РАДИОЭЛЕКТРОННЫЕ И ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

РАДИОЭЛЕКТРОННЫЕ И ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Рощин Дмитрий Александрович

канд. техн. наук, ст. науч. сотр., Научно-исследовательский испытательный центр Железнодорожных войск,

РФ, г. Москва

RADIO-ELECTRONIC AND OPTOELECTRONIC MEASURING TECHNOLOGIES

Dmitriy Roshchin

Candidate of Science, Senior Researcher, Research and Testing Center of Railway Troops,

Russia, Moscow

АННОТАЦИЯ

Описывается технологический подход к организации измерений при реализации производственных процессов. Раскрываются причины возникновения такого подхода, связанные с общемировыми тенденциями появления высоких технологий. Предпринята попытка классификации измерительных технологий по области прикладных технических наук. В качестве примера приводятся радиоэлектронные и оптико-электронные измерительные технологии в области электроники.

ABSTRACT

The technological approach to the organization of measurements in the implementation of production processes is described. The reasons for the emergence of such an approach related to the global trends in the emergence of high technologies are revealed. An attempt has been made to classify measuring technologies in the field of applied technical sciences. Radio-electronic and optoelectronic measuring technologies in the field of electronics are given as an example.

Ключевые слова: измерительная технология, средства измерений, методика измерений, классификация технологий, измерительные технологии в области электроники, радиоэлектронные технологии измерений, оптико-электронные технологии измерений.

Keywords: measuring technology, measuring instruments, measurement methods, classification of technologies, measuring technologies in the field of electronics, radio-electronic measurement technologies, optoelectronic measurement technologies.

В последнее время наблюдается значительное расширение номенклатуры средств измерений, что ведет к увеличению количества методик измерений. Развитие измерительной техники идет по пути ее высокой специализации и является причиной появления рынка специализированной техники, который меняется очень динамично. В связи с этим для организации процесса измерений в производстве возникает необходимость: описания специализированной измерительной техники и методов, представленных на современном мировом рынке измерений, оценки динамики развития средств измерений, классификации существующих технологий измерений, выработки конкретных подходов к организации измерений и интерпретации полученных результатов измерений. Решение этих задач без технологического подхода не представляется возможным.  Таким образом, становится уместным говорить об измерительной технологии, которая позволяет объединять измерительные устройства и методы измерений, используемые в технологических процессах, что необходимо для качественного обслуживания соответствующей области науки и техники [1].

Выделяют следующие области прикладных технических наук, для которых создаются измерительные технологии: аэронавтика, баллистика, геодезия, информатика, кибернетика, кораблестроение, космонавтика, пищевая промышленность, металлургия, машиностроение, механика, навигация, приборостроение, робототехника, строительство, теплотехника, энергетика, электроника, электротехника [2, 3]. Отдельно следует выделить информационную технологию измерений, которая направлена на обеспечение информационного взаимодействия измерительной техники с объектом измерений. Благодаря применяемым методам получения, обработки, представления и передачи количественной информации о значениях измеряемых величин обеспечивается требуемая достоверность и сохранность этой информации.

Очевидно, что современные сложные измерительные информационные технологии могут быть представлены не разрозненными средствами измерений, а интеллектуальными многоканальными измерительными информационными системами, которые обеспечивают комплексные измерения различных величин или параметров и совместную математическую обработку полученных результатов, учитывающую или определяющую их взаимозависимость [4].

Технология измерений представляет собой совокупность трех взаимосвязанных основных компонентов: научного, формально-описательного и процессуально-действенного [5]. Формально-описательный аспект технологии выражается в логике и четкости действий, зафиксированных в различных документах (проект, программа, методика, инструкция, руководство, технологическая карта) и оснащении средствами для измерений физических величин. Измерение физических величин осуществляется с помощью специально предназначенных для этого технических средств, имеющих нормированные метрологические характеристики, воспроизводящие и (или) хранящие единицу физической величины, размер которой принимают неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени.

В свою очередь все средства измерений, подразделяются на типы в зависимости от области измеряемой физической величины, принципа действия и конструкции [ГОСТ Р 8.674-2009]. Средства измерений применяются для измерений следующих физических величин: геометрических, механических, физико-химического состава и свойств веществ, оптико-физических свойств веществ, теплотехнических, электрических, времени и частоты, биологических и биомедицинских. [6]

Технологии измерений в области электроники определяют подходы к организации измерений с помощью различных электронных устройств, к которым также относятся оптико-электронные и радиоэлектронные приборы. Принцип действия этих устройств основан на электрических методах обработки, хранения и передачи информации [7]. Выбор типа электронного устройства в значительной степени определяет и выбор метода измерений, который является наиболее подходящим для данного устройства.

 Радиоэлектронные устройства применяются для связи, навигации, локации и видения в темноте с помощью инфракрасных (тепловых) лучей, для контроля изделий (ультразвуковая дефектоскопия), пайки, стирки, а также во многих других случаях [8]. Оптико-электронные приборы позволяют получать сведения о размерах, форме, положении и энергетическом состоянии тела, содержащиеся в потоке излучения, извлекаются путем его специальной обработки и преобразования в электрический сигнал, который также обрабатывается с целью выделения из шумов и последующей регистрации [9].

