Аппаратно-методический комплекс метрологического обеспечения средств измерений и контроля параметров тепловизионных приборов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, доктор технических наук Курт, Виктор Иванович

• Курт, Виктор Иванович
• доктор технических наук
• 2007

Оглавление диссертации доктор технических наук Курт, Виктор Иванович

Перечень сокращений, условных обозначений, символов и терминов

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 Критерии качества ТВП и анализ номенклатуры измеряемых параметров тепловизионных систем

1.1 Тепловизионные системы

1.2 Критерии качества тепловизионных систем

1.3 Средства и методы определения параметров ТВП

1.4 Выводы главе

ГЛАВА 2 Воспроизведение величин "Разность энергетических яркостей" и "Разность радиационных температур"

2.1 Расчет величин разности энергетических яркостей и разности радиационных температур на выходе обобщенной оптической системы

2.2 Методика калибровки измерительных стендов и КПА в величинах разности энергетических яркостей и разности радиационных температур

2.3 Схемные решения систем для воспроизведения величин "Разность энергетических яркостей" и "Разность радиационных температур"

2.4 Выводы к главе

ГЛАВА 3 Оптические способы изменения величин РЭЯ и РРТ

3.1 Варианты оптических систем для воспроизведения величин РРТ и РЭЯ

3.1.1 Оптическая система с дискретными ослабителями

3.1.2 Оптическая система с плавными ослабителями

3.2 Анализ возможных погрешностей воспроизведения величин РРТ оптической системой с плавными ослабителями

3.3 Особенности рассмотренных оптических систем

3.4 Аналитические выражения для измерительного стенда с компенсацией поляризации излучения

3.5 Выбор материалов оптических ослабителей и покрытий оптических элементов

3.6 Экспериментальные исследования

3.6.1 Макет установки для экспериментальных исследований оптической системы УВТ 104 3.6.2. Измерение коэффициента пропускания плоскопараллельных пластин в зависимости от изменения угла падения излучения

3.6.3 Измерение величин разности радиационных температур

3.6.4 Анализ результатов экспериментальных исследований

3.7 Выводы к главе

ГЛАВА 4. Исследование и разработка высокоточных средств передачи величин РРТ и РЭЯ

4.1 Анализ существующих средств измерения величин РРТ и РЭЯ

4.2 Конструкция сканирующего радиометра

4.2.1 Обоснование принятого варианта построения сканирующего радиометра

4.2.2 Описание конструкции сканирующего радиометра

4.2.3 Обоснование выбора материала покрытия оптических элементов сканирующего радиометра

4.2.4 Расчет основных технических характеристик измерительного канала сканирующего радиометра

4.3 Результаты экспериментальных исследований макетов ФПУ

4.4 Выводы к главе

ГЛАВА 5 Разработка высокоточного средства для воспроизведения и передачи величин "Разность энергетических яркостей" и "Разность радиационных температур"

5.1 Обоснование выбора составных частей высокоточного средства для воспроизведения и передачи величин РРТ и РЭЯ

5.1.1 Двухканальный осветитель

5.1.2 Источники излучения двухканального осветителя

5.1.2.1 Источник излучения на основе точки плавления галлия

5.1.2.2 Источник излучения с переменной температурой

5.1.3 Коллиматор

5.1.4 Нуль-компаратор

5.1.5 Спектральный модуль

5.2 Варианты режимов воспроизведения и передачи величин РЭЯ и РРТ

5.2.1 Два источника излучения на основе точки плавления галлия

5.2.2 Источник излучения с переменной температурой

5.2.3 Один источник излучения на основе точки плавления галлия совместно с источником излучения с переменной температурой

5.3 Анализ погрешности воспроизведения величин РЭЯ и РРТ

5.4 Выводы к главе

ГЛАВА 6. Поверочная схема для средств воспроизведения, хранения и передачи величин "Разность энергетических яркостей" и "Разность радиационных температур"

6.1 Нормативная документация по метрологическому обеспечению ТВП

6.2 Схемы метрологического обеспечения ТВП

6.2.1 Эталонная база системы метрологического обеспечения производства и эксплуатации оптикоэлектронных приборов

6.2.2 Общая схема метрологического обеспечения ТВП

6.2.3 Схема метрологического обеспечения ТВП ФГУП НПО ГИПО

6.3 Проект поверочной схемы для средств измерений величин РРТ и РЭЯ.

6.3.1 Средства измерений по этапам военной поверочной схемы

6.3.2 Расчет погрешности по этапам военной поверочной схемы

6.3.3 Расчет погрешности воспроизведения и передачи величин РРТ и РЭЯ исходным эталоном

6.3.4 Расчет погрешности воспроизведения и передачи величин РРТ и РЭЯ эталоном-переносчиком

6.3.5 Расчет погрешности воспроизведения и передачи величин РРТ и РЭЯ рабочими эталонами и высокоточными рабочими средствами измерений

6.3.6 Расчет погрешности воспроизведения и передачи величин

РРТ и РЭЯ рабочими средствами измерений

6.4 Выводы к главе 6 243 Заключение 245 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 248 I ИЗЛОЖЕНИЕ 1 261 1 ПРИЛОЖЕНИЕ 2 263 ПРИЛОЖЕНИЕ

Перечень сокращений, условных обозначений, символов и терминов

ОЭС - оптико-электронные системы

ТВП - тепловизионный прибор

В - вооружение

ВТ - военная техника

РЭЯ - разность энергетических яркостей

РРТ - разность радиационных температур

ИК- инфракрасные

Q - энергия излучения

Ф - поток излучения с\ = 3,7413-10"16 Вт-м2- первая константа излучения сг = (1,43880±0,00007) -10"2 м-К - вторая константа излучения с - скорость света в вакууме к= (1,38054+ 0,00018) -10"23 Дж/К - постоянная Стефана-Больцмана

Le - энергетическая яркость, Вт/(ср-м ) Т- термодинамическая температура, К а = (5,67032±0,00071 )• 10"8 Вт/(м2-К4) - постоянная Стефана-Больцмана

