автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Математическое моделирование эффективных систем передачи оптического сигнала насекомым

На правах рукописи

ш-

ПЛЕШКОВА ЮЛИЯ АЛЕКСАНДРОВНА

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНЫХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ОПТИЧЕСКОГО СИГНАЛА НАСЕКОМЫМ

Специальность 05.13.18 Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 г ПАЙ 2014

005548877

Тамбов-2014

005548877

Работа выполнена на кафедре прикладной математики и информатики Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Астраханский государственный университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Лихтер Анатолий Михайлович

Официальные оппоненты: Арзамасцев Александр Анатольевич,

доктор технических наук, профессор, Тамбовский государственный университет, заведующий кафедрой компьютерного и математического моделирования

Большаков Александр Афанасьевич,

доктор технических наук, профессор Саратовский государственный технический университет им. Ю.А. Гагарина, профессор кафедры автоматизации, управления, мехатроники

Ведущая организация: ФГБУН «Институт проблем управления

им. В.А. Трапезникова» Российской академии наук

Защита диссертации состоится 5 июня 2014г. в 15 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д. 212. 260.07 при ФГБОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет», по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Ленинградская, 1, ауд. 160.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО «ТГТУ» http://vvww.tstu.ru.

Автореферат разослан Ал/иаЛ, 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., доцент

Егоров Сергей Яковлевич

Общая характеристика работы

Повышение эффективности систем управления биологическими объектами в силу сложности их структуры, наличия многочисленных внутренних механизмов управления и регулирования, локализованных на биологическом уровне, а также особенностей социального поведения невозможно без использования современных методов, базирующихся на математическом моделировании и компьютерных технологиях.

Существующие технические средства, основанные на применении физических, в частности, световых полей для воздействия на рецепторные системы объектов различной биологической природы (В Н. Мельников, В.Р. Протасов, Г.П. Мазохин-Поршняков, N.J. Strausfeld, Е. Reisenman и др.), обладают существенными недостатками, поскольку при их проектировании не учитываются такие факторы, как геометрические параметры системы, особенности ландшафта и широты местности, время года и суток, а также оптические характеристики органов зрения и других элементов экосистемы объекта управления.

Реализация подхода, основанного на анализе систем передачи оптического сигнала объектам управления биологической природы, в частности, насекомым, являющимся одним из ее элементов, невозможна без построения математической модели, позволяющей максимизировать критерий эффективности функционирования системы - ее производительность, в котором учтены все ранее перечисленные факторы.

Актуальность работы заключается в необходимости построения математической модели и разработке на ее основе эффективных устройств для передачи оптического сигнала насекомым с различными типами зрения.

Целью работы является повышение производительности систем привлечения насекомых за счет совершенствования процесса передачи им оптического сигнала с использованием разработанной математической модели.

Объектом исследования и моделирования являются системы передачи оптического сигнала насекомым.

Предметом исследования является математическая модель систем передачи оптического сигнала насекомым с различными типами зрения.

Для достижения поставленной цели работы необходимо было решить следующие задачи:

■ проанализировать существующие системы передачи оптического сигнала насекомым;

■ разработать математическую модель систем передачи оптического сигнала насекомым с различными типами зрения с учетом характеристик среды их обитания;

■ создать алгоритмы для расчета характеристик, а также структурной и параметрической оптимизации систем передачи оптического сигнала насекомым без и с применением метода внешней (оптической) фильтрации;

■ разработать комплексы проблемно-ориентированных программ для расчета характеристик эффективных систем передачи оптического сигнала насекомым.

Методы исследования. Для построения математической модели использовались методы математического моделирования, физики, биофизики, численные методы, а также теории вероятности и математической статистики. Реализация алгоритмов выполнена на языке С# в среде программирования "MS Visual Studio 2010".

Научная новизна работы заключается в следующем:

■ впервые обоснована, разработана и исследована математическая модель объекта, отличающаяся учетом шумов, создаваемых искусственными и естественными источниками электромагнитного излучения оптического диапазона;

■ разработаны алгоритмы, отличающиеся использованием баз данных селективных источников, насекомых с различными типами зрения и особенностей

ландшафта местности для проведения вычислительного эксперимента с целью моделирования объекта исследования;

■ с применением современной технологии математического моделирования и вычислительного эксперимента выполнено комплексное исследование объекта, в процессе которого учтены геометрические и физические параметры, особенности ландшафта и широты местности, время года и суток, а также вариативность: без и с применением метода внешней (оптической) фильтрации;

■ создана теоретическая база для разработки высокопроизводительных систем передачи оптического сигнала биологическим объектам различной природы.

На защиту выносятся следующие основные положения:

■ математическая модель объекта исследования;

■ алгоритмы и комплексы проблемно-ориентированных программ для проведения вычислительного эксперимента с целью исследования математической модели объекта;

■ результаты исследования зависимостей характеристик объекта от геометрических и физических параметров, особенностей ландшафта и широты местности, времени года и суток;

■ результаты комплексного исследования и проектирования эффективных технических систем для передачи оптического сигнала насекомым.

Практическая значимость:

1. Да основании математических моделей и алгоритмов созданы комплексы проблемно-ориентированных программ:

■ «Программный комплекс для расчета характеристик канала передачи оптической информации дневным летающим насекомым», № 2011612494.

■ «Программный комплекс для расчета параметров канала с внешней фильтрацией при передаче оптической информации насекомым», № 2012610365.

2. Разработана и зарегистрирована полезная модель «Устройство привлечения насекомых с использованием селективных источников электромагнитного излучения», № 93221.

3. Разработано и зарегистрировано изобретение «Способ биологической защиты от кровососущих насекомых и устройство для его реализации», № 2417588.

Результаты диссертационной работы нашли свое применение в ряде практических разработок систем для передачи оптического сигнала насекомым и поддержаны следующими грантами:

■ Программа развития инновационной инфраструктуры вуза «Каспийский инновационно-технологический комплекс "Астраханский государственный университет"», 2010-2012 гг.

■ «УМНИК», 2010 и 2011 гг.

Отмечены дипломами конкурсов следующие работы:

■ Лучший инновационный проект. Межрегиональный конкурс. Диплом за инвестиционно-привлекательный проект, 2011 г.

■ Диплом победителя встречи клуба инноваторов г. Астрахань, 2011 г. Апробация работы. По результатам исследования сделан ряд докладов на международных и всероссийских конференциях: «Инноватика - 2010», г. Ульяновск; «Технические и программные средства систем управления, контроля и измерений» (УКИ10), г. Москва, 2010г.; «Московский международный конгресс. Биотехнология: состояние и перспективы развития», г. Москва, 2012 г.; «Технические и программные средства систем управления, контроля и измерения» (УКИ12), г. Москва, 2012 г.; «Проблемы математического моделирования, супервычислений и информационных технологий», г. Таганрог, 2012 г., а также на ежегодных научных конференциях АТУ.

Публикации. По теме диссертации опубликована 31 печатная работа, в том числе: 9 статей в журналах из списка, рекомендованного ВАК РФ, 16 в материалах международных и всероссийских научных конференций, 2 статьи в зарубежных изданиях, 2 свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ, 1 патент на полезную модель, 1 патент на изобретение.

Диссертация соответствует пунктам 1, 4 и 5 паспорта специальности 05.13.18 - «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ».

Личный вклад автора и роль соавторов. Основные результаты работы, теоретические выкладки, приложения и выводы, выносимые на защиту, принадлежат лично соискателю. Роль соавторов в совместных публикациях заключается в следующем: Лихтер A.M. -постановка задачи исследования процесса передачи оптического сигнала объекту биологической природы; Джалмухамбетов А.У. - расчет распределения солнечной энергии на поверхности Земли в различное время года и суток; Рогожина Ю Н. и Шагаутдинова И.Т. - расчет энергетических характеристик по математическим моделям, предложенным автором, и интерпретация разработанных алгоритмов в программный код языков высокого уровня. Полученные ими результаты опубликованы в совместных статьях. Все соавторы принимали участие в обсуждении полученных патентов и свидетельств о регистрации программ для ЭВМ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 148 наименований и 7 приложений. Общий объем диссертационной работы - 172 страницы, 69 рисунков и 12 таблиц. К диссертации прилагаются акты о внедрении результатов исследований в производственный и учебный процесс, копии свидетельств патентов и свидетельств о регистрации программ для ЭВМ.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе приведен анализ систем передачи оптического сигнала объектам биологической природы - насекомым.

Для построения математической модели объекта исследования обосновано использование основных законов электромагнитного излучения, распространяющегося в атмосфере Земли, с учетом явлений поглощения, рассеяния, поляризации и дисперсии (уравнения Максвелла, закон Бугера, формулы Френеля и др.).

В результате анализа устройств, реализующих процесс передачи электромагнитного излучения оптического диапазона, сделан вывод о возможности повышения производительности установок на основе применения информационных критериев качества (функции «отношение сигнал/шум» и пропускной способности канала передачи информации) для выбора эффективных параметров систем.

Во второй главе на основе системного подхода при анализе объекта исследования (рис. 1) сформулирована задача выбора эффективных параметров в виде «Найти такой вектор параметров»:

Г =Р(х,,х2,...,хп-у,,уг,...ут-Ь,Л,..Ьк), (1)

где х1,х^,...,хп;у1,у„...,ут - соответственно регулируемые (высота над поверхностью Земли, расстояние до насекомого, температура нити накала вольфрамовой лампы, параметры оптических фильтров) и нерегулируемые (чувствительность органа зрения насекомого, излучательная способность селективного источника, высота полета насекомого) переменные; b1,b2,...bt - параметры объекта исследования (ослабление оптического излучения атмосферой, мощность солнечного и лунного излучения в различное время года и суток, спектральные коэффициенты отражения природных поверхностей), при котором критерий эффективности — его производительность N -принимает максимальное значение:

N(p")=N¡m. (2)

Производительность установки (количество пойманных в ловушку насекомых, шт.) определяется выражением:

N = К ■ П-г, (3)

где К - некоторый постоянный для данной ловушки коэффициент; П = А/ ■ 1о§2(1 + С/Ш) -пропускная способность канала передачи информации, сС - сигнал, Вт; Ш - шум, Вт; С / Ш - функция «отношение сигнал/шум»; А/ - полоса частот, воспринимаемая органом зрения насекомого, Гц; г - время работы установки, с.

В этом случае решение задачи выбора эффективных параметров объекта исследования сводится к максимизации пропускной способности канала передачи информации П и значения функции «отношение сигнал/шум» (С Ш).

Рис. 1. Структ>рная схема системы для передачи оптического сигнала насекомым

Построение математической модели объекта исследования

Основными источниками внешних естественных помех при распространении полезного сигнала являются излучение Солнца, Луны, Земли и ее покровов, атмосферы (рис. 2). Мощность солнечного и лунного излучения, отраженного от какой-либо поверхности и воспринимаемого глазом насекомого, зависит не только от параметров и особенностей строения зрительного органа, но и от характеристик отражающих поверхностей, которыми в данном случае являются облака и подстилающая поверхность (вода, растительность и почва).

Рис. 2. Схема распространения электромагнитного излучения в системе передачи оптического сигнала насекомым, где И - источник селективного электромагнитного излучения; ОУ - объект управления; Ь[ - расстояние от земной поверхности до объекта управления; 1т - расстояние от земной поверхности до источника излучения; х - расстояние между И и ОУ по горизонтали

Считая, что шумы от естественных и искусственных источников излучения аддитивно складываются, выражение для шума можно записать в следующем виде:

Ш = ШС+ШС,+Ш„ + Ш„, + Ши_, + Ш0 + Шр, (4)

где Ш0,ШС1,Ши1,Шлг- шумы, обусловленные отражением соответственно солнечного, лунного и искусственного излучения от облаков и земной поверхности; ШС,ШЛ- шумы, обусловленные прямой солнечной и лунной подсветкой; Шр- шум, вызванный рэлеевским рассеянием. При построении математической модели в первом приближении можно пренебречь шумами при отражении излучения Солнца и Луны от облаков Ш0 вследствие их относительной малой величины по сравнению с другими источниками шумов, а также шумом Шр, вызванным рэлеевским рассеянием, поскольку он носит слабоселективный характер.

Оптический сигнал, воспринимаемый органом зрения насекомого, и общий шум имеют вид:

Я,

С = • ^ /г(я). г(Л)ехр(- ^А)- />/А, (5)

Ш = Шс + Шл+Шс, + ША,+Шиг, (б)

где I = ^х2 + (й, -Л,)" , м; г (А) - функция спектральной излучательной способности селективного источника света; г (А) - функция относительной спектральной чувствительности глаза насекомого; т - коэффициент, учитывающий различие между функциями видности глаза человека и насекомого; площадь органа зрения

насекомого, м2; д(А) = А(А) + (т(А); к (А) - спектральный коэффициент ослабления оптического излучения атмосферой в УФ и видимой части спектра; ст(А) = 0.837УИ3-А*4 -

спектральный коэффициент рэлеевского рассеяния; N - число молекул в 1 м3; А -эффективное сечение рассеяния по флуктуации плотности в атмосфере, м2.

Шумы, обусловленные прямой солнечной и лунной подсветкой, соответственно имеют следующий вид:

Ш. = .^А-Л«(А,7-).*(Д).Г(Д)/Л, (7)

.^у |£(А,Г).*(Я)-г(А>/Я, (8)

где ¿;(А,Г) - спектральное распределение излучения Солнца; - радиусы

Солнца, земной и лунной орбит соответственно.

Выражения для шумов Шсз и с учетом таких основных природных

факторов, как особенности спектральных отражательных способностей почвы, водной поверхности и растительности, поглощение излучения атмосферой Земли, изменение мощности лунного излучения на поверхности Земли в зависимости от фазы Луны:

Ш" = ^'' ? (л*") '(Я)ех р(- </(А)>/А, (9)

ш„ = ' ~[—]/5(А,Г>(А)т(А>;(А)^(«)ЛГо"';и)ехр(- ?(Я)>/А, (10)

где 5(/г) - спектральная функция распределения мощности лунного излучения на земной поверхности в зависимости от фазы Луны; г) (Я) - функция спектральной энергетической освещенности Луны; Лго/5е(я) = (^(я)5, + о(Я)У, +у(Л)53); ¿;(Я),и(Я),у/(Я) спектральные характеристики отражения соответственно почвы, воды и растительности;

- весовые коэффициенты, показывающие относительную долю площади, занимаемой соответствующими поверхностями в 1 м2.

Шум, обусловленный отражением излучения селективного источника от подстилающей поверхности, определяется выражением:

Л,

Ши,=8„,-^—\г{\)т(Л)№15е(А)ехр{-д(Х)-!12}1Л, (11)

Разработанная математическая модель учитывает не только различия в восприятии оптического сигнала насекомыми с разными типами зрения, зависимость значения функции «отношение сигнал/шум» от геометрических параметров системы передачи электромагнитного излучения оптического диапазона, но и особенности ландшафта местности, а также влияние режима естественной освещенности в различное время года и суток.

Для имитации реальных ландшафтных условий применялся генератор случайных чисел, который моделировал случайные изменения весовых коэффициентов природных поверхностей в соответствии со следующими зависимостями:

Л', = п,с1{\\

52=77к/(1(12)

где тс!( 1) - функция, позволяющая получить равномерно распределенное случайное

число в заданном интервале значений [0,1].

Используя известные соотношения астрономии по расчету облученности земной поверхности, шум от прямой солнечной подсветки можно представить в виде:

Шс = ■ соевая,/)|^(Я>(Я>(Я>/Я , (13)

где <р - широта местности; 1 - время суток; п - число истекших суток с начала года.

Тогда выражение для шума ШС1 примет вид:

ШС ! = • с<к0(р, л,/)|£(Я, 7'>(я)г(я)Лгоме(я)ехр(- q{фЛ, (14)

С учетом (5-11, 13,14) получено выражение функции «отношение сигнал/шум» в общем виде:

■Ч

|г(Я)-г(Я)ехр(-9(Я)-/)/Я

Ш 12(ШС + ШЯ + ШС,+Ш^+ШУ1)

Так как функция «отношение сигнал/шум» обратно пропорциональна суммарному оптическому шуму, можно проанализировать ее зависимость от уровня освещенности, создаваемого Солнцем на земной поверхности, в течение суток и с учетом времени года (рис. 3).

10

В ест га ^ Лето

Осень Г| | 0.01

1-Ю"3

Рис. 3. График зависимости функции «отношение сигнал/шум» от энергетической освещенности земной поверхности в различное время года и суток для насекомых с трихромным видом зрения и селективным источником электромагнитного излучения (ксеноновая лампа, х = 5 м; 1ъ= 4 м; 5| = 0,2; 5;= 0,3; 83= 0,5)

В данном случае не рассматриваются зимние месяцы года, так как они не совпадают с активной фазой жизнедеятельности насекомых.

Из анализа кривых на рисунке 3 видно, что функция «отношение сигнал/шум» принимает максимальное значение в ночное время суток, а затем резко убывает и в момент времени I = 12 ч имеет минимальное значение. Отсюда следует, что режим естественной освещенности непосредственным образом влияет на моделирование объекта исследования.

При построении математической модели рассматривались различные типы распространенных селективных источников электромагнитного излучения оптического диапазона: ксеноновая лампа, галогенная лампа и лампа с вольфрамовой нитью накала. При этом спектральная излучательная способность последней была задана в виде:

г(А,7-) = г0(А,Г)-£(А,7'), (16)

где га (А, 7") - излучательная способность вольфрама.

На основании экспериментальных данных было получено аналитическое выражение излучательной способности вольфрама г0(А, Г) в температурном диапазоне

(17)

(18)

(19)

(20)

р{Т) = 3.61 -4.22-10 "'Г-1.13 • Ю-7Г2. (21)

Исследованы зависимости функции «отношение сигнал/шум» и пропускной способности от температуры нити накала вольфрамовой лампы. Сделан вывод о том, что

ош

О 10 20 ¿0

время, час

600+2600 К и интервале длин волн от 0.3 до 0.76 мкм:

где а,(Г)= -4.91-10"5 Г4,

а2 (т) = -9.15 • 10"5 Г4,

ха(Т)= -8.80-10"5 Г4,

на практике для достижения эффективной работы устройства достаточно ограничиться температурами не выше 1200 К, что положительно скажется на ресурсе работы источника излучения. В то же время показана зависимость производительности установки от геометрических параметров системы (рис. 4).

а) б)

Рис. 4. Графики зависимости производительности установки от: а) высоты Ь; б) расстояния х при температуре нити накала вольфрамовой лампы Т = 1200 К для насекомых с трихромным типом зрения в период ее работы с 8.00-9.00 ч, 20 мая 2013 г.

Разработка алгоритма и программного обеспечения для расчета характеристик объекта исследования

На основании математической модели объекта исследования был разработан алгоритм (рис. 5) и программное обеспечение для расчета его характеристик. Алгоритм содержит следующие операции:

1) формирование баз данных: насекомых с различными типами зрения (монохромное, дихромное, трихромное), источников электромагнитного излучения (галогенная, ксеноновая, вольфрамовая лампа (при температуре Т = 600-К2600 К));

2) выбор комбинаций пар «насекомое - источник излучения»;

3) расчет основной информационной характеристики - функции «отношение сигнал/шум» (С/Ш);

4) структурная оптимизация системы из условия максимального значения С'Ш\

5) вывод на печать полученных результатов: оптимальных параметров системы и графиков зависимостей от ее основных параметров значения функции «отношение сигнал/шум» (С НГ).

Рис. 5. Ачгоритм для расчета характеристик объекта исследования

Разработанная математическая модель объекта позволяет рассчитать оптимальную высоту источника, расстояние между источником и приемником сигнала для различных сочетаний пары «селективный источник - насекомые с различными типами зрения». При расчетах характеристик объекта были получены значения отношения «сигнал/шум», которые являются недостаточными для разработки устройств с высокой производительностью.

Адекватность модели проверялась по ^-критерию Фишера при помощи сравнения выборок определения полученных в ходе замеров и расчета количества пойманных в ловушку насекомых для того же интервала времени. Общее количество экспериментальных выборок составило 9, по 18 значений в каждой выборке. Значение ^наб, (отношение большей исправленной дисперсии к меньшей) находилось в интервале от 1,05 до 1,55, учитывая, что при числе степеней свободы 17 и 16 и уровне значимости Ркр =2,31 отсутствуют основания отвергать нулевую гипотезу об адекватности модели.

Следовательно, разработанную математическую модель объекта исследования можно считать адекватной.

В третьей главе рассмотрена математическая модель объекта исследования с применением метода внешней (оптической) фильтрации, который является апробированным в оптико-электронике способом повышения эффективности систем передачи оптического сигнала. На рисунке 6 представлена структурная схема объекта исследования с применением метода внешней (оптической) фильтрации, в математической модели которого учтены типы зрения насекомого (moho-, ди- или трихромного), спектральная излучательная способность источника, пропускание атмосферы Земли, а также его географические, геометрические и ландшафтные характеристики.

Рис. 6. Структлрная схема объекта с применением метода внешней (оптической) фильтрации

О результативности выбора эффективных параметров объекта на основе разработанной математической модели можно судить по значению величины ц/ - ^у^ >

где Я, и /7, - пропускные способности канала передачи информации в системах с оптическим фильтром и без него, соответственно.

Математическая модель объекта исследования с применением внешней (оптической) фильтрации

Для объекта с применением метода внешней (оптической) фильтрации выражение для оптического сигнала примет вид:

= S., ■ f jW)'■ /W'"г(Я)ехр(-q(A). Í)dX,

(22)

где /(А) - спектральный коэффициент пропускания фильтра.

Наиболее распространенными моделями оптических фильтров являются: ■ фильтр, спектральный коэффициент пропускания которого описывается функцией Гаусса:

г .1ГЯ-Я"

/(Я)=ехр

(23)

■ фильтр, спектральный коэффициент пропускания которого описывается функцией Лоренца:

---г, (24)

а также прямоугольный фильтр и фильтры с верхней и нижней границами:

О, А < А„ const, А > А„ const, А < А, О, А > А,

В этом случае оптический шум, обусловленный отражением искусственного

(26)

излучения от земной поверхности, определяется выражением:

Л.

-7^- 1Кя)-/(А)т(А)Лг0/^(А)ехр(-<?(А)УА,

а функция «отношение сигнал/шум» имеет вид:

я,

|КА)-/(А)-г(А)ехр(-9(А)/УА

Ш

г-(шс + ш„ + шсз + ш,, + (ш„ХУ

(27)

Ачгоритм и программное обеспечение для расчета характеристик объекта исследования с применением метода внешней (оптической) фильтрации

^начало ^

1 1

База данных насекомых с различными типами зрения - монохромное; - дихромное; - трихромное. - галогенная лам л а; - вольфрамом! лампа (Т-600-2600К.). Баш данных оптических фияьтрок - ф. Гаусса; - ф. Лоренца; - ф. прямоугольный.

Выбйр »омСивацхи naf г иыучеии«»

Расчет фуккиии нот скпиы'шум» с оптическим фильтром. |ОШ)ф и информационной пропускной способности П»

Сравнительный "¡шалит и выбор параметров системы ^ иэ условия -

Д»

Т

параметров системы и графиков

гиности (C'UJXi н Пф от высоты А к расстоянии.

Рис. 7. Алгоритм расчета характеристик объекта исследования с применением метода внешней (оптической) фильтрации

На основе разработанной математической модели объекта с применением метода внешней (оптической) фильтрации построен алгоритм, который позволяет рассчитать его основные характеристики с учетом всех влияющих факторов (рис. 7). Алгоритм содержит следующие операции:

1) формирование баз данных насекомых с различными типами зрения, источников электромагнитного излучения и оптических фильтров;

2) выбор комбинаций пар «насекомое - источник излучения»;

3) расчет основных характеристик - функции «отношение сигнал/шум» (С / Ш)ф и пропускной способности канала передачи информации Пф;

4) структурная оптимизация системы передачи оптического сигнала насекомым из условия максимального значения (С / Ш)ф;

5) реализация выполнения пп. 1-5 алгоритма после обращения к базе данных оптических фильтров;

6) вывод на печать результатов расчета оптимальных параметров системы, а также графиков зависимостей (С/Ш)ф и Пф от ее основных параметров. Разработанный программный комплекс позволяет рассчитать эффективные

параметры объекта исследования и, в конечном итоге, решить задачу его структурной и параметрической оптимизации.

Расчеты показали, что полосовые фильтры и фильтры нижних/верхних частот хотя и дают увеличение значения функции «отношение сигнал/шум» и пропускной способности канала передачи информации, однако более перспективно применение оптических фильтров Лоренца и Гаусса, которые в сочетании с селективными источниками излучения значительно, почти на порядок, увеличивают значение критерия эффективности системы и, соответственно, производительности установки (рис. 8).

Рис. 8. Графики зависимости от высоты Ь; расположения селективного источника света (ксеноновая лампа) над поверхностью Земли: а) информационной пропускной способности; б) функции «отношение сигнал/шум» для насекомых с монохромным типом зрения без применения (—) фильтра и с применением (-----) фильтра Гаусса (\ = 3 50нм , а = 200нд/)

Разработанная математическая модель объекта с применением внешней (оптической) фильтрации позволила исследовать характеристики и рассчитать его эффективные параметры. Результаты моделирования, представленные на графиках (рис. 8), свидетельствуют об увеличении значения функции «отношение сигнал/шум» и пропускной способности канала передачи информации, что подтверждает вывод об эффективности применения на этапе проектирования метода внешней (оптической) фильтрации. В качестве примера приведены сравнительные результаты расчетов

характеристик объекта исследования для насекомых с монохромным типом зрения без и с применением метода внешней (оптической) фильтрации сигнала (табл.).

Таблица. .Характеристики объекта исследования для насекомых с монохромным типом зрения

Фильтр С/Ш (с/ш)ф п2 ¥

Гаюгенная лампа

Гаусс = Лоренц (Д, 400н.1/,ст = 300нм) = 500//.\/, Д = 250//.«) 0,02 0,029 0,11 0,6 0,151 0,678 5,5 30

Ксеноновая лампа

Гаусс (Л, = 400нл;,ст = 150;/.«) 0,09 0,124 0,85 0,89 9,4

Лоренц (Л^ = 450//л/,Д = 350/ш) 4-Ю'3 5,7-10"3 25-Ю"3 0,04 6,25

Гаусс = Лоренц (Д, Вольфрамовая лампа при Т=1200К

Шнм,о = 250/лк) = 350//.1/, Д = 350/ш) 3,85-10 3 5,54-10"3 9,76-10"3 10"2 0,014 2,5 26

Гаусс (Д, = Лоренц (Лф Вольфрамовая лампа при Т=2600К

400//.«,<х = 250нм) = 350/«/, Д = 350;/.«) 2,12-10" 0,03 9,56-10'2 0,1 0,132 0,148 4,51 4,71

Проектирование эффективных технических систем на основе разработанной математической модели объекта исследования

В четвертой главе приведены результаты комплексного исследования и проектирования технических систем, отличающихся своей эффективностью, селективностью и высокой производительностью. К ним относятся системы защиты от насекомых-вредителей и борьбы с кровососущими насекомыми, в частности: • роботизированный комплекс для борьбы с колорадским жуком;

■ механизированный комплекс для привлечения саранчи и переработки ее в кормовую массу для рыб и птиц;

■ устройство для биологической защиты от кровососущих насекомых.

Работа указанных технических систем основана на предложенной математической модели объекта исследования, позволяющей рассчитать эффективные параметры их элементов.

Рис. 9. Графики зависимости: а) функции «отношение сигнал/шум» с использованием галогенной и ксеноновой ламп; 6) производительности установки с применением вольфрамовой лампы при различных температурах для насекомых с трихромным видом зрения от времени суток

К числу таких параметров относятся: максимальное расстояние от источника оптического излучения до насекомого, высота размещения технической системы над поверхностью Земли, оптимальная температура нити накала вольфрамовой лампы, временные интервалы функционирования механизированного комплекса для привлечения саранчи в течение суток (рис. 9), параметры оптических фильтров в случае применения систем с внешней (оптической) фильтрацией сигнала.

Из анализа графиков на рисунке 9 следует, что при использовании в качестве источников излучения ламп различного типа рабочий период механизированного комплекса ограничен диапазонами:

■ от 0.00 до 5.00 и от 18.00 до 24.00 ч -для ксеноновой лампы;

■ от 0.00 до 4.00 и 19.00 до 24.00 ч - для галогенной лампы.

Производительность установки значительно меняется в течение дня при температурах ниже 1200 К, а затем увеличивается и остается практически постоянной при температурах выше 1200 К. Однако при температуре нити накала вольфрамовой лампы порядка 2600 К ресурс ее работы значительно сокращается.

еоо воо 1000 !2оо

1000 1800 2000 2200 2*00 2«Ю

/

/

/

/

/

/

а)

б)

Рис. 10. Графики зависимости: а) расчетной пропускной способности канала передачи информации от температуры накала вольфрамовой лампы; б) количества насекомых, пойманных в

ловушки в различные дни месяца при постоянной ( — ) и меняющейся (---) температурах нити

накала вольфрамовой лампы для насекомых с трихромным типом зрения

Для проверки теоретических расчетов были проведены эксперименты, в которых использовались две ловушки, отличающиеся тем, что в одной из них температура накала нити вольфрамовой лампы оставалась постоянной, порядка 2600 К, а в другой изменялась в диапазоне от 600 до 2600 К (рис. 10). Результаты эксперимента свидетельствуют о достаточно удовлетворительном совпадении экспериментальных и расчетных данных по математической модели.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. На основе анализа систем передачи оптического сигнала насекомым разработана математическая модель объекта с учетом особенностей их типа зрения, геометрических и физических параметров, особенностей ландшафта, широты местности, времени года и суток, позволяющая выполнить его структурную и параметрическую оптимизацию, в результате которой в несколько раз увеличивается ресурс селективного источника излучения и суточный рабочий режим установки.

2. Разработаны алгоритмы и реализованы комплексы проблемно-ориентированных программ, отличающиеся использованием баз данных селективных источников и насекомых с различными типами зрения, а также особенностей ландшафта местности для проведения вычислительного эксперимента и моделирования объекта исследования.

3. Показано, что применение внешней (оптической) фильтрации в системах передачи оптического сигнала насекомым позволяет в среднем на 20 % повысить производительность установки.

4. На основе разработанной математической модели объекта исследования спроектированы технические системы для передачи оптического сигнала насекомым, обладающие повышенной производительностью.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в журналах из перечня ВАК РФ

1. Лихтер, А. М. Математическое моделирование световых полей в системах управления поведением насекомых / А. М. Лихтер, Ю. А. Плешкова //Естественныенауки. -2010. -№3 (32). -С. 188-192.

2. Плешкова, Ю. А. Модель процесса передачи оптической информации в системах управления поведением насекомых / Ю. А. Плешкова, А. М. Лихтер // Экологические системы и приборы. - 2010. - № 12. - С. 24-27.

3. Плешкова, Ю. А. Моделирование зависимостей информационных и энергетических характеристик систем управления поведением насекомых от их геометрических параметров / Ю. А. Плешкова А. М. Лихтер // Экологические системы и приборы. - 2011. - № 2- С. 27-32.

4. Плешкова, Ю. А. Моделирование влияния режима естественной освещенности на процесс передачи оптической информации насекомым / Ю. А. Плешкова, А. У. Джалмухамбетов, А. М. Лихтер // Естественные науки. - 2011. - № 1 (34). -С. 35-39.

5. Плешкова, Ю. А. Моделирование характеристик канала передачи оптической информации с учетом особенностей ландшафта местности / Ю. А. Плешкова, А. М. Лихтер // Прикаспийский журнал: управление и высокие технологии. -2011.-№ 1 (13). - С. 65-71.

6. Плешкова, Ю. А. Программная реализация алгоритмов расчета характеристик процесса передачи оптического излучения насекомым / Ю. А. Плешкова // Известия ЮФУ. Технические науки. Проблемы математического моделирования, супервычислений и информационных технологий. - 2012. - № 6. - С. 174-178.

7. Плешкова, Ю. А. Управление поведением насекомых с помощью оптической фильтрации / Ю. А. Плешкова, А. М. Лихтер // Проблемы управления. - 2012. -№6.-С. 51-55.

8. Плешкова, Ю. А. Повышение эффективности процесса передачи оптической информации насекомым с применением метода внешней фильтрации / Ю. А. Плешкова, А. М. Лихтер // Прикаспийский журнал: управление и высокие технологии. - 2012. - № 3 (19). - С. 62-71.

Публикации по теме диссертации в других изданиях

9. Плешкова, Ю. А. Влияние особенностей ландшафта местности на характеристики оптического канала передачи информации насекомым / Ю. А. Плешкова, А. М. Лихтер // Экокультура и фитобиотехнологии улучшения качества жизни на Каспии : материалы Международной конференции с элементами научной школы для молодежи (7-10 декабря 2010 г.). - Астрахань : Издательский дом «Астраханский университет», 2010. - С. 56-60.

10. Плешкова, Ю. А. Исследование зависимости информационных и энергетических характеристик процесса передачи оптического излучения насекомым от режима естественной освещенности / Ю. А. Плешкова, А. М. Лихтер // Экокультура и фитобиотехнологии улучшения качества жизни на Каспии материалы Международной конференции с элементами научной школы для молодежи (7-10 декабря 2010 г.). - Астрахань Издательский дом «Астраханский университет», 2010. - С. 81-85.

11. Лихтер, А. М. Математическое моделирование энергетических и информационных характеристик элементов систем управления поведением насекомых / А. М. Лихтер, Ю. А. Плешкова, Ю. Н. Рогожина, И. Т. Шагаутдинова // Технические и программные средства систем управления, контроля и измерений : материалы Российской конференции с международным участием УКИ-10 (18-20 октября 2010 г.). - Москва : ИПУ РАН, 2010. - С. 28-31.

12. Плешкова, Ю. А. Математическое моделирование процесса передачи оптической информации насекомым с использованием излучателя типа «серое тело» / Д. А. Кирюхина, Ю. А. Плешкова, А. М. Лихтер // Человек и животные : материалы VI Международной заочной конференции, посвященной 80-летию Астраханского государственного университета (май 2012 г.). - Астрахань : Астраханский государственный университет, Издательский дом «Астраханский университет», 2012. - С. 131-135.

13. Плешкова, Ю. А. Методы исследования процессов передачи оптической информации биологическим объектам / Ю. А. Плешкова, А. М. Лихтер // Фармацевтические и медицинские технологии : Международная научно-практическая конференция в рамках Московского международного конгресса «Биотехнология: состояние и перспективы развития» (г. Москва, 20-22 марта 2012 г.). - Москва : Экспо-биохим-технологии ; РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2012 -С. 358-363.

14. Плешкова, Ю. А. Математическое моделирование систем управления поведением насекомых с использованием метода оптической фильтрации / Ю. А. Плешкова, А. М. Лихтер // Технические и программные средства систем управления, контроля и измерения : Российская конференция с международным участием УКИ'12 (г.Москва, 16-19 апреля 2012 г.).- Москва: ИПУ РАН, 2012. -С. 77-81.

15. Pleshkova, U. Mathematical modeling of the process of the optical information transmission to the insects / U. Pleshkova, A. Likhter // The advanced science open access journal. USA. -2011. -№4. -P.59-65.

16. Pleshkova, U.A. The methods of investigation of the optical information transfer to the biological objects/ U. A. Pleshkova, A.M. Likhter // Proceedings of the International Scientific Conference «Pharmaceutical and Medical biotechnology (Moscow: JSC "Expo-biochem-technologies", D.I. Mendeleyev University of Chemistry and Technology). -2012, P. 344-352.

Патенты и свидетельства о регистрации программ для ЭВМ

1. А. с. 2011612494 РФ. Программный комплекс для расчета характеристик канала передачи оптической информации дневным летающим насекомым / Ю. Н. Рогожина, И. Т. Шагаутдинова, Ю. А. Плешкова, А. М. Лихтер ; правообладатель Астраханский государственный университет. - № 2011610861 ; заявл. 11.02.2011 ; опубл. 25.03.2011.

2. А. с. 2012610365 РФ. Программный комплекс для расчета параметров канала с внешней фильтрацией при передаче оптической информации насекомым / А. М. Лихтер, Ю. А. Плешкова. - № 2011618794 ; заявл. 18.11.2011 ; опубл. 10.01.2012.

3. Пат. 93221 РФ. Устройство привлечения насекомых с использованием селективных источников электромагнитного излучения / Лихтер А. М., Глушкова К. Е., Лубянова Е. В., Ветрова А. А., Плешкова Ю. А., Шагаутдинова И. Т., Рогожина Ю. Н., Мамцев И. С. - № 2009114138 ; заявл. 14.04.2009 ; опубл. 27.04.2010.

4. Пат. 2417588 РФ. Способ биологической защиты от кровососущих насекомых и устройство для его осуществления / Ремзов Н. С., Дусалиев Р. М., Рогожина О. Н., Шагаутдинова И. Т., Плешкова Ю. А., Ветрова А. А., Лубянова Е. В., Глушкова К. Е., Лихтер А. М. - № 2009120243 ; заявл. 27.05.2009 ; опубл. 10.05.2011.

Подписано в печать 01.04.2014 г. Заказ № 2957. Тираж 100 экз. Уч.-изд. л. 1,1. Усл. печ. л. 1,0.

Оттиражировано в Издательском доме «Астраханский университет» 414056, г. Астрахань, ул. Татищева, 20 Тел. (8512) 48-53-47 (отдел маркетинга), 48-53-45 (магазин), 48-53-44, тел/факс (8512) 48-53-46 e-mail: asupress@yandex.ru

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Астраханский государственный университет» (Астраханский государственный университет)

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНЫХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ОПТИЧЕСКОГО СИГНАЛА НАСЕКОМЫМ

Специальность 05.13.18 Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

04201458411

ПЛЕШКОВА ЮЛИЯ АЛЕКСАНДРОВНА

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент А.М. Лихтер

АСТРАХАНЬ 2014

\

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................4

Глава 1 Анализ систем передачи оптического сигнала объектам биологической природы - насекомым.....................................................................................................9

1.1 Физические основы функционирования рецепторных систем насекомых........9

1.2 Процесс передачи оптического сигнала насекомым..........................................21

Глава 2 Обоснование, разработка и исследование математической модели систем передачи оптического сигнала насекомым.................................................................30

2.1 Характеристики элементов систем передачи оптического сигнала насекомым ..........................................................................................................................................30

2.2 Математическое моделирование систем передачи оптического сигнала насекомым......................................................................................................................50

2.3 Проверка адекватности математической модели передачи оптического сигнала насекомым......................................................................................................................58

2.4 Расчет характеристик систем передачи оптического сигнала насекомым с

различными типами зрения..........................................................................................62

Глава 3 Повышение эффективности систем передачи оптического сигнала насекомым с применением метода внешней (оптической) фильтрации.................80

3.1 Разработка математической модели систем передачи оптического сигнала насекомым с использованием метода внешней (оптической) фильтрации.............80

3.2 Влияние внешней (оптической) фильтрации с применением прямоугольного фильтра и фильтров с верхней и нижней границей на эффективность систем передачи оптического сигнала насекомым.................................................................85

3.3 Влияние внешней (оптической) фильтрации с применением фильтров Лоренца и Гаусса на эффективность систем передачи оптического сигнала

насекомым......................................................................................................................90

Глава 4 Исследование и проектирование эффективных систем передачи

оптического сигнала насекомым................................................................................100

4.1 Теоретические аспекты расчета основных параметров систем передачи оптического сигнала насекомым................................................................................100

4.1.1 Механизированный комплекс для привлечения саранчи и переработки ее в кормовую массу для рыб и птиц................................................................................103

4.1.2 Роботизированный комплекс для борьбы с колорадским жуком..................108

4.1.3 Способ биологической защиты от кровососущих насекомых и устройство

для его реализации.......................................................................................................112

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................................117

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ..............................120

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.....................................122

Приложение А Зависимости энергии излучения вольфрамовой лампы...............139

Приложение Б Оптический шум естественного происхождения...........................142

Приложение В Программный комплекс для расчета характеристик оптического

канала передачи информации.....................................................................................145

Приложение Г Паспортизация селективного источника оптического излучения 155

Приложение Д Проверка адекватности математической модели..........................157

Приложение Е Программный комплекс для расчета параметров оптического

канала с внешей (оптической) фильтрацией.............................................................163

Приложение Ж Практическая значимость................................................................167

ВВЕДЕНИЕ

Повышение эффективности систем управления биологическими объектами в силу сложности их структуры, наличия многочисленных внутренних механизмов управления и регулирования, локализованных на биологическом уровне, а также особенностей социального поведения невозможно без использования современных методов, базирующихся на математическом моделировании и компьютерных технологиях.

Существующие технические средства, основанные на применении физических, в частности, световых полей для воздействия на рецепторные системы объектов различной биологической природы (В.Н. Мельников, В.Р. Протасов, Г.П. Мазохин-Поршняков, КТ-Б^ж^еМ, Е. К^ептап и др.), обладают существенными недостатками, поскольку при их проектировании не учитываются такие факторы, как геометрические параметры системы, особенности ландшафта и широты местности, время года и суток, а также оптические характеристики органов зрения и других элементов экосистемы объекта управления.

Реализация подхода, основанного на анализе систем передачи оптического сигнала объектам управления биологической природы, в частности, насекомым, являющимся одним из ее элементов, невозможна без построения математической модели, позволяющей максимизировать критерий эффективности функционирования системы - ее производительность, в котором учтены все ранее перечисленные факторы.

Актуальность работы заключается в необходимости построения математической модели и разработке на ее основе эффективных устройств для передачи оптического сигнала насекомым с различными типами зрения.

Целью работы является повышение производительности систем привлечения насекомых за счет совершенствования процесса передачи им оптического сигнала с использованием разработанной математической модели.

Объектом исследования и моделирования являются системы передачи оптического сигнала насекомым.

Предметом исследования является математическая модель систем передачи оптического сигнала насекомым с различными типами зрения.

Для достижения поставленной цели работы необходимо было решить следующие задачи:

■ проанализировать существующие системы передачи оптического сигнала насекомым;

■ разработать математическую модель систем передачи оптического сигнала насекомым с различными типами зрения с учетом характеристик среды их обитания;

■ создать алгоритмы для расчета характеристик, а также структурной и параметрической оптимизации систем передачи оптического сигнала насекомым без- и с применением метода внешней (оптической) фильтрации;

■ разработать комплексы проблемно-ориентированных программ для расчета характеристик эффективных систем передачи оптического сигнала насекомым.

Методы исследования. Для построения математической модели использовались методы математического моделирования, физики, биофизики, численные методы, а также теории вероятности и математической статистики. Реализация алгоритмов выполнена на языке С# в среде программирования MS Visual Studio 2010.

Научная новизна работы заключается в следующем:

■ впервые обоснована, разработана и исследована математическая модель объекта, отличающаяся учетом шумов, создаваемых искусственными и естественными источниками электромагнитного излучения оптического диапазона;

■ разработаны алгоритмы, отличающиеся использованием баз данных селективных источников, насекомых с различными типами зрения и

особенностей ландшафта местности для проведения вычислительного эксперимента с целью моделирования объекта исследования;

■ с применением современной технологии математического моделирования и вычислительного эксперимента выполнено комплексное исследование объекта, в процессе которого учтены геометрические и физические параметры, особенности ландшафта и широты местности, время года и суток, а также вариативность: без- и с применением метода внешней фильтрации;

■ создана теоретическая база для разработки высокопроизводительных систем передачи оптического сигнала биологическим объектам различной природы.

На защиту выносятся следующие основные положения:

■ математическая модель объекта исследования;

■ алгоритмы и комплексы проблемно-ориентированных программ для проведения вычислительного эксперимента с целью исследования математической модели объекта;

■ результаты исследования зависимостей характеристик объекта от геометрических и физических параметров, особенностей ландшафта и широты местности, времени года и суток;

■ результаты комплексного исследования и проектирования эффективных технических систем для передачи оптического сигнала насекомым. Практическая значимость.

1. На основании математических моделей и алгоритмов созданы комплексы проблемно-ориентированных программ:

■ «Программный комплекс для расчета характеристик канала передачи оптической информации дневным летающим насекомым, № 2012612494.

■ «Программный комплекс для расчета параметров канала с внешней фильтрацией при передаче оптической информации насекомым, №2012610365.

2. Разработана и зарегистрирована полезная модель - «Устройство привлечения насекомых с использованием селективных источников электромагнитного излучения», № 93221.

3. Разработано и зарегистрировано изобретение - «Способ биологической защиты от кровососущих насекомых и устройство для его реализации», №2417588.

Результаты диссертационной работы нашли свое применение в ряде практических разработок систем для передачи оптического сигнала насекомым и поддержаны следующими грантами:

■ Программа развития инновационной инфраструктуры ВУЗа «Каспийский инновационно-технологический комплекс Астраханский государственный университет», 2010-2012г.

■ УМНИК10; УМНИКИ.

Отмечены дипломами конкурсов следующие работы:

■ Лучший инновационный проект. Межрегиональный конкурс. Диплом за инвестиционно-привлекательный проект, 2011г.

■ Диплом победителя встречи клуба инноваторов г. Астрахани, 2011г. Апробация работы. По результатам исследования сделан ряд докладов на

Международных и Всероссийских конференциях: «Инноватика - 10», г. Ульяновск; УКИ10 «Технические и программные средства систем управления, контроля и измерений», г. Москва, 2010г.; «Московский международный конгресс. Биотехнология: состояние и перспективы развития», г. Москва, 2012г.; «Технические и программные средства систем управления, контроля и измерения УКИ12», г. Москва, 2012г.; «Проблемы математического моделирования, супервычислений и информационных технологий», г. Таганрог 2012г., а также на ежегодных научных конференциях АГУ.

Публикации. По теме диссертации опубликована 31 печатная работа, в том числе: 9 статей в журналах из списка, рекомендованного ВАК РФ, 16 в материалах Международных и Всероссийских научных конференций, 2 статьи в

зарубежных изданиях, 2 свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ, 1 патент на полезную модель, 1 патент на изобретение.

Диссертация соответствует пунктам 1, 4 и 5 паспорта специальности 05.13.18 - «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ».

Личный вклад автора и роль соавторов. Основные результаты работы, теоретические выкладки, приложения и выводы, выносимые на защиту, принадлежат лично соискателю. Роль соавторов в совместных публикациях заключается в следующем: Лихтер A.M. - постановка задачи исследования процесса передачи оптического сигнала объекту биологической природы, Джалмухамбетов А.У. - расчет распределения солнечной энергии на поверхности Земли в различное время года и суток, Рогожина Ю.Н. и Шагаутдинова И.Т. -расчет энергетических характеристик по математическим моделям, предложенным автором и интерпретация разработанных алгоритмов в программный код языков высокого уровня. Полученные ими результаты опубликованы в совместных статьях. Все соавторы принимали участие в обсуждении полученных патентов и свидетельств о регистрации программ для ЭВМ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы 148 наименований и 7 приложений. Общий объем диссертационной работы 172 страницы, 69 рисунков и 12 таблиц. К диссертации прилагаются акты о внедрении результатов исследований в производственный и учебный процесс, копии свидетельств патентов и свидетельств о регистрации программ для ЭВМ.

Глава 1 Анализ систем передачи оптического сигнала объектам биологической природы - насекомым

1.1 Физические основы функционирования рецепторных систем насекомых

Жизнедеятельность насекомых сопровождается обработкой звуковой, обонятельной, зрительной и другой сенсорной информации, также одной из особенностей является их умение с помощью собственных рецепторов точно оценивать ситуацию. Благодаря своим рецепторам насекомые улавливают все разнообразие факторов внешней среды - различные вибрации (диапазон звуков), энергию излучения в форме света и тепла, механическое давление и другие. Все насекомые понимают показания своих дистанционных органов чувств (восприятие раздражения на расстоянии), такие как органы зрения, слуха и обоняния. Другие, такие, как органы вкуса и осязания, являются контактными и реагируют на воздействие при непосредственном соприкосновении.

Представление о многообразии видов чувствительности насекомых описано в следующей классификации сенсорных систем насекомых [51, 131]:

1. Механорецепция, восприятие насекомыми любых внешних и внутренних механических стимулов, например, прикосновение, движение воздуха или воды, звуковые и ультразвуковые колебания. Механорецепторная клетка улавливает колебания субстрата, амплитуда которого менее диаметра атома водорода. Механорецепторы насекомых различаются по своему уровню функциональной специализации:

• тактильная чувствительность (осязание),

• интеро- и проприорецепторная чувствительность (оценка механических состояний внутри тела и взаимное положения его частей),

• статическое чувство (равновесие в пространстве),

• сейсмическая чувствительность (восприятие сотрясений),

• слух (восприятие звуковых волн в воздушной, водной и твердых средах, а также звукового давления, градиента давления и смещение частиц среды. Звук обнаруживается посредством использования энергии движения частиц молекулярного уровня).

2. Терморецепция - способность воспринимать температуру окружающей среды и ориентироваться по температурному градиенту. Температурные рецепторы насекомых реагируют на конвекционное и лучистое тепло, т.е. энергию молекул нагретого воздуха, а свойство гигрорецепторов заключается в восприятии парообразной и капельножидкой влаги.

3. Хеморецепция - это восприятие химических стимулов поступающих из внешней среды, т.е вкус и запах (обоняние) насекомых. Для возбуждения обонятельной клетки достаточно контакта с одной молекулой вещества, у некоторых насекомых восприятие запахов происходит при присутствии в воздухе концентрации молекул (100-1000 на 1см3). Вкус и запах улавливается путем утилизации потенциальной энергии, заложенной во взаимном притягивании и отталкивании частиц, образующих атом.

4. Зрительные клетки поглощают фотоны определенной энергии, отраженные окружающими предметами или исходящие непосредственно от источника, а также воспринимают лучистую энергию в определенном диапазоне длин волн и отличают свет от теплового воздействия лучей. Зрительную клетку фасеточного глаза может возбудить единичный фотон, кроме того, она обладает свойством анализа поляризации света и восприятия невидимых человеком лучей.

5. Реакция рецепторов на электрическое и магнитное поля:

• электрические факторы (восприятие электростатического заряда поверхности окружающих предметов, переменного низкочастотного электрического поля, ионизации и электропроводности воздуха),

• магнитные факторы (восприятие постоянного и переменного низкочастотного магнитного поля),

• электромагнитные колебания (изменение электрического и магнитного полей).

Осязание является одним из наиболее важных органов чувств для безопасности полета летающих насекомых, чтобы ощущать воздушные потоки, также у многих из них хорошо развито чувство гравитации. В роли основных факторов выступают освещенность и температура, например, в дневные часы активность комаров подавляет яркий свет освещенностью до 40-103 лк и температура выше 27°С. Причем тепло становится одним из стимулов, по которому кровососущие насекомые - комары осуществляют ориентацию на хозяина-прокормителя. Известно, что температурный градиент над поверхностью кожи человека изменяется от