CC BY
15
Лесин Андрей Богданович, магистр, 228lesiv@gmail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского
METHOD FOR ESTIMATING THE EFFICIENCY OF A QUANTUM-OPTICAL MEDIUM IN THE COMPOSITION OF A DISTRIBUTED GROUND NETWORK
А.А. Zakutaev, A.V. Emelyanov, A.B. Lesiv
The analysis of the features of the functioning of ground-based quantum-optical data transmission facilities along the "earth-to-space" line. Method for estimating the efficiency of quantum optical systems in the composition of a distributed ground network. A method is proposed for evaluating the efficiency of ground-based quantum optical system as part of a distributed ground constellation that transmit data to the spacecraft, taking into account the distribution of cloud formations in the area of their location. The issues of application of the proposed method for an arbitrary composition of the ground constellation of quantum optical systems and space systems are considered.
Key words: quantum optical system, efficiency, power transmission, distributed network.
Zakutaev Alexander Alexandrovich, head of laboratory of Military institute (research), zakutaev.aamail.ru, Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy of Mozhaisky,
Emelyanov Alexander Vladimirovich, head of laboratory of Military institute (research), slashla inbox.ru, Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy of Mozhaisky,
Lesiv Andrey Bogdanovich, master, 228lesiv@gmail.ru, Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy of Mozhaisky
УДК 681.23 DOI: 10.24412/2071-6168-2021-6-113-119
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ ЗОНД ДЛЯ ТОМОГРАФИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Е.Е. Майоров, А.А. Сорокин, В.П. Пушкина, С.В. Удахина, В.Б. Коцкович, А.В. Арефьев
Исследуется возможность использования автоматизированного низкокогерентного оптического зонда в исследовании инородных тел в подповерхностном слое кожного покрова человека in vivo. Показаны актуальность и перспективность применения, автоматизированного низкокогерентного оптического зонда, так как измерения можно проводить с высокой точностью. В работе определен объект исследования (область шеи с повреждением и без повреждения), а также приведена оптическая схема автоматизированного оптического зонда. Получены результаты исследований в мягких биотканях человека in vivo на глубине до 0,5 мм с разрешением 10 мкм. Представленные распределения коэффициента отражения K по глубине кожного покрова получены в результате усреднения измерений в 2000 точках поверхности участка кожи диаметром 4 - 5 мм.
Ключевые слова: оптический зонд, длина когерентности, томография, источник белого света, интерферометр Майкельсона, коэффициент отражения.
В настоящее время автоматизированные оптические методы и средства измерений представляют огромный интерес для промышленности, науки, а также экологии, биологии и медицины [1, 2]. Автоматизированные оптические приборы и системы, основанные на методе геометрической оптики (микроскопы, рефрактометры и т.д.), успешно применяются в медицине для решения разного рода задач [3, 4].
113
Проведенный анализ научных литературных источников показал, что особое внимание заслуживают интерференционные зонды (радары), используются низкокогерентные источники излучения (длина когерентности от 1 мкм до 30 мкм) [5, 6]. Эти автоматизированные оптические приборы и системы превосходят упомянутые выше по точности измерений и не зависят от апертурных углов освещения и наблюдения [7, 8].
Применение автоматизированных низкокогерентных оптических зондов для томографических исследований мягких тканей человека, на сегодняшний день, актуально и перспективно [9, 10]. На практике, при сварочных работах часто между маской и воротником спецодежды попадают на тело человека в области шеи металлические микроэлементы, которые не видно визуально. Эта область шеи после взаимодействия с микроэлементами через некоторое время (0,5 часа) начинает болеть и пациенту необходимо правильно диагностировать причину боли и назначить лечение.
Поэтому использованного автоматизированного оптического зонда при диагностики внешних агентов в подповерхностных слоях кожного покрова было бы целесообразно.
Целью работы явилось применение автоматизированного оптического зонда для томографических исследований.
Метод и объект исследования. В качестве объекта исследования была область шеи (оптически мутная среда), где роговой слой кожного покрова наиболее тонкий. Измерялась поврежденная область шеи и область шеи в нормальном состоянии in vivo.
Для исследований использовался разработанный автоматизированный оптический зонд, оптическая схема которого представлена на рис.1.
\ / \/
Й
Рис. 1. Оптическая схема автоматизированного оптического зонда: S — источник белого света; 2, 6, 8 — объективы; 3 — светоделительная пластина; 4 — исследуемый объект; 5 — опорное зеркало; 7 — диафрагма; 9 — камера
В качестве источника излучения использовался источник белого света с длинной когерентности 1с = 10 мкм. Основу зонда составлял интерферометр Майкельсона, в объектный канал которого вместо зеркала были помещены исследуемые биологические объекты. Плоскости зеркала R и исследуемой области R проецировались на специальную телевизионную камеру. Она фокусировалась на плоскость R и плоскости R и R были на равном расстоянии от источника излучения S.
В статье показана работа зонда в оптически мутной среде, это означает, что интерференция наблюдалась в виде спеклов, фаза которых менялась случайным образом [11, 12]. Поэтому фиксировался факт появления интерференционной картины. Так как длина когерентности мала (10 мкм), то для тех микроэлементов в оптически мутной среде, когда оптические длины плеч были равны [13, 14]. Эта область регистрировалась в процессе зондирования биологических объектов по глубине Z. Измерительной зонд состоял из основных частей: оптико-механический измерительный элемент и предварительная обработка сигналов, сопряженная с компьютером. В приборе нулевая разность хода регистрируется по критерию максимума корреляции интерференционных сигналов. В процессе обработки сигналов используется метод вычитания фоновой составляющей на основе модифицированного метода управляемого фазового сдвига [15-18].
Экспериментальные результаты. Итак, измерения были проведены в мягких биотканях человека in vivo на глубине до 0,5 мм с разрешением 10 мкм. Амплитуда интерференционного сигнала пропорциональна коэффициенту отражения нерассеянной компоненты от оптически мутной среды, положение которой определялось равенством длин плеч интерферометра Майкельсона. На рис. 2 показано распределение амплитуды отраженного сигнала при наличии металлизированных микроэлементов в подповерхностном слое кожи и в отсутствии их. Представленные кривые получены в результате усреднения измерений в 2000 точках поверхности участка кожи диаметром 4 - 5 мм. Измерения подобного рода позволяют существенно расширить возможности диагностики лечения пациентов с инородными телами в подповерхностных слоях кожи in vivo.
а)
б)
Ъ, мкм
Рис. 2. Распределение коэффициента отражения К по глубине кожного покрова при отсутствии (а) и при наличии (б) металлизированных элементов в подповерхностном слое кожи
Также в работе на рис. 3 представлено изображение в оптически мутной среде металлических микроэлементов на глубине биоткани до 0,5 мм с наложенной на них опорной волны. На рис. 3 видно, что контрастное интерференционное поле локализовано в виде спеклов в пределах длины когерентности.
Рис. 3. Локализация интерференционного поля от внешних микроэлементов
в биологической ткани
Заключение. Исследована возможность использования автоматизированного оптического зонда для контроля биологических объектов. Проведены измерения инородных тел на глубине биологической ткани человека in vivo. Показана возможность применения автоматизированного оптического зонда в качестве оптического томографа. Исследован участок подповерхностного слоя кожного покрова в области шеи после взаимодействия с металлизированными микроэлементами после сварочных работ. Полученные томограммы позволяют диагностировать на ранней стадии инородные тела в биологической ткани человека in vivo.
Список литературы
1. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука. 1970. 855 с.
2. Креопалова Г.В., Лазарева Н.Л., Пуряев Д.Т. Оптические измерения. М.: Машиностроение. 1987. 264 с.
3. Геликонов В.М. и др. Когерентная оптическая томография микронеодно-родностей биотканей // Письма в ЖЭТФ. 1995. Т.61. Вып.2. С. 149-153.
4. Майоров Е.Е., Прокопенко В.Т. Исследование влияния спекл-структуры на формирование интерференционного сигнала и погрешность измерений // Научное приборостроение. 2013. Том 23. №2. С.38-46.
5. Майоров Е.Е., Прокопенко В.Т. Вывод аналитического выражения для разности хода лучей, прошедших интерферометр Жамена // Научное приборостроение. 2013. Том 23. №3. С.76-81.
6. Майоров Е.Е., Машек А.Ч., Удахина С.В., Цыганкова Г.А., Хайдаров Г.Г., Черняк Т.А. Разработка компьютерной интерференционной системы контроля негладких поверхностей // Приборы. 2015. №11 (185) С.26-31
7. Майоров Е. Е., Машек А.Ч., Удахина С.В., Цыганкова Г.А., Хайдаров Г.Г., Черняк Т.А. Алгоритмы обработки информационного сигнала компьютерной интерференционной системы контроля негладких поверхностей // Научное приборостроение. 2015. Том 25. №4. С.61-66.
