СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ НАЧАЛЬНОЙ СКОРОСТИ СНАРЯДА ЛАЗЕРНОЙ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМОЙ
METHOD FOR MEASURING INITIAL VELOCITY OF PROJECTILE BY LASER FIBER-OPTIC SYSTEM

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного измерения начальной скорости снаряда, являющейся одной из важнейших баллистических характеристик оружия, оказывающей влияние на его боевые свойства.
Аналогом данного технического решения является способ измерения внешнебаллистических характеристик снаряда (патент RU 2515580 на изобретение заявка: 2013112556/07 МПК G01S 13/58 (2006.01), опубликован: 10.05.2014. Бюл. № 13).
Способ основан на излучении электромагнитной энергии в направлении движения снаряда, приеме электромагнитной энергии отраженной от снаряда, преобразовании аналогового сигнала в цифровой вид, записи сигналов в блок памяти, формировании последовательности дискретных значений его текущей скорости по реализациям доплеровского эхо-сигнала снаряда, вычислении по текущей скорости начальной скорости снаряда с учетом установленной задержки начала его наблюдения относительно момента вылета из ствола орудия, оценивании достоверности дискретных значений текущей скорости снаряда для каждой позиции в полученной последовательности содержащихся в них 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, определяют ширину спектра доплеровского эхо сигнала, определяют по ширине спектра площадь максимального сечения снаряда плоскостью, перпендикулярной линии визирования снаряда, по изменению данной площади на каждой позиции судят о величине нутации снаряда, дополнительно в спектре доплеровского эхо-сигнала определяют частоты гармоник вторичной модуляции эхо-сигнала, вызванной асимметрией распределения массы снаряда относительно его продольной оси, вычисляют по формуле
угловую скорость вращения снаряда вокруг продольной оси, где
вр
1
2
f=(f-f)/2,
1
2
f и f – частоты, соответствующие максимумам первых парных гармоник вторичной модуляции доплеровского эхо-сигнала.
Работа устройства для измерения внешнебаллистических характеристик снаряда функционирует следующим образом (фиг. 1).
При нажатии на боевую кнопку происходит одновременный запуск устройства 1 для измерения внешнебаллистических характеристик и срабатывание метательного устройства 2, при этом в момент выхода снаряда 4 из канала ствола срабатывает индукционный датчик 3. Доплеровский радиолокатор 5 осуществляет излучение электромагнитной энергии в направлении движения снаряда, отраженный от снаряда сигнал поступает на первый вход ключа 6, на второй вход которого поступает сигнал с выхода линии 7 задержки, на вход которой поступает сигнал с выхода индукционного датчика 3 (фиг. 2). 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 6 через аналого-цифровой преобразователь 8 поступает на вход блока 9 памяти, где осуществляется его запись. Обработка полученных данных осуществляется в блоке 10 обработки данных, при этом осуществляется анализ достоверности данных в анализаторе 14 достоверности данных (фиг. 3). Анализатор 14 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 (фиг. 6). 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 10 достоверности (фиг. 4) данных обеспечивает выборку участка повышенной достоверности данных и обеспечивает проверку достоверности текущей скорости, при этом скорость определяется в соответствии с выражением
где Δf – частота Доплера, λ – длина волны, Δϕ – угол наблюдения.
С выхода анализатора 14 достоверности данных сигналы поступают на входы блока 15 определения ширины спектра и блока 16 определения угловой скорости вращения снаряда.
Кроме того, сигнал с выхода анализатора 14 достоверности данных поступает на вход индикатора 11 скорости движения снаряда. Блок 15 определения ширины спектра обеспечивает:
- вычисление модуля быстрого преобразования Фурье (БПФ):
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 БПФ, S – действительная амплитуда n-й спектральной гармоники, частоту которой можно определить как:
- определение величины порога:
лт
-5
где Р – вероятность ложной тревоги, которая на практике обычно принимается равной 10,  – дисперсия шума, значение которой можно вычислить, проанализировав БПФ выходного сигнал радиолокатора при отсутствии движущихся объектов в его зоне видимости на соответствие закону распределения Релея;
пор
- 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 (фиг. 5);
- определение по ширине спектра площади максимального сечения снаряда плоскостью, перпендикулярной линии визирования снаряда,
- определение величины нутации снаряда по изменению данной площади на каждой позиции.
