«Сборник трудов III Всероссийского Конгресса молодых ученых Санкт-Петербург 2014 Сборник трудов III Всероссийского конгресса молодых ученых. – СПб: Университет ИТМО, 2014. – 184 с. В издании Сборник трудов III ...»

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

Сборник трудов

III Всероссийского

Конгресса молодых

ученых

Санкт-Петербург

2014

Сборник трудов III Всероссийского конгресса молодых ученых. – СПб: Университет ИТМО, 2014. – 184 с.

В издании «Сборник трудов III Всероссийского конгресса молодых ученых» публикуются работы, представленные в рамках III Всероссийского конгресса молодых ученых и XI Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых, которые состоялись 8–11 апреля года в Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики ISBN 978-5-7577-0478- В 2009 году Университет стал победителем многоэтапного конкурса, в результате которого определены 12 ведущих университетов России, которым присвоена категория «Национальный исследовательский университет». Министерством образования и наук

и Российской Федерации была утверждена программа его развития на 2009– годы. В 2011 году Университет получил наименование «СанктПетербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики»

Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, © Авторы, УДК

АКТУАЛЬНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ТОРГОВО-ЭКОНОМИЧЕСКОГО

СОТРУДНИЧЕСТВА РОССИИ И ИСПАНИИ

Н.С. Аниськевич

Научный руководитель – к.филол.н., доцент А.А. Антипов Россия и Испания – это две страны с большим экономическим потенциалом. Отношения двух стран успешно развиваются, происходит их взаимная интеграция в торгово-экономическом пространстве.

Благодаря проделанной совместной работе двух стран, достигнуты позитивные результаты, которые в перспективе могут быть улучшены и расширены. При совершенствовании и укреплении договорноправовой базы сотрудничества данные отношения будут совершенствоваться. Основными и выделяющимися сферами взаимного интереса стран являются энергетика и машиностроение.

Ключевые слова: экономика, международные отношения, Россия, Испания, международная торговля, отрасли экономики, энергетика, туризм, сельское хозяйство, машиностроение, металлургия.

Россия и Испания имеют большую историю развития дипломатических, торговых и экономических отношений, в которой были разные периоды развития, включающие в себя как сближения, так и порой десятилетние перерывы. Во взаимоотношении стран имеется проблема стабильности торгово-экономических взаимоотношений. Цель работы – проанализировать внешнеторговый оборот с Испанией за 2013 год для выявления наиболее продуктивных сфер сотрудничества.

Внешнеторговый оборот России с Испанией за октябрь 2013 г. по данным российской таможенной статистики составил 8 935,6 млн. долл. США и увеличился по сравнению с аналогичным периодом 2012 г. на 4,7%, в том числе экспорт составил 4 903,5 млн. долл. США, импорт – 4 032,1 млн. долл. США. По данным статистики Испании внешнеторговый оборот с Россией за сентябрь 2013 г. по данным ICEX (Институт внешней торговли Испании) составил 11 029,7 млн. долл. США, в том числе экспорт – 2 950,8 млн. долл. США, импорт – 8 078,9 млн. долл. США. Необходимо отметить, что данные таможенной статистики России и Испании имеют некоторые различия из-за значительного объема операций через третьи страны. Согласно данным ICEX, Россия занимает 9-е место в списке основных направлений импорта в Испанию и 18-е место среди основных направлений испанского экспорта.

В торгово-экономическом сотрудничестве России и Испании, исходя из выше проанализированного материала, можно выделить, пять основных сфер сотрудничества:

топливно-энергетическое, машиностроительное, сельскохозяйственное и пищевое, туристическое.

Топливно-энергетический комплекс (ТЭК). Развитие мировых рынков ТЭК для России интересно тем, что она является крупнейшим экспортером энергетического сырья, основными являются нефть и газ, и тем, что данный комплекс является бюджетно-образующим для страны. Испания на рынке ТЭК является крупным экспортером, так как не имеет крупных месторождений газа, а месторождения нефти отсутствуют. Но в тоже время она является мировым лидером в области использования возобновляемых источников энергии.

Машиностроительный комплекс. Россия и Испания входят в состав группы лидеров мирового машиностроения. Оно базируется на высоком уровне научноисследовательских и опытно-конструкторских разработок, высокой квалификации рабочей силы и ориентировано в основном на выпуск технически сложной и высококачественной продукции. В торговых отношениях между странами основной продукт импорта Испании в Россию – это промышленные технологии (911062 тыс. евро). А также осуществляются совместные проекты связанные с ж/д-, судо- и автомобилестроением.

Сельское хозяйство и пищевая промышленность. Доля сельскохозяйственной отрасли в валовом внутреннем продукте Испании составляет 8%. Самые большие доли производства приходится на мясную промышленность – 19,1%, производства вина и других алкогольных напитков – 12,6%, молочную промышленность – 10,3%.

Основные продукты агропромышленного комплекса: оливковое масло, вино, мандарины, апельсины, свинина, томаты, перец. В России данные отрасли сельского хозяйства из-за климатического фактора не имеют развития, поэтому Испания является крупным импортером оливкового масла, оливок, цитрусовых, вина, свинины.

Металлургия. По экспорту Россия ориентирована на: стальные полуфабрикаты, чугун, прямовосстановительное железо, стальной лом. Чугун из России поступает на все важнейшие региональные рынки с основной ориентацией на поставки в Европу, который составляет 35% экспорта. Поэтому как следствие чугун в большом количестве поступает и в Испанию. Также начиная с 1990 гг. Испания является крупным импортером прямовосстановительного железа. В том числе основными направлениями поставок в Испанию являются стальной лом и листовой прокат.

Туризм. Россия на рынке туристических услуг играет роль потребителя. В стране есть богатое культурное наследие, но активность в привлечение туристов уступает другим странам, а любые политические и экономические события сразу же отражаются на интенсивности потока туристов. В Испании туризм является одной из немногих отраслей экономики, которая успешно развивается. За 2012 год Испанию посетило 57,9 млн. иностранных туристов, расходы которых составили 55,8 млрд. евро, а за первую половину 2013 года страну посетило 26,1 млн. туристов.

Российских туристов в Испанию прибыло на 33% больше в 2013 году по отношению к предыдущему году, а самым популярным направлением является Каталония.

Таким образом, на основе анализа основных сфер сотрудничества России и Испании можно сделать вывод, что наиболее продуктивными являются ТЭК и сфера туризма. А сферы машиностроительного комплекса, сельского хозяйства и металлургии имеют большой потенциал для совместного развития.

Яковлев П.П. Российско-испанские отношения: состояние и перспективы // Портал http://www.perspektivy.info/oykumena/europe/rossijskoispanskije_otnoshenija_sostojanije_i_perspektivy_2011-03-04.htm, своб.

Декларация о стратегическом партнерстве между Российской Федерацией и http://archive.kremlin.ru/text/docs/2009/03/213562.shtml, своб.

Торгово-экономическое сотрудничество России и Испании [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.ved.gov.ru/exportcountries/es/es_ru_relations/es_ru_trade/, Официальный сайт Торгового Представительства РФ в Королевстве Испания [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.rusiaspain.com/, своб.

Официальный сайт Торгового-Экономического Представительства Испании в России [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.spainbusiness.ru, своб.

Официальный сайт Федеральной Таможенной Службы РФ [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.customs.ru/, своб.

УДК 004.056.

СИСТЕМА АУТЕНТИФИКАЦИИ В УСЛОВИЯХ НИЗКОЙ

ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ КОМПОНЕНТОВ ЦЕЛЕВОЙ СИСТЕМЫ

Научный руководитель – к.т.н., доцент О.В. Михайличенко В статье приведено решение проблемы аутентификации для информационной системы с компонентами на базе низкопроизводительной платформы Arduino, имеющими малый объем оперативной и постоянной памяти и малую вычислительную мощность, а также ограниченный набор протоколов сетевого взаимодействия в условиях наличия доступа злоумышленника к компонентам информационной системы.

Приведены результаты сравнительного анализа алгоритмов аутентификации и модель системы аутентификации.

Ключевые слова: аутентификация, Arduino, низкая производительность, Kerberos.

В современном мире информационные системы (ИС), использующие распределенные вычислительные сети, широко используются в процессе хозяйствования и производства промышленными предприятиями. В условиях, когда компоненты ИС производят, обрабатывают и предоставляют пользователям данные, актуальна задача обеспечения подлинности этих компонентов. Задача обеспечения подлинности компонентов решается проведением процедуры аутентификации компонентов ИС.

Аутентификация компонентов целевой системы (ЦС) позволяет удостоверить их подлинность, однако, выполнение процедуры аутентификации ложится на компоненты ЦС. В условиях низкой производительности компонентов актуальна задача исследования существующих решений и разработки наименее требовательной системы аутентификации.

Существующие комплексные решения для аутентификации рассчитаны на высокопроизводительную ЦС и предъявляют требования к компонентам ЦС, такие, как наличие определенной операционной системы (ОС), поддержка определенных сетевых протоколов и аппаратных интерфейсов. Преимущество предлагаемого решения в том, что оно способно функционировать на ограниченных ресурсах и нетребовательно к аппаратным и программным интерфейсам компонентов ЦС.

Целью работы является разработка системы аутентификации, обеспечивающей двустороннюю аутентификацию компонентов ЦС и функционирующую в условиях низкой производительности ЦС.

ЦС представлена множеством компонентов двух типов – устройство-источник и устройство-приемник информации. Предполагается, что устройство-источник производит, либо получает извне и передает информацию устройству-приемнику.

Устройство-приемник осуществляет сбор, обработку и накопление информации, а также передачу ее сторонней ИС или пользователю ЦС.

Следующие граничные условия приняты для рассмотрения случая наибольших требований к системе аутентификации со стороны ЦС:

наличие доступа злоумышленника к любому компоненту ЦС;

все каналы передачи данных между компонентами ЦС являются открытыми;

отсутствие ОС на компонентах ЦС;

поддержка компонентами ЦС только стандартного набора сетевых протоколов стека TCP\IP;

компоненты ЦС имеют объем оперативной и постоянной памяти не более 500 Кб;

отсутствие интерфейса USB (условие, актуальное для устройств на базе вычислительной платформы Arduino).

Принципы построения системы аутентификации Система аутентификации должна осуществлять аутентификацию компонентов ЦС с использованием алгоритма аутентификации, реализующего модель аутентификации с доверенной стороной. При наличии доступа злоумышленника к компонентам ЦС, замена пары устройств «устройство-источник–устройство-приемник» аннулирует средства аутентификации на обеих сторонах. Подлинность доверенного центра должна быть обеспечена организационными мерами, доступ к нему злоумышленника должен быть исключен.

