«Аннотированный сборник научно-исследовательских выпускных квалификационных работ магистров НИУ ИТМО Санкт-Петербург OM11 Аннотированный сборник научно-исследовательских выпускных квалификационных работ магистров НИУ ...»

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

Аннотированный сборник

научно-исследовательских

выпускных квалификационных

работ магистров НИУ ИТМО

Санкт-Петербург

OM11 Аннотированный сборник научно-исследовательских выпускных квалификационных работ магистров НИУ ИТМО / Главный редактор д.т.н., проф. В.О. Никифоров. – СПб: НИУ ИТМО, OM11. – 11M с.

Сборник представляет итоги конкурса на лучшую научноисследовательскую выпускную квалификационную работу магистров НИУ ИТМО и издается с целью развития творческого потенциала дипломированных специалистов, их навыков научно-исследовательской работы, стимулирования участия студентов в научных исследованиях, усиления роли научно-исследовательской работы в повышении качества подготовки специалистов с высшим образованием, формирования резерва для кадров высшей квалификации.

ISBN 978-5-7577-0392- 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 науки Российской Федерации была утверждена программа его развития на 2009–2018 годы. В 2011 году Университет получил наименование «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики»

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

ВВЕДЕНИЕ

«Аннотированный сборник научно-исследовательских выпускных квалификационных работ магистров НИУ ИТМО» опубликован по результатам конкурсов на лучшую научно-исследовательскую выпускную квалификационную работу (НИВКР) среди магистров НИУ ИТМО.

Конкурсы оценивают умение студента проводить самостоятельную творческую исследовательскую работу, показывают профессиональную зрелость выпускника, его способность решать реальные научно-технические задачи. Конкурсы проводятся в целях совершенствования системы подготовки кадров высшей квалификации, в рамках реализации программы развития ВУЗа как Национального исследовательского университета на 2009–2018 годы.

Первый этап Конкурса проводился на выпускающих кафедрах университета. По итогам предзащит ВКР магистров кафедрами было принято решение о выдвижении лучших работ в Государственную аттестационную комиссию (ГАК). По итогам работы ГАК были окончательно определены 62 лучшие НИВКР на 21 кафедре.

Второй этап Конкурса проводился на факультетах университета. По итогам представленных кафедрами работ, деканами факультетов был проведен анализ ВКР магистров, и определены победители Конкурса на факультетах. В итоге по факультетам состоялось 5 Конкурсов на «Лучшую НИВКР».

Третий завершающий этап Конкурса проводил Научно-технический совет (НТС) университета. Работы победителей второго этапа Конкурса были рассмотрены на заседании НТС. По итогам, которого определены «Лучшие НИВКР» проведенные в университете за 2011 год и определена номинация «Лучший научный руководитель НИВКР среди магистров 2011».

Статистические данные участия магистров Этап Название конкурса Приняло участие Победители Конкурсы кафедр I 161 Конкурсы факультетов II 62 Конкурс университета III 24 По итогам Конкурса среди магистров было определено 14 победителей на «Лучшую НИВКР университета» и 10 лауреатов, которые стали победителями Конкурсов проведенных на факультетах.

Общее количество магистрантов, участвовавших в конкурсах на «Лучшую научно-исследовательскую выпускную квалификационную работу» составило 161 человек.

Организационную работу по Конкурсам проводили следующие структурные подразделения НИУ ИТМО: НИЧ, Докторантура, отдел «НИРС».

Введение Основные критерии оценки работ При оценке НИВКР учитывались следующие критерии:

- соответствие тематики работы основным научным направлениям университета;

- новизна предложенных в работе решений;

- оригинальность предложенных решений;

- наличие актов об использовании результатов работы;

- наличие выигранных грантов, стипендий, в том числе стипендий Президента Российской Федерации;

- наличие публикаций по результатам работы в научных журналах и изданиях (как в российских, так и в зарубежных);

- наличие документов защиты объектов интеллектуальной собственности, созданных в процессе выполнения ВКР;

- наличие заявок на объекты интеллектуальной собственности;

- наличие наград, полученных на всероссийских, региональных и городских конкурсах;

- наличие докладов по тематике ВКР на научных конференциях и семинарах;

- наличие документов о представлении результатов ВКР на различного уровня конкурсах и выставках;

- глубина раскрытия темы, логичность изложения;

- качество оформления (в т.ч. соблюдение ГОСТов);

- степень самостоятельности выполненной работы.

Общие требования к материалам, представляемым на НТС Для окончательного подведения итогов Конкурса на НТС представлялись следующие документы:

- анкета участника Конкурса;

- отзыв научного руководителя;

- рекомендация от кафедры (служебная записка, подписанная зав. кафедрой);

- рекомендация ГАК;

- техническое задание ВКР;

- краткое изложение ВКР в форме статьи до 2 страниц.

К работе прилагались акты о внедрении результатов научной работы, копии патентов, научных статей и тезисов.

Итоги Конкурса были подведены на заседании НТС университета и оформлены приказом ректора НИУ ИТМО № 1567-уч от 17.10.2011 г.

Победители конкурса Университета на лучшую научно-исследовательскую выпускную квалификационную работу магистров

ПОБЕДИТЕЛИ КОНКУРСА УНИВЕРСИТЕТА

НА ЛУЧШУЮ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКУЮ

ВЫПУСКНУЮ КВАЛИФИКАЦИОННУЮ РАБОТУ

МАГИСТРОВ

Победители конкурса Университета на лучшую научно-исследовательскую кафедра компьютерной фотоники и видеоинформатики, УДК MM4.9PO.O

ОБУЧАЕМЫЕ МЕТОДЫ ПРИЗНАКОВОГО

СОПОСТАВЛЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ

Научный руководитель – д.т.н., профессор А.С. Потапов В работе была исследована актуальная на сегодняшний день для компьютерного зрения проблема обучения систем сопоставления изображений. Эта проблема была описана в ряде современных работ [1, 2], по данной области знаний, и связана с тем, что в существующих методах сопоставления изображений, например, SIFT [3] и SURF [4] пространство признаков ключевых точек задано вручную и не меняется в процессе исполнения алгоритма. Это исключает возможность обучения современных систем компьютерного зрения или их адаптации к изменяющимся условиям сложной окружающей среды, в которой эти системы должны работать.

Суть первого предложенного в работе подхода оптимизации представлений с использованием обучения заключается в том, что на основе точек, предварительно отождествленных по методу SURF, модифицированным методом анализа главных компонент строилось пространство признаков. Формирование новых дескрипторов ключевых точек выполнялось путем проецирования их исходных векторов признаков в построенное в результате обучения новое пространство. Базис нового пространства признаков учитывает, с одной стороны, различия не сопоставленных ключевых точек из числа всех найденных, а, с другой стороны, тождество сопоставленных ключевых точек, принадлежащих одним и тем же физическим точкам на разных изображениях обучающей выборки. Новые векторы признаков позволяют не только сохранить высокое качество сопоставления изображений, но и в большинстве случаев улучшить его, путем увеличения количества правильно сопоставленных ключевых точек по сравнению с методом SURF.

Второй подход обучения систем сопоставления изображений, связан с классификацией дескрипторов ключевых точек в пространстве признаков, которая выполнялась с помощью метода k-средних. В результате использования информации, полученной на шаге классификации, о радиусах классов и их центрах выполнялось формирование гистограмм распределения ключевых точек каждого нового изображения той же сцены объектов по построенным классам. Был разработан и реализован метод быстрого сопоставления изображений на основе коэффициента корреляции гистограммам и принадлежности их ключевых точек к множеству классов, сформированных путем обучения. Вместо линейной структуры классов было предложено использовать иерархическую структуру. Такая модификация предложенного метода быстрого сопоставления изображений позволила при относительно небольших потерях качества повысить скорость операции сопоставления более чем в шесть раз.

Победители конкурса Университета на лучшую научно-исследовательскую T выпускную квалификационную работу магистров Предложенные на основе обучения методы могут быть использованы на практике для качественного сопоставления изображений по ключевым точкам, например, в задаче навигации автономных роботов, а также для быстрого сопоставления изображений по гистограммам распределения их ключевых точек при работе с большой базой графических данных.

1. Winder S.A.J., Brown M. Learning Local Image Descriptors // IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition. – CVPR 2007. – Minneapolis. – P. 1–8.

2. Jahrer M., Grabner M., Bischof H. Learned local descriptors for recognition and matching // In Proc. of CVWW, 2008. – P. 39–46.

3. Lowe D.G. Distinctive image features from scale-invariant keypoints // Intern. J. of Computer Vision, 2004. – V. 60. – № 2. – P. 91–110.

Bay H., Tuytelaars T., Van Gool L. SURF: Speeded up robust features // Proc. 9th ECCV.

Graz, Austria, 2006. – V. 3951. – P. 404–417.

УДК RPR.P4HRPR.PT

РЕЗОНАНСНАЯ РАМАНОВСКАЯ СПЕКТРОКТРОСКОПИЯ

НАНОУГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Научный руководитель – д.ф.-м.н., профессор А.В. Баранов Государственный контракт № 02.740.11.0211; государственный контракт № 02.740.11.0536, Министерство образования и науки РФ; АВЦП тема 190086, Министерство образования и науки РФ; АВЦП тема 190087, Министерство образования и науки РФ; АВЦП тема 190088.

В последнее время широкое распространение получило использование наноструктурированных материалов. Это связано с возможностью создания новой элементной базы для оптоэлектроники и нанофотоники. Широкие возможности наноструктурированных материалов возникают благодаря возможности создавать структуры с требуемыми оптическими и электрическими свойствами. Среди таких наноструктурированных материалов особо следует отметить углеродные наночастицы – нанографиты. Важнейшей проблемой наноиндустрии является развитие неразрушающих методов контроля параметров наноструктурированных материалов.

Для решения таких задач как определения свойств готовых образцов, выявления изменений химических и физических свойств различных наноструктурированных материалов, а также для контроля их производства, наиболее удобным способом является использование различных методов спектроскопии комбинационного Победители конкурса Университета на лучшую научно-исследовательскую рассеяния света (КР). Эти методы позволяют получить информацию о химическом составе и структуре в наноструктурированных объектах различного типа с пространственным разрешением вплоть до дифракционного предела.

Спектроскопия комбинационного рассеяния – аналитический метод, широко использующийся в разных областях науки и техники. Спектры КР каждого соединения настолько специфичны, что могут служить для идентификации химического состава.

Качественный и количественный анализ по спектрам КР широко применяют на практике. Спектры комбинационного рассеяния весьма эффективны для идентификации самых разнообразных продуктов и материалов как органической, так и неорганической природы, позволяя судить о структуре и фазовом составе объекта, не повреждая исследуемый образец.

