Введение к работе
Актуальность темы: расширяющийся круг военных и гражданских задач, при решении которых используются инфракрасные (тепловизионные и теп-лопеленгационные) системы, успехи полупроводниковой техники привели к качественному скачку, результатом которого стало появление в последние 5 - 10 лет инфракрасных систем (ИКС), имеющих значительно более высокие, по сравнению с ранее разработанными, характеристики по температурной чувствительности и пространственному разрешению, являющиеся основными для ИКС.
Испытания и контроль качества ИКС в процессе разработки, производства и эксплуатации проводятся с помощью приборов контроля (ПК) ИКС, состоящих из оптической и электронной частей и формирующих оптический инфракрасный сигнал с нормированными пространственными размерами и величинами разности радиационных температур (ДГЛ,).
На большинстве отечественных предприятий, занимающихся разработкой и производством ИКС, наблюдается острая нехватка ПК, обеспечивающих необходимую для контроля современных ИКС точность воспроизведения и поддержания ДГ„, что приводит к значительному риску заказчика получить ИКС, не соответствующие их паспортным данным, к потере ценной информации или к неоднозначности ее идентификации.
Для создания современных ПК необходимо наряду с качественной оптической частью (формирующей с помощью входящих в ее состав дифференциального излучателя и объектива коллимированный контрастный поток инфракрасного излучения) иметь высокоточные электронные устройства управления (ЭУУ), поддерживающие заданный уровень Д7^„ между фоновым излучателем (фоном) и мирой (тест-объектом) дифференциального излучателя. Наличие достаточно универсальных ЭУУ позволяет создавать не только различные модификации новых ПК, но и дает возможность переоснащать (заменой устаревших электронных систем управления на современные) большое количество приборов, разработанных и изготовленных в 1980-х - 1990-х годах с качественной оптической частью и, при сравнительно малых материальных затратах, получать высокоточные ПК.
Данная работа посвящена вопросам исследования путей и разработки новых технических решений, позволяющих повысить точность ПК ИКС за счет усовершенствования их ЭУУ.
Цель работы - повышение качества и достоверности измерения и контроля характеристик инфракрасных систем в процессе их разработки, производства и эксплуатации за счет создания высокоточных приборов контроля.
Научная задача диссертации (задача научного исследования) - разработка приборов и средств повышения точности контроля инфракрасных систем, решаемая последовательно в следующих направлениях:
Анализ характеристик существующих зарубежных и отечественных приборов контроля и формирование на основе анализа общих требований к ним в части электронных устройств управления.
Анализ факторов, влияющих на величину разности радиационных температур на оптическом выходе приборов контроля (АГд,), и разработка метода стабилизации ДГ„.
Определение требуемых характеристик функциональных элементов электронных устройств управления с точки зрения их устойчивости и точности поддержания ДГ,,.
Разработка алгоритмов работы электронных устройств управления в режиме поддержания постоянного значения АТЛ1 (статическом) и в режиме автоматического изменения АГ„ по заданному оператором закону (динамическом), обеспечивающих требуемую точность и оперативность работы приборов контроля.
Разработка на основе предложенного метода стабилизации ДГ„ и алгоритмов работы серии новых электронных устройств управления, их испытание и внедрение в практику.
Объект исследования: приборы контроля инфракрасных систем.
Предмет исследования: разность радиационных температур на оптическом выходе ПК, поддержание ее заданного уровня в условиях воздействия дестабилизирующих факторов.
Методы исследования: при решении научной задачи диссертации использовались методы имитационного моделирования, теории управления и устойчивости, теории измерений, статистического анализа, методы экспериментальных исследований и испытаний.
Научная новизна работы:
Впервые разработан метод поддержания заданной величины АТ„ при работе в широком диапазоне температур окружающей среды,, а также при непрерывной работе в течение длительного времени, основанный на автоматическом изменении разности термодинамических температур фонового излучателя и миры (Д7) (в соответствии с данными индивидуальной калибровки ПК), компенсирующем влияние на АТМ возникающих при работе в указанных условиях дестабилизирующих факторов.
Разработаны блок-схема и созданная на ее основе имитационная модель ЭУУ, позволяющие с учетом характеристик фонового излучателя и зависимости точностных характеристик используемого в ЭУУ сигма-дельта аналого-цифрового преобразователя (АЦП) от частоты его опроса определять значения параметров и режимы работы отдельных звеньев ЭУУ, обеспечивающие требуемую устойчивость устройства и точность поддержания Д7„.
Разработаны алгоритмы работы ЭУУ в статическом и динамическом режимах, обеспечивающие требуемую точность измерений и оперативность работы ПК.