Процедура аутентификации должна выполняться компонентами ЦС. Задача аутентификации не может выполняться отдельными устройствами (аутентификаторами). В условиях доступа злоумышленника к компонентам ЦС подмена компонента без подмены аутентификатора этого компонента, позволит подменному компоненту успешно проходить аутентификацию. Для того чтобы аутентификатор был уверен в подлинности компонента, который он аутентифицирует, он должен провести процедуру аутентификации компонента, что снова ставит задачу выполнения процедуры аутентификации компонентом ЦС.

Система аутентификации должна использовать симметричное шифрование по причине его меньшей вычислительной сложности по сравнению с асимметричным шифрованием [1, 2]. Система аутентификации должна использовать коды аутентичности сообщений на базе хэшей вместо шифрования всего трафика, что снижает объем криптопреобразований на компонентах ЦС.

Ключевая информация компонентов ЦС должна храниться в аппаратных модулях защиты (АМЗ). Хранение ключевой информации в памяти компонентов ЦС позволяет извлечь ее оттуда без подмены и модификации компонентов.

Обоснование неприменимости существующих систем аутентификации Табл. 1 содержит данные сравнительного анализа существующих систем аутентификации, доступных на рынке. Сравнение производилось по критериям применимости систем аутентификации к рассматриваемой ЦС.

Существующие решения требуют наличия ОС на компонентах ЦС.

Некоторые из представленных решений также требуют подключения аппаратной части посредством интерфейса USB.

Не все представленные решения используют модель аутентификации с доверенной стороной.

Из анализа таблицы следует, что ни одно из представленных решений не может быть применено в качестве системы аутентификации для рассматриваемой ЦС.

SafeNet Authentication Manager Entrust IdentityGuard RSA Authentication Manager SafeSign Authentication Server Система аутентификации базируется на реализации алгоритма аутентификации.

Обоснованный выбор оптимального алгоритма аутентификации позволяет построить систему аутентификации, предъявляющую наименьшие требования к вычислительным ресурсам ЦС. Далее рассмотрен процесс сравнительного анализа существующих алгоритмов аутентификации. Анализ включает в себя два этапа.

Первый этап состоит в сравнении алгоритмов аутентификации по критериям применимости к ЦС. Табл. 2 содержит результаты сравнительного анализа алгоритмов аутентификации [3–6].

Таблица 2. Результат сравнительного анализа алгоритмов аутентификации Yahalom Needham-Schroeder Otway-Rees Kerberos Neuman-Stubblebine X. IPSec DASS Denning-Sacco Woo-Lam MQV Из анализа таблицы следует, что требованиям ЦС удовлетворяют протоколы Yahalom, Needham-Schroeder, Otway-Rees, Kerberos, Newman-Stubblebine.

Второй этап сравнительного анализа алгоритмов аутентификации состоит в сравнении алгоритмов по объему криптографических преобразований на компонентах ЦС и объему трафика между компонентами ЦС, необходимого для проведения процедуры взаимной аутентификации устройства-источника и устройства-приемника.

Результаты сравнения алгоритмов аутентификации по объему криптопреобразований приведены на рис. 1, а. Результаты сравнения алгоритмов аутентификации по объему трафика приведены на рис. 1, б.

Рис. 1. Сравнение алгоритмов аутентификации по объему криптопреобразований Пояснение к обозначениям рис. 1, а: Cs, C128s, C256s обозначают объем криптопреобразований на стороне источника для случаев без дополнения до размера блока, с дополнением до блока размером 128 и 256 бит соответственно. Ct, C128t и C256t обозначают объемы криптопреобразований на стороне приемника информации.

Ca, C128a и C256a обозначают суммарный объем криптопреобразований на стороне источника и приемника. На рис. 1, б N128s, N128t обозначают объем трафика для случая использования алгоритма блочного шифрования с длиной блока 128 и 256 бит соответственно. N128t, N256t обозначают эти же данные для приемника. N128a, N256a обозначают суммарный трафик источника и приемника для случаев использования блока длиной 128 и 256 бит соответственно. Учтен трафик не только между источником и приемником, но также между компонентами ЦС и доверенной стороной. Значения оси абсцисс приведены в битах.

По результатам анализа сделан вывод, что наименьшие требования к компонентам ЦС предъявляет алгоритм Kerberos. Следует отметить также, что из представленных алгоритмов только Kerberos не требует генерации случайных значений на компонентах ЦС. Алгоритм требует только генерации значений доверенной стороной.

Также по результатам анализа сделан вывод, что объем криптопреобразований и трафика возрастает с возрастанием размера блока симметричного шифра. Таким образом, следует применять блочный симметричный шифр с малым размером блока, например, Triple DES с размером блока 64 бит.

Проблема выбора АМЗ для компонентов ЦС актуальна при условии, когда компоненты ЦС не имеют интерфейса USB, так как многие доступные на рынке аппаратных решений для аутентификации имеют только интерфейс USB.

Был проведен сравнительный анализ АМЗ, доступных на рынке, по критериям совместимости с компонентами ЦС. Результаты анализа представлены в табл. 3 [7–10].

Задача выбора АМЗ разбита на две подзадачи: выбор АМЗ для компонентов ЦС, совместимых с ним аппаратно, и выбор АМЗ для доверенной стороны. АМЗ доверенной стороны должен обладать достаточной вычислительной мощностью, чтобы обслуживать запросы компонентов ЦС без задержек.

Для применения на компонентах ЦС следует использовать АМЗ «VaultIC C420i», обладающий интерфейсом I2C, поддерживающим алгоритм Triple DES и обладающий 32 Кб энергонезависимой памяти. Для применения на доверенной стороне следует использовать АМЗ «Шипка 2.0».

Модель системы аутентификации проиллюстрирована на рис. 2. Серым цветом выделены компоненты, принадлежащие ЦС. Белым цветом выделены компоненты системы аутентификации. Диагональной штриховкой выделены аппаратные средства.

TDES MD5 TDES MD5 EEPROM

Система аутентификации включает в себя модули аутентификации (один модуль для каждого компонента ЦС) и модуль доверенной стороны. Модуль аутентификации представляет собой программно-аппаратное решение, программная часть которого является реализацией алгоритма Kerberos и исполняется на вычислительных ресурсах компонента ЦС. Аппаратная часть модуля аутентификации – АМЗ «Vaultic C420i».

Модуль доверенной стороны представляет собой программно-аппаратное решение, программная часть которого – реализация алгоритма Kerberos и логики управления системой аутентификации (регистрации и удаления модулей аутентификации).

Аппаратная часть доверенной стороны – компьютер с интерфейсом USB, выполняющий во взаимодействии с модулями защиты по протоколу Kerberos роль сервера аутентификации и сервера выдачи билетов.

Разработанная подсистема аутентификации обеспечивает двустороннюю аутентификацию компонентов ЦС с участием доверенной стороны благодаря реализации алгоритма Kerberos. Система аутентификации не требует наличия ОС на компонентах ЦС и способна функционировать на вычислительных ресурсах Arduino благодаря использованию алгоритма аутентификации, предъявляющего наименьшие требования к вычислительным ресурсам компонентов ЦС.

Коробейников А.Г. Математические основы криптографии: учебное пособие. – СПб: СПб ГИТМО(ТУ), 2002. – 29 с.

2. Haodong Wang (Хаодон Вон), Bo Sheng (Бо Шен), Chiu C. Tan (Чи С. Тан), Aun Li (Ён Ли). Comparing Symmetric-key and Public-key based Security Schemes in Sensor Networks: A Case Study of User Access Control // Distributed Computing Systems. – 2008. – С. 11–18.

3. Шнейер Б. Прикладная криптография. Протоколы, алгоритмы, исходные тексты на языке Си: справочное пособие. – М.: Триумф, 2002. – 816 с.

4. Jason Garman (Джейсон Гарман). Kerberos: The Definitive Guide: справочное пособие. – Sebastopol, CA: O’Reilly Media, 2010. – 274 с.

5. Гатченко Н.А., Исаев А.С., Яковлев А.Д. Криптографическая защита информации:

учебное пособие. – СПб: НИУ ИТМО, 2012. – 142 с.

6. Laurie Law (Лори Лоу), Alfred Menezes (Альфред Менезес). An Efficient Protocol for Authenticated Key Agreement. – Design, Codes And Cryptography, 2003. – С. 119–134.

http://www.insidesecure.com/content/download/1323/8538/version/1/file/AT90SO36.pdf, 8. Продукция InsideSecure с закрытой архитектурой [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.inside-rus.ru/VaultIC.html, своб.

9. DeepCover Security Manager for Tamper-Reactive Cryptographic-Node Control with http://www.maximintegrated.com/datasheet/index.mvp/id/6479, своб.

http://www.shipka.ru/shipka_2.0.html, своб.

УДК 004.

ЗАЩИТА МУЛЬТИМЕДИА-ДАННЫХ В ТЕЛЕМЕДИЦИНСКИХ КОМПЛЕКСАХ

Научный руководитель – д.т.н., профессор А.Г. Коробейников Рассматриваются методы защиты конфиденциальных мультимедиа данных, использующихся в автоматизированных телемедицинских комплексах. В работе автор выделяет особенности таких данных и дополнительные требования к их защите, производит анализ существующих протоколов и стандартов, применяющихся для хранения и передачи медицинской информации. Рассматривается возможность использования технологии скрытого встраивания цифровых водяных знаков в медицинские изображения, а также определяются требования к водяному знаку и методу встраивания.

Ключевые слова: защита медицинских данных, персональные данные, цифровые водяные знаки, стеганография.

В течение последнего десятилетия в мировой медицинской практике наблюдается стремительный рост объема телемедицинских услуг. Широкое распространение в мире получили переносные телемедицинские терминалы, позволяющие проводить долговременный мониторинг состояния сердечнососудистой системы пациентов, измерять уровень сахара в крови, контролировать другие жизненно важные показатели здоровья. По сведениям Всемирной Организации Здравоохранения в настоящее время в мире реализуются несколько сотен проектов в области телемедицины, среди которых кроме клинических и информационных выделяют также образовательные, связанные с телеобучением специалистов в области медицины. Повышение достоверности диагностики, охват широких слоев населения медицинскими услугами обеспечивает рост средней продолжительности жизни населения.

Область применения телемедицинских консультаций (ТМК) можно условно разделить на три основные группы:

1. совершенствование системы оказания медицинской помощи – проведение телеконсультаций, диагностики, операций. ТМК особенно важны в отношении трудно дифференцируемых заболеваний, диагностика, лечение и прогноз при которых представляют значительные трудности и зачастую сопровождаются ошибками;

2. оптимизация поиска управленческих решений в сфере здравоохранения при проведении оперативных совещаний, коллегий, заседаний проблемных комиссий и для принятия и реализации оперативных решений при экстремальных ситуациях.

