Том 33, № 5 (2025)
От редактора
Гуляев Юрий Васильевич: этапы большого пути
Аннотация
В этом месяце мы отмечаем юбилей главного редактора журнала «Известия вузов. Прикладная нелинейная динамика», научного руководителя ИРЭ им. В. А. Котельникова РАН, академика Юрия Васильевича Гуляева.
Известия высших учебных заведений. Прикладная нелинейная динамика. 2025;33(5):609-614
609-614
Бифуркации в динамических системах. Детерминированный хаос. Квантовый хаос
Трансформация каустических структур типа катастроф при распространении электромагнитных волн в холодной плазме
Аннотация
Целью работы является исследованы возможности образования центров топологических каустических особенностей типа катастроф при зондировании электромагнитными волнами унимодального плазменного слоя. Центры каустических особенностей соответствуют областям фокусировок электромагнитных полей различных порядков. Поэтому их исследование является актуальной задачей. Методы. В статье разработан метод вычисления положения центров особенностей в расширенном пространстве параметров, к которым помимо координат относятся высота плазменного слоя, угол выхода луча, отношение плазменной частоты к рабочей частоте и кубичность. При вычислении лучевых траекторий использован метод бихарактеристик Гамильтона-Лукина. Результаты. Выполнено математическое моделирование на примере плоскослоистого плазменного слоя с кубической зависимостью электронной концентрации о высоты. Получены явные выражения для производных эйконала до восьмого порядка включительно, что обеспечивает возможность определения центров основных каспоидных катастроф. Построены графики зависимостей координат, высоты отражения траектории от плазменного слоя, расстояния от источника излучения до плазменного слоя, угла выхода луча и отношения плазменной частоты к рабочей частоте от кубичности для катастрофы типа «бабочка». Показано, что высота отражения траектории от плазменного слоя, расстояние от источника излучения до плазменного слоя и высота особенности достигают максимальных значений для параболического слоя. Установлено, что особенность типа «бабочка» возникает даже тогда, когда непрерывной является не только сама функция, описывающая электронную концентрацию, но и её производная. Заключение. Разработанный подход позволяет находить центры не только катастрофы типа «бабочка», но и центры других топологических каспоидных особенностей: «клюв», «ласточкин хвост», «вигвам», «звезда», что имеет большое практическое значение при изучении распространения радиоволн в ионосферной плазме.
Известия высших учебных заведений. Прикладная нелинейная динамика. 2025;33(5):615-628
615-628
Информационные технологии на основе шумоподобных сигналов
Аннотация
Целью настоящей статьи является краткий обзор результатов исследований по применению шумоподобных сигналов в широкополосных радиосистемах, проведенных под руководством Юрия Васильевича Гуляева. Методы. Проводимые исследования основывались на предыдущем опыте научного коллектива ИРЭ им. В. А. Котельникова РАН, связанном с разработкой аналоговых шумоподобных устройств (шумотронов) на основе концепции динамического хаоса. Продолжение этих исследований было связано с разработкой цифрового хаоса, основанного на целочисленных порождающих алгоритмах, которые легко воспроизводились на любой цифровой технике. Результаты. Рассмотрены перспективные направления использования информационных технологий с использованием динамического хаоса для передачи, обработки, хранения и защиты информации. Представлены широкополосные системы передачи информации, использующие сложные сигналы с большой базой, построенные на основе систем с хаотической динамикой. Предложены конечномерные математические алгоритмы для расчета хаотических сигналов методом реконструкции нелинейной динамики в диссипативных системах с запаздыванием. Заключение. Показано, что цифровая система передачи информации с расширением спектра и динамической сменой хаотических кодов обладает высокой помехозащищенностью, скрытностью, электромагнитной совместимостью и обеспечивает надежную и конфиденциальную передачу сообщений в условиях сложной электромагнитной обстановки. На основе оригинальных хаотических алгоритмов реализованы схемы для маскировки, защиты, обработки и передачи информации. Экспериментальное исследование макета шумового радиолокатора в лабораторных условиях продемонстрировало достаточно высокую точность радиолокационных измерений дальности во всем диапазоне измерений при двойной спектральной обработке сигнала, а также высокую разрешающую способность по дальности 15 см (при эффективной ширине полосы 800- 900 МГц).
