Анотація до роботи:

Неєжмаков П.І. Методи та засоби метрологічного забезпечення вимірювань довжини на геодинамічних полігонах. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.11.15 – метрологія та метрологічне забезпечення. – Національний науковий центр «Інститут метрології», Харків, 2007.

Дисертацію присвячено розробці й дослідженням методів і засобів метрологічного забезпечення вимірювань довжини на геодинамічних полігонах.

Досліджено й синтезовано структури електромагнітного поля із заданими характеристиками в напівкоаксіальних резонаторах автогенераторних фотоприймальних модулів.

Досліджено проблему обліку впливів домішок газів на показник заломлення повітря, удосконалено градієнтний метод вимірювання середньоінтегрального показника заломлення повітря й розроблено апаратуру для його реалізації.

Розроблено й досліджено АЛС вимірювання довжини на основі автогенераторних фотоприймальних модулів для метрологічного забезпечення вимірювань довжини на геодинамічних полігонах. Діапазон вимірювання довжин розробленої АЛС становить від 1 до 10⁴ м, абсолютна похибка ±(0,06 мм + 510^-7D) при довірчій імовірності Р=0,95.

Вивчення СГРЗК має велике значення для вирішення широкого кола наукових і практичних завдань, у тому числі для прогнозу сейсмічних подій, пошуку й видобутку корисних копалин, контролю стабільності великомасштабних об'єктів (АЕС, ГЕС, магістральних нафтогазопроводів і т.д.). Достовірність результатів вивчення СГРЗК багато в чому визначається рівнем розвитку засобів вимірювальної техніки (ЗВТ) геодезичного призначення та станом їх метрологічного забезпечення.

До моменту початку робіт, що становлять основу дійсної дисертації, метрологічне забезпечення таких ЗВТ здійснювалося за допомогою еталонних базисів, атестованих з довірчою абсолютною похибкою 210^–6D, де D – довжина базису в міліметрах. Аналіз метрологічних характеристик сучасних ЗВТ геодезичного призначення показує, що ця похибка вже не задовольняє вимогам їхнього метрологічного забезпечення. Тому актуальним є розробка апаратури, за допомогою якої можна атестовувати еталонні базиси з довірчою абсолютною похибкою, що не перевищує 110^–6D при довірчій імовірності Р=0,95.

1. У дисертації викладено теоретичні узагальнення й нове рішення актуального науково-практичного завдання створення АЛС вимірювання довжини для вдосконалення метрологічного забезпечення вимірювань довжини на геодинамічних полігонах на основі:

досліджень складових інструментальної похибки за рахунок прийому й перетворення лазерного випромінювання;

досліджень складової методичної похибки визначення показника заломлення;

обґрунтування і використання фізико-математичної моделі для чисельних та експериментальних досліджень просторової структури електромагнітного поля автогенераторного ФПМ у порожнині ПКР некласичної геометрії і в позамежному циліндричному резонаторі, у зоні перетворення двочастотного лазерного випромінювання.

Особливістю перелічених завдань є те, що при їхньому рішенні необхідно:

кількісно оцінювати флуктуації атмосфери в приземному шарі, на фоні яких спостерігається сигнал з інформацією про результати вимірювань;

враховувати в показнику заломлення повітря складові газів, концентрація яких перевищує відповідне значення для стандартної атмосфери;

застосовувати методи та засоби зниження завад і шумів перетворення лазерного випромінювання (розробка спеціальної конструкції, синтез структури електромагнітного поля із заданими характеристиками, диференціальні схеми вимірювань та ін.).

2. Нові наукові та практичні результати, отримані в дисертації, характеризуються такими якісними і кількісними показниками:

2.1. Розроблено автогенераторні ФПМ, що забезпечують оптимальну структуру електромагнітного поля в області перетворення лазерного випромінювання, максимальну ефективність перетворення і зменшення сумарної інструментальної похибки АЛС у раз. Розроблені автогенераторні ФПМ були впроваджені в ЛДС «СФЕРА-КХ» та АЛС вимірювання довжини «Тенгіз-М».