Сигнал с выхода блока 15 определения ширины спектра поступает на вход индикатора 12 ширины спектра. Блок 16 определения угловой скорости вращения снаряда обеспечивает определение угловой скорости вращения снаряда относительно продольной оси для выбранного участка измерения. Недостатком данного способа является зависимость точности измерения начальной скорости снаряда от угла между траекторией движения снаряда и направлением наблюдения.
Наиболее близким (прототип) способом является (патент RU 2715994 на изобретение, заявка: 2019127089 МПК G01S 13/58 (2006.01), опубликован: 05.03.2019. Бюл. № 7).
d1
d2
В данном способе излучение лазера распространяется в направлении движения снаряда, а прием отраженной от снаряда электромагнитной энергии осуществляется двумя оптическими телескопическими системами с частотами Доплера ƒ и ƒ, причем угол α между их оптическими осями известен и неизменен. При этом излучения от каждой из телескопических систем суммируют с излучением лазера в двух оптических смесителях, а начальную скорость снаряда определяют по формуле:
0
0
где λ – длина волны лазера и соответствующая ей частота ƒ;
0
d1
(ƒ-ƒ) – разностная частота излучения после первого смесителя;
0
d2
(ƒ-ƒ) – разностная частота излучения после второго смесителя.
D
Данное положение поясняется следующим. Частота отраженного от снаряда излучения при использовании эффекта Доплера зависит от скорости движущегося снаряда и углом ϕ между вектором скорости снаряда V и направлением наблюдения. При этом доплеровский сдвиг частоты излучения ƒ, связан с начальной скоростью снаряда соотношением:
0
где λ – длина волны электромагнитного излучения лазера; ϕ – угол между вектором скорости снаряда V и направлением наблюдения.
Погрешность измерения скорости, обусловленную погрешностью установки угла Δϕ между осью ствола и направлением наблюдения ϕ можно найти, дифференцируя соотношение (1) по ϕ.
Разделив ΔV на V из формулы (1), получим относительную погрешность:
Как следует из формулы (3) относительная погрешность измерения начальной скоростью снаряда определяется углом между вектором скорости снаряда V и направлением наблюдения. При углах наблюдения ~90° погрешность стремится к бесконечности. В полевых условиях эта погрешность может быть значительной. Так при ϕ=10° и абсолютной погрешности установки угла между осью ствола и направлением наблюдения Δϕ=1°, относительная погрешность измерения начальной скорости снаряда будет составлять 17,6%. Для исключения этой составляющей погрешности предлагается рассеянное и отраженное снарядом излучение, принимать двумя телескопическими оптическими системами, с известным и неизменным углом α между их оптическими осями.
В этом случае доплеровский сдвиг частот излучения будет составлять:
0
d1
d2
После оптического смешения излучения лазера с частотой ƒ, соответствующей длине волны λ, с излучениями соответствующих доплеровским сдвигам частот ƒ и ƒ получают:
Подставляя (4) в (5), получают систему двух уравнений (6) и (7):
0
1
2
В этих уравнениях величины ƒ, α известны, a Δƒ и Δƒ измерены. Решая систему двух уравнений, исключив из этих уравнений параметр ϕ, получают:
Как следует из выражения (8), начальная скорость снаряда не зависит от угла ϕ, а угол α можно конструктивно можно установить с любой наперед заданной точностью.
0
Устройство измерения начальной скорости снаряда (фиг. 6) функционирует следующим образом. Отраженное от снаряда излучение лазера с частотами Доплера принимается двумя оптическими телескопическими системами 2 и 3 угол между оптическими осями, которых равен α. Принятые излучения подают в оптические смесители – 4 вместе с излучением лазера 1 с частотой ƒ. После смесителей 4 сигналы с разностной частотой направляются в фотоприемники, установленные в блоке обработки доплеровских эхо-сигналов 5, который производит обработку сигналов и вычисление начальной скорости снаряда по формуле (8).
d1
d2
Недостатком описанного способа является маленькая разность частот ƒ и ƒ определяемая, в соответствии с формулами (4), малым углом α. Малый угол необходим для обеспечения пересечение оптических осей двух телескопических систем в зоне движения снаряда, при небольшом расстоянии между оптическими осями двух, рядом расположенных, объективов телескопических систем. Например, чтобы обеспечить пересечение оптических осей двух телескопических систем в зоне движения снаряда, на расстоянии ~30 метров от места установки приемной системы, угол α должен составлять 0,2°÷10,5°, при расстоянии между оптическими осями двух, рядом расположенных, объективов телескопических систем ~100 мм. tg 0,2°=100/30000=0,0035.
d
d2
d1
d2
d1
При скорости снаряда V=1000 м/сек. ϕ=0, α=0,2°, ƒ1=1290322580,6 Гц, ƒ=1290314719,5, а разность частот, рассчитанная по формулам (5) будет ƒ-ƒ=7861 Гц, что составляет 0,0006% от ƒ.
