АДАПТИВНОЕ УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ДВИЖЕНИЯ СНАРЯДА НА ЭТАПЕ ВНУТРЕННЕЙ БАЛЛИСТИКИ
ADAPTIVE DEVICE FOR MEASURING THE PARAMETERS OF PROJECTILE MOTION AT THE STAGE OF INTERNAL BALLISTICS

Изобретение относится к устройствам баллистической подготовки стрельбы артиллерийских орудий и может использоваться для введения поправок стрельбы в автоматическом режиме самоходных артиллерийских орудий.
В качестве аналога может быть рассмотрена система подготовки в автоматизированном режиме стрельбы из артиллерийского орудия (патент RU 2351874 на изобретение заявка: 2019127647/02 МПК G01C 19/72 (2006.01) опубликован: 17.03.2020 Бюл. №8 (см. фиг. 1 Приложения 1).
В аналоге с внешней стороны ствола 1 установлены датчики температуры 2 (см. фиг. 1). При стрельбе в автоматизированном режиме с датчиков температуры 2 считывают сигнал, пропорциональный температуре ствола по всей его длине, значение которого учитывают при расчете на бортовой ЭВМ орудия и введении поправки в начальную скорость снаряда.
Недостатком данного решения является то обстоятельство, что температура ствола лишь косвенно влияет на начальную скорость снаряда. На начальную скорость снаряда существенное влияние оказывают такие факторы как:
- износ канала ствола орудия;
- отклонения от нормальной (+15°С) температуры метательного заряда;
- изменения свойств партии метательных зарядов;
- баллистических характеристик снарядов.
Комплексной характеристикой движения снаряда в стволе орудия являются, его линейные и угловые скорости и ускорения.
Другим аналогом является система измерения трехмерного линейного и углового ускорения и перемещения объекта в пространстве с использованием волоконных брэгговских решеток (патент RU 2716867 на изобретение заявка: 2006143127/02, МПК G01C 19/72 (2006.01) опубликован: 10.04.2009 Бюл. №10 (см. фиг. 2 Приложения 1).
На фиг. 2 приведена блок схема системы измерения и оценки кориолисовых сил инерции для получения значений вибрации, ускорения, и перемещения объекта в пространстве по трем осям X,Y,Z вращения и трем осям перемещения X,Y,Z объекта. Система содержит:
- цифровое вычислительное устройство - 3;
- драйвер управления сверхлюминесцентным диодом - 4;
- кабель управления - 5;
- сверхлюминесцентный диод - 6;
- оптоволоконный световод - 7;
- спектрометр - 8;
- оптический циркулятор - 9;
- датчик измерения с ВБР - 10;
- блок формирования широкополосного сигнала светового потока - 11.
B1
B9
Датчик измерения служит для передачи воздействия от движения объекта в пространстве по трем осям X,Y,Z относительного вращения и трем осям перемещения X,Y,Z посредством смещения мерного грузика относительно корпуса посредством преобразования сигналов от деформаций (растяжения - сжатия, изгиба) от датчиков ВБР (волоконно-оптических решеток Брэгга) - результата измерений оптоволоконного резонанса светового потока от длин волн λ(λ).
В состав блока формирования широкополосного сигнала светового потока входит драйвер управления сверлюминесцентным диодом 4, кабель управления - 5, сверхлюминесцентный диод (СЛД) - 6, оптоволоконный световод - 7. Цифровое вычислительное устройство 3, представляет собой персональный компьютер, либо бортовую цифровую вычислительную машину, которая осуществляет роль управления формированием светового потока, и роль сбора, обработки и анализа полученных из спектрометра данных программным способом.
Система измерения трехмерного линейного и углового ускорения и перемещения объекта в пространстве с использованием волоконных брэгговских решеток работает следующим образом.
B
B
eff
eff
Деформация датчиков ВБР приводит к растяжению - сжатию, изгибу оптических волокон датчиков ВБР и изменению периода решеток Брэгга - (и как следствие изменению длины волны - λ, согласно формулы - λ=2Λ⋅n - (где n - эффективный коэффициент отражения сигнала светового потока). Формируется отраженный световой поток полезного сигнала от ВБР из основного светового потока, поданного со СЛД 6, через оптический циркулятор - 9. В сущности, он является комбинированным полезным измерительным сигналом оптической деформации датчиков ВБР по трем осям X,Y,Z относительного вращения и трем осям перемещения X,Y,Z. Аналоговый сигнал (световое излучение) попадает в спектрометр 8, где преобразуется в цифровой электрический сигнал и поступает для дальнейшей обработки в цифровое вычислительное устройство - 3. Данные, попадая на цифровое вычислительное устройство, обрабатываются, и после обработки выводятся в удобном для пользователя виде.
