» »

Одиночный прямоугольный импульс. Исследование радиоимпульса специальной формы Гауссов импульс

История разработки и освоения медицинских приборов ведется на АПЗ с 1967 года. Именно тогда был выпущен первый «Миотон» – прибор для лечения двигательных расстройств. В 90-х на предприятии в кратчайшие сроки были разработаны и освоены такие аппараты, как «Хелпер» – анализатор иммунодефицита, «Эхотомоскоп» – прототип современных приборов УЗИ, «Лор-экспресс» для лечения заболеваний уха-горла-носа, а также озонаторы, стоматологические наконечники и другие. К сожалению, в связи с наполнением рынка импортными аналогами производство отечественных медприборов постепенно сошло на нет.

Сейчас на АПЗ производятся озонаторы. На стадии клинических испытаний находится усовершенствованный прибор «Миотон-М». Новый импульс развитию медицинского направления предприятие получило в этом году с вхождением в биомедицинский кластер Нижегородской области. Так, в сотрудничестве с ведущими учреждениями – Приволжским исследовательским медуниверситетом, Нижегородским НИИ травматологии и ортопедии на АПЗ осваивается производство транспендикулярных винтовых систем, применяемых для стабилизации позвоночника.

Гостям предприятия продемонстрировали производственные мощности, рассказали о возможностях инструментального, литейного, термического производств, показали в работе современные высокоточные обрабатывающие центры, которыми оснащены механические цеха. Цель встречи на АПЗ – перейти к более активному диалогу между научными организациями и производственными площадками.

«При отсутствии связи между медицинской наукой и практикой с производством каждый варится в своем соку, а результата нет, – отметил генеральный директор АО «АПЗ» Олег Лавричев. – Нам нужно плотнее взаимодействовать в формате кластера или двустороннего сотрудничества. Эту актуальнейшую для нас тему мы в состоянии разрабатывать самостоятельно, без зарубежного участия. Мы многое можем создавать сами. Ваши актуальные исследования необходимо проанализировать с точки зрения привязки к функциональной специфике нашего производства».

На встрече обсуждались такие перспективные направления, как производство социальных роботов, а также высокотехнологичных изделий для имплантации. Доктор медицинских наук ректор ФГБОУ ВО «ПИМУ» Николай Карякин, возглавляющий региональную Ассоциацию специалистов 3D-печати в медицине, рассказал о свободной нише на рынке отечественных имплантов. «У нашей ассоциации, созданной в 2016 году, есть своя лаборатория, несколько производств, где мы изготавливаем изделия из пластика. И многие вещи для себя уже закрываем. Мы проводим более 50 операций в год с имплантацией индивидуальных изделий. Но титановые импланты в России пока производят только в Москве, в маленькой частной компании. Мы как ассоциация заинтересованы в индустриальном партнере на серьезном уровне, чтобы программисты, дистанционно взаимодействуя с докторами, изготавливали импланты и в короткие сроки поставляли их на операции. Конечно, тема требует изучения, но эта ниша на отечественном рынке свободна».

Технологические возможности АПЗ позволяют организовать соответствующее производство. Необходимо более детальное изучение темы в сотрудничестве с непосредственными заказчиками.

«Тот кадровый и технологический потенциал, который мы сегодня увидели, просто обязан быть использован в производстве высокотехнологичных изделий медицинского назначения, – отметил Николай Карякин. – Объем закупаемой нами медицинской техники импортного производства достигает 70–80 процентов от общих закупок. Я считаю, что для нашего государства это недопустимо. Очень обидно, когда русский врач полностью завязан на импортные технологии, он не может внести свои новшества, скован курсом доллара и санкционной политикой, от чего в итоге зависит жизнь пациента. Этого не должно быть в нашей стране».

Итогом встречи стало решение о создании двустороннего экспертного совета и подписание договора о сотрудничестве по разработке и освоению высокотехнологичной востребованной медицинской техники. Заседания экспертного совета решено проводить ежемесячно.

Пусть дан прямоугольный импульс с амплитудой А и длительностью t . На оси времени он задан положением середины импульса t 0 (рис.3.11).

Тогда аналитически сигнал можно описать следующим образом.

Определим выражение для спектральной плотности.

Если это выражение разделить на Т и подставить вместо w частоту nw 1 , то получим уже известное выражение для АЧС последовательности прямоугольных импульсов:

Нули модуля спектральной плотности расположены на частотах w =2p k /t , где k =± 1,± 2,... На частоте w =0 спектральная плотность равна S (0)=At .

На рис.3.12изображены графики АЧХ и ФЧХ прямоугольного импульса с учетом знака синуса.