наноструктурированных углеродных и других материалов с использованием метода резонансного микро-КР света при возбуждении различными длинами волн света. На основе анализа спектров КР получена информация о химическом составе и структуре исследуемых материалов, выявлены особенности фазового состава наноуглеродных частиц. Определено наличие в нем таких характерных полос как: D-пик присущий всем углеродным материалам и отвечающим за меру разупорядоченности углерода (D-линия возникает в результате двойного резонанса комбинационного рассеяния, и проявляется в случае наличия дефектов на краях и внутри графеновых плоскостей [1]), G-пик, отвечающий за молекулярные колебания в углеродных цепях, а также таких структурных элементов как трансполиацетиленовые цепи, аморфный углерод, который существует в форме, например, промежуточных дефектов вне плоскостей ароматических колец с sp3-связями [2] и G-пика который, (как и G-пик) отвечает за разупорядоченность углерода. В ходе работы выведена зависимость изменений химического состава и структуры исследуемых образцов наноуглеродных материалов в зависимости от начальных условий их синтеза, показано хорошее соотнесение результатов с результатами полученными другими методами. Путем анализа параметров характерных полос в спектрах КР образцов проведена оценка размеров кристаллитов La в направлении, перпендикулярном графеновым слоям, результат совпадает с результатами, полученными по эмпирической формуле, представленной в работе [3].

1. Pimenta M.A., Dresselhaus G., Dresselhaus M.S. et al. Studying disorder in graphitebased systems by Raman spectroscopy // Phys. Chem. Chem. Phys, 2007. – V. 9. – P. 1276–1290.

2. Cuesta A., Dhamelincourt P., Laureyns J. et al. Raman microprobe studies on carbon materials // Carbon, 1994. – V. 32. – № 8. – P. 1523–1532.

3. Osipov V.Yu., Baranov A.V., Ermakov V.A., Makarova T.L., Chungong L.F., Shames A.I., Takai K., Enoki T., Kaburagi Y., Endo M., Ya A. Vul’. Raman characterization and UV optical absorption studies of surface plasmon resonance in nanographite. Proc. 4th Int.

Conf. on New Diamond and Nano Carbons, May 16–20, 2010, Suzhou, China. – P. 298– 299 (2010).

Победители конкурса Университета на лучшую научно-исследовательскую выпускную квалификационную работу магистров УДК RPR.41T

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ МАЛОРАЗМЕРНЫХ

ПОЛИМЕРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В ФОТООТВЕРЖДАЕМЫХ

КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ

Научный руководитель – к.т.н., доцент Н.Д. Ворзобова Государственный контракт 390129 ГК № П570; РПН 2.1.1.3937; темплан 19072;

хоздоговоры ГоЗнак 21034 и 21035.

Трудно назвать область человеческой деятельности, где современные микротехнологии не являлись бы критически важными. Методы и технологии получения микроструктурных полимерных элементов представляют интерес для различных направлений науки и техники: электроника, связь, микромеханика, медицина, биология, информационная и лазерная техника, химия, приборостроение.

Такие элементы получаются различными методами, в том числе, методами литографии.

В настоящее время особо актуальна разработка методов и технологий, базирующихся на новых физических принципах и материалах. К таким материалам относятся мономерные композиционные материалы (разрабатываемые на кафедре оптики квантово-размерных систем Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики). Наиболее широко используемые промышленные материалы для реализации методов литографии требуют трудоемких операций термической обработки для удаления остаточного растворителя, который ухудшает характеристики структур. Ориентация на композиционные материалы, которые наносятся без растворителя, имеет существенные преимущества. Кроме того, материалы обладают рядом специфических свойств, исключающих необходимость использования рентгеновского и других типов коротковолнового излучения. Возможность получения структур с высоким форматным отношением с использованием рентгеновского излучения определяется его малой расходимостью. В то же время, формирование структур с практически вертикальными стенками при экспонировании оптическим излучением с существенной расходимостью возможно [1, 2] при использовании мономерных композиционных материалов и определяется увеличением показателя преломления в процессе фотополимеризации.

Расходимость излучения компенсируется самофокусировкой излучения в полимере, что позволяет получать полимерные структуры с высоким отношением высота/ширина.

Целью работы являлось исследование процессов получения объемных малоразмерных полимерных структур методами глубокой и интерференционной литографии с использованием фотоотверждаемых композиционных материалов.

Выполненное исследование обеспечило понимание ряда наблюдаемых процессов.

Так, показано, что скорость роста структур в вертикальном направлении значительно превышает скорость роста в ширину при реализации метода глубокой литографии.

Победители конкурса Университета на лучшую научно-исследовательскую Таким образом, элементы вначале образуются по центру экспонирующего пучка и затем при увеличении экспозиции их ширина увеличивается. Данный процесс обусловлен самофокусировкой света в материале с положительным знаком изменения показателя преломления при фотополимеризации. В результате сначала происходит каналирование света по центру с образованием самоорганизованного волновода с последующим его медленным расширением.

Показано, что ингибирование процесса фотополимеризации кислородом является позитивным фактором при формировании элементов с вертикальными боковыми гранями. Это подтверждено результатами эксперимента по записи микроструктурных элементов в атмосфере аргона и в присутствии кислорода воздуха. Экспонирование при доступе кислорода воздуха приводило к формированию элементов с вертикальными боковыми гранями. Наблюдаемый результат связан с действием кислорода. В области фотополимеризации кислород «выжигается», а в соседней области растворенный кислород препятствует процессу фотополимеризации. В результате, формируется четкая граница между полимеризованной и неполимеризованной областями, которая в сочетании с эффектом самофокусировки остается вертикальной.

В результате работы методом глубокой литографии были получены структуры с наименьшим поперечным размером 2 мкм и наибольшим форматным отношением (высота/ширина) 50. Для получения структур с субмикронными и нано-размерами был реализован интерференционный метод записи и были получены периодические структуры с размерами элементов до 400 нм.

Были проведены исследования динамики изменения дифракционной эффективности для различных фотополимеризующихся составов. Показано, что введение наночастиц и увеличение их концентрации приводит к принципиально иному механизму формирования дифракционной эффективности по сравнению с мономерными композициями. Так, с увеличением времени экспонирования дифракционная эффективность не увеличивается, проходит через максимум и спадает до нуля, как это имеет место в мономерных композициях, а монотонно возрастает и далее остается стабильной. Данный эффект основан на фотоиндуцированном перемещении наночастиц из освещенных областей в неосвещенные [3]. Возможность такого механизма подтверждается отсутствием существенной зависимости дифракционной эффективности от последующей обработки (вымывание неотвержденного материала), а так же тем, что в области больших экспозиций дифракционная эффективность для нанокомпозитов отлична от нуля и может достигать 20–30%. Нанокомпозиционные материалы являются малоисследованной системой, ряд эффектов в которых не нашли адекватного объяснения.

В результате выполненной работы созданы физические основы технологии голографической записи в нанокомпозиционном материале, получены периодические структуры с дифракционной эффективностью до 50% при толщине слоя 20 мкм, что является достаточно высоким значением для таких толщин полимерных материалов.

1. Denisyuk I.Yu., Fokina M.I., Vorzobova N.D., Burunkova Yu.E., Bulgakova V.G.

Microelements with high aspect ratio prepared by self-focusing of the light at UV-curing // Molecular Crystals and Liquid Crystals, 2008. – V. 497. – P. 228–235.

Денисюк И.Ю., Бурункова Ю.Э., Фокина М.И., Ворзобова Н.Д., Булгакова В.Г.

Формирование микроструктур с высоким форматным отношением в результате самофокусировки света в фотополимерном нанокомпозите // Оптический журнал, 2008. – Т. 75. – № 10. – С. 59–65.

Победители конкурса Университета на лучшую научно-исследовательскую выпускную квалификационную работу магистров 3. Tomita Y., Suzuki N. Holographic manipulation of nanoparticle distribution morphology in nanoparticle-dispersed photopolymers // Optics letters, 2005. – V. 30. – №8. – P. 839– Факультет оптико-информационных систем и технологий, УДК RPR.P1T

АНАЛИЗ, ИССЛЕДОВАНИЕ И РАСЧЕТ СВЕТОСИЛЬНЫХ ОДНОИ ДВУХКОМПОНЕНТНЫХ ОБЪЕКТИВОВ С АСФЕРИЧЕСКИМИ

ПОВЕРХНОСТЯМИ ВТОРОГО ПОРЯДКА

Научный руководитель – д.т.н., профессор Л.Н. Андреев Оптические системы двухлинзовых и трехлинзовых склеенных объективов находят широкое применение в различных областях приборостроения благодаря простой оптической схеме и оптимальным коррекционным возможностям. Однако такие системы имеют удовлетворительную коррекцию аберраций при относительных отверстиях не выше 1:5–1:4 и угловом поле 6°–12°. Двухкомпонентные системы, состоящие из двухлинзового склеенного объектива и одиночной линзы, позволяют увеличить относительное отверстие до 1:3–1:2. Ограничением относительного отверстия указанных объективов является появление аберраций высшего порядка на поверхностях, разделяющих оптические среды с большой разностью показателей преломления [1, 2].

Целью работы было рассмотреть методику расчета светосильных одно- и двухкомпонентных объективов с асферической поверхностью второго порядка.

Выбор оптической схемы определялся на основе теории аберраций третьего порядка для тонких компонентов с асферическими поверхностями [3].

При расчете однокомпонентных объективов в качестве исходной оптической схемы выбирается выпукло-плоская линза. Для коррекции хроматических аберраций системы вводится одна или две «хроматические» поверхности. Для коррекции сферической аберрации первая (выпуклая) сферическая поверхность заменяется асферической. Далее путем оптимизации величин е2 и хроматического радиуса добиваются оптимальной коррекции аберраций объектива [4].

В качестве исходной оптической схемы при расчете двухкомпонентных объективов выбирается одиночная линза с одной асферической поверхностью, перед которой расположен компенсатор хроматических аберраций в виде склеенной плоскопараллельной пластинки из «хроматической» комбинации стекол. Расчет одиночной линзы выполняется как в случае однокомпонентного объектива.

По рассмотренной методике были рассчитаны светосильные одно- и двухкомпонентные объективы с асферической поверхностью второго порядка с фокусным расстоянием 100 мм, относительным отверстием 1:2,5 и угловым полем 4 с ахроматической и апохроматической коррекцией аберраций, которые по сравнению с Победители конкурса Университета на лучшую научно-исследовательскую классическими объективами имеют увеличенное относительное отверстие при высоком качестве изображения для точки на оси.

Слюсарев Г.Г. Расчет оптических систем. – Л.: Машиностроение, 1975. – 110 с.

Трубко С.В. Расчет двухлинзовых склеенных объективов. Справочник. – Л.:

Машиностроение, 1984. – 142 с.

Андреев Л.Н. Прикладная теория аберраций / Учебное пособие. – СПб:

СПбГИТМО (ТУ), 2002. – 100 с.

