Рассмотрена общенаучная проблема неадекватности математических моделей объектов измерений для двух важных случаев при решении измерительных задач методом совместных измерений и методом косвенного измерения. Обсуждена латентная синонимия терминов измерение и вычисление как первопричина несоответствия названий и определений терминов прямое измерение, косвенное измерение, совокупные измерения и совместные измерения . Представлен аналитический обзор работ, в которых методом совместных измерений решены задачи калибровки шкалы космологических расстояний по данным о фотометрических расстояниях до сверхновых типа SN I a. Для одномерных изотропных моделей типа Фридмана-Робертсона-Уокера 3-го порядка в 1998–1999 гг. из-за ранговых инверсий красного смещения, воспринятых в качестве признаков космического толчка, на основе регрессионного анализа сделан вывод об ускорении расширения Вселенной. По тем же данным о фотометрических расстояниях с учётом прямого восхождения и склонения SN I a для трёхмерной анизотропной модели 2-го порядка на основе схемы перекрёстного наблюдения погрешности неадекватности (метод максимума компактности) в 2016 г. получен более точный результат. При этом установлено, что причинами ранговых инверсий являются не сверхмассивные крупномасштабные неоднородности Вселенной, аттракторы, а гравитационные диполи пары гигантских сверхскоплений галактик и гигантских пустот на противоположных направлениях небесной сферы. В диполях такого рода гравитационное воздействие, которому подвергаются объекты между ними, не уравновешено и проявляется как дополнительная отталкивающая сила со стороны гигантских пустот. Таких диполей обнаружено пять; два из них позже подтверждены независимо. Тем самым более правдоподобной по критерию минимума погрешности неадекватности оказывается гипотеза, альтернативная гипотезе об ускорении расширения Вселенной и утверждающая, что Млечный путь движется к гигантской системе сверхскоплений галактик у северного галактического полюса, оставляя за собой гигантскую систему пустот в созвездиях Эридана, Кита и Водолея у южного галактического полюса.

Параметры вращения Земли определяют связь земной и небесной систем отсчёта. В Российской Федерации задача по определению и прогнозированию параметров вращения Земли возложена на Государственную службу времени, частоты и определения параметров вращения Земли. При прогнозировании параметров вращения Земли особое влияние оказывают такие моды свободного вращения Земли, как чандлеровское движение полюса и свободная нутация ядра. Также эти моды имеют важное теоретическое значение, поскольку их частоты входят в состав передаточной функции принятой теории нутации и прецессии Земли МАС2000. Предварительно обработаны данные измерений движения полюса и смещения небесного полюса, полученные Международной службой вращения Земли и систем отсчёта (International Earth Rotation and Reference Systems Service, IERS). Обработка проведена с целью исключения из указанных данных трендов, а также годового движения полюса (для координат полюса). Построены периодограммы Ломба-Скаргла предварительно обработанных данных измерений. Предложена и обоснована резонансная модель чандлеровского движения полюса на основе решения уравнений свободных колебаний. Для её верификации использовано сравнение двух периодограмм Ломба-Скаргла, одна из которых рассчитана по идеализированной резонансной модели чандлеровского движения полюса, а вторая построена по результатам предварительно обработанных данных измерений. Анализ этих периодограмм позволил уточнить период чандлеровского движения полюса. Получено значение периода чандлеровского движения полюса, равное (432,47±0,03) суток относительно вращающейся Земли. Также совпадение периодограмм Ломба-Скаргла идеализированной модели и модели, построенной по результатам предварительно обработанных данных измерений, подтвердило возможность использования этого же принципа для построения более реалистичной модели. Построена численная реализация более реалистичной резонансной модели чандлеровского движения полюса. Параметры данной модели и результаты сравнения рассчитанного по ней вклада в координаты полюса с предварительно обработанными данными измерений представлены в настоящей статье. Поведение периодограммы Ломба-Скаргла, построенной по предварительно обработанным данным измерений, было объяснено с помощью резонансной модели чандлеровского движения полюса без привлечения дополнительных предположений о частотном расщеплении или медленном изменении резонансных свойств планеты Земля со временем. Построенную (более реалистичную) резонансную модель можно применять для прогнозирования вклада чандлеровского движения полюса в координаты полюса, что приводит к повышению точности прогнозирования и с теоретической точки зрения подтверждает одночастотную структуру свободной нутации ядра, принятую в действующей теории прецессии и нутации. Невозможность применения более реалистичной резонансной модели для прогнозирования вклада свободной нутации ядра в координаты смещения небесного полюса с теоретической точки зрения подтверждает противоречие между принятой в действующей теории прецессии и нутации одночастотной структурой свободной нутации ядра и отсутствием подтверждения этого результатами измерений.