При тех же углах ϕ и α, а также скорости снаряда V=1001 м/сек.
d1
d2
d1
d2
ƒ=1291612903,2 Гц, ƒ=1291605153,5 Гц, ƒ-ƒ=7750 Гц.
Зарегистрировать изменение частоты в 11 Гц при частоте 1,29 ГГц, представляет собой достаточно сложную задачу.
Технической задачей изобретения является повышение точности измерения начальной скорости снаряда, при малых углах между оптическими осями телескопических систем.
Перепишем соотношение (8) в виде:
d1
Преобразуем (9), для чего в числителе дроби прибавим и вычтем ƒ. Тогда соотношение (9) запишется в виде:
Группируя в последнем соотношении члены, получим:
d1
d2
0
1
0
2
d1
d2
В соотношение (10) оптический сигнал с частотой ƒ-ƒ=ƒ-Δƒ-ƒ-Δƒ является результатом смешения оптических сигналов после первого и второго смесителей в третьем смесителе. В данном случае зарегистрировать изменение частоты в 11 Гц при частоте ƒ-ƒ=7750 Гц достаточно просто.
Новыми признаками, обладающими существенными отличиями по способу, является следующая совокупность действий.
1
0
d1
2
0
d2
d1
d2
1. Излучение с разностной частотой излучения после первого смесителя Δƒ=ƒ-ƒ и излучение с разностной частотой излучения после второго Δƒ=ƒ-ƒ суммируют в третьем смесителе, получая сигнал с разностной частотой (ƒ-ƒ).
2. Начальную скорость снаряда определяют по формуле:
.
Заявляемый способ являются результатом научно исследовательской и экспериментальной работы.
На фигуре 7 приведена схема проведения экспериментов, где:
1 – одночастотный лазер;
2, 3 – приемные телескопические системы;
4.1, 4.2, 4.3 – первый, второй и третий оптические смесители;
5 – блок обработки доплеровских эхо-сигналов с фотоприемниками.
d1
d2
0
1
2
1
1
2
Устройство измерения начальной скорости снаряда содержит одночастотный лазер 1, излучение которого направлено на траекторию движения снаряда. Отраженное от снаряда излучение лазера с частотами Доплера ƒ и ƒ принимается двумя оптическими телескопическими системами 2 и 3. Принятые излучения подают в первый 4.1 и второй 4.2 оптические смесители. Одновременно с этим в оптические смесители 4.1 и 4.2 приходит излучение лазера 1 с частотой ƒ. После смесителей 4.1 и 4.2 оптические сигналы с разностными частотами Δƒ и Δƒ направляются в третий смеситель 4.3. Оптические сигналы с разностными частотами Δƒ после первого смесителя и ƒd-ƒd после третьего смесителя попадают на два фотоприемника, установленных в блоке обработки доплеровских эхо-сигналов 5.
0
Устройство измерения начальной скорости снаряда функционирует следующим образом. Отраженное от снаряда излучение лазера с частотами Доплера принимается двумя оптическими телескопическими системами 2 и 3 угол между оптическими осями, которых равен α. Принятые излучения подают в оптические смесители 4 вместе с излучением лазера 1 с частотой ƒ. После первого 4.1 и второго 4.2 оптических смесителей сигналы с разностными частотами
1
0
1
2
0
2
Δƒ=ƒ-ƒd и Δƒ=ƒ-ƒd
1
2
1
1
2
направляются в третий оптический смеситель 4.3, на выходе которого будет оптический сигнал с разностной частотой ƒd-ƒd. Оптические сигналы с разностными частотами Δƒ после первого смесителя и ƒd-ƒd после третьего смесителя направляются на два фотоприемника установленных в блоке обработки доплеровских эхо-сигналов 5, который производит обработку сигналов и вычисление начальной скорости снаряда по формуле:
.
1
2
Таким образом, использование предлагаемого изобретения позволяет зарегистрировать малое изменение частоты ƒd-ƒd и компенсировать влияние угла между траекторией движения снаряда и направлением наблюдения на точность измерения начальной скорости снаряда.