ЛТМ - разность радиационных температур, К

ALe - разность энергетических яркостей, Вт/(ср-м2)

ФПУ - фотоприемное устройство

ГГГРК - противотанковый ракетный комплекс

МКС - микрокриогенная система

ФП - фотоприемник

КРТ - кадмий-ртуть-теллур

МПИ - многоэлементный приемник излучения

К - комплексный критерий качества

Л Тобн - обнаруживаемая разность температур (температурная чувствительность), К

ТПХ - температурно-пространственная характеристика

ЛТраз — разрешаемая разность температур (температурное разрешение), К

ТЧХ — температурно-частотная характеристика

А Т0- разность температур эквивалентная шуму, К

ЛТпр - предел температурного разрешения, К

АТнор— нормированное температурное разрешение, К

Лср- угловое разрешение, мрад

Л<р0 - рабочее угловое разрешение, мрад

S - эффективное значение элементарного поля зрения, мрад

Г- видимое увеличение TBC

АХ - спектральный рабочий диапазон, мкм

2ßc *2ßK - поле обзора TBC, град

F— частота кадров, Гц

ЫТвро - разность температур, эквивалентная временному шуму, К

ЬТпро— разность температур, эквивалентная пространственному шуму, К

ФПМ - функция передачи модуляции а - параметр аппроксимации, рад

Дфжв - угловое разрешение по Шаде, мрад v„p - предельная разрешаемая частота, мрад'

Р - доверительная вероятность

D - дальность вскрытия h - эквивалентный размер объекта, мм v - угловая частота разрешаемой эквивалентной миры, мрад'1 N - число периодов разрешаемой эквивалентной миры, укладывающихся в эквивалентный размер объекта

Т^ - постоянная времени глаза, с та - коэффициент пропускания атмосферы в спектральном диапазоне ДА, на дистанции О - фокусное расстояние, мм е- коэффициент излучения - среднее число объектов, вскрытых за заданное время I Ц - среднее время поиска объекта в поле обзора, с А - разрешение на местности, мрад СКО — среднеквадратическое отклонение А%с - угловая ширина разрешения по строке, мрад А£к - угловая ширина разрешения по кадру, мрад КПА - контрольно-поверочная аппаратура РТ - радиационная температура ЭЯ - энергетическая яркость СИ - средства измерений МЧТ - излучатель типа «модель черного тела» АЧТ - абсолютно-черное тело г - коэффициент пропускания р - коэффициент отражения а - коэффициент поглощения, мм"1 Та - температура окружающей среды, К

-коэффициент яркости излучающей поверхности у - номер оптического элемента х2 - коэффициент пропускания оптических элементов и та - коэффициент пропускания атмосферы

- общий коэффициент пропускания оптической системы и атмосферы Ту - коэффициент пропускания дополнительного ослабителя АЦП - аналоговый цифровой преобразователь АХ]о — разность сигналов между опорными излучателями, В

ЛиТ/о - разность сигналов между элементами тест-объекта, В ЬЛ - спектральная плотность яркости МЧТ при температуре Тг< Вт/(ср-м ) - относительная спектральная чувствительность приемника излучения;

МИП - мира излучающе - пропускающая МПО - мира пропускающе - отражающая МИО - мира излучающе-отражающая МПЗО - мира профильная зеркально-отражающая п - показатель преломления к - показатель поглощения <р - угол падения потока излучения ^-поглощение в массе материала пластины ослабителя в зависимости от угла падения излучения р{ср) - степень поляризации излучения

ФООИ - «френелевский» оптический ослабитель излучения

ВМЧТ - высокотемпературная модель черного тела

ОЭИП - оптико-электронный измерительный преобразователь

КАР - криогенный абсолютный радиометр

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Аппаратно-методический комплекс метрологического обеспечения средств измерений и контроля параметров тепловизионных приборов»

В последние годы разрабатываются новые образцы тепловизионных приборов (ТВП), с помощью которых эффективно решаются многочисленные задачи обороны и безопасности страны, медицины, экологии, охраны окружающей среды и контроля характеристик экосистемы, предотвращения аварийных ситуаций на продукто- и энергопроводах, а также в других областях науки и техники. Потребность в них постоянно возрастает и, прежде всего, в связи с универсальностью их применения, отсутствием воздействия на исследуемые объекты, высокой информативностью, способностью работать при неблагоприятных метеоусловиях и в любое время суток. Расширение сферы применения ТВП требует наличия в стране развитой системы метрологического обеспечения ТВП.

Чувствительность и пространственное разрешение сканирующих и матричных тепловизионных систем постоянно возрастает. Соответственно, возрастают требования к аппаратуре измерения и контроля параметров ТВП по погрешности и динамическому диапазону воспроизводимых единиц физических величин.

Анализ состояния метрологического обеспечения производства, испытаний и эксплуатации ТВП показал [1], что в отрасли:

- отсутствуют унифицированные, аттестованные в соответствии с метрологическими правилами и нормами, средства и методы проведения калибровки и поверки средств измерений, испытаний и контроля ТВП (измерительные стенды, технологические инфракрасные (ИК) коллиматоры, контрольно-проверочная аппаратура (КПА));

- обязательная метрологическая процедура - «круговое сличение»,- обеспечивающая эффективный контроль «отраслевой трубки точности» и сведение градуировочных характеристик дифференциальных средств измерений до «допустимого разброса результатов измерений», проводится только в рамках отдельных предприятий, что приводит, например, к различным результатам измерения температурно-частотной характеристики одного и того же ТВП на стендах разных предприятий;

- действующие в отрасли государственные стандарты [2-4], регламентирующие систему обеспечения единства и точности измерений абсолютных величин спектрального, спектрозонального и интегрального оптического излучения, не обеспечивают требуемой точности градуировки различной по назначению инфракрасной измерительной аппаратуры.

