CC BY
3
STATISTICAL CHARACTERISTICS OF SIGNALS AND INTERFERENCE IN COMMUNICATION SYSTEMS WITH
MOBILE OBJECTS
M.M. Bychkovsky, N.N. Zaikin, A.V. Svidlo, I. V. Nasedkin, D.A. Nesterov, E.V. Fatyanova
The article presents the characteristics of signals and interference. A model of a useful signal with movable ones is given. The characteristics of thermal noise are considered. Proposals to reduce out-of-band interference are presented.
Key words: signal fading, thermal noise, interference.
Bychkovsky Mikhail Mikhailovich, lecturer, bichkovskiy.mm@mail.ru. Russia, Saint Petersburg, Military Academy of Communications,
Zaikin Nikolay Nikolaevich, lecturer, zaykin53@mail. ru, Russia, St. Petersburg, Military Academy of Communications,
Svidlo Alexander Vladimirovich, lecturer, svidlo_av@yandex.ru, Russia, St. Petersburg, Military Academy of Communications,
Nasedkin Igor Vyacheslavovich, lecturer, nasedkin_iv@mail.ru. Russia, St. Petersburg, Military Academy of Communications,
Nesterov Dmitry Alexandrovich, lecturer, nesterov_da@mail.ru, Russia, Saint Petersburg, Military Academy of Communications,
Fatyanova Elena Valentinovna, lecturer, fatlen 77@mail. ru, Russia, Saint Petersburg, Military Academy of Communications
УДК 681.23: 681.787
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-7-585-586
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КОСМЕТИЧЕСКИХ МАСЕЛ НИЗКОКОГЕРЕНТНЫМ
ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫМ РАДАРОМ
Е.Е. Майоров, А.В. Арефьев, В.В. Курлов, В.П. Пушкина, Ю.М. Бородянский, И.С. Таюрская
Работа посвящена экспериментальному исследованию косметических масел низкокогерентным интерференционным радаром. Получение информативной, достоверной и точной информации о параметрах томографических исследований всегда являлось важнейшей задачей для биологии и медицины, поэтому работа перспективна и актуальна. В работе приведена оптическая схема и даны технические характеристики экспериментальной установки. Определена цель, постановка задачи, объекты и метод исследования. Получены распределения отраженного сигнала в отсутствии и при наличии в подповерхностных слоях кожного покрова исследуемых образцов. Показана возможность применения радара для исследования оптических свойств кожного покрова в динамике под воздействием косметических масел. Экспериментальные результаты томографических измерений проведены через определенные промежутки времени (2 часа, 4 часа, 6 часов, 8 часов и 10 часов)..
Ключевые слова: кожный покров, косметическое масло, коэффициент отражения, диод белого света, волоконно-оптический ответвитель, пространственная когерентность, низкокогерентный интерференционный радар.
На сегодняшний день получение информативной, достоверной и точной информации о параметрах томографических исследований является важнейшей задачей для биологических и медицинских направлений [1, 2]. Для решения этой задачи существует широкий класс методов и технических средств [3, 4].
Оптико-электронные методы и средства томографических исследований основаны, как правило, на анализе светового излучения, отраженного от соответствующих агентов или биологических объектов, находящихся на разных глубинах [5, 6]. За последние пять лет в научно-технической литературе большое внимание уделяется оптико-электронным приборам, где в качестве источника излучения используются диоды белого света [7, 8]. Такие приборы принято называть низкокогерентными интерференционными радарами с источником изучения ограниченным длиной временной когерентности [9, 10]. В представленной работе не ставилась задача сравнительного характера таких приборов с современными томографическими установками.
Низкокогерентные интерференционные радары имеют достаточно высокую точность измерений в оптически мутных средах, малогабаритны, просты в эксплуатации и удовлетворяют медицинским требованиям и нормам [11, 12]. Многие научные центры в России и за рубежом проводят глубокий теоретический анализ их функционирования, занимаются построением новых схемных решений, использую современные оптические материалы, добиваются необходимых (ранее заявленных) эксплуатационных характеристик этих приборов для томографических измерений [13, 14]. Важность интерференционных методов обусловлена их возможностями. Эти методы представляют информацию о статистических и динамических процессах. Информацию о волновых фронтах в разные промежутки времени, о поверхности и томографии объекта в качественном и количественном аспектах также возможно получать экспериментатору [15, 16].
Поэтому представлять интерес проведение томографических измерений исследуемых жидкофазных сред экспериментальной низкокогерентной интерференционной установкой (радар).
Целью работы явилось экспериментальное томографическое исследование косметических растительных базовых масел низкокогерентным интерференционным радаром.
Постановка задачи. В настоящее время огромное внимание уделяется уходу за кожным покровом человека. Врачи - косметологи и дерматологи стараются рекомендовать нужное косметическое средство для каждого конкретного пациента, чтобы оно было более эффективным и недорогим.
В работе необходимо провести томографические измерения косметических масел. Получить и проанализировать зависимости распределения коэффициента отражения по глубине кожного покрова при наличии косметических агентов в подповерхностном слое кожи на низкокогерентном интерференционном радаре.
Объекты и метод исследования. В качестве объектов исследования были косметические растительные базовые масла отечественных производителей. Были выбраны самые распространённая и широко используемые в косметике жидкие базовые масла: «Сладкий миндаль», «Абрикосовая косточка» и «Масло шиповника». Все представленные образцы были рекомендованы пациентам в возрасте 40 лет для увлажнения, питания и защиты кожного покрова.
Масла подбирались таким образом, чтобы по своим свойствам и методу получения были похожими. Все образцы исследования представляли собой выжимку из ядер, семян или плодов растений и получены методом холодного прессования [17]. Их объединяет одно свойство - способность образовывать на поверхности кожи водонепроницаемую плёнку, которая препятствует быстрому испарению влаги в подповерхностных слоях кожного покрова. По-своему действию они сравнимы, так как максимально очищают кожу без пересушивания.
«Сладкий миндаль» состоит из глицеридов линолевой кислоты, полиненасыщенных жирных кислот, то-костерола, фитостерола, амигдалина, витаминов А, Е, группы В. Это масло быстро впитывается и подходит для кожи любого типа.
В состав «Абрикосовая косточка» входят: каротин, соли калия, минеральные вещества, пектин, витамины А, С, Е, группы В, фитостеролы, стеарины, жирные кислоты. Данный препарат быстро впитывается, отлично смягчает огрубевшую кожу, успокаивает зуд и раздражения.
«Масло шиповника» содержит: витамины А, С, Е, марганец, стронций, медь, жирные кислоты, калий, фосфор, марганец. Благодаря высокому содержанию витамина А выполняет антивозрастную функцию. Устраняет негативные последствия воздействия солнечных лучей, возвращает коже здоровый, свежий оттенок.
Для томографических исследований использовался низконогерентный интерференционный радар оптическая схема которого приведена на рис. 1.
Низкокогерентный интерференционный радар представляет собой экспериментальную установку квази-одномодового волоконного интерферометра Майкельсона с полупроводниковым диодом белого света широкополосного спектра (мощностью излучения 3 Вт, длиной когерентностью 2 мкм). Исследуемые объекты (растительные масла, нанесенные на поверхность кожного покрова в области предплечья) устанавливались в одну из ветвей интерферометра (объектная ветвь). Оптическая длина другой ветви изменялась с постоянной линейной скоростью. Интерференционный сигнал был пропорционален коэффициенту отражения нерассеянной составляющей сигнала от оптически мутной среды (масло) находящихся на определенной глубине в коже, положение которой определялось равенством оптических путей, пройденных интерферирующими пучками света.