Известия высших учебных заведений. Прикладная нелинейная динамика. 2025;33(5):629-656
629-656
Прикладные задачи нелинейной теории колебаний и волн
Пространственно-временное когерентное сложение сверхширокополосных хаотических радиоимпульсов. Эксперимент
Аннотация
Целью настоящей работы является экспериментальное подтверждение физической реализуемости когерентного сложения хаотических сигналов (сверхширокополосных хаотических радиоимпульсов) в пространстве и времени. Идея когерентного сложения по-разному используется в современной физике, и на сегодняшний день нет примеров явной демонстрации когерентного сложения СШП хаотических сигналов. Сложности, связанные с практической реализуемостью такого сложения, как минимум, две: во-первых, до настоящего времени было непонятно, как получать сигналы одинаковой формы (необходимое условие когерентного сложения), во-вторых, как реализовать собственно технику суммирования. Методы. В работе использовались методы натурного макетирования процессов излучения сверхширокополосных хаотических сигналов, их приема и численной обработки после оцифровки осциллографом. Результаты получены на базе макета, который включает четыре идентичных излучателя и одно приёмное устройство. Результаты. Экспериментально явно показана закономерность линейного увеличения среднеквадратичной амплитуды сигнала в точке приема при когерентном и линейного увеличения мощности суммарного сигнала при некогерентном сложении сверхширокополосных хаотических радиоимпульсов с ростом числа излучателей. Заключение. Экспериментальная демонстрация явления когерентного сложения сверхширокополосных хаотических сигналов является основой для дальнейшего развития и применения этого явления в беспроводных многоантенных сверхширокополосных системах.
Известия высших учебных заведений. Прикладная нелинейная динамика. 2025;33(5):657-673
657-673
Кодовое разделение сигналов в прямохаотической схеме передачи информации
Аннотация
Важным направлением в научной деятельности Ю. В. Гуляева являются исследования и разработки в области нелинейной динамики и динамического хаоса. Что касается нелинейной динамики в целом, то в той иной степени к ней относятся все основные направления научной деятельности Юрия Васильевича, начиная с классических работ в области акустоэлектроники, здесь, безусловно, нужно упомянуть исследования в области собственных физических полей биологических объектов, работы в области медицинской электроники, а также собственно исследования и разработки в области динамического хаоса и его приложений. Об одной такой разработке, положившей, по существу, начало разработке прямохаотических приемопередатчиков, в постановке и проведении которой Юрий Васильевич сыграл важную роль рассказывается во введении к той статье. Эта работа в значительной степени явилась прологом к развитию работ по передаче информации с помощью динамического хаоса, проводимых в ИРЭ РАН, начиная с 90-х годов. В основной части статьи предлагается и исследуется новый вариант прямохаотической схемы передачи информации, в которой в качестве несущего информацию сигнала используются кодовые последовательности хаотических радиоимпульсов. Цели. Разработка нового метода введения информации в хаотических сигнал, обеспечивающий расширение возможностей по разделению каналов и множественному доступу. Методы. Компьютерное моделирование процесса передачи и теоретические оценки помехоустойчивости схемы в канале с белым шумом. Результаты. Предложен и исследован метод модуляции/демодуляции кодовых последовательностей хаотических радиоимпульсов, обеспечивающий увеличение базы передаваемого двоичного символа и разделение каналов на основе корреляционной обработки, прошедшего сигнала через детектор огибающей. Показано, что предложенная схема модуляции/демодуляции эффективна также для организации множественного доступа в сети не синхронизованных друг с другом приемопередатчиков. Заключение. Предложенная схема ввода информации в прямохаотический сигнал передатчика и его извлечения на стороне приемника, судя по теоретическим расчетам и результатам компьютерного моделирования, существенно повышает возможности прямохаотических средств связи и расширяет области их применения.