2.2. Показано, що застосування фокона-концентратора із кварцового скла С63-1 дозволяє досягти в області перетворення лазерного випромінювання перевищення модуля поздовжньої компоненти електричного поля E_z над модулем радіальної - E_r в 100 разів, що забезпечує:

ефективне використання електромагнітного поля для гальмування фотоелектронів;

зменшення кутів прольоту та дефокусування фотоелектронів;

усунення паразитної модуляції фотоструму;

зменшення потужності мікрохвильового гетеродина з 1 Вт до 60 мВт.

2.3. Розроблено алгоритми та програми для комп'ютерного проектування резонансних ПКР автогенераторних ФПМ із заданими технічними і метрологічними характеристиками.

2.4. Досліджено складові похибки градієнтного методу вимірювання середньоінтегрального показника заломлення повітря в приземному шарі тропосфери та запропоновано оригінальну методику виконання вимірювань, відповідно до якої вимірювання оптичної довжини виконують при знакозмінних флуктуаціях значення градієнтів температури на всіх вимірювальних пунктах, що не перевищують 0,2 С, і досягненні похибки визначення значення середньоінтегрального показника заломлення повітря, що не перевищує 510^-7.

2.5. Одержав подальший розвиток градієнтний метод вимірювання середньоінтегрального показника заломлення повітря реальної атмосфери на геодинамічних полігонах за рахунок застосування рівняння Сіддора (і врахування в показнику заломлення внеску газу, концентрація яких перевищує відповідне значення для стандартної атмосфери), що забезпечує похибку вимірювання середньоінтегрального показника заломлення повітря 510^-7.

2.6. Створена АЛС вимірювання довжини «Тенгіз-М» дозволяє забезпечувати єдність вимірювань довжини на геодинамічних полігонах та атестовувати еталонні базиси з довірчою абсолютною похибкою (0,06 мм +510^-7D) при довірчій імовірності Р=0,95.

3. Достовірність отриманих результатів підтверджується такими фактами, установленими в ході дисертаційного дослідження:

3.1. Результати чисельного моделювання розподілу радіальної складової електричної компоненти електромагнітного поля в порожнині НКР підтверджено результатами фізичних експериментів із визначення відповідного розподілу поля в границях основної відносної похибки, що не перевищує ± 6 % при Р=0,95.

3.2. Достовірність чисельних результатів забезпечено точністю математичної постановки задач і підтверджено побудовою апріорних і апостеріорних оцінок похибок чисельних рішень на кожному етапі чисельного експерименту шляхом порівняння рішення крайових задач із рішенням «еталонної» крайової задачі.

3.3. Досягнуту інструментальну похибку 0,06 мм АЛС вимірювання довжини та відсутність неврахованих систематичних похибок підтверджено звіреннями з оптико-механічним компаратором МИИГАиК (м. Москва), що реалізує інші методи вимірювання довжини.

3.4. Досягнуту довірчу абсолютну похибку (0,06 мм +510^-7D) при довірчій імовірності Р=0,95 АЛС вимірювання довжини, обґрунтованість вибору первинних перетворювачів для кварцової підсистеми вимірювання термодинамічних параметрів повітря, запропоновану методику проведення вимірювань і обчислення середньоінтегрального показника заломлення повітря, відсутність неврахованих систематичних похибок визначення показника заломлення повітря підтверджено звіреннями на великих довжинах із вторинним еталоном одиниці довжини ВЕТУ 01-03-02-98 на Національному еталонному лінійно-геодезичному полігоні (с. Липці, Харківська обл.).

4. Результати, отримані в дисертації, рекомендується використовувати: для забезпечення єдності вимірювань довжини на геодинамічних і техногенних полігонах України; при спостереженнях за СГРЗК; при контролі за станом великих природних і штучних об'єктів; при проведенні державних випробувань і метрологічної атестації ГНСС-апаратури; при розробці оптоелектронної апаратури (віддалемірів, інтерферометрів і т.п.); у навчальних курсах вузів, що готують фахівців зі спеціальностей метрологія та прикладна геодезія.

Публікації автора:

1. Кравченко Н.И., Неежмаков П.И. Полукоаксиальный резонатор измерительных фотоприемных устройств двухмодового лазерного излучения //Український метрологічний журнал. -2001. -Вип. 2. -С. 38–42.