Пространственная разрешающая способность в продольном направлении (в глубь) определялась длиной когерентности источника света (1с = 2 мкм), а поперечном направлении диаметром фокусируемого пятна (С = 10 мкм). Интерференционный сигнал обрабатывался электронным блоком и выводился на экран, где была возможность получить как двумерное, так и трехмерное изображение когерентной составляющей света в реальном времени. Для определения области анализа применялась подсветка (источник излучения, работающий в видимом диапазоне).
Рис. 1. Оптическая схема низкокогерентного интерференционного радара: 1 - диод белого света; 2 - светодиод; 3, 4 - оптоволоконные ответвители; 5 - устройство поперечного сдвига; 6 - устройство продольного сдвига; 7, 8 - микрообъективы; 9 - кожный покров; 10 - плоское зеркало; 11 - фотокамера; 12 - блок обработки интерференционного сигнала; 13 - персональный компьютер
Для формирования интерференционного поля кроме ограничений временной когерентности необходимо обеспечить высокую пространственную когерентность. Важно, чтобы угловая апертура освещения была меньше апертуры наблюдения. При томографических измерениях интерференционный сигнал имел небольшой динамический диапазон за счет рассеянной световой составляющей и изменения коэффициента отражения по глубине. В экспериментальной установке для регистрации интерференционного сигнала использовалась фотокамера фирмы «Canon».
Свет от низкокогерентного источника 1 (полупроводниковый диод белого света мощностью излучения 3 Вт, длиной когерентностью 2 мкм), пройдя оптико-волоконные ответвители 3, 4 распределяется на устройство поперечного 5, продольного 6 сдвига и на фотокамеру 11. Далее, световые пучки, пройдя объективы 7 и 8 отражаются в опорной ветви от плоского зеркала, в объектной ветви от исследуемого объекта. Объектный и опорный сигналы направляются на волоконно-оптический ответвитель 4, после чего поступают на фотокамеру 11. Потом сигналы обрабатываются электронным блоком 12 и направляются в персональный компьютер. Компьютер 13 может управлять устройствами 5 и 6. С помощью источника излучения подсветки 2 возможно визуально наблюдать исследуемую область объекта.
Технические характеристики экспериментальной установки:
- погрешность измерений - 0,2 мкм;
- диапазон томографических измерений - 0.. .6 мм;
- числовая апертура микрообъектива - 0,2;
- частота измерений - 50 Гц;
- расстояние от выходного зрачка до объекта - 60 мм;
- приемник изображения - фотокамера «Canon»;
- источник света - полупроводниковый диод белого света.
Экспериментальные результаты. При томографических измерениях рука пациента фиксировалась неподвижно. Растительные масла наносились на исследуемых участок кожного покрова в области предплечья. Испытания каждого препарата были проведены на 10-ти пациентах, цвет кожи белый. Структура и состояния кожи (сухая) сорокалетних пациентов. В эксперименте площадь участка кожи была равной 5 x 5 мм, а глубина анализа составляла от 0.500 мкм. Контролировались образцы поточечно с частотой 50 Гц. Зондирование в поперечном направлении участка кожного покрова осуществлялось по нормали механическим перемещающим сфокусированное пятно по заданной глубине. В этом устройстве зажимом фиксировался оптико-волоконный жгут с торцевой линзой (выходной зрачок). Расстояние от выходного зрачка до исследуемой области составляло 60 мм. Для получения интерференционных картин и графических зависимостей, использовались компьютерные программы Interferometer и Golden Soft Wear. На рис. 2 представлены экспериментальные результаты.
Низкокогерентный интерференционный радар работал в режиме сканирования. Это позволило получить распределение амплитуды отраженного сигнала по глубине в подповерхностных слоях кожи и выявить внешних агентов в них при изменении разности хода в ветвях интерферометра. Распределения отраженного сигнала в отсутствии и при наличии в подповерхностных слоях кожного покрова исследуемых масел даны на рис. 2.