Андреев Л.Н., Ежова В.В. Двухлинзовые склеенные объективы с асферической поверхностью второго порядка // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО, 2011. – №01(71). – С. 134–136.

Инженерно-физический факультет, кафедра лазерной техники УДК R44.RPT

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ЗАПИСИ ИНФОРМАЦИИ НА ТОНКИХ

ПЛЕНКАХ ХРОМА СВЕРХКОРОТКИМИ ЛАЗЕРНЫМИ ИМПУЛЬСАМИ

Научный руководитель – д.т.н., профессор В.П. Вейко Гранты РФФИ № 10-02-00208-а и 09-02-01065-а; грант Правительства СанктПетербурга 2.4/01-06/005; государственный контракт № П1134; договор № У-2010-5/ по программе УМНИК.

Тонкие металлические пленки широко применяются при изготовлении оптических носителей информации абсолютного контраста, таких как фотошаблоны интегральных схем (ФШ), дифракционные оптические элементы (ДОЭ), оптические диски (ОД) и т.п. Наиболее популярным материалом пленок собственно для записи информации является хром вследствие хорошей адгезии к стеклянной подложке и прочности к истиранию. При этом в каждой области применения сложились свои предпочтения по методам формирования топологии на таких изделиях, как ФШ, ДОЭ и ОД.

В настоящее время ДОЭ широко используются в различных устройствах, таких как принтеры, аппараты для чтения штрих-кодов, лазерные CD и DVD-плееры и т.д.

Новые виды ДОЭ применяются в технологических системах, лазерных скальпелях, искусственных хрусталиках и т.д. Точность изготовления ДОЭ в последние годы значительно возросла, что позволяет решать весьма трудные проблемы – создание астрономических волновых корректоров, которые могут формировать волновой фронт, используемый для контроля асферической оптики – основного зеркала современных телескопов. Создание ДОЭ с предельным разрешением в настоящее время весьма Победители конкурса Университета на лучшую научно-исследовательскую 1P выпускную квалификационную работу магистров актуальная проблема, так как это позволит ставить и решать задачи совершенно нового уровня.

В этих условиях особое место занял термохимический метод (ТМ) записи топологии ДОЭ. Он основан на локальном лазерном облучении пленок хрома в доиспарительных режимах, когда металл в облученной зоне окисляется и приобретает высокую устойчивость к растворению по сравнению с исходными пленками хрома [1].

Такой способ записи оптических изображений намного проще фотолитографии и значительно точнее лазерной абляции. Термохимический метод приобрел большую известность после разработки кольцевого генератора изображений, который оказался способным реализовать потенциально высокую точность ТМ при изготовлении ДОЭ.

Однако предел разрешающей способности термохимического метода записи информации до сих пор не выяснен. Причем, понятно, что при этом надо рассматривать две группы процессов: оптические процессы локализации лазерного излучения и физико-химические процессы переноса изображения на материал пленки хрома.

Исследования проводились на фемтосекундных лазерах с различной частотой следования импульсов. Для изучения полученных структур были впервые использованы методы Раман-спектроскопии, латеральной микроскопии и др.

Полученные данные позволяют говорить о структуре облученных областей хрома, которая состоит из 4-х частей, обладающих различными физико-химическими свойствами (рисунок).

Рисунок. Структура облученных пленок хрома в режимах до плавления 1, 3 и 5 линии, где «5» – необлученный хром; «4» – слабо модифицированный хром и оксид CrO2;

«3» – сильно модифицированный хром и оксид CrO2; «2» – модифицированный хром с двумя рамановскими пиками: CrO2 и Cr2O3; «1» – расплав с образованием оксида Cr2O Проведенные экспериментальные исследования показали, что при сверхкоротких лазерных воздействиях малого числа пикоксекундных, фемтосекундных, равно как и большого числа фемтосекундных импульсов, имеют место малоинерционные процессы поверхностного окисления и структурной модификации пленок хрома. Процесс быстрого окисления, по-видимому, не связан с диффузией кислорода из воздуха во время воздействия, а представляет собой лишь чистое «кинетическое» химическое связывание адсорбированного на поверхности кислорода, скорее всего, по границам зерен микроструктуры напыленного хрома. Эта гипотеза подтверждается недавними измерениями микротвердости пленок и массивных образцов хрома, где показано, что значительное повышение ее в пленках связано с их поверхностным окислением на воздухе по границам зерен, которые в пленках значительно меньше, чем у массивных образцов.

Указанные результаты могут быть непротиворечиво объяснены, если принять во внимание, что время термического действия сверхкоротких импульсов, по-видимому, Победители конкурса Университета на лучшую научно-исследовательскую определяется не длительностью собственно лазерных импульсов, а временем остывания структуры.

Вейко В.П., Метев С.М. Лазерные технологии в микроэлектронике. – София, 2. Baranov A.V., Bogdanov K.V., Fedorov A.V., Yarchuk M.V., Ivanov A.I., Veiko V.P., Berwick K. Micro-Raman characterization of laser-induced local thermo-oxidation of thin chromium films // Journal of Raman Spectroscopy, 2011. – V. 5. – № 1. – P. 139– Veiko V.P., Yarchuk M.V., Ivanov A.I. Mechanisms of thin Сr films modification under multipulse femtosecond laser action // Proc. of SPIE, 2011. – V. 7996. – Р. 1–6.

УДК 681.R

МЕТОД АДАПТИВНОЙ КОМПЕНСАЦИИ МУЛЬТИГАРМОНИЧЕСКИХ

ВОЗМУЩЕНИЙ С НЕРЕГУЛЯРНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ

Научный руководитель – д.т.н., профессор А.А. Бобцов В работе была рассмотрена задача компенсации параметрически неопределенного гармонического возмущения на нелинейный объект управления. Подобные задачи решаются при синтезе систем управления морскими судами, в задачах фильтрации навигационной информации, в системах активной виброзащиты. Все исследования, которые ведутся в данном направлении, рассматривают возмущение как чистую синусоиду или сумму нескольких гармоник. Этот подход хорош для теоретического решения проблемы, но для практического внедрения этого недостаточно, так как на вид возмущения, как правило, оказывают влияние различные нерегулярные составляющие стохастической природы. В самом простом случае это могут быть аддитивные шумы, действующие в канале измерений. В более сложном случае могут случайным образом изменяться параметры возмущения. В данном классе называемом «нерегулярная качка», изменению подвергаются амплитуда и частота. Такого рода сигналы рассматриваются в задачах управления морскими подвижными объектами. В данной работе был предложен новый метод подавления подобных возмущений на основе адаптивного алгоритма идентификации параметров мультигармонических сигналов.

Предложенный метод основывается на том, что нерегулярный процесс на любом конечном интервале времени может быть представлен как сумма бесконечного числа гармоник. Алгоритм идентификации дает нам оценку параметров гармоники, которая вносит самый большой вклад в результирующее действие возмущения, а зная Победители конкурса Университета на лучшую научно-исследовательскую выпускную квалификационную работу магистров параметры этой гармоники, мы можем ее скомпенсировать, тем самым уменьшив интенсивность этого возмущения.

В работе был разработан алгоритм компенсации мультигармонических возмущений с нерегулярной составляющей. Показаны основные свойства закона управления и их зависимости от параметров алгоритма. Были проведены экспериментальные исследования данной методики для реальных условий для записей качки судна DAMEN 5009 (рис. 1), снятые во время ходовых испытаний.

Эксперименты показали (рис. 2), что данный подход работает и в условиях воздействия реальных возмущений.

Рис. 1. Тестируемое судно Капитанюк Ю.А. Алгоритм управления надводными судами с активным демпфированием волновых воздействий // Навигация и управление движением, 2010. – C. 212–219.

Бобцов А.А., Капитанюк Ю.А., Капитонов А.А., Колюбин С.А., Пыркин А.А., Чепинский С.А., Шаветов С.В. Технология LEGO MINDSTORMS NXT в обучении студентов основам адаптивного управления // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО, 2011. – Вып. 71. – С. 103–108.

Победители конкурса Университета на лучшую научно-исследовательскую Факультет оптико-информационных систем и технологий, кафедра оптико-электронных приборов и систем, группа УДК RPR-

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОГРЕШНОСТЕЙ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОГО

АВТОКОЛЛИМАЦИОННОГО УГЛОМЕРА С ЕДИНЫМ ПОЛЕМ АНАЛИЗА

Научный руководитель – к.т.н., ст.н.с. А.Н. Тимофеев Государственный контракт № 684; государственный контракт № 02.740.11.0169.

В ходе выполнения работы была спроектирована и реализована трехкоординатная автоколлимационная углоизмерительная система (АУС) и проанализированы основные составляющие погрешности измерения.

Трехкоординатная АУС является ответом на потребность в эффективных средствах контроля состояния несущих конструкций крупногабаритных объектов – мостов, дамб, атомных реакторов и т.п.

При напряжениях, возникающих в какой-либо точке конструкции объекта, происходит рассогласование системы координат объекта OX1Y1Z1 c общей системой координат OXYZ, которое можно рассматривать как поворот объекта вокруг трех осей OX1, OY1, OZ1 на коллимационные углы Q1, Q2 и угол скручивания Q3 соответственно [1]. Следовательно, контроль деформаций объектов сводится к определению угловых смещений (координат) в некотором количестве точек объекта [1].

автоколлимационный угломер, включающий отражатель – контрольный элемент (КЭ), расположенный на контролируемом объекте и оптико-электронный автоколлиматор (АК), располагаемый на жесткой базе.

Основным ограничением при работе с такими системами является виньетирование в плоскости объектива АК. Максимальная рабочая дистанция определяется диаметром входного зрачка, диапазоном измеряемых величин и коэффициентом редукции (КР) отражателя, который определяется соотношением между углом поворота отражателя и углом отклонения отраженного пучка. Для стандартного КЭ – плоского зеркала, КР=2, что ограничивает рабочую дистанцию 1…2 м [3], в то время как для мониторинга угловых деформаций требуется рабочая дистанция до 10 м при диапазоне измерения угловых координат до 1° и среднем квадратическом значении относительной погрешности до 0,01 от диапазона измерения.

Имеющиеся решения КЭ в виде многозональных зеркальных призм способны измерять лишь один из углов поворота.

Для реализации трехкоординатной АУС с одноканальной схемой анализа необходимо получить более одного отраженного пучка [1].

Сочетания чувствительности ко всем трем угловым координатам при относительно большой рабочей дистанции с единым полем анализа можно достичь, при использовании синтезированного в работе КЭ с особыми свойствами.

Победители конкурса Университета на лучшую научно-исследовательскую 1T выпускную квалификационную работу магистров Одной из отличительных особенностей предлагаемого тетраэдрического отражателя является формирование шести отраженных пучков из одного падающего [2].

Это достигается изготовлением тетраэдра с малыми отклонениями 12, 13, величин двугранных углов от 90° (рисунок).

Рисунок. Синтезированный КЭ на основе стеклянного тетраэдра с отклонениями трех двугранных углов от 90°: 1; 2; 3 – отражающие; 4 – преломляющая грани Одной из важных характеристик, позволяющих математически описать механизм формирования пучков отражателем, является основное неизменное направление (ОНН) – вектор, обладающий тем свойством, что входящий по нему в КЭ луч после отражения выходит параллельно падающему лучу. Исследование соотношений между величинами 12, 13, 23 отклонений двугранных углов тетраэдрического отражателя позволило сформировать в нем три ОНН с нужным пространственным расположением [2].

Также исследования показали, что для минимизации погрешности измерения вследствие взаимного влияния трех угловых координат соотношения между отклонениями двугранных углов КЭ должны определяться как: 12= 13=, 23=–, где – параметр тетраэдра. Необходимые параметры АУС достигаются при величине =2°1730. При этом КР не превышает 0,2, вследствие чего, как показывают расчеты, рабочая дистанция составляет до 10 м.

Созданный КЭ пригоден для практического использования. Значение полной относительной погрешности измерений на краю диапазона в предельных рабочих условиях составляет лишь 0,006.

В результате работы спроектирован практический вариант высокоточной трехкоординатной углоизмерительной системы, включающей в себя автоколлиматор, синтезированный тетраэдрический отражатель и электронный блок обработки данных.

Джабиев А.Н., Коняхин И.А., Панков Э.Д. Автоколлимационные углоизмерительные средства мониторинга деформаций. СПб: СПбГИТМО (ТУ), Коняхин И.А., Копылова Т.В., Коняхин А.И., Мерсон А.Д. Определение условий соблюдения инвариантности измерения угла скручивания в оптико-электронных автоколлимационных системах // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО, Победители конкурса Университета на лучшую научно-исследовательскую Факультет оптико-информационных систем и технологий, кафедра оптико-электронных приборов и систем, группа УДК 681.T

ТРЕХКООРДИНАТНЫЙ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЙ АВТОКОЛЛИМАТОР

С УВЕЛИЧЕННОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬЮ ИЗМЕРЕНИЯ

УГЛА СКРУЧИВАНИЯ

Научный руководитель – д.т.н., профессор И.А. Коняхин Грант Правительства Санкт-Петербурга № 3.5/31-05/018; государственные контракты № П684, № 02.740.11.0169.

В работе проведены разработка и исследование трехкоординатного оптикоэлектронного автоколлиматора (ТОЭА) предназначенного для измерения угла скручивания и коллимационных углов автоколлимационным методом. Основным направлением развития оптико-электронных автоколлимационных систем измерения углового положения контролируемого объекта является обеспечение инвариантности измерения отдельных угловых координат [1, 2]. Большинство существующих систем не обеспечивают условие инвариантности. После проведения обзора таких систем был сделан вывод об актуальности создания ТОЭА, предназначенного для определения угловых деформаций объекта путем измерения углов поворота в окрестности контролируемой точки в трех плоскостях автоколлимационным методом. Таким образом, были поставлены следующие задачи: разработать ТОЭА, позволяющий обеспечить увеличении чувствительности измерения угла скручивания при условии независимости измерений всех угловых координат; провести аналитические и экспериментальные исследования характеристик данной системы.

Рис. 1. Схема ТОЭА с увеличенной чувствительностью измерения угла скручивания:

1 – автоколлиматор; 2 – тетраэдрический отражатель; 3 – плоское зеркало В ходе анализа схем построения ТОЭА было установлено, что схема автоколлиматора (рис. 1) с переотражением пучка, реализуемым дополнительным плоским зеркалом, позволяет увеличить чувствительность измерения угла скручивания при сохранении. В данной схеме реализуются независимые измерения Победители конкурса Университета на лучшую научно-исследовательскую выпускную квалификационную работу магистров коллимационных углов и угла скручивания с незначительной по величине погрешностью вследствие влияния коллимационных углов [3].

В процессе работы была разработана структурная схема ТОЭА; выполнен габаритно-энергетический расчет и расчет параметров элементов оптической принципиальной схемы ТОЭА; разработана конструкция автоколлиматора. Для проведения экспериментальных исследований на основе разработанной конструкции был создан макет ТОЭА с увеличенной чувствительностью измерения угла скручивания, представленный на рис. 2.

В состав экспериментального макета входят автоколлиматор 1; отражатель на поворотном столике 2, позволяющий задавать повороты относительно трех осей;

персональный компьютер 3; блок питания 4; миллиамперметр 5; оптическая скамья 6;

визуальный автоколлиматор АКТ-15 7 с зеркалом для контроля углового положения поворотного столика; блок питания 8 для автоколлиматора АКТ-15.

С помощью данного макета были проведены экспериментальные исследования статической характеристики ТОЭА. Погрешность измерения угла скручивания в диапазоне ±25 составляет 2,2, для коллимационных углов в диапазоне до 10 равна 3.

Применение разработанного ТОЭА может облегчить решение современных проблем, стоящих перед приборостроением в области создания высокоточных систем контроля углового пространственного положения исследуемого объекта. Такой ТОЭА позволяет наблюдать в реальном времени за протекающими угловыми деформациями и прогибами, автоматизировать процесс снятия данных, реализовать оперативное и точное измерение бесконтактным способом. Данная система может найти широкое применение во всех областях промышленности, где требуется оперативный контроль углового пространственного положения элементов установок.

1. Коняхин И.А., Тимофеев А.Н., Панков Э.Д., Син Сянмин Анализ частных инвариантных преобразований в оптико-электронных системах контроля пространственного положения // Изв. вузов. Приборостроение, 2007. – Т. 50. – 2. Коняхин И.А., Копылова Т.В., Коняхин А.И., Мерсон А.Д. Определение условий соблюдения инвариантности измерения угла скручивания в оптико-электронных автоколлимационных системах // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. – СПб: СПбГУ ИТМО, 2010. – № 3 (67). – С. 129.

3. Коняхин И.А., Копылова Т.В. Трехкоординатный оптико-электронный Победители конкурса Университета на лучшую научно-исследовательскую автоколлиматор с увеличенной чувствительностью измерения угла скручивания // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. – СПб: СПбГУ ИТМО, 2010. – № кафедра измерительных технологий и компьютерной томографии, УДК RPR.PPHR1T.61R.R

РЕШЕНИЕ ОБРАТНОЙ ЗАДАЧИ СПЕКТРОСКОПИИ

МЕТОДОМ РЕГУЛЯРИЗАЦИИ

Научный руководитель – д.т.н., профессор В.С. Сизиков НИР №39122 по гранту РФФИ №09-08-00034а «Новые алгоритмы восстановления искаженных изображений в технических системах обработки информации».

Измеренный спектр u (n ) (зависимость интенсивности излучения u от частоты n ) обычно отличается от истинного спектра z (n) большей сглаженностью (неразрешены близкие линии – результат воздействия аппаратной функции (АФ) спектрального прибора K (n, n) ) и зашумленностью (слабые линии «тонут» в шуме) [1]. Требуется решить обратную задачу спектроскопии – восстановить спектр z (n) по известному измеренному спектру u (n ) и АФ K (n, n).

В случае непрерывного спектра восстановление истинного спектра описывается интегральным уравнением (ИУ) Фредгольма I рода относительно z (n ) [1, 2]:

Задача решения ИУ (1) является некорректной, поэтому необходимо применение регулярных методов, например, метода регуляризации Тихонова [1, 2].

В случае дискретного спектра, когда искомый спектр z (n) состоит из отдельных почти монохроматических спектральных линий, характеризуемых их частотами nj и интенсивностями z j, задача описывается системой линейно-нелинейных уравнений (СЛНУ), поскольку часть неизвестных ( z j и фон F ) входит линейно, а часть ( nj ) – нелинейно [1, 3]:

Весьма эффективным является решение СЛНУ (2) с помощью алгоритма интегральной аппроксимации [1, 3].

В рамках системы MatLab разработано программное обеспечение для восстановления спектров и выполнено решение модельных примеров, в которых Победители конкурса Университета на лучшую научно-исследовательскую O выпускную квалификационную работу магистров истинные спектры z (n) содержат близкие, а также слабые линии, которые в измеренных спектрах u (n ) не разрешаются (рисунок).

Рисунок. Восстановление непрерывного (а) и дискретного (б) спектров 1 – истинный спектр; 2 – измеренный спектр; 3 – восстановленный спектр В восстановленных спектрах все спектральные линии разрешились, что говорит об эффективности примененных методик. В результате имеет место повышение разрешающей способности спектрометра путем математико-компьютерной обработки спектров.

Сизиков В.С. Обратные прикладные задачи и MatLab. – СПб: Лань, 2011.

Сизиков В.С., Кривых А.В. Использование способа моделирования при решении обратной задачи спектроскопии методом регуляризации // Изв. вузов.

Приборостроение, 2011. – Т. 54. – № 9.

Кривых А.В., Сизиков В.С. Обработка дискретных спектров с помощью алгоритма интегральной аппроксимации // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО, Победители конкурса Университета на лучшую научно-исследовательскую Факультет оптико-информационных систем и технологий, кафедра оптико-электронных приборов и систем, группа УДК 681.T

ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ

ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ПОРШНЯ В ЦИЛИНДРЕ КЛАПАНА

Научный руководитель – к.т.н., доцент А.А. Горбачев Грант Правительства Санкт-Петербурга № 3.5/25-05/002; государственные контракты № П695, №П1319, № 02.740.11.0169.

В работе была разработана и исследована оптико-электронная система для измерения линейных перемещений поршня в цилиндре клапана (ОЭСИЛП). В настоящее время существует достаточно большое количество оптико-электронных система (ОЭС), позволяющих контролировать линейные перемещения [1, 2]. Однако большинство из существующих систем позволяют определять величину перемещения в стационарном режиме. А для решения задачи измерения перемещений поршня в цилиндре клапана необходима возможность работы именно в динамических условиях.

После проведения обзора существующих методов и средств для бесконтактного измерения линейных перемещений, был сделан вывод об актуальности создания такой ОЭС, которая бы применялась для измерений параметров движения объектов в труднодоступных местах и в динамических условиях, обладая при этом ограниченными габаритными размерами. Таким образом, была поставлена задача исследований, а именно: разработать систему, удовлетворяющую техническому заданию; провести аналитические и экспериментальные исследования точностных характеристик данной системы.

На рис. 1 представлен макет видеоблока разработанной системы [3].

Рис. 1. Общий вид ОЭСИЛП (а); вид ОЭСИЛП в разрезе (б) В процессе работы были рассмотрены различные варианты структуры построения измерительного канала, разработана оптическая схема системы, а также Победители конкурса Университета на лучшую научно-исследовательскую OP выпускную квалификационную работу магистров проанализированы возможные виды контрольных меток, с помощью которых проводятся измерения. В результате проведенного анализа, было решено использовать пассивную метку в виде сферического отражателя. Однако при ее эксплуатации следует учитывать возникающую погрешность.

Для проведения экспериментальных исследований был разработан лабораторный стенд, представленный на рис. 2.

Лабораторный стенд включает видеоблок 1, моторизованную подвижку 2, имитирующую перемещающийся поршень, контрольную метку 3, компьютер 4 с программой обработки изображения, блок 5 питания подвижки и блок 6 питания источников излучения. Стенд полностью автоматизирован.

С помощью данного лабораторного стенда были проведены экспериментальные исследования, которые показали что погрешность, возникающая при использовании сферического отражателя в качестве контрольной метки, составляет 0,05 мм, однако данную погрешность можно устранить на этапе калибровки системы. Также было определено влияние нестабильности работы блока питания источников излучения на погрешность измерения перемещения.

Необходимость проверки работоспособности подвижных элементов оборудования возникает постоянно. Обычно подвижные элементы располагаются в труднодоступных местах, и проконтролировать их работу контактным способом во время движения не представляется возможным. Однако разработанная система способна решать подобные задачи, а именно – наблюдать в реальном времени за протекающими процессами, автоматизировать процесс снятия данных, реализовать оперативное и точное измерение бесконтактным способом и повысить достоверность получаемых данных. Данная система может найти широкое применение во всех отраслях промышленности, а также в области компьютерного зрения.

Анисимов А.Г., Коротаев В.В., Кулешова Е.Н. О возможности адаптации теории распределенных измерительных систем к оптико-электронным системам // Приборостроение, 2010. – № 7. – С. 86.

Горбачев А.А., Коняхин И.А., Мусяков В.Л., Тимофеев А.Н., Исследование особенностей построения инвариантных оптико-электронных систем с единым матричным полем анализа // Оптический журнал, 2007. – Т. 72. – № 12. – С. 24–29.

Победители конкурса Университета на лучшую научно-исследовательскую Горбачев А.А., Кулешова Е.Н. Исследование влияния формы сферического отражателя на точность измерения перемещений поршня в цилиндре клапана // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО, 2010. – 6 (70). – С. 12–16.

Факультет оптико-информационных систем и технологий, кафедра оптико-электронных приборов и систем, группа УДК 681.T

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОГРЕШНОСТЕЙ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЙ НАСАДКИ

ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫМИ МАШИНАМИ

Научный руководитель – к.т.н., ст.н.с. А.Н. Тимофеев НИР № 18006 Г.Р. № 01200804817; НИР № 390142 (Государственный контракт № П1112).

В настоящее время в разных отраслях промышленности требуется автоматизация технологических процессов. При этом повышаются требования к точности измерительных приборов.

Частным примером является задача позиционирования рабочих элементов машин при проведении строительных работ, где точность определяет качество проводимых работ, поэтому системы контроля позиционирования рабочих органов строительных и землеройных машин играют важную роль при решении этих задач. В мелиоративных работах такие системы используются, прежде всего, для планировки земляных участков, которые готовятся под сплошной залив водой, в строительстве эти системы необходимы при укладке асфальтовых или бетонных площадок, монтаже междуэтажных перекрытий, при строительстве дорог, насыпей, каналов и т.д.

Часто решение этих проблем в указанных отраслях необходимо осуществлять на существенных дистанциях. При этом инструментальная средняя квадратическая погрешность измерений должна составлять не более десятых долей миллиметра в сочетании с малым энергопотреблением и широким диапазоном контроля.

Целью работы являлась разработка и исследование погрешностей оптикоэлектронной насадки на теодолит для управления строительными машинами при планировке поверхности по заданному уклону. Задача состоит в снижении аппаратной погрешности оптико-электронной насадки на теодолит (ОЭН) с оптической равносигнальной зоной (ОРСЗ) [1].

Были определены погрешности, наиболее сильно влияющие на точность позиционирования в системах такого класса: величина разделительной границы формирователя ОРСЗ и погрешность от регулярной рефракции.

Уменьшение границы между рабочими гранями разделительного элемента ОЭН позволяет уменьшить линейный размер переходной зоны ОРСЗ и тем самым увеличить энергетическую чувствительность позиционирования рабочего органа машины [2].

Победители конкурса Университета на лучшую научно-исследовательскую O выпускную квалификационную работу магистров В оптической схеме ОЭН для уменьшения размера границы между двумя рабочими поверхностями призмы предлагается замена прямоугольной разделительной призмы, которая использовалась в системе ПУЛ-Н, на призму-куб 2 (рис. 1) с отражающим покрытием на половине гипотенузной грани. В этом случае граница нанесенного покрытия может быть выполнена с точностью до единиц микрон [3], в то время как в отражательной призме достигается минимальный размер притупления ребра между рабочими гранями не менее 5 мкм.

Рис. 1. Оптическая схема излучательного блока: 1 – каналы излучения (условно);

2 – призма куб; 3 – отражающее покрытие на половине гипотенузной грани Было определено, что наибольшую погрешность в работу систем c ОРСЗ вносит рефракция воздушного тракта. Для решения проблемы предложено применить двухволновой метод (рис. 2).

По отклонению базовых плоскостей, образованных излучением с длинами волн l и l2, определяется смещение, вызванное градиентом температуры. Зная величину смещения базовой плоскости для каждой длины волны, можем найти величину градиента температуры, таким образом определить погрешность для рабочей длины волны l и учесть ее в алгоритме работы системы:

Рассчитана оптическая схема ОЭНТ с учетом поставленных условий для снижения погрешности. Удалось значительно уменьшить погрешность от регулярной рефракции и снизить общую суммарную погрешность системы. Разработана конструкция прибора. Применение оптического элемента в виде описанной выше призмы-куба позволяет одновременно реализовать полихроматический метод для исключения погрешности от регулярной рефракции воздушного тракта при использовании RGB-светодиодов и увеличить энергетическую чувствительность системы к поперечным смещениям.

Данная разработка является перспективной для использования в работах с применением строительной техники в силу надежности работы, малого энергопотребления, дешевизны применяемых составляющих компонентов.

Победители конкурса Университета на лучшую научно-исследовательскую 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: СПбГИТМО (ТУ), 1998. – 238 с.

Коротаев В.В., Мараев А.А., Похитонов П.П., Тимофеев А.Н. Аппаратное снижение погрешности позиционирования в оптико-электронной насадке на теодолит ПУЛ-Н // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. – СПб:

СПбГУ ИТМО, 2009. – №5(63). – С. 5–9.

Кручинин Д.Ю. Фотолитографические технологии в производстве оптических шкал (сеток) // Оптический журнал, 2009. – Т. 76. – №2. – С. 71–73.

УДК RP6.O.M8P, RP6.6O9.T

МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ НЕСТАЦИОНАРНОГО ТЕПЛОВОГО ПОТОКА

И ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ПУТЕМ ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ

ИДЕНТИФИКАЦИИ

Научный руководитель – д.т.н., профессор Н.В. Пилипенко Теплофизические характеристики (ТФХ) материала существенно влияют на результат восстановления плотности теплового потока, однако значения ТФХ существенно различаются в зависимости от технологии получения материалов, а для неоднородных приемников теплового потока (ПТП) – известны лишь приблизительно.

Выход из создавшегося положения обычно заключается в прямой градуировке ПТП, в ряде случаев – на специальных стендах, создание которых требует значительных усилий.

В связи с этим, в работе предлагается использование перспективного метода учета ТФХ ПТП, заключающегося в постановке и решении комбинированной обратной задачи теплопроводности (ОЗТ) по одновременному определению ТФХ материала и плотности входящего в ПТП теплового потока.

Для решения поставленной задачи использован метод параметрической идентификации модели теплопереноса в ПТП, суть которого сводится к последовательному нахождению оптимальных оценок вектора искомых параметров с использованием алгоритма нелинейного рекуррентного фильтра Калмана по искомым параметрам [1].

В работе составлены дифференциально-разностные модели для одномерных приемников теплового потока типа вспомогательной стенки и полупространства, и приведены результаты имитационного моделирования по восстановлению плотности Победители конкурса Университета на лучшую научно-исследовательскую OT выпускную квалификационную работу магистров теплового потока и уточнению теплопроводности для различных материалов при различных типах внешнего воздействия (рисунок).

В работе представлен приближенный метод учета и априорного анализа основных методических погрешностей нестационарной теплометрии путем параметрической идентификации, основанный на обращении матрицы Грама (информационной матрицы Фишера), составляющими которой являются функции чувствительности измеряемых температур в ПТП [2].

Рисунок. Результаты восстановления плотности нестационарного теплового потока и теплопроводности образца из стекла (а) и стали (б): 1 и 2 – восстановленное В рамках выполнения государственного контракта № 02.740.11. проведено исследование применимости малоинерционного пленочного ПТП, конструкции Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики для восстановления нестационарных тепловых потоков.

Полученные в работе результаты позволяют утверждать о применимости разработанных методов расчета параметров нестационарной теплометрии. Материалы работы доложены на двух международных конференциях и опубликованы в пяти научных трудах.

Пилипенко Н.В., Сиваков И.А. Метод определения нестационарного теплового потока и теплопроводности путем параметрической идентификации // Измерительная техника, 2011. – №3. – С. 48–51.

Пилипенко Н.В., Сиваков И.А. Оценка погрешности восстановления теплового потока при параметрической идентификации с использованием матриц Грамма (тезисы) // Четвертая всероссийская конференция по проблемам термометрии «ТЕМПЕРАТУРА-2011». Тезисы докладов. – СПб, 2011. – С. 157.

Победители конкурса Университета на лучшую научно-исследовательскую Факультет компьютерных технологий и управления, кафедра электротехники и прецизионных электромеханических УДК 681.R8T.TP

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ХАРАКТЕРИСТИК СЛЕДЯЩИХ

ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ КОМПЛЕКСОВ ВЫСОКОТОЧНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ

С ТИПОВЫМИ СТРУКТУРАМИ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Научный руководитель – к.т.н., доцент В.С. Томасов Работа выполнена в рамках хоздоговорной темы № 29921.

В работе были рассмотрены методики синтеза цифровых систем управления следящих электроприводов комплексов высокоточных наблюдений (на примере электропривода азимутальной оси опорно-поворотного устройства телескопа траекторных измерений типа «Сажень») [1].

На современном этапе развития теории автоматического управления и теории электропривода известно множество алгоритмов управления, реализуемых в информационной подсистеме. Поэтому целью работы являлся сравнительный анализ и параметрический синтез типовых систем управления прецизионным электроприводом, позволяющие обоснованно предложить для практической реализации структуру системы управления электроприводом азимутальной оси и ее конкретные параметры [2].

В работе были синтезированы пять типовых систем управления, такие как:

- одноконтурная система регулирования положения;

- двухконтурная система регулирования положения с контуром скорости, настроенным на технический оптимум;

- двухконтурная система регулирования положения с контуром скорости, настроенным на симметричный оптимум;

- двухконтурная система регулирования положения c контуром скорости, настроенным из условия независимости длительности переходных процессов от параметров объекта управления;

- двухконтурная система управления положением с контуром скорости, содержащим эталонную модель.