3. развитие и рост кадрового потенциала медицины (дистанционное обучение, переподготовка кадров, повышение квалификации, проведение симпозиумов).

Основными условиями защиты медицинской информации при проведении ТМК является обеспечение ее целостности, аутентичности, неизменности, сохранности и доступности. Обязательным требованием, с точки зрения законодательства, является обеспечение конфиденциальности персональной информации, в том числе, клинической информации о больном, составляющей предмет врачебной тайны.

Под целостностью медицинской информации в ходе ТМК понимается отсутствие ее потерь в процессе подготовки, преобразования, передачи, приема, обработки и предоставления информации.

Под аутентичностью медицинской информации в ходе ТМК понимается полное совпадение передаваемой и получаемой информации. В частности, аутентичность информации для аудио- и видеоинформации предполагает, что изображение и звук практически одинаковы на передающей и принимающей сторонах. Под аутентификацией (подлинностью) участников телеконсультации понимается взаимно доказуемая идентификация партнеров связи.

Под неизменностью медицинской информации понимается отсутствие искажений (преднамеренных или непреднамеренных) информации участниками ТМК или третьими лицами в ходе ТМК.

Под сохранностью медицинской информации понимается необходимость документирования (протоколирования) хода и результатов ТМК – всего комплекса представленных медицинских материалов, их обсуждения (устного при проведении видеоконференции или письменного при переписке по электронной почте) и заключения консультанта, на соответствующих носителях, включая запись видеоконсультаций, представляющую собой ее синхронную копию.

Под доступностью медицинской информации понимается возможность для участников ТМК реально и своевременно получить доступ к медицинской информации, используемой в ходе телеконсультации, что может быть обеспечено только согласованными действиями всех участников ТМК.

Под конфиденциальностью понимается ограничение доступа к совокупности данных, являющихся предметом ТМК, включая ее результаты.

В рамках 218 Постановления Правительства Российской Федерации в Университете ИТМО совместно с ОАО «ЛОМО» был разработан оптико-цифровой диагностический комплекс для телемедицины, предназначенный для проведения клинических и лабораторных исследований и решения актуальной задачи повышения качества медицинского обслуживания. Телемедицинский комплекс включает в себя три системы: микровизионную, видеоэндоскопическую и сетевую [1].

Наиболее уязвимыми местами телемедицинского комплекса с точки зрения обеспечения безопасности являются:

– аудио/видео канал;

– персональные данные (например, история болезни);

– сетевое соединение.

В связи с тем, что передаваемая информация носит конфиденциальный, медицинский характер, требования к безопасности такого обмена могут сравниться с требованиями к безопасности при банковских операциях. Поэтому уже существует достаточно много международных и региональных стандартов и протоколов, предназначенных для обеспечения безопасности таких комплексов. Основными медицинскими стандартами являются: ГОСТ Р 52636-2006 «Электронная история болезни. Общие положения»; HL7 – стандарт электронного медицинского документооборота (ГОСТ Р ISO/HL7 21731:2006 «Информатизация здоровья») и DICOM – стандарт создания, хранения, передачи и визуализации медицинских изображений и документов обследованных пациентов. (ГОСТ Р ИСО 17432- «Информатизация здоровья. Сообщения и обмен информацией. Веб-доступ к постоянным объектам DICOM»). Однако эти стандарты больше направлены на защиту персональных данных и записей о пациентах, оставляя без должного внимания вопрос передачи медицинской мультимедиа-информации, обеспечения ее целостности и достоверности.

Наиболее перспективными направлениями в этой области являются технологии шифрования передаваемой информации, и встраивание невидимых водяных знаков в изображения. Именно совместное использование данных подходов может гарантировать безопасность, передаваемой во время телеконсультации конфиденциальной информации.

Однако в связи с повышенными требованиями к качеству медицинского изображения, встраивание невидимого водяного знака является задачей не тривиальной и требует дополнительного исследования. Водяной знак должен, как минимум, отвечать следующим требованиям:

обратимость. Необходимость обеспечения высочайшего качества изображения требует возможности извлечения невидимого водяного знака и восстановления оригинального изображения;

высокое качество изображения. Встраивание водяного знака не должно сильно влиять на качество, передаваемого изображения;

устойчивость к атакам. В связи с повышенными требованиями безопасности к медицинским данным, водяной знак должен быть устойчивым к различным видам атак на изображение;

аутентификация. Поскольку каждое медицинское изображение является персональными данными пациента, общую информацию о самом пациенте необходимо также встраивать защищенным методом в изображение.

На данный момент, существует несколько распространенных методов встраивания водяного знака в изображение:

встраивание в наименее важную область изображения;

встраивание в различные частоты изображения;

дискретно косинусные преобразования;

вейвлет трансформации и т.д.

Все они обладают некоторыми преимуществами и недостатками, описанными в различных работах, однако в контексте изображений, передаваемых в телемедицинских комплексах, поиск подходящего метода и алгоритма требует дополнительного исследования.

Гуров И.П., Никифоров В.О., Потапов А.С., Белашенков Н.Р., Лямин А.В., Рудин Я.В., Скшидлевский А.А., Варламова Л.Л. Диагностический оптикоцифровой комплекс для телемедицины // Оптический журнал. – 2012. – Т. 79. – УДК 681.786.

АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ КООРДИНАТОМЕР

Научный руководитель – к.т.н., доцент С.С. Митрофанов В статье рассмотрены вопросы создания автоматизированного устройства для контроля плановых смещений тела плотины, предложен метод его построения, выполнен выбор и расчет основных параметров, сформулированы требования к обработке входного сигнала.

Ключевые слова: плотина, координатомер, триангуляция, контроль положения.

Плотины гидротехнических сооружений являются объектами повышенной опасности и требуют непрерывного контроля за состоянием их целостности и прочности. В этом плане особую роль представляет контроль плановых смещений тела плотины, который, в основном, осуществляется измерением смещений контрольных точек, задаваемых положением вертикальных струнных отвесов, установленных в конструкции гидротехнического сооружения на этапе строительства. Однако известные средства измерения представляют визуальные измерители, построенные по схеме Катырева–Брехмана, которые достаточно громоздки, тяжелы и не свободны от личных ошибок оператора.

Целью работы является создание автоматизированного устройства для определения координат струны отвеса.

Проведенный анализ средств измерения положения струны позволил сформулировать требования к автоматизированному координатомеру, а именно, необходимость измерения с одной установки двух координат, уменьшения в два раза погрешности измерения при этом устройство не должно содержать сложной механики, быть легким и компактным.

Для реализации координатомера, отвечающего заданным требованиям, был выбран метод определения положения струны в полярной системе координат. В этом случае необходимо знать две величины – расстояние до струны и угол поворота от нулевого положения до текущего положения струны. Поэтому координатомер можно условно разделить на две основные части: первая – это триангуляционный датчик расстояния, а вторая – датчик угла поворота. Триангуляционный метод, на котором основан датчик, выбран потому, что он является одним из распространенных оптикоэлектронных методов измерения расстояний до объекта в силу простоты реализации [1]. Принцип измерения заключается в том, что любое изменение положения объекта вызывает соответствующее ему изменение положения изображения объекта, строящегося на фотоприемнике. Используя известные параметры оптической системы можно вывести формулу, связывающую изменения расстояния до объекта с изменением положения светового пятна на приемнике.

В зависимости от того, какими свойствами обладает поверхность струны, следует использовать ту или иную схему триангуляционного измерения. Если поверхность рассеивает падающее на нее излучение, то используется схема, изображенная на рис. 1, а, а если отражает – схема на рис. 1, б.

Рис. 1. Схема триангуляционного датчика при работе с рассеивающей (а) Принцип работы обеих датчиков одинаков.

Излучение лазера фокусируется объективом 1 на поверхности объекта, смещение h которого измеряется, отраженный же пучок направляется объективом 2 на фотоприемник (CCD-линейка), где его положение P регистрируется. Процессор позволяет вычислить величину смещения объекта.

При разработке макета автоматизированного координатомера были определены следующие параметры триангуляционного блока: угол триангуляции: 45° ; задний фокус объектива f об = 18 мм; рабочее расстояние a0 = 150 мм; ПЗС-линейка с размером пикселя 8 мкм.

Для выбора остальных оставляющих координатомера были сформулированы соответствующие требования. Так лазерной пучок должен давать гауссовое распределение света и быть отцентрирован таким образом, чтобы перетяжка гауссового пучка была выставлена в центр диапазона измерения (рис. 2).

Рис. 2. Распределение Гаусса (I – интенсивность; y – направление перпендикулярное распространению излучения) (а); гауссовый пучок в продольном разрезе (z – направление распространения излучения) (б) При использовании частично-когерентного зондирующего пучка погрешность измерений может быть уменьшена в 4–7 раз [2, 3].

Для этого в координатомере предусмотрена возможность юстировки блока лазера диода. Настройкой был достигнут отцентрированный пучок, ширина и интенсивность которого симметрично изменяются относительно центра диапазона измерения.

В качестве приемника излучения исследовалась возможность применения следующих: PSD (Position Sensitive Devector), CCD (Charge-Coupled Device), CMOS – (Complementary Metal Oxide Semiconductor) [5], и был выбран последний, позволяющий более точно определять положение энергетического центра отраженного пучка.

Приемник излучения в координатомере устанавливается под определенным углом к оптической оси собирающего объектива 2 (рис. 3). Угол находится при выполнении условия Шейпфлюта согласно выражению (1):

где M = – увеличение оптической системы.

Плоскость, проходящая через зондирующий луч, оказывается при этом оптически сопряженной с выходной плоскостью, поэтому любая точка зондирования проецируется в плоскость расположения фотоприемника без каких-либо дефокусировок [4].

Для этих целей в установке предусмотрена возможность точного поворота плоскости приемника и подвижки для фокусировки изображения светового пятна.

Точностью установки приемника определяется дифракционной глубиной TД резкости объектива и определяется из выражения (2):

где – длина волны лазера; А – апертура приемного объектива.

При этом допуск на установку угла определяется по формуле (3):

где L – длина светочувствительной части приемника, равная 18 мм.

В качестве проецирующей системы использовался простой фотообъектив с исправленной кривизной поля зрения. Влиянием остальных аберраций можно пренебречь вследствие малости размера приемника. Сам объектив имеет возможность перемещения для изменения рабочего расстояния (переднего отрезка – от струны до объектива приемной системы).