Рассмотрены непараметрические оценки плотности вероятности случайной величины, например, используемые в алгоритмах распознавания образов и автоматической классификации при априорной неопределённости. При малых и ограниченных объёмах выборок значений случайных величин увеличивается дисперсия традиционной непараметрической оценки плотности вероятности. В этих условиях для снижения дисперсии рекомендуется использовать интегральную оценку плотности вероятности. Для оценивания областей компетентностей интегральной оценки плотности вероятности и непараметрической статистики Розенблатта-Парзена сравнены их аппроксимационные свойства. Методика синтеза интегральной оценки плотности вероятности случайной величины основана на сглаживании традиционной ядерной оценки с использованием интегрального оператора. Особенность интегральной оценки плотности вероятности состоит в неявно определённой ядерной функции, вид которой зависит от её коэффициента размытости и параметра сглаживания. При восстановлении плотности вероятности в условиях конкретных статистических данных свойства интегральной оценки плотности вероятности, в отличие от традиционной непараметрической оценки, определяются не только коэффициентом размытости ядерной функции, но и её видом. Для обоснования эффективности интегральной оценки плотности вероятности исследованы условия её асимптотической сходимости, которые сравнены с традиционной ядерной оценкой Розенблатта-Парзена. Установлено, что асимптотические значения среднего квадратического отклонения и дисперсии интегральной оценки плотности вероятности меньше аналогичных значений традиционной непараметрической оценки. Разработана процедура последовательного выбора оптимального коэффициента размытости интегральной оценки плотности вероятности и параметра сглаживания. Предложенную методику синтеза интегральной оценки плотности вероятности случайной величины можно применять в условиях многомерных случайных величин. В данных условиях интегральная оценка плотности вероятности имеет преимущество над традиционной непараметрической статистикой Розенблатта-Парзена. Полученные результаты можно использовать при синтезе алгоритмов распознавания образов и автоматической классификации в условиях ограниченных и малых выборок статистических данных.

Рассмотрены нормирование и коррекция погрешности аналого-цифровых преобразователей с учётом интегральной нелинейности их функции преобразования. Интегральная нелинейность является ключевым параметром, ограничивающим точность и качество аналого-цифрового преобразования в современных приложениях. Линейное нормирование погрешности аналого-цифрового преобразователя, учитывающее только аддитивные и мультипликативные составляющие, оказывается недостаточным для высокоточных систем, где интегральная нелинейность играет значительную роль. В настоящее время отсутствуют общепринятый алгоритм коррекции погрешности интегральной нелинейности аналого-цифровых преобразователей и унифицированная функция преобразования, которая бы включала линейное преобразование как частный случай и одновременно учитывала интегральную нелинейность. Для нормирования и коррекции полосы предельной погрешности аналого-цифровых преобразователей предложено применять проективную модель измерения. Показано, что интегральную нелинейность можно аппроксимировать нелинейностью проективного преобразования. Особенность проективной модели заключается в возможности учёта нелинейностей характеристик преобразования непосредственно в модели, что позволяет избежать их линеаризации или рассмотрения в качестве источников погрешностей. В отличие от формулы нормирования в линейной модели, в формуле нормирования полосы предельной погрешности, соответствующей проективной модели измерения, интегральная нелинейность учтена как отдельное слагаемое, поэтому такая формула нормирования называется расширенной. На примерах характеристик реальных аналого-цифровых преобразователей продемонстрировано преимущество применения проективной модели по сравнению с применением традиционной линейной модели. Проективная модель особенно актуальна при коррекции полосы систематической погрешности измерения на основе обобщённого уравнения проективного измерительного преобразования, которое включает уравнение линейного измерения как частный случай. Полученные результаты полезны метрологам, разработчикам аналого-цифровых преобразователей и измерительных систем.

