Использование хаоса для генерации информации

Поведение хаотических систем не может быть предсказано на большие интервалы времени. По мере удаления от начальных условий положение траектории становится все более и более неопределенным. С точки зрения теории информации это означает, что система сама порождает информацию, причем скорость этого процесса тем выше, чем больше степень хаотичности. Отсюда, согласно теории хаотической синхронизации, рассмотренной ранее, следует интересный вывод: чем интенсивнее система генерирует информацию, тем труднее ее синхронизировать, заставить вести себя как-то иначе. Это правило, видимо, справедливо для любых систем, производящих информацию.

Например, если некий творческий коллектив генерирует достаточное количество идей и а активно работает над способами их реализации, ему труднее навязать извне какую-то линию поведения, неадекватную его собственным воззрениям. И наоборот, если при наличии тех же материальных потоков и ресурсов коллектив ведет себя пассивно в информационном смысле, не создает идей или не проводит их в жизнь - тогда его очень легко подчинить.

Таким образом, любая сложная динамическая система характеризуется наличием положительных или отрицательных связей между отдельными элементами ее структуры, что обеспечивает усиление или ослабление реакции системы на изменение ее параметров.

В сложных динамических системах детерминировано или хаотически могут происходить изменения режимов работы, а также изменение их структуры. Это, с одной стороны, существенно усложняет анализ протекающих в них процессов, с другой – значительно расширяет их функциональные возможности. Расширяется, соответственно, и область применения технических устройств на их основе. С их помощью можно производить получение, передачу, обработку и хранение информации. Например, в зависимости от уровня взаимодействия между отдельными осцилляторами они могут быть ведущими или ведомыми, что соответствует наличию положительной или отрицательной обратной связи в системе, так как это определяет направление потока энергии взаимообмена между отдельными подсистемами.       

При этом используемое понятие «нелинейность системы» является одним из узловых концептуально значимых понятий и предполагает значимость принципа «разрастания малого» или «усиления флуктуаций». Количественное варьирование в определенных пределах констант системы не приводит к качественному изменению характера процесса в целом. При преодолении же уровня некоего жесткого «порога воздействия» система входит в сферу влияния иного «аттрактора» – малое изменение реализуется в макроскопических (как правило, невоспроизводимых и поэтому непрогнозируемых) следствиях. При этом осуществимы отнюдь не любые сценарии развития системы (как результат малых резонансных воздействий), а лишь сценарии, ограниченные определенным их диапазоном (спектром).

В связи с этим, можно говорить о целесообразности разработки нового поколения средств получения информации, основанных на использовании сложных динамических систем для целей получения измерительной информации, ее преобразования, передачи, хранения и обработки. В основу создания соответствующих устройств могут быть положены достаточно широкие функциональные возможности сложных динамических систем, связанные с наличием определенных особенностей их построения и динамики.

При этом ИИС на базе сложных динамических систем могут представлять собой устройства, выполняющие все операции по получению, передаче и преобразованию информации. Наличие взаимных связей между ее отдельными элементами, группами элементов позволит реализовать все многообразие положительных и отрицательных обратных связей в системе. При этом режимы взаимодействия между отдельными элементами системы или их группами могут трансформироваться под действием внешних и внутренних причин. В таких системах могут устанавливаться режимы апериодических, резонансных и вынужденных колебаний, автоколебаний, хаотических и детерминированных колебательных процессов, режимы синхронизации и бифуркации и т.п. Реализация различных режимов взаимодействий в таких системах позволит осуществлять усиление или ослабление измеряемых сигналов, при этом не требуется использования специальных усилителей и мультипликаторов. При этом все процессы формирования измерительной информации осуществляются непосредственно на физическом уровне, в условиях максимального приближения к объекту измерения. Изменение выполняемых такими устройствами функций может осуществляться за счет перестройки внутренней структуры системы, а также за счет реализации сложных динамических процессов в таких системах, являющихся сугубо нелинейными, характеризующихся наличием гистерезисных явлений и т.п. 

Контрольные вопросы к главе 1 4

1. Что такое «детерминированный хаос»?

2. Объясните в чем заключается суть понятия «стахостический резонанс».

3. Приведите примеры использования хаоса в измерительной технике.

 

 

 Литература

 

1. Электрические измерения неэлектрических величин / Под ред. П. В. Новицкого. – Л.: Ленинградское отд. Энергия, 1975.

2. Карлов Н. В., Кириченко Н. А. Колебания, волны, структуры. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2001.

3. Дубнищев Ю. Н. Колебания и волны: Учеб. пособие – 2-е изд. испр. и доп. – Новосибирск: Сиб. Унив. Изд-во, 2004.

4. Джексон Р. Г. Новейшие датчики. Москва: Техносфера, 2007. – 384 с.

