Автор неизвестен - Сборник научных трудов 3-го международного радиоэлектронного форума прикладная радиоэлектроника - страница 110

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  51  52  53  54  55  56  57  58  59  60  61  62  63  64  65  66  67  68  69  70  71  72  73  74  75  76  77  78  79  80  81  82  83  84  85  86  87  88  89  90  91  92  93  94  95  96  97  98  99  100  101  102  103  104  105  106  107  108  109  110  111  112  113  114  115  116  117 

2. Одним из основных свойств й111-систем для задач исследования Земли является интенсивное использование разными пользователями географически удаленных сетевых хранилищ и мощных вычислительных ресурсов. Поэтому требуется обеспечить бескон­фликтность взаимодействия с общей памятью и общими ресурсами, т.е. синхронизиро­вать доступ, элементов &111-системы к общим ресурсам.

Согласно классификации [8] эти две задачи относятся к третьему уровню иерархи­ческого дерева задач системного анализа и позволяют получить информационное обеспе­чение принятия решений (рис. 1). Информационное обеспечение и работа системного аналитика должны базироваться на результатах качественного и количественного анализа работы системы на втором уровне иерархического дерева, к которому в контексте й111-систем исследования Земли относятся следующие задачи оценивания состояний, а также математического моделирования и объектно-ориентированного анализа.

I уровень: акяпарименты. МОмнТОрниГ и обработка измерительных данных

Имитационное моделирование

Научнр-прииладчз! и IX: Si it-! м ri

создание методологии анализа, моделирования и построения Grid систем, предназначенных для задач исследования Земли

Информационная бенпасностъ

Объект исследований: Спо%системы сервисного типа, Предназначенные для решения Задач исследований Земли на

основе разнородной информации с использованием спутн ика вых да иных

Рис. 1. Иерархия задач исследования Огісі-систем согласно [8]

СРРСН'200В

I . 2 - 2 1 9

МРФ'200В

3. Для повышения эффективности распределения нагрузки и эффективного управ­ления нагрузкой на ресурсы системы и потоками выполнения задач необходимо разрабо­тать методы оценивания загруженности и состояния системы и ее отдельных компонен­тов.

4. Важнейшим свойством Опс1-систем для задач исследования Земли является слож­ность потоков выполнения задач. Для повышения эффективности решения задач иссле­дования Земли, характеризующихся сложным потоком выполнения (с учетом возможно­сти распараллеливания отдельных этапов и повторного использования существующих компонентов), необходимо построить объектную модель задач и потоков выполнения.

К самому нижнему (первому) уровню иерархического дерева задач системного ана­лиза согласно классификации [8] относятся эксперименты, мониторинг и обработка из­мерительных данных.

5. В состав Ог1<1-систем входят аппаратные и информационные ресурсы, принадле­жащие различным административным доменам. Задачи информационной безопасности отдельных ресурсов (кластеров, хранилищ и сетевых коммуникаций) в рамках админист­ративных доменов решаются с использованием политик и средств безопасности этих до­менов. Однако при включении этих ресурсов в состав виртуальной организации (Ог1<1-системы) возникают новые угрозы безопасности этих ресурсов, связанные в первую оче­редь, с аномальной деятельностью пользователей этой системы. Поэтому наряду с ис­пользованием стандартных средств выявления вторжений и политик безопасности акту­альной задачей мониторинга ресурсов в контексте их принадлежности к виртуальной ор­ганизации является анализ аномальной деятельности пользователей этой системы и ана­лиз угроз информационной безопасности на уровне виртуальной организации.

6. Учитывая организационную сложность и высокую стоимость проведения натур­ных экспериментов в реальных Ог1<1-системах, для определения требуемых параметров инфраструктуры с учетом специфики решаемых задач, оценки максимальной нагрузки, выявления «узких мест» и решения других важных задач необходимо использовать ими­тационное моделирование. Поэтому важной задачей является построение имитационной модели Ог1<1-системы с учетом специфики задач исследования Земли и соответствующих программных средств.

Приведенный перечень задач исследования Ог1<1-системы охватывает первоочеред­ные проблемы, отражающие специфику систем, связанных с решением задач исследова­ния Земли. Решение перечисленных задач обеспечивает создание комплексной методоло­гии анализа, моделирования и построения Ог1<1-систем, предназначенных для решения задач со сложным потоком выполнения и интенсивным использованием больших объе­мов геопространственных данных. _