Вследствие этого каждое предприятие вынуждено самостоятельно разрабатывать средства измерения и контроля параметров ТВП, что, при отсутствии единых подходов к созданию аппаратных средств и единой методологии определения параметров, приводит к высокой вероятности принятия ошибочного решения по результатам измерений, выполненных при помощи ТВП.

Повышение эффективности систем и комплексов, в состав которых входят тепловизионные приборы, связано, в первую очередь, с обеспечением единства, требуемой точности и достоверности измерения характеристик ТВП, что возможно только при наличии развитой структуры метрологического обеспечения.

Важнейшей задачей при испытаниях и эксплуатации тепловизионных приборов различного назначения является определение и периодическое подтверждение их технических характеристик при помощи специальных измерительных стендов и контрольно-проверочной аппаратуры.

Разработка средств измерений и контроля, а также нормативной документации, регламентирующей применение соответствующих технических средств, правил и норм для достижения требуемой точности и достоверности измерений, в оптическом приборостроении всегда считалась одним из приоритетных направлений.

С расширением номенклатуры разрабатываемых тепловизионных приборов и началом их серийного производства, наметился разрыв между темпами конструктивного совершенствования ТВП и темпами разработки средств измерений их характеристик, нормативной документации и эталонной базы.

Приведение в соответствие сложившейся ситуации требует освоения новых оптических технологий, разработки высокоточных источников излучения на основе фазовых переходов химически чистых веществ и эвтектических сплавов, применения современной элементной базы, а также цифровых способов обработки сигналов на базе современных вычислительных систем.

Актуальность создания аппаратно-методического комплекса метрологического обеспечения средств измерения и контроля параметров тепловизи-онных приборов обусловлена следующими причинами:

- непрерывным повышением температурного и пространственного разрешения современных и перспективных тепловизионных приборов;

- совершенствованием существующих и созданием принципиально новых измерительных средств для оценки характеристик ТВП;

- необходимостью разработки единых, аттестованных в соответствии с метрологическими правилами и нормами, средств и методов проведения калибровки и поверки средств измерений и контроля параметров ТВП;

- необходимостью разработки системы обеспечения единства и требуемой точности воспроизведения и передачи дифференциальных величин спек-трозонального и интегрального оптического излучения.

В национальных метрологических центрах NIST (USA), РТВ (Germany), NPL (Great Britain) проводятся исследования с целью разработки высокоточных средств калибровки ОЭС по спектроэнергетическим и температурно-частотным характеристикам. Приоритетное направление исследований - создание национальных эталонов величин разности энергетических яркостей (РЭЯ) и разности радиационных температур (РРТ). Проявляют большой интерес к эталонам и измерительным стендам, воспроизводящим нормированные значения величин РРТ и РЭЯ, специалисты Китая. MST с 1985г., в соответствии с выводом независимых экспертов - "Имеется национальная необходимость в калибровочной и научной активности в области ИК-радиометрии", проводит комплексные исследования по метрологическому обеспечению ИК-техники. Финансирование работ осуществляет Министерство обороны США [5].

Американские компании: "SBIR" (Santa Barbara Infrared, Inc.), "Vega International, Inc.", "Electro Optical Industries, Inc.", "Infrared Sistems Development", "CI Systems Inc." разработали и предлагают на международном рынке значительную номенклатуру специализированных средств калибровки и испытаний тепловизионной, радиометрической и пирометрической аппаратуры.

Доступность приобретения импортной измерительной техники при отсутствии в стране развитой метрологической системы может оказать негативное влияние на развитие отечественной науки и производства, тем более при использовании метрологически необеспеченных импортных средств измерений и контроля для решения задач в сфере обороны и безопасности государства.

Целью настоящей работы является исследование, разработка и создание комплекса средств и методов воспроизведения и передачи величин РРТ и РЭЯ для решения актуальной научно-технической проблемы - создания единой отраслевой системы метрологического обеспечения измерений и контроля характеристик современных и перспективных тепловизионных приборов.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующего ряда научно-технических задач:

- на основании анализа номенклатуры измеряемых характеристик тепловизионных приборов определить оптимальный состав и требования по диапазону и необходимой точности воспроизведения основных нормируемых энергетических и пространственных характеристик измерительных стендов и контрольно-проверочной аппаратуры ТВП;

- исследовать существующие методы калибровки средств измерений и контроля параметров ТВП и разработать аппаратные средства и методику калибровки, обеспечивающие измерение характеристик измерительных либровки, обеспечивающие измерение характеристик измерительных стендов и КПА ТВП с высоким температурным и пространственным разрешением;

- провести анализ существующих средств измерения и контроля характеристик ТВП и определить перспективные направления развития и совершенствования средств воспроизведения и передачи величин РРТ;

- провести теоретические и экспериментальные исследования способов изменения значений величин РЭЯ и РРТ с требуемой точностью и разработать предложения по их реализации;

- разработать высокоточные средства воспроизведения и передачи величин РРТ и РЭЯ и оценить возможность их применения в метрологических центрах и на предприятиях отрасли в ранге эталонных средств;

- разработать проект отраслевой поверочной схемы для средств воспроизведения, хранения и передачи величин РРТ и РЭЯ, определяющей порядок и методы передачи указанных величин измерительным стендам и КПА ТВП.

Научная новизна исследований и полученных результатов заключается в том, что при решении поставленных задач и цели создания аппаратно-методического комплекса метрологического обеспечения средств измерения и контроля параметров тепловизионных приборов впервые:

- разработана система метрологического обеспечения средств измерения и контроля характеристик современных и перспективных ТВП, обеспечивающая единый подход к созданию аппаратных средств воспроизведения и передачи величин РРТ и РЭЯ и единую методологию определения их характеристик.

- получены теоретически обоснованные и экспериментально подтвержденные аналитические выражения для расчета величин РРТ и РЭЯ, воспроизводимых оптическими системами с профильной зеркально-отражающей ми-рой и с дискретными и плавными ослабителями излучения;

- теоретически и экспериментально подтверждена возможность изготовления измерительного стенда, обеспечивающего с высокой точностью измерение и контроль характеристик современных и перспективных тепловизионных приборов.

