. Особое внимание уделено использованию мобильных протоколов IP для организации доступа к ядру сети LTE через доверенный и недоверенный Wi-Fi доступ. Выполнена оценка эффективности внедрения данной технологии. В рамках моделирования процесса перехода абонентского терминала из сети LTE в сеть Wi-Fi представлены зависимость количества переведенных в сеть Wi-Fi абонентов и зависимость скорости передачи данных в сети LTE от плотности точек доступа. На основании исследования сделан вывод о том, что постепенное внедрение данной технологии позволяет успешно справляться с проблемой нехватки ресурсов сети мобильного оператора в крупных городах из-за постоянного роста трафика. Показано, что добавление точек доступа и перевод клиентов в сеть Wi-Fi значительно снижает нагрузку на базовую станцию, при этом увеличивает скорость передачи данных, позволяя сохранять качество предоставляемых услуг.

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

1147
Предмет исследования. Дано дальнейшее развитие способа вычислительных экспериментов решения некорректных задач, например, обратной задачи спектроскопии. Этот способ позволяет получить эффективную (незавышенную) оценку погрешности решения уравнения первого рода. Метод. Уравнение решается методом регуляризации Тихонова. Получены незавышенная оценка погрешности решения и новый способ выбора параметра регуляризации на основе использования усечения спектра сингулярных чисел оператора. Величину усечения предлагается оценивать по результатам решения модельных или обучающих примеров, «близких» исходному примеру (задаче). Данный способ учитывает дополнительную информацию о решении. Основной результат. Выведена новая, более точная оценка погрешности регуляризованного решения с использованием параметра усечения g. Предложены способы определения g по результатам решения модельных примеров. Способ моделирования или обучения применен к решению обратной задачи спектроскопии (восстановлению тонкой структуры спектра путем решения интегрального уравнения на основе экспериментального спектра и аппаратной функции спектрального прибора). Способ позволил разрешить близкие линии и выделить слабые линии. Практическая значимость. Предложенная методика может быть использована для восстановления заглаженных и зашумленных спектров, другими словами, для повышения разрешающей способности спектральных приборов путем математической и компьютерной обработки экспериментальных спектров.
1155
Предмет исследования. Рассматривается задача Римана о распаде произвольного разрыва параметров при столкновении под некоторым углом двух плоских потоков. Задача решается в точной постановке. К задаче о произвольном взаимодействии двух сверхзвуковых потоков может быть сведено большинство случаев интерференции как стационарных, так и нестационарных газодинамических разрывов, течения за которыми – сверхзвуковые. В зависимости от соотношения параметров в потоках исходящие разрывы могут быть или скачками уплотнения, или волнами разрежения. В некоторых случаях решение может отсутствовать вовсе. Важно уметь находить области существования соответствующих решений, так как вид образующихся ударно-волновых структур в этих областях заранее известен. Задача о распаде разрыва используется в численных методах типа метода Годунова. Обычно применяется приближенное решение, известное как решение Ошера, но в ряде задач, когда требуется высокая точность, необходимо решать эту задачу в точной постановке. Основные результаты. Рассмотрены области существования решений с различными типами ударно-волновой структуры. Аналитически определены границы существования решений с двумя исходящими скачками уплотнения, а также с исходящими скачком и волной разрежения. Выявлена область чисел Маха и углов, под которым взаимодействуют потоки, при которых решение отсутствует. Специфические течения с двумя исходящими волнами разрежения не рассматриваются. Практическая значимость. Результаты работы дополняют теорию интерференции стационарных газодинамических разрывов и могут быть использованы при разработке новых методов численного расчета с выделением разрывов.

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ОБРАЗОВАНИИ

1169
Постановка задачи. Проанализированы особенности представления результатов обучения по компетентностно-ориентированным образовательным программам. Показана важность решения задач дешифрации и оценивания уровня освоения элементов и компонентов дисциплинарных частей компетенций. Сформулированы цель и основные задачи работы. Методы исследования. В работе использованы методы математической логики, аппарат булевой алгебры, а также параметрический анализ результатов реализации сложного диагностического теста, контролирующего уровень освоения нескольких элементов дисциплинарных компетенций. Результаты. Разработан метод анализа логических условий, который позволит сформулировать условия для определения уровня освоения каждого из проверяемых сложным диагностическим тестом элемента дисциплинарной компетенции. Нормализованный результат теста разбит на непересекающиеся зоны, для каждой из которых сформулировано логическое условие об уровне освоения контролируемых элементов. Введены обобщенные характеристики для зон, представляющих результат теста. Приведен пример формирования логических условий для диагностического теста с заданными характеристиками. Практическая значимость. Предлагаемый метод анализа логических условий использован в алгоритме дешифрации результатов тестового диагностирования уровня освоения элементов дисциплинарных компетенций. Он позволит автоматизировать процедуру поиска элементов с недостаточным уровнем освоения, а также может быть использован для оценивания результатов изучения дисциплины или раздела компетентностно-ориентированной образовательной программы.

КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ

1177
Приведены результаты исследования лазерной абляции органических материалов в жидкостях как одного из перспективных методов получения наноразмерных частиц на их основе. Представлено описание получения наночастиц сокристалла 2.6-диаминопиридин-4-нитрофенол (26DAP4N) с помощью метода лазерной абляции материала при конденсации наночастиц в жидкости (додекан и полифениленоксид). В работе применялось лазерное излучение с длиной волны 355 нм с длительностью импульса 10 нм и плотностью мощности импульса излучения 170 кВт/см2. Частота повторения импульсов составила 3,8 кГц. Получены наночастицы в виде коллоидного раствора. Исследования наночастиц выполнены методами спектроскопии видимой области и оптической микроскопии. Размеры полученных частиц составили порядка 0,5 мкм.
Информация 2001-2019 ©
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики.
Все права защищены.

Яндекс.Метрика