2. Кравченко Н.И., Неежмаков П.И. Автогенераторные фотоприемные устройства на основе полукоаксиального резонатора для лазерных измерительных систем больших длин //Український метрологічний журнал. -2001. -Вип. 3. -С. 61–65.

3. Кравченко Н.И., Неежмаков П.И. Исследования полукоаксиального резонатора автогенераторного фотоприемного устройства лазерных измерительных систем больших длин //Український метрологічний журнал. -2001. -Вип. 4. -С. 31–35.

4. Кравченко Н.И., Неежмаков П.И. Адаптивная лазерная система линейных измерений для геодинамических и техногенных полигонов //Український метрологічний журнал. -2003. -Вип. 2. -С. 48–57.

5. Кравченко Н.И., Грабарь Ю.И., Неежмаков П.И. Адаптивные измерительные системы высшей точности на основе двухчастотных лазеров //Український метрологічний журнал. -2003. -Вип. 4. -С. 32–35.

6. Кравченко Н.И., Неежмаков П.И. Методы и средства метрологического обеспечения линейных измерений на геодинамических полигонах Украины //Український метрологічний журнал. -2004. -Вип. 2. -С. 23–28.

7. Кравченко Н.И., Неежмаков П.И., Купко В.С., ОльшевскийА.Л,. Васелина В.Г. Лазерная координатно-измерительная система для измерения поверхностей антенных систем //Український метрологічний журнал. -2006. -№ 4. -С. 44–51.

8. Занимонский Е., Неежмаков П., Купко В., Олейник А., Цисак Я., Тревого И., Марущенко О., Савчук С. Проблема многолучевости на метрологических полигонах ГНСС //Сучасні досягнення геодезичної науки та виробництва: Зб. наук. пр. Західного геодезичного товариства УТГК. -Львів. -2005. -ІІ вип. -С. 14–20.

9. Лазерный дальномер: А.с. 293147 СССР, МКИ G01C3 /Н.И.Кравченко, П.И.Неежмаков, А.Н.Оробинский. -№ 3191789; Заявлено 8.02.88; Опубл. 3.05.89. -9 с.

10. Патент 77437. Україна, МПК (2006) H03L 7/26 H01P 7/00. Спосіб перетворення частоти лазерного випромінювання та пристрій для його реалізації /Кравченко М.І., Неєжмаков П.І. -№ 2004032277; Заявл. 29.03.2004; Опубл. 16.12.2006. -4 с.

11. Кравченко М.І., Неєжмаков П.І. Дослідження СРЗК на Тенгізському геодинамічному полігоні //Геодинаміка. -1998. -№ 1. -С. 30–35.

12. Кравченко М.І., Неєжмаков П.І., Прокопов О.В. Лазерна віддалемірна система вищої точності для лінійних вимірювань на геодинамічних полігонах України //Геодинаміка. -1998. -№ 1. -С. 37–44.

13. Неежмаков П.И. Расчет температурных полей в фотокатоде фотоэлектронного умножителя при воздействии на него потока микроволновой мощности //Вопросы разработки дальномерных систем и их метрологического обеспечения: Сб. науч. тр.: -Л.: ВНИИМ, 1990. -С. 57–64.

14. Кравченко Н.И., Неежмаков П.И., Оробинский А.Н. Диссипативно-тепловые процессы в модуляторах и приемниках лазерного излучения // Труды V ВНТК «Оптика лазеров». -Л.: ГОИ им. С.И.Вавилова, 1987. -С. 184.

15. Кравченко Н.И., Неежмаков П.И., Оробинский А.Н, Синявин Л.А. и др. Сличение оптико-механического компаратора МИИГАиК с лазерной дальномерной системой сравнения УВТ5-84 //Труды III ВНТК «Метрология в дальнометрии». -Харьков: НПО «Метрология». -1988. -С. 18–19.

16. Неежмаков П.И., Кравченко Н.И. Создание и исследование резонансных измерительных фотоприемников для лазерных дисперсионных систем измерения длины //Труды III ВНТК «Метрология в дальнометрии». -Харьков: НПО «Метрология». -1988. -С. 110–111.