Для создания и тестирования алгоритмов расчёта геометрических погрешностей контролируемых валов по данным машинного зрения требуются эталонные данные о координатах видимых границ вала на изображении с известными параметрами отклонений формы и расположения шеек валов, формируемые в процессе съёмки. Для решения этой задачи предложен метод имитационного моделирования процесса съёмки вращающегося вала. Разработана математическая модель, учитывающая как идеальную геометрию вала, так и его реальные отклонения (биение, овальность, волнистость, шероховатость), а также погрешности позиционирования вала относительно цифровой видеокамеры, которая преобразует оптическое изображение в массив цифровых данных для последующей обработки. Моделирование включает формирование профиля вала, проекцию трёхмерных координат на двумерное изображение с учётом параметров видеокамеры и определение координат видимых границ вала в процессе его вращения. Проведены вычислительные эксперименты для вала диаметром 10 мм с овальностью 0,1 мм и высотой неровностей профиля по десяти точкам 50 мкм. Проанализировано влияние углов наклона оси вращения вала на изображение его границ. Результаты расчёта координат видимых границ вращающегося вала при имитационном моделировании процесса съёмки показывают, что предложенный метод позволяет генерировать реалистичные данные для тестирования алгоритмов, оценивать влияние различных погрешностей и оптимизировать параметры измерительной системы. Установлено, что имитационное моделирование является эффективным инструментом для отладки и валидации методов бесконтактного контроля геометрии валов. Предложенный метод имитационного моделирования будет полезен разработчикам алгоритмов и методов машинного зрения для бесконтактного контроля геометрии валов при отладке систем технического зрения без необходимости использования физических эталонов, а также специалистам по техническим измерениям и контролю качества в машиностроении, занимающимся автоматизацией контроля геометрии валов (например, в автомобилестроении, станкостроении, авиадвигателестроении).

Эффективная эксплуатация геостационарных космических аппаратов невозможна без высокоточного функционирования бортовых систем угловой ориентации. Основными измерителями параметров угловой ориентации геостационарных космических аппаратов являются солнечные и звёздные датчики, а также магнитометры. Солнечные и звёздные датчики стоят дорого и имеют малый угол обзора, недостаточный для определения угловой ориентации геостационарных космических аппаратов при вращении. Также обработка звёздных измерений требует больших вычислительных затрат. Магнитометры позволяют оценить параметры угловой ориентации геостационарных космических аппаратов даже при высокодинамичном вращении. Однако необходимо устойчиво и с заданной точностью оценивать указанные выше параметры в условиях неизбежных помех, возникающих при измерении магнитного поля (шумов магнитометрических измерений) и вызванных множеством случайных физических факторов. Существуют различные методы и алгоритмы для борьбы с шумами магнитометрических измерений, наиболее эффективным из которых является расширенный фильтр Калмана. Основные недостатки этого метода применимость только для частных случаев углового движения геостационарных космических аппаратов, а также использование упрощённых моделей помех и, как следствие, необходимость дополнительной настройки расширенного фильтра Калмана. Предложен алгоритм двухконтурной фильтрации магнитометрических измерений для оценки параметров угловой ориентации геостационарных космических аппаратов. Данный алгоритм инвариантен к характеру углового движения аппаратов, устойчив и обеспечивает требуемую для бортовых систем ориентации геостационарных космических аппаратов точность оценивания при самых общих предположениях о характере шумов магнитометрических измерений. Алгоритм основан на дополнительном контуре фильтрации, в котором в качестве линейного наблюдателя вектора угловых параметров применён вектор оценок на выходе расширенного фильтра Калмана. Приведены результаты численного эксперимента, иллюстрирующие эффективность предложенного алгоритма.

Волоконно-оптические датчики, основанные на обратном рассеянии Мандельштама-Бриллюэна, представляют собой перспективный класс распределённых оптических датчиков для одновременного мониторинга температуры и деформации оптического волокна вдоль протяжённых объектов инфраструктуры. До настоящего времени ключевые метрологические характеристики таких датчиков анализировали без установления корреляционных связей между ними. Однако при разработке исследуемых датчиков необходим комплексный анализ основных метрологических характеристик, который позволяет более точно прогнозировать реальные метрологические характеристики датчика в условиях одновременного воздействия нескольких факторов. Актуальность комплексного анализа обусловлена необходимостью перехода от оценочных измерений к системному проектированию с целью достижения требуемой точности и стабильности датчика в рабочих условиях. Проведён комплексный анализ таких ключевых метрологических характеристик датчиков, основанных на обратном рассеянии Мандельштама-Бриллюэна, как пространственное разрешение, динамический диапазон, погрешности и скорость измерений. Установлено, что пространственное разрешение исследуемых волоконно-оптических датчиков обусловлено временем релаксации акустических фононов и ограничивается значением около 1 м, однако применение методов дифференциального импульса и синтетического анализа спектра позволяет достичь разрешения 0,1–0,4 м. Проанализирована чувствительность волоконно-оптических датчиков к изменениям температуры и механической деформации. Получены линейные зависимости сдвига частоты Бриллюэна от деформации, однако из-за взаимной чувствительности этих параметров для их разделения использованы гибридные методы. Исследованы методы оптимизации отношения сигнал/шум с использованием волоконных усилителей, одиночно-фотонных детекторов и алгоритмических фильтров. Показано, что применение комбинированного рамановского усиления позволяет расширить дальность измерения температуры и деформации оптического волокна до 120 км при сохранении пространственного разрешения 5 м и температурной погрешности в пределах ±(1–2) °C. Детально исследованы компромиссные соотношения между основными метрологическими характеристиками волоконно-оптических датчиков на основе обратного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна. Данные анализа метрологических характеристик важны для определения приоритетных направлений совершенствования волоконно-оптических датчиков. Полученные результаты имеют практическое значение при проектировании исследованных волоконно-оптических датчиков для структурного мониторинга критически важной инфраструктуры, включая мосты, дамбы, туннели и т. п.

