Рассмотрено обеспечение решения задачи автономной навигации подвижных объектов в течение длительного времени. Основная проблема при использовании инерциальных навигационных систем обусловлена накоплением ошибок позиционирования и угловой ориентации. Показано, что данную проблему можно решить путём комплексирования методов нелинейной фильтрации при обработке результатов инерциальных измерений бесплатформенными инерциальными навигационными системами и методов сокращения размерности вектора навигационных параметров на траекторных участках (интервалах), описываемых аналитическими моделями. В качестве таких траекторных участков рассмотрены ортодромические (кратчайшие) и кольцевые интервалы, наиболее характерные для программных траекторий транспортных объектов – автомагистралей, железных дорог, авиалиний и др. Для кольцевых интервалов впервые получены аналитические зависимости пространственных координат бесплатформенных инерциальных навигационных систем. Данные зависимости позволяют сократить размерность вектора навигационных параметров и, как следствие, для построения модели автономного наблюдателя навигационных параметров использовать уравнения, исключённые из общей системы этих параметров. Показано, что с использованием методов стохастической нелинейной фильтрации можно решить задачу помехоустойчивой автономной навигации на траекторных интервалах, описываемых аналитическими моделями. Предложенный подход к решению задачи автономной навигации подвижных объектов позволяет значительно сократить вычислительные затраты при практической реализации алгоритмов нелинейной фильтрации текущих навигационных параметров по сравнению с традиционными моделями бесплатформенных инерциальных навигационных систем. Эффективность предложенного подхода проиллюстрирована численным примером. Полученные результаты полезны при разработке навигационного обеспечения различных транспортных объектов, движущихся по программным траекториям, например, летательных аппаратов разного назначения, железнодорожного, автомобильного, речного транспорта и др.

Рассмотрены вопросы улучшения метрологических характеристик метода фазовой триангуляции для измерений трёхмерной геометрии объектов. Показано, что на стабильность результатов измерений влияет нестационарность внешнего освещения. Предложен метод фильтрации принятых фотоприёмником данных при измерениях методом фазовой триангуляции в условиях нестационарного освещения. В основе метода лежит частотный анализ принятых данных и их фильтрация по критерию амплитуды первой гармоники в частотном разложении сигнала. Предложенный метод в виде алгоритма фильтрации экспериментально апробирован в измерительном комплексе, реализующем метод фазовой триангуляции. Проведено сравнение результатов фильтрации, полученных разработанным методом на основе частотного анализа принятых данных и методом фильтрации на базе анализа амплитудной модуляции интенсивности сигнала, зарегистрированного фотоприёмником. По итогам сравнительного анализа результатов фильтрации двумя методами установлена повышенная (более чем в 8 раз) эффективность предложенного метода фильтрации. Результаты работы полезны при обработке и анализе экспериментальных результатов, а также способствовуют развитию оптических методов измерений трёхмерной геометрии объектов.

Рассмотрено использование цифровой голографии для реконструкции изображений объектов, расположенных в различных сечениях 3D-сцены. Такая реконструкция позволяет исследовать различные материалы, характеризовать микрочастицы в некотором объёме среды, анализировать содержание микропластика в водоёмах. Предложен метод реконструкции изображений объектов с помощью цифровых внеосевых голограмм и генеративно-состязательной нейронной сети. Генеративно-состязательная нейронная сеть служит для восстановления сечений 3D-сцены, в которых расположены внеосевые объекты. Показано, что применение нейронных сетей повышает скорость и качество восстановления, а также уменьшает уровень шума изображения. Предложенный метод апробирован на численно синтезированных и оптически измеренных цифровых голограммах. Данным методом с помощью одной синтезированной голограммы восстановлены восемь сечений 3D-сцены. Получен средний индекс структурного сходства не менее 0,73. Экспериментально зарегистрированы наборы внеосевых цифровых голограмм фазовых объектов, выведенных на пространственно-временные модуляторы света для формирования сечений 3D-сцены. При восстановлении изображений объектов с применением оптически полученных голограмм средний индекс структурного сходства по сечениям сцены составил 0,83. Предложенный метод позволяет качественно восстанавливать изображения объектов и будет полезен при анализе микро- и макрообъектов, в том числе в медико-биологических приложениях и метрологии, при характеризации материалов, поверхностей и объёмных сред.