5. Дж. Фрайден. Современные датчики. Справочник. Москва: Техносфера, 2005. – 592 с.

6. Колоколов А. А. Физические основы получения информации. Ч.3. Основы взаимодействия электромагнитных полей с веществом. Квантовая метрология. Современная эталонная база (конспект лекций). МИЦ ГОУ ВПО МГТУ «Станкин», 2005. – 105 с.

7. Ч. Пул, Ф. Оуэнс. Нанотехнологии. – Москва: Техносфера, 2010. – 336 с.

8. Николаева Е.В. Физические основы получения информации. Измерительные преобразователи. Принципы измерения физических величин. Учебное пособие / Е. В. Николаева, В. В. Макаров. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2007. – 96 с.

9. Ткалич В. А., Макеева А. В., Оборина Е. Е. «Физические основы наноэлектроники». Учебное пособие. СПб; СПбГУ ИТМО, 2011. – 83 с.

10. Физические основы получения информации: Учебное пособие для студентов учреждений высш. проф. Образования / В. Ю. Шишмарев.-М.: Издательский центр «Академия», 2010.-448с.

11. Патрушев Е. М., Козлова Т. В. Методические указания к практическим работам по курсу «ФОПИ-3». – Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2010. - 55с.

12. Седалищев В. Н. Методические указания к курсовому проектированию по дисциплине «Физические основы получения информации». – Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2010. - 41с.

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

      Введение…………………...………………………….………………………………...3

Глава 1. Эффекты резонансного взаимодействия электромагнитного поля с веществом

1.1     Физические основы колебательной спектроскопии ……………….……………….7

1.2     Методы измерения с использованием резонансного взаимодействия     

электромагнитного поля с веществом ………………………………........................8

1.3     Эффект Зеемана …………………………………………………...…........................15

1.4     Эффект Штарка …………………………………………………….…......................20

1.5     Электронный парамагнитный резонанс …………………..……….……………....22

1.6     Ядерный магнитный резонанс ………………………………..…….……………....27

1.6.1 Примеры практического использования ЯМР ……………..……………………...28

1.6.2 Физические основы магнитнорезонансной томографии ………….……………...32

1.7     Эффект Мёссбауэра …………………………………………...…….……………....34

1.7.1 Ядерный гамма-резонанс ……………..……………………………..……………...36

1.7.2 Метод ЯГР - спектроскопии ……………………………...………………………...42

1.8     Эффект поверхностного плазмонного резонанса ………………...………………43

1.8.1 Понятия экситона, поляритона, плазмона ……………..…………...……………. 44

1.8.2 Практическое применение поверхностного плазмонного резонанса ……………48

       Контрольные вопросы к главе 1

Глава 2. Физические основы методов рентгеноструктурного анализа

2.1   Метод Брэгга ………………………………………………........………………….  52

2.2   Метод Лауэ …………………………………………………………........................ 55

        Контрольные вопросы к главе 2

Глава 3. Использование корпускулярных свойств частиц в устройствах получения первичной измерительной информации

3.1   Метод электронографии ..…………………………………………....…………….  59

3.2   Основы геометрической электронной оптики ……………………….................... 60

3.3   Устройство и принцип работы электростатических и магнитных линз ….…….  61

3.4   Практическая реализация метода электронной микроскопии ……........................70

3.4.1 Просвечивающий электронный микроскоп …………………………………….....72

3.4.2 Растровый (сканирующий) электронный микроскоп …………...….......................74

3.5        Гелиевый ионный микроскоп ……………………………………..…......................80

3.6   Физические основы Оже-спектроскопи и нейтронографии ……...………………81

        Контрольные вопросы к главе 3

Глава 4. Волновые свойства движения частиц и использование их для целей измерений

4.1   Физическая природа туннельного эффекта …...…………………………………...85

4.2   Устройство и принцип работы сканирующего туннельного микроскопа ……….90

        Контрольные вопросы к главе 4

Глава 5. Физические основы атомной силовой микроскопии

5.1  Устройство и принцип работы атомного силового микроскопа …........................ 97

5.2  Практическое применение атомного силового микроскопа …………………….101

        Контрольные вопросы к главе 5

Глава 6. Сверхпроводимость и применение ее в измерительной технике

6.1  Понятия низкотемпературоной и высокотемпературной сверхпроводимости…105

6.2       Квантово-механическая объяснение явления сверхпроводимости .....................107

