Имитационно-испытательный комплекс для лазерной баллистической измерительной системы
SIMULATION AND TESTING COMPLEX FOR LASER BALLISTIC MEASURING SYSTEM

Область техники
Изобретение относится к области электромагнитных методов измерения начальной скорости снаряда, в частности к области испытаний лазерной баллистической измерительной системы.
Уровень техники
Испытание является наиболее достоверным способом оценки технических характеристик системы. (Натурный эксперимент: Информационное обеспечение экспериментальных исследований / А.Н. Белюнов, Г.М. Солодихин, В.А. Солодовников и др. / Под ред. Н.И. Баклашова. - М: Радио и связь, 1982, с. 13-15).
В процессе испытания необходимо определить основные характеристики лазерной баллистической измерительной системы:
- погрешность измерения начальной скорости снаряда;
- погрешность измерения скорости вращения снаряда.
Испытание лазерной баллистической системы представляет собой технически и организационно сложный, дорогостоящий и продолжительный этап. Поэтому упрощение и удешевление испытания при сохранении достоверности является чрезвычайно актуальной задачей.
Аналогом данного технического решения является лазерный измеритель скорости и/или перемещения малоразмерных объектов в местах с ограниченным доступом (патент RU 2610905 на изобретение заявка: 2015122034 от 09.06.2015 МПК G01S 17/58 (2006.01) опубликован: 17.02.2017 Бюл. №5)
Лазерный измеритель скорости и/или перемещения малоразмерных объектов в местах с ограниченным доступом (фиг. 1) включает источник 1 лазерного излучения, соединенный оптическим волокном с оптическим изолятором 2, волоконным усилителем 3 с лазерным диодом накачки 4, оптический делитель 5, выполняющий роль светоделительной пластины для разделения оптического излучения в соотношении 1:1, соединенный оптическим волокном с коннектором FC/APC 6, выполняющим функцию слабоотражающего зеркала, и коллиматором 7 с диаметром пучка 0,8-1,2 мм, и оптическим приемником 8. Выход оптического приемника 8 подключен к входу осциллографа 9, соединенному через USB-интерфейс с персональным компьютером 10. При проведении эксперимента при измерении скорости пули 12 в стволе 11 пневматической винтовки также использовалось защитное оргстекло 13. Элементы измерителя [поз.1 + поз.2 + поз.3 + поз.4], поз.5, поз.6, [поз.7 + поз.12], поз.8 представляют собой оптоволоконный аналог интерферометра Майкельсона.
Источником 1 лазерного излучения является полупроводниковый одночастотный лазер, стабилизированный с помощью брэгговской решетки, работающий на токе 120 мА, с мощностью излучения около 20 мВт и длиной волны 1064 нм при ширине линии генерации не более 3 МГц, что обеспечивает большую длину когерентности и, следовательно, обеспечивает возможность измерения динамики движения объекта в диапазоне перемещения до 100 м и в диапазоне скоростей от 0,1 до 180 м/с. Оптический изолятор 2 пропускает излучение от лазера 1 только в одном направлении и используется для того, чтобы отраженное излучение, идущее в обратном направлении, не оказывало негативного влияния на лазерный диод 4.
Устройство работает следующим образом.
В момент выстрела из пневматической винтовки ИЖ-61 свинцовой пулей весом 0.5 грамма, поршень освобождается спусковым механизмом, что приводит к его движению внутри стакана и, соответственно, к нагнетанию давления. Через специальное отверстие сжатый воздух попадает в канал ствола, что приводит к ускорению пули. Винтовка закреплялась на оптическом столе, защитное оргстекло 12 закреплялось под углом около 60° градусов относительно ствола 11 винтовки. Далее производится выстрел из винтовки посредством нажатия на спусковой крючок с одновременной подачей синхроимпульса на вход синхронизации осциллографа 9 при помощи специального датчика. Осциллограф 9 в режиме однократной записи по приходу синхроимпульса записывает 16776704 отсчетов с периодом снятия dt=2Hc. Осциллограмма представляет собой сигнал с оптического приемника 9, т.е. в сущности готовую интерферограмму.
Благодаря эффекту Доплера в данной осциллограмме будут наблюдаться биения с частотой прямо пропорциональной скорости измеряемого объекта (пули), поэтому необходимо вычислить спектральные компоненты осциллограммы в различные моменты времени. Спектрограмма вычисляется с использованием быстрого преобразование Фурье (БПФ), которая далее пересчитывается в скорость пули.