Практическая значимость работы:

- обоснованы ограничения применения измерительных стендов и контрольно-проверочной аппаратуры ТВП по диапазону воспроизводимых значений величин РРТ в зависимости от конструктивного исполнения применяемых в них тест-объектов и дифференциального источника ИК-излучения в целом;

- разработан, исследован и введен в эксплуатацию стационарный радиометр-компаратор для измерения величин РРТ и РЭЯ, воспроизводимых измерительными стендами, отличающийся от имеющихся аналогов оптической схемой, позволяющей получить более качественное изображение исследуемого тест-объекта, принципом визирования исследуемого тест-объекта, позволяющим осуществлять запись всех элементов тест-объекта, включая зону миры вне штрихов и высокой точностью измерения указанных величин;

- состав и конструкция разработанного сканирующего радиометра, обеспечивающего измерение величин РРТ в диапазоне (погрешность) от 20 мК (25%) до 20 К (5%) и РЭЯ от 0,04 Вт/(ср-м2) (25%) до 40 Вт/(ср-м2) в спектральных диапазонах от 3 до 5 мкм и от 8 до 12 мкм, приняты для производства сканирующего радиометра в качестве эталона-переносчика величин РРТ и РЭЯ.

- разработанные состав и конструкция экспериментального образца высокоточного измерительного стенда приняты для производства в качестве экспериментального образца вторичного эталона величин РРТ и РЭЯ в диапазоне (неопределенность) от 5,0 (1,0) мК до 70 (0,5) К и РЭЯ в диапазоне от 10,0 (2,0) мВт/(ср-м2 до 190 (1,9) Вт/(ср-м2).

- на основе экспериментального образца вторичного эталона и эталона-переносчика разработан проект ведомственной поверочной схемы средств измерений величин РРТ и РЭЯ, определяющей порядок и методы передачи указанных величин рабочим средствам измерений.

- измерительные комплексы "НСИ-К", "НСИ-КМ", НСИ-КМУ", "Измери-тель-ЗЦ", "Орхон" и контрольно-проверочная; аппаратура 9В974, 9В679, 9В9001 и их модификации, прошедшие калибровку разработанными аппарат-но-методическими средствами внедрены (Приложение 1):

- в ФГУП НПО ГИПО в обеспечение поставок Инозаказчику изделий 1ПН79, 1ПН86ВИ, ТПВК-24Н и их модификаций (1997 - 2006 г.г.);

- в ГУП "КБП", г. Тула в обеспечение совместных работ, проводимых для Инозаказчиков (2002-2006г.г.);

- в ГУП ПО "НПЗ", г. Новосибирск, при разработках и серийном выпуске тепловизионных приборов различного назначения (2005-2006 г.г.);

- в ФГУП ПО "УОМЗ" для обеспечения разработок и серийного производства тепловизионных каналов II поколения различного назначения (2002 -2003 г.г.);

- в "Промышленном центре оптики", Республика Польша, г. Варшава, при проведении совместных разработок в рамках военно-технического сотрудничества (ВТС) в обеспечение серийного выпуска тепловизионного канала для систем управления огнем танка Т-72 (1996-1997 г.г.);

- в Куньминском институте физики, Китайская народная республика, г. Кун-минь, при проведении совместных работ в рамках ВТС в обеспечение разработок тепловизионных приборов различного назначения (1997-1998 г.г.);

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на:

- 5-ой Всесоюзной научно-технической конференции "Фотометрия и её метрологическое обеспечение", ВНИИОФИ, Москва, 1984 г.;

- 10-й и 12-й Всероссийских научно-технических конференциях "Фотометрия и её метрологическое обеспечение", ВНИИОФИ, Москва, 1994 и 1999г.г.;

- международной конференции "Прикладная оптика - 98", ГОИ им. С.Н. Вавилова, Санкт-Петербург, 1998г;

- 1-ой Всероссийской конференции по проблемам термометрии. "Температура - 2001", Подольск, 2001 г.

- XVI-ой Международной научно технической конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения 2000 г., Москва, Россия.

- Eurotherm Seminar "Quantitative Infrared Thermography Vм, GIRT'2000 Rheyms, France, (paper theses), Jule, 2000.

Публикации

Основные результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 45 научных работах, в том числе в монографии " Моделирование и оценка современных тепловизионных приборов", Казань, Отечество, 2006 г., в 7 научных статьях во всероссийских журналах, соответствующих "Перечню журналов и изданий .", опубликованному в Бюллетене ВАК Минобразования РФ, №2, 2003 г., в 4-х патентах Российской Федерации и в материалах 9-ти Международных, Всесоюзных и Всероссийских конференций.

Личный вклад

Настоящая диссертационная работа представляет собой обобщение многолетних теоретических и экспериментальных исследований автора в области разработки аппаратно-методических средств метрологического обеспечения испытаний и эксплуатации тепловизионных приборов. Автор являлся ответственным исполнителем и руководителем выполняемых поисковых ПИР и НИ-ОКР, назначен главным конструктором разработки экспериментального образца эталона-переносчика величин РРТ и РЭЯ. Автор является также ученым хранителем вторичных эталонов температуры по ИК-излучению РЭТ-220 и РЭТ-370.

В опубликованных работах, выполненных лично и в соавторстве с коллегами, автору принадлежит постановка задач, поиск путей их решения, постановка и проведение экспериментальных исследований, обобщение полученных результатов и выводы.

В многочисленных калибровках и поверках средств измерений и контроля параметров ТВП автор принимал непосредственное участие как разработчик методик калибровки и поверки и как непосредственный исполнитель.

Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованных литературных источников, включающего 117 наименований, и трех приложений. Общий объем (без приложений) 260 страниц, включая 61 рисунок и 47 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», Курт, Виктор Иванович

6.4 Выводы к главе 6

1. Для приведения в соответствие достигнутого в настоящее время уровня развития тепловизионной техники с нормативной базой требуется пересмотр ряда стандартов и методических инструкций (в первую очередь документов, устанавливающих термины и определения в указанной области) и разработка единых документов (в настоящее время отсутствующих) по методам и средствам определения характеристик измерительной и контрольно-проверочной аппаратуры тепловизионных приборов.

2. Проведенный анализ действующих схем метрологического обеспечения производства, испытаний и эксплуатации тепловизионной и радиометрической аппаратуры военного назначения показал, что калибровка средств измерений и контроля параметров тепловизионной и радиометрической аппаратуры осуществляется косвенным методом, так как отсутствует исходная мера единиц физических величин "РРТ" и "РЭЯ", и, соответственно, отсутствует узаконен

244 ная на уровне государства поверочная схема для средств измерений величин РРТ и РЭЯ.

3. Схема метрологического обеспечения тепловизионной и радиометрической аппаратуры, основанная на измерениях функциональных величин, входящих в расчетные соотношения для определения величин РРТ и РЭЯ не обеспечивает погрешность их определения на уровне менее 0,1 К (0,2 Вт/(ср-м )), так как применяемые расчетные соотношения не учитывают конструктивных особенностей применяемых тест-объектов. Рассмотренная локальная поверочная схема, основанная на радиометрическом способе калибровки измерительных стендов и КПА не перспективна, так как в ней используется принцип нормирования РРТ и РЭЯ, основанный на измерении разности потоков излучения между стабилизированным уровнем опорного излучения от рабочего эталона - излучателя типа "модель черного тела", и излучением от элементов «тест-объекта» измерительного стенда, т.е. исходная мера РРТ и РЭЯ отсутствует, а имеется только уровень их отсчета, который нормируется по погрешности стабилизации излучения.

4. Разработанный автором проект ведомственной поверочной схемы обеспечивает воспроизведение, хранение и передачу величин РРТ и РЭЯ в диапазоне от 0,005 К до 70 К и от 0,01 до 190 Вт/(ср-м2) соответственно. Относительная погрешность воспроизведения указанных величин составляет от 60% до 0,7% для РРТ и от 60% до 1% для РЭЯ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации решена актуальная научно-техническая проблема метрологического обеспечения средств измерения и контроля характеристик существующих и перспективных тепловизионных приборов при их разработке, испытаниях и эксплуатации, включающая в себя разработку средств и методов калибровки измерительных стендов и контрольно-проверочной аппаратуры ТВП, а также разработку исходной меры, эталона-переносчика и поверочной схемы для средств измерения и передачи величин РРТ и РЭЯ, составляющих основу системы метрологического обеспечения ТВП. В работе изложены теоретически обоснованные и экспериментально подтвержденные технические решения, обеспечивающие единый подход к созданию аппаратных средств и единой методологии определения их основных нормируемых характеристик.

Учитывая изложенное, а также результаты теоретических и экспериментальных исследований и конструкторских проработок, приведенных в настоящей работе, можно сделать вывод, что цель диссертационной работы - разработка аппаратно-методического комплекса метрологического обеспечения средств измерений и контроля параметров ТВП при их производстве, испытаниях и эксплуатации - достигнута, и поставленные задачи автором решены.

При этом получены следующие основные результаты:

1. На основе анализа характеристик тепловизионных приборов и расчетных соотношений, применяемых для их определения, определен перечень основных нормируемых энергетических и пространственных характеристик измерительной аппаратуры. Установлено, что минимальные значения воспроизводимых измерительными стендами величин РРТ и РЭЯ не должны превышать (доверительная погрешность) 20,0 (50%) мК и 40,0 (50%) мВт/(ср-м2).

2. Детальный анализ существующих измерительных стендов показал, что для обеспечения воспроизведения величин РРТ и РЭЯ в требуемом для измерения и контроля характеристик ТВП с высоким угловым и температурным разрешением диапазоне и с требуемой точностью, необходима их существенная модернизация в части используемых конструктивных исполнений источников дифференциального излучения и, в некоторых случаях, оптических систем стендов.

3. Впервые, на основе анализа расчетных соотношений для определения воспроизводимых измерительными стендами значений величин РРТ и РЭЯ, предложен метод калибровки измерительных стендов и КПА, основанный на применении разработанного автором радиометра-компаратора. Метод позволяет проводить измерения величин РРТ и РЭЯ, воспроизводимых измерительными стендами и КПА с пространственной частотой мир до 0,3 мрад и существенно (до 15 %) снизить погрешность определения воспроизводимых значений РРТ и РЭЯ за счет контроля взаимного теплового влияния источника фонового излучения и миры, а также влияния изменения фонового излучения (стенок корпуса).

4. Разработана, проанализирована и реализована оптическая схема для воспроизведения величин РЭЯ и РРТ, отличающаяся от существующих схем способом изменения величин РРТ и РЭЯ и применением профильной, зеркально-отражающей миры. Расчет воспроизводимых значений величин РЭЯ и РРТ осуществляется по расчетным соотношениям, полученным на основе законов оптического излучения. Предложенные схемы обеспечивают реальную технологическую возможность разработки измерительных стендов, соответствующих требованиям к диапазону и точности воспроизведения значений величин РРТ и РЭЯ, необходимых для обеспечения измерения характеристик современных и перспективных ТВП.

5. Впервые, на основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований схемных и конструктивных решений существующих измерительных стендов, разработан и изготовлен экспериментальный образец исходной меры величин РРТ и РЭЯ. Для обеспечения измерения и передачи величин РРТ и РЭЯ рабочим средствам измерений разработаны предложения по составу и конструктивному исполнению эталона сравнения.

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Курт, Виктор Иванович, 2007 год

1. ГОСТ 8.023-2003 ГСИ. Государственная поверочная схема для средств измерений световых величин непрерывного и импульсного излучений.

