СПОСОБ БЕСКОНТАКТНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ МЕТАЕМОГО ОБЪЕКТА
METHOD FOR CONTACTLESS DETECTION OF MISSILE SPEED

Изобретение относится к фотограмметрическим методам определения скорости движения объектов при проведении аэробаллистических, террадинамических, ударных, осколочных и других видов испытаний. Преимущественная область применения - определение скорости метаемого объекта (МО) при проведении испытаний в условиях полигона вне стационарных баллистических трасс.
Для изучения быстродвижущихся объектов находит применение фотограмметрический метод, описанный в книге А.Н.Лобанова «Фототопография. Наземная фотограмметрическая съемка», изд-во геодезической литературы, Москва, 1960, стр.163. Метод заключается в многократном синхронном фотографировании движущегося объекта на два неподвижных снимка, что делает возможным определение кинематических параметров движения, характеризующих пространственные координаты последовательных положений объекта. Для этой цели используют традиционную методику наземной съемки, основанную на различных способах прямой фотограмметрической засечки. Скорость движения объекта рассчитывают по его последовательным мгновенным положениям. При этом летящий объект фотографируют через равные промежутки времени при помощи прикрепленного к нему трассера, в результате чего на снимке получается изображение траектории в виде пунктирной линии. По снимкам определяют координаты точек траектории, соответствующих произведенным во время съемки экспозициям, и вычисляют расстояния между ними. Зная расстояния между соседними точками траектории и интервал времени между экспозициями, вычисляют скорость объекта на различных участках траектории. Точность определения параметров пространственного положения объекта определяется, в основном, погрешностью измерения координат снимков и погрешностью внутреннего и внешнего ориентирования снимков, что предполагает тщательную геодезическую привязку реперной системы и фоторегистрирующей аппаратуры в геодезической (неподвижной) системе координат, что, в свою очередь, ограничивает область применения метода стационарными баллистическими трассами.
Известен способ бесконтактного определения скорости метаемого объекта, основанный на проведении его силуэтно-теневого фотографирования, описанный в книге С.И.Герасимова, Ю.И.Файкова «Теневое фотографирование в расходящемся пучке света», Саров: ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ", 2010. - стр.171-180, 300, выбранный в качестве прототипа для заявляемого способа. В схеме силуэтно-теневого фотографирования осуществляют одновременное фотографирование теневого изображения модели и ее силуэта на фоне координатной сетки экрана. По взаимному расположению силуэта и тени на фоне неподвижной координатной сетки определяют пространственные координаты объекта. Имея несколько зафиксированных положений МО и зная времена экспонирования фотопленки, вычисляют скорость объекта на траектории.
С целью определения скорости движения МО используют расположенный в вертикальной плоскости параллельно линии прицеливания экран с нанесенной на него масштабной сеткой (мерный экран), несколько регистрирующих фотокамер и точечных источников света, размещенных вдоль линии прицеливания. В момент пролета МО областей фоторегистрации производят фотографирование заданных областей и регистрируют моменты экспонирования пленки (светочувствительного элемента фоторегистратора). Значение скорости полета МО определяют как частное от деления расстояния между двумя последовательными положениями МО на разность времен фиксации этих положений. Ввиду того, что траектория полета МО и мерный экран находятся на некотором расстоянии друг от друга, то для определения расстояния между положениями МО по фотоснимкам необходимо учитывать явление параллакса, для корректного учета которого необходима тщательная предварительная геодезическая привязка мерного экрана, фоторегистрирующей аппаратуры и линии прицеливания, что в полевых условиях обеспечить крайне затруднительно.
Решаемой технической задачей является создание для полигонных испытаний технологически простого способа бесконтактного определения скорости метаемого объекта, основанного на использовании фотограмметрических методов, корректно учитывающего явление параллакса и, вследствие чего, повышающего точность определения скорости.
Ожидаемый технический результат при использовании заявляемого способа заключается в повышении точности измерения скорости метаемого объекта, исключении влияния параллакса при проведении фотограмметрических измерений, а также в существенном упрощении процесса подготовки измерительного оборудования к опыту ввиду отсутствия трудоемкой и технологически сложной операции геодезической привязки линии прицеливания, мерного экрана и фоторегистрирующей аппаратуры.
Технический результат достигается за счет применения способа бесконтактного определения скорости метаемого объекта, включающего установку вдоль траектории полета метаемого объекта по крайней мере одного фоторегистратора, размещение в вертикальной плоскости вдоль линии прицеливания в области фоторегистрации по крайней мере одного экрана с нанесенной на него масштабной ортогональной сеткой и осью координат, запуск МО, фотографирование двух последовательных положений движущегося МО, регистрацию моментов экспонирования светочувствительных элементов каждого фоторегистратора, определение по полученным изображениям скорости метаемого объекта как частного от деления расстояния между двумя последовательными положениями МО к разности времен фиксации этих положений. В отличие от прототипа в области фоторегистрации размещают реперные метки, экран устанавливают непосредственно в вертикальной плоскости стрельбы, ось координат каждого экрана совмещают с линией прицеливания. До запуска МО каждым фоторегистратором фотографируют соответствующие участки каждого экрана, затем экраны убирают и производят запуск метаемого объекта. Полученные изображения каждого положения МО накладывают на соответствующие изображения экранов, полученные до запуска МО, с совмещением реперных меток. При этом по крайней мере одно из изображений для каждого участка фоторегистрации делают полупрозрачным. Расстояние между двумя последовательными положениями метаемого объекта определяют по масштабной сетке на полученных совмещенных изображениях.
