Лазерный измеритель скорости и/или перемещения малоразмерных объектов в местах с ограниченным доступом
LASER DEVICE FOR MEASURING VELOCITY AND/OR DISPLACEMENT OF SMALL-SIZE OBJECTS IN LIMITED-ACCESS PLACES

Область техники, к которой относится изобретение
Заявляемое изобретение относится к области измерительной техники, а именно к лазерным доплеровским измерителям скорости и/или перемещения и может применяться, например, для бесконтактного исследования динамики движения малоразмерных быстродвижущихся объектов в труднодоступных местах в широком диапазоне скоростей, в частности для измерения скорости и/или перемещения пули мелкокалиберного стрелкового оружия или снаряда крупнокалиберного оружия, при исследовании быстропротекающих детонационных и взрывных процессов, протекающих в канале ствола оружия.
Уровень техники
В широком круге задач научных исследований (метеорологии, изучении динамки детонационных процессов, анемометрии и т.д.) и производства (например, в сталепрокатной промышленности и военно-промышленном комплексе) требуются точные бесконтактные измерения линейной скорости перемещающегося тела. Одной из хорошо зарекомендовавших себя методик является измерение скорости, основанное на эффекте Доплера (А. Аникин, А. Федосейский, «Лазерные доплеровские измерители в системе учета горячего проката», «РАЗРАБОТКИ МЕТАЛЛУРГИЯ», 2007 г.).
В основе лазерных доплеровских измерителей скорости (ЛДИС) лежит, как видно из названия, эффект Доплера, проявляющийся в изменении частоты регистрируемых колебаний при движении излучателя или приемника. На практике обычно используется двукратный эффект Доплера, когда объект движется, а приемник и излучатель остаются неподвижными. Одним из применяемых на практике методов ЛДИС является применение двух когерентных лучей, падающих на изучаемый объект под углом друг к другу («Лазерный Доплеровский измеритель скорости и длины», А.В. Хурхесова, Е.М. Федоров, III Научно-практическая конференция «Информационно-измерительная техника и технологии» 3-5 мая 2012 г.).
Однако в случаях, когда требуется исследование быстродвижущихся объектов, доступ к которым по тем или иным причинам осложнен, например, в случае исследования детонационных или баллистических процессов, происходящих в канале ствола огнестрельного или крупнокалиберного оружия, в частности при исследовании динамических процессов (движения пули, работы конструктивных элементов), происходящих во время выстрела, наиболее подходящими средствами измерения являются лазерные измерители скорости с автоколлимационными схемами (гомодинными или гетеродинными), позволяющими проводить измерения как малых, так и высоких скоростей движущихся объектов в труднодоступных местах, например внутри канала ствола стрелкового или любого другого вида оружия (А.Л. Павлов, Ю.Н. Пырков, В.Б. Цветков «Автоколлимационный доплеровский измеритель скорости», «Прикладная фотоника» №2/2014, стр. 71-83).
Из уровня техники известен лазерный доплеровский измеритель скорости, включающий полупроводниковый лазер с синусоидально меняющейся частотой, интерферометр, фотодетектор (патент GB 2183956 А, опубл. 10.06.1987).
Недостаток измерителя заключается в том, что в качестве задающего генератора используется лазерный источник с синусоидально меняющейся частотой, что позволяет фиксировать незначительное продольное перемещение объекта (вибрацию), но при измерении быстродвижущихся объектов измерения проводятся с большой погрешностью. Кроме того, отсутствие в схеме усилителя лазерного излучения приводит к тому, что при работе устройства отсутствует возможность регулирования мощности оптического излучения, что в случае плохо отражающей поверхности измеряемого объекта или при измерении высоких скоростей объекта приводит к слишком малому уровню полезного электрического сигнала. Помимо этого устройство имеет сложную схему.
Также известен лазерный доплеровский измеритель скорости, включающий двухчастотный полупроводниковый лазер, на противоположных концах которого установлены отражающее и частично отражающее зеркало, оптический делитель, интерферометр, фотодетектор, подключенный к осциллографу (патент US 3864041, опубл. 04.02.1975).
Недостаток измерителя заключается в том, что в качестве задающего генератора используется двухчастотный лазер, что усложняет схему устройства для обеспечения перехода лазера из гигагерцовых диапазонов частот в мегагерцевые. Кроме того, отсутствие в схеме усилителя лазерного излучения приводит к тому, что при работе устройства отсутствует возможность регулирования мощности оптического излучения, что в случае плохо отражающей поверхности измеряемого объекта или при измерении высоких скоростей объекта приводит к слишком малому уровню полезного электрического сигнала.
Также известен лазерный доплеровский измеритель скорости, включающий задающий лазер, интерферометр Маха-Цандера, фотоприемник (патент US 8144334 B2, публ. 27.03.2012).
Недостаток измерителя заключается в малом измеряемом диапазоне скоростей и перемещений, что позволяет фиксировать незначительное продольное перемещение объекта, т.е. устройство представляет собой фактически виброметр.
Сведения, подтверждающие реализацию изобретения
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в создании лазерного доплеровского измерителя скорости и/или перемещения для исследования динамики движения малоразмерных быстродвижущихся объектов в местах с ограниченным доступом в широком диапазоне скоростей, в частности для исследования динамики движения пули в канале ствола оружия.