Рис. 2. Трехуровневая логическая Рис. 3. Физическая архитектура Ог1<1-системы

архитектура иЛ8расеОп11 иЛ8расеОп11

СРРСН'2008

1-ч . 2 - 22 0

Анализ структуры и поведения Grid-систем имеет не только теоретическое, но и прикладное значение. Моделирование Grid-систем и информационно-вычислительных сетей (ИВС) выполняется на разных стадиях жизненного цикла системы. С практической точки зрения можно выделить три основных типа задач. Задачи первого типа относятся к моделированию еще несуществующей (разрабатываемой) системы с целью определения ее параметров для обеспечения заданного уровня обслуживания. Второй тип задач связан с моделированием существующей инфраструктуры и определением ее рабочих характе­ристик при функционировании в предельных режимах. Задачи третьего типа являются комбинированными и связаны с исследованием существующей системы с целью модер­низации ее инфраструктуры (аппаратного и программного обеспечения). Моделирование Grid-систем позволяет решить следующие практические задачи:

- определение реальных параметров инфраструктуры, которая сможет обеспечить требуемое качество обслуживания пользователей;

- оценка интенсивности нагрузки;

- выбор конфигурации, оптимальной с точки зрения производительности;

- выявление «узких мест» и прогнозирование потенциального сокращения произ­водительности системы;

- поиск наиболее оптимального (с точки зрения отношения затраты/стоимость) способа модернизации системы;

- маршрутизация и оптимальное распределение ресурсов для решения вычисли­тельных задач в науке, технике и бизнесе;

- определение предельных значений параметров производительности системы.

При этом учитывается тот факт, что основным практическим требованием к разви­тию Grid-систем исследования Земли является совместимость с аналогичными междуна­родными системами, в том числе GMES и GEOSS, а также соответствие международным стандартам построения открытых систем.

Большая часть перечисленных выше задач была решена при построении Grid-системы обработки спутниковых данных EOGrid, разрабатываемой специалистами Ин­ститута космических исследований НАНУ-НКАУ. Ее логическая архитектура, на которой приведен перечень решаемых задач, представлена на рис. 2, а физическая архитектура — на рис. 3.

Прикладные сервисы UASpaceGrid. В рамках разработанной Grid-системы на ос­нове программного инструментария Globus Toolkit 4 был реализован набор сервисов, свя­занных с обработкой спутниковых данных и предоставлением соответствующих резуль­татов в графической форме. К прикладным сервисам относятся следующие:

- обработки данных КА MSG (рис. 4);

- метеорологического моделирования (рис. 5);

- мониторинга загрязненности водных ресурсов (рис. 6);

- мониторинга затоплений (рис. 7);

- оценки биоразнообразия (рис. 8);

- прогнозирование параметров космической погоды (рис. 9).

Рис. 4. Визуализация результатов обработки данных КА Meteosat

Рис. 5. Сервис метеорологического моделирования

СРРСН'2008

I-ч . 2 - 22 1

Рис. 6. Интерфейс сервиса мониторинга Рис. 7. Результаты работы сервиса

водных ресурсов определения площадей затопленных

территорий

биоразнообразия системы «Космическая погода»

Большинство из перечисленных сервисов требуют ресурсоемких вычислений и ин­теграции разнородных данных, поэтому для их реализации UASpaceGrid должна обла­дать свойствами как информационной, так и вычислительной Grid-системы. К таким сер­висам относятся метеорологическое моделирование, мониторинг загрязненности водных ресурсов и затоплений. Другие задачи используют данные из одного источника, но явля­ются вычислительно ресурсоемкими (обработка данных КА MSG и прогнозирование космической погоды). В этом случае UASpaceGrid функционирует как вычислительная Grid-система. При реализации сервиса оценки биоразнообразия UASpaceGrid выступает в роли информационной Grid-среды.

Для обеспечения удобства работы пользователя с системой UASpaceGrid разрабо­таны несколько служебных сервисов, которые имеют самостоятельное значение и будут описаны в отдельных разделах. К их числу относятся:

— сервис каталогизации и доступа к данным;

— сервисы визуализации.

Выводы. Таким образом, следует отметить, что в Институте космических исследо­ваний НАНУ-НКАУ выполнено ряд важных работ по анализу и исследованию Grid-систем для задач исследования Земли. Полученные результаты применены для построе­ния реальной Grid-системы, предназначенной для обработки данных спутниковых на­блюдений. Ее модульная структура системы обеспечивает возможность повторного ис­пользования ее компонентов. Так, например, сервис метеорологического моделирования используется не только в качестве отдельного прикладного сервиса, но и на основе ус­воения данных обеспечивает дополнительную информацию для мониторинга паводков и загрязненности водных ресурсов. Кроме того, для получения результатов решения всех

СРРСН'2008

I . 2 - 22 2прикладных задач используются общие сервисы доступа к данным и визуализации, кото­рые упоминались выше.

Следует также заметить, что два из упомянутых выше сервисов (биоразнообразия и метеорологического моделирования) зарегистрированы в пилотной архитектуре «систе­мы систем» GEOSS. Их можно считать вкладом Украины в развитие этой глобальной системы наблюдения Земли.