17. Неежмаков П.И., Погорелов О.Д. Автогенераторный способ преобразования частоты амплитудно-модулированнных лазерных пучков //Труды III ВНТК «Метрология в дальнометрии». -Харьков: НПО «Метрология». -1988. -С. 89–90.

18. Неежмаков П.И., Кравченко Н.И. Спектры сигналов двухфотонного приемника с микроволновым гетеродином //Труды II ВНТК «Измерение параметров формы и спектра радиотехнических сигналов». -Харьков. НПО «Метрология». -1989. -С. 287.

19. Кравченко Н.И., Лепехин В.Н., Неежмаков П.И., Оробинский А.Н. Автогенераторный способ возбуждения, модуляции и приема лазерных пучков //Труды II ВНТК «Метрологическое обеспечение измерений частотных и спектральных характеристик излучения лазеров». -Харьков: НПО «Метрология». -1990. -С. 32.

20. Винокуров Н.И., Зайцев В.П., Кравченко Н.И., Неежмаков П.И. Метрологический двухчастотный гелий-кадмиевый лазер для измерительных систем //Труды II ВНТК «Метрологическое обеспечение измерений частотных и спектральных характеристик излучения лазеров». -Харьков: НПО «Метрология». -1990. -С. 29.

21. Неежмаков П.И., Погорелов О.Д Системы стабилизации частоты межмодовых биений гелий-неоновых и гелий-кадмиевых лазеров //Труды II ВНТК «Метрологическое обеспечение измерений частотных и спектральных характеристик излучения лазеров». -Харьков: НПО «Метрология». -1990. -С. 190–191.

22. Кравченко Н.И., Лепехин В.Н., Неежмаков П.И., Погорелов О.Д. Исследование возможности приема когерентного излучения двухмодовых гелий-неоновых лазеров //Труды II ВНТК «Метрологическое обеспечение измерений частотных и спектральных характеристик излучения лазеров». -Харьков: НПО «Метрология». -1990. -С. 238–239.

23. Лепехин В.Н., Неежмаков П.И., Погорелов О.Д. Установка для точных измерений частоты биений двухмодовых гелий-неоновых лазеров //Труды II ВНТК «Метрологическое обеспечение измерений частотных и спектральных характеристик излучения лазеров». -Харьков: НПО «Метрология». -1990. -С. 89.

24. Кравченко Н.И., Неежмаков П.И., Оробинский А.Н. Электрооптическая модуляция и прием двухчастотных лазерных пучков //Труды VIII ВНТК «Фотометрия и ее метрологическое обеспечение». -Москва: НПО «ВНИИОФИ». -1990. -С. 210.

25. Душкин А.А., Иванский В.Б., Неежмаков П.И., Оробинский А.Н., Синявин Л.А. Исследование СГДЗК на Тенгизском геодинамическом полигоне //Труды III Орловской конференции «Изучение Земли как планеты методами астрономии, геофизики и геодинамики». -Киев, ГАО АН Украины. -1994. -384 с.

26. Кравченко Н.И., Неежмаков П.И., Погорелов О.Д. Двухфотонные приемные устройства автогенераторного типа //Труды 4-й Крымской конф. «СВЧ техника и спутниковый прием». -Севастополь: Предприятие «Вебер». -1994. -Т. 2. -С. 396–399.

27. Кравченко Н.И., Неежмаков П.И. Измерительные системы показателя преломления воздуха пограничного слоя атмосферы в оптическом диапазоне длин волн //Сб. научных трудов 1-го Международного радиоэлектронного форума «Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития» (МРФ-2002). В 2-х т. Т. 1. -Харьков: ХНУРЭ. -2002. -С. 318–321.

28. Сидоренко Г.С., Неежмаков П.И., Купко В.С., Занимонский Е.М. Оценка условий многолучевости на пункте-спутнике перманентной станции ГНСС //Зб. наук. пр. міжнар. наук.-практ. конф. «Новітні досягнення геодезії, геоінформатики та землевпорядкування – Європейський досвід». -Чернігів, 2005. -С. 41–43.

29. Неежмаков П.И., Кравченко Н.И. Метрологическое обеспечение линейных измерений на геодинамических полигонах //Сб. научных трудов Международной научно-технической конференции «Метрология и метрологическое обеспечение». -Минск: БНТУ. -2007. -С. 261–265.