6.3  Применения сверхпроводников в измерительной технике …………………….. 110

6.3.1 Эффект Мейснера …………………………………………....…..……………….. 111

6.3.2 Квантовый эффект Холла...……………………………….……...…………………113

6.3.3 Эффект Джозефсона ……………………..………………………..…..................... 115

6.4   Сканирующие магнитные микроскопы на основе СКВИД-интерферометров…119

6.4.1 Физические основы СКВИД - микроскопии ……………….……………………..120

6.4.2 Устройство сканирующего СКВИД-микроскопа ………………….......................123

6.4.3 Применение сканирующего СКВИД-микроскопа ………………….....................125

        Контрольные вопросы к главе 6

Глава 7. Применение методов зондовой микроскопии для аналитических измерений

7.1  Режимы работы сканирующих зондовых микроскопов ……….…………………130

7.2    Методы измерения, использующие датчики на основе кантилеверов ………….134

7.3  Архитектура кантилеверных датчиков и систем

контроля за положением кантилеверов ………………………...……………….  138

7.4   Физико-химические основы построения

      биосенсоров на основе кантилеверов …………………………….…......................143

7.4.1 Методы преобразования биохимических реакций в аналитический сигнал ……144

7.4.2 Сравнительные характеристики аналитических возможностей

      различных типов иммуносенсоров …………………………..……..………………148

7.4.3 Сенсоры с использованием химических и биологических

      процессов на поверхности кантилевера ……………………...…………………… 150

7.4.4 Кантилеверные сенсоры на основе высокомолекулярных и

      биополимерных систем ………………………………………….….………………151

       Контрольные вопросы к главе 7

Глава 8. Физические основы использования нанотехнологий и наноматериалов в информационно - измерительной технике

8.1  Физические основы нанотехнологий, получение наноматериалов ... …………..157

8.2  Упорядоченные углеродные наноструктуры и области их

        практического применения ………………………………......……………………165

8.3    Свойства и прикладное значение наноматериалов …………….….......................169

8.3.1 Фуллерены ……………………………………………………….……. …………...170

8.3.2 Углеродные нанотрубки………………………………………………………….....175

8.3.3 Графен …………………………………………………………………………….....178

8.3.4 Физические основы твердотельной наноэлектроники …………..……………….184

8.3.5 Принципы построения биосенсоров …………………………...…….. …………..188

8.4  Методы исследования наноматериалов и наноструктур ……….......……………194

8.5    Примеры практического применения наноматериалов

       в информационно-измерительной технике ……………………………………….196

       Контрольные вопросы к главе 8

Глава 9. Физические основы СВЧ и тепдовых измерительных устройств

9.1   Понятия классических и квантовых систем ..…………………….………………199

9.2   Квантовый осциллятор на базе электромеханического резонатора ……………202

        Контрольные вопросы к главе 9

Глава 10. Физические основы измерительных преобразователей ИК диапазона

10.1 Датчики и микроактюаторы на основе MEMS-технологий …….........................209

10.2 Конструктивные особенности и основные характеристики

        микроэлектромеханических устройств ………………………….…......................215

        Контрольные вопросы к главе 10

Глава 11. Физические основы создания интеллектуальных измерительных систем с использованием нейросетевых технологий

11.1 Принципы построения сенсорных самоорганизующихся систем.........................227

11.2 Перспективы использования микроустройств в сенсорных сетях.........................230

        Контрольные вопросы к главе 11

Глава 12. Физические подходы к решению проблемы интеллектуализации процессов получения первичной измерительной информации 

12.1 Проблема создания искусственных нейроноподобных

         измерительных устройств…………………………………………….…………...241

12.2     Общая характеристика организации и функционирования

        сенсорных систем живых объектов ………………………………...……………..242

12.3 Устройство и принцип работы биологического нейрона ……..…......................248

12.4 Теоретические основы построения и функционирования

        искусственных нейроноподобных устройств ………………...….……………...254

12.5 Понятие «мягких измерений»………………………………..…..…………………260

12.6 Понятие «нечеткой логики» ...…………………………..……….……. …………. 264

12.7 Понятия экспертной системы и искусственной нейросети ……….................... . 267

        Контрольные вопросы к главе 12

Глава 13. Физические основы построения искусственных нейроноподобных систем с использованием нелинейных процессов в сложных динамических системах

13.1 Основные закономерности самоорганизации сложных динамических систем…274

13.2 Синергетический подход к анализу динамики нелинейных

       процессов в сложных системах ………………………………...………………….285

        Контрольные вопросы к главе 13

Глава 14. Особенности реализации нелинейных процессов в системах с хаотической динамикой

14.1 Нелинейные колебательные процессы в мультистабильных системах…………..292

14.2 Явление стохастического резонанса в нелинейных системах …………………... 295

14.3 Использование хаоса в устройствах обработки информации…………………….303

14.4 Использование хаоса для целей передачи информации по линиям связи ………305

14.5 Перспективы использования хаоса в компьютерных сетях ……………………. 306

14.6 Использование хаоса для генерации информации ………………........................ 308

        Контрольные вопросы к главе 14

        Литература…………………………………………………………………………..311

⇐ Предыдущая45464748495051525354

Поделиться: