ЛАЗЕРНЫЙ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ НАЧАЛЬНОЙ СКОРОСТИ СНАРЯДА
LASER FIBER-OPTIC METER OF INITIAL VELOCITY OF PROJECTILE

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 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 лазерного излучения 1, 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 фотоприемником 8. Выход оптического приемника 8 подключен к входу осциллографа 9, соединенному через USB-интерфейс с вычислительным устройством 10. При проведении эксперимента при измерении скорости пули 11 в стволе 12 пневматической винтовки также использовалось защитное оргстекло 13.
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. 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=2 нс. 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 зависимость точности измерения начальной скорости снаряда от угла между траекторией движения снаряда и направлением наблюдения.
Наиболее близким (прототип) является, доплеровский волоконно-оптический измеритель начальной скорости снаряда (патент RU 2727778 на изобретение заявка: 2019127087/08 МПК G01S 17/58 (2006/01), опубликован: 23.07.2020 Бюл. №21).
В данном устройстве доплеровский волоконно-оптический измеритель начальной скорости снаряда включает одночастотный лазер, волоконно-оптический разветвитель, коллиматор, приемную телескопическую систему, оптическая ось которой составляет угол ϕ к траектории полета снаряда, фотоприемник и блок обработки информации. Оптическая ось второй приемной телескопической системы, направлена под углом ϕ+α к траектории полета снаряда, при этом выход первого волоконно-оптического разветвителя соединен с входом второго волоконно-оптического разветвителя, один выход которого соединен с входом первого волоконно-оптического смесителя, а второй выход соединен с входом второго волоконно-оптического смесителя, причем приемные телескопические системы через волоконно-оптические коллиматоры соединены с вторыми входами волоконно-оптических смесителей, а выходы волоконно-оптических смесителей соединены с фотоприемниками, при этом начальная скорость снаряда V определяется по формуле
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.
Лазерный доплеровский измеритель начальной скорости снаряда (фиг. 2) содержит: одночастотный лазер - 1; волоконно-оптические разветвители - 14.1 и 14.2; волоконно-оптический кабель - 15; волоконно-оптический коллиматор - 7; приемные оптические телескопические системы - 16; волоконно-оптические смесители - 17.1 и 17.2; фотоприемники - 8; усилители - 24; аналого-цифровые преобразователи - 25; вычислительное устройство 26.
Лазерный доплеровский измеритель начальной скорости снаряда включает одночастотный лазер 1, выход которого соединен с первым волоконно-оптическим разветвителем 14.1, коэффициент деления которого составляет 99/1, один выход которого соединен волоконно-оптическим кабелем 15 с волоконно-оптическим коллиматором 7. Второй выход волоконно-оптического разветвителя 14.1, соединен с входом второго волоконно-оптического разветвителя 14.2, коэффициент деления которого составляет 50/50. Выходы второго волоконно-оптического разветвителя 14.2, соединены с входами первого и второго волоконно-оптических смесителей 17.1 и 17.2. Выходы приемных оптических телескопических систем 16 соединены волоконно-оптическим кабелем 15, с вторыми входами волоконно-оптических смесителей 17.1 и 17.2. Выхода волоконно-оптических смесителей 17.1 и 17.2, соединены с фотоприемниками 8, усилителями 24, аналого-цифровыми преобразователями 25, и блоком обработки информации 26. Устройство работает следующим образом. Излучение одночастотного лазера 1, через первый волоконно-оптический разветвитель 14.1, направляется по волоконно-оптическому кабелю 15 на вход волоконно-оптического коллиматора 7 и далее на снаряд. Отраженное (рассеянное) от снаряда излучение (доплеровские эхо-сигналы) принимается приемными оптическими телескопическими системами 16. В соответствии с эффектом Доплера, частоты сигналов с телескопических систем равны:
0
0
d1
d2
Принятые сигналы по волоконно-оптическим кабелям 15, направляются на волоконно-оптические смесители 17.1 и 17.2, выходы которых соединены с фотоприемниками 8. После оптического смешения излучения лазера с частотой ƒ соответствующей длине волны λ, с излучениями соответствующих доплеровским сдвигам частот ƒ и ƒ частоты сигналов на выходе фотоприемников, будут:
Подставляя (1) в (2) получают систему двух уравнений, решая которую имеют:
1
2
Как следует из выражения (3) начальная скорость снаряда не зависит от угла ϕ, а угол α конструктивно можно установить с любой наперед заданной точностью. Сигналы с фотоприемников 8 с частотами Δƒ и Δƒ усиливаются усилителями 24, преобразовываются аналого-цифровыми преобразователями 25 в цифровую форму и поступают в блок обработки информации 26, в котором производится обработка информации с использованием быстрого преобразование Фурье (БПФ) и вычисления начальной скорости снаряда в соответствии с соотношением (3).
dl
d2
Недостатком описанного устройства является маленькая разность частот ƒ и ƒ обусловленная, в соответствии с формулами (4), малым углом α. Малый угол необходим для обеспечения малых габаритов приемной системы и пересечения оптических осей двух приемных телескопических систем на достаточно большом расстоянии, в зоне движения снаряда. 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÷0,5°, при расстоянии между оптическими осями двух, рядом расположенных, объективов телескопических систем ~100 мм. tg 0,2°=0,0035=100/30000.
d1
d2
d1
d2
d1
При скорости снаряда V=1000 м/сек. ϕ=0, α=0,2°, ƒ=1290322580,6 Гц., ƒ=1290314719,5, а разность частот, рассчитанная по формулам (5) будет ƒ-ƒ=7861 Гц., что составляет 0,0006% от ƒ.
d1
d2
d1
d2
При тех же углах ϕ и α, а также скорости снаряда V=1001 м/сек. 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.
0
0
d1
0
d2
d1
d2
Заявленный технический результат достигается за счет того что, в известном устройстве содержащем одночастотный лазер с частотой излучения ƒ, волоконный выход которого соединен с входом первого волоконно-оптического разветвителя, один выход которого соединен оптическим волокном с волоконно-оптическим коллиматором, направляющим излучение лазера на снаряд, а второй выход соединен с входом второго волоконно-оптического разветвителя, первый волоконно-оптический смеситель оптических излучений с частотами ƒ и ƒ и второй волоконно-оптический смеситель оптических излучений с частотами ƒ и ƒ, причем выходы второго разветвителя соединены с первыми входами первого и второго волоконно-оптического смесителей, а вторые входа первого и второго смесителей соединены с приемными волоконно-оптическими коллиматорами оптических телескопических систем, оптические оси которых составляют углы ϕ и ϕ+α к траектории полета снаряда. В отличие от прототипа, предлагается зеркальная телескопическая система, в которой перед вспомогательным зеркалом телескопической системы установлен плоский непрозрачный экран прямоугольной формы, ширина и длина которого равны диаметрам вспомогательного и главного зеркал, соответственно. Перед фокальной плоскостью главного зеркала установлена бипризма, верхняя грань которой параллельна продольной оси непрозрачного экрана, при этом экран вместе с бипризмой разделяют поле зрения главного зеркала на две независимые части, которые составляют два расположенных под углом α друг к другу, приемных канала отраженных от снаряда излучений. За бипризмой под углами +β и -β к оптической оси главного зеркала, установлены два волоконно-оптических коллиматора. В схему дополнительно введены третий волоконно-оптический разветвитель и третий волоконно-оптический смеситель оптических излучений, с частотами ƒ и ƒ. Второй выход третьего разветвителя, соединен с первым входом третьего смесителя, а второй вход третьего смесителя соединен с выходом второго смесителя, причем выход третьего смесителя соединен с первым фотоприемником, а первый выход третьего разветвителя соединен со вторым фотоприемником, при этом начальная скорость снаряда V определяется по формуле
0
где λ - длина волны излучения лазера и соответствующая ей частота ƒ, на выходах первого и второго разветвителей;
d1
d2
ƒ, ƒ - частоты Доплера излучений, отраженные от движущегося снаряда и принятые двумя каналами телескопической системы под углами ϕ и ϕ+α к траектории движения снаряда;
1
0
d1
Δƒ=(ƒ-ƒ) - разностная частота излучения после первого смесителя, направляемая на второй фотоприемник;
2
0
d2
Δƒ=(ƒ-ƒ) - разностная частота излучения после второго смесителя;
3
0
d2
Δƒ=(ƒ-ƒ) - разностная частота излучения после третьего смесителя, направляемая в первый фотоприемник;
β - преломляющий угол бипризмы.
Новыми признаками, обладающими существенными отличиями по предлагаемому устройству, является следующая совокупность элементов и связей между ними:
1. В зеркальной телескопической системе перед фокальной плоскостью главного зеркала установлена бипризма, образующая вместе с главным зеркалом и волоконно-оптическими коллиматорами, расположенными под углом α друг к другу, два приемных канала;
2. За бипризмой под углами +β и -β к оптической оси главного зеркала, в каждом канале установлены коллимационная линза и волоконно-оптический коллиматор;
3. Перед вспомогательным зеркалом телескопической системы установлен плоский прямоугольный экран, обеспечивающий разделение принимаемого излучения на два расположенных под углом α друг к другу канала;
d1
d2
4. Выход первого волоконно-оптического смесителя через волоконно-оптический разветвитель соединен с первым входом третьего волоконно-оптического смесителя, а выход второго волоконно-оптического смесителя соединен с вторым входом волоконно-оптического третьего смесителя, выход третьего смесителя соединены с фотоприемником обеспечивающих получение сигнала с разностной частотой ƒ-ƒ.
Заявляемое устройство являются результатом научно исследовательской и экспериментальной работы.
0
Лазерный волоконно-оптический измеритель начальной скорости снаряда (фиг. 3) содержит: одночастотный лазер - 1; волоконно-оптические разветвители - 14.1, 14.2, 14.3; волоконно-оптический кабель - 15; волоконно-оптические коллиматоры - 7.1,7.2,7.3; фотоприемники - 8.1 и 8.2; блок обработки информации - 22. Приемная оптическая телескопическая система в своем составе имеет: главное 18 и вспомогательное 19 зеркала, плоский непрозрачный прямоугольный экран 20, бипризму 21, волоконно-оптические коллиматоры 7.2 и 7.3. Отверстие 23 в плоском непрозрачном прямоугольном экране - 20 предназначено для вывода излучения лазера 1 при помощи волоконно-оптического разветвителя - 14.1, волоконно-оптического кабеля - 15 и волоконно-оптического коллиматора - 7.1 на снаряд. Лазерный доплеровский измеритель начальной скорости снаряда работает следующим образом. Излучение лазера 1 с частотой ƒ проходит первый волоконно-оптический разветвитель 14.1, где оно делится в соотношении 99/1. Меньшая часть излучения направляется на второй 14.2 волоконно-оптический разветвитель. Большая часть излучения по оптическому волокну 15 направляется на волоконно-оптический коллиматор 7.1 и далее идет на снаряд. Отраженное от снаряда излучение принимается главным зеркалом 18 телескопической системы со вспомогательным зеркалом 19. Центральная часть поля зрения главного зеркала 18 телескопической системы блокируется плоским непрозрачным прямоугольным экраном 20 установленным перед вспомогательным зеркалом 19. Ширина и длина экрана 20 равна диаметрам вспомогательного и главного зеркал, соответственно. Продольная ось экрана 20 располагается перпендикулярно вертикальной плоскости ствола орудия.