2. ГОСТ 8.106-2001 ГСИ. Государственная поверочная схема для средств измерений энергетической яркости и силы излучения тепловых источников с температурой от 220 до 1360 К.

3. Parr, J. Fowler and S. Ebner. "NBS Radiometric Physics Division"// SPIE. 1988. - v. 940.-C. 26-33.

4. ГОСТ 26148-84. Фотометрия. Термины и определения.

5. ГОСТ 27675-88. Приборы тепловизионные. Термины и определения.

6. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Инфракрасные системы «смотрящего» типа Текст. -М.: Логос, 2004. 444 с. +8 с. цв. вкл. - ISBN 5-94010-372-8.

7. Алеев P.M., Иванов В.П., Овсянников В.А. Несканирующие тепловизионные приборы Текст. Казань: изд-во Казанск. ун-та, 2000.-252 с. - ISBN 5-7464-0579-5.

8. Алеев P.M., Иванов В.П., Овсянников В.А. Основы теории анализа и синтеза воздушной тепловизионной аппаратуры Текст. Казань: изд-во Ка-занск.ун-та, 2000. -252 е.- 300 экз. - ISBN 5-7464-0479-9.

9. П.Бугаенко А.Г., Иванов В.П., Омелаев А.И., Тевяшов В.И., Филиппов B.JI. Физические основы и техника измерений в тепловидении Текст. / Под ред. B.JI. Филиппова). Казань: Отечество, 2003. - 352 с. - 500 экз. - ISBN 59222-0061-5.

10. Макаров А.С., Омелаев А.И., Филиппов B.JI. Введение в технику разработки и оценки сканирующих тепловизионных систем Текст. Казань: Унипресс, 1998.- 320с. - ISBN 5-900044-41-6.

11. Иванов В.П., Курт В.И., Овсянников В.А., Филиппов B.JI. Моделирование и оценка современных тепловизионных приборов. Монография, Казань: Образовательные технологии, 2006. - 594с. - ISBN 5-9222-0089-5.

12. Селиванов М.Н. и др. Качество измерений Текст.: метрологическая справочная книга / M. Н. Селиванов, А.Э. Фридман, Ж. Ф. Кудряшова. Л.: Лениздат, 1987. - 259 е., ил.

13. Ллойд Д. Системы тепловидения Текст.: пер. с англ. Н. В. Василь-ченко; под ред. А. И. Горячева. М.: Мир, 1978. - 461 с.

14. Абчуг В. А. и др. Справочник по исследованию операций Текст. / под ред. Ф. А. Матвейчука М.: Воениздат, 1979. - 368 е., с ил.19. ОСТ ВЗ-5224-82

15. Chrzanowski К. Evaluation of commercial thermal cameras in quality systems. Optical Engineering, 2002, N10.

16. Fiete R. Image quality for remote sensing systems. Optical Engineering, 1999, N7.

17. Driggers R. et al. Laboratory measurement of sampled IR imaging performance. Optical Engineering, 1999, N5.

18. Chrzanowski K. et al. A condition on spatial resolution of IR collimators for testing of thermal imaging systems. Optical Engineering, 2000, N5.

19. Иванов В.П, Белозеров А.Ф, Бугаенко А.Г, Новоселов В.А. Комплекс измерительных и метрологических средств в тепловидении // Военный парад. -1999.-№4(34).-С. 118-120.

20. Бугаенко А.Г., Курт В.И., Малевич П.М. Стенд НСИ-К. //Тезисы 2-ой научно-технической конференции "Метрологическое обеспечение обороны и безопасности в Российской Федерации". Мытищи, 1999.- С. 94.

21. Белозеров А.Ф., Бугаенко А.Г., Зарипов Р.И., Иванов В.П., Кадыров Н.И., Курт В.И. (РФ). Патент на полезную модель. №50010. Инфракрасный коллиматор.- Приоритет от 15.03.2005 г.

22. Бугаенко А.Г., Зарипов Р.И., Иванов В.П., Курт В.И. (РФ). Патент на полезную модель. №51768. Инфракрасный коллиматорный комплекс.- Приоритет от 24.10.2005 г.

23. Белозеров А.Ф., Бугаенко А.Г., Зарипов Р.И., Иванов В.П., Кадыров Н.И., Курт В.И. (РФ). Патент на изобретение (Решение о выдаче исх. 2005 107280/28 (008777) от 27.07.06 г.). Инфракрасный коллиматор.- Приоритет от 15.03.2005 г.

24. Афанасьев В.А., Алешко Е.И., Курт В.И., Новоселов В.А. ИК-компаратор К-100 //Тезисы 5-ой научно-технической конференции "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение", 17-21 декабря 1984г., Москва.- М., 1984.-С. 229.

25. Афанасьев В.А., Алешко Е.И., Курт В.И., Новоселов В.А. Инфракрасный компаратор К-100 //ОМП.- 1986.-№3.-С. 15-17.

26. Григорьева А.Ф., Курт В.И., Киатрова З.В., Новоселов В.А. Низкотемпературный ИК-излучатель // ОМП.- 1985.- № 4 С. 20-21.

27. Курт В.И. Методы калибровки по разности радиационных температур испытательных стендов и КПА тепловизионных приборов // Тезисы и программа Международной конференции "Прикладная оптика-98", Санкт Петербург, 16-18 декабря 1998г. С-Пб., 1998. - С. 103.

28. Курт В.И., Холопов Г.К., Новоселов В.А. Анализ методов калибровки ИК-излучателей по радиационной температуре // Тезисы 12-ой научно-технической конференции "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение". -М., 1999.- С. 9.

29. Курт В.И., Бугаенко А.Г., Павлюков Е.К. Калибровка испытательного стенда НСИ-К по разности радиационных температур // Тезисы 12-ой научно-технической конференции "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение". -М., 1999.- С. 11.

30. Курт В.И. Высокоточные средства измерения и контроля характеристик тепловизионных приборов //Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Казань, 2001 г.

