автореферат диссертации по истории, специальность ВАК РФ 07.00.10
диссертация на тему: История создания и применения теории и техники передачи сигналов изображений на железнодорожном транспорте с учётом вклада учёных МИИТ

Полный текст автореферата диссертации по теме "История создания и применения теории и техники передачи сигналов изображений на железнодорожном транспорте с учётом вклада учёных МИИТ"

На правах рукописи

МИХАЙЛОВ ВЯЧЕСЛАВ ВЛАДИМИРОВИЧ

ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ ТЕОРИИ И ТЕХНИКИ ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛОВ ИЗОБРАЖЕНИЙ НА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОМ ТРАНСПОРТЕ С УЧЁТОМ ВКЛАДА УЧЁНЫХ МИИТ

07. 00.10 - История науки и техники

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

13 МАП 2015

Москва-2015

005569053

005569053

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения» МГУПС (МИИТ) на кафедрах: «Инновационные технологии» и «Вычислительная техника».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Волков Анатолий Алексеевич Официальные оппоненты:

Борисов Василий Петрович, доктор технических наук, профессор, федерального государственного бюджетного научного учреждения, «Институт истории естествознания и техники им. С.И. Вавилова» РАН, заместитель директора по научной работе;

Игнатов Флегонт Михайлович, кандидат технических наук, доцент, федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение высшего профессионального образования, «Московский технический университет связи и информатики», кафедра «Телевидение и звуковое вещание», доцент.

Ведущая организация: ЗАО «Московский научно-исследовательский телевизионный институт».

Защита диссертации состоится «25» июня 2015 г. в 15 ч. 00 на заседании диссертационного совета Д. 218.005.09, созданного на базе федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения» по адресу: 127994, г. Москва, ГСП-4, ул. Образцова, д. 9, стр. 9, ауд. 1235.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета и на сайте МГУПС (МИИТ), www.miit.ru. Автореферат разослан «24» апреля 2015 г. Учёный секретарь диссертационного совета,

д-р техн. наук, профессор / / Козырев Валентин Александрович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы

Актуальность темы диссертации состоит в историческом анализе развития телевидения на железнодорожном транспорте с учётом вклада учёных МИИТ.

Передача сигналов изображений находит широкое применение в различных отраслях гражданского и военного назначения, в том числе для борьбы с терроризмом и правонарушениями, для повышения безопасности движения транспорта и производительности труда.

Со времени изобретения телевидения (ТВ) в России Б.Л. Розингом в 1907г. оно стало активно применяться российскими учёными, начиная с 1936г., в том числе в МИИТ для решения специфических проблем железнодорожного транспорта. С помощью ТВ, реализующего передачу и приём сигналов изображений, ведётся обзор железнодорожных станций, контроль целостности движущихся поездов, считывание номеров вагонов поездов и решаются другие проблемы.

Изучение и обобщение в историко-техническом плане опыта применения принципа автоматического считывания номеров вагонов поезда, движущегося со скоростью более 15 км/ч, с помощью устройств ТВ является актуальным для увеличения пропускной способности станций.

По теме диссертации проанализированы труды многих Отечественных учёных, включая учёных МИИТ: H.A. Умова, A.C. Попова, А.Г. Столетова, П.Н. Лебедева, A.A. Эйхенвальда, Б.Л. Розинга, В.К. Зворыкина, В.П. Борисова, Ф.М. Игнатова, Ю.С. Сагдуллаева. По истории применения телевидения на ж.-д. транспорте исследован вклад профессоров МИИТ: В.А. Шилина, P.A. Косилова, A.A. Устинского и других учёных.

В изученной литературе отражены вопросы становления и развития физико-математических и технических основ ТВ и его применения на

Степень разработанности темы диссертации

железнодорожном транспорте.

В работах Д. Максвелла и Г. Герца рассматриваются, соответственно, физико-математические и технические основы ТВ.

В работах Г.Н. Алексеева, О.Д. Симоненко В.Л. Гвоздецкого, А.Ф. Каменева, И.Я. Конфедератова, А.И. Половинкина и других учёных описаны законы развития технических объектов.

В исследованиях В.П. Борисова дана оценка трудам В.К. Зворыкина и других российских учёных в области оптико-механического и других уровней состояний телевидения.

Д.Г. Пойнтинг и H.A. Умов сформулировали законы и направления распространения энергии радиоволн. А. Г. Столетов и А. Эйнштейн изучили фотоэффект с точки зрения классической физики и квантовой механики.

A.C. Попов описал принципы работы прерывателя, преобразующего низкочастотный сигнал в высокочастотный, а также автоматического встряхивания металлического порошка когерера приёмника.

В работах П.Н. Лебедева и A.A. Эйхенвальда подтверждена справедливость выводов Д. Максвелла измерениями давления света на тела (1899 г.) и газы (1904 г.), о существовании токов смещения и конвенкционных токов (1907 г.).

П.И. Бахметьев, К.Д. Перский, де Пайва высказали идеи поэлементной передачи сигналов изображений на расстояние.

В трудах Б.Л. Розинга и Л.С. Термена описаны основы оптико-механического ТВ. Г.В. Брауде, К.П. Грабовский, Ф. Франсуа разработали основы электронной системы ТВ, а С.И. Катаев, П.В. Тимофеев и П.В. Шмаков сконструировали электронно-лучевые передающие трубки.

Гипотеза о природе цветного зрения принадлежит М.В. Ломоносову, а её развитие - Г. Гельмгольцу и A.A. Полумордвинову.

Дальнейшее развитие информационных технологий в области ТВ и связи представлено в работах Ю.Б. Зубарева, Ю.С. Сагдуллаева, А.К. Цыцулина.

В трудах A.A. Волкова, Ф.М. Игнатова, P.A. Косилова, А.И. Куприянова, В.А. Шилина, Ю.Р. Носова и других учёных отражены вопросы становления твёрдотельного телевидения.

Результаты проведенных исследований требуют дополнительной проработки вопросов.

Цель диссертации - исследование историко-технических аспектов развития отечественных систем передачи сигналов изображений с учётом вклада учёных МИИТ и опыта применения ТВ на железнодорожном транспорте. Для достижения цели в работе поставлены и решены следующие задачи:

1) дана оценка роли учёных, в том числе МИИТ, в создании физико-математических, физико-технических и технических основ систем передачи сигналов изображений;

2) проведен комплексный историко-технический анализ и воссоздана историческая картина развития конструктивных изменений систем передачи сигналов изображений и технологий их работы на железнодорожном транспорте;

3) рассмотрены технологии передачи сигналов изображений на железнодорожном транспорте;

4) исследованы способы передачи сигналов изображений номеров вагонов движущихся поездов;

5) определены историческая обусловленность и целесообразность внедрения видеоинформационных технологий, перспектив их применения в системах передачи сигналов изображений объектов железнодорожного транспорта.

Объект исследования - физико-математические, физико-технические и технические основы передачи сигналов изображений, в том числе на железнодорожном транспорте за период с 1873 г. по настоящее время.

Предмет исследования - развитие устройств и систем передачи сигналов изображений, история их применения для повышения пропускной способности станций, безопасности движения поездов и жизнедеятельности сотрудников железнодорожного транспорта.

Научная новизна диссертации заключается в следующем:

1) разработана периодизация физико-математических, физико-технических и технических основ телевидения для создания систем передачи сигналов изображений за период 1873 - 1907 гг.;

2) установлена периодизация состояний развития телевидения и его применения на ж. - д. транспорте на основе: электронного, твёрдотельного и цифрового за период с 1936 г. по настоящее время;

3) систематизированы технологии совершенствования передачи сигналов изображений с целью повышения скоростей движения поездов при перевозке грузов и пассажиров в рамках электронного, твёрдотельного и цифрового уровней состояния телевидения;

4) классифицированы способы передачи сигналов изображений номеров вагонов и контроля целостности движущихся поездов в рамках электронного, твёрдотельного и цифрового уровней состояний телевидения;

5) теоретически и экспериментально обоснован и внедрён способ считывания с помощью телевидения номеров вагонов поездов, движущихся со скоростью более 4,17 м/с.

Теоретическая значимость исследования состоит в установлении взаимосвязи и преемственности развития фундаментальных, поисковых и прикладных исследований с целью создания систем передачи сигналов изображений, в том числе на железнодорожном транспорте.

Практическая значимость диссертации:

1) разработанный способ считывания номеров вагонов поездов увеличивает пропускную способность железнодорожных станций, производительность труда и безопасность их сотрудников;

2) применение телевидения для контроля целостности движущихся поездов на перегонах;

3) применение телевидения в учебном процессе железнодорожных вузов.

Методология и методы исследования: 1) конкретно-исторический характер исследования;

2) междисциплинарность проблемы;

3) сравнительно-исторический тип исследования;

4) реализация комплиментарного подхода к идеям, теориям, обобщениям.

Личный вклад автора:

1) определены в историческом плане дополнительные логические и причинно-следственные связи между уравнениями Д. Максвелла, в распространении радиоволн по принципу X. Гюйгенса-Ф. Френеля, радиосвязи A.C. Попова;

2) установлены хронологические периоды истории развития ТВ на железнодорожном транспорте на основе технологий передачи изображений;

3) оценены качественные изменения в истории применения систем передачи изображений на объектах железнодорожного транспорта (ломехоустойчивость, практическая реализация, компактность) в зависимости от уровней состояний телевидения;

4) на основании исторического анализа осуществлён прогноз развития способа считывания номеров на «инновационном» вагоне с точки зрения увеличения скорости и надёжности систем передачи информации о железнодорожных объектах;

5) разработаны технические решения по повышению безопасности сотрудников станций.

Положения диссертации, выносимые на защиту:

1) историко-технический анализ качественных изменений технологий совершенствования передачи сигналов изображений за период с 1936 г. по настоящее время;

2) государственная научно-техническая политика в области телевидения на железнодорожном транспорте;

3) исследования истории эволюции технологий передачи сигналов изображений объектов железнодорожного транспорта за период с 1936 г. по настоящее время;

4) дополнительные логические связи между уравнениями Д. Максвелла -теоретические основы телевидения;

5) разработанный способ считывания номеров вагонов с помощью телевидения.

Достоверность результатов подтверждена корректным использованием ' теоретического и научного инструментария при исследовании истории телевидения, двумя авторскими свидетельствами СССР на изобретения; внедрением телевидения на трёх железнодорожных станциях.

Апробация и внедрение результатов работы. Основные положения диссертации положительно оценены на научно - технических конференциях: в Поволжском филиале МИИТ (г. Саратов, 2009 г.); в Нижегородском филиале МИИТ (г. Нижний Новгород, 2009 г.); в РОАТ МИИТ (г. Москва, 2011 г.); на Х1У-0Й научно-практической конференции по безопасности движения поездов в МИИТ (г. Москва, 24-25. 10. 2013 г.).

Публикации. Автор имеет 11 публикацию по теме диссертации, в том числе 8 статей опубликовано в научных журналах, которые включены в перечень российских рецензируемых научных журналов и изданий для опубликования основных научных результатов диссертаций; выданы два авторских свидетельства на устройство контроля проследования поезда и устройство для считывания информации с транспортного средства; 3 работы опубликованы в других изданиях.

Общий объём публикаций - 40,7 п.л., в т. ч. авторских - 20,4 пл.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка терминов, источников, литературы и семи приложений. Общий объём работы: 190 страниц, 5 таблиц и 37 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность и степень разработанности темы, сформулированы цель, задачи, объект и предмет исследования; определена научная новизна, теоретическая, практическая значимость и достоверность полученных результатов, методология и методы работы; оценён личный вклад автора и представлены положения диссертации, выносимые на защиту.

Первая глава «История создання н развития основ передачи изображений на железнодорожном транспорте» посвящена истории открытия основ ТВ: радиоволнам, свету, фотоэффекту. Теоретической основой ТВ являются уравнения Д. Максвелла (1873 г.), по которым автором диссертации сформулированы 3 дополнительные логические связи:

1) уравнения (1) и (2) являются прямым и обратным преобразованием роторов

полей электрического Е и магнитного Н по аналогии с преобразованиями У. Гильберта и Ф. Фурье;

_ ст

- дГ) _>'т

2) уравнение ro/fJ = -^+J (£)-вектор электрической индукции,-вектор плотности стороннего тока проводимости) - закон

- яг>

магнитоэлектрической индукции по аналогии с уравнением го/£ = —~

(В' вектор магнитной индукции) - законом электромагнитной индукции; 3) уравнение йу ^ = 0, как и уравнение сНу ¿ = р, (р.(-плотность электрических зарядов) соответствуют теореме Остроградского-Гаусса, так как в природе нет магнитных зарядов (ри = 0), а не является только опытным фактом, как об этом говорится в литературе.

Последнее позволяет сократить 4 уравнения Максвелла до трёх. Исходя из этих уравнений, Д. Максвелл сделал в своём труде «Трактат об электричестве и магнетизме» (1873 г.) важные теоретические открытия:

1) электромагнитное поле может существовать самостоятельно в свободном пространстве в виде поперечных электромагнитных (ТЕМ) волн, распространяющихся со скоростью света;

2) свет имеет электромагнитную структуру, а не механическую, и может производить давление на тела и газы.

Однако мировая научная элита скептически относилась к уравнениям Максвелла, так как они не были инвариантны преобразованиям Г. Галилея.

Ученик Гельмгольца (Германия) - Г. Герц взялся доказать несостоятельность уравнений Максвелла, но убедился в обратном и открыл реальные радиоволны, которые легли в основу разработки технических основ ТВ. Для этого Г. Герц разработал теорию вибратора, основу которой составляет уравнение: В = ,

V'U е

где Пэ 4^1 Jэ г 4л г

A =JL[-> .e_dy = : i1r¡ Г

-

Этот интеграл для электродинамического потенциала Д берётся, если ток /"" = J"" -S = const, что реализовано Г. Герцем в виде симметричного вибратора с металлическими шариками на концах (рисунок I). Постоянство тока эквивалентно двум зарядам одинаковой величины, но разных знаков на месте шариков. Поэтому этот вибратор называют электрическим диполем Герца.

7

Рисунок I-Распределение тока в электрическом диполе Г. Герца В дальней зоне вибратора (г»^) согласно рисунку 2

cm

„ , I Mf -Жг . 2гЛ е

п

Е*Н

Ем Н

м

2 - вектор Пойнтинга - вещественен, что является доказательством излучения радиоволн. В работе показано, что электрический диполь Г. Герца является экспериментальной основой количественного описания распространения радиоволн согласно принципу X. Гюйгенса-Ф. Френеля (ХУП-Х1Х вв.).

Рисунок 2-Диполь Г. Герца в сферической системе координат

Согласно граничным условиям и вектору Пойнтинга П каждая точка М волнового фронта эквивалентна электрическому и ортогональному магнитному диполям Г. Герца, излучающим электромагнитные волны по диаграмме направленности в виде кардиоиды F (0) = 0,5 ■ (1 + CO.S'ö).

Сумма полей всех излучателей и определяет фронт волны через промежуток времени А t. Г. Герц, работая с радиоволнами, открыл явление фотоэффекта в 1888 г. А.Г. Столетов подробно его исследовал в 1889-1903 гг. Классическая физика не могла объяснить это явление. А. Эйнштейн объяснил явление фотоэффекта с позиций квантовой механики. Но первооткрыватель реальных радиоволн и фотоэффекта Г. Герц считал, что электромагнитные волны не могут быть применены для радиосвязи нз-за больших размеров антенн («с материк»): для тонального диапазона частот длины волны:

А = | = 3 зооР'/С = 10 м =' 000/си, с которой соизмерима антенна.

Это мнение авторитетного Г. Герца сдерживало изобретение радио. В работе подчёркнуто: габаритная антенная проблема Г. Герца решена 7 мая 1895 г. A.C. Поповым в результате введения в его вибратор прерывателя (модулятора) (рисунок 3), преобразующего низкочастотный сигнал в высокочастотный, позволяющий уменьшить размеры антенны. В настоящее время ни один радиопередатчик не может работать без модулятора. Передатчик Попова - искровой, а приёмник (рисунок 4) - когерерный с автоматическим встряхиванием металлического порошка. Это явилось основанием применения

радиоволн для связи.

7

Рисунок 3 - Схема передатчика A.C. Попова 1-батарея электропитания; 2-ключ; 3-пружина; 4-прерыватель; 5-индуктивность нагрузки; 6-антенна; 7-разрядник; 8- трансформатор.

1-батарея электропитания; 2-когерер; 3-реле Р1; 4-контакт реле Р1; 5-реле Р2; 6-контакт реле Р2; 7-металлический шарик; 8-звонок.

Учёные Императорского Московского инженерного училища (ИМИУ) своими научными трудами подтвердили правомерность уравнений Д. Максвелла. Профессор П.Н. Лебедев впервые измерил давление света на тела (1899 г.) и газы (1904 г.), тем самым, подтвердив справедливость выводов Д. Максвелла.

В 1903 г. профессор А.А. Эйхенвапьд, в будущем директор ИМИУ, впервые

Э£>

подтвердил существование токов смещения и конвенционных токов.

Однако окончательно уравнения Д. Максвелла были признаны только в 1904 г. после появления из них преобразований X. Лоренса для частной теории относительности А. Эйнштейна. Преобразования Г. Галилея - частный случай преобразований Лоренса (для малых скоростей).

Рисунок 4 - Приёмник A.C. Попова

Глава 2. «История изобретения и развития телевизионных систем чёрно-белого изображения». Телевидение изобретено в России Б.Л. Розингом -профессором Технологического института С.-Петербурга в 1907 г. Согласно заявке «Способ электрической передачи изображений на расстояние» (патент на изобретение №18076). Он создал систему «катодной телескопии» с использованием электронно-лучевой трубки для воспроизведения изображений (рисунок 5).

Рисунок 5 - Телевизионная система передачи изображений Б.Л. Розинга Её передающая часть была оптико-механической. Но с 1925 г. применяется безынерционный катодный луч вместо механической развёртки. На железнодорожном транспорте электронное ТВ было испытано в 1936 г. на Белорусском вокзале г. Москвы для обзора ж.-д. путей и платформ. На постоянной основе вопрос применения ТВ для обзора станций был поставлен и решён в июле 1954 г. Комиссия в составе представителей Главного управления сигнализации и связи (ЦШ) МПС, КБ ЦШ, ЦНИИ МПС (ВНИИЖТ), ВНИИ телевидения (г. Ленинград), службы связи Октябрьской ж. д. и Ленинградского телецентра произвела экспериментальную проверку возможности наблюдения сортировочных парков, участков ст. Ленинград - Сортировочная - Московская Октябрьской ж. д. В заключение комиссии записано: «Применение телевизионной установки для обзора парков и отдельных участков станций дежурными по станции и станционными диспетчерами является возможным ...». ЦНИИ МПС, КБ ЦШ разработали железнодорожную телевизионную установку, прошедшую опытную эксплуатацию (1958 г.). В 1959 г. была

выпущена первая партия усовершенствованных установок ЖТУ-3 (третий вариант разработки).

В рамках истории необходимо отнести к числу первых проектов передачи изображения на расстояние телевизионный проект русского учёного П.И. Бахметьева*). В 1973г. автором диссертации решена задача считывания с помощью ТВ номеров поезда, движущегося со скоростью более 15 км/ч.

В ЦВМ

Рисунок 6 - Телевизионная система считывания номеров вагонов

1-вагон с его номером; 2-генератор стробирующих импульсов; 3-путевой датчик; 4-электронно-оптический преобразователь; 5-синхронизатор;

6-блок выделения координат; 7- преобразователь аналоговой величины в код; 8-формирователь селекторных импульсов; 9- блок совпадения; 10-передаюшая камера; 11-оптическая система; ЦВМ-цифровая вычислительная машина. В 1972 г. автором данной работы была предложена телевизионная система контроля целостности движущегося поезда на перегонах (рисунок 7). Функциональная схема этой системы включает: 1-напольный весовой датчик;

2-фотодатчик; 3-электромеханический затвор; 4-блок импульсного подсвета; 5-реле времени; 6-промышленная телевизионная установка (ПТУ). Для считывания номеров вагонов поездов и их коммерческого осмотра (ПКО) была разработана и внедрена совмещённая система технического обслуживания подвижного состава в ПТО.

*) Бахметьев П.И. Новый телефотограф «Электричество».-! 885 г. №1. С.2-7.

Рисунок 7 - Телевизионная система контроля проследования поездов

В 1980 г. на ст. Москва-Сортировочная Московской ж. д. была установлена совмещённая телевизионная система считывания номеров вагонов и их коммерческого осмотра. МПС рекомендовало железным дорогам применять в дальнейшем с учётом местных условий этот проект применения ПТУ. Для одновременного осмотра вагонов с двух сторон и сверху подвижного состава система комплектуется пятью камерами.

Рисунок 8-Совмещённая телевизионная система считывания номеров вагонов поездов и их коммерческого осмотра: 1-5 - передающие телевизионные камеры промышленной телевизионной установки.

В результате анализа закономерностей в изменении технологий и способов передачи сигналов изображений железнодорожных объектов в указанном хронологическом периоде второй главы основным критерием является достижение более совершенного уровня состояний ТВ: оптико-механическое (1907-1924 гг.), электронное (1925-1980 гг.), твёрдотельное на ПЗС (с 1981 г. по настоящее время), цифровое (с 1999 г. по настоящее время).

Глава 3. «История открытия, развития и применения систем передачи сигналов цветных изображений». Автором первой в мире оптико-механической ТВ системы передачи сигналов цветных изображений является русский инженер-электрик A.A. Полумордвинов. В декабре 1899 г. он предложил систему цветного ТВ, которая, как и современные системы, основывалась на трёхкомпанентной теории цветового зрения X. Гюйгенса-М.В. Ломоносова (1756 г.) -К.Г. Юнга-Г. Гельмгольца (1852 г.) и была первой системой с последовательной передачей сигналов цветных изображений.

Рисунок 9-Электрическая схема цветокорректора:

Ш-119-регулировочные потенциометры; и' ц' - входные сигналы

цветокорректора; £/„,[/„,[/„ - выходные сигналы цветокорректора *).

В 1967 г. началось производство советских телевизионных приёмников сигналов цветных изображений. Накопленный опыт при их разработках и выпуске позволил автору данного исследования предложить принципиальную электрическую схему цветокорректора (рисунок 9) для согласования параметров передающих и приёмных электронно-лучевых трубок систем передачи сигналов изображений.

Цветокорректор регулируют при передаче опорного сигнала белого цвета, устанавливая положения потенциометров Ш-119 так, чтобы этот цвет был получен на экране приёмной трубки.

*) Михайлов В.В. Рационализаторское предложение. Удостоверение № 3068 от февраля 1968 г. Московского телевизионного завода «Рубин».

При подключении к входу корректора сигналов £/,£/г с его выхода снимают сигналы ин,и,ги„соответственно.

Для систем цветного телевидения автором также предложены изменения схем каналов цветности первых советских телевизионных приёмников, что повысило качество, разрешающую способность системы.

Дальнейшее развитие чёрно-белого ТВ с добавлением к его яркостному каналу двух цветоразностных сигналов привело к созданию цветного ТВ. Система передачи сигналов цветных изображений ж.-д. объектов применяется там, где необходимо передать информацию более корректно по сравнению с чёрно-белым телевидением.

Глава 4. «История открытия, применения приборов с зарядовой связью». Во второй половине XX в. произошёл переход на принципиально новое поколение техники ТВ - к твёрдотельным приборам с зарядовой связью (ПЗС) вместо электровакуумных передающих и приёмных трубок. Крупный вклад в развитие физики, схемотехники ПЗС внёс профессор МИИТ В.А. Шилин. В 1998 г. он был удостоен Государственной премии РФ в области науки и техники за работу «Научные и технологические основы создания и промышленного освоения фоточувствительных сверхбольших интегральных схем на ПЗС» (ФПЗС).

В конце XX в. были изобретены комплементарные металл-окись металла-полупроводник (КМОП) матричные фотоприёмники, которые после создания активного пикселя относительно дешёвой технологии, совместной с изготовлением цифровых элементов управления развёртками, стали конкурировать с ПЗС. Перспектива КМОП фотоприёмников связана также с созданием видеосистем на кристалле, где, кроме фотоприёмника, располагается цифровой кодер, цифровой вычислитель параметров сигнала. В главе 4 в качестве основных признаков (критериев) приведены эволюционные закономерности совершенствования технологий производства ПЗС, ФПЗС, КМОП, цифровых кодеров, вычислителей, их внедрений.

Глава 5. «История становления и передачи цифровых сигналов изображений». Известно, что ТВ сигнал, имеющий очень широкую полосу частот 6,5 МГц, передавался с помощью дельта - модуляции (ДМ)*. Она была изобретена в России Л.А. Коробковым (1948 г.).

На её основе была создана первая цифровая система, которая чаще применялась в радиорелейной связи, например, ДМ-400/6 на ж.-д. транспорте. Достоинством такой цифровой системы является простота реализации аппаратуры, а недостатком - перегрузка по крутизне, существенно увеличивающая шумы квантования.

Модернизация ДМ состоит в том, что в ней знак приращения определяется не с помощью разницы уровней соседних отсчётов, а с помощью дискретизации дифференцированной функции речевого сигнала (РС) на передающей стороне. Функциональная схема представлена на рисунке 10. Она работает следующим образом: функция аналогового сигнала ДЦ с источника аналогового РС И АС (1) дискретизируется по времени в блоке ДСК (2), глубоко ограничивается по амплитуде (клиппируется) в блоке ограничителя амплитуды ОА (4).

Рисунок 10 - Функциональная схема цифровой системы связи модернизированной дельта - модуляции: 1-источник аналогового сигнала; 2-дискретизатор по времени; 3-генератор импульсов; 4-ограничитель амплитуды; 5-передатчик; 6-линия связи; 7-приёмник; 8-интегратор; 9-фильтр низких частот; 10-полосовой фазовращатель на 90 градусов.

*) Величкин, А.И. Теория дискретной передачи непрерывных сообщений [Текст] / А.И. Величкин // -М.:Советское радио. 1970. - С. 277-278.

Затем передаётся через передатчик ПРД (5) по линии связи ЛС (6) в приёмник ПРМ (7), далее на интегратор И (8), фильтр низких частот ФНЧ (9) и полосовой фазовращатель на 90 градусов (10).

Это исключает перегрузку по крутизне и обратно пропорциональную зависимость восстановленной функции от её частоты.

Так как при дифференцировании не требуется большая корреляция между отсчётами, то частота дискретизации функции f(t) может быть снижена до минимальной по В.А. Котельникову.

Это значит, что полоса частот передаваемого цифрового сигнала может быть снижена в несколько раз по сравнению с известной ДМ. Можно дополнительно уменьшить в 2 раза полосу частот цифрового сигнала, если передавать неклиппированные отсчёты, а клиппированный аналоговый сигнал, дискретизацию по времени которого осуществлять на приёмной стороне перед интегратором И (8). В итоге сжатие полосы частот цифрового сигнала (ЦС) составит несколько раз. Поиск сжатия полосы частот цифрового сигнала начался с 1980 г. Тогда была создана комиссия экспертов по фотографии JPEG, а затем - комиссия экспертов по движущимся изображениям MPEG. Среди возможных алгоритмов цифровой обработки изображения наиболее широкое распространение получило дискретное косинусное преобразование (ДКП), так как оно поддаётся вычислениям с помощью специального быстрого алгоритма и близко к оптимальному по важнейшим критериям обработки сигнала. Наиболее значимые результаты по сжатию информации были получены по рекомендации MPEG, по которым принимались стандарты в 1990-е гг., например, стандарт MPEG 4 - в 1997 г.

По аналого-цифровым преобразователям (АЦП), цифро-аналоговым преобразователям (ЦАП) и сжатию информации общего пользования существенный вклад внесли профессоры МИИТ: A.A. Волков, И.П. Кнышев, Л.Г. Коптева, В.И. Нейман, Л.А. Осипов, А.Ф. Фомин и другие учёные.

Заключение

1. Разработана периодизация создания основ ТВ (радиоволн, структуры света,

фотоэффекта) и дана их классификация: физико-математических (1873-1887гг.), физико-технических (1888-1894 гг.) и технических (1895-1907 гг.) основ передачи сигналов изображений на расстояние.

2. Показан вклад русских учёных, в том числе и учёных МИИТ в становление уравнений Д. Максвелла - физико-математических основ ТВ: профессор П.Н. Лебедев первым в мире измерил давление света, предсказанное Максвеллом, а профессор A.A. Эйхенвальд впервые получил магнитное поле тока смещения от поправки Максвелла. Впервые «Трактат по электричеству и магнетизму» Д. Максвелла был переведён на русский язык Н.П. Петровым-основоположником МИИТ *).

3. Помимо периодизации основ ТВ и вклада учёных России, в том числе и учёных МИИТ, в утверждение уравнений Максвелла к новизне работы относятся также и сформулированные в ней дополнительные логические связи между уравнениями Максвелла: - первое и второе уравнения - прямое и обратное преобразование Максвелла электрического и магнитного полей

£«J-[, подобно прямому и обратному преобразованию Фурье или Гильберта в математике; первое уравнение Максвелла - закон магнитоэлектрической индукции, так как второе называется законом электромагнитной индукции; -четвёртое уравнение, как и третье, можно считать теоремой Остроградского-Гаусса, так как в природе нет магнитных зарядов ( р = 0), а не является только

опытным фактом, как говорится в литературе. Это позволяет формально 4 уравнения Максвелла свести к трём.

4. Физико-технической основой ТВ являются реальные радиоволны и фотоэффект, открытые Герцем в 1888 г. В работе показано, что вибратор Г. Герца - экспериментальная основа принципа Г. Гюйгенса - Ф. Френеля распространения радиоволн. Но Герц был против применения радиоволн для радиосвязи из-за больших размеров антенн, соизмеримых с половиной длины излучаемой волны Я.

*) В.Г. Бусаров, Б. А. Левин «Без светоча теории...» - мшгт,- м.: 2003,- с. 34-38.

5. Подчёркивается, что изобретение A.C. Попова в 1895 г. состоит не только во введении автоматического встряхивания металлического порошка когерера, а в решении им габаритной антенной проблемы Г. Герца.

Изобретение радиосвязи осуществлено путём введения в вибратор Герца прерывателя, преобразующего низкочастотный передаваемый сигнал в высокочастотный, понижающий длину излучаемой волны А. В работе отмечается, что это был первый в мире модулятор, без чего сегодкя не обходится ни один радиопередатчик.

6. ТВ было изобретено в России (1907 г.) профессором Б.Л. Розингом на основе радиосвязи и фотоэффекта. ТВ было вначале оптико-механическим, а затем стало электронным на электровакуумных приборах с переходом на твёрдотельные элементы (цветное и цифровое).

7. Отмечается, что впервые ТВ было испытано в 1936 г. на железнодорожном транспорте для обзора путей и платформ Белорусского вокзала г. Москвы. Официально оно стало применяться на ж.-д. транспорте с 1954г. с разрешения Государственной комиссии СССР, в состав которой входили сотрудники Главного управления сигнализации и связи (ЦШ) МПС, КБ ЦШ, ЦНИИ МПС, Всесоюзного научно-исследовательского института телевидения (ВНИИТ, г. Ленинград), службы связи Октябрьской зк. д., Ленинградского телевизионного центра.

8. Автором диссертации было разработано ТВ устройство для оценки целостности составов поездов, обзора станций и другие комплексы, новизна которых подтверждена авторским свидетельством СССР на изобретение. [12]. Но проблемой оставалось считывание номеров вагонов поезда, движущегося со скоростью более 15 км/ч.

9. Автором диссертации разработан способ считывания номеров вагонов поездов, движущихся со скоростью более 15 км/ч, новизна которого подтверждена авторским свидетельством СССР на изобретение [13]. Его применение позволяет увеличить пропускную способность станций,

производительность труда и безопасность их сотрудников. Далее это изобретение было усовершенствовано и стало применяться не только как станционное, но и на борту поезда для обзора на его ходу занятости переездов, наличию или отсутствию костылей на шпалах, в системе сцепления «Колесо-рельс» и других системах, что повысило безопасность движения поездов.

10. С целью существенного сокращения полосы частот цифрового ТВ предложено вернуться к использованию дельта - модуляции, у которой исключены основные её недостатки.

11. В диссертации показан вклад нынешних учёных МИИТ в модернизацию железнодорожного телевидения: - твёрдотельного на базе фотоприборов с зарядовой связью (ФПЗС); - цветного ТВ профессора P.A. Косилова, соискателя данной диссертации.

Основные публикации по теме диссертации а) Монография:

1. Михайлов, В.В. Средства отображения информации коллективного пользования: Монография [Текст] / В.В. Михайлов, В.Ю. Горелик // - Москва: Изд-во МИИТ, 2010,-198с. (в т. ч. авт. 24, 75 п. л.). - Russian ISBN Agency - 97859905491-0-4.

б) Публикации в ведущих научных рецензируемых журналах и изданиях, включённых в перечень ВАКМинобрнауки России:

2. Волков, A.A. Физико-математические основы передачи изображений [Текст] /A.A. Волков, В.В. Михайлов // Наука и техника транспорта. - 2009. - №3. - С. 41-45 (в т.ч. авт. 0,625 п. л.)-ISSN 2222-9396.

3. Михайлов, В.В. К развитию цифровых систем передачи, приёма, обработки, отображения сигналов изображений [Текст] / В.В. Михайлов, A.A. Волков // Наука и техника транспорта. - 2009. — №1. - С. 83 - 85. (в т.ч. авт. 0,375 п. л.) -ISSN 2222-9396.

4. Михайлов, В.В. Приборы с зарядовой связью [Текст] / В.В. Михайлов // Автоматика, связь, информатика. - 2009. - №10.-С. 22-24. (в т.ч. авт. 0,375 п. лО.-ISSN 0005-2329.

5. Михайлов, В .В., Телевидению -100 лет [Текст] / В.В. Михайлов, В.А. Козлов // Автоматика, связь, информатика. - 2008 .- №2. - С. 46-48. (в т.ч. авт. 0,375 п.л.) -ISSN 978 -5-9973-1448-4.

6. Михайлов, В.В. Цветное телевидение: открытие, развитие, применение [Текст] / В.В. Михайлов // Автоматика, связь, информатика. - 2010. - № 3. - С. 45-47. (в т.ч. авт. 0,375 п. л.). - ISSN 0005-28-29.

7. Михайлов, В.В. Телевизионные установки на железных дорогах. [Текст] / В.В. Михайлов // Мир транспорта. - 2014. - №1. - С. 194 - 197. (в т. ч. 0,5 п. л.) ISSN 1992-3252.

8. Михайлов, В.В. История применения телевидения на железнодорожном транспорте (1936 - 2013 гг.). [Текст] / В.В. Михайлов // Наука и техника транспорта. - 2014. - №2. - С. 41 - 47. (в т. ч. 0,875 п. л.). - ISSN 20749325.

9. Косилов, P.A., В.В. Михайлов. Повышение чёткости видеоинформации с движущегося поезда [Текст] / P.A. Косилов, В.В. Михайлов [Текст] // Автоматика, телемеханика и связь. - 1975. - №10. - С. 16-17. (в. т. ч. 0,25п. л.).

в) Публикации в других изданиях:

10. Иньков, Ю.М. К истории создания оптико-электронных систем для повышения безопасности движения поездов [Текст] / Ю.М. Иньков, В.В. Михайлов, И.В. Овчаров // Безопасность движения поездов: труды XIV-ой научно - практич. конф.; МГУ ПС (МИИТ), ОАО «Российские железные дороги», Министерство транспорта Российской Федерации и др.-М.: МИИТ, 24-25. 10. 2013, - С. II - 55 -II -56 (в т. ч. авт. 0,25 п. л.)-ISBN 978-5-78760217-3.

11. Михайлов, В.В. Из истории развития систем передачи изображений подвижного состава [Текст] / В.В. Михайлов //Локомотив - 2013. - №12.-С. 4345 (в т.ч. авт. 0,375 hji.).-ISSN 0869-0147.

г) Свидетельства

12. Косилов, P.A. A.c. с приоритетом на изобретение № 424754 СССР [Текст] / Устройство контроля проследования поезда // P.A. Косилов, В.В. Михайлов. Приоритет от 28.12.1972 г.

13. Косилов, P.A. A.c. с приоритетом на изобретение № 477878 СССР [Текст] / Устройство для считывания информации с транспортного средства // P.A. Косилов, В.В. Михайлов. Приоритет от 28. 12. 1973 г.

14. Михайлов, В.В. Разработка принципиальной электрической схемы цветокорректора для передающей стороны системы передачи сигналов изображений и совершенствование канала цветности приёмников сигналов цветных изображений [Текст] / В.В. Михайлов // Рационализаторское предложение. Удостоверение № 3068 от февраля 1968 г. (в т. ч. авт. 0,125 п.л.).

Михайлов Вячеслав Владимирович

ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ ТЕОРИИ И ТЕХНИКИ ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛОВ ИЗОБРАЖЕНИЙ НА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОМ ТРАНСПОРТЕ С УЧЁТОМ ВКЛАДА УЧЁНЫХ МИИТ

07.00.10 - История науки и техники

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Подписанов печать- Формат60x84/16

Объём 1,5условныхп.л.

Заказ № ¿-£2. В Тираж-80 экз.

УПЦ ГИ МИИТ, Москва, 127994, ул. Образцова, д. 9, стр. 9.