Для оценки положения изображения светового пятна можно использовать различные алгоритмы, основанные на методах обработки изображений. На эту тему проведены исследования и сделаны предположения о наиболее предпочтительных методах для использования в триангуляционной системе.

За основу выбран комплексный метод [1] обработки сигнала, включающий следующие этапы: адаптивное ограничение помех, преобразование Фурье, анализ яркости сигнала и определение параметра фильтра, фильтрация, обратное преобразование Фурье, вычисление центра пятна. Установлено, что использование адаптивного ограничения помех повышает точность измерений на 15%.

Применение предварительной цифровой фильтрации сигнала с фотоприемника снижает асимметрию импульса и подавляет шумы аналого-цифрового тракта.

На основе анализа различных спектров исходных сигналов установлено, что наиболее целесообразным является использование фильтра с амплитудно-частотной характеристикой вида [6]: L j = cos, где N – количество пикселов, используемых для обработки; n – параметр фильтра.

Установлено, что применение адаптивной фильтрации позволяет повысить точность измерений на (10–25)%. Таким образом, использование комплексного метода обработки сигнала позволяет повысить точность измерений на (25–40)% [1].

На основе изложенного материала построен действующий макет автоматизированного координатомера, позволяющий в реальном масштабе времени производить измерение положения вертикальной струны.

Венедиктов А.З. Методика проектирования триангуляционных измерительных систем для промышленного контроля и дефектации изношенных деталей. – Дисс.

на соиск. уч. степени канд. техн. наук. – Рязанский государственный радиотехнический университет, 2006.

Плотников С.В. Сравнение методов обработки сигналов в триангуляционных измерительных системах // Автометрия. – 1995. – № 6. – С. 58–63.

Вертопрахов В.В. Влияние формы объекта и ориентации его поверхности на точность лазерных триангуляционных измерений // Автометрия. – 1995. – № 6. – Михляев С.В. Анализ оптических триангуляционных систем измерения профиля зеркальной поверхности // Автометрия. – 2005. – Т. 41. – № 4. – С. 78–91.

Фрайден Дж. Современные датчики. Справочник. – М.: Техносфера, 2005. – С. 308– Шрёдер Г., Трайбер Х. Мир физики и техники. Техническая оптика. – М.:

Техносфера, 2006. – С. 120–123. – 284 с.

УДК 5202:535.

СОВРЕМЕННЫЕ КРУПНОГАБАРИТНЫЕ ТЕЛЕСКОПЫ

К.Д. Бутылкина, А.С. Дедушенко, Л.В. Рыбакова Научный руководитель – к.т.н., доцент Г.И. Цуканова В работе представлен анализ современных международных проектов обзорных телескопов, позволяющих проводить глубокую съемку неба и изучать темную материю, отражающих пути развития телескопостроения.

С давних времен людей интересовал окружающий их мир, а красивое и загадочное звездное небо привлекало к себе большой интерес и внимание. Желание познать и изучить двигало людей к поиску возможностей изучения космоса, так появились телескопы. Глядя в телескоп, человек не только расширяет границы своего знания о природе, но и познает самого себя. Сегодня, спустя столетия после изобретения первого телескопа Галилеем, для наиболее полного и динамичного изучения карты неба создаются новые мощные телескопы.

В 1975 году вступил в строй Большой Телескоп Альт-Азимутальный (БТА) с диаметром главного зеркала 6 м. На тот момент это был самый крупный телескоп в мире, его создание было большим достижением оптической науки и техники. В разработке и изготовлении телескопа принимали участие преподаватели кафедры ПиКО Университета ИТМО профессор В.А. Зверев и профессор В.К. Кирилловский. Прошло почти четыре десятилетия, а он все еще является одним из крупнейших телескопов, но уже только в Евразии.

В работе рассмотрены крупногабаритные телескопы, из которых три наземных и два космических, четыре из них только проектируются, а один уже увидел свет.

1. The International Liquid Mirror Telescope (ILMT) [1]. Международный телескоп с жидким зеркалом (МТЖЗ).

Весьма интересным вариантом развития телескопов является замена обычных зеркал жидкими, используя для этого жидкую ртуть, которая сама по себе растекается, образуя идеально ровную параболическую поверхность. Телескопы с жидким зеркалом относятся к числу инструментов с простым техническим обслуживанием и могут работать в полуавтоматическом режиме при минимальном числе персонала. Им не требуются сложные вспомогательные зеркала и поскольку такие телескопы не используют слежение и наведение, их конструкция заметно упрощается. Все это приводит к существенному уменьшению затрат.

Ртутное зеркало имеет диаметр 4 м и относительное отверстие 1:2. ПЗС-матрица, содержащая 40004000 пикселей, обеспечивает считывание изображения в спектральном диапазоне от 400 до 1100 нм. Телескоп располагается в Обсерватории Девасталь (Индия). Уникальность обзора неба с помощью МТЖС состоит в его глубине, сравнительно большой области обозримости, числе ночных наблюдений и большом полном времени наблюдения в расчете на объект.

2. Visible and Infrared Survey Telescope for Astronomy (VISTA) [2]. VISTA на сегодняшний день является крупнейшим телескопом в мире, работающим в инфракрасном диапазоне и проводящим широкоугольную съемку неба. Зеркальный телескоп имеет диаметр главного зеркала 4,1 м.

Построен по схеме квази-Ричи-Кретьена (рис. 1). Зеркало имеет форму мениска толщиной 17 см с центральным отверстие 1,2 м для размещения камеры.

Главное зеркало было отлито из церодура на фирме Шотт в Германии и затем отполировано на Лыткаринском заводе оптического стекла (ЛЗОС). Вторичное зеркало представляет собой выпуклый гиперболоид 1,24 м в диаметре. Корректировка положения зеркал производиться с помощью компьютерного управления.

VISTA позволяет изучать небесные тела, которые почти невозможно увидеть в видимом диапазоне. Телескоп расположен в Обсерватории Паранал (Чили) и увидел первый свет в декабре 2009 года.

3. European Extremely Large Telescope (E-ELT) [3]. Европейский чрезвычайно большой телескоп.

Телескоп имеет полноповоротное первичное зеркало диаметром 39,3 м, толщиной 50 мм, вторичное зеркало диаметром 6 м, фокусное расстояние 420–840 м. Главное зеркало состоит из почти 800 шестиугольных сегментов размером 1,4 м. Телескоп будет оснащен уникальной адаптивной оптической системой из пяти зеркал, способной компенсировать турбулентность земной атмосферы и получать изображения с большей степенью детализации, чем орбитальный телескоп «Хаббл». Конструкция телескопа приведена на рис. 2.

Зеркало позволит собирать в 15 раз больше света, чем любой из существующих на сегодняшний день телескопов (светособирающая площадь 978 кв.м). Телескоп проектируется по оптической схеме Несмита (рис. 3).

Строительные работы запланированы на конец 2014 года, а начало запуска на начало 2020 года. E-ELT, со всей сопутствующей инфраструктурой будет строиться на горе Церро Армазонес (Cerro Armazones), на высоте 3060 м над уровнем моря в пустыне Атакама, в северной части Чили.

4. The James Webb Space Telescope (JWST, Джеймс Уэбб) [4, 5].

С выводом на орбиту телескопа имени Хаббла (Hubble Space Telescope – HST), астрономия сделала гигантский рывок вперед. Будучи расположенным за пределами земной атмосферы, HST может фиксировать такие объекты и явления, которые не могут быть зафиксированы приборами на Земле. С помощью космического телескопа «Хаббл» астрономы смогли более точно измерить расстояния до звезд и галактик, уточнив связь между средней абсолютной величиной цефеид и периодом изменения их блеска. Однако с момента его запуска на орбиту прошло почти четверть века и сегодня готовиться его смена – новый космический телескоп Джеймса Уэбба.

Телескоп Джеймса Уэбба представляет собой большую 6-тонную, 6,5-метровую космическую обсерваторию, оптимизированную под инфракрасный диапазон.

Расположение телескопа выбрано таким образом, что температура его рабочих инструментов будет ниже 50 K (–223°С). Как и Хаббл, это совместный проект NASA, ЕКА и Канадского космического агентства. Джеймс Уэбб имеет оптическую схему Корша (рис. 4).

Телескоп оснащен 6,5 м зеркалом, состоящим из 18 бериллиевых элементов, будет собирать в 7 раз больше света, чем телескоп Хаббл (рис. 5). Монолитное зеркало соответствующего размера вывести на орбиту пока не возможно, поэтому решено проводить окончательную сборку уже в космосе. Телескоп будет располагаться в космическом пространстве в точке Лагранжа, на расстояние 1,5 млн. км от Земли. Такое расположение выбрано не случайно. По мнению ученых, это обеспечит непрерывное наблюдение нужного участка неба и в случае необходимости для переориентации телескопа на новую цель потребуется всего двое суток.

Рис. 5. Сравнение зеркал телескопов JWST и «Хаббл»

Изначально запуск был запланирован на 2007 год, сейчас перенесен на 2018 в связи с проблемами финансирования и отставанием от сроков заданных программой.

5. Euclid (Евклид) [6]. Другой проект, разрабатываемый Европейским космическим агентством при участии НАСА – космический телескоп Евклид, весом 2160 кг, оборудованный 1,2 метровым телескопом, оснащенный 576 Мп камерой для наблюдения за галактиками в видимом спектре. Его целью будет поиск подсказок для разгадки тайны природы темной материи и темной энергии. Темная энергия – явление сложное для изучения, считается, что она приводит к расширению Вселенной и, несмотря на то, что она составляет большую часть Вселенной, весьма мало известно о ее природе и о том, как она функционирует. Телескоп также поможет составить карту распределения темной материи во Вселенной.

Оптическая схема представляет собой анастигмат Корша, с главным зеркалом диаметром 1,2 м, фокусным расстоянием 24,5 м, диапазон работы 550–2000 нм.

Планируется, что аппарат должен охватить более трети неба. Предварительная дата запуска 2020 год (предполагается, что космический аппарат будет размещен в точки Лагранжа L2).

телескопостроения: переход к сегментированным зеркалам большого диаметра, работа в разных спектральных диапазонах, рост применения оптической схемы Корша для космических аппаратов, а также показывает активное участие России в создании зеркал для объективов. Подобные телескопы находятся в стадии проектирования, как за рубежом, так и в России.

Международный телескоп с жидким зеркалом // Optic&Photonics News. – 2009. – VISTA (телескоп) [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.cosmosjournal.ru/technique/VISTA_%28%D1%82%D0%B5%D0%BB%D0%B5%D1%81%D %BA%D0%BE%D0%BF%29, своб.