8. Прокопенко В.Т., Майоров Е.Е., Машек А.Ч., Удахина С.В., Цыганкова Г.А., Хайдаров А.Г., Черняк Т.А. Оптико-электронный прибор для контроля геометрических параметров диффузно отражающих объектов// Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2016. Т. 59. № 5. С. 388-394.
9. Майоров Е.Е., Прокопенко В.Т., Машек А.Ч., Цыганкова Г.А., Курлов А.В., Хохлова М.В., Кирик Д.И., Капралов Д.Д. Экспериментальное исследование метрологических характеристик автоматизированной интерферометрической системы измерения формы поверхности диффузно отражающих объектов // Измерительная техника. №10. 2017. С. 33-37.
10. Шаламай Л.И., Кузьмина Д.А., Майоров Е.Е., Мендоса Е.Ю., Сакерина А.И., Нарушак Н.С. Исследование оптических свойств твердых тканей зуба и композитных материалов по средствам фотометрического анализа // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2020. № 8. C. 11-17. DOI: 10.25791/pribor.08.2020.1196.
11. Курлов В.В., Коцкович В.Б., Майоров Е.Е., Пушкина В.П., Таюрская И.С. Экспериментальное исследование разработанной интерференционной системы для измерений поверхности объектов сложной формы // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2020. Вып. 8. C. 179-189.
12. Кузьмина Д.А., Мендоса Е.Ю., Майоров Е.Е., Нарушак Н.С., Сакерина А.И., Шаламай Л.И. Экспериментальные исследования оптических свойств твердых тканей передних зубов и современных синтетических пломбировочных материалов // Стоматология для всех. 2020. № 4. С. 58-62. doi .org/10.35556/idr-2020-4(93)58-62.
13. Кузьмина Д.А., Майоров Е.Е., Шаламай Л.И., Мендоса Е.Ю., Нарушак Н.С. Использование метода спектроскопии отражения для распознавания подлинности стоматологических реставрационных материалов // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2021. Т. 64. № 1. С. 63-70. DOI: 10.17586/0021-3454-2021-64-1-63-70.
14. Цыганкова Г.А., Майоров Е.Е., Черняк Т.А., Константинова А.А., Машек А.Ч., Писарева Е.А. Исследование разработанного интерферометра поперечного сдвига для настройки интерференционных полос при обработке интерферограмм // Приборы. 2021. № 2. С. 20-25.
15. Майоров Е. Е., Машек А. Ч., Цыганкова Г. А., Писарева Е. А. Исследование спектрофотометра ультрафиолетовой области длин волн для анализа спектров пропускания дисперсных сред // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2018. Вып.4. С. 357- 365.
16. Машек А.Ч., Цыганкова Г.А., Константинова А.А., Майоров Е.Е., Писарева Е.А., Громов О.В. Расчет основных параметров оптико-электронной системы наблюдения и изучения интерференционных структур на голограммах // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2021. Вып. 2. C. 184-192.
17. Громов О.В., Майоров Е.Е., Черняк Т.А., Удахина С.В., Писарева Е.А., Константинова А.А Измерения оптических свойств кожного покрова in vivo под воздействием современных увлажняющих средств // Международный научно-исследовательский журнал. 2021. № 3 (105). С. 38-43. DOI: https://doi.Org/10.23670/IRJ.2021.105.3.006.
18. Хохлова М.В., Арефьев А.В., Майоров Е.Е., Гулиев Р.Б., Дагаев А.В., Громов О.В. Экспериментальное исследование метрологических характеристик разработанного оптического щупа триггерного типа // Приборы. 2021. № 5. С. 8-16.
Майоров Евгений Евгеньевич, канд. техн. наук, доцент, majorov_ee@mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский университет технологий управления и экономики,
Сорокин Алексей Андреевич, старший преподаватель, a.a.sorokin@ifguap.ru, Россия, Ивангород, Ивангородский гуманитарно-технический институт (филиал) Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения,
Пушкина Вера Павловна, канд. экон. наук, доцент, 79119113039@yandex.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения (ГУАП),
Удахина Светлана Вячеславовна, канд. экон. наук, доцент, udahina@,mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения (ГУАП),
Коцкович Владимир Богданович, канд. техн. наук, доцент, kotskovich_vb@mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения (ГУАП),
Арефьев Александр Владимирович, канд. физ.-мат. наук, доцент, aaref@yandex.ru, Россия, Санкт-Петербург, Университет при Межпарламентской Ассамблее ЕврАзЭС
AUTOMATED OPTICAL PROBE FOR TOMOGRAPHIC STUDIES E.E. Maiorov, A.A. Sorokin, V.P. Pushkina, S.V. Udahina, V.B. Koskovich, A.V. Arefiev
This article to the possibility of using an automated low-coherence optical probe in the study of foreign bodies in the subsurface layer of the human skin in vivo is devoted. The relevance and efficiency of the use of an automated low-coherence optical probe, since measurements can be carried out with high accuracy are shown. The paper defines the object of the study (the neck area with and without damage), and also shows the optical scheme of an automated optical probe. The results of studies in human soft biological tissues in vivo at a depth of up to 0.5 mm with a resolution of 10 microns were obtained. The presented distributions of the reflection coefficient K over the depth of the skin as a result of averaging measurements at 2000 points on the surface of a skin area with a diameter of 4...5 mm were obtained.
Key words: optical probe, coherence length, tomography, white light source, Michel-son interferometer, reflection coefficient.
Maiorov Evgeny Evgenievich, candidate. of technical sciences, docent, ma-jorov_ee@mail.ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg University of Management Technologies and Economics,
Sorikin Alexey Andreevich, senior lecturer, a.a.sorokin@ifguap.ru, Russia, Ivango-rod, Ivangorodskii Humanitarian-Technical Institute (branch of) Saint-Petersburg University of Aerospace Instrumentation,
Pushkina Vera Pavlovna, candidate of economic sciences, docent, 79119113039@yandex.ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg State University of Aerospace Instrumentation,
Udahina Svetlana Viacheslavovna, candidate of economic sciences, docent, udahi-na@,mail.ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg State University of Aerospace Instrumentation,
Koskovich Vladimir Bogdanovich, candidate. of technical sciences, docent, kotsko-vich_vb@mail.ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg State University of Aerospace Instrumentation,
Arefiev Alexander Vladimirovich, candidate of physical and mathematical sciences, docent, aaref@,yandex. ru, Russia, Saint-Petersburg, University at the EurAsEC Interparliamentary Assembly
УДК 528.013.4 DOI: 10.24412/2071-6168-2021-6-119-124
ПОДХОД К ОЦЕНИВАНИЮ АСТРОКЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ПРИ ВЫБОРЕ УЧАСТКА ДЛЯ РАЗМЕЩЕНИЯ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ
КОМПЛЕКСОВ
А.В. Ситников, Р.А. Ситков, В.Н. Щельников
Описан один из возможных путей решения актуальной практической задачи, заключающейся в повышении качества проведения рекогносцировочных изысканий при выборе участка местности для размещения оптико-электронных средств и сокращении времени, необходимого на их проведение. Рассмотрен подход к оцениванию астро-климатических условий при выборе участка для размещения оптико-электронных комплексов.
Ключевые слова: рекогносцировочные изыскания, участок местности, астро-климатические условия, строительство, атмосфера.
Разведка военно-космических систем вероятных противников, обнаружение военных действий в космосе и из космоса и информационное обеспечение безопасности космической деятельности Российской Федерации является основной задачей системы контроля космического пространства (СККП).
Одним из наиболее эффективных средств СККП являются оптико-электронные комплексы (ОЭК), способные автономно в автоматическом режиме решать задачи контроля космических объектов на высотах от 2 000 км до 50 000 км, сбора по ним информации и ее выдачи на командные пункты.
Активное освоение космического пространства и усложнение обстановки в космосе ведет к необходимости совершенствования СККП и расширения ее состава. В этой связи в рамках строительства новых ОЭК актуальной задачей является выбор земельных участков (ЗУ) удовлетворяющих тактико-техническим и экономическим требованиям на размещение данных объектов. При проведении рекогносцировочных изысканий (РИ) по выбору ЗУ для размещения ОЭК одной из основных задач является оценка астроклиматических условий предполагаемых мест размещения, влияющих на эффективность их функционирования при выполнении задач по предназначению.
В общем понимании астроклимат представляет собой совокупность климатических (погодных) условий, определяющих возможность проведения наблюдений за небесными телами. Ввиду того, что при проведении РИ по выбору ЗУ рассматриваются и иные, не имеющие климатического характера, условия размещения ОЭК, существенно влияющие на качество и возможность астрономических наблюдений, будем рассматривать понятие астроклимата как совокупность условий окружающей среды, влияющих на качество наблюдений.
Астроклиматические условия в районе рассматриваемых ЗУ для размещения ОЭК определяются следующими показателями:
количество ясных дней и ночей;
прозрачность атмосферы;