Полная энергия импульса равна

Энергия сигнала, ограниченного первым лепестком спектральной плотности, составляет 90% мощности прямоугольного импульса.

Экспоненциальный импульс.

Определим спектральную плотность экспоненциального импульса вида

изображенного на рис.3.13.

В этом случае

Графики АЧХ и ФЧХ показаны на рис.5,б. На частоте w =0 S (0)=A /a ; при w <w >> a ; на частоте w = a . Таким образом, спектральная плотность экспоненциального импульса не имеет нулей и плавно уменьшается с увеличением частоты.

Гауссов импульс. Колоколообразный (гауссовский) импульс определяется выражением

Во временной области он изображен на рис. 14 а . Условно длительность такого импульса определяют по уровню е -1/ 2 от амплитуды.

Спектральная плотность определяется через интеграл Фурье:

После замены переменных: где ,

интеграл приводится к виду , причем

Окончательно получаем

где

Таким образом, спектральная плотность гауссовского импульса является действительной функцией частоты (j s =0) (т.к. сигнал задан четным образом), модуль которой также является гауссовским импульсом (рис. 14 ).

Т.е. гауссовскому спектру соответствует гауссовский импульс, причем чем шире полоса спектра, определяемая на уровне е -1/ 2 от максимума величиной b , тем уже условная длительность импульса, определяемая величиной а =1/b , и наоборот.

Спектр широкополосного случайного процесса. Белый шум

Случайный процесс может быть назван широкополосным, если эффективная полоса частот его спектральной плотности мощности сравнима со средней частотой этой полосы, либо эта полоса значительно шире полосы пропускания цепи, через которую проходит данный сигнал.

Если случайный процесс обладает равномерным энергетическим спектром в бесконечно широкой полосе частот то такой шум называют белым по аналогии с белым светом, имеющим в видимой части равномерный сплошной спектр. На рис.3.15 показана спектральная характеристика белого шума, где W x (f ) = W 0 .

Рис. 3.15. Спектр «белого» шума

Безусловно, такое представление случайного сигнала является идеализацией, т. к. дисперсия его должна иметь значение, равное бесконечности (см. равенство (2)). В то же время такая идеализация вполне применима, когда АЧХ исследуемой цепи дает возможность считать спектральную плотность на входе приближенно постоянной.

Использование понятия белого шума позволяет находить все необходимые характеристики случайного процесса на выходе радиосистемы только через собственные параметры радиоцепей, входящих в ее состав.

Законы распределения плотности вероятности белого шума могут быть любыми и часто их удобно считать нормальными.

К белому шуму обычно относят сигналы, имеющие игольчатую структуру с бесконечно тонкими случайными выбросами. Шум, имеющий равномерную плотность мощности в полосе частот (-f 1 ,f 1 ), также называется широкополосным.

На практике спектр измеряют при помощи специальных приборов: анализаторов спектра .

Спектральный анализ

Спектральный анализ - совокупность методов качественного и количественного определения состава среды, основанная на изучении спектров взаимодействия материи с излучением, включая спектры электромагнитного излучения, акустических волн, распределения по массам и энергиям элементарных частиц и др.

В зависимости от целей анализа и типов спектров выделяют несколько методов спектрального анализа. Атомный и молекулярный спектральные анализы позволяют определять элементный и молекулярный состав вещества, соответственно. В эмиссионном и абсорбционном методах состав определяется по спектрам испускания и поглощения.

Масс-спектрометрический анализ осуществляется по спектрам масс атомарных или молекулярных ионов и позволяет определять изотопный состав объекта.

Принцип исследования. Атомы каждого химического элемента имеют строго определённые резонансные частоты, в результате чего именно на этих частотах они излучают или поглощают свет. Это приводит к тому, что в спектроскопе на спектрах видны линии (тёмные или светлые) в определённых местах, характерных для каждого вещества. Интенсивность линий зависит от количества вещества и его состояния. В количественном спектральном анализе определяют содержание исследуемого вещества по относительной или абсолютной интенсивностям линий или полос в спектрах.

Оптический спектральный анализ характеризуется относительной простотой выполнения, отсутствием сложной подготовки проб к анализу, незначительным количеством вещества (10-30 мг), необходимого для анализа на большое число элементов.

Атомарные спектры (поглощения или испускания) получают переведением вещества в парообразное состояние путём нагревания пробы до 1000-10000 °C. В качестве источников возбуждения атомов при эмиссионном анализе токопроводящих материалов применяют искру, дугу переменного тока; при этом пробу помещают в кратер одного из угольных электродов. Для анализа растворов широко используют пламя или плазму различных газов.