Размещение реперных меток в области фоторегистрации дает возможность правильного позиционирования совмещаемых изображений при случайном изменении ракурса съемки.
Установка экранов непосредственно в плоскости стрельбы позволяет исключить влияние параллакса при проведении фотограмметрических измерений, поскольку и МО, и масштабная ортогональная сетка, по которой определяют его пространственное положение, находятся в одной плоскости. Такой подход повышает точность определения продольной координаты МО, а следовательно, и его скорости движения. При этом ракурс съемки не влияет на процесс определения продольной координаты МО, что, во-первых, снимает требования геодезической привязки линии прицеливания, экранов и фоторегистрирующей аппаратуры и, во-вторых, снижает требования к точности запуска регистрирующей аппаратуры, что существенно упрощает процесс подготовки измерительного оборудования к испытаниям. (В прототипе для уменьшения влияния параллакса при проведении фотограмметрических измерений экран максимально, насколько это было возможным, приближали к линии прицеливания, а также стремились, чтобы изображение МО находилось в центре снимка на оптической оси фоторегистратора).
Кроме того, исключение влияния параллакса при проведении фотограмметрических измерений позволяет иметь корректные измерения продольных координат нескольких положений МО при увеличенной зоне регистрации при многократном экспонировании пленки, что допускает использование одного фоторегистратора для определения скорости движения МО.
Совмещение оси координат с линией прицеливания и установка каждого экрана в вертикальной плоскости обеспечивают требуемое позиционирование масштабной ортогональной сетки для корректного определения продольной координаты МО, отклонения МО от линии прицеливания и угла тангажа. При этом оптические искажения, возникающих в процессе фоторегистрации, например сферическая аберрация, одинаково сказываются как на изображении координатной сетки, так и объекта.
Фотографирование до запуска МО каждым фоторегистратором соответствующих участков экранов обеспечивает координатную привязку области регистрации в системе координат, связанной с экранами.
Фотографирование последовательных положений МО при убранных экранах обеспечивает возможность свободного движения метаемого объекта и получение его изображений на участках фоторегистрации.
Выполнение одного из изображений для каждого участка фоторегистрации полупрозрачным и последующее его наложение на другое с совмещением реперных меток позволяет получить совмещенные изображения масштабной сетки и метаемого объекта, исключить возможное случайное между двумя последовательными снимками изменение ракурса съемки, определить по масштабной сетке на полученных совмещенных изображениях расстояние между двумя последовательными положениями МО и его скорость движения.
Изобретение поясняется фигурами: фиг.1 - схема размещения оборудования при осуществлении способа (вид в плане); фиг.2 - внешний вид экрана с нанесенной на него масштабной ортогональной сеткой и осью координат; фиг.3 - изображения участков фоторегистрации до опыта с соответствующими участками экрана и реперными метками; фиг.4 - изображения участков фоторегистрации в процессе проведения опыта в моменты пролета МО; фиг.5 - совмещенные изображения участков экрана с масштабной сеткой и МО.
Заявляемый способ определения скорости метаемого объекта осуществляется следующим образом.
Вдоль траектории полета 1 метаемого объекта 2 на заданном расстоянии друг от друга (~1.5 м) устанавливают, в данном случае, два фоторегистратора 3. В области фоторегистрации 4 размещают реперные метки 5 и, в данном случае, один экран 6 с нанесенной масштабной ортогональной сеткой 7 и осью координат 8 (фиг.1÷3). Экран 6 вывешивают в вертикальной плоскости 9, ось 8 его совмещают с линией прицеливания 10 при помощи лазерного целеуказателя (на фиг. не показан), устанавливаемого в канал ствола 11 со стороны дульного среза. До запуска метаемого объекта 2 каждым фоторегистратором 3 фотографируют соответствующий участок экрана 12 (фиг.3), затем экран 6 убирают. Производят запуск метаемого объекта 2 и фотографирование двух его последовательных положений (фиг.4), регистрируя при этом моменты экспонирования светочувствительных элементов фоторегистраторов (фотопленки или матрицы цифрового фотоаппарата). При помощи средств графического редактора одно из изображений для каждого участка экрана делают полупрозрачным и накладывают на другое с совмещением реперных меток 5 (фиг.5). По полученным совмещенным изображениям участков экрана 12 и метаемого объекта 2 определяют расстояние между двумя последовательными положениями метаемого объекта 2, скорость которого вычисляют как частное от деления полученного расстояния к разности времен фиксации этих положений.
Предложенный способ бесконтактного определения скорости метаемого объекта, основанный на использовании фотограмметрических методов, позволяет исключить влияние параллакса, существенно повысить точность определения скорости МО и технологичность процесса подготовки измерительного оборудования к испытаниям.
Предлагаемый способ определения скорости метаемого объекта был экспериментально апробирован при проведении аэробаллистических испытаний на многоцелевом испытательном комплексе РФЯЦ-ВНИИЭФ. Отклонение величины скорости, полученной вышеописанным способом, от величины скорости, полученной с использованием контактных электрохронографических датчиков пробойного типа (наиболее точный на сегодняшний день способ определения скорости движения МО), составляет 0.2%.