6)
20 г
30 г
300 k мкм
600
Рис. 2. Распределение амплитуды отраженного сигнала по глубине в подповерхностных слоях кожи:
а - при отсутствии косметического масла; б - «Сладкий миндаль»; в - «Абрикосовая косточка»;
г - «Масло шиповника»
В работе приведена возможность применения радара для исследования оптических свойств кожного покрова в динамике под воздействием косметических масел. Экспериментальные результаты воздействий показаны на рис. 3. Томографические измерения проведены через определенные промежутки времени (2 часа, 4 часа, 6 часов, 8 часов и 10 часов) после нанесения препаратов на кожу. Представленные зависимости получены в результате усреднений измерений в 5000 точках по глубине.
300 350
И, мкм
в)
300 350
И, мкм
300 350
И. мкм
Рис. 3. Экспериментальные результаты динамики воздействия косметических масел на кожу предплечья: а - «Сладкий миндаль» через 2 часа, 4 часа, 6 часов, 8 часов, 10 часов после нанесения масла; б - «Абрикосовая косточка» через 2 часа, 4 часа, 6 часов, 8 часов после нанесения масла; в - «Масло шиповника» через 2 часа, 4 часа, 6 часов, 10 часов, 11,5 часов после нанесения масла
Проанализировав полученные зависимости, приведенные на рис. 3 можно сделать вывод о том, что у каждого агента разная глубина проникновения и время нахождения в подповерхностных слоях кожного покрова. У растительного жидкого базового масла «Сладкий миндаль» проникновение было на глубину 300 мкм через 2 часа и через 10 часов кожный покров возвращался к исходному состоянию. Растительное жидкое базовое масло «Абрикосовая косточка» проникало на глубину 250 мкм через 2 часа, а кожный покров возвращался в исходное состояние через 8 часов. Растительное жидкое базовое масло «Масло шиповника» находилось на глубине 350 мкм по истечению 2 часов и 10 часов изменило глубину до 150 мкм, а к первоначальному состоянию кожа вернулась через 11,5 часов. Так как «Масло шиповника» находилось в подповерхностных слоях кожи дольше чем другие агенты, то его действие на кожу было длительным.
Заключение. В работе получены экспериментальные результаты томографических исследований при воздействии внешних агентов на биологический объект. Представленные зависимости распределения коэффициента отражения по глубине при наличии косметических растительных масел в подповерхностных слоях кожного покрова
показывают, что исследуемые агенты пригодны для снижения негативных последствий воздействия солнечных лучей, придания коже здоровый, свежий оттенок. Экспериментальные результаты могут быть полезны для производителей данной продукции, а также для оптического приборостроения.
Список литературы
1. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука. 1970. 855 с.
2. Ландсберг Г.С. Оптика. М.: Наука. 1976. 926 с.
3. Малакара Д. Оптический производственный контроль: пер. с англ. под ред. Соснова А.Н. М.: Машиностроение. 1985. 340 с.
4. Креопалова Г.В., Лазарева Н.Л., Пуряев Д.Т. Оптические измерения. М.: Машиностроение. 1987.
264 с.
5. Афанасьев В.А. Оптические измерения. М.: Недра. 1968. 263 с
6. Захарьевский А.Н. Интерферометры. М.: Оборонгиз. 1952. 296 с.
7. Коломийцев Ю.В. Интерферометры. Л.: Машиностроение. 1976. 296 с.
8. Kim Y.L., Liu Y., Wali R.K. Low-coherent backscattering spectroscopy for tissue characterization // Applied Optics. 2005. Vol. 44. No. 3. P. 366-377.
9. Ansari R.R., Nyeo S.L. Submicron Particle Size Distributions by Dynamic Light Scattering with NonNegative Least-Squares Algorithm // Chineze Journal of Physics. 2012. Vol. 50. No. 2. P. 459-477.