Литература

1. Global Earth Observation System of Systems (GEOSS), 10-Year Implementation Plan Reference Document // Netherlands: ESA Publication Division, 2005. — 209 p.

2. Committee on Earth Observation Satellites, CEOS. — www.ceos.org.

3. Gentzsch W. Special issue on metacomputing : From workstation clusters to internet computing // Future Generation Computer Systems. — 1999. — 15. — P. 1-15.

4. Buyya R. Grid ComputingInfo Center. — http://www.GridComputing.com.

5. Baker M. Grid Computing. IEEE DS Online. — http://www.computer.org/dsonline/gc.

6. Грід нова інформаційно-обчислювальна технологія для науки / А.Г. Загородній, Г.М. Зінов'єв, Є.С. Мартинов, С.Я. Свистунов, В.М. Шадура // Вісник НАН України. — 2005. — № б. С. 17-25.

7. Dissemination and Exploitation of GRids in Earth sciencE. http://www.eu-degree.eu.

8. Згуровский М.З., Панкратова Н.Д. Системный анализ: проблемы, методология, приложения. К.: Наук. думка, 2005. — 744 с.

СРРСН'2008

I . 2 - 22 3

СРРСН'2008 I-ч.2 - 224 Секция 5

ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ, ИНФРАКРАСНЫЕ, РАДИО-И ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА И СИСТЕМЫ НАБЛЮДЕНИЯ, РАСПОЗНАВАНИЯ И СОПРОВОЖДЕНИЯ ОБЪЕКТОВ

СРРСН'2008

1-ч . 2 - 2 2 5

СРРСН'2008 I-ч.2 - 226 ПАРАМЕТРИЧЕСКОЕ УСИЛЕНИЕ КОЛЕБАНИЙ В СОВРЕМЕННЫХ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

Кучер Д.Б., Тараненко С.В., Ролик Н.Н., Зонтова Т.В. Севастопольский военно-морской ордена Красной Звезды институт им. П.С. Нахимова 99035, Севастополь, ул. Дыбенко, 1а, каф. Связи и АСУ, тел. (0692) 53-36-06, E-mail: 5945418@rambler.ru; LLV.Sev@mail.ru Possibility of strengthening of vibrations is examined in the modern hydroacoustic sys­tems due to creation of parametric effect in a magnetic liquid. The terms of realization of the parametric strengthening of sound vibrations are resulted in the chosen system.

Введение. Безопасность движения современных судов, проведение спасательных операций и координация водолазных работ неразрывно связана с излучением и распро­странением подводных звуков, главным образом, в естественных водоемах (океанах, мо­рях, озерах и т.д.). Все эти действия невозможны без современных гидроакустических систем (ГАС) и средств звукоподводной связи. Принято считать, что дальность распро­странения под водой звуков слышимого диапазона (от 500 до 2000 Гц) достигает 15...20 км, а ультразвука — 3...5 км [1].

Однако, в естественных условиях кроме затуханий, обусловленных свойствами самой воды, сказывается соленость, температура, давление, а также рассеяние и поглощение звука мелкими посторонними частицами [1, 2]. В ультразвуковом диапазоне, когда длины волн очень малы, оказывают влияние даже мелкие неоднородности (микроорганизмы, пузырьки газов и т. д.). Таким образом, с повышением частоты звуковых колебаний дальность их распространения сокращается на несколько порядков [2]. Увеличить дальность работы современных ГАС и средств звукоподводной связи возможно за счет использования параметрического эффекта, впервые экспериментально доказанного в работе [3]. Однако, данный эффект был получен для создания акустических колебаний сильноточными релятивистскими электронными пучками [4], генераторы которых имеют значительные массогабаритные показатели по сравнению с существующими ГАС, что снижает их мобильность. Не менее важным критерием применимости существующих ГАС является способность выдерживать гидростатические давления до 1000 кг/см2 [2], что невозможно для сильноточных релятивистских генераторов. В этом отношении наиболее приемлемо использование излучателей именно существующих ГАС для последующего усиления гидроакустических сигналов.

Таким образом, целью данной работы является исследование возможности параметрического усиления сигналов существующих ГАС и средств звукоподводной связи.

Основной материал. Принцип действия параметрического усилителя неразрывно связан с изменением макроскопических свойств магнитных жидкостей (ультрадисперс­ных коллоидов ферро- и ферримагнетиков) в некотором замкнутом объеме под воздейст­вием внешнего магнитного поля [3]

H = H0 + H1cos оу, (1)

где H0 — поле намагничивания, H1 — амплитуда переменного магнитного поля первичных колебаний, сс^ циклическая частота.