Формирование лазерного сигнала осуществляется путем подачи сигнала от цифрового вычислительного устройства 3, который по электрическому кабелю 5 попадает на блок формирование лазерного сигнала 11, в драйвер управления СЛД 4. Основное назначение драйвера - управление параметрами лазерного излучения путем поддержания тока накачки лазера и заданной температуры в корпусе СЛД.
В блоке формирования широкополосного сигнала светового потока 11 формируется лазерное излучение - световой поток, который по оптоволоконному световоду поступает в оптический циркулятор 9, основное назначение которого - формирование полезного сигнала светового потока, полученного от ВБР. Циркулятор 9 - оптический прибор, разделяющий световой поток на три части по трем портам с помощью встроенных в него оптических призм. С первого порта от СЛД световой поток поступает на второй порт циркулятора, далее на датчики ВБР. Отраженные сигналы светового потока датчиков ВБР в направлении противоположном основному потоку поступают через циркулятор 9 на спектрометр 8.
В спектрометре 8 происходит преобразование светового потока в параллельное упорядоченное излучение для восприятия его части системой измерения, и получения кадра световой картины измеряемого полезного сигнала светового потока на - ПЗС (прибор с зарядовой связью - матрица). ПЗС прибор позволяет получить аналоговый сигнал видео. Для получения цифрового высокоскоростного изображения - кадра полезного сигнала служит аналого-цифровой преобразователь. Для передачи данных цифрового кадра существует конвертор протокола цифрового сигнала кадра изображения, входящий в состав аналого-цифрового преобразователя. С выходного разъема спектрометра 8 по протоколу, кадр для обработки поступает на вход цифрового вычислительного устройства 3, где обрабатывается для получения данных измерения трехмерного ускорения, вибрации и перемещения.
Недостатком данного решения является невысокая чувствительность кадра световой картины измеряемого полезного сигнала светового потока на ПЗС-матрице к деформационному изменению резонансной длины волны. Наиболее близким устройством (прототип) является распределенная волоконно-оптическая измерительная система с датчиками Брэгга, (патент RU 171551 на полезную модель заявка: 2016120549/05 МПК G01B 9/02, G01D 5/26 (2006.01) опубликован: 06.06.2017 Бюл. №16 (см. фиг. 3 Приложения 1). На фиг. 3 Приложения 1 представлена функциональная схема распределенной волоконно-оптической измерительной системы с датчиками Брэгга. Распределенная волоконно-оптическая измерительная система содержит:
- широкополосный источник излучения 6;
- циркулятор 9;
- оптоволоконные датчики Брэгга 10;
- блок управления и обработки 12;
- спектральный анализатор 8;
- фотоприемник 13;
- усилитель 14;
- синхронный детектор 15;
- генератор синусоидального напряжения 16;
- низкочастотный фильтр 17;
- детектор полярности 18;
- микроконтроллер 19;
- цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 20;
- сумматор 21;
- схему согласования 22.
Выход спектрального анализатора 8 последовательно соединен с фотоприемником 13, усилителем 14 и сигнальным входом синхронного детектора 15. Генератор синусоидального напряжения 16 соединен с опорным входом синхронного детектора 15, выход которого через низкочастотный фильтр 17 и детектор полярности 18 соединен с цифровыми входами микроконтроллера 19, Цифровой выход микроконтроллера 19 соединен с цифровым входом цифроаналогового преобразователя 20, а аналоговый выход цифроаналогового преобразователя соединен с одним из входов сумматора 21. Второй вход сумматора 21 соединен с генератором синусоидального напряжения 16, выход сумматора 21 через схему согласования 22 подключен к управляющим электродам спектрального анализатора 8, выполненного, например, по схеме несбалансированных интерферометров Маха-Цендера.
Система работает следующим образом. Широкополосный источник излучения 6, соединенный с входным портом циркулятора 9, направляет световую энергию через двунаправленный порт циркулятора 9 к датчикам Брэгга 10 по волоконно-оптическому кабелю. Излучение, отразившись от датчиков Брэгга 10, по волоконно-оптическому кабелю и двунаправленный порт циркулятора 9 попадает на выходной порт циркулятора 9 и поступает на вход спектрального анализатора 8, построенного на основе, например, несбалансированных интерферометров Маха-Цендера. На управляющие электроды несбалансированных интерферометров Маха-Цендера от генератора синусоидального напряжения 16 через сумматор 21 и схему согласования 22 подается напряжение, изменяющее разность хода плеч интерферометров по синусоидальному закону.