Рассмотрен контроль качества молока и молочной продукции с применением инновационных методов диагностики. Показана актуальность применения для контроля качества молока и молочной продукции методов и средств неразрушающей бесконтактной экспресс-диагностики, например на основе эффекта фотолюминесценции. Подобраны оптимальные режимы работы (оптимальные временны́ е параметры) разработанного ранее авторами настоящей статьи люминесцентного лабораторного стенда для экспрессного определения оптических свойств молока. Стенд позволяет измерять фотолюминесценцию молока в спектральных диапазонах излучения белков, жиров и витаминов при возбуждении их светодиодами с центральной длиной волны излучения 320, 362 и 445 нм соответственно. Люминесценция регистрируется с помощью фотодиодов со спектральными диапазонами 420–675, 440–620, 480–660 нм, которые соответствуют спектральным диапазонам люминесценции молока. Экспериментально определено оптимальное значение длительностей импульсов излучения светодиодов 19 мкс, при котором получены наибольшие фотонапряжения люминесценции. Задержка включения фотодиодов составила около 1 мкс. При усреднении сигнала по 7000 циклам возбуждения и регистрации время измерения составило около 15 с, относительная погрешность не более 3 %. Полученные результаты можно использовать при исследовании интегральных потоков фотолюминесценции молока, построении зависимостей интегральных потоков фотолюминесценции от содержания в молоке белка, жира и других параметров, например водородного показателя pH или загрязнений в молоке, а также при разработке приборов неразрушающего фотолюминесцентного контроля молока, которые можно применять на фермах либо в лабораториях.

Развитие методов лазерной карбонизации полимеров открывает широкие возможности для создания элементов гибкой электроники. Однако пока отсутствуют точные данные о технологических режимах лазерного пиролиза, в частности, не установлена оптимальная температура, невозможно обеспечить высокое качество синтезируемых материалов. Исследована зависимость температуры плёнок полиимида толщиной 100 и 200 мкм в области воздействия лазерного излучения с рабочей длиной волны 1064 нм от параметров лазерных импульсов, а также от режимов сканирования скорости движения луча и плотности заполнения растра. Температура определена бесконтактным методом спектральной пирометрии: тепловые спектры зафиксированы малогабаритным спектрометром HR2000+ (Ocean Optics, США) видимого диапазона 350–760 нм и переданы в компьютер для обработки специализированной программой «Spectral Pyrometry». Методом спектральной пирометрии и методом измерения мощности прошедшего излучения определены коэффициенты пропускания исходных плёнок и плёнок, обработанных методом лазерного сканирования. Установлено, что коэффициент пропускания исходных полиимидных плёнок толщиной 100 и 200 мкм на рабочей длине волны лазера составляет 87,0 и 85,5 % соответственно. Показано, что увеличение плотности заполнения растра повышает температуру полиимида в зоне обработки и уменьшает коэффициент пропускания обработанных плёнок. При лазерной обработке плёнок толщиной 100 и 200 мкм в импульсном режиме с плотностью заполнения растра 20 линий/мм коэффициент пропускания уменьшается до 7,5 и 3,0 % соответственно. Установлено, что вдоль линии лазерного сканирования формируется зона термического влияния, в которой наблюдаются изменения микроструктуры поверхности и оптических свойств полиимида. Ширина зоны зависит от режимов лазерного сканирования. Результаты работы будут полезны при подборе оптимальных режимов лазерного воздействия в задачах контролируемого синтеза углеродных структур, например лазерно-индуцированного графена.

