CC BY
1
С. 172-180.
Кочетков Вячеслав Анатольевич, канд. тех. наук, доцент, сотрудник, [email protected]. Россия, Орел, Академия Федеральной службы охраны Российской Федерации,
Черкасов Александр Евгеньевич, сотрудник, [email protected], Россия, Орел, Академия Федеральной службы охраны Российской Федерации,
Солдатиков Игорь Викторович, сотрудник, [email protected], Россия, Орел, Академия Федеральной службы охраны Российской Федерации
MATHEMATICAL MODEL OF THE SPACE-TIME SIGNAL GENERATED BY THE ANTENNA ARRAY WITH A
DIAGRAM-FORMING SCHEME
V.A. Kochetkov, A.E. Cherkasov, I.V. Soldatikov
In the article, analytical expressions representing the space-time signal are obtained on the basis of sequential accounting of analytical expressions and methods for solving electrodynamic equations that determine the field of the refracted wave by a radio frequency lens, its transformation occurring at the input and output of the DOS, as well as the mathematical expression of the radio signal when propagating to the supply ports of the AP and at the output of the antenna system.
Key words: lens antenna arrays, Rotman lens, diagram-forming scheme.
Kochetkov Vyacheslav Anatolyevich, candidate of technical sciences, docent, employee, [email protected], Russia, Russia, Orel, Academy of the Federal Security Service of the Russian Federation,
Cherkasov Alexander Evgenievich, employee, [email protected], Russia, Russia, Orel, Academy of the Federal Security Service of the Russian Federation,
Soldatikov Igor Viktorovich, employee, [email protected], Russia, Russia, Orel, Academy of the Federal Security Service of the Russian Federation
УДК 681.7
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-11-144-145
МЕТОД КОНТРОЛЯ, АНАЛИЗИРУЮЩИЙ РАСХОДИМОСТЬ В ИССЛЕДОВАНИИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ВНЕШНИХ АГЕНТОВ С БИОЛОГИЧЕСКИМИ ОБЪЕКТАМИ
Е.Е. Майоров, А.В. Арефьев, Р.Б. Гулиев, В.П. Пушкина, Г.А. Цыганкова
Используя метод контроля, анализирующий расходимость светового излучения отраженного от исследуемой поверхности получены результаты взаимодействия внешних агентов с биологическими объектами. Для научных исследований расширяются функциональные возможности оптических и оптико-электронных приборов и комплексов, повышаются информативные содержания измерений, наблюдаются тенденции широкого применения как в производственных, так и в научных направлениях, поэтому для контроля взаимодействия светового излучения с веществом данное исследование актуально и перспективно. В статье поставлена задача и определены объекты и метод исследования. В работе приведены внешний вид и оптическая схема экспериментальной установки. Получены экспериментальные результаты измерений поверхности кожного покрова без обработки и после нанесения кремов разных марок в результате усреднения измерений в 5000 точках поверхности участка кожи размером 2мм х 2мм.
Ключевые слова: светоделительная пластинка, устройство поперечного сдвига, оптическая схема, коэффициент отражения, крем, поверхность кожного покрова, геометрическая оптика.
Современные оптические методы контроля геометрических параметров отражающих поверхностей охватывают широкий диапазон измерений: от десятых и сотых долей микрометра до 106 мкм [1, 2]. Существуют оптических методов контроля поверхности, которые определяются основной характеристикой светового излучения, такой как временная когерентность [3, 4]. Эти методы делятся на высококогерентные методы, методы геометрической оптики и методы, использующие излучение с ограниченной временной когерентностью [5, 6].
Методы контроля рельефа поверхности, использующие принципы геометрической оптики, получили широкое распространение на практике. Простота эксплуатации, съема информации и интерпретации результатов обеспечили реализацию указанных методов в различных приборах [7, 8].
Оптические методы измерений рельефа поверхности и работа соответствующих приборов основаны на анализе светового излучения, отраженного от контролируемой поверхности [9, 10].
В научно-технической литературе на высоком уровне представлены теоретический анализ и их функционирование, решены вопросы построения и эксплуатационных характеристик этих приборов и комплексов. Для научных исследований расширяются функциональные возможности этих приборов и комплексов, повышаются информативные содержания измерений, наблюдаются тенденции широкого применения как в производственных, так и в научных направлениях [11, 12].
Поэтому представляет интерес применение метода геометрической оптике для анализа биологической поверхности при воздействии на неё различных внешних агентов.
Целью работы является использование метода контроля, анализирующего расходимость в исследовании биологических объектов.
Постановка задачи. В работе необходимо провести измерения диффузно отражающей поверхности обработанной кремом для рук отечественного производства. Определить отражательную способность биологической поверхности до и после обработки кремом.
Метод и объекты исследования. В качестве объектов исследования были участки поверхности кожи (2мм х 2мм) до и после нанесения крема. Исследовалось взаимодействие крема для рук «Лаванда», «Ландыш», «Роза» в области предплечья, где роговой слой кожи наиболее тонкий.
Крем для рук «Лаванда» создан на основе экстракта лаванды. Основной компонент этого крема оказывает антисептическое и успокаивающее действие на кожу рук, повышая её упругость и эластичность. Витамин Е и D-пантенол восполняют недостаток витаминов, укрепляют ногти на руках и смягчают кожу. Бисаболол и аллантоин снимают раздражение и успокаивают кожу, способствуя заживлению трещинок.
Крем для рук «Ландыш» создан на основе экстракта лилии. Основной компонент этого крема увлажняет, питает и освежает кожу рук, придавая поверхности кожного покрова эффект белизны.
Крем для рук «Роза» создан на основе экстракта розы. Основной компонент этого крема обладает восстанавливающим действием, питает и разглаживает кожу рук, делая её ровной, бархатистой и однотонной.
Для оценки кривизны волнового фронта отраженной волны и получения зависимостей коэффициента отражения от смещения в поперечном направлении (ось ОХ) использовалась экспериментальная установка, внешний вид которой представлен на рисунке 1.
Рис. 1. Внешний вид экспериментальной установки
В работе проводился анализ методом сдвигового дублирования рассеянной волны с последующей интерференцией двух волновых фронтов. Схема реализации изложенного принципа представлена на рисунке 2.
излучения: 1 - биологическая поверхность; 2 - светоделительная пластинка; 3 - устройство поперечног
о сдвига; 4 - плоскость наблюдения
Для контроля биологической поверхности 1 использовали суперлюминесцентный диод (№зЫеЛ, работающий на длине волны 790 нм, мщностью 5 мВт). Устройство поперечного сдвига 3 формирует две идентичные волны, смещенные относительно друг друга в поперечном направлении на величину 5. В области перекрытия волновые фронты интерферируют с образованием системы интерференционных полос [13, 14]. В плоскости наблюдения, отстоящей от поверхности объекта на расстоянии г, шаг полос рг определяется выражением
Рг , (1)
где X - длина волны излучения.
При смещении контролируемой поверхности изменяется г, и, в соответствии с (1), шаг полос рг. Измеряя шаг, из (1) определяют искомую величину г.
Как следует из формулы (1), рассмотренная система обладает умеренной чувствительностью. Так, при расстоянии до объекта г = 100 мм, изменение рельефа на величинуАг = 0,1 мм приводит к изменению шага полос рг на 0,1%.
Для повышения точности измерений предложено использовать технику гетеродинной интерферометрии, позволяющей производить измерение фазы интерференционных полос с точностью до 2^/(l03 -104) рад.
При наличии двух фотоприемников в плоскости наблюдения, разнесенных на расстояние Б', фазовый сдвиг интерференционных полос ф связан с искомым расстоянием до объекта z следующей формулой:
2язБ'
Ф =-■
Áz
Показано, что измерение рельефа диффузно отражающей поверхности можно производить с точностью 8z, определяемой экспериментальной установкой следующим выражением:
& = . Á , 2sin ut sin uo
где Uo - апертурный угол освещения; Ui - апертурный угол наблюдения.
Итак, обеспечения точности измерений & < 30 мкм для 1 = 790 нм, необходимо, чтобы Sin Uo > 0,2 .
Экспериментальные результаты и их обсуждение. Анализируемый участок поверхности (область предплечья, где роговой слой кожи наиболее тонкий) зондировался по нормали. Крем наносится на поверхность предплечья. Экспериментальные результаты измерений показаны на рисунке 3. Крем наносится на поверхность предплечья одного и того же пациента в разные промежутки времени. Измерения поверхности кожного покрова проводились без обработки и после нанесения кремов разных марок. Представленные экспериментальные зависимости получены в результате усреднения измерений в 5000 точках поверхности участка кожи размером 2мм х 2мм.
22 21 20 19 18
¡б 15 14 13 12
О 0.5 1 1.5 2
lili
Рис. 3. Спектральные зависимости коэффициента отражения (R) от контролируемых поверхностей в поперечном направлении: 1 - без обработки кремом; 2 - «Лаванда»; 3 - «Ландыш»; 4 - «Роза»
Как видно из рисунка 3 при обработке внешними агентами кожного покрова коэффициент отражения увеличился. Видимо это связано с химическим составом кремов. Из рисунка 3 видно, что кривые распределения не имеют явных всплесков, что доказывает хорошую сбалансированность и правильно подобранный химический состав кремов.
Заключение. В работе не ставилась задача проверки правильности химического состава внешних агентов. В работе получены спектральные зависимости коэффициента отражения от контролируемых поверхностей в поперечном направлении до и после взаимодействия кожного покрова с кремами. Измерения микрорельефа кожного покрова, проведенные через определенные промежутки времени, позволяют анализировать изменения кожи, а также исследовать влияние различных косметологических процедур на состояние поверхности кожного покрова Экспериментальные результаты представляют интерес для косметологических исследований, а также для оптического приборостроения.
• •----- '•• . . - . . • * .. _ - \ - - • •
2
1
264 с.
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.
3. Пентин Ю.А., Вилков Л.В. Физические методы исследования в химии. М.: Мир. 2006. 683 с.
4. Ландсберг Г.С. Оптика. - М.: Наука. 1976. 926 с.
5. Малакара Д. Оптический производственный контроль: пер. с англ. под ред. Соснова А.Н. М.: Машиностроение. 1985. 340 с.
6. Афанасьев В.А. Оптические измерения. М.: Недра. 1968. 263 с.
7. Майоров Е.Е., Бородянский Ю.М., Р.Б. Гулиев Р.Б., А.В. Дагаев А.В., Курлов В.В., Таюрская И.С. Исследование оптических поверхностей плосковыпуклых линз экспериментальной интерференционной установкой с дифрагированным опорным волновым фронтом // Научное приборостроение. 2023. Т.33. № 1. С. 43-53.
8. Майоров Е. Е., Арефьев А. В., Бородянский Ю. М., Гулиев Р. Б., Дагаев А. В., Пушкина В. П. Математическое моделирование выходного сигнала при разной геометрии апертур фотоприемников интерференционной системы анализа интерферограмм // Изв. вузов. Приборостроение. 2023. Т. 66. № 4. С. 313-319. DOI: 10.17586/00213454-2023-66-4-313-319.
9. Майоров Е.Е. Исследование выходного интерференционного сигнала в фазоизмерительной системе // Моделирование и ситуационное управление качеством сложных систем: Четвертая Всероссийская научная конфе-
ренция (СПб., 18-22 апреля 2023 г.): сб. докл. СПб.: ГУАП, 2023. C. 56-60.
10. Майоров Е.Е. К вопросу о погрешности измерений в сдвиговой интерферометрии // Моделирование и ситуационное управление качеством сложных систем: Четвертая Всероссийская научная конференция (СПб., 18-22 апреля 2023 г.): сб. докл. СПб.: ГУАП, 2023. C. 61-64.
11. Майоров Е.Е. Исследование сложных форм поверхностей когерентно ограниченной во времени системой // Моделирование и ситуационное управление качеством сложных систем: Четвертая Всероссийская научная конференция (СПб., 18-22 апреля 2023 г.): сб. докл. СПб.: ГУАП, 2023. C. 65-68.
12. Майоров Е.Е., Костин Г.А., Черняк Т.А. Реализация метода спекл-фотографии для контроля диф-фузно отражающих поверхностей объектов // Научное приборостроение. 2023. Т. 33. № 2. C. 75-83.
13. Майоров Е. Е., Костин Г. А., Черняк Т. А. Экспериментальная измерительная система для контроля поверхностей корпуса воздушного судна // Изв. вузов. Приборостроение. 2023. Т. 66. № 5. С. 430-436. DOI: 10.17586/0021-3454-2023-66-5-430-436.
14. Майоров Е.Е., Черняк Т.А., Костин Г.А. Применение высокочувствительных фотоматериалов на основе галогенидов серебра для исследования влияния отклонений подложек спеклограмм на результаты измерений // Приборы. 2023. № 5. (275). С. 51-54.
Майоров Евгений Евгеньевич, канд. тех. наук, доцент, [email protected]. Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения (ГУАП),
Арефьев Александр Владимирович, канд. физ.-мат. наук, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения (ГУАП),
Гулиев Рамиз Балахан оглы, канд. техн. наук, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения (ГУАП),
Пушкина Вера Павловна, канд. экон. наук, доцент, [email protected]. Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения (ГУАП),
Цыганкова Галина Александровна, канд. физ.-мат. наук, преподаватель, [email protected], Россия, Пушкин, Военно-морской политехнический институт
A CONTROL METHOD THAT ANALYZES DIVERGENCE IN THE STUDY OF THE INTERACTION OF EXTERNAL
AGENTS WITH BIOLOGICAL OBJECTS
E.E. Maiorov, A.V. Arefiev, R.B. Guliyev, V.P. Pushkina, G.A. Tsygankova
Using a control method analyzing the divergence of light radiation reflected from the surface under study, the results of the interaction of external agents with biological objects were obtained. For scientific research, the functionality of optical and optoelectronic devices and complexes is expanding, the informative content of measurements is increasing, there were trends in widespread use both in production and in scientific directions, therefore, this study was relevant and promising for controlling the interaction of light radiation with matter. The article sets the task and defines the objects and method of research were set. The paper the appearance and optical scheme of the experimental setup were presented. Experimental results of measurements of the skin surface without treatment and after applying creams of different brands as a result of averaging measurements at 5000 points on the surface of a skin area measuring 2mm x 2mm were obtained.
Key words: beam-splitting plate, transverse shear device, optical scheme, reflection coefficient, cream, skin surface, geometric optics.
Maiorov Evgeny Evgenievich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg state university of aerospace instrumentation (GUAP),
Arefiev Alexander Vladimirovich, candidate of physical and mathematical sciences, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg state university of aerospace instrumentation (GUAP),
Guliyev Ramiz Balahan oglu, candidate of technical sciences, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg state university of aerospace instrumentation (GUAP),
Pushkina Vera Pavlovna, candidate of economic sciences, docent, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg state university of aerospace instrumentation (GUAP),
Tsygankova Galina Aleksandrovna, candidate of physical and mathematical sciences, teacher, galusin-ka^maUm, Russia, Pushkin, Naval Polytechnic Institute