Оптические инновации в космическом телескопе «Деймс Уэбб» // OPN Optic&Photonics News. – 2010. – С. 2–10.

The James Webb Space Telescope [Электронный ресурс]. – Режим доступа:

http://www.jwst.nasa.gov/, своб.

http://www.eso.org/public/russia/teles-instr/e-elt/, своб.

Euclid [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://sci.esa.int/euclid/, своб.

УДК

ELECTROMAGNETIC PROTECTION

Научный руководитель – ст. преподаватель И.А. Анохина Radio electronic instrumentation is a relatively new industry in human history, but its contribution in ensuring of modern society life is rather huge. Medicine, communication, military industry are considered to be incomplete list of human activities’ important spheres, which are not possible without using of complicated electronic equipment. The urgency of this problem is not in doubt, so accounting of main electromagnetic disturbance protection principles is necessary at all stages of construction and exploitation of radio electronic equipment.

Simultaneously development of new electromagnetic compatibility methods is required.

Key words: electromagnetic field, wave, compatibility, instrumentation, equipment, disturbance, noise, protection, communication, shielding, separation.

Electromagnetic compatibility (EMC) of devices is ability of devices to function in real operation conditions with required quality when exposed to unintended EM disturbances and not to generate EM disturbances which could break the functioning of other devices.

Providing normal operation of mutually working devices is purpose of EM compatibility as scientific problem. Subject of study is detection of disturbances regularities in mutually working devices. These regularities are forming recommendations for compatibility of appliances. For a long time nobody wasn’t thinking about EMC problem until bank system failures weren’t detected and it caused by EM disturbances. Nowadays human depends from electronic devices so problem of EMC became very important.

EM disturbance – undesired influence of electric, magnetic or electromagnetic fields, currents and voltages which upsets operation of devices or disimproves their technical characteristics. Also we should note that sometimes disturbances aren’t negative phenomena.

It is used in military sphere for electromagnetic warfare.

Originally there are natural and artificial disturbances which in turn divide to unintended and organized. Sources of disturbances are physical multiform and divide to internal and external. Internal disturbances arise inside devices. Sources of disturbances are usually power supply units and circuits. Sources of magnetic disturbances are inductors and transformers. Large disturbances are generated by electromagnets, electric motors, relays, electromechanical devices. In this type also include disturbances caused by mismatch between characteristic impedances in communication lines and ground bar disturbances. External disturbances are connected to electric network noise, brush-type motor, transmitting electronic equipment and electrostatic discharges, atmospheric phenomena. Its affection on devices is similar to internal disturbances.

Let’s sum up general classification of disturbances (pict. 1).

If we represent noised signal as a sum of noise and desired signal, this disturbance is called additive. Other type is multiplicative disturbance. These ones are results from interaction between signal and noise. Mathematically it is multiplication of signal’s and noise’s frequency components, physically it is appearing of new frequencies equal to any combination of signal’s and noise’s frequencies. Other types of noise are:

Johnson noise (thermal noise) is caused by random electron motion in wires and resistors;

with increasing temperature grows;

Shot noise – shot effect in semiconductor devices appear because of time inhomogeneous process of generation and recombination electron-hole pair; current and voltage fluctuate about average value;

Industrial noise are created by different electric devices (high-voltage lines, electric transport, high-frequency industrial systems and so on);

atmospheric disturbances are caused by charge motion in atmosphere;

organized disturbances are created specially for suppression of functioning the device;

periodic disturbances are generated by various industrial electric machines or ac transferring network;

impulse disturbances are usually sequence of random amplitude and duration impulses with random pulse time;

fluctuation noise is like continuous randomly varying wave. These disturbances have normal distribution.

Conductors have their internal resistance and inductance, as well as resistive and capacitive coupling to earth ground and each other, when a voltage is applied to the circuit.

Furthermore, due to the internal inductance, under the influence of a current flowing through the conductor becomes the magnetic field source. Thus, the conductors can influence each other through the electric, magnetic and electromagnetic fields (pict. 2).

Answer on question about disturbance origin reasons is related to electromagnetic field theory. Alternating electric field generation by alternating magnetic field and alternating magnetic field generation by alternating electric field result in statement that electric and magnetic fields don’t exist independently. EM field is infinite in space so EM field in specific point is superposition (summation) of all EM fields created by sources. Of course it is impossible to take into account all EM field sources that’s why only fields with significant contribution in superposition are considered. These superimposed waves disturb devices’ functioning. Disturbance could affect signal source, turning it into noise source, communication line, adding noise to signal, and receiver. Signal receivers are highly sensitive amplifiers, communication lines, magnetic components. Noise gets to devices through wires or conductors (this is called galvanic disturbance), electric (capacitive disturbance), magnetic (inductive disturbance) and EM fields. Numerous conductors can be considered as transceiver antenna devices, which receive or emit electromagnetic fields. External factors by affecting on these three components of system induce disturbances. Thus signal source becomes noise source, communication line becomes receiving antenna, and receiver gets noise and signal.

Common methods of noise control are technical and organizational include organizational and technical methods. Organizational methods include spatial,temporal and frequency separation of conflicting devices. Technical methods are improving the design of devices to eliminate the negative impact of one device to another. They include terminal unit protection and line protection. Device shielding, electrical grounding, galvanic separation of digital, analog and power supply circuits refer to terminal unit protection.

Electrostatic shielding is closing of an electrostatic field on the surface of the metallic shield, allotting electric charges on the ground (on an instrument case). Grounding electrostatic screen is a necessary element, with its help we could achieve the mutual shielding as the internal space of the screen from the external field, and external space from internal field. Physical essence of electromagnetic shielding, considered from the point of view of EM field theory and the theory of electrical circuits, is that under the influence of a source on shield’s internal side the charges and currents are generated and these currents’ fields have direction opposite to source field and therefore a mutual compensation of fields are occurred. From the point of view of wave representation shielding effect is demonstrated due to EM waves multiple reflections from the shield surface and attenuation of wave energy in its metal thickness. Electrostatic shield often combined with the instrument case of the device. In this case, it must also be grounded. Also see pict. 3.

Galvanic separation of digital, analog and power supply circuits excludes passing common ground bus noise and significantly reduces mutual influence schemes.

Communication line protection. In order to eliminate the parasitic capacitive coupling and electrostatic charges use an electrostatic shield in the form of a conductive tube, covering shielded wires, high-permeability shield is used as a protection against the magnetic field.

Shield must be grounded, but only on one side, because potential difference between grounding points may result in parasitic current flow. There are different types noise-resistant communication lines, as LVDS, for example. Low Voltage Differential Signal is used in UTPcable communication systems. It transfers information not with different levels of voltage, but with polarity. This method decreases the disturbances influence, and it is rather cheap technical solution. To completely eliminate the effects of noise on the communication lines could be used fiber-optic communication lines, in which information is transmitted by light impulses. These lines almost aren’t sensitive to the effects of EMF, but more expensive equipment is required. It is also more difficult to maintain and operate.

In conclusion, it worth to repeat that the problem of EM compatibility in modern instrumentation is very important because an electronic device have entered in many spheres of human’s life. And EM compatibility principles have to be accounted on each stage of device’s life – from designing to completion of service.

1. Shweitz P. Practical electronics for inventors. – McGraw-Hill, 2000 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.slideshare.net/balajikulkarni/practicalelectronics-for-inventors, своб.

Джонс М.Х. Электроника – практический курс. – М.: Постмаркет, 1999. – 528 с.

УДК 551.

ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ НОРМАТИВНО-ТЕХНИЧЕСКИХ ДОКУМЕНТОВ

ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ КОМПЛЕКСНЫХ

НАВИГАЦИОННО-ГИДРОГРАФИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

Научный руководитель – к.т.н., доцент Н.С. Виноградов В статье приводится краткий обзор гидрографических работ, а именно съемки рельефа дна.

Представлены проблемы применения нормативно-технических документов при выполнении гидрографических работ. Сделан вывод о необходимости создания нормативно-технических документов для калибровки многолучевого эхолота.

Ключевые слова: гидрография, съемка рельефа дна, нормативно-технические документы.

Объективно, одним из важнейших показателей благополучия России с учетом ее территории, географического положения, природных ресурсов и особенностей структуры экономики является объем товарооборота на внешнем рынке, а значит, прежде всего, морских и речных перевозок, как наиболее экономичного вида транспорта.

В последние годы это обстоятельство повлекло за собой интенсивное развитие существующих и строительство новых портовых инфраструктур и морских трубопроводов.

В настоящее время в России насчитывается 49 морских и 113 речных портов.

Невзирая на мировой экономический кризис и возможные структурные изменения в экономике России в сторону наукоемкости производимой продукции, тенденция на совершенствование и развитие портовых инфраструктур явно сохранится и в ближайшие годы.

Грузооборот и конкурентоспособность портов напрямую зависят от их технической оснащенности, глубин и пропускной способности их акваторий, состояния гидротехнических сооружений (ГТС) и подходных путей, уровня безопасности плавания по ним, которое, как правило, осуществляется на пределе критического запаса глубины под килем. В морских портах РФ возрастает уровень ответственности администраций портов за навигационно-гидрографическую безопасность на вверенных им акваториях. Увеличение тоннажа судов, увеличение числа нефтеналивных судов, интенсивность их использования увеличивает степень опасности навигационных происшествий на довольно стесненных акваториях портов и подходах к ним. В этой связи нельзя переоценить роль должным образом организованной системы навигационно-гидрографического обеспечения безопасности мореплавания и, в частности, гидрографического обеспечения, заключающегося, прежде всего в сборе достоверной, подробной и точной навигационно-гидрографической информации посредством проведения геодезических, топографических и гидрографических работ, лицензируемых Роскартографией по согласованию с Минобороны России.

Гидрографические работы – это работы по исследованию водных объектов Мирового океана и суши для определения их формы, размеров, характера берегов, глубин, рельефа и грунта дна в интересах обеспечения мореплавания и решения других задач народного хозяйства и обороны страны. Гидрографические работы включают:

съемку рельефа дна (СРД), гидрографическое траление, грунтовую съемку, топографическую съемку береговой полосы (или линии), сбор сведений для лоций, а также сопровождающие их работы по сгущению геодезической основы (геодезические работы) и уровенным наблюдениям [1].

Гидрографические работы и их отчетные материалы являются основой для:

создания карт, руководств и пособий для плавания;

принятия решений Администрациями портов об объявленных осадках и режиме плавания;

координации, оценки качества и объемов гидротехнических (дноуглубительных и строительных) работ;

оценки технического состояния портовых гидротехнических сооружений с точки зрения их безопасной и эффективной эксплуатации;

проектирования, строительства новых и реконструкции действующих портов, отдельных ГТС и средств навигационного оборудования.