Рис. 3.16. Спектр излучения вещества

Линейчатые спектры дают все вещества в газообразном атомарном состоянии. Изолированные атомы излучают строго определенные длины волн.

Непрерывные спектры дают тела, находящиеся в твердом, жидком состоянии, а также сильно сжатые газы.

Полосатые спектры в отличие от линейчатых спектров создаются не атомами, а молекулами, не связанными или слабо связанными друг с другом. Полосатые спектры имеют твердые тела.

Рис. 3.17. Типы спектров

История. Тёмные линии на спектральных полосках были замечены давно, но первое серьёзное исследование этих линий было предпринято только в 1814 году Фраунгофером. В его честь эффект получил название «Фраунгоферовы линии». Фраунгофер установил стабильность положения линий, составил их таблицу (всего он насчитал 574 линии), присвоил каждой буквенно-цифровой код. Не менее важным стало его заключение, что линии не связаны ни с оптическим материалом, ни с земной атмосферой, но являются природной характеристикой солнечного света. Аналогичные линии он обнаружил у искусственных источников света, а также в спектрах Венеры и Сириуса.

Вскоре выяснялось, что одна из самых отчётливых линий всегда появляется в присутствии натрия. В 1859 году Г. Кирхгоф и Р. Бунзен после серии экспериментов заключили: каждый химический элемент имеет свой неповторимый линейчатый спектр, и по спектру небесных светил можно сделать выводы о составе их вещества. С этого момента в науке появился спектральный анализ, мощный метод дистанционного определения химического состава.

Для проверки метода в 1868 году Парижская академия наук организовала экспедицию в Индию, где предстояло полное солнечное затмение. Там учёные обнаружили: все тёмные линии в момент затмения, когда спектр излучения сменил спектр поглощения солнечной короны, стали, как и было предсказано, яркими на тёмном фоне.

Рис.3.18. Спектры химических элементов

Контрольные вопросы:

    Что такое спектр?

    Причины использования спектрального представления.

    Виды спектров излучения.

    Что такое спектральный анализ колебаний?

    Что такое векторный анализ колебаний?

    Виды спектрального анализа.

    Частотная представление - альтернатива временной области.

    Причины использования гармонических функций в качестве базисных функций.

    Что такое гармонический сигнал, основной тон, обертоны, шум?

    Спектры прямоугольного импульса и последовательности прямоугольных импульсов.

    Отличие спектров периодического сигнала и одиночного сигнала.

    Запишите и нарисуйте спектр гауссова импульса.

Нынешнего лауреата Нобелевской премии по физике француза Жерара Муру и его работы хорошо знают в России, а ближе всех - в нижегородском Институте прикладной физики РАН. И не только знают, но и намерены развить деловое партнерство в рамках международного проекта XCELS - одного из шести научных мегапроектов, инициированных Россией.

Что уже сделано в этом направлении и какие задачи решаются сейчас, рассказали и показали журналистам непосредственно на площадке нижегородского института академик Александр Сергеев (он связан с ИПФ много лет, а в 2015-2017 годах, до избрания президентом РАН, был его директором) и нынешний заместитель директора член-корреспондент РАН Ефим Хазанов.

Академик Сергеев , что лазерная установка в мегапроекте XCELS (Международный центр экстремального света) может быть построена за 7-8 лет. Напомним, что пока из шести одобренных в России мегапроектов реализуются только два - реактор ПИК в Гатчине и ускоритель NICA в Дубне, в Объединенном институте ядерных исследований.

Я думаю, что присуждение Нобелевской премии по физике 2018 года Жерару Муру, который работал в Институте прикладной физики РАН, существенным образом поможет продвижению нашего проекта, - сказал Александр Сергеев. И подчеркнул, что в основе концепции будущей установки лежат как идеи Жерара Муру, так и нижегородских физиков.

Академик Сергеев смог дозвониться до Муру в присутствии журналистов. Нобелевский лауреат рассказал, что сейчас находится в Китае с женой. Его график из-за случившейся награды стал очень плотным - он называет это "взрывом" и не сможет приехать в Нижний Новгород на следующей неделе, как обещал раньше. Сейчас планирует быть в Москве в конце ноября, на конференции ЮНЕСКО по проблемам науки. Из научной жизни в России ему больше всего понравилось заниматься разработкой новых методов сжатия импульсов для повышения мощности лазера.