Это приводит к тому, что положение максимума пропускания по шкале длин волн интерферометров Маха-Цендера также меняется по синусоидальному закону. Одновременно с этим микроконтроллер 19 на своих цифровых выходах программным образом выставляет последовательно нарастающие кодовые комбинации, попадающие на цифровой вход цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 20, в результате чего напряжение на выходе ЦАП 20 ступенчато увеличивается. Величина ступеньки определяется разрядностью ЦАП. Таким образом, на входах сумматора 21, а также на управляющих электродах спектрального анализатора 8 одновременно присутствуют синусоидальное и линейно нарастающее напряжение, что приводит к соответствующему изменению разности хода плеч интерферометров. В результате на восходящем участке спектра отражения датчика Брэгга сигнал на выходе синхронного детектора 15 будет совпадать по фазе с напряжением генератора 16, а на нисходящем участке спектра отражения датчиков Брэгга сигнал на выходе синхронного детектора 15 будет отличаться по фазе с напряжением с генератора 16, на 180 градусов. В максимуме спектра отражения датчика Брэгга сигнал на выходе синхронного детектора 15 будет иметь значительно меньшую амплитуду и удвоенную частоту. После низкочастотного фильтра 17, будет положительное постоянное напряжение на восходящем участке спектра отражения датчика Брэгга, близкое к нулю в точке максимума спектра, и отрицательное постоянное напряжение - на нисходящем участке спектра отражения датчика Брэгга. Детектор полярности 18 выставит логическую единицу на первый цифровой выход, если рабочая точка спектрометра находится на восходящем участке спектра отражения брэгговской решетки. Если рабочая точка спектрометра находится на нисходящем участке спектра отражения датчика Брэгга, детектор полярности 18 выставит логическую единицу на второй цифровой выход. На цифровом выходе детектора полярности 18 будет логический ноль, если длина волны спектрометра находится в максимуме спектра отражения датчика Брэгга.
Эти цифровые сигналы будут приняты микроконтроллером 19, и по величине кода на входе ЦАП 20, в этот момент времени будет определена информационная длина волны отраженного излучения соответствующего датчика Брэгга.
Недостатком данного решения является не достаточное быстродействие, определяемое постоянной времени низкочастотного фильтра, включенным на выходе синхронного детектора.
Задачей заявляемого адаптивное устройство измерения параметров движения снаряда на этапе внутренней баллистики, это увеличение быстродействия и точности измерения, линейных и угловых скоростей и ускорений снаряда в стволе орудия, которые учитывают при введении поправки.
Технический результат, направленный на решение поставленной задачи, достигается за счет быстродействия и точности измерения времени, прохождения снарядом измерительных сечений ствола орудия, в которых установлены деформационные датчики на решетках Брэгга, и заключается в том что, аналоговый выход фотоприемного устройства, соединен с входом дифференцирующего устройства первой производной сигнала. Выход дифференцирующего устройства первой производной сигнала соединен с входами детектора нулевого уровня первой производной сигнала и дифференцирующего устройства второй производной сигнала. Выход дифференцирующего устройства второй производной сигнала соединен с входом детектора отрицательного значения второй производной сигнала, при этом выхода детекторов вместе с выходом датчика выстрела, соединены с входами модуля фиксации временных интервалов 10, прохождения снарядом измерительных сечений.
На фиг. 1 представлена функциональная схема адаптивного устройства измерения параметров движения снаряда, на этапе внутренней баллистики.
ip
ф
ic
ic
1c
1c
1p
1p
1ф
1р
2
2
Устройство содержит: источник широкополосного излучения 1, волоконно-оптический циркулятор 2, оптоволоконные деформационные датчики Брэгга 3, установленные в измерительных сечениях ствола орудия, перестраиваемый волоконный фильтр 4, фотоприемное устройство 5, дифференцирующее устройство первой производной сигнала 6, дифференцирующее устройство второй производной сигнала 7, детектор нулевого уровня первой производной сигнала 8, детектор отрицательного значения второй производной сигнала 9, модуль фиксации временных интервалов 10, микроконтроллер 11, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 12, датчик выстрела 13, блок управления и обработки 14. Устройство работает следующим образом. Излучение от широкополосного источника излучения 1, через входной порт волоконно-оптического циркулятора 2, направляется по оптическому волокну, на деформационные датчики Брэгга 3, размещенные в измерительных сечениях. Излучение, отразившись от датчиков Брэгга 3, по волоконно-оптическому кабелю и двунаправленный порт циркулятора 2, проходит на выходной порт циркулятора 2, и далее на вход перестраиваемого волоконного фильтра 4. До выстрела определяются начальные величины резонансных длин волн λ деформационных датчиков Брэгга 3, которые могут меняться из-за влияния не информативных воздействий (температуры, деформации). Для этого изменяя кодовую комбинацию цифроаналогового преобразователя 12 ступенчато увеличивают напряжение U, на перестраиваемом волоконном фильтре 4 (фиг. 2). При этом осуществляется дифференцирование сигналов с фотоприемника 5, дифференцирующим устройством первой производной сигнала 6 и дифференцирующим устройством второй производной сигнала 7, определяя значения первых dU и вторых производных dU сигнала. Детектором нулевого уровня первой производной сигнала 8, и детектором отрицательного значения второй производной сигнала 9, вместе с модулем фиксации временных интервалов 10, определяют время и код, когда значения dU=0, и dU<0 соответствуют резонансной длине волны λ первого по движению снаряда деформационного датчика Брэгга 3. Значение резонансной длины волны λ, и соответствующее ей напряжение на перестраиваемом волоконном фильтре - U=U сохраняют в оперативной памяти микроконтроллера 11. Аналогичные действия производят с последующими деформационными датчиками Брэгга, периодически повторяя все эти операции до выстрела. Эти операции позволяют адаптировать систему к возможным изменениям деформации и температуры деформационных датчиков Брэгга 3, до выстрела.