Недостатком данного описанного устройства является недостаточная достоверность измеренных скоростей. Испытание является наиболее объективным способом оценки технических характеристик системы. Наиболее близким к заявляемому устройству (прототип), является устройство измерения внешнебаллистических характеристик снаряда, предназначенное для измерения скорости снаряда, угловой скорости вращения снаряда вокруг продольной оси и величины нутации снаряда (Патент RU2515580 на изобретение заявка: 2013112556/07 от 20.03.2013 МПК G01S 13/58 (2006.01) опубликован: 10.05.2014 Бюл. №13). Сущность прототипа заключается в том, в устройстве для измерения внешнебаллистических характеристик снаряда, содержащем доплеровский радиолокатор, индикатор ширины спектра, в которое дополнительно введены ключ, линия задержки, аналого-цифровой преобразователь, блок памяти, блок обработки данных, индикатор начальной скорости снаряда и индикатор угловой скорости вращения снаряда, причем выход доплеровского радиолокатора соединен с первым входом ключа, второй вход которого соединен с выходом линии задержки, вход которой соединен с выходом индукционного датчика размещенного на канале ствола метаемого тела, а выход с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с входом блока памяти, выход которого соединен с входом блока обработки сигналов, первый, второй и третий выходы которого соединены соответственно с входами индикатора начальной скорости снаряда, индикатора ширины спектра и индикатора угловой скорости вращения снаряда.
Кроме того, блок обработки данных состоит из анализатора достоверности данных, блока определения ширины спектра, блока определения угловой скорости вращения снаряда, при этом вход блока обработки сигнала является входом анализатора достоверности данных, выход которого соединен с входом блока определения ширины спектра и блока определения угловой скорости вращения снаряда, выходы анализатора достоверности данных, блока определения ширины спектра и блока определения угловой скорости вращения снаряда, являются соответственно первым, вторым и третьим выходами блока обработки сигналов.
Алгоритм работы анализатора достоверности данных заключается в оценивании достоверности дискретных значений текущей скорости снаряда для каждой позиции в полученной последовательности содержащихся данных, выделении с учетом полученных результатов в этой последовательности участка, содержащего преимущественно достоверные данные, по которым определяют начальную скорость снаряда, при этом при оценке достоверности данных о текущей скорости снаряда используют критерии, учитывающие задаваемые требования по точности измерения начальной скорости снаряда; при формировании участка упомянутой последовательности для вычисления начальной скорости снаряда начало этого участка определяют по наличию не менее трех следующих подряд позиций с достоверными данными, а его конец - по наличию двух и более позиций с недостоверными данными; используемое при вычислении начальной скорости снаряда время задержки начала наблюдения представляют суммой установленной задержки и суммарной длительности реализации доплеровского эхо-сигнала, предшествующей первой позиции в участке данных, сформированном для вычисления начальной скорости снаряда; при наличии одиночных позиций с недостоверными данными в выделенном участке последовательности дискретных значений текущей скорости снаряда данные, содержащиеся в таких одиночных позициях, заменяют средним значением достоверных данных из двух непосредственно примыкающих к ним позиций этого участка, достоверность данных о текущей скорости снаряда проверяют по превышению фактическим отношением сигнал/шум того его значения, которое необходимо для обеспечения заданной точности определения начальной скорости снаряда, достоверность данных о текущей скорости снаряда оценивают по изменениям значений текущей скорости снаряда, представленным на смежных позициях в полученной последовательности, при этом сначала по величине этих изменений обнаруживают зоны, содержащие недостоверные данные, а затем по достоверным данным, получаемым из позиций, непосредственно примыкающим к этим зонам, определяют для каждой позиции в обнаруженной зоне ожидаемые значения скорости и локализуют каждую позицию с недостоверными данными, причем достоверными считают те позиции, для которых анализируемые изменения значений текущей скорости снаряда не превышают величину задаваемой погрешности измерения начальной скорости снаряда, скорость движения снаряда определяется в соответствии с выражением
где Δf - частота Доплера, λ - длина волны, Δϕ - угол наблюдения.
Кроме того, блок определения ширины спектра функционирует в соответствии с алгоритмом, суть которого заключается в вычислении модуля быстрого преобразования Фурье
k
d
d
n
где y=y(k/F) - оцифрованный аналого-цифровым преобразователем входной сигнал y(t), F - частота дискретизации исходного сигнала, N - число отсчетов ДПФ, S - действительная амплитуда n-ой спектральной гармоники, частоту которой можно определить как:  определение величины порога:
2
ш
пор
где Рлт - вероятность ложной тревоги, которая на практике обычно принимается равной 10-5, σ - дисперсия шума, значение которой можно вычислить, проанализировав БПФ выходного сигнал радиолокатора при отсутствии движущихся объектов в его зоне видимости на соответствие закону распределения Релея, обнуление гармоник, не превысивших значение порога S и находящихся в области ожидаемых частот Доплера:
ож.min
ож.max.
где f, f - нижняя и верхняя границы области ожидаемых частот Доплера соответственно, определение ширины спектра сигнала:
c.min
c.max
где f - нижняя граница спектра сигнала, f - верхняя граница спектра сигнала, Δf - ширина спектра сигнала, определение по ширине спектра площади максимального сечения снаряда плоскостью, перпендикулярной линии визирования снаряда, определении величины нутации снаряда по изменению данной площади на каждой позиции (фиг. 5).
Кроме того, блок определения угловой скорости вращения снаряда функционирует в соответствии с алгоритмом, суть которого заключается в вычислении частот гармоник вторичной модуляции в амплитудно-частотном спектре выбранного участка измерения, при этом при получении амплитудно-частотного спектра применяется алгоритм компенсации влияния фазовой модуляции отраженного радиолокационного сигнала:
- определение комплексной спектральной амплитуды на выходе алгоритма БПФ:
Где  - выбранный участок отраженного эхо-сигнала, K - число отсчетов выбранного участка сигнала,
- определение границы спектра доминирующей гармоники:
э.min
э.max
пл
пл
где [N, N] - интервал спектральных отсчетов, содержащий частоты доминирующей гармоники, n - частотная позиция максимальной спектральной амплитуды, Δn - априорно заданная ширина интервала поиска энергетического центра спектра доминирующей гармоники,
- определение энергетического центра спектра доминирующей гармоники, по квадратам спектральных амплитуд:
с
где , n - априорно известная ширина спектра доминирующей гармоники, выделение спектра сигнала, отраженного от снаряда, и осуществление дополнения его нулями:
ф
где n - ширина спектра сигнала, отраженного от снаряда, включая гармоники вторичной модуляции, проведении циклического смещение спектра таким образом, чтобы энергетический центр спектра оказался в нулевой позиции в соответствии с выражением:
- осуществление выполнения операции обратного БПФ спектра  и получение корректирующего сигнала:
- осуществление умножения исходного участка сигнала на комплексно-сопряженный корректирующий сигнал  и выполнение операции БПФ:
n
1
2
- выделение из спектра эхо-сигнала Z двух пар гармоник вторичной модуляции, расположенных ближе всех к доминирующей гармонике, и определение значений частот f и f, при которых они достигают максимума,
- вычисление угловой скорости вращения снаряда вокруг продольной оси по формуле:
вp
ω=2πf
вp
1
2
1
2
где f=f-f)/2, f и f - частоты, соответствующие максимумам первых парных гармоник вторичной модуляции доплеровского эхо-сигнала. На фиг. 2 приведена схема установки для оценки внешнебаллистических характеристик снаряда, где 14 - устройство для измерения внешнебаллистических характеристик снаряда, 15 - метательное устройство, 16 - индукционный датчик, 17 - метаемое тело, на фиг. 3 - структурная схема устройства измерения внешнебаллистических характеристик снаряда, где 18 - доплеровский радиолокатор, 19 - ключ, 20 - линия задержки, 21 - аналого-цифровой преобразователь, 22 - блок памяти, 23 - блок обработки данных, 24 - индикатор скорости движения снаряда, 25 - индикатор ширины спектра, 26 - индикатор угловой скорости вращения снаряда, на фиг. 4 - структурная схема блока обработки данных, где 27 - анализатор достоверности данных, 28 - блок определения ширины спектра, 29 - блок определения угловой скорости вращения снаряда.
Устройство для измерения внешнебаллистических характеристик снаряда функционирует следующим образом. При нажатии на боевую кнопку происходит одновременный запуск устройства 14 для измерения внешнебаллистических характеристик и срабатывание метательного устройства 15, при этом в момент выхода снаряда 17 из канала ствола срабатывает индукционный датчик 16 (фиг. 2).
Доплеровский радиолокатор 18 осуществляет излучение электромагнитной энергии в направлении движения снаряда, отраженный от снаряда сигнал поступает на первый вход ключа 19, на второй вход которого поступает сигнал с выхода линии 20 задержки, на вход которой поступает сигнал с выхода индукционного датчика 17 (фиг. 3). Выбор времени задержки обусловлен необходимостью измерения начальной скорости снаряда, так как именно в момент выстрела наблюдается момент, когда скорость снаряда достигает максимального значения. Сигнал с выхода ключа 19, через аналого-цифровой преобразователь 21, поступает на вход блока памяти 22, где осуществляется его запись. Обработка полученных данных осуществляется в блоке обработки данных 23, при этом осуществляется анализ достоверности данных в анализаторе достоверности данных 27 (фиг. 4).
Анализатор 27 достоверности данных осуществляет выделение участка, содержащего повышенные достоверные данные, при этом начало участка определяют по наличию не менее трех следующих подряд позиций с достоверными данными, а его конец - по наличию двух и более позиций с недостоверными данными, по которым определяют начальную скорость снаряда.
0
зад
Σ
зад
Σ
Вычисления начальной скорости снаряда осуществляют в момент времени t=t+t, где t - установленная задержка, t- суммарная длительность реализации доплеровского эхо-сигнала, предшествующей первой позиции в участке данных, сформированном для вычисления начальной скорости снаряда. При наличии одиночных позиций с недостоверными данными в выделенном участке последовательности дискретных значений текущей скорости снаряда данные, содержащиеся в таких одиночных позициях, заменяют средним значением достоверных данных из двух непосредственно примыкающих к ним позиций этого участка.
Таким образом, анализатор 27 достоверности данных обеспечивает выборку участка повышенной достоверности данных и обеспечивает проверку достоверности текущей скорости.
С выхода анализатора 27 достоверности данных сигналы поступают на входы блока 28 определения ширины спектра и блока 29 определения угловой скорости вращения снаряда.
Кроме того, сигнал с выхода анализатора 27 достоверности данных поступает на вход индикатора 24 скорости движения снаряда. Блок 28 определения ширины спектра обеспечивает вычисление модуля быстрого преобразования Фурье (БПФ), определение ширины спектра сигнала, определение по ширине спектра площади максимального сечения снаряда плоскостью, перпендикулярной линии визирования снаряда, определение величины нутации снаряда по изменению площади на каждой позиции. Сигнал с выхода блока 28 определения ширины спектра поступает на вход индикатора 25 ширины спектра. Блок 29 определения угловой скорости вращения снаряда обеспечивает определение угловой скорости вращения снаряда относительно продольной оси для выбранного участка измерения.
Недостатком данного устройства является недостаточная достоверность измеренных внешнебаллистических характеристик, которая устанавливается анализатором достоверности на основе расчетных, а не экспериментальных данных. Испытание является наиболее объективной оценкой технических характеристик лазерной баллистической измерительной системы. Технической задачей изобретения является имитационно-испытательный комплекс для испытания лазерной баллистической измерительной системы и установление ее основных тактико-технических характеристик:
- погрешности измерения начальной скорости снаряда;
- погрешности измерения скорости вращения снаряда.
iз
i
iз
iи
0
Указанный технический результат достигается тем, что имитационно-испытательный комплекс для оценки технических характеристик (погрешностей измерения скорости поступательного движения артиллерийского снаряда и скорости его вращения) лазерной баллистической измерительной системы, на соответствие требованиям тактико-технического задания), содержащий снаряд для создания натурной обстановки в измерительной зоне, лазерную баллистическую измерительную систему, одночастотный лазер, блок управления и обработки сигналов. Отличительной особенностью заявляемого изобретения является то, что выход одночастотного лазера, лазерной баллистической измерительной системы соединен с входом оптического частотного модулятора, а его оптический выход соединен с входом коллиматора, излучение с которого направлено на неподвижный снаряд, при этом управляющий вход оптического частотного модулятора соединен с выходом управляемого делителя частоты, вход которого соединен с выходом высокочастотного генератора, а управляющий вход делителя частоты соединен с блоком управления и обработки сигналов, которым задаются фиксированные частоты модуляции  соответствующие доплеровскому сдвигу частоты для заданной на данном временном интервале имитируемой скорости снаряда V, при этом отраженное от снаряда излучение принимается лазерной баллистической измерительной системой, которая вычисляет имитируемую скорость снаряда , а комплекс определяет погрешности измерения скорости движения снаряда ΔV=V - Vна различных временных интервалах, где λ - длина волны одночастотного лазера.