Как допущение примем однородность магнитного поля в продольном и поперечном направлениях. В качестве задающего генератора для создания первичных колебаний можно использовать существующие излучатели ГАС, построенные на пьезоэлектрическом или магнитострикционном эффектах [2].

От мембраны задающего генератора в магнитной жидкости возбуждается акустическая волна, которую можно усилить изменением плотности магнитной жидкости под воздействием внешнего поля с частотой     . От соотношения частот звуковой волны

СРРСН'2008

I-ч . 2 - 2 27и переменного магнитного поля зависит возможность возникновения параметрического резонанса.

Потому далее рассмотрим условие возникновения параметрического резонанса в выбранной системе.

Ориентации магнитных моментов в направлении приложенного поля препятствует тепловое движение. Согласно теории парамагнетизма для намагниченности м магнитной жидкости независимо от механизма намагничивания выполняется закон Ланжевена [4]

М = М 0

, тН' кТ

(2)

кТ тН

где т = МУ, М6. — намагниченность насыщения материала частицы, V — ее объем, Т температура, к — постоянная Больцмана, М0 = пш = фМх, ф — объемная концентрация твердой фазы, п — концентрация взвешенных частиц.

Магнитострикционный эффект будем описывать формулами[3]:

У-Х^ = 2^, (3) Др = Р - р0 = -к,п = -к =-2пМ2, (4)

У 0

где   п  относительное изменение объема магнитной жидкости,   к =-V др

сжимаемость жидкости, Др стрикционное изменение давления.

Процесс параметрического возбуждения магнитной жидкости (в рамках приближения ее к идеальной) описывается уравнениями Эйлера [3]. При одномерном приближении для гидроакустического волновода стрикционный эффект описывается следующим выражением

р 0(1-2) , (5)

1 + 2 к'

к,

где    — плотность магнитной жидкости в отсутствие внешнего магнитного поля.

При этом магнитный момент единицы объема магнитной жидкости удобно представить в виде [3]:

М (х) = Мь (1 + асо8 со00, (6) где Мь = М0 Ь0 — магнитный момент единицы объема жидкости в постоянном магнит­ном поле, а = —— , Не1Г =-.

Акустические колебания будут раскачиваться с максимальным инкрементом при выполнении условия параметрического резонанса [3]

со

шк *^. (7)

_0_ 2 '

Инкремент параметрической неустойчивости при этом равен:

У = .

4«2       к 2

Из выражения (7) следует условие параметрического резонанса:

2Шк(1 --) <«0 < 2Шк(1 + 4) . (9)

СРРСН'2008

1-ч . 2 - 2 2 8

Максимальное значение инкремента достигается при <як =со0 / 2 :

У max = ^ °k = ^ °0  , (10)

где    h = 2а,   откуда   видно,   что   инкремент   параметрического возбуждения рь

акустической волны пропорционален амплитуде переменного поля.

Итак, для параметрического усиления гидроакустических колебаний существующих ГАС можно предложить структуру (рис. 1), которая включает излучатель, преобразующий электрическую энергию в акустическую 1, гидроакустический волновод, заполненный магнитной жидкостью 2, соленоид, магнитное поле которого изменяет плотность магнитной жидкости 3, и мембрану 4, передающую усиленные гидроакустические колебания в окружающую среду.

генератор колебаний соленоида

генератор

 

опорных

 

колебаний

 

Рис. 1. Структурная схема гидрофона с магнитной жидкостью: 1 — излучатель, преобразующий электрическую энергию в акустическую; 2 — гидроакустический волновод, заполненный магнитной жидкостью; 3 —соленоид; 4 — излучающая мембрана

Возникновение   параметрического   эффекта   на   частоте   47   Гц наглядно демонстрируют экспериментальные осциллограммы, приведенные на рис. 2 [3].

Рис. 2. Осциллограммы колебаний выходной мембраны вызванные: 1 — колебаниями магнитной жидкости; 2 — усиленным сигналом; 3 — входным сигналом

СРРСН'2008

I . 2 - 2 2 9

Выводы. Таким образом, совокупность теоретических и экспериментальных результатов исследования параметрического усиления с использованием магнит­ных жидкостей позволяет предположить возможность генерации акустических колебаний, с амплитудой, превышающей на порядок номинальные значения со­временных гидроакустических станций.

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  51  52  53  54  55  56  57  58  59  60  61  62  63  64  65  66  67  68  69  70  71  72  73  74  75  76  77  78  79  80  81  82  83  84  85  86  87  88  89  90  91  92  93  94  95  96  97  98  99  100  101  102  103  104  105  106  107  108  109  110  111  112  113  114  115  116  117 


Похожие статьи

Автор неизвестен - 13 самых важных уроков библии

Автор неизвестен - Беседы на книгу бытие

Автор неизвестен - Беседы на шестоднев

Автор неизвестен - Богословие

Автор неизвестен - Божественность христа