Приоритетные научные направления

В ТУСУРе на кафедре физики уже более тридцати лет существует лаборатория плазменной эмиссионной электроники, которая развивает традиционное направление – исследование эмиссии электронов из плазмы газового разряда и разработку плазменных источников электронов (ПИЭЛ).

В рамках общего научного направления сформировались две исследовательские группы, одной из которых руководит профессор Н. Г. Ремпе, а другой – профессор Е.М. Окс.

Группа, которой руководит Н. Г. Ремпе, ставит и успешно решает задачи, связанные с формированием остросфокусированных электронных пучков в устройствах с плазменным катодом. Результаты этих исследований позволили выйти на уровень изготовления не имеющих аналогов образцов электронно-лучевого оборудования, успешно применяемого как в научных лабораториях, так и в производственных цехах. Достоинства этого оборудования заключаются в высоком уровне автоматизации. Автоматическая поточная линия для электронно-лучевой сварки, оснащённая источниками с плазменным катодом управлении режимами обработки с помощью компьютера и в возможности генерации электронного луча в тяжёлых вакуумных условиях, обусловленной исключительной надёжностью самого электронного источника. Эта надёжность обеспечивается прежде всего отсутствием в его конструкции накалённых узлов, обычно применяемых в подобного рода устройствах. Указанные особенности дали возможность применять разработанную аппаратуру для сварки металлов, для электронно-лучевой наплавки твёрдых материалов на ответственные узлы и детали машин, а также на элементы оборудования сталелитейного производства. Оригинальной областью применения в научных исследованиях стала визуализация газовых потоков.

Группа, работающая под руководством профессора Е. М. Окса, занимается решением вопросов, связанных с формированием электронных пучков в форвакууме, то есть вакууме, достигаемом применением механических форвакуумных насосов. Научная привлекательность этого направления объясняется наличием эффектов, не наблюдаемых в области традиционных более низких давлений. Возможная техническая эффективность связана с несомненным упрощением собственно вакуумного оборудования, а следовательно, его удешевлением и повышением надёжности. Форвакуумный электронный источник позволяет в значительной мере решать те же задачи, что и традиционные источники, работающие при более низких давлениях. В то же время промышленная установка для наплавки покрытий для него открываются и новые возможности. Одна из них – применение электронного пучка для обработки непроводящих материалов: стекла, кварца, керамики. Эта возможность обеспечивается стеканием электрического заряда, приносимого электронным пучком, через плазму, образованную электронным пучком при его распространении в газе. Проведённые к настоящему времени эксперименты продемонстрировали возможность электронно-лучевой плавки, размерной обработки и сварки керамических материалов. Другое возможное применение форвакуумного электронного источника – генерация плазменного образования с большой (до 1 кв. м) площадью поверхности. Экспериментально продемонстрирована возможность осуществления в таком образовании плазмохимических реакций разложения и синтеза, а также осаждения покрытий, в частности углеродных. Варьирование режимов позволяет изменять характер осаждаемых слоёв от алмазоподобных до фуллеренов и нанотрубок.

Построение моделей элементов СВЧ МИС

НОЦ «Нанотехнологии» ТУСУРа – единственный в России центр, где на систематической основе разрабатываются библиотеки элементов наногетероструктурных СВЧ МИС, и имеется лицензионное программное обеспечение.

Создание моделей монолитных активных и пассивных элементов позволяет выполнить точное проектирование СВЧ МИС.

Модели строятся на основе специализированных высокоточных СВЧ-измерений и электродинамического моделирования.

Единственная в России уникальная полностью автоматизированная установка обеспечивает возможность прецизионных измерений и характеризации СВЧ МИС до частот 50 ГГц.

Разработано программное обеспечение для автоматического построения моделей монолитных элементов в виде многомерных полиномов.

Построены модели СВЧ-монолитных элементов для отечественных и зарубежных GaAs MESFET- и pHEMT-технологий.

Основные направления исследований

• Радиотехнические системы
• Технологии создания интеллектуальных систем навигации и управления

Сопряжённые задачи исследования тропосферного распространения ультракоротких радиоволн и проектирования радиолокационных систем, включая:

• пространственно-временные и поляризационные структуры радиосигналов, отражённых от сложных распределённых объектов,
• банки радиофизических данных для проектирования систем радиолокационного обнаружения, измерения и селекции целей на сложном фоне.

Руководитель: Денисов Вадим Прокопьевич
Кафедры: радиотехнических систем, средств радиосвязи.

Радиолокация
Прикладная электродинамика и поляризационная радиолокация

• Исследования в области поляризации радиолокационных сигналов при рассеянии сложными радиолокационными объектами, исследования в области повышения радиолокационного контраста.

Руководитель: Николай Николаевич Кривин
Кафедра: конструирования и производства радиоаппаратуры

• Пикосекундная радиоэлектроника
• Радиолокационная томография неоднородных сред
• Сверхширокополосные усилители мощности

Руководители: Авдоченко Борис Иванович
Кафедра: радиоэлектроники и систем связи

• Широкополосные системы радиосвязи и радиометрии
• Системы радиосвязи с использованием OFDM и шумоподобных сигналов. Радиометрия

Руководители: Алексей Викторович Пуговкин, Александр Владимирович Филатов
Кафедры: телекоммуникаций и основ радиотехники, сверхвысокочастотной и квантовой радиотехники

• Сверхширокополосные устройства и антенны систем связи и измерений
• Теория многопроводных связанных линий с неуравновешенной электромагнитной связью
• Cинтез устройств СВЧ и антенн

Руководители: Николай Дмитриевич Малютин, Эдуард Валерьевич Семёнов, Алексей Викторович Фатеев, Андрей Александрович Гельцер.
Кафедры: телекоммуникаций и основ радиотехники, радиоэлектроники и систем связи, НИИ электронного технологического оборудования и средств связи

• Радиотехнические и телевизионные системы
• Создание прецизионных телевизионно-вычислительных средств кодирования, декодирования, передачи и хранения видеоданных
• Разработка и исследование радиоэлектронных средств мониторинга радиоизлучений

Руководители: Алексей Викторович Фатеев, Андрей Александрович Гельцер, Михаил Иванович Курячий
Кафедры: кафедра радиоэлектроники и систем связи

• Измерение параметров устройств при импульсном воздействии сложными синтезированными сигналами

Руководители: Андрей Александрович Гельцер, Николай Дмитриевич Малютин, Эдуард Валерьевич Семёнов.
Кафедры: телекоммуникаций и основ радиотехники, радиоэлектроники и систем связи, НИИ электронного технологического оборудования и средств связи

Преимущество использования импульсных и сверхширокополосных сигналов при наличии нелинейных искажений сигналов, исследуемым объектом. В этом случае его характеристики зависят от параметров воздействующего на него сигнала, поэтому важным становится исследование характеристик систем по отношению к сигналам, с которыми они реально работают. Методы измерений характеристик нелинейности при импульсном воздействии защищены патентами РФ. На базе этих методов разработаны векторный импульсный измеритель характеристик цепей и Р4-И-01 и регистратор электромагнитных и акустических сигналов РЭМАС-1.

Результаты исследования и создания интеллектуальных автоматизированных систем обработки информации и управления (АСОИУ), полученные коллективами кафедр ТУСУРа, были отмечены государственной премией России в области науки и техники (1993 год). Эти исследования являются фундаментальной базой создания различных систем оборонного и промышленного назначения. Основные результаты работ в области АСОИУ кратко представлены ниже.

1. Проведено обобщение оптимизационных систем навигации движущимися объектами и управления технологическими процессами; разработаны основы теории систем навигации и управления подвижными объектами в условиях полной и неполной информации о внешней среде; разработаны компьютерные технологии для реализации систем навигации и управления транспортными роботами, систем экстремальной радионавигации, систем экстремальной коррекции навигационных систем наземных подвижных объектов.
2. Разработаны методы математического моделирования оптимального или локально оптимального и безопасного функционирования управляемых механических систем в произвольных рабочих средах.
3. Созданы методы и средства идентификации изображения лица человека на основе морфологического анализа формы изображения и принятия решения по отклонению от опорной гиперплоскости анализируемого класса изображений. Обоснована и доказана возможность формализованного представления изображения лица человека в виде вектора центральных моментов изображения.
4. Разработан новый метод синтеза оптимальных в смысле заданных критериев качества алгоритмов идентификации моделей стохастических систем, названный непараметрическим методом аналогов, разработаны устойчивые алгоритмы идентификации линейных и нелинейных стохастических систем и решен широкий спектр прикладных задач.
5. Обобщены результаты многолетних исследований в области математического моделирования молекулярного поглощения и переноса тепловой радиации. Выполнен анализ современных компьютерных моделей пропускания и радиации газовой среды. Предложены и исследованы алгоритмы обнаружения газовых примесей в атмосфере на основе данных лазерного мониторинга газового состава. Разработано несколько пакетов программ для моделирования и обработки данных лазерного и аэрокосмического мониторинга атмосферы.
6. Разработаны алгоритмы и программы для расчёта статистических характеристик регистрируемой радиометром мощности суммарного излучения очага пожара и фона, включающего рассеянное системой облачная атмосфера – подстилающая поверхность» солнечное излучение, восходящее ИК-излучение подстилающей поверхности, атмосферы и облаков в спектральных интервалах 3,55 – 3,93 и 10,3 – 11,3 мкм в условиях разорванной облачности.
7. Созданы автоматизированные программные комплексы для разработки компьютерных учебных программ EduCAD, тестирования знаний студентов и проверки компьютерных программ. На базе созданных комплексов разработано 6 мультимедийных учебников по различным дисциплинам.

Зарубежные партнёры

• Космическое агентство Японии
• Итальянский центр лазерных исследований

НИИ АЭМ ТУСУРа много лет создаёт комплексы предстартовых испытаний систем электропитания космических аппаратов, а также системы управления и измерения для тепловакуумной и термобалансной отработки бортового спецкомплекса и его составных частей. Они позволяют испытывать летательные аппараты в условиях, приближённых к космическим. Система обеспечивает автоматизацию всех измерений и управления различными имитаторами нагрузок. В состав этой аппаратуры входят имитатор солнечных батарей, имитаторы аккумуляторных батарей. Такие комплексы позволяют серьёзно ускорить испытания и запуск космических аппаратов.

Основные заказчики оборудования

• ПАО «Ракетно-космическая корпорация «Энергия» (Москва)
• Государственный научно-производственный ракетно-космический центр «ЦКБ-Прогресс» (Самара)
• АО «ИСС» имени академика М. Ф. Решетнёва (Железногорск)

В России конкурентов в этой области ТУСУРу нет.

Поставки осуществляются на космодромы «Байконур», «Плесецк», «Свободный», «Восточный», NASA (США).

Стоимость работ – свыше 200 миллионов рублей в год.

Основные направления исследований

• преобразователи для высокочастотного индукционного нагрева металлов,
• импульсно-подмагничиваемые ферромагнитные устройства регулирования напряжения и тока,
• сильноточные и высоковольтные импульсно-модуляционные преобразователи параметров электрической энергии,
• моделирование динамических систем энергетической электроники,
• комплектные электроприводы для электромобилей и транспортных средств.

Данным направлением занимаются на кафедре промышленной электроники, в НИИ автоматики и электромеханики.

В НИИ АЭМ ТУСУРа разработаны уникальные высокочастотные индукционно-нагревательные установки и комплексы, которые позволяют:

• снизить энергозатраты на технологическую операцию в 3 – 5 раз,
• её себестоимость в 3 и более раз,
• снизить вес установки в 5 – 10 раз,
• повысить уровень автоматизации при проведении технологического процесса и электробезопасность при проведении работ,
• снизить энергозатраты в 3 – 5 раз по сравнению с другими способами нагрева,
• снизить в десятки раз материалоёмкость.

Высокочастотные индукционно-нагревательные установки и комплексы успешно используются в таких отраслях, как железнодорожный транспорт, машиностроение, энергетика, металлургия, нефте- и газодобывающая промышленность. Они также находят применение в химической промышленности, жилищно-коммунальном хозяйстве и в строительной индустрии.

В настоящее время выпускается более 50 типов установок высокочастотного индукционного нагрева, и постоянно разрабатываются установки для нового применения. По результатам опытной эксплуатации производится модификация установок и создание готовых рабочих мест с полной механизацией и автоматизацией всех технологических процессов.

В ТУСУРе разработаны источники тока компактные управляемые источники постоянного тока модульного типа. Работа источника основана на высокочастотном преобразовании параметров электрической энергии. Основное применение: системы электропитания термодинамических технологий выращивания кристаллов кремния и сапфиров и энергоснабжения гальванических линий, также могут использоваться для точного управления тепловыми режимами процессов нагрева, стабилизации температуры и термического отпуска путём плавного регулирования мощности.

Разработанный в ТУСУРе комплектный тяговый электропривод представляет собой электромеханический преобразователь на основе синхронного двигателя с постоянными магнитами на роторе и силового импульсного преобразователя с системой управления. Привод предназначен для применения в составе электромобилей следующего назначения: погрузочно-разгрузочных, выставочных, уборочно-очистительных, ремонтных и транспортных городских служб. Силовой преобразователь с широтно-импульсной модуляцией обеспечивает плавное изменение напряжения по амплитуде и частоте в соответствии с требуемыми алгоритмами функционирования, обеспечивает реверс, плавное регулирование тягового момента и устойчивую работу электропривода при частоте вращения вала электродвигателя от 250 оборотов в минуту. Реализован плавный режим рекуперативного торможения.

Разработаны новые методы преобразования параметров электроэнергии, на основе которых создаются силовые управляющие устройства с кардинально перестроенной системой электроснабжения.

Преобразование энергии с помощью изделий интеллектуальной силовой электроники позволяет преобразовывать энергию эффективно, то есть реализовать энерго- и ресурсосбережение.

В ТУСУРе на базе средств интеллектуальной силовой электроники разработана система энергообеспечения и управления бесконтактными магнитогидродинамическими (МГД) технологиями в цветной и чёрной металлургии для получения новых расплавов и материалов.

Среди крупных проектов по энергосбережению – создание зоны высокой энергетической эффективности на базе водогрейных и паровых котельных томского водоканала.

Также на базе средств интеллектуальной силовой электроники создаются средства очистки электросетей от помех. Выигран грант на разработку компенсатора реактивной мощности и мощности искажений – устройство, которое позволит сократить потери в электросетях, создаваемые различными электропотребителями.

По заказу ПАО «Сатурн» НИИ АЭМ ТУСУРа разработал и изготовил «Модуль контроля и управления (МКУ)» литиевой аккумуляторной батареи, работающей на борту космического аппарата. МКУ обеспечит выравнивание напряжения на всех элементах аккумуляторной батареи, что продлит срок её службы. Выравнивание и поддержка одинакового напряжения обеспечит батарее максимальную выработку мощности и увеличит срок её эксплуатации. МКУ автоматически определяет напряжение отдельных элементов и в случае необходимости подзаряжает их. Вес готового модуля не превышает 4 кг. Электроника самого модуля потребляет минимальный объём энергии. В составе батареи модуль может обеспечить нормальное функционирование космического аппарата сроком не менее 15 лет.

В настоящее время данное направление получило своё развитие. Специалисты Научно-исследовательского института автоматики и электромеханики ТУСУРа подключились к прорывному отечественному проекту по созданию первого мобильного автономного косморобота для обслуживания внешней поверхности Международной космической станции (МКС). Робот возьмёт на себя 80 % рутинных действий, которые сейчас выполняют космонавты, выходя на орбиту для выполнения регламентных работ. Разработкой косморобота занимается ЦНИИ робототехники и технической кибернетики (ЦНИИ РТК, Санкт-Петербург), аккумуляторную батарею изготавливает ПАО «Сатурн» (Краснодар). НИИ АЭМ изготовит систему контроля и управления для аккумуляторных батарей отечественного мобильного автономного косморобота. Первый опытный образец модуля системы контроля и управления аккумуляторной батареей косморобота будет изготовлен в 2019 г.

В ТУСУРе по направлению «Инноватика» разрабатываются технологии трансфера результатов исследовательской деятельности по наноэлектронике, радиотехнике, информационно-коммуникационным системам и интеллектуальной силовой электронике. В частности сформулированы подходы к построению системы интегральной оценки социально-экономического развития регионов, и получен ряд моделей, эффективно используемых при построении инновационных систем. Развиты основные теоретические положения маркетинга в части рынка прикладного программного обеспечения: сформулированы особенности промышленного рынка программных продуктов, определены роли его участников, предложены методики сегментирования рынка потребителей, позиционирования и продвижения в сети Интернет. При внедрении полученных результатов в практику, например, удалось в 2009 году организовать силами студентов и аспирантов ТУСУРа экспорт на рынок США программного обеспечения в объёме 200 тысяч долларов.

В исследованиях по направлению «Инноватика» принимают участие научно-педагогические коллективы Института инноватики, кафедры управления инновациями, прикладной математики и информатики факультета дистанционного обучения, автоматизации обработки информации, телевидения и управления, экономической математики, информатики и статистики.

Более двадцати лет ТУСУР развивает образовательное и игровое направление робототехники. Участвуя в чемпионатах по футболу роботов RoboCUP сначала как индивидуальный участник, ТУСУР со своими командами неоднократно добивался высоких результатов. Так в 2013 г. команда ТУСУР заняла 1 место в Японии на соревнованиях RoboCup Japan Open, в 2015 г. в Германии на аналогичном чемпионате RoboCup German Open 2 место. в 2016 году ТУСУР стал инициатором создания национальной лиги RoboCUP в России и организовал проведение национального этапа международных соревнований по робототехнике RoboCup Russia Open. С тех пор Томск ежегодно становится официальной площадкой этого чемпионата. На последнем чемпионате в 2018 г. ректор ТУСУР А.А. Шелупанов отметил: «Мы за несколько лет проделали очень большую работу и уже пользуемся отечественными робототехническими системами. Надо понимать, что никто из других стран не даст нам алгоритмов, программного обеспечения: нам могут дать только готовые продукты. Наша задача – чтобы интеллектуальная собственность, которая составляет основную стоимость продукта, принадлежала нам».

Руководители: Евгений Станиславович Шандаров, Лаборатория робототехники и искусственного интеллекта

STEM-центр ТУСУР, созданный при поддержке компании Intel сотрудниками кафедры КИБЭВС, проводит большую работу по привлечению и обучению основам конструирования, моделирования и программирования со школьниками. Проекты школьников, курируемые STEM-центром ТУСУРа, становятся лауреатами конкурсов инженерно-технических проектов, занимают высокие места на всероссийских и международных соревнованиях, а также хорошо известны в школах Томской области, где организовано обучение как для школьников, так и для преподавателей, разработаны оригинальные робототехнические комплекты. Например, в 2017г. Ученики STEM-центра ТУСУРа и детско-юношеского центра «Звёздочка»  - Команда StarsTomsk под руководством студентов и преподавателей факультета безопасностиТУСУРа попала в топ-10 команд России и вышла в полуфинал чемпионата Zero Robotics High School Tournament (USA & ESA). В этом конкурсе школьники 9 – 11 классов соревнуются в написании программ для экспериментальных спутников-роботов Spheres. В этом же году на конференции Startup Village в Сколково, проект STEM-центра  ТУСУРа «Система управления протезами дистальных отделов конечностей» стал финалистом конкурса лучших стартап-проектов, вошел в число 5 отобранных проектов.

Руководители: Лобода Юлия Олеговна, Лаборатория безопасных биомедицинских технологий ЦТБ КИБЭВС

Факультет инновационных технологий реализует магистерскую программу по направлению «Мехатроника и робототехника». Большой объем практических задач и проектов выполняется в лаборатории мультикоординатной электромехатроники. Здесь разработаны уникальные высокоточные линейные электроприводы. С применением таких электроприводов изготовлены устройства для измерения напряженности электромагнитного поля в безэховой камере, высокоточные принтеры для создания электронных компонентов методом 2D печати. Крупногабаритный 3D принтер для печати строительной смесью стены строящегося здания и др.

Руководители: Олег Юрьевич Осипов, Лаборатория робототехники и искуственного интеллекта (ЛРИИ), Михаил Евгеньевич Антипин , кафедра управления инновациями

1. Автоматизация и оптимизация систем обработки информации и управления.
2. Автоматизация, моделирование и проектирование сложных технических устройств и систем.
3. Взаимодействие проникающего и оптического излучений с твердым телом.
4. Гуманитаризация инженерного образования в техническом вузе.
5. Методы и системы защиты информации, информационная безопасности.
6. Общество как система. Социальные отношения и процессы.
7. Организация, психолого-педагогические, методические основы и комплексное информационное обеспечение открытого профессионального дистанционного образования.
8. Плазменная эмиссионная электроника (эмиссия заряженных частиц из низкотемпературной плазмы).
9. Прикладная электродинамика и поляризационная радиолокация.
10. Радиотехника, включая радиотехнические и телевизионные устройства систем безопасности и контроля.
11. Радиотехнические системы.
12. Радиоэлектронные и оптические информационно-измерительные системы и средства защиты информации.
13. Разработка эффективных параллельных алгоритмов для решения задач математического моделирования, включая задачи глобальной оптимизации.
14. Разработка, изучение и внедрение в клиническую практику новых методов топической диагностики и аппаратуры для хирургического лечения.
15. Распределенные информационные технологии территориального управления.
16. Сверхширокополосные устройства и антенны систем связи и измерений.
17. Создание технических средств контроля качества материалов, изделий и окружающей среды.
18. Средства и системы управления энергонасыщенными объектами и технологическими процессами.
19. Университеты как центры развития инновационной экономики России.
20. Управление в социальных и экономических системах.
21. Физические принципы функционирования базовых элементов оптических информационных и телекоммуникационных систем.
22. Широкополосные системы радиосвязи и радиометрии.
23. Электронные процессы в тонкопленочных диэлектриках при воздействии сильных электрических полей.
24. Безопасность и противодействие терроризму. Рациональное природопользование. Биоинформационные технологии, биомедицинские и ветеринарные технологии жизнеобеспечения и защиты человека и животных, технологии.
25. Информационно-телекоммуникационные системы.