Таким образом, гидрографические работы являются важнейшим элементом гидротехнических работ, работ по обследованию и мониторингу технического состояния портовых гидротехнических сооружений и инженерных изысканий.

Есть несколько способов СРД (рис. 1):

промер лотом. Одно измерение – точка. Несмотря на кажущуюся простоту и достоверность требует осторожности. Этот способ полезен и требуется нормативнотехническая документация (НТД) для контроля глубин, но на заведомо ровных участках или вдоль кордона. Но требуется тщательность, многократность и методичность измерений. Непредсказуемое дно!;

промер однолучевым эхолотом. Одно измерение – пятно. Обрабатывается сигнал, отраженный от всей площади пятна. Нельзя судить с полной уверенностью о глубинах между галсами;

поэтому для определения достижения проектных отметок с целью сдачи акватории для навигации НТД требует выполнения площадного обследования многолучевым эхолотом или эхотралом. Эти приборы обеспечивают сплошное покрытие.

Современные многолучевые эхолоты дают очень высокую плотность глубин. Т.е., в результате не только не остается не озвученных участков, но полученные данные еще и обладают избыточностью, позволяющей применять к массивам статистические методы.

Лот ручной представляет собой металлический груз весом от 2 до 5 кг, на верхнем конце которого имеется ушко для прикрепления линя, в качестве которого употребляют предварительно растянутый пеньковый или капроновый шнур или же мягкий стальной трос. Лотлинь размечают марками на метры и дециметры. Он рассчитан на измерение глубин в реках до 25 м, а в водоемах без течения – до 100 м. При измерении глубин лот забрасывают вперед против течения, а отсчет берут в момент, когда линь будет расположен (натянут) вертикально [2].

Однолучевые эхолоты. Принцип работы однолучевых эхолотов основан на том, что антенна эхолота излучает ультразвуковые импульсы в конусном луче и улавливает сигналы, отраженные от объектов и вернувшиеся на антенну. По измерениям времени между излучением импульса и возвращением отраженных сигналов определяются расстояния до обнаруженных объектов и глубина, как расстояния до ближайшей точки поверхности дна. Эхолот определяет только расстояния до обнаруженных объектов.

При перемещении плавсредства с установленным эхолотом картина дна на мониторе соответствует рельефу дна под антенной эхолота [2].

Многолучевые эхолоты. Принцип работы многолучевых эхолотов основан на формировании с использованием антенной решетки и/или электронным способом пучка узких лучей, расходящихся веером в плоскости, перпендикулярной направлению движения судна.

Съемка однолучевым эхолотом – это большие необследованные промежутки между галсами. Если хотим более детальное исследование рельефа дна, то нужно уменьшать расстояние между галсами. А на это тратиться больше времени (рис. 2, а).

Съемка многолучевым эхолотом – полное (сплошное) покрытие. А значит, время на работу уменьшается (рис. 2, б).

Рис. 2. Съемка рельефа дна разными видами эхолотов: однолучевым (а) Использование многолучевого эхолота невозможно без его сопряжения с системой датчиков, поэтому правильнее говорить о системе на базе многолучевого эхолота.

Многолучевая система, кроме эхолота, должна включать следующее оборудование:

компенсаторами качки (микромеханическими гироскопами и акселерометрами);

положение судна – ГНСС (GPS);

датчик скорости звука в воде – измерителями скорости звука в воде, которая может быть оснащена еще датчиками температуры, давления, мутности и т.д.

В настоящее время гидрографические работы в РФ в зависимости от их целей выполняются в соответствии с требованиями действующих нормативно-технических документов, изданных Роскартографией (в части, касающейся выполнения топографогеодезических работ, в том числе с применением глобальных навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС и GPS).

ГУНиО Минобороны России (в части, касающейся выполнения топографогеодезических работ при топографической съемке береговой полосы и гидрографических работ в океанах и морях в целях обеспечения безопасности общего мореплавания, а также дноуглубления).

Минтрансом России (в части, касающейся выполнения топографо-геодезических и гидрографических работ при производстве дноуглубительных работ и при контроле строительства и эксплуатации гидротехнических сооружений).

Росстроем России (в части, касающейся выполнения инженерногидрографических работ и инженерно-геодезических изысканий для строительства).

Российская Федерация, является постоянным членом международной гидрографической организации и в своей деятельности обязана руководствоваться ее Резолюциями, а требования своих национальных НТД приводить на уровень (или еще выше) требований Стандартов международной гидрографической организации, в противном случае ставится под угрозу возможность принимать в своих портах иностранные суда.

Стандарт международной гидрографической организации на гидрографические съемки (S-44) носит рекомендательный характер для национальных гидрографических служб и, обобщая мировой опыт, определяет верхнюю планку требований исходя из самых современных существующих и перспективных технических и методических достижений и возможностей в этой сфере деятельности. Фактически это тот уровень, к которому должно стремиться каждой национальной гидрографической службе.

Следует отметить, что, несмотря на то, что нормативно-технические документы, изданные ГУНиО Минобороны России, в целом соответствуют требованиям Стандарта S-44, все же нуждаются в переработке как в плане терминологии, так и в плане отражения современных мировых достижений в области гидрографического оборудования, компьютерной техники и специализированного программного обеспечения.

Некоторые документы не согласованы с S-44 и содержат заниженные требования к выбору способа СРД в районах с глубинами до 30 м, имеющих важное навигационное значение, к которым относятся акватории портов и подходы к ним. РД 31.74.04- допускает производство промера, Стандарт S-44 рекомендует здесь комплексное применение гидролокатора бокового обзора вместе с многолучевым эхолотом высокой разрешающей способности.

Так же в документах ничего нет об обязательности проведения испытаний, технологических поверок и калибровок технических средств измерений, а это недопустимое упущение в нарушение действующего законодательства в сфере обеспечения единства измерений, особенно в области деятельности, лежащей в сфере государственного регулирования, в которую попадают как лицензируемые геодезические и картографические работы, так и инженерно-геодезические изыскания и инженерно-гидрографические работы.

А измерения глубин вообще не входят не в одну из 18 сфер регулирования единства измерений. Законодательная база для этих приборов определена лишь локальными нормативными документам.

Для того чтобы гарантировать точность гидрографических измерений многолучевым эхолотом, что в дальнейшем бы положительно отразилось на безопасности судоходства, гидросооружений и гидрографической деятельности в целом, необходимо:

разработать методику калибровки многолучевых эхолотов;

аттестовать методику;

создать испытательную лабораторию со всем необходимым оборудованием;

аккредитовать данную лабораторию.

Справочник гидрографа по терминологии. – М.: ГУНиО МО, 1984. – 182 с.

Фирсов Ю.Г. Основы гидроакустики и использование гидрографических сонаров. – М.: Нестор-История, 2010. – С. 127–130. – 350 с.

УДК 536.

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ОЦЕНКЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ

ЭФФЕКТИВНОСТИ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

Научный руководитель – д.т.н., профессор Н.В. Пилипенко В работе представлены перспективные подходы к оценке энергетической эффективности зданий.

Рассмотрен метод определения теплофизических характеристик ограждающих конструкций зданий и сооружений на основе параметрической идентификации дифференциально-разностных моделей теплопереноса. В дополнение к этому предлагается метод статистического анализа эффективности потребления тепловой энергии по показаниям приборов учета тепловой энергии.

Ключевые слова: ограждающие конструкции, энергосбережение, энергоэффективность.

Важной частью социально-экономической политики Российской Федерации является энергосбережение. Утвержденный в 2009 году Федеральный закон № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» особое внимание уделяет энергетической эффективности зданий, строений, сооружений.

Целью работы является определение характеристик жилых зданий, определяющих их энергоэффективность теплофизических свойств ограждающих конструкций (ОК) и зависимость потребления тепловой энергии от погодных условий.

Сопротивление теплопередаче элементов ОК зданий определяет их эксплуатационные характеристики: внутренний микроклимат, тепловые потери, влажностный режим ограждения. Для определения данного параметра в натурных условиях, возможно, использовать стационарный либо нестационарный подходы.

Стационарный метод, несмотря на простоту реализации, и расчетов имеет ряд сложно выполнимых требований. При обработке результатов необходимо выбрать периоды с наиболее установившемся режимом – с отклонением среднесуточной температуры наружного воздуха от среднего значения в пределах ±1,5°С. Общая продолжительность выбранных расчетных периодов должна составлять не менее 1 суток для ОК с тепловой инерцией до 1,5 Джм–2К–1м–0,5 и не менее 3 суток для конструкции с большей тепловой инерцией. При этом общая продолжительность исследований должна составлять не менее 15 суток. Нестационарный подход не требует соблюдения строгих условий в ходе проведения испытаний, что значительно упрощает проведение энергетического обследования, снижает его время и стоимость. В данной работе для расчета теплового сопротивления нестационарным методом определяются теплофизические характеристики (ТФХ) ОК путем решения коэффициентной обратной задачи теплопроводности (ОЗТ). Основные сложности решения ОЗТ в строительной теплофизике – отсутствие данных о начальных условиях (распределении температуры по толщине ОК в момент начала измерений) и высокая погрешность определения граничных условий.

В зависимости от постановки задачи ОК может описываться разными моделями.

В данной работе рассматриваются модель одномерной плоской стенки, принципиальная и тепловые схемы которой представлены на рис. 1.

Для описания теплопереноса в ОК используется дифференциально-разностная модель (ДРМ). При составлении ДРМ исследуемое тепло разбивается на n элементарных блоков толщиной, за исключением граничных, толщины которых равны /2. Средние температуры внутренних блоков t2, t3, …, tn–1 отнесены к их центрам, температуры граничных блоков t1 и t2 отнесены к их поверхностям. Для каждого блока составляется уравнение теплового баланса для приходящей и уходящей тепловой энергии. В векторно-матричной форме полученная система уравнений управления; F и G – матрицы обратных связей и управления. Информация об измеряемых температурах, их погрешностях отражаются в уравнении = HT ( ) + ( ), где Y ( ) – вектор измерений; ( ) – вектор случайных погрешностей; H – матрица измерений. Подробное описание составления ДРМ приведено [1]. Ниже представлены составляющие ДРМ для плоской однородной стенки.

ОК; c – удельная теплоемкость; – плотность материала ОК, нар – коэффициент теплоотдачи на наружной поверхности ОК; tср.нар – температура воздуха на улице; qвн – величина плотности теплового потока на внутренней поверхности ОК.

Для определения ТФХ используется метод параметрической идентификации с применением фильтра Калмана. Как показано в работах [2, 3] решение задачи заключается в нахождении оптимальных оценок Qk вектора искомых параметров Q = qi i =1, в который входят искомые ТФХ. Тогда параметрическая идентификация системы, как метод решения граничной ОЗТ, заключается в нахождении его оптимальной оценки Qk, дающей минимум функции невязок между измеренным и рассчитанным по математической модели теплопереноса вектором измерений Y. Для минимизации функции невязок используется алгоритм цифрового фильтра Калмана:

где K k +1 – весовая матрица; Yk +1 Qk – модельные значения вектора измерений в (k+1)-й момент времени, рассчитываемые по модели с использованием предыдущей оценки вектора параметров Qk ; Pk и Pk+1 – ковариационные матрицы ошибок оценок вектора параметров для моментов времени k и k+1 соответственно; Hk – матрица чувствительности, рассчитанная с использованием Qk ; R – ковариационная матрица вектора погрешностей измерений k с нормальным распределением.

Для решения задачи необходимо измерять температуру наружной поверхности, величину теплового потока на внутренней поверхности и ориентировочно знать свойства материалов.

Основная сложность решения ОЗТ в данном случае – отсутствие точной информации о начальном распределении температуры, которая может быть измерена только на поверхностях ОК. Можно сделать допущение о линейном распределении температуры по толщине ОК в начальный момент времени. Для оценки погрешности, вносимой таким допущением, рассмотрена математическая модель установившегося процесса теплообмена с окружающей средой, температура которой изменяется по гармоническому закону. После замены реальных начальных условий (НУ) на линейное приближение была решена ОЗТ по определению теплопроводности. По результатам решения, представленным на рис. 2 видно, что влияние ошибки определения НУ остается значительным на протяжении 5 суток.

Рис. 2. Влияние линейного приближения НУ на результат восстановления Вторым важным аспектом в оценке энергоэффективности зданий является анализ показаний приборов учета. Современное программное обеспечение, предназначенное для работы с узлами учета тепловой энергии (УУТЭ), позволяет не только формировать отчеты о теплопотреблении, но и проводить простейший анализ данных, отслеживая работоспособность оборудования и аварийные ситуации. Дополнить такой контроль данных может статистический анализ теплопотребления здания, позволяющий регистрировать превышение необходимого потребления тепловой энергии, когда параметры теплоносителя находятся в допустимых пределах. Теплопотребление здания в первом приближении линейно зависит от температуры наружного воздуха:

Qt 2 = t суточная потребленная тепловая энергия Qt1 [Гкал]; t2 – температура наружного воздуха [°C], для которой рассчитывается суточная потребленная тепловая энергия Qt2 [Гкал];

tвнутр – температура внутреннего воздуха [°C].

Анализ показаний УУТЭ пятисот жилых зданий в Санкт-Петербурге показал, что в большинстве домов тепловая энергия используется неэффективно. Для них характерно теплопотребление, представленное на рис. 3 а, где хорошо видно превышение потребляемой тепловой энергии в теплое время и недостаточное отопление в холодные периоды. Наиболее перспективным способом оптимизации теплопотребления является установка автоматизированного индивидуального теплового пункта (АИТП), который осуществляет регулирование подачи тепловой энергии в дом в зависимости от температуры наружного воздуха и параметров теплоносителя. Анализ показаний УУТЭ домов, оснащенных АИТП (рис. 3, б), показывает высокую эффективность последних.

Рис. 3. Зависимость потребления тепловой энергии от температуры наружного воздуха Таким образом, рассмотрен перспективный нестационарный метод расчета ТФХ ОК. Для решения поставленной задачи использовался метод параметрической идентификации на основе алгоритма цифрового фильтра Калмана. Приведены результаты математического моделирования, рассмотрено влияние определения начальных условий на результат решения ОЗТ. Данный метод позволяет определять ТФХ в нестационарном режиме, который менее требователен к условиям натурных исследований, чем стационарный, однако невозможность точного определения НУ налагает ограничение на минимальную длительность испытаний – 5 суток.

Описанный подход к оценке эффективности теплопотребления позволяет обосновать установку АИТП в жилых домах. Автоматизация теплового пункта значительно сокращает расходы на отопление и обеспечивает более комфортные условия для жителей здания.

Пилипенко Н.В. Методы параметрической идентификации в нестационарной теплометрии. Часть 1 // Изв. вузов. Приборостроение. – 2003. – № 8. – Т. 46. – Пилипенко Н.В. Методы параметрической идентификации в нестационарной теплометрии. Часть 2 // Изв. вузов. Приборостроение. – 2003. – № 10. – Т. 46. – Пилипенко Н.В., Гладских Д.А., Зеленская М.Г. Моделирование динамики теплопереноса в астатических преобразователях тепловых потоков и тепломере Гардона с использованием фильтра Калмана // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. – 2005. – № 18. – С. 26–30.

УДК 634.

TROPICAL AND SUBTROPICAL FRUIT

It is a review of the physiological characteristics of fruits, varieties and varietal characteristics, quality requirements in accordance with international standards, terms and conditions of transportation, storage and ripening and physiological tropical and subtropical fruits.

Key words: Tropical fruit, subtropical fruit, Climacteric fruit, Non climacteric fruit, late peak type.

Tropical and subtropical fruit have a large number of different species. Therefore it is difficult to separate them enough to only tropical and subtropical. Because of successful breeding the majority of tropical fruit is now grown in subtropical zones (banana, mango, avocado, rambutan, pomelo, grapefruit, tamarind, cherimoya, etc.), and a number of subtropical fruit (oranges, lemons, lychee, etc.) – in the tropics. There is no generally accepted classification.

Tropical and subtropical fruit remain live objects after removal from the parent plant.

The respiration and other set of processes under the title «maturation» and «aging» occur in them. The most important process determining the status of a fruit after the removal is its breath. All fruit are divided into three types, depending on: climacteric, nonclimacteric and late peak type.

Climacteric fruit are characterized by the rise of breathing during their maturation – climacteric rise. Climacteric fruit include most tropical fruit: banana, mango, avocado, papaya, sapodilla, Sapota big passion fruit, purple passionfruit, kiwi, pears neshi, Chinese pears, etc. These fruit can ripen after their removal from a tree.

Non climacteric fruit are characterized by a rather smooth breathing or some decrease of it throughout the storage period. This type includes pineapples, citrus, figs, pomegranates, lonkvat. They do not have a reserve stock of starch.

1. The group of late peak type fruit is characterized by increasing of the respiration rate only after the maturation. It is a small group. It includes persimmon, kaki virgin, peaches, nectarines and garden strawberries.

I chose one representative from each group. The Durian belongs to the first group.

The Durian is a fruit «with hellish smell and taste divine».

Homeland of durian – Indonesia, Thailand, India, Ceylon, Indo-China, Philippines. It is believed that the most delicious durians are grown on plantations near Bangkok in Thailand.

Usually a ripe fruit weighs 1–4 kg. The skin is thick with short fleshy sharp thorns. There are 2–4 elongated seeds inside a fruit. The edible parts are fleshy seed coat and seeds themselves.

The pulp of ripe fruit is dense with a pleasant taste reminiscent of a strawberry. However, the durian is known as «extreme» and «stinky» fruit «stinking bomb» along with the other name «the king of all southern fruit».

The smell of overripe fruit resembles both the smell of rotten eggs, onions, cheese and smelly socks. This sharp odor caused by the presence of sulfur compounds in the peel of the fruit.

Overripe smell of a durian is so disgusting that it is not allowed in hotels, shops, elevators, taxis and other public places. There is even a special sign – a red line crossed durian. This means that the entrance with it is prohibited.

After the fruit eaten in the room there is a «flavor» that cannot be removed by any means for long time. For the same reason the durian is not a subject to long-term storage and transportation.

Fresh fleshy seed coat has no offensive odor. The taste of fresh durian fairly resembles a combination with the notes of vanilla, almond nut, caramel cream.

2. The Pineapple belongs to the 2nd group.

Because of the great similarity of a pineapple with pine cones Spaniards called it «pina», this word came to the English as «pineapple».

In the 16th century there was pineapple fashion in Europe and at the same time it became a symbol of wealth and power.

Pineapple is a perennial herb. Fruit consists from spliced together 100–200 small fruitlets. It looks like a giant pineapple cone with the sultan at the top. There is non-edible dense inflorescence axis inside the pulp. Pineapples feature is the presence of a proteolytic enzyme bromelain, which facilitates the digestion. However, overeating pineapple causes burning in the mouth and on the lips due to the action of the enzyme. Significant overeating of the fruit can lead to gums bleeding. Isolated from pineapple bromelain is widely used in the food industry for the softening of meat, beer clarification, etc.

Fruit are very sensitive to mechanical stress. The criterion consumer ripeness are characteristic aroma of fruit and the easiness of leaves removing from the center of the Sultan.

For a consumer, the most important indicator of any fruit maturity is coloring. It is recommended to choose a fruit with a color characteristic for at least 2/3 of the fruit. Storage Temperature is advised 8 16os for 10–30 days, depending on varieties and maturity.

3. The persimmon belongs to the 3d group.

Today the persimmon is grown anywhere where there is a warm climate, so in addition to traditional types of persimmon (about 200), there are exotic ones. These include the South American persimmon, which is called a «chocolate pudding» or a «black apple» because it grows up to the size of a large green apple weighing 700 to 900 g, and then ripening gradually darkens, acquiring the taste and color of dark chocolate. A widespread variety is the «Sharon». It does not contain seeds and has a mild taste, because it contains little tannin.

The astringent taste of a persimmon caused by the presence of tannins. Fruit are rich in beta-carotene (provitamin A), the content of which is superior to all the fruit. One persimmon fruit is able to cover the daily requirement of vitamin A.

To remove its astringency at home you can immerse persimmon in hot water at degrees for 1 hour, or put it in a jar with a lid at room temperature for a day. The increased concentration of carbon dioxide contributes to faster ripening without changing the density.

On the Russian market there are almost all tropical and subtropical fruit present. And no one would dream of calling bananas, limes or kiwi exotic fruit.

УДК 681.

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ВНЕШНИХ УСЛОВИЙ НА РАБОТУ

ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ

С ОПТИЧЕСКОЙ РАВНОСИГНАЛЬНОЙ ЗОНОЙ

Научный руководитель – к.т.н., ст.н.с. А.Н. Тимофеев Рассмотрен вопрос о применении метода полихроматической оптической равносигнальной зоны в оптико-электронных системах позиционирования для инженерно-геодезических измерений. Показана возможность компенсации влияния регулярной рефракции за счет измерения вертикального градиента температур и адаптации постоянной времени.