Практическая ценность работы: разработанные методы и средства
позволили в 8 раз повысить точность поддержания А7]„, обеспечили работу созданных ПК в широком диапазоне температур окружающей среды (от минус 40 С до + 50 С) в течение длительного времени непрерывной работы, позволили сократить временные и материальные затраты при проведении испытаний ИКС за счет автоматизации процессов измерений, обработки и хранения результатов измерений. Разработанные ЭУУ позволяют создавать новые конкурентно способные ПК и проводить модернизацию существующих.
Достоверность полученных результатов подтверждается совпадением результатов имитационного моделирования с результатами экспериментальных исследований созданных вариантов ПК, а также опытом применения разработанных ПК на предприятиях отрасли и в зарубежных организациях.
Реализация результатов:
результаты исследований использованы в ФГУП "НПО ГИПО" при создании высокоточных ПК типа НСИ-К, НСИ-КМ, НСИ-КМУ, Измеритель-ЗЦ, Орхон-М, ВЭ-1227М, "Зерноград", внедренных на предприятиях отрасли (ГУП "КБП" г. Тула, ФГУП ПО "УОМЗ" г. Екатеринбург, ФГУП "ЦКБ "Точприбор" г. Новосибирск, ФГУП 3 ЦНИИ МО РФ г. Москва, ФГУ 32 ГНИИИ г. Мытищи) и в зарубежных организациях ("Промышленный центр оптики", Республика Польша, г. Варшава, Кунминьский институт физики, Китайская народная республика, г. Кунминь);
разработанный метод использован в серийно выпускаемых образцах контрольно-проверочной аппаратуры (КПА) 9В679, 9В679М1, 9В679-3, 9В9001, 9В9001-01, предназначенных для контроля работоспособности ИКС в процессе эксплуатации в составе отечественных противотанковых ракетных комплексов, в модернизированной КПА 9В679.
Положения, выносимые на защиту:
Метод поддержания заданной величины разности радиационных температур на оптическом выходе ПК ИКС в широком диапазоне температур окружающей среды и в течение длительного времени непрерывной работы ПК.
Блок-схема, имитационная модель ЭУУ и методика выбора требуемых характеристик составных частей устройства.
Алгоритмы работы ЭУУ в статическом и динамическом режимах, обеспечивающие требуемую точность измерений и оперативность работы.
Разработанная на основе предложенного метода серия ЭУУ, использованная при создании новых и модернизации существующих ПК ИКС.
Апробация работы. Основное содержание диссертации докладывалось на XVIII, XIX и XX Всероссийских межвузовских научно-технических конференциях "Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий" (г. Казань, 2006, 2007, 2008 гг.), на отраслевых конференциях и семинарах ФГУП "НПО ГИПО".
ПК, выполненные с использованием результатов данной работы, и рекламные материалы по ним неоднократно демонстрировались на
международных выставках вооружений и военной техники и технологий двойного назначения IDEX 2001 (2001 г.), ЮЕХ 2003 (2003 г.) г. Абу-Даби, Объединенные Арабские Эмираты; МАКС 2003 (2003 г.), МАКС 2005 (2005 г.), г. Жуковский, Россия; IDELF-2004 (2004 г.) г. Москва, Россия; MSPO 95, г. Кельце, Республика Польша; VTTV 99, г. Омск, Россия; DSA 2002 (2002 г.), г. Куала-Лумпур, Малайзия; IDEF 99 (1999 г.), г. Анкара, Турция; IDET 99 (1999 г.), г. Брно, Чехия и многих других.
Публикации
Основные результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 3 научных статьях (из них 2 статьи в издании из списка ВАК РФ), 3 тезисах докладов, 2 свидетельствах на изобретение, 3 патентах на изобретение, 1 свидетельстве на полезную модель, 3 патентах на полезную модель.
Личный вклад
Настоящая диссертация представляет собой обобщение многолетних исследований автора в области создания ЭУУ приборов контроля ИКС. Автор являлся идеологом данного направления, заместителем Главного конструктора приборных комплексов в части ПК, принимал непосредственное участие в разработке, изготовлении и внедрении ПК на предприятиях отрасли и в зарубежных организациях. Автором на основании теоретических и экспериментальных исследований самостоятельно получены математические выражения зависимости АТМ от различных факторов, разработан метод повышения точности поддержания АТМ. Также самостоятельно автором разработаны блок-схемы и принципиальные схемы наиболее важных блоков всех представленных в диссертации ЭУУ, алгоритмы их работы.
Структура и объем работы