Рассмотрены модели миниатюрных лидаров упругого рассеяния с подобными оптическими схемами и проанализирована возможность их применения для определения микроструктуры приземного слоя атмосферы. Предложена модель микролидара, основной особенностью которого является малый зондируемый объём атмосферы. Предположено, что на коротких трассах зондирования в предельном случае в малом зондируемом объёме могут отсутствовать частицы. В таком случае минимальному сигналу обратного рассеяния соответствует молекулярное рассеяние, а превышение сигналом данного минимума связано с присутствием частицы. Молекулярная составляющая сигнала обратного рассеяния постоянна и сопоставима с табличным значением коэффициента обратного рассеяния в оптической модели атмосферы. Это позволяет поставить в соответствие среднему значению суммарного (от молекул и частиц) сигнала обратного рассеяния общий коэффициент обратного рассеяния. Рассмотрена модель минилидара, оптическая схема которого подобна схеме микролидара, но в увеличенном масштабе. С помощью минилидара можно определять микроструктуру приземного слоя атмосферы на более длинных трассах, чем при использовании микролидаров. Для обеих подобных схем средние значения сигналов обратного рассеяния атмосферы одинаковы. При использовании минилидара сигнал обратного рассеяния формируется слоем размером от нескольких метров до нескольких десятков метров. При этом зондируемый объём можно определить с помощью перфорированных экранов и отражающих сфер. Показано, что отношение зондируемых объёмов минилидара и микролидара равно коэффициенту подобия в четвёртой степени, что позволяет сопоставлять данные, измеренные указанными лидарами. Эти дополняющие друг друга результаты измерений позволяют ставить в соответствие исследуемой атмосфере модель эквивалентной атмосферы, содержащий монодисперсный аэрозоль. Полученные результаты дают возможность разработать детальную методику определения концентрации эквивалентных частиц в приземном слое атмосферного аэрозоля с помощью микро- и минилидаров.

Рассмотрены особенности измерения и мониторинга влагозапаса в атмосфере радиолокационными методами с привлечением данных стандартных метеорологических и спутниковых наблюдений, методами сверхвысокочастотного зондирования и оптическими спектральными методами. Отмечено, что из перечисленных выше методов наиболее экономически эффективными являются оптические методы (лидарные активные и пассивные спектральные наземные), которые позволяют оперативно с достаточной точностью определять влагозапас в атмосфере в известных линиях поглощения парниковых газов, заменять и дополнять радарные данные. К аппаратуре, реализующей оптические методы, относятся недорогие и доступные на рынке малогабаритные приёмо-передающие объективы, компактные и лёгкие волоконные источники и приёмники излучения, которые удобно использовать при спутниковых измерениях. Предложен и апробирован спектральный метод измерений концентрации паров воды в атмосфере при солнечном излучении. Место выполнения измерений – северо-восток Московской области. При обработке результатов измерений на одиночной линии поглощения воды выявлено совпадение экспериментальных данных и данных прямых метеоизмерений с погрешностью порядка 7,5 %. Установлено, что на линии поглощения воды (примерно 1653 нм) мешающим фактором является расположенная рядом линия поглощения метана, которая вносит систематическую погрешность в результаты измерений. Приведена вероятная причина отклонения результатов от данных метеоизмерений: сечение поглощения молекул метана примерно на четыре порядка больше, чем сечение поглощения молекул водяного пара, и световое излучение поглощается в большей степени метаном, уменьшая долю поглощения паров воды на длине волны, ближайшей к линии поглощения метана. Введены компенсационные поправки, позволяющие определить концентрацию паров воды и влагозапас в столбе воздуха с погрешностью, составляющей единицы процентов на этой длине волны. Предложенный спектральный метод позволяет и проводить долговременный мониторинг концентрации паров воды и влагозапаса в атмосфере, и получать оперативную информацию в реальном масштабе времени. Экспериментальные данные в среднем согласуются с результатами измерений радиометрами, работающими в диапазоне сверхвысоких частот. Полученные результаты полезны при оперативной оценке влагозапаса и концентрации паров воды во всём приземном слое атмосферы на обширных площадях, при калибровке радиометров и радаров, а также позволят повысить точность измерений указанных параметров и прогнозирования таких опасных явлений природы, как ураганы, наводнения, оползни.