d1
d2
0
0
0
d1
d2
Бипризма 21, установленная перед фокальной плоскостью главного зеркала, образует вместе с главным зеркалом 18, и волоконно-оптическими коллиматорами 7.2 и 7.3 два приемных канала. Бипризма 21 разделяет в пространстве под углами +β и -β к оптической оси главного зеркала принятое телескопической системой, отраженное под углами ϕ и ϕ+α от снаряда излучение. Излучения принятые волоконно-оптическими коллиматорами 7.2 и 7.3 с частотами ƒ и ƒ по оптическим волокнам 15 направляются на вторые входы первого 17.1 и второго 17.2 волоконно-оптических смесителей. На первые входы первого 17.1 и второго 17.2 волоконно-оптических смесителей поступают излучение лазера с частотой ƒ. В результате оптического смешения излучения лазера с частотой ƒ соответствующей длине волны λ, с излучениями соответствующих доплеровским сдвигам частот ƒ и ƒ на выходах первого 17.1 и второго 17.2 оптических смесителей будут сигналы с разностными частотами:
1
0
1
2
0
2
Δƒ=ƒ-ƒd и Δƒ=ƒ-ƒd,
1
2
Сигнал Δƒ с выхода первого оптического смесителя 17.1 через волоконно-оптический разветвитель 14.3 направляется на первый вход третьего волоконно-оптического смесителя 17.3, а на его второй вход поступает сигнал Δƒ с выхода второго волоконно-оптического смесителя 17.2. В результате на выходе третьего волоконно-оптического смесителя 17.3 будет сигнал с разностной частотой:
3
2
1
0
d2
0
d1
d1
d2
Δƒ=Δƒ-Δƒ=(ƒ-ƒ)-(ƒ-ƒ)=ƒ-ƒ
dl
d2
В соотношении (3) разностная частота ƒ-ƒ не присутствует в явном виде, поэтому перепишем соотношение (3) в виде:
d1
Преобразуем (4), для чего к числителю дроби прибавим и вычтем ƒ. Тогда соотношение (4) запишется в виде:
Группируя в последнем соотношении члены, получим:
1
0
d1
2
0
d2
С учетом соотношений Δƒ=ƒ-ƒ и Δƒ=ƒ-ƒ, перепишем (5) в виде:
ƒ1
3
d1
d2
1
d1
d2
1
d1
d2
Согласно соотношению (6) начальная скорость снаряда определяется оптическими сигналами с частотами Δ и Δƒ=ƒ-ƒ, а также углом α. Оптические сигналы с первого выхода третьего разветвителя 14.3 и выхода третьего волоконно-оптического смесителя 17.3 с соответствующими частотами Δƒ и ƒ-ƒ направляются на фотоприемники 8.2 и 8.1. Сигналы с фотоприемников 8.2 и 8.1 с частотами Δƒ и ƒ-ƒ поступают в блок обработки информации 22, в котором усиливаются, преобразовываются в цифровую форму и осуществляется быстрое преобразование Фурье (БПФ) с вычислением начальной скорости снаряда в соответствии с соотношением (6).
Все компоненты системы являются стандартными для телекоммуникационных применений.
Использованные источники информации
1. Патент RU 2373543 на изобретение заявка: 2008125910/28 МПК G01P 3/36 (2008.06), опубликован: 20.11.2009. Бюл. №32.
2. Патент RU 2435166 на изобретение заявка: 2010123427/28 от 09.06.2010 МПК G01P 3/36,5/00 (2006.01), опубликован: 27.11.2011. Бюл. №33.
3. Патент RU 2610905 на изобретение заявка: 2015122034 от 09.06.2015 МПК G01S 17/58 (2006.01), опубликован: 17.02.2017. Бюл. №5.
4. Патент RU 2727778 на изобретение заявка: 2019127087 от 27.08.2019 МПК G01S 17/58 (2006.01), опубликован: 23.07.2020. Бюл. №21.