31. Алешко А.И., Курт В.И., Рахимова JI.P. Калибровка дифференциальных коллиматорных стендов по разности радиационных температур. // Оптический журнал.-2007.- том 74, №3

32. Ковальский Э.И., Курт В.И., Михайлюта Г.И., Новоселов В.А. Комплекс измерительный метрологический КИМ-300 // Тезисы 10-ой научно-технической конференции "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение", 29 30 ноября 1994г., Москва - М., 1994 - С.9.

33. Патент 1701005 РФ, МКРЮОП. Устройство для измерения темпера-турно-частотной характеристики оптико-электронных приборов. Чугунов A.B., Новоселов В.А., Федюнина С.А., Алешко Е.И. (РФ).- № 4807182/10; Заявлено 30.03.90; Опубл. 27.10.93.

34. Дитчберн Р. Физическая оптика. М.: Наука, 1965. - 632с.

35. Ландсберг Г.С. Оптика . М.: Наука, 1976. - 926с.

36. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1970. - 855 с.

37. Горшков М.М. Эллипсометрия. М.: Советское радио, 1974.- 200с.

38. Золотарев В.М., Морозов В.Н., Смирнова Е.В. Оптические постоянные природных и технических сред. М.: Химия, 1984.- 215с.

39. Гуревич М.М. Введение в фотометрию. Л.: Энергия, 1968. - 244с.

40. Холопов Г.К., Новоселов В. А., Курт В.И., Павлюков А.К. Варианты оптических систем стендов с френелевскими ослабителями для воспроизведения разностей энергетических яркостей и радиационных температур. // Измерительная техника.- 2000.- № 1.- С. 17-21.

41. Новоселов В.А., Курт В.И. Оптические системы дифференциальных калибровочно-испытательных стендов с френелевскими ослабителями излучения. // "Температура 2001", Подольск, 13-15 ноября 2001 г. - С. 91-95.

42. ОСТ 3-6304-87. Кристаллы фтористого кальция оптические.- Per. № 84015053 от 04.04.88г.; Введен с 01.01.88г.-22 с.

43. Воронкова Е.М., Гречушников Б.Н., Дистлер Г.И. и др. Оптические материалы для инфракрасной техники - М.: Наука, 1965 - 335с.

44. РТМ 3-1640-83. Кристаллы германия оптические. Физико-химические свойства. Взамен РТМ 3-343-72 в части раздела 1 и ОСТ 3-5234-82 в части справочного приложения; Введен с 01.01.85г.- 14 с.

45. Handbook of Optical constants of solids. Edited by Edward D.Palik. -Academic Press. INC. 1985.- 804p.

46. OCT3-6307-87. Керамика оптическая

47. OCT 3-1901-85. Покрытия оптических деталей. Типы, общие технические требования и методы контроля.- Взамен ОСТ 3-1901-85; Введен 01.09.96г.- 194 с.

48. Кариженский Е.Я., Мирошников М.М., Шилин Б.В. Тепловая спек-трозональная аэросъемка. Возможности и перспективы. / Оптико-механическая промышленность, 1979, № 1, с. 18-20.

49. Поварков В.И., Минеев E.H., Иванов Н.Е. Дифференциальный радиометр / Оптико-механическая промышленность, 1971, № 1, с. 39-43.

50. Криксунов JI.3., Усольцев Н.Ф. Инфракрасные системы обнаружения, пеленгации и автоматического сопровождения движущихся объектов. Сов. радио, 1968.-320 с.

51. Бухонин Ю.С., Овчаренко Г.М. Поведение низкочастотного шума при дифференциальном приеме сигналов тепловизора / Оптико-механическая промышленность, 1977, № 10, с. 9-11.

52. Чибисов В.А. Особенности построения радиометров, работающих в спектральном диапазоне 1,8-5,5 мкм / Ведомственный сборник, 1984, серия 10, вып. 5 (193), с. 3-5.

53. Чибисов В.А., Алексеева Э.В., Беренштейн Б.З. и др. Ряд инфракрасных радиометров "Яуза" / Ведомственный сборник, 1984, серия 10, вып. 5 (193), с. 7-10.

54. Чибисов В.А., Алексеева Э.В., Нейман М.Д. Инфракрасные радиометры "Нева"/ Ведомственный сборник, 1984, серия 10, вып. 5 (193), с. 10-13.

55. Bastuschek С.Р. Photogrammetric Eng., 1970, v. XXXVI, № 10.

56. Горсун Д.JI., Чугунов A.B., Хуснутдинова Н. Радиометр трехканаль-ный сканирующий // Ведомственный сборник, 1984, сер. 1, вып. 2.

57. Ленинг В.А., Семенчук A.C., Шигин В.О. Многоцелевой исследовательский спектрорадиометр "Клин" // Ведомственный сборник, 1989, серия 7, вып. 2(121)-3(122), с. 25-30.

58. Белозеров А.Ф., Омелаев А.И., Филиппов В.Л. Современные направления применения ИК радиометров и тепловизоров в научных исследованиях и технике // Оптический журнал, 1998. Т. 65. - № 6. - С. 16-27.

59. Криксунов Л.З., Падалко Г.А. Тепловизоры. Справочник, Киев: Техника, 1987.- 166 с.

60. Вайсберг В.Л. и др. Модернизация тепловизора "Радуга-5" // Оптический журнал, 1992. № 12. - С. 66-67.

61. Куртев Н.Д., Сазонов О.М. Анализатор тепловых полей АТП-46 // Электронная промышленность. 1991. -№ 4. - С. 81-82.

62. Ушаков Ю.А., Дийков JI.K., Радчук Н.Б. и др. Тепловизор с улучшенными эксплуатационными характеристиками // Электронная промышленность, 1989, № 2.

63. Перлов В.В., Красников Д.Н., Сергеев В.П. и др. Тепловизор для исследования природных ресурсов Земли // Оптико-механическая промышленность, 1981.-№ 4.-С. 27-29.