Рассмотрено повышение точности измерений температуры с помощью систем мониторинга воздушной среды на различных объектах, например на опасных производствах. Особенность таких систем – большое расстояние между измерительным устройством и датчиками температуры, в качестве которых в системах сбора и контроля параметров среды широко применяются термометры сопротивления. Показано, что основным источником погрешностей измерений температуры при удалённом подключении датчиков является сопротивление соединительных линий, определяемое их длиной. Проанализированы основные методы уменьшения погрешности измерения, вызванной влиянием сопротивления линии подключения датчиков на результаты измерений температуры. Сформулированы преимущества двухпроводных схем в сравнении с трёх- и четырёхпроводными. Описан двухпроводный метод измерения температуры с интегрирующим преобразователем, реализованный на базе устройства со встроенным микроконтроллером и позволяющий сократить время измерения, реализовать отстройку от помех и шумов квантования и, как следствие, уменьшить погрешность измерения температуры по сравнению с аналогичными двухпроводными методами измерения. Предложен альтернативный двухпроводный метод измерения температуры с автоматической подстройкой параметров алгоритма измерения, направленный на повышение точности измерения за счёт ослабления влияния постоянной времени. Найдено оптимальное время первого такта интегрирования. Проведены экспериментальные исследования и оценочные расчёты, подтверждающие эффективность предложенного решения. Коэффициент вариации при изменении сопротивления датчиков температуры в диапазоне 1–4 кОм составляет ±0,06 %, интервал изменения относительной погрешности измерения сопротивления при автоподстройке в пределах указанного диапазона уменьшился более чем в четыре раза. Результаты эксперимента позволяют рассчитывать на возможность применения метода в системах контроля и регулирования с удалённым подключением датчиков температуры.

Описаны актуальные в настоящее время исследования метода получения активированного угля из отходов биомассы с помощью микроволновой карбонизации. По сравнению с традиционной карбонизацией в термопечах микроволновая карбонизация более энергоэффективный и экологически чистый метод, однако пока не обеспечены требуемые воспроизводимость и температурная стабильность данного процесса. При микроволновом облучении температура образцов биомассы непрерывно изменяется, в них происходят сложные физико-химические процессы. Поэтому для определения оптимальных режимов микроволновой обработки необходимо знать температурную динамику образцов биомассы. Предложено определять температурную динамику образцов биомассы методом спектральной пирометрии. Метод основан на выделении участков спектров теплового излучения образцов, совпадающих с функцией Планка с изменяемой температурой, в которых образцы проявляют свойства серых излучателей. Метод эффективен при неизвестном коэффициенте излучения, непрерывно варьирующемся с изменением микроструктуры, химического состава и фазового состояния образца. Облучаемый микроволнами образец представляет собой навеску обработанного ортофосфорной кислотой хлопкового пуха массой 1 г. Источник микроволн – генератор магнетронного типа с максимальной выходной мощностью 600 Вт и рабочей частотой 2450 МГц. Тепловые спектры облучаемого образца зафиксированы малогабаритными спектрометрами видимого (350–760 нм) и ближнего инфракрасного (650–1050 нм) диапазонов. Время облучения образцов микроволнами изменялось в диапазоне 60–180 с. Для обработки полученных спектров использована программа Spectral Pyrometry, которая считывает и обрабатывает зарегистрированный спектр, строит в координатах Планка или Вина и вычисляет температуру. Анализ полученных результатов выявил различные виды спектров теплового излучения облучаемого образца – спектры, подобные спектрам абсолютно чёрного тела, спектры с различными температурными зонами образца, спектры с атомарными линиями и молекулярными полосами. Результаты работы полезны для изучения микроволнового воздействия на различные объекты, исследования процессов, происходящих при карбонизации биомассы, а также для разработки более эффективных режимов получения активированных углей микроволновым методом.