Известия высших учебных заведений. Прикладная нелинейная динамика. 2025;33(5):674-690
674-690
Хаотический генератор электрокардиограммы на основе электронной цепи с мемристором
Аннотация
Целью данного исследования является создание феноменологической модели электрокардиограммы человека на основе модели МакШерри и достижение правдоподобного распределения межпиковых интервалов между отдельными сердечными сокращениями. Методы. В данной статье представлен передовой подход к генерации синтетической электрокардиограммы с использованием модифицированной модели МакШерри. Мы использовали хаотическую динамику вместо обычных генераторов псевдослучайных чисел для лучшего представления изменчивости динамических параметров электрокардиограммы, таких как межпиковые интервалы. В качестве генератора хаоса представлено уравнение цепи четвертого порядка с мемристором. Регулируя параметры этой системы, можно изменять диапазон пиковых параметров в синтетической электрокардиограммы. Предложенный генератор ЭКГ может быть реализован как компьютерная модель или как аналоговая схема в зависимости от требований приложения. Результаты. Экспериментальное исследование сгенерированных синтетических сигналов с временными формами волн, фазовыми портретами и анализом тахограмм продемонстрировало хорошее соответствие между синтетическими и реальными электрокардиограммы. Показано, что модифицированный подход к генерации электрокардиограммы обеспечивает достаточно реалистичный и надежный метод моделирования синтетических сигналов электрокардиограммы. Заключение. Представленное решение имеет множество возможных применений, таких как калибровка медицинских кардиографов, медицинское образование и модели машинного обучения для анализа электрокардиограммы.
Известия высших учебных заведений. Прикладная нелинейная динамика. 2025;33(5):691-708
691-708
Новое в прикладной физике
Изменения структуры и проницаемости липидных мембран под действием наночастиц и импульсного электромагнитного воздействия
Аннотация
Работа посвящена разработке эффективных и безопасных биосовместимых средств и методов инкапсуляции, адресной доставки и контролируемого высвобождения лекарственных препаратов в водных средах, в том числе в живых системах. Для капсулирования лекарственных соединений в коллоидные носители использовались оригинально созданные наноструктурированные биомиметические липидные мембранные везикулы - нанокомпозитные липосомы, мембраны которых функционализированы наночастицами магнетита и золота. Для решения проблемы безопасного контролируемого высвобождения капсулированного вещества в водные среды разработан подход, основанный на использовании мощных ультракоротких электрических импульсов (УКЭИ) длительностью менее 10 нс, обеспечивающих нетермический эффект селективной контролируемой электропорации нанокомпозитных липидных мембран, содержащих проводящие наночастицы. Разработана теоретическая модель нетермического взаимодействия наноструктурированных липосомальных капсул с ультракороткими электрическими импульсами, в рамках которой получено выражение для критического значения напряженности электрического поля, определяющего порог возникновения эффекта электропорации в проводящей водной среде. Показана ключевая роль электропроводящих наночастиц в повышении чувствительности структуры и проводимости нанокомпозитных липосом к внешнему ультракороткому электрическому воздействию. Теоретически описанный механизм изменения структуры и проводимости липидных мембран, содержащих электропроводящие наночастицы, объясняет избирательный управляемый характер ультракороткого импульсного воздействия на нанокомпозитные липосомальные контейнеры. Эффект контролируемого избирательного изменения проницаемости и декапсуляции нанокомпозитных липосом зарегистрирован методам флуориметрии в экспериментах с противораковым антибиотиком доксорубицином и флуоресцентным красителем карбоксифлуоресцеином, которые были загружены в липосомальные носители в качестве модельных молекулярных соединений. Инкапсулированные вещества высвобождалась из нанокомпозитных липосом после воздействия на них ультракоротких электрических импульсов с эффективностью до 98%, при этом каких-либо существенных изменений структурнофункционального состояния природных и чистых липидных мембран зафиксировано не было. Данные об изменении проницаемости мембран хорошо коррелировали с результатами по структурным изменениям нанокомпозитных липосом, зарегистрированными методами просвечивающей электронной микроскопии и атомно-силовой микроскопии.
Известия высших учебных заведений. Прикладная нелинейная динамика. 2025;33(5):709-730
709-730
Исследование микрополосковых планарных замедляющих систем для приборов вакуумной микроэлектроники миллиметрового диапазона
Аннотация
Целью данной работы является исследование электродинамических характеристик планарных замедляющих систем типа меандр на диэлектрической подложке для миниатюрных ламп бегущей волны миллиметрового диапазона с ленточными электронными пучками. Методы. Основным методом является численное моделирование процессов распространения электромагнитных волн в указанных структурах с использованием современных конечно-элементных и конечно-разностных программных пакетов трехмерного полностью электромагнитного моделирования. Результаты. Показано, что помимо основной замедленной волны в микрополосковой замедляющей системе существуют также быстрые объемные моды, которые могут препятствовать стабильной работе ЛБВ-усилителя. Проведена оптимизация геометрических параметров системы с целью подавления объемных мод в рабочем диапазоне частот. Особенностью указанных систем является также высокие значения коэффициента затухания для замедленных волн. Приведены результаты моделирования омических потерь с использованием различных численных методов, проведено их качественное и количественное сравнение. Заключение. Подробно исследованы электродинамические характеристики миниатюрных планарных замедляющих систем типа микрополосковый меандр на диэлектрической подложке. Исследовано влияние пространственных параметров системы на частоты отсечки объемных и поверхностных мод. Приведены основные методы моделирования омических потерь. Показано, что моделирование омических потерь по теории возмущений и во временной области даёт заниженные значения омических потерь.
Известия высших учебных заведений. Прикладная нелинейная динамика. 2025;33(5):731-747
731-747
Наука – образованию. Методические заметки. История.
Зарождение и становление фрактальной радиофизики и фрактальной радиоэлектроники в ИРЭ РАН
Аннотация
Цель. В статье изложены основные моменты зарождения, становления и развития применения теории фракталов, топологии, теории дробной размерности и скейлинга в решении задач радиоэлектроники и радиофизики в СССР и России в ИРЭ АН СССР и ИРЭ РАН, начиная с 80-х годов XX века. Методы. Актуальность проведения авторских исследований связана с необходимостью более точного описания реальных процессов, происходящих в современных интеллектуальных радиосистемах. Это, прежде всего, учет эредитарности (памяти), негауссовости, скейлинга (самоподобия, автомодельности) и топологии физических сигналов и полей. Результаты. Все исследования проводятся в фундаментальном научном направлении «Фрактальная радиофизика и фрактальная радиоэлектроника: проектирование фрактальных радиосистем», инициированного и разрабатываемого автором в ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН с 1979 г. по настоящее время. Заключение. Автор развивает и усиливает свои идеи о том, что в радионауках должно быть прочно введено новое - “фрактальное” измерение, причем не на вспомогательную роль, а в качестве фундаментального объясняющего фактора. Это позволяет перейти на новый уровень информационной структуры реальных немарковских сигналов и полей. Показана важная роль академика РАН Юрия Васильевича Гуляева в развитии данного фундаментального научного направления, выразившаяся, в частности, в его разнообразной помощи автору в продвижении своих идей в СССР, России и мире.
Известия высших учебных заведений. Прикладная нелинейная динамика. 2025;33(5):748-776
748-776
Personalia
Роль Ю. В. Гуляева в формировании фрязинской школы электроники
Аннотация
В статье рассматриваются ключевые моменты создания и развития Фрязинского филиала ИРЭ АН СССР (ныне ИРЭ им. В. А. Котельникова РАН), формирования его научной тематики и творческого коллектива.
Известия высших учебных заведений. Прикладная нелинейная динамика. 2025;33(5):777-780
777-780