Волновые пучки и импульсы в случайно-неоднородных и стратифицированных средахНИР

Impuls

Источник финансирования НИР

госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию)

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. Волновые пучки и импульсы в случайно-неоднородных и стратифицированных средах
Результаты этапа: СОДЕРЖАНИЕ ВЫПОЛНЕННОЙ В 2018 ГОДУ РАБОТЫ 1. Разработана аналитическая модель формирования профиля коллимированного когерентного волнового пучка в параксиальном и не параксиальном приближениях. На различных пространственных масштабах относительно дифракционной длины рассмотрены процессы формирования «лепестков» функции распределения интенсивности в поперечном сечении исходного гауссова пучка. Выполнено сравнение с традиционными решениями параболического уравнения для параксиального распространения векторного волнового пучка. 2. Экспериментально исследован процесс управления профилем коллимированного одномодового когерентного векторного гауссова пучка с помощью децентрованной перестраиваемой оптической системы. Преобразование структуры волнового пучка анализируется как маргинальное распределение или томограмма обобщенной функции Вигнера в фазовом пространстве. Обсуждаются следствия нарушения пространственной симметрии оптической системы при сдвиговых деформациях взаимного расположения элементов оптической системы. Представлены количественные передаточные характеристики оптической системы как в виде ABCD матриц, так и параметрических зависимостей, полученных из эксперимента. 3. Создана на платформе Synology база экспериментальных данных систематических исследований динамики рефракционных искажений с контролем поляризационных свойств пучка в однопроходной и двупроходной схемах, база экспериментальных данных систематических исследований рефракционных явлений в присутствии гидрометеоров как многокомпонентых стохастических процессов, база видеосерий для зондирующих и сигнальных пучков на выходе атмосферной трассы. 4. Разработаны оптимальные алгоритмы на языке Haskell для анализа потоковых экспериментальных видеосерий со скользящей время-частотной обработкой, позволяющие в режиме реального времени контролировать спектры собственных частот пространственных моментов. Реализованы алгоритмы Борна-Жордана, Чои-Вильямса, сглаженного Вигнера-Вилли. Получены первые версии время-частотных карт, установлены спектральные свойства рефракционной модуляции, время изни импульсных помех. 5. Выполнены тесты применимости методов машинного обучения и авторегрессионных методов с многомерным кортежем регрессоров для прогнозирования состояния профиля волнового пучка. Предложен подход на основе матрицы переходов, между состояниями профиля пучка, отличающимися комбинацией центральных пространственных моментов распределения интенсивности в плоскости регистрации. В процессе отладки алгоритмов обучения установлены правила отбора числа элементов многомерного кортежа регрессоров, обеспечивающего оптимальный режим сходимости решений и максимальное время действия прогноза. 6. Исследование структуры фазовой стохастической модуляции методами дифференциальной топографии распределения интенсивности волновых пучков. Предложен подход на основе системы нелинейных дифференциальных уравнений для амплитудной и фазовой характеристик волнового пучка, позволяющий визуализировать распределение плотности потока орбитального момента в плоскости регистрации, структуру стохастических воздействий на фазу структурно устойчивого волнового пучка. 7. Создана первая версия библиотеки алгоритмов на основе модифицированной библиотеки ffmpeg Библиотека алгоритмов включает как собственно пространственные, так и пространственно-временные режимы обработки, позволяющие контролировать статистику микротечений в плоскости регистрации, степень их согласованности, «энергетику деформаций» профиля распределения интенсивности, структуру пространственных моментов, метод ориентированных апертур при анализе пространственной анизотропии и распределения масштабов рефракционных неоднородностей на трассе. \bigskip Участие в конференциях с докладами: 1. «Transfocal analysis of unsteady stochastic structures for a signal from a retro-reflector», Tatiana Arsenyan, Arkadiy Blank, Eugeniy Babanin, Natalia Suhareva, SPIE Remote Sensing 2018 (10 - 13 September 2018, Berlin, Germany), Berlin, Германия, 10-13 сентября 2018 2. «Chaos and order of the wave beams positional parameters at the output of long atmospheric path», Babanin E.A., Blank A.V., Kononenko V.S., Suhareva N.A., XXIV Международный Cимпозиум “Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы”, Томск, Россия, 2-5 июля 2018 3. «Cohen class time-frequency mapping in the analysis of the non-stationary parameters of a wave gaussian beam at the atmospheric path output», Blank A.V., Arsenyan T.I., Babanin E.A., Stryungis R.F., Suhareva N.A., XXIV Международный Cимпозиум “Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы”, Томск, Россия, 2-5 июля 2018 4. «Conversion characteristics of silicon photovoltaic cells for optical beaming», Chebotareva A.B., Kost T.N., Untila G.G., Blank A.V., Suhareva N.A., Tugaenko V.Yu, SPIE Photonics Europe 2018, Strasbourg, France, Франция, 22-26 апреля 2018 5. «Неравновесная термодинамика ансамбля когерентных волновых пучков», Арсеньян Т.И., Бланк А.В., Вохник О.М., Кононенко В.С., Сухарева Н.А., Тугаенко В.Ю., VII международная конференция по фотонике и информационной оптике, Москва, НИЯУ МИФИ, Россия, 24-26 января 2018 \bigskip Публикации: 1. «Conversion characteristics of silicon photovoltaic cells for optical beaming», Blank Arkadiy, Suhareva Natalia, Tugaenko Vjatcheslav, Untila Gennady, Chebotareva Alla, Kost Tatiana, Proceedings Volume 10688, Photonics for Solar Energy Systems VII;, № 106881F (2018), с. 1-10, DOI http://dx.doi.org/10.1117/12.2306633 2. «Transfocal analysis of unsteady stochastic structures for a signal from a retro-reflector», Babanin Eugeniy, Suhareva Natalia, Blank Arkadiy, Arsenyan Tatiana, Image and Signal Processing for Remote Sensing XXIV, № 10789, с. 1-16 DOI http://dx.doi.org/10.1117/12.2325688 3. «Неравновесная термодинамика ансамбля когерентных волновых пучков», Арсеньян Т.И., Бланк А.В., Вохник О.М., Кононенко В.С., Сухарева Н.А., Тугаенко В.Ю. в сборнике VII Международная конференция по фотонике и информационной оптике. Сборник научных трудов. ISBN 978-5-7262-2445-9, место издания Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" Москва, с. 254-255 4. «Chaos and order of the wave beams positional parameters at the output of long atmospheric path», Babanin E.A., Blank A.V., Kononenko V.S., Suhareva N.A., Proc. SPIE. 10833, 24th International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics: Atmospheric Physics 5. «Cohen class time-frequency mapping in the analysis of the non-stationary parameters of a wave gaussian beam at the atmospheric path output», Blank A.V., Arsenyan T.I., Babanin E.A., Stryungis R.F., Suhareva N.A., Proc. SPIE. 10833, 24th International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics: Atmospheric Physics 6. «Propagation of the non-paraxial Gaussian beam through the inhomogeneous atmosphere», Fedor Shugaev, Oxana Nikolaeva, Natalia Suhareva Proc. SPIE. 10787, Environmental Effects on Light Propagation and Adaptive Systems \bigskip Внедрение в учебный процесс: Ряд экспериментальных и теоретических результатов включены в программы читаемых на кафедре спецкурсы «Структурная устойчивость оптических пучков», «Дискретные системы и процессы», «Пространственный анализ стохастических полей». Подготовлены рукописи методических материалов по соответствующим спецкурсам. Защищены две магистерских диссертации в мае-июне 2018 года, подготовлена одна диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук.
2 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. Волновые пучки и импульсы в случайно-неоднородных и стратифицированных средах
Результаты этапа: Краткое описание выполненных работ: 1. Созданы имитационные модели массивы фотовольтаических преобразователей с регулярной структурой, традиционно используемых в наземных и космических приложениях для преобразования стационарных и пространственно однородных потоков солнечного излучения. Изменение пространственного спектра электромагнитного излучения существенно меняет статистику и динамику физических процессов на поверхности и в объеме фотопреобразующих элементов. На уровне электродинамического описания массива элементов необходимо учтена индуцированная пучком неоднородность распределения генерируемого фототока, пропорционального плотности потока падающего излучения. 2. Создана аналитическая модель теплодинамических свойства массива позволяющая прогнозировать температуры как на поверхности массива так и в его объеме. Критическими для конвертации энергии становятся зоны затенения поверхности массива, приводящие к блокировке групп элементов и исключении из генерируемой мощности значимой доли падающего потока энергии. 3. Для обхода эффектов затенения разработаны различные приемы активного и пассивного перераспределения падающего на массив потока, приводящие в итоге к квазиравномерному распределению интенсивности по поверхности массива. Совокупность таких методов получила наименование "фотонный менеджмент". Примером могут быть фазовые рассеивающие фильтры, размещаемые вблизи поверхности, зеркальные распределительные призмы, концентраторы излучения. Помимо физического выравнивания распределения интенсивности энергонесущего пучка по поверхности массива возможно достичь практически близких результатов выбором специальных схем коммутации, действие которых эквивалентно работе диффузоров. 4. Результаты имитационных исследований фотовольтаических преобразователей определяют правила синтеза коммутационных схем, эффективных при работе с мощными коллимированными энергонесущими лазерными пучками. Особенности работы с коллимированным энергонесущим пучком состоят в: • ограниченности апертуры пучка и необходимости удержания его размера и положения на фотопреобразующем массиве; • тепловом действии мощного коллимированного пучка на поверхность массива, сопровождающимся изменением фотовольтаических характеристик "горячих" элементов; • неоднородности профиля распределения интенсивности пучка на поверхности массива, снижающей эффективность фотопреобразования относительно пучков с однородным профилем. 5. Представлены результаты экспериментальных исследований матричных фотовольтаических преобразователей определяющие правила синтеза коммутационных схем, эффективных при работе с мощными коллимированными энергонесущими лазерными пучками. Особенности работы с коллимированным энергонесущим пучком состоят во-первых в ограничении апертуры пучка и необходимости удержания его размера и положения на фотопреобразующем массиве, во-вторых в тепловом действии мощного коллимированного пучка на поверхность массива, сопровождающимся изменением фотовольтаических характеристик "горячих" элементов, в-третьих в неоднородности профиля распределения интенсивности пучка на поверхности массива, снижающей эффективность фотопреобразования относительно пучков с однородным профилем. 6. В ряде случаев принудительная стохастизация распределения интенсивности по поверхности решает задачу повышения эффективности фотопреобразования. Разработаны методы парциального и глобального тестирования коммутационных схем массивов фотопреобразователей. Предложены схемы распределяющей коммутации для коллимированных пучков различного профиля. Участие в конференциях с докладами по материалам исследований второго этапа: 1. ОПТИМАЛЬНАЯ ТОПОЛОГИЯ КОММУТАЦИИ ФОТОВОЛЬТАИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ДЛЯ ЗАДАЧ БЕСПРОВОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ (Устный) Авторы: Бланк А.В., Богданов С.Д., Сухарева Н.А., Унтила Г.Г. XXV Международный Cимпозиум “Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы” (30 июня - 5 июля 2019 года, Новосибирск), Новосибирск, Россия, 30 июня - 5 июля 2019 2. УПРАВЛЕНИЕ ПРОФИЛЕМ АСТИГМАТИЧЕСКОГО ЭНЕРГОНЕСУЩЕГО КОЛЛИМИРОВАННОГО ПУЧКА (Устный) Авторы: Насонов А.А., Бабанин Е.А., Бланк А.В., Сухарева Н.А. XXV Международный Cимпозиум “Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы” (30 июня - 5 июля 2019 года, Новосибирск), Новосибирск, Россия, 30 июня - 5 июля 2019 3. Topology Communication Photoconverters Matrix of High-power Coherent Monochromatic Radiation (Устный) Авторы: Arkadiy Blank, Stanislav Bogdanov, Natalia Suhareva, Gennady Untila, and Boris Eydelman Photonics & Electromagnetics Research Symposium, PIERS, Рим, Италия, 17-20 июня 2019 4. Имитационное моделирование эффективности матричных концентраторных фотовольтаических преобразователей (Устный) Авторы: Бланк А.В., Сухарева Н.А., Богданов С.Д. XVII Всероссийская школа-семинар «Физика и применение микроволн» имени профессора А.П. Сухорукова (Волны 2019), Красновидово, Московская область, Россия, 26-31 мая 2019 5. Метод пространственных дифференциалов в детектировании и описании одномодовых волновых структур (Устный) Авторы: Сухарева Н.А., Насонов А.А., Бланк А.В. XVII Всероссийская школа-семинар «Физика и применение микроволн» имени профессора А.П. Сухорукова (Волны 2019), Красновидово, Московская область, Россия, 26-31 мая 2019 6. Управление профилем волнового пучка на выходе децентрованной оптической системы (Устный) Авторы: БАБАНИН Е.А., СУХАРЕВА Н.А., БЛАНК А.В. VIII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ ПО ФОТОНИКЕ И ИНФОРМАЦИОННОЙ ОПТИКЕ, НИЯУ МИФИ, Россия, 23-25 января 2019 Публикации по материалам исследований второго этапа: 1. Optimal commutation topology of photovoltaic cells for wireless power applications Blank A.V., Bogdanov S.D., Suhareva N.A. в журнале Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, издательство SPIE, the International Society for Optical Engineering (Bellingham, WA, United States), том 11208, с. 112080U-1-112080U-19 DOI 2. Profile management of astigmatic energy-carrying collimated beam Babanin E.A., Blank A.V., Nasonov A.A., Suhareva N.A. в журнале Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, издательство SPIE, the International Society for Optical Engineering (Bellingham, WA, United States), том 11208, с. 112080T-1-112080T-13 DOI 3. Properties of the electromagnetic field of a non-paraxial Gaussian beam propagating through homogeneous and inhomogeneous air Shugaev Fedor V., Nikolaeva Oxana A., Suhareva Natalia A. в журнале Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, издательство SPIE, the International Society for Optical Engineering (Bellingham, WA, United States), том 11153, с. 111530E-1-111530E-12 DOI 4. Имитационное моделирование фотовольтаических массивов Бланк А.В., Богданов С.Д., Сухарева Н.А., Унтила Г.Г. в журнале Журнал радиоэлектроники, издательство Учреждение Российской академии наук Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук (Москва), № 12, с. 1-26 DOI 5. Распределяющая коммутация фотовольтаических массивов для задач беспроводной оптической энергетики Бланк А.В., Богданов С.Д., Сухарева Н.А., Эйдельман Б.Л. в журнале Журнал радиоэлектроники, издательство Учреждение Российской академии наук Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук (Москва), № 11, с. 1-27 DOI 6. Фазовые портреты пространственных моментов коллимированного волнового пучка в управляемом и свободном режимах Бланк А.В., Сухарева Н.А. в журнале Журнал радиоэлектроники, издательство Учреждение Российской академии наук Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук (Москва), № 11, с. 1-26 DOI Внедрение в учебный процесс результатов исследования: Ряд экспериментальных и теоретических результатов включены в программы читаемых на кафедре спецкурсы «Структурная устойчивость оптических пучков», «Дискретные системы и процессы», «Пространственный анализ стохастических полей». Подготовлены рукописи методических материалов по соответствующим спецкурсам. Защищена одна диссертация на соискание на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук в декабре 2019 года и четыре магистерских диссертации в мае-июне 2019 года, подготовлена одна диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук.
3 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. Волновые пучки и импульсы в случайно-неоднородных и стратифицированных средах
Результаты этапа: В результате выполненных в 2020 году коллективом исследований могут быть сформулированы следующие утверждения: 1. Обобщенный больцмановский фактор, представляющий отображение Лапласа профиля пространственно-временного распределения температур на протяженной трассе определяет статистику флуктуационных процессов, регистрируемых по локальному индексу мерцаний. 2. Создана методика исследования анизотропных пространственно-временных распределений рефракционных искажений на основе статистического и дифференциального анализа динамической спекл-структуры, регистрируемой на выходе протяженной трассы. Развит метод хронорефрактографии динамической спекл-структуры и его использование в задачах контроля направления аэродинамических течений, связанных с конвективными токами и кросс-ветровой нагрузкой. Построена обобщенная классификация состояний возмущенной приземной трассы на основе динамических хронорефрактограмм. Представлен метод ориентированных апертур, настроенный на определение характерных масштабов неоднородностей с преимущественно вертикальной и горизонтальной ориентацией. 3. Представлена классификация времячастотных карт рефракционной модуляции позиционных параметров коллимированных волновых пучков на основе сглаженных отображений класса Коэна, а именно Вигнера-Вилли, Борна-Жордана, Чои-Вильямса. Для различных условий развития рефракционных искажений выделены типы маргинальных спектров, время частотные домены, соответствующие зарождению и уничтожению пространственных неоднородностей различного масштаба. Рассмотрены времячастотные спектры отклика на импульсное воздействие, отклики на сильные рефракционные деформации волнового пучка, приводящие к каустической фокусировке или фрагментации профиля волнового пучка. 4. Исследован формализм неаддитивной статистики Курадо-Тсаллиса в применении к рефракционным свойствам протяженных оптически прозрачных трасс. Структурный анализ сигнального мультиплета (суммы сигнального пучка и динамической помехи от внешних источников и шума видеоматрицы) выполнен на основе энтропийных характеристик Больцмана-Гиббса, Реньи и Тсаллиса. Показано, что для всех типов аддитивных и неаддитивных статистических приближений наблюдается немонотонная зависимость энтропии от радиуса сглаживающего пространственного фильтра. 5. Предложены методы экспериментального мониторинга состояния трассы, позволяющие определить устойчивость и тип аттрактора в фазовом пространстве на основе динамики спектра показателей Ляпунова. Представлены спектральные характеристики для широкого диапазона режимов атмосферной трассы – от регулярных течений до состояния гиперхаоса. 6. Получена полная система q-деформированных уравнений распространения для интенсивности и фазы волнового пучка для неаддитивных систем, эквивалентных уравнениям для систем с фрактальной геометрией фазового пространства в приближении гидродинамического типа. 7. Разработана библиотека сценариев анализа зашумленного профиля волнового пучка, ориентированная на выбор оптимальных параметров фильтрации изображения на основе экстремума энтропии Реньи, определения двухпараметрической различающей информации и мультифрактальных мер реализуемых распределений интенсивности. Предложен метод реконструкции профиля распределения интенсивности на основе методов глубокого обучения как по полному изображению, так и по кортежу компонент первых и центральных вторых пространственных моментов. 8. Исследованы адмиттанс-спектры уединенных фотопреобразователей и их каскадов в непрерывном приближении, выполнена реконструкция передаточной характристики в темновом режиме на основе анализа переходных процессов и импульсных откликов. 9. Представлена методика теоретической оценки передаточных характеристик фотовольтаического массива в условиях неоднородной засветки. Получена система уравнений Результаты исследования коллективных процессов при неоднородных температурных распределениях.
4 1 января 2021 г.-31 декабря 2021 г. Волновые пучки и импульсы в случайно-неоднородных и стратифицированных средах
Результаты этапа:
5 1 января 2022 г.-31 декабря 2022 г. Волновые пучки и импульсы в случайно-неоднородных и стратифицированных средах
Результаты этапа:
6 1 января 2023 г.-31 декабря 2023 г. Волновые пучки и импульсы в случайно-неоднородных и стратифицированных средах
Результаты этапа:
7 1 января 2024 г.-31 декабря 2024 г. Волновые пучки и импульсы в случайно-неоднородных и стратифицированных средах
Результаты этапа:
8 1 января 2025 г.-31 декабря 2025 г. Волновые пучки и импульсы в случайно-неоднородных и стратифицированных средах
Результаты этапа:

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".