10. Зимняков Д.А., Исаева А.А., Исаева Е.А. О спекл-коррелометрическом методе оценки транспортного коэффициента рассеяния случайно-неоднородных сред // Письма в ЖТФ. 2012. Т. 38. №20. С. 43-49.
11. Rojas L. F., Bina M., Cerchiari G. Photon path length distribution in random media from spectral speckle intensity correlations // European Physical Journal Special Topics. 2011. Vol. 199. No. 1. P. 167-180.
12. Зимняков Д.А., Сина Дж.С., Ювченко С.А. Низкокогерентная интерферометрия как метод оценки транспортных параметров случайно-неоднородных сред // Квантовая электроника. 2014. Т. 44. №. 2. С. 59-64.
13. 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.
14. 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 интер-ферометрической системы измерения формы поверхности диффузно отражающих объектов // Измерительная техника. №10. 2017. С. 33-37.
15. 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. № 8. C. 179-189.
16. Хохлова М.В., Дагаев А.В., Майоров Е.Е., Арефьев А.В., Гулиев Р.Б., Громов О.В. Интерференционная система измерения геометрических параметров отражающих поверхностей // Международный научно-исследовательский журнал. 2021. № 6 (108). С. 184-189. DOI: 10.23670/IRJ.2021.108.6.029
17. Арефьев А.В., Курлов В.В., Коцкович В.Б., Майоров Е.Е., Пушкина В.П., Удахина С.В. Исследование постинъекционного эпидермиса модифицированным интерферометром майкельсона—физо // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2022. Т. 65. №4. С. 295-302. DOI: 10.17586/0021-3454-2022-65-4-295-302.
Майоров Евгений Евгеньевич, канд. техн. наук, доцент, majorov_ee@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, Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения (ГУАП),
Курлов Виктор Валентинович, канд. техн. наук, доцент, vitek543@ramblerl.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения (ГУАП),
Пушкина Вера Павловна, канд. экон. наук, доцент, vera150465@yandex.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения (ГУАП),
Бородянский Юрий Михайлович, канд. техн. наук, доцент, borodyanskyum@gmail.com, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича,
Таюрская Ирина Соломоновна, канд. экон. наук, доцент, tis_ivesep@mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский университет технологий управления и экономики
EXPERIMENTAL STUDY OF COSMETIC OILS BY LOW-COHERENCE INTERFERENCE RADAR
E.E. Maiorov, A.V. Arefiev, V.V. Kurlov, V.P. Pushkina, Y.M. Borodyansky, I.S. Tayurskaya
The work to the experimental study of cosmetic oils by low-coherence interference radar is devoted. Obtaining informative, reliable and accurate information about the parameters of tomographic studies has always been the most important task for biology and medicine, so the work is promising and relevant. The paper an optical scheme and technical characteristics of the experimental setup are presented. The purpose, statement of the task, objects and method of research are defined. The distributions of the reflected signal were obtained in the absence and in the presence of the studied samples in the subsurface layers of the skin. The possibility of using radar to study the optical properties of the skin in dynamics under the influence of cosmetic oils is shown. Experimental results of tomographic measurements were carried out at certain time intervals (2 hours, 4 hours, 6 hours, 8 hours and 10 hours).
589
Key words: skin, cosmetic oil, reflection coefficient, white light diode, fiber-optic coupler, spatial coherence, low-coherence interference radar.