С физической точки зрения между световыми и другими электромагнитными волна­ми, например радиоволнами, не существует отличий, за исключением того, что световые волны имеют значительно более высокую частоту. Спектр электро­магнитных волн простирается от нескольких тысяч километров до космических лучей с длинами волн в триллионную часть метра [10].  Использование того или иного диапазона частот спектра для передачи инфор­мации определяется параметрами среды распространения электромагнит­ных волн, в частности, показателем затухания и стабильностью постоянного распространения.

В качестве примера радиоэлектронных измерительных технологий можно привести технологии спутниковой навигации и позиционирования, которые служат для установления координат объектов на поверхности Земли, в атмосфере или в околоземном космическом пространстве. В системах спутниковой навигации и позициониро­вания (ГЛОНАСС, GPS, Galileo, BeiDou и др.) используются радиопередающие станции, расположенные на искусственных навигационных спутниках земли, и специализированные приёмники пользователей, чувствительные к радиосигналам спутников данных систем [11]. В состав спутниковой системы позиционирования также входит сеть наземных станций контроля и управления, осуществляющих слежение за спутниками и транслирующих корректировочные радиосигналы.

Все технологии позиционирования делятся на две категории: глобальная и локальная. Глобальная технология основана на использовании спутниковых данных. В основе этой технологии лежит метод линейной засечки [12], позволяющий вычислять координаты спутниковых антенн приемника по известным координатам спутников и передаваемым ими дальномерным кодам. Также получили развитие технологии локального позиционирования: ИК, ультразвуковая, сверхширокополосная, радиочастотная, Bluetooth, Wi-Fi, компьютерное зрение. Эти технологии отличаются друг от друга физическими принципами действия, дальностью, точностью, энергопотреблением и стоимостью [13].

Наиболее широкое распространение получили такие оптико-электронные измерительные технологии, как «Компьютерное зрение», «Лидар» и «Лазерное сканирование». Оптико-электронные измерительные технологии основаны на применении оптико-электронных приборов и оптических методов измерений. Среди множества известных оптических методов измерений лучше всего освоены импульсный и фазовый методы. Импульсный метод применяется в технологии «Лидар» для измерения больших расстоя­ний (до нескольких десятков километров).  Технология лазерного сканирования позволяет создавать трехмерные изображения различных объектов. При этом используется зондирующий сигнал светодальномера. Технология компьютерного зрения основывается на обобщении информацию, полученной из множества изображений и распознавании объектов на основе полученной информации [14].

Процесс совершенствования измерительных технологий тесно связан с общемировой тенденцией появления высоких технологий. Причиной их появления обычно является лучшая экономическая конкурентоспособность новых технических решений по сравнению со старыми. Основными тенденциями развития средств измерений являются: миниатюризация, экономичность и, как следствие, усложнение. В условиях рыночных отношений экономический фактор в конечном итоге является решающим. Также можно выделить тенденцию к комплексному подходу в решении задач организации измерений. Исходя из этого, технологический подход к описанию измерений при реализации производственных процессов является достаточно обоснованным.

Список литературы:

1. Бакланов И.Г. Методы измерений в системах связи. – М.: ЭКО-ТРЕНД, 1999, 196 с.
2. Основные виды наук, классификация наук, научные дисциплины URL:infoselection.ru/infokatalog/obuchenie-i-znaniya/znaniya-i-nauka-2/item/926-spisok-nauk.
3. Высшая Аттестационная Комиссия Министерства образования и науки Российской Федерации. Справочные материалы. – Номенклатура специальностей научных работников, утверждённая приказом Минобрнауки России от 25.02.2009 № 59.
4. Солопченко Г.Н. Измерительные информационные системы : учебное пособие для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки магистров "Системный анализ и управление". Министерство образования и науки Российской Федерации, Санкт-Петербургский политехнический университет. – Санкт-Петербург : Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого", 2010. – 200 с.
5. Селевко Г.К. Энциклопедия образовательных технологий. В 2-х т. Т. 1. – М.: Народное образование, 2005. 556 c.
6. Бахтин А.В., Ремизова И.В. Технологические измерения, приборы и информационно-измерительные системы: учебное пособие /ВШТЭ СПбГУПТД.. – СПб., 2020. – 67 с.
7. Kaplan, Steven M. Wiley Electrical and Electronics Engineering Dictionary. — Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, Inc., 2004. – P. 234. 
8. Жеребцов И.П. Радиотехника. – 5-е изд., перераб. и доп. – М.: Связь, 1965. – 656 с.
9. Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов:Учебное пособие. 3-е изд., испр. и доп. – СПб.: Издательство «Лань», 2010. – 704 с.
10. Носов Ю. Р. Оптоэлектроника. – М.: Радио и связь, 1989. – 360 с.
11. Куприянов А.О. Глобальные навигационные спутниковые системы: Учебное пособие. – М.: МИИГАиК, 2017. – 76 с.
12. Аккерман С.Г., Жидов В.М. Работа со спутниковой аппаратурой позиционирования на примере Trimble 5700: методические рекомендации. – Екатеринбург: Изд-во УрГУПС, 2015. – 40 с.  
13. Hasan H., Hussein M., Mad saad Sh., Mat D., Mohd A. An Overview of Local Positioning System: Technologies, Techniques and Applications // International Journal of Engineering and Technology(UAE). – Vol. 7. – P. 1-5. doi:10.14419/ijet.v7i3.
14. Мошкин В.И., Петров А.А., Титов В.С., Якушенков Ю.Г. Техническое зрение роботов; Под общ. ред. Ю. Г. Якушенкова. – М.: Машиностроение, 1990. – 265 с.