С целью обеззараживания жидких сред применяют различные методы, например, термическое или ультрафиолетовое воздействие, озонирование, хлорирование и др. Однако эти методы зачастую оказываются малоэффективными или существенно энергозатратными. Термообработка с использованием микроволнового излучения имеет определённые преимущества перед указанными выше методами инактивации микрофлоры при соблюдении необходимого термического режима обработки, который позволяет контролировать температурные параметры жидкости. Эффективность действия микроволн определяется не только достижением необходимых температур обрабатываемой жидкости, но и оптимальным распределением температурного поля внутри жидкой среды. Исследованы два режима термообработки в микроволновой установке: стационарный, когда жидкость внутри электродинамической системы неподвижна, и нестационарный (проточный), когда жидкость непрерывно перемещается. Получены три распределения температуры жидкости по длине микроволновой установки: две теоретические зависимости для стационарного и проточного режимов и экспериментальное распределение, измеренное в стационарном режиме. Предложена методика расчёта распределения температуры нагреваемой проточной жидкой среды на основе электродинамической модели микроволновой установки в виде нагруженной длинной линии. В экспериментах по термообработке жидкости применена микроволновая установка типа бегущей волны с поперечным взаимодействием, ранее разработанная авторами для обработки твёрдого материала. Подробно описана практическая реализация измерения температуры жидкости, прошедшей термообработку в микроволновой установке в стационарном режиме, учтены технические ограничения измерения температуры в условиях интенсивного электромагнитного излучения. При сравнении расчётного и измеренного распределений температуры по длине электродинамической системы микроволновой установки расхождение рассчитанных и экспериментальных данных составило не более 7 %. Указано на резкое различие теоретических распределений температуры для двух режимов термообработки жидкой среды, которое необходимо учитывать при решении конкретных задач технологической микроволновой обработки. Полученные результаты представляют практический интерес при разработке устройств для микроволнового обеззараживания жидких сред в пищевой, микробиологической и фармацевтической промышленности, медицинской сфере, а также для обработки сточных вод.

При создании современных устройств пьезо-, акустои оптоэлектроники, работающих в широком диапазоне температур, применяют рабочие элементы из полярных срезов ионных диэлектрических кристаллов полярных и полярно-нейтральных классов. На поверхности полярных срезов наносят токопроводящие покрытия, что приводит к деградации (вплоть до разрушения) кристаллических элементов. Однако природа такой деградации пока не установлена. Теоретически обоснованы механизмы возникновения электродвижущей силы и ионного переноса в системе «ионный диэлектрик металл (токопроводящее покрытие)». Показано, что основным фактором деградации активных элементов является процесс электрохимического разложения полярных срезов при контакте кристалла с металлическим токопроводящим покрытием, обусловленный различием свойств противоположных сторон полярных срезов кристаллов. При контакте поверхности полярных срезов кристаллов даже с одинаковыми токопроводящими покрытиями образуются разные продукты электрохимических реакций или одни и те же продукты разной концентрации. Это приводит к возникновению разности потенциалов и электродвижущей силы, которая индуцирует токи короткого замыкания. Определение токов короткого замыкания и их температурных зависимостей позволяет оценить интенсивность приэлектродных электрохимических процессов: чем меньше сила токов короткого замыкания, тем слабее электрохимические процессы. В данной работе обобщены результаты многолетних исследований токов короткого замыкания в ряде кристаллов, полученные авторами настоящей статьи. Описаны измерения электрических токов модельных кристаллов иодата лития на созданном ранее испытательном комплексе «СКИП» в рамках авторской методики измерений с использованием стандартного образца высокоомного сопротивления (100 МОм). Основной блок комплекса термокамера в виде трубчатой электропечи. Исследованы функциональные кристаллы лангатата с различными токопроводящими покрытиями, выращенные в разных атмосферах. Измерены температурные зависимости токов короткого замыкания полярных срезов данных кристаллов. Обнаружено, что с увеличением температуры в термокамере могут изменяться значение и направление протекания токов короткого замыкания из-за усиления процессов фазообразования, что подтверждается результатами фазового анализа. По результатам измерений токов короткого замыкания, подтверждённых данными фазового анализа, для лангатата наиболее подходящим вариантом токопроводящего покрытия является иридий.