Рассмотрен парк высокоточных средств измерений переменного напряжения – рабочих эталонов 1-го и 2-го разряда в диапазоне частот 0,1–30,0 МГц. Отмечено, что в качестве рабочих эталонов 1-го разряда безальтернативно применяются термоэлектрические преобразователи напряжения, которые разработаны более 30 лет назад, выработали ресурс и не удовлетворяют современным эксплуатационным требованиям. Альтернативой комплектам термоэлектрических преобразователей в диапазоне частот 0,1–30,0 МГц могут быть калибраторы переменного напряжения. Однако в указанном диапазоне частот отсутствуют калибраторы переменного напряжения – рабочие эталоны 1-го разряда. Для работы в диапазонах частот 0,1–30,0 МГц и напряжений 1·10^–3–10 В разработан калибратор напряжения переменного тока высокочастотный Н5-10 с характеристиками, которые превышают требования к характеристикам рабочих эталонов 1-го разряда. Описаны принцип построения, характеристики и эксплуатационные возможности калибратора Н5-10. При построении калибратора использован метод уравнивания амплитуды высокочастотного напряжения с известной амплитудой низкочастотного синусоидального напряжения путём амплитудного детектирования. Высокочастотное синусоидальное напряжение в калибраторе формируется синтезатором частоты методом прямого цифрового синтеза и системой полосовых фильтров. Точность и стабильность амплитуды высокочастотного напряжения на выходе калибратора поддерживаются системой автоматического регулирования, основанной на принципе взаимообратных преобразований с применением двухдиодной интегральной сборки идентичных диодов Шоттки. Низкочастотное стабильное напряжение для опорного входа системы автоматического регулирования формируется низкочастотным калибратором с частотой 10 кГц. Данный калибратор формирует переменное напряжение в диапазоне 0,1–10,0 В с коэффициентом гармоник менее 0,01 % и дискретностью перестройки амплитуды 0,001 %. Низкочастотный калибратор построен на множительных цифроаналоговых преобразователях методом цифрового синтеза синусоидального напряжения стабильной меры постоянного напряжения 2,5 В. Номинальные выходные напряжения калибратора Н5-10 в диапазоне 0,1–10,0 В воспроизводятся системой автоматического регулирования, а в диапазоне 1–100 мВ – масштабированием с использованием делителя напряжения. Основными областями применения разработанного калибратора Н5-10 являются поверка и калибровка электронных вольтметров, калибраторов напряжения, мультиметров и измерительных преобразователей напряжения, используемых в качестве рабочих эталонов нижестоящих разрядов.

Рассмотрены вопросы метрологического обеспечения измерений, выполняемых при использовании сквозных технологий, а именно формирование метрологической инфраструктуры, соответствующей потребностям технологий шестого технологического уклада. В результате исследования предложены механизмы определения направлений развития метрологической инфраструктуры для внедрения и использования инновационных технологий, определяющих будущее экономики Российской Федерации. Отмечено, что понятие сквозных технологий в официальных документах появилось в Российской Федерации в 2017 г., однако тематика инфраструктурного обеспечения сквозных технологий не нашла широкого обсуждения. Этот факт, а также важность своевременного и эффективного инфраструктурного обеспечения новой технологической политики Российской Федерации, стали одной из причин выполнения исследования. Обсуждены следующие вопросы: повышение значения сквозных технологий в развитии экономики Российской Федерации; использование закономерностей развития метрологической инфраструктуры для своевременной модернизации эталонной базы системы обеспечения единства измерений, отвечающей требованиям инновационных технологий шестого технологического уклада; направления развития метрологической инфраструктуры с учётом измерительных потребностей сквозных технологий. Приведены положительные результаты проверки выявленных в 2019 г. автором данной статьи закономерностей развития эталонной базы системы обеспечения единства измерений и показаны направления применения этих закономерностей для метрологического обеспечения измерений сквозных технологий. В результате обработки официальных статистических данных в области метрологии за период 2005–2023 гг. (период зарождения шестого технологического уклада) с учётом закономерностей развития четвёртого и пятого технологических укладов, обоснована важность метрологического обеспечения измерений, выполняемых при использовании сквозных технологий. Анализ развития важнейших составляющих метрологической инфраструктуры в рамках технологических укладов позволил выявить основные направления развития эталонной базы, базы измерительной техники, а также организаций, учреждений и предприятий. Обоснована целесообразность использования в качестве механизма определения направлений развития эталонной базы, необходимой для метрологического обеспечения измерений сквозных технологий, закономерностей развития метрологической инфраструктуры в рамках технологических укладов. Результаты выполненных исследований можно использовать при формировании очередной Стратегии обеспечения единства измерений на период, совпадающий с началом доминирования шестого технологического уклада, при подготовке кадров в области метрологии, которым предстоит работать в условиях нового шестого технологического уклада, и на предприятиях, осваивающих инновационную продукцию с применением сквозных технологий.