64. Кариженский Е.Я, Подковальников В.В. Анализ двух методов преобразования сигналов в ИК радиометрах / Оптико-механическая промышленность, 1980, №6, с. 17-20.

65. Овчаренко Г.М. О требованиях к параметрам механического модулятора для ИК сканирующего радиометра / Оптико-механическая промышленность, 1972, №3, с. 8-10.

66. Cade С.М. New Scientist, 1964, № 400, Juli.

67. Мирошников М.М. и др.Тепловизор для исследования квазистационарных тепловых полей // Оптико-механическая промышленность, 1971. № 6, С. 67-70.

68. Портативный прибор для получения ИК изображения. Electro Optics. 1998. - V.26. No 124. - Р.5. Оптика сегодня и завтра. - М.: Дом оптики. -1996.-№3.-56 с.

69. Эталон-переносчик единиц "Разность радиационных температур" и "Разность энергетических яркостей" ЭП-38// Пояснительная записка, часть 1. ФГУП НПО ГИПО. Главный конструктор В.И. Курт, 2006г., 246 стр., библи-огр.: стр. 239 -245 (76 назв.).

70. Физика тонких пленок (Сборник) т.2,М.,"Мир"., 1967г.

71. Гайнутдинов И.С. и др. "Интерференционные покрытия для оптического приборостроения" Казань., ФЭН.,2002 г

72. Валидов М.А., Халиуллина Н.З."Высокоотражающие покрытия на основе алюмо-магниевого сплава (деп. рукопись)"

73. Свет Д.Я. "Оптические методы измерения истинных температур"., наука., 1982г.

74. J. Ancsin. A Gallium Calibration Apparatus.// Metrologia 1993, 30, 105106.

75. Morozova S.P., Theocharous E., Fox N.P., Sapritsky V.I., Mekhontsev S.N. // Absolute Measurements of Blackbody Emitted Radiance, Metrologia, 1998, 35, p.p. 549-554.

76. Куин Т. Температура. -М.: Мир, 1985 447с.

77. Сокольский М.Н. Допуски и качество оптического изображения. JL, Машиностроение, 1989г.

78. Михельсон H.H. Оптические телескопы. Теория и конструирование, М., Наука, 1976г.

79. Госсорг. Инфракрасная термография. М.,Мир, 1988г.

80. ГОСТ 8.558-93. Государственная система обеспечения единства измерений. Государственная поверочная схема для средств измерений температуры

81. Закон РФ от 27 апреля 1993 г. №4871-1 "Об обеспечении единства измерений".

82. РМГ 29-99. Государственная система обеспечения единства измерений. Метрология. Основные термины и определения

83. РМГ 19-96. Рекомендации по основным принципам и методам стандартизации терминологии

84. МИ 2365-96. Государственная система обеспечения единства измерений. Шкалы измерений. Основные положения. Термины и определения

85. Состояние и перспективы развития метрологического обеспечения в области здравоохранения и производства медицинской техники Текст. / Н.

86. П. Муравская // Мир измерений. Москва, РИА «Стандарты и качество», 6(52)-2005, стр.4-7.-ISSN 1813-8667.

87. ГОСТ 16504-81. Система государственных испытаний продукции. Испытания и контроль качества продукции. Основные термины и определения.

88. ГОСТ 20911-89. Техническая диагностика. Термины и определения.

89. Алешко Е.И., Курт В.И. Приборы тепловизионные. Поверочная схема для средств измерения энергетической яркости // Отраслевой журнал.-1989.- Вып. 2(121)-3(122).- Сер. 7.- С. 9-12.

90. Балоев В.А., Курт В.И., Щипунов А.Н. Направления совершенствования отраслевой системы метрологического обеспечения инфракрасных оптико-электронных приборов. // Оптический журнал.-2007.- том 74, №3

91. ГОСТ 8.057-80. Государственная система обеспечения единства измерений. Эталоны единиц физических величин. Основные положения

92. ГОСТ 8.381-80. Государственная система обеспечения единства измерений. Эталоны. Способы выражения погрешностей.26.С1. УТВЕРЖДАЮ . 1

93. Заместитель Генерального директоранпо г шш/1. А^.Белозеров 2004 г.

94. Контрольно-поверочная аппаратура и дифференциальные стенды Методика измерения разности радиационных температур1. АДО.095.009 ДМ1. Главный метролог1. В.И.Курт1. Разработал,1. А.Р. Нуриахметова2627р ос?оу> ^ /V суе Г7рс//и> с

95. ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ "НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ "ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ ПРИКЛАДНОЙ ОПТИКИ"1. СВИДЕТЕЛЬСТВОоб аттестации МВИ № 001

96. Аттестация осуществлена по результатам теоретических и экспериментальных исследований МВИ.

97. СОГЛАСОВАНО Начальник 451 ВП МО1. С.Ф. Мурабский 2006 г.1. УТВЕРЖДАЮ

98. Генеральный директор ЗАО НПФ "Техноякс"1. В.И. Попов 2006 г.

99. СОГЛАСОВАНО Начальник 44 Щ-И.В. Калабин — 2006 г.1. УТВЕРЖДАЮ1. Генералцудй¿фрурпор ФГУПЛ1. В.П. Ибаноб 2006 г.

100. ЭТАЛОН-ПЕРЕНОСЧИК ЕДИНИЦ "РАЗНОСТЬ РАДИАЦИОННЫХ ТЕМПЕРАТУР" И "РАЗНОСТЬ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ЯРКОСТЕЙ" "ЭП-38"

101. Схема деления изделия на составные части

102. Лист утверждения АД 1.500.123Е1-ЛУ

103. Заместитель генерального директора ФГУП "НПО ГИПО" полуф1. В.А. Балоеб .2006 г.и1. В.И. Курт1. О* 2006 г.

104. Инб.И подл. Подпись и дата Вз.инв.Ы Инб.Н дубл. Подпись и дата3=з с.о