i
iз
iи
iз
iи
Другой отличительной особенностью заявляемого изобретения является то, что продольная ось снаряда связана с ротором электрического двигателя и образцовым тахометром, при этом погрешность измерения скорости вращения снаряда определяется соотношением Δω=ω -ω, где ω - значение скорости по тахометру, ω - значение скорости измеренное лазерной баллистической измерительной системой.
Осуществление изобретения.
На фиг. 6 представлена функциональная схема имитационно-испытательного комплекса для лазерной баллистической измерительной системы.
Имитационно-испытательный комплекс для лазерной баллистической измерительной системы содержит лазерную баллистическую измерительную систему с одночастотным лазером 30, волоконно-оптическую приемную систему 31, блок управления и обработки информации 32. Выход одночастотного лазера 30, соединен с входом частотного модулятора 33, а его выход соединен с входом волоконно-оптического коллиматора 34, излучение с которого направлено на неподвижный в продольном направлении снаряд 35, продольная ось которого соединена с электрическим двигателем 36 и тахометром 37. Частота модуляции модулятора 33 задается высокочастотным генератором 38 и делителем частоты 39.
iз
1
n
iи
i
iз
iи
Устройство функционирует следующим образом. На неподвижный, продольном направлении снаряд 35, направляется излучение одночастотного лазера 30, входящего в состав лазерной доплеровской измерительной баллистической системы. Излучение одночастотного лазера 30 проходит частотный модулятор 33. Блок управления и обработки информации 32 задает делителем частоты 39, величины частот модуляции излучения одночастотного лазера, соответствующих заданным скоростям движения снаряда V, на временных интервалах t-t (фиг. 7). Отраженное от неподвижного снаряда излучение принимается волоконно-оптической приемной системой 31 лазерной баллистической измерительной системой, которая производит обработку принятой информации и вычисляет текущую (имитируемую) на данном временном интервале времени скорость снаряда V по значениям доминирующих частот в спектре отраженного сигнала. Далее определяются погрешности измерения скорость движения снаряда (имитируемая) на различных временных интервалах ΔV=V-V.
iз
1
2
iи
в
в
1
2
и
iз
i
iз
iи
Одновременно с этим, снаряд 35 приводится во вращательное движение относительно своей продольной оси электрическим двигателем 36, а заданная угловая скорость ω измеряется тахометром 37. Лазерная баллистическая измерительная система по паре гармоник f и f вторичной модуляции, расположенных ближе всех к доминирующей частоте, вычисляет угловую скорость вращения снаряда вокруг продольной оси ω=2πƒ, где ƒ=(ƒ-ƒ)/2. По измеренной угловой скорости вращения снаряда ω, и заданной угловой скорости ω определяется погрешность измерения угловой скорости вращения снаряда Δω=ω-ω. Заявляемое устройство позволит проводить испытания лазерной баллистической измерительной системы и устанавливать ее тактико-технические характеристики:
- погрешность измерения начальной скорости снаряда;
- погрешность измерения скорости вращения снаряда. Все компоненты системы являются стандартными для телекоммуникационных применений.
Использованные источники информации:
1. Натурный эксперимент: Информационное обеспечение экспериментальных исследований / А.Н. Белюнов, Г.М. Солодихин, В.А. Солодовников и др. / Под ред. Н.И. Баклашова. - М: Радио и связь, 1982, с.13-15.
2. Патент RU 2610905 на изобретение заявка: 2015122034 от 09.06.2015 МПК G01S 17/58 (2006.01) опубликован: 17.02.2017 Бюл. №5.
3. Патент RU 2515580 на изобретение заявка: 2013112556/07 от 20.03.2013 МПК G01S 13/58 (2006.01) опубликован: 10.05.2014 Бюл. №13.