0
1ф
1фр
1ф
1p
1фр
1рд
c
ш
1ф
1p
При выстреле во время t, срабатывает датчик выстрела 13, сигнал с которого запускает модуль фиксации временных интервалов 10, отсчитывающий интервалы времени движения снаряда между измерительными сечениями. Одновременно с этим микроконтроллер 11 устанавливает на перестраиваемом волоконном фильтре 4 напряжение U<U, (ранее сохраненное значение U=U в оперативной памяти микроконтроллера 11) при котором λ<λ, а сигнал с фотоприемника U=U≈0. В момент времени, когда задняя часть снаряда находится в первом измерительном сечении, от воздействия давления пороховых газов ствол орудия в этом сечении расширяется и деформируется. Деформируется и первый деформационный датчик Брэгга 3, а его резонансная длина волны и сигнал с фотоприемника 5, увеличивается. Одновременно с этим, ступенчато увеличивая напряжение, на перестраиваемом волоконном фильтре 4, начиная с ранее установленного значения U<U, и осуществляют дифференцирование сигналов с фотоприемника 5.
1
1c
1c
1
2
В момент времени t когда первая и вторая производные сигнала с фото приемника соответствуют соотношениям dU=0, a dU<0, что соответствует прохождению снарядом первого измерительного сечения на выходе детектора нулевого уровня первой производной сигнала 8, и детектора отрицательного значения второй производной сигнала 9, появляются импульсы, которые попадают в модуль фиксации временных интервалов. При этом, модуль фиксации временных интервалов 10 фиксирует время t, в памяти микроконтроллера 11.
2ф
2p
2ф
2p
c
ш
2ф
2р
2
2c
2c
3
n
2
Затем фиксируют на перестраиваемом фильтре 4, напряжение U<U, соответствующее длине волны пропускания фильтра λ<λ, при которой сигнал с фотоприемника 5, U=U≈0, и начинают отсчет времени, одновременно увеличивая ступенчато напряжение на перестраиваемом волоконном фильтре 4, начиная со значения U<U и осуществляя дифференцирование сигналов с фотоприемника 5, а модуль фиксации временных интервалов 10 фиксирует время tкогда первая и вторая производные сигнала с фотоприемника dU=0, a dU<0, что соответствует времени прохождения снарядом второго измерительного сечения. Далее повторяют перечисленные операции для последующих измерительных сечений и определяют t…t.
i
i
Принимая длину участков между измерительными сечениями равными L и измеряя время t прохождения этих участков снарядом, вычисляют линейные, угловые скорости и ускорения снаряда в стволе орудия по формулам:
i
где V - линейная скорость снаряда на i-ом участке;
i
a- линейное ускорение снаряда на i-ом участке;
i
ω - угловая скорость снаряда на i-ом участке;
ωi
a - угловое ускорение снаряда на i-ом участке;
i
α - угол наклона нарезов ствола на i-ом участке;
d - калибр ствола, мм.
Предлагаемое адаптивное устройство измерения параметров движения снаряда на этапе внутренней баллистики, за счет высокого быстродействия и точности измерения, линейных и угловых скоростей и ускорений снаряда в стволе орудия, позволит повысить скорость и точность введения поправок стрельбы в автоматическом режиме артиллерийских орудий, а также улучшить боевую эффективность стрельбы.
Широкополосным источником излучения может быть стандартный суперлюминесцентный светоизлучающий диод. Все компоненты системы, в том числе циркулятор и оптический приемник, являются стандартными для телекоммуникационных применений; блок управления и обработки может быть выполнен с использованием стандартной аналоговой и микропроцессорной техники. В качестве управляемого перестраиваемого фильтра может быть использован перестраиваемый волоконный фильтр Фабри-Перо FP-TF с рабочим диапазоном длин волн 1460-1620 нм.