Технический результат, достигаемый при реализации заявляемого изобретения, заключается в расширении арсенала технических средств лазерных измерителей скорости движущихся объектов за счет измерения скорости и/или перемещения малоразмерных объектов в местах с ограниченным доступом, в частности для измерения динамики движения, например, скорости и/или перемещения пули в канале ствола стрелкового оружия в диапазоне от 0,1 до 180 м/с, а также для исследования других детонационных процессов, происходящих в канале ствола в момент выстрела. По результатам исследований, которые могут проводиться в процессе проведения испытаний, можно, в частности, оценивать технические характеристики оружия, например эффективность оружия, на которую в т.ч. влияют колебательные процессы в момент выстрела, или конструктивные недоработки, которые могут быть учтены на стадии проектирования и/или изготовления оружия.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что лазерный измеритель скорости и/или перемещения малоразмерных объектов в местах с ограниченным доступом включает одночастотный полупроводниковый лазер с длиной волны 1064 нм и шириной линии генерации не более 3 МГц, оптический изолятор, волоконный усилитель с лазерным диодом накачки, оптический делитель излучения, выполняющий функцию светоделительной пластины, с которым соединены коннектор с угловым сколом, выполняющий функцию слабоотражающего зеркала, коллиматор с диаметром пучка 0,8-1,2 мм и оптический приемник, выход которого подключен к входу осциллографа, соединенного через USB-интерфейс с компьютером.
Отличительной особенностью заявляемого изобретения является использование в качестве источника лазерного излучения одночастотного полупроводникового лазера с длиной волны 1064 нм и шириной линии генерации не более 3 МГц, что обеспечивает большую длину когерентности (около 100 м), позволяющую проводить измерения движения исследуемого объекта в диапазоне перемещения до 100 м и в диапазоне скоростей от 0,1 до 180 м/с. Ограничение на измеряемый диапазон перемещений вызван падением контрастности интерферограммы примерно в 2,7 раза при разности оптических длин рабочего и опорного плеч интерферометра, равной длине когерентности источника (падение контрастности приводит к значительному ухудшению соотношения сигнал/шум), следовательно, при применении источника с шириной линии до 3 МГц (что равнозначно длине когерентности излучения около 100 м) возможно проводить измерения для перемещений плюс 50 м и минус 50 м относительно опорного плеча (50=100/2; деление на 2 вызвано прохождением света двойного пути, в прямом и обратном направлениях), что в сумме дает диапазон положений измеряемого объекта 100 м.
Осуществление изобретения
Фиг. 1 - принципиальная схема лазерного измерителя скорости и/или перемещения малоразмерных объектов в местах с ограниченным доступом;
Фиг. 2 - фрагмент интерферограммы выстрела;
Фиг. 3 - спектрограмма выстрела;
Фиг. 4- график зависимости скорости и ускорения пули от времени;
Фиг. 5 - график зависимости скорости и ускорения пули от расстояния;
Фиг. 6 - совмещенные графики различных параметров выстрела от времени;
Фиг. 7 - график модуля скорости капель масла и пули.
-3
-4
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.Конструкция лазера 1 с усилителем [поз. 2 + поз. 3 + поз. 4] раскрыта в публикации (см. А.И. Трикшев, А.С. Курков, В.Б. Цветков «Одночастотный гибридный лазер с выходной мощностью до 3 Вт на длине волны 1064 нм, «Квантовая электроника», №5/2012, стр. 417-419). 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. В качестве оптического изолятора 2 могут быть использованы устройства марки THORLABS IO-F-780, IO-F-780АРС или аналогичные. Использование волоконного усилителя 3 в предложенной схеме не улучшает контрастность принимаемого сигнала, но увеличивает его амплитуду, что позволяет в некоторых случаях улучшать соотношение сигнал/шум. Коннектор 6 с угловым сколом выполняет функцию слабоотражающего зеркала для увеличения контрастности интерференционной картины, принимаемой приемником 8. Необходимость в подобном зеркале вытекает из весьма малой доли излучения, возвращающегося обратно в коллиматор 7 после рассеяния от исследуемого объекта и прохода через коллиматор 7. Согласно оценкам эта доля излучения составляет около 10-10 от излученной мощности лазера 1. В качестве коннектора 6 могут быть использованы устройства стандарта FC/APC с углом скола 8°. Для создания пучка с малой расходимостью в измеряемом объеме применяется оптическая система 7, например, волоконный коллиматор с градиентной линзой, который в предпочтительном варианте реализации создает пучок диаметром 0,8-1,2 мм, что вызвано необходимостью измерения скорости и/или перемещения объектов в местах с ограниченным доступом, например, в канале ствола малокалиберных винтовок, имеющего малый диаметр (4,5 мм), а также в целях снижения влияния спекловых картин на результаты измерений, которые при увеличении диаметра пучка приводят к уменьшению контрастности интерференционной картины. В качестве оптического приемника (детектора) 8 излучения, в частном случае реализации изобретения, используется приемник серии ПРОМ-364М-34368 (фирмы «Телаз») с волоконным входом (например, см. hltp://www.telas.m/product/pr364m.htm). Сигнал с приемника 8 поступает на цифровой осциллограф 9, например, модели В-424, подключенный к персональному компьютеру посредством USB интерфейса. Осциллограф