Ключевые слова: равносигнальная зона, регулярная рефракция, турбулентность.

Одним из основных направлений научно-технического прогресса является автоматизация работ с применением современных средств контроля и управления, позволяющих обеспечить повышение производительности машин, снизить затраты труда на подготовительные и доделочные операции, сэкономить ресурсы, повысить точность и объективность контроля, сократить ручной труд. При этом точность проведения таких работ имеет принципиальное значение, поскольку она, в конечном счете, определяет уровень качества строительных работ.

С ростом требований к качеству работ в таких отраслях как наземное дорожное и железнодорожное строительство, тоннелестроение, судостроение, горные работы все больше возрастает необходимость применения различных систем позиционирования, ориентированных на средние и короткие дистанции измерения. Для решения подобных задач применяются оптико-электронные системы (ОЭС), создающие протяженную оптическую базовую плоскость, относительно которой осуществляется позиционирование. К таким системам предъявляются особые требования, связанные с необходимостью обеспечивать широкий диапазон контроля смещений.

Особенностью измерений с помощью таких систем являются условия их проведения – открытый воздух и приземный слой атмосферы, а значит и усиление влияния внешних условий на работу систем [1–4]. Наиболее существенными при работе ОЭС позиционирования являются явления, происходящие в воздушном тракте (градиенты температуры, турбулентность), вызванные так называемой регулярной рефракцией. Предполагается что ОЭС с оптической равносигнальной зоной (ОРСЗ) позволят обеспечить высокую энергетическую чувствительность к смещениям при меньших инструментальных затратах, а также позволят повысить точность за счет компенсации некоторых систематических и случайных погрешностей.

Один из способов повышения точности измерений с помощью ОЭС позиционирования с ОРСЗ – измерение температурного градиента через разность деформаций равносигнальных зон при работе на двух длинах волн.

Градиент температуры в вертикальной плоскости gradyT для длин волн 1 и оптического излучения вызовет соответственно смещение ОРСЗ на величины y1 и y (рис. 1).

Измерив разность деформаций луча, обусловленной рефракцией при работе на длинах волн 1 и 2, получим:

где y1, y2 – величина деформации луча при работе на длинах волн 1 и 2; n1, n2 – показатели преломления для длин волн 1 и 2.

Преобразуя выражение (1) получим формулу для подсчета вертикального градиента температур через разность деформации ОРСЗ:

Таким образом, появляется возможность внесения поправки в получаемые результаты измерения.

В то время как регулярная рефракция в процессе работы ОЭС с ОРСЗ носит систематический характер проявления, турбулентность воздушной среды вызывает флуктуации показателя преломления, которые, в конечном счете, приводят к случайным отклонениям траектории распространения излучения. Ослабление этого явления возможно путем адаптации постоянной времени модуля обработки сигналов Т.

Как известно из источников, при диаметрах D1 выходного зрачка оптической системы защищенного бортового накопителя (ЗБН) и D2 входного зрачка оптической системы преобразователя частоты (ПЧ), превышающих неоднородности показателя преломления воздушного тракта а, среднеквадратическое смещение энергетической оси луча yS от действия всех неоднородностей по трассе будет равно:

где yТ = z0 / 3a ; - среднеквадратическое значение углового ухода луча за счет действия одной неоднородности, равное среднеквадратическому значению флуктуации показателя преломления, т.е.

зрачками оптических систем ЗБН и ПЧ.

Если ОЭС с ОРСЗ с передаточной функцией ( j) в виде инерционного звена первого порядка (что на практике встречается очень часто) где k – общий коэффициент передачи ОЭС с ОРСЗ; – круговая частота, а энергетический спектр флуктуаций SТ() положения ОРСЗ для случая камеральных условий [1], когда размеры D1 и D2 превышают размеры неоднородностей, а Т – коэффициент корреляционной связи, описывается выражением то в этом случае значение среднеквадратической погрешности yОРСЗ, обусловленная турбулентностью, при постоянном входном сигнале (т.е. постоянной величине смещения y) будет Из выражения (3) видно, что с целью уменьшения среднеквадратической погрешности yОРСЗ постоянную времени Т необходимо увеличивать.

С другой стороны, если считать, что ОЭС является разомкнутой линейной стационарной системой с передаточной функцией, представляемой инерционным звеном первого порядка, а энергетический спектр регистрируемых смещений представляется выражением где – коэффициент корреляционной связи; yТ – дисперсия регистрируемых смещений, то среднеквадратическая погрешность воспроизведения случайного регистрируемого смещения yд, распределенного по нормальному закону, вследствие инерционности системы будет Анализируя выражение (4) можно отметить, что с увеличением постоянной времени yд величина погрешности возрастает.

Известно, что среднеквадратическая погрешность смещения yп в случае, когда источником ошибок являются только шумы приемника оптического излучения (ПОИ), будет где WЭ – энергетическая чувствительность ОЭС к смещениям; SИ – интегральная чувствительность ПОИ к излучению источника ОЭС; e – заряд электрона; I – ток, протекающий через ПОИ.

Случайная составляющая суммарной погрешности от основных сильновлияющих на работу системы факторов (инерционность, турбулентность и шумы ПОИ) будет равна Анализируя выражение (6), можно заметить, что при увеличении постоянной времени Т динамическая составляющая погрешности возрастает, в то время как составляющие от турбулентности и шумов уменьшаются. Из хода графиков (рис. 2) видно, что уменьшение коэффициента ослабления C за счет увеличения выходного зрачка ПЧ ОЭС позволяет уменьшить величину случайной составляющей погрешности, а также выбрать меньшее значение постоянной времени.

Рис. 2. Зависимость случайной составляющей суммарной погрешности от изменения постоянной времени для коэффициентов C=0,8 (D1=25 мм, D2=35 мм) и C=0,7 (D1=28 мм, D2=35 мм) при yс2 = 0,000578 мм2; = 0,131; yТ2 = 0,000243 мм2;

Таким образом, на основании вышеизложенного можно заключить что:

ослабление воздействия регулярной рефракции возможно при применении полихроматической ОРСЗ реализованной на двух длинах волн оптического излучения;

анализируя дисперсию колебаний спектрозональной разности, можно оценивать величину колебаний ОРСЗ из-за воздействия турбулентности и выбирать постоянную времени модуля обработки системы с целью ослабления суммарной погрешности, и тем самым реализовать адаптивную схему.

Дементьев В.Е. Современная геодезическая техника и ее применение. – М.:

Академический Проект, 2008. – 591 с.

Джабиев А.Н., Мусяков В.Л., Панков Э.Д., Тимофеев А.Н. Оптико-электронные приборы и системы с оптической равносигнальной зоной. Монография / Под общ.

ред. Э.Д. Панкова. – СПб: ИТМО, 1998. – 238 с.

Мараев А.А., Коняхин И.А., Тимофеев А.Н. Исследование энергетической чувствительности в оптико-электронных системах с полихроматической оптической равносигнальной зоной // Приборостроение. – 2012. – № 3. – С. 31–35.

4. Hirt C., Guillaume S., Wisbar A., Brki B. and Sternberg H. Monitoring of the refraction coefficient in the lower atmosphere using a controlled setup of simultaneous reciprocal vertical angle measurements // Journal of Geophysical Research. – 2010. – V. 115. – http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2010JD014067/full, своб.

УДК 66.047.7:530.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КВАНТОВО-ХИМИЧЕСКОГО ПОДХОДА

ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ СВЯЗИ МОЛЕКУЛ ОРГАНИЧЕСКИХ

ПИГМЕНТОВ С МОЛЕКУЛАМИ ВОДЫ И ИОНАМИ ПРИМЕСЕЙ

Научный руководитель – д.т.н., профессор К.В. Брянкин Показана модель распределения водорастворимых примесей в суспензии Пигмента красного FGR и приведена геометрическая структура молекулы пигмента. Описаны квантово-химические методы, применяющиеся для создания молекулярной структуры пигмента и определения энергетических и геометрических характеристик системы «молекула пигмента–ионы».

Ключевые слова: суспензия, Пигмент красный FGR, HF/3-21-G(d), GDIIS, мицелла, активные центры, адсорбция, хемосорбция, двойной электрический слой.

Суспензии органических пигментов представляет собой сложную систему (рис. 1), состоящую из твердой фазы – частицы целевого вещества с примесями, сорбированными на их поверхности, и жидкой фазы, представляющей собой раствор солей, с содержащимися растворенными органическими и неорганическими соединениями, которые образуются в ходе синтеза продукта [1].

Рис. 1. Модель распределения водорастворимых примесей в суспензии пигмента:

молекула пигмента (I); область сорбированных ионов (II); область координированных ионов (III); раствор водорастворимых примесей (IV) В суспензии Пигмента красного FGR в жидкой фазе содержатся ионы Na+, Н+, SO42–, Cl–. Соли, образуемые перечисленными ионами, в значительной степени влияют на величину энергии связи молекул воды с активными центрами поверхности пигмента, что отражается на кинетике заключительной стадии их производства – сушке. Наличие на частицах пигмента ионов водорастворимых примесей определяется энергией связи активных центров частицы пигмента с ионами примесей, которая зависит от структуры строения молекулы пигмента, наличия у активных центров, формирующих присоединение того или другого иона [2]. Для определения характера связи ионов водорастворимых примесей с частицей пигмента необходимо было создать молекулярную модель молекулы пигмента, определить наличие у нее активных центров присоединения ионов водорастворимых примесей и определить энергию связи активных центров молекулы с ионами водорастворимых примесей.

При создании монослоя сорбированных на поверхности частиц пигмента ионов, необходимо знать их энергию связи с ионами, формирующими координационный слой или слой противоионов (Na+).

При наличии двойного электрического слоя вокруг частиц пигмента необходимо знать энергию связи ионов диффузионного слоя с ионами в областях потенциалопределяющей и противоионов.

Молекулярная структура Пигмента красного FGR создавалась при использовании метода HF/3-21-G(d) [3, 4], основывающегося на том, что каждый электрон молекулы пигмента двигается в некотором усредненном самосогласованном поле, создаваемым ядрами пигмента со всеми электронами системы. В используемом базисе для описания остовных орбиталей лежат три гауссовы функции, а для описания валентных – две и одна. Важное значение при определении молекулярной структуры пигмента занимает корректировка за счет добавления d-орбиталей, выполняющих роль поляризационных функций.

Для определения энергетических и геометрических характеристик системы молекулы пигмента с ионами использовался метод GDIIS, обеспечивающий определение геометрии методом прямого обращения в итерационном подпространстве [5].