Maiorov Evgeny Evgenievich, candidate of technical sciences, docent, majorov ee@mail.ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg state university of aerospace instrumentation (GUAP),
Arefiev Alexander Vladimirovich, candidate of physical and mathematical sciences, aaref@yandex.ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg state university of aerospace instrumentation (GUAP),
Kurlov Viktor Valentinovich, candidate of technical sciences, docent, vitek543@ramblerl.ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg state university of aerospace instrumentation (GUAP),
Pushkina Vera Pavlovna, candidate of economic sciences, docent, vera150465@yandex.ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg state university of aerospace instrumentation (GUAP),
Borodyansky Yuriy Mihailovich, candidate of technical sciences, docent, borodyanskyum@gmail.com, Russia, Saint-Petersburg, The Bonch-Bruevich Saint-Petersburg State University of Telecommunications,
Tayurskaya Irina Solomonovna, candidate of economic sciences, docent, tis ivesep@mail.ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg University of management technologies and Economics
УДК 654.022
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-7-590-591
МИНИМИЗИРОВАННЫЙ СОСТАВ ИНФОРМАЦИИ, КОНТРОЛИРУЕМОЙ В ХОДЕ МОНИТОРИНГА ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ ТЕХНИКИ СВЯЗИ И АСУ В СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ ЖИЗНЕННЫМ
ЦИКЛОМ
Г.И. Азаров, А.А. Самохвалов, В.Н. Слабуха, А.И. Таранов, Р.В. Абрамкин, О.А. Губская
В статье приведен минимизированный перечень основных исходных данных для расчета показателей надежности, который может быть отнесен к большинству типов техники связи и АСУ. Рассмотрены справочные и нормативные (задокументированные) данные, необходимые для расчета показателей надежности и исходные данные статистического характера, полученные в результате проведения различных видов испытаний на стадиях разработки, производства и эксплуатации. Предлагаемый состав исходных данных позволяет оценить достигнутый и обеспечиваемый уровни надежности техники связи и АСУ в рамках функционирования системы обеспечения надежности на стадиях жизненного цикла.
Ключевые слова: надежность, техника связи, жизненный цикл, мониторинг.
Надежность техники связи (ТС) и АСУ оказывает непосредственное влияние на устойчивости системы связи при построении узлов, линий связи и других компонент, которая является основной характеристикой её качества. Одним из актуальных направлений деятельности по обеспечению заданного уровня надежности является формирование единой, информационно-управляющей системы обеспечения надежностью ТС и АСУ на стадиях жизненного цикла (ЖЦ), которая должна обеспечить координацию процесса управления надежностью ТС и АСУ при её разработке, изготовлении и эксплуатации [1, 2].
Основными источниками информации о надежности ТС и АСУ, достигнутых количественных значений показателей надежности (ПН) на этапах проектирования ОКР являются результаты расчета ПН при эскизном и техническом проектировании [3], на этапах разработки опытного образца (ОО) и стадии серийного производства (СП) все виды предусмотренных испытаний [4], на стадии эксплуатации (Э), являются все виды эксплуатационных испытаний [5] - подконтрольная эксплуатация (ПЭ) [6], опытная эксплуатация [7], а также рекламационная работа в гарантийный период эксплуатации ТС и АСУ [8, 9].
Полнота и достоверность информации обеспечиваются учетом наработки, отказов и повреждений образцов ТС и АСУ и их составных частей (СЧ), ошибочных действий операторов и их причин, обнаруженных при использовании образцов по назначению (при боевой работе и учебных тренировках), при хранении, техническом обслуживании и ремонте.
В табл. 1 приведен минимизированный перечень основных исходных данных (ИД) для расчета показателей надежности (ПН), который может быть отнесен к большинству типов ТС и АСУ, что не исключает, при необходимости, применение более расширенного перечня ПН, исходя из предполагаемой модели эксплуатации, условий применения и назначения типов ТС и АСУ.
Приведенные ИД по источникам получения относятся к двум основным группам: справочные и нормативные (задокументированные) данные, необходимые для расчета ПН и ИД статистического характера, полученные в результате проведения различных видов испытаний ТС и АСУ.
В перечень ИД для расчета ПН программно-аппаратных средств, составляющих ТС и АСУ включены данные по качеству программного обеспечения (ПО), рекомендованные для включения в ТТЗ на разработку ТС и АСУ, которые могут быть определены при проектировании и рассчитаны по результатам испытаний при разработке, производстве и эксплуатации характеристики надежности ПО [16, 17].