Сравнительный анализ (рисунок) показал, что переходные процессы по задающему воздействию в рассматриваемых системах практически одинаковые и соответствуют настройке контура положения на «симметричный оптимум» с перерегулированием 45–55%. Однако, процессы сильно отличаются при парировании одинакового скачка возмущения – момента сопротивления типа «сухое трение».

В одноконтурной системе парирование возмущения происходит с большим провалом по углу, а время выхода на заданное значение обусловлено самой большой Победители конкурса Университета на лучшую научно-исследовательскую O выпускную квалификационную работу магистров постоянной времени системы Tм. По этой причине данная система управления не может быть применена для рассматриваемого объекта управления.

Двухконтурные системы с контуром скорости настроенным на «симметричный оптимум» и с контуром скорости, настроенным по методике Фрера [3], показывают наилучший результат при парировании возмущений, так как возникает небольшое отклонение от заданного значения углового положения, при этом время восстановления обусловлено лишь малой некомпенсированной постоянной времени настроенного контура положения. Среди этих двух систем предпочтение отдано двухконтурной системе с контуром скорости, настроенным по методике Фрера, так как при аналогичных характеристиках она требует при реализации на один ПИ-регулятор меньше. При этом обеспечивается второй порядок астатизма по задающему и возмущающему воздействиям.

Рисунок. Переходные процессы в системах с контуром положения, настроенным на Практическая реализация показала, что при подаче скачкообразного воздействия система отрабатывает его за время близкое к установленному 0,28 с (задано – 0,33 с) с перерегулированием 41% (задано – 43%). Неполное соответствие реакций реальной системы и реакции модели обусловлено тем, что момент сопротивления в реальной системе появляется сразу после начала движения, в отличие от модели, что подтверждается тем, что кривая управления не стремится к нулю после окончания переходного процесса. Наконец, опорно-поворотное устройство не является абсолютно жесткой конструкцией, что добавляет колебания на графике скорости. Реальная азимутальная ось отрабатывает линейно возрастающее задающее воздействие без статической ошибки, что является следствием обеспечения астатизма второго порядка по управлению.

Результаты работы планируется использовать при разработке и изготовлении электроприводов систем наведения телескопов траекторных измерений по заказам ОАО «НПК «СПП». Предложенные решения актуальны при разработке прецизионных быстродействующих электроприводов сложных многомассовых нагрузок.

Победители конкурса Университета на лучшую научно-исследовательскую Ильина А.Г. Синтез ЛКГ-регулятора прецизионного следящего электропривода телескопа траекторных измерений / Ильина А.Г., Тушев С.А., Ловлин С.Ю. // Изв. вузов. Приборостроение, 2011. – Т. 54. – № 6.

Тушев С.А., Ловлин С.Ю. Информационная подсистема цифрового электросилового при вода с компенсацией пульсаций момента вентильного двигателя // Сборник тезисов докладов конференции молодых ученых, Выпуск 2.

Труды молодых ученых. – СПб: СПбГУ ИТМО, 2011. – 397 с.

Фрер Ф. Введение в электронную технику регулирования / Фрер Ф., Орттенбургер Ф. – М.: Энергия, 1973.

Факультет компьютерных технологий и управления, кафедра систем управления и информатики, группа УДК 681.R

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДВУХКОЛЕСНОГО

БАЛАНСИРУЮЩЕГО РОБОТА

Научный руководитель – к.т.н., доцент А.С. Кремлев Грант «У.М.Н.И.К.» У-2010-2/11 «Мобильная система»; грант Правительства СанктПетербурга для студентов и аспирантов ВУЗов и Академических институтов, расположенных на территории Санкт-Петербурга.

Все исследования на эту тему сведены к стабилизации неустойчивого объекта.

Проекта с фундаментальной теоретической базой и созданной системой управления не только для стабилизации, но и для навигации найдено не было. Основным преимуществом предлагаемой системы управления является комплексная система управления балансирующим роботом, робастная к внешним ограниченным возмущениям, допускающая наличие структурных неопределенностей в объекте управления и способная обеспечивать автономную навигацию в пространстве.

Актуальность исследования заключается в возможности коммерческого использования результатов работы в современных двухколесных мобильных роботах и транспортных средствах как отдельного программного продукта.

Была разработана адекватная математическая модель, полностью описывающая балансирующую систему. На ее основе была синтезирована система управления для стабилизации робота LQR-методом, подразумевающего оптимизацию квадратичного функционала. Система управления движением была синтезирована на основе метода Последовательный компенсатор [1]. Было проведено компьютерное моделирование полученной системы. Дискретизация алгоритма управления позволила осуществить программную реализацию, которая была успешно апробирована (рисунок) в роботе LegoMindstorms NXT [2].

Победители конкурса Университета на лучшую научно-исследовательскую P выпускную квалификационную работу магистров Рисунок. Экспериментальная апробация системы управления Разработана математическая модель двухколесного балансирующего робота.

Синтезирована универсальная система управления, робастная к внешним ограниченным возмущениям и допускающая наличие структурных неопределенностей в объекте. Система управления апробирована в реальном техническом объекте.

Перерегулирование не превышает 10 процентов, а робот отклоняется не более чем на градусов.

Бобцов А.А., Шаветов С.В. Управление по выходу линейным параметрически неопределенным объектом в условиях возмущающих воздействий и неучтенной динамики // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО, 2011. – № 1. – C. 33–38.

Бобцов А.А., Капитанюк Ю.А., Капитонов А.А., Колюбин С.А., Пыркин А.А., Чепинский С.А., Шаветов С.В. Технология LEGO MINDSTORMS NXT в обучении студентов основам адаптивного управления // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО, 2011. – Вып. 71. – С. 103–108.

Лауреаты конкурса университета Eпобедители конкурса факультетов)

ЛАУРЕАТЫ КОНКУРСА УНИВЕРСИТЕТА

(ПОБЕДИТЕЛИ КОНКУРСА ФАКУЛЬТЕТОВ)

НА ЛУЧШУЮ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКУЮ

ВЫПУСКНУЮ КВАЛИФИКАЦИОННУЮ РАБОТУ

МАГИСТРОВ

Лауреаты конкурса университета Eпобедители конкурса факультетов) PP на лучшую научно-исследовательскую выпускную квалификационную работу магистров Инженерно-физический факультет, кафедра лазерных технологий и экологического приборостроения, группа УДК RPT.P1O.RX R44.RPTX 666.189.O4X 666.O66.RX 666.O66.T

ЛАЗЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МИКРОСТРУКТУР

НА ПОРИСТЫХ И КВАРЦОИДНЫХ СТЕКЛАХ

Научный руководитель – ст. преподаватель Г.К. Костюк В последние годы наметилась тенденция к созданию областей с измененными оптическими свойствами [1] и кристаллических областей при воздействии ФС лазеров с высокой плотностью энергии на поверхность и на объем пластин стекла различного состава. Из работ, которые ведутся в данном направлении, известно, что процесс изменения оптических свойств на поверхности и в объеме материала связан со значительным вкладом энергии. Также известно, что вклад энергии лазерного излучения может быть уменьшен сочетанием использования энергии непрерывного лазерного излучения и энергии химического травления [2].

В работе было проведено исследование формирования микроструктур в виде полосковых волноводов, областей с измененными оптическими свойствами и кристаллических областей под воздействием лазерного излучения на поверхности стекла. Эти области и микроструктуры необходимы в интегральной оптике, микроэлектронике, в качестве нелинейных структур, для создания микрорельефа, микрофлюидных чипов и т.д. Исследования проходили на базе двухфазных фазоворазделенных щелочноборосиликатных; пористых стекол (ПС), полученных путем химического выщелачивания в кислоте двухфазного стекла [1] и кварцоидных стекол (продукта спекания пористого стекла до полного закрытия пор).

Одной из задач исследования являлось изучение процесса создания областей с измененными оптическими свойствами и кристаллических областей на двухфазных и пористых стеклах с использованием излучения, не поглощаемого стеклом. Для этого было использовано низко-интенсивное лазерное излучение видимого диапазона спектра [2]. В работе были исследованы свойства сформированных микроструктур и областей оптическими методами, а также возможность их сохранения после спекания ПС в печи до получения кварцоидного стекла [1].

Одним из направлений работы являлось также изучение фотохромных кварцоидных стекол (ФХКС). ФХКС – это пористые высококремнеземные стекла, импрегнированные (пропитанные) светочувствительной фазой из солевых растворов [3]. Затем продукт подвергался спеканию вплоть до закрытия пор. ФХКС – перспективный материал, который применяют в нанобиотехнологиях, сенсорике, фотонике, в частности, благодаря возникновению плазмонного резонанса при поглощении света наночастицами серебра, заключенными в диэлектрическую матрицу.

В ходе исследования была поставлена и решена задача записи и стирания микроструктур на поверхности ФХКС. Для ее достижения был осуществлен подбор Лауреаты конкурса университета Eпобедители конкурса факультетов) режимов окрашивающего и обесцвечивающего лазерного излучения, обеспечивающего оптимум выявления фотохромных свойств материала и его оптических характеристик.

На всех этапах исследования было получено соответствие результатов экспериментальным данным из литературы. Основные результаты изложены в статье и на конференциях.

Антропова Т.В. Особенности формирования планарных микрооптических элементов на подложках из пористого стекла под действием лазерного излучения и последующего спекания / Т.В. Антропова [и др.] // Физика и химия стекла. – 2011.

– Т. 37. (В печати).

Гирсова М.А. Лазерно-индуцированная кристаллизация поверхности боросиликатных стекол при их химическом травлении / М.А. Гирсова, М.М. Сергеев // Тезисы докладов XI Молодежной научной конференции Института химии силикатов им. И.В. Гребенщикова РАН. – СПб, 2010. – С. 37–39.

Цехомская Т.С. Фотохромные кварцоидные стекла, активированные хлоридом серебра / Т.С. Цехомская [и др.] // Физика и химия стекла. – 1992. – Т. 18. – № 1. – С. 130–138.

Факультет оптико-информационных систем и технологий, кафедра прикладной и компьютерной оптики, группа УДК 681.T.M6T.OT

СВЕТОСИЛЬНЫЙ E1:1,O) КИНОСЪЕМОЧНЫЙ ОБЪЕКТИВ

Научный руководитель – д.т.н., профессор М.Н. Сокольский В настоящее время для пленочного и цифрового кинематографа ведущими зарубежными оптическими предприятиями (такими как Carl Zeiss, Cooke, Leica, Panavision, Fujinon, Red), а также отечественными предприятиями (Оптика – Элит, ОАО «ЛОМО») выпускаются разнообразные особосветосильные объективы [1].