По словам Ефима Хазанова, их коллега из Франции сумел решить то, что долгое время считалось нерешаемым: Жерар Муру и Донна Стриклэнд сообща нашли способ, как многократно усилить лазерный импульс. Практические результаты этого открытия используются, в частности, в офтальмологии - в операциях по коррекции зрения, а также в металлообработке и фундаментальных исследованиях. И вот как раз на этом фундаментальном направлении видят для себя большие перспективы сотрудники нижегородского Института прикладной физики РАН. Александр Сергеев, их коллега и единомышленник, ставший теперь президентом всей Российской академии наук, такой настрой решительно поддерживает.

Жерар Муру остается в проекте XCELS и будет участвовать в разработке экспериментов для суперлазера в Нижнем

Это при нем еще в 2006 году в ИПФ был введен в действие петаваттный лазер ПЕРЛ - на тот момент самый мощный в мире. В его основе - принцип растяжения и сжатия лазерного импульса, одно из революционных открытий в области лазерной физики, за которое и присуждена Нобелевская премия 2018 года.

А в 2010 году профессор Муру совместно с нижегородскими физиками победил в конкурсе научных мегагрантов, который был организован правительством России для поддержки своих исследователей и укрепления международных связей на ключевых научных направлениях. По словам заведующего кафедрой общей физики Нижегородского госуниверситета Михаила Бакунова, Жерар Муру как приглашенный руководитель мегагранта создал на базе их университета Лабораторию экстремальных световых полей, которая работает до сих пор.

В тот же период была сформирована заявка Института прикладной физики РАН по созданию Международного центра экстремального света (XCELS). В основу была положена концепция уже действующего лазера ПЕРЛ и результаты, которые удалось на нем получить. В 2012 году заявка была одобрена комиссией под руководством президента России Владимира Путина как один из шести проектов класса мегасайенс. Жерар Муру стал в проекте XCELS председателем международного консультативного совета.

Если говорить про мощные лазеры в мировой науке, то нас, конечно, подгоняют, - признал в диалоге с журналистами Ефим Хазанов. - Прежде всего речь идет о европейских проектах в Венгрии, Румынии и Чехии. Конечно, не обошлось без Китая. В мире большая конкуренция, но мы стараемся не отставать.

Прямая речь

Александр Сергеев, президент РАН:

Сейчас создается несколько проектов класса 200 ПВт - румынская, венгерская и чешская установки. В Шанхае установка достигла мощности в 5 ПВт, но пока использовать ее практически невозможно. Например, в Корее есть установки мощностью в 3-4 ПВт. Если посмотреть на динамику строительства, сейчас близко к завершению строительство установки ELI в Румынии. XCELS - установка другого уровня мощностью в 200 ПВт. Такой лазер приведет нас в область совсем других физических параметров, например будет преодолен порог импульсивности. Мы попадем в другой мир, который еще никто никогда не видел. Это касается и движения частиц, и того, как они будут друг с другом взаимодействовать. Это мир, в котором одновременно присутствует и мощное лазерное излучение, которое ускоряет частицы, и мощное гамма-излучение, которое частицы производят, а также рождается вещество и антивещество при взрыве в вакууме. Таким образом, мы втащим Вселенную в нашу лабораторию.

США приняли стратегию защиты страны от электромагнитных инцидентов, от "угроз, связанных с электромагнитными импульсами (ЭМИ) и возмущением геомагнитного поля". Министерство внутренней безопасности США (МВБ) намерено активно противостоять не только возможному применению вражескими государствами электромагнитного оружия, действующего на новых физических принципах, но и природным явлениям.

Документ разработан с учетом данных американских разведслужб относительно той опасности, которая может исходить от противников США с задействованием данного вида вооружений. В новой стратегии излагаются "четкое видение и подход" министерства "по защите критически важной инфраструктуры" США от "потенциально катастрофических ЭМИ-инцидентов", а также принципы реагирования на них и восстановления в случае их применения.

Электромагнитное оружие - это группа вооружений, в котором для придания начальной скорости снаряду используется магнитное поле или цель поражается непосредственно с помощью электромагнитного излучения. Оборудование и электроника при этом выводится из строя за счет перенапряжения сети. Речь в данном случае идет о нелетальном оружии, работающем за счет освоения энергии электромагнитного импульса.

Но как отмечается в новой стратегии США, аналогичный эффект от воздействия электромагнитных импульсов может происходить не только от применения оружия, но и из-за экстремальных явлений "космической погоды", включая мощнейшие вспышки на Солнце. Выбросы солнечной плазмы достигают Земли в сопровождении мощного электромагнитного излучения.