Особенностями таких объективов являются: светосила 1:1,2; большой задний отрезок для использования объективов в пленочных камерах с обтюраторами; высокое качество изображения по всему полю.

Конструкции подобных объективов весьма сложные и многолинзовые. При их проектировании встает задача создания оптимальных оптических схем, минимизированных по габаритам, количеству оптических компонентов.

Применение для этих целей асферических поверхностей позволяет получить требуемые оптические параметры при их наилучшей конструкции.

Лауреаты конкурса университета Eпобедители конкурса факультетов) P на лучшую научно-исследовательскую выпускную квалификационную работу магистров В работе была рассмотрена методика расчета особосветосильных объективов и приводен пример расчета объектива с относительным отверстием 1:1,2, f =35 мм для кадра 18,624,5 мм.

Известны методы расчета светосильных объективов, предложенные профессорами Г.Г. Слюсаревым [3], М.М. Русиновым [2], Д.С. Волосовым.

При расчете объектива был использован метод разделения коэффициентов аберраций в области аберраций 3-го порядка профессора Д.С. Волосова, который включает в себя: 1) разделение коэффициентов аберраций всей системы по ее составляющим сложным компонентам («половинкам»); 2) расчет «половинки»

самостоятельно, с последующим образованием сложной системы.

Из теории аберраций известно [4], что число независимых монохроматических аберраций (2t+1)-го порядка определяется в разложении Шварцшильда по формуле (1) [4]:

В особосветосильных объективах присутствуют аберрации третьего, пятого и седьмого порядков. Поэтому такие объективы – многолинзовые. Например, для объектива с f =35 мм, 1:1,2 со сферическими поверхностями достаточно 11 линз, выполненных в виде 2-х компонентов, разделенных воздушным промежутком. Для уменьшения количества линз, например, до 8 необходимо ввести асферические поверхности.

На первом этапе исследований была получена система, состоящая из восьми линз со сферическими поверхностями, с относительным отверстием 1:1,1, f =35,1. В системе наблюдается кома внеосевых пучков и большая сферическая аберрация.

На втором этапе исследования изучалось влияние введения асферики 2-го порядка на поверхности. Показано, что наивысший контраст изображения наблюдается при введении асферизации на 13, 14 поверхностях второй половинки объектива (таблица).

Таблица. Контраст получаемого изображения в центре поля и на краю 8 линз, 2 асф.

Лауреаты конкурса университета Eпобедители конкурса факультетов) Контраст изображения, получаемого системой из 8 линз с двумя асфериками (на 13 и 14 поверхности) приближен к контрасту, получаемому при использовании системы с 11 линзами без асферических поверхностей.

Параметры объектива соответствуют следующим значениям: виньетирование на краю поля зрения (у=12,25 мм) – 56,62%; задний отрезок, обеспечивающий установку обтюратора – 34,228 мм; диаметр передней линзы объектива – 48 мм; дисторсия (для края поля у=15,4 мм) – 3%; вес оптических компонентов по световым диаметрам – 126 г.

Таким образом, была получена система, состоящая из восьми линз с применением двух асферических поверхностей. Конструкция новой системы позволила: уменьшить габариты системы; при заданном фокусе получить необходимое относительное отверстие;

уменьшить влияние аберраций и повысить контраст получаемого изображения.

Справочник по кинооборудованию. Объективы для кинематографа // Техника и Русинов М.М. Техническая оптика. – Л.: Машиностроение, 1979.

Слюсарев Г.Г. Методы расчета оптических систем. – Л.: Машиностроение, 1969.

Современные методы расчета и проектирования оптических систем // Труды ГОИ, т. XXXVII. – Вып. 167. – Л.: Машиностроение, 1970. – 256 с.

УДК MM4.T

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ МОБИЛЬНОГО

ОБЪЕКТА В БЕСПРОВОДНЫХ СЕНСОРНЫХ СЕТЯХ

Научный руководитель – д.т.н., профессор А.А. Ожиганов В настоящее время задача определения местоположения мобильного объекта становится все более актуальной в самых различных прикладных областях. Решающие эту задачу системы позиционирования реального времени (Real Time Location System – RTLS) уже широко распространены на рынке современных информационноуправляющих систем. Достаточно перспективной технологией для построения подобных систем являются Беспроводные Сенсорные Сети (БСС), в основу которых заложены принципы самоорганизации и адаптивности к изменениям условий их эксплуатации.

Целью работы являлось исследование различных методов позиционирования мобильных объектов, применяемых в БСС. Работа была проведена в рамках проекта по созданию системы управления мобильными объектами на базе аппаратно-программной платформы iNode и специализированной операционной системы TinyOS (название системы – MOCS: Mobile Objects Control System).

Исследовательская часть состояла из следующих этапов:

Лауреаты конкурса университета Eпобедители конкурса факультетов) PT на лучшую научно-исследовательскую выпускную квалификационную работу магистров обзор технологии беспроводных сенсорных сетей, обоснование ее актуальности в решении задач позиционирования мобильных объектов, рассмотрение и сравнение основных сетевых стандартов;

2. изучение основных подходов к позиционированию мобильных объектов, а именно методов определения расстояния между приемопередатчиками и алгоритмов вычисления координат, сравнение рассмотренных методов, главным образом, с точки зрения их применимости в закрытых пространствах;

3. описание разрабатываемой системы управления мобильными объектами на основе БСС, выявление требований к ее подсистеме позиционирования с точки зрения точности, надежности и стоимости, а также особенностей мобильных объектов;

4. экспериментальные исследования выбранных методов определения местоположения на реальном оборудовании, анализ и обсуждение полученных результатов;

5. предложение подходов к комбинированию методов позиционирования, обоснование актуальности этой идеи, анализ и сравнение выдвинутых вариантов.

В результате таких исследований:

1. аналитически определены сетевые стандарты и методы позиционирования объектов, в наибольшей степени подходящие для решения задачи определения местоположения мобильного объекта в закрытом помещении;

2. исследованы (аналитически и практически) выбранные методы, а именно ультразвуковая дальнометрия и анализ мощности принятого сигнала, определена их примерная точность в описанной предметной области, проанализирована их надежность и стоимость;

3. обоснован и предложен подход к комбинированию исследованных методов, а также в общем виде описана архитектура системы управления мобильными объектами на основе БСС и предложенных подходов.

Работа обладает большой практической ценностью, поскольку в ней рассматривались вопросы позиционирования объектов в БСС – новом классе информационно-управляющих систем и сетей, получающем все большее распространение в самых различных областях человеческой деятельности, в частности в актуальных задачах определения местоположения мобильного объекта.

Предложенный в работе комбинированный подход может быть доработан и внедрен на контроллеры БСС без крупных затрат на аппаратное обеспечение. В свою очередь, сенсорная сеть, использующая такой подход, может эффективно решать задачу позиционирования мобильных объектов в ряде предметных областей. Ценность для дальнейших исследований особо представляет реализация исследованных методов на платформе iNode (рисунок), что фактически подразумевает выполнение одного из этапов проекта по созданию системы управления мобильными объектами.

Рисунок. Экспериментальная аппаратно-программная платформа iNode Лауреаты конкурса университета Eпобедители конкурса факультетов) Дальнейшее развитие проекта также имеет большую научно-практическую и, возможно, коммерческую ценность. Наконец, систематизированная в работе информация о технологиях и стандартах БСС может найти применение в учебных курсах по сетевым встроенным системам.

1. Van de Goor, Martin. Indoor Localization in Wireless Sensor Networks // Master’s Thesis, Netherlands, 2009.

Киров Д.А. Применение имитационных моделей для исследования характеристик беспроводных сенсорных сетей // Сборник трудов молодых ученых и сотрудников кафедры ВТ. – СПб: СПбГУ ИТМО, 2011. – С. 60–64.

Киров Д.А. Анализ методов позиционирования в беспроводных сетях // Сборник тезисов докладов конференции молодых ученых, Выпуск 1. Труды молодых ученых. – СПб: СПбГУ ИТМО, 2011. – С. 107–108.

Киров Д.А., Упрямов Ю.В., Борисов Н.А., Кашунин Р.А. Оценка эффективности протоколов канального уровня беспроводных сенсорных сетей при решении задачи управления мобильными объектами // Молодые ученые – промышленности СевероЗападного региона: материалы конференций политехнического симпозиума. – СПб:

Изд-во Политехн. ун-та, 2010. – С. 135–136.

УДК 6O1.P

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ СКВАЖИННОГО ПРИБОРА

Научный руководитель – к.т.н., доцент М.А. Ноздрин В работе была разработана новая система электронного управления для звуколокационном измерительном комплексе совместно с наземной аппаратурой.

Прибор применяется для измерения размеров подземных полостей при подземной добыче полезных ископаемых, устройстве подземных газо- и нефтехранилищах и различных шахт расположенных на глубине до 2 км при повышенной температуре [1].

Эффект от применения этого прибора в повышении надежности, качества, производительности труда, улучшении экологических показателей [3].

Существовавшая система электроники устарела и не соответствует предъявляемым к нему требованиям. Система, не имеет возможности управления двумя шаговыми электродвигателями, имеет только одну частоту генерации и приема ультразвукового сигнала. Использование нескольких частот ультразвука увеличивает точность диапазона измерений [2]. Измерение расстояния производится только на одной частоте. Использование аналоговой линии связи увеличивает погрешность Лауреаты конкурса университета Eпобедители конкурса факультетов) P на лучшую научно-исследовательскую выпускную квалификационную работу магистров измерения. Имеет ограниченное количество команд, и нет возможности для передачи данных цифровых данных. Нет датчика вращения роторов двигателей. Сложность дальнейшей модернизации из-за ограниченных ресурсов микроконтроллера и ограниченного количество портов ввода-вывода. Для решения необходимо обеспечить передачу данных, как к скважинному прибору, так и от него. И обеспечить наращивание системы электроники без изменения существующих систем.

Разработанная система свободна от перечисленных недостатков. Она имеет цифровую линию связи с наземным блоком. Она обеспечивается приемопередатчиками токовой петли по специальному протоколу с контролем ошибок. Что позволяет легко и точно передавать команды и денные. Имеет модульную структуру – каждая отдельная функция выделена в отдельный функциональный блок. Блоки объединены в систему с помощью специальной внутренней шины. При дальнейшей модернизации требуется изменение только одного из блоков и изменение программы управления для использования добавленных функций измененного или добавленного блока.

Дальнейшее развитие связано с изучением гироскопов различного типа для установки в скважинный прибор. Разработка с использованием созданной системы электроники блока гирокомпаса, основанного на использовании изученного гироскопа.

Данный блок позволит использовать данный прибор для обмера частично экранированных с сильными искажениями магнитного поля Земли и не дающих возможности для ориентирования подземных полостей.

Ивакин Б.Н., Карус Е.В., Кузнецов О.Л. Акустический метод исследования скважин. – М.: Недра, 1987. – 320 с.

Казаковский Д.А., Гурич А.А., Кротов Г.А. Звуколокационная съемка горных выработок. – М.: Недра, 1973. – 248 с.

Электронный ресурс. www.geolib.ru Естественнонаучный факультет, кафедра высшей математики, УДК R1T.O

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТИ,

ВЫЗВАННОГО СТОКСЛЕТОМ, В НАНОКОНУСЕ

Научный руководитель – д.ф.-м.н., профессор И.Ю. Попов Грант РФФИ № 11-08-00267-а, проект 2.1.1/4215 в рамках программы «Развитие научного потенциала Высшей школы России».

В настоящее время в области наногидродинамики интенсивно ведутся исследования течения жидкости в нанотрубках, представляющих собой наноконусы. С Лауреаты конкурса университета Eпобедители конкурса факультетов) математической точки зрения, наноконус приближается моделью конуса, у которого в некоторой точке на оси находится точечная сила, «стокслет», бесконечно малая область пространства, приводящая в движение жидкость. Стокслет задается тензором Озеена и отвечает полю скоростей. Ранее было получено решение задачи об осесимметричном течении вязкой несжимаемой жидкости через конический диффузор [1]. Также было исследовано движение жидкости в конусе вследствие вращения сферы с некоторой угловой скоростью [2]. Позже были получены численные результаты для задачи о ползущем осесимметричном течении жидкости в закрытом движущемся конусе при вращении сферы [3].

В связи с возникшим интересом к движению жидкости в наноконусах была поставлена задача исследования осесимметричного ползущего течения, вызванного стокслетом, расположенном на оси бесконечного правильного конуса. Она возникает, в частности, при описании течения в наноконусе.

В работе была найдена cтоксова функция тока, компьютерным моделированием получены картины течения, выявлена его вихреобразная структура (рисунок).

Рисунок. Течение под воздействием стокслета, расположенного в конусе с раствором Интересно провести исследование для условий частичного проскальзывания, чаще используемых при расчете течений в наноразмерных областях. Важно найти физические и химические приложения результатов, в частности, к реализации химических нанореакторов.

Хаппель Дж. и Бреннер Г. Гидродинамика при малых числах Рейнольдса – PrenticeHall; Engle-wood Cliffs, N.J, 1965. – М.: Мир. – 1976. – 630 с.

2. Kim M.U. Slow viscous rotation of a sphere on the axis of a circular cone // J. Korean Phys. Soc., 1977. – V. 10(2). – Р. 54–58.

3. Lecoq N., Masmoudi K., Anthore R. and Feullebois F. Creeping motion of a sphere along the axis of a closed axisymmetric container // J. Fluid Mech, 2007. – V. 585. – Р. 127– Лауреаты конкурса университета Eпобедители конкурса факультетов) на лучшую научно-исследовательскую выпускную квалификационную работу магистров Инженерно-физический факультет, кафедра КТФиЭМ, УДК RP6.O.M8P

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ

ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ЗДАНИЙ

Научный руководитель – к.т.н., доцент В.А. Кораблев Важным физическим параметром материалов, из которых сделаны ограждающие конструкции зданий, является их теплопроводность. К сожалению, теплопроводность ограждающих конструкций не всегда известна и, например, для проведения энергоаудита здания ее приходится измерять. Согласно ГОСТ 26254- продолжительность измерений в натурных условиях эксплуатации должна составлять не менее 15 суток. Данное требование обосновано необходимостью обеспечения внутри ограждающей конструкции стационарного температурного поля. Очевидно, что такие длительные эксперименты весьма трудозатратны. Известные нестационарные методы слабо применимы в натурных условиях и требуют знания дополнительных свойств материала, например, плотности и теплоемкости. Результатом данной работы является метод, позволяющий быстро определять теплопроводность ограждающих конструкций, опираясь на измеренные значения температур и тепловых потоков.

Для математического моделирования задачи были приняты следующие условия.

Дано начальное распределение температуры по толщине h пластины в виде некоторой функции t(х,0), условно примем, что распределение равномерное и равно нулю:

t(х,0)=t0=0. В начальный момент времени =0, температура одной из ограничивающих поверхностей (например, грань с x=h) мгновенно изменяется на величину tп и сохраняется постоянной, а температура другой грани (x=0) принудительно поддерживается на начальном уровне t(0,)=t0=0. Необходимо найти распределение температуры по толщине пластины и расход тепла в любой момент времени. Таким образом, задача описывается дифференциальным уравнением теплопроводности для плоской стенки при граничных условиях первого рода. Анализ решения [1] данного уравнения показал, что полусумма потоков q(0,) и q(h,) проходящих через грани пластины становится постоянной при значении критерия Fo=a/h2>0,1, где a – температуропроводность стенки, что значительно раньше момента наступления стационарного режима (рисунок).

Лауреаты конкурса университета Eпобедители конкурса факультетов) Рисунок. Тепловые потоки, пронизывающие пластину и их полусумма Этот факт позволяет предложить способ определения теплопроводности с помощью формулы l = 1. Для того, чтобы воспользоваться данной формулой, необходима установка, которая представляет собой две термостатируемые плиты, установленные по разные стороны исследуемого объекта, в плиты встроены датчики температуры и теплового потока. Экспериментальное исследование полученной зависимости проводилось на одном эталонном (оптическое стекло ЛК-5) и двух строительных материалах (фрагмент кирпичной кладки и экструдированный пенополистирол). Результаты экспериментов показали, что с помощью полученной зависимости можно достоверно определять теплопроводность ограждающих конструкций, строительных и других материалов.

В результате выполненной работы был разработан метод определения теплопроводности, собрана экспериментальная установка, проведены эксперименты, оформлена заявка на получение патента.

Платунов Е.С., Баранов И.В., Буравой С.Е., Курепин В.В. Теплофизические измерения: Учеб. Пособие / Под ред. Е.С. Платунова. – СПб: СПбГУНиПТ, 2010. – кафедра электротехники и прецизионных электромеханических 140600 Электротехника, электромеханика и электротехнологии УДК 6O1.P14.R: 681.RPT

ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕХФАЗНЫХ АКТИВНЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ

НАПРЯЖЕНИЯ В СИСТЕМАХ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО

ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Научный руководитель – к.т.н., доцент П.А. Борисов Договор №29921 на выполнение ОКР по теме «Разработка РКД и изготовление цифрового электросилового привода телескопа ТИ-3.12» СЧ ОКР «Стажер-СП».

Лауреаты конкурса университета Eпобедители конкурса факультетов) 4P на лучшую научно-исследовательскую выпускную квалификационную работу магистров В системах автоматизированного электропривода за счет применения выпрямителей на полностью управляемых ключах можно добиться увеличения к.п.д., поскольку широтно-импульсные преобразователи на их основе позволяют рекуперировать в первичный источник энергию вращающихся частей машины, а также улучшить форму потребляемого из сети тока и, соответственно, энергетические показатели. На сегодняшний день ведущие зарубежные и отечественные производители устройств преобразовательной техники идут по пути создания активных выпрямителей напряжения для систем электропривода средней и большой мощности.

В работе рассматриваются вопросы энергетической эффективности и преобразователей на основе активных выпрямителей напряжения систем электропривода.

Для описания электромагнитных процессов в системах переменного тока используются следующие системы координат [1]: неподвижная ортогональная система координат ; вращающаяся с произвольной угловой скоростью wk ортогональная система координат XY. Если принять, что iX и iY – соответственно активная и реактивная составляющие обобщенного вектора сетевого тока и система синхронизирована относительно синусоиды ЭДС фазы А, то получим систему уравнений:

Преобразование двухфазной неподвижной системы координат к трехфазной в этом случае осуществляется в соответствии с выражениями (преобразования Кларка):

С помощью преобразования координат появляется возможность управлять активным выпрямителем напряжения раздельно по проекциям iX и iY обобщенного вектора сетевого тока. Положительным значениям iX соответствует режим потребления энергии из первичной сети, отрицательным – режим рекуперации.

Значительный интерес практического плана представляет рассмотрение двухзвенного преобразователя, состоящего из активного выпрямителя и автономного инвертора со звеном постоянного тока, и построение системы его управления.

В рамках работы был создан комплекс математических моделей, позволяющих исследовать процессы в системе «питающая сеть переменного тока – активный выпрямитель – силовой фильтр-инвертор с синусоидальной ШИМ-электропривод» с возможностью изменения параметров регуляторов системы автоматического регулирования. Блоки измерения полной мощности S и ее составляющих: P – активной, Q – реактивной, Т – искажения, а также блок вычисления показателей качества энергопотребления [2] позволяют установить зависимости энергетических показателей и электромагнитных нагрузок на элементы оборудования от параметров и режима работы системы электропривода.

На основе полученных моделей была разработана и исследована модель «питающая сеть переменного тока – активный выпрямитель – силовой фильтр – инвертор с синусоидальной ШИМ – трехсекционный вентильный двигатель», учитывающая параметры электропривода азимутальной оси опорно-поворотного устройства СМ-638, телескопа траекторных измерений Алтайского оптико-лазерного центра ОАО «НПК «СПП». Диаграммы мощностей и показателей качества энергопотребления этой системы приведены ниже (рисунок).

Лауреаты конкурса университета Eпобедители конкурса факультетов) Рисунок. Диаграммы мощностей: полная мощность S (ВА); активная мощность P(Вт);

реактивная мощность Q(ВАр); мощность искажений T(ВА) (а); энергетические показатели качества электромагнитных процессов: коэффициент мощности;

коэффициент сдвига; коэффициент гармоник (б) Энергия рекуперации в данной системе невелика, однако рекуперативные процессы в системе с неуправляемым выпрямителем приводят к возникновению на конденсаторе напряжения, троекратно превышающее номинальное. Активный выпрямитель стабилизирует напряжение на заданном уровне. Следует отметить и улучшение энергетических показателей системы. Применение активного выпрямителя напряжения позволило уменьшить полную мощность за счет уменьшения реактивной составляющей. Коэффициент мощности увеличивается на 5–10% в номинальных режимах работы.

Борисов П.А. Моделирование системы управления трехфазным активным выпрямителем напряжения с преобразованием координат / Борисов П.А., Поляков Н.А., Киреев А.А. Известия Тульского государственного университета, технические науки, 2010. – Вып. 3. – Ч. 2. – С. 59–64.

Борисов П.А. Определение составляющих полной мощности энергоподсистем электротехнических комплексов / Борисов П.А., Томасов В.С. – Exponenta Pro.

Математика в приложениях, 2004. – № 1. – С. 40–44.

Лауреаты конкурса университета Eпобедители конкурса факультетов) на лучшую научно-исследовательскую выпускную квалификационную работу магистров Естественнонаучный факультет, кафедра высшей математики, УДК R19.OP4.P

СТАТИСТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КЛАССИФИКАТОРОВ