"Экстремальные электромагнитные инциденты, вызванные намеренной атакой с применением электромагнитного импульса, или же природные геомагнитные возмущения, называемые также космической погодой, могут повредить значительную часть критически важной инфраструктуры страны, в том числе электросеть, коммуникационное оборудование, системы водоснабжения и канализации, транспорт", - говорится в 23-страничной стратегии, которую распространило Министерство внутренней безопасности США.

Соответствующее заявление обнародовано на сайте пресс-службы исполнительного департамента правительства США.

В дальнейшем новая стратегия будет дополнена соответствующим планом действий, содержащим список конкретных шагов, призванных "оптимизировать имеющиеся ресурсы" и обеспечить лучшую координацию между федеральными, региональными и местными властями, отраслевыми ведомствами и частными операторами, сообщает Deutsche Welle .

Как это работает

Технология применения электромагнитного импульса (ЭМИ), способного выводить из строя всю электронику, пока мало изучена. Предполагается, что испытания воздействия электромагнитного импульса на инфраструктуру проводили СССР и США, ученые двух стран также обменивались опытом на этот счет.

Намеренная атака с использованием ЭМИ-оружия может быть проведена с помощью специальных ядерных зарядов, специализированного неядерного оружия и электромагнитных установок направленного действия. Последствия применение такого оружия могут сказываться не только в местном, но и в континентальном масштабе.

Ровно год назад, в начале октября 2017 года, в комитете Палаты представителей Конгресса США состоялись слушания, посвященные угрозам нового оружия с электромагнитными импульсами (ЭМИ) и возмущением геомагнитного поля. Тогда эксперты предупредили законодателей, что электромагнитный импульс в результате применения нового ЭМИ-оружия в атмосфере над США может нарушить электромагнитные поля на большом расстоянии. Он создаст волну мощного электромагнитного импульса, способного вывести из строя всю электросеть страны на неопределенный период.

В тексте выступлений специалистов приводилось высказывание бывшего директора программы "Стратегическая оборонная инициатива" Генри Купера. "В течение последующего года это приведет к гибели 90% всех американцев", - заявил он еще в сентябре 2016 года, ссылаясь на данные специальной комиссии, занимавшейся изучением этого вопроса еще в 2010-х годах.

В России уже проходят полигонные испытания ЭМИ-оружия

Впервые публично о необходимости создания оружия, действующего на новых физических принципах, президент России Владимир Путин заявил в 2012 году, когда публиковал в российских СМИ серию предвыборных статей.

В шестой по счету статье, вышедшей 20 февраля 2012 года под названием "Быть сильными : гарантии национальной безопасности для России", Путин писал:
"Большое, если не решающее, значение в определении характера вооруженной борьбы будут иметь военные возможности стран в космическом пространстве, в сфере информационного противоборства, в первую очередь - в киберпространстве. А в более отдаленной перспективе - создание оружия на новых физических принципах (лучевого, геофизического, волнового, генного, психофизического). Все это позволит наряду с ядерным оружием получить качественно новые инструменты достижения политических и стратегических целей" .

По данным Минобороны РФ, новое лучевое, генное, психофизическое и волновое оружие должно появиться в России после 2020 года.

А испытания российского электромагнитного оружия уже идут в полигонных условиях. Так называемые СВЧ-пушки (СВЧ - сверхвысокочастотное излучение) "существуют и очень эффективно развиваются", рассказал ТАСС 1 октября 2018 советник первого заместителя гендиректора концерна "Радиоэлектронные технологии" (КРЭТ) Владимир Михеев.

"Испытания проводятся постоянно и в лабораторных условиях, и на полигонах", - сообщил он, отвечая на вопрос, испытывалось ли такое оружие, и добавил, что также ведутся активные работы над системами защиты от электромагнитного вооружения.

В СВЧ-пушках в качестве поражающего фактора используется электромагнитное излучение сверхвысокой частоты, также называемое электромагнитным "выстрелом". Ожидается, что такое оружие в перспективе будет способно полностью сжигать электронику противника, например, головки самонаведения ракет.

Электромагнитными пушками, в частности, планируется вооружать российские беспилотные самолеты 6-го поколения.

Научные исследования радиоэлектронного оружия идут в концерне "Радиоэлектронные технологии" под шифром "Алабуга". В рамках этих разработок создается целый ряд боеприпасов - "гранаты", ракеты, бомбы.

Новое оружие может воздействовать на технику разными способами, начиная от помехового влияния с временным выводом техники противника из строя до ее полного радиоэлектронного поражения, приводящего к деструктивному повреждению основных электронных компонентов. Параллельно ведутся активные работы и над системами защиты от электромагнитного оружия.

В КРЭТ отмечают, что после прохождения испытаний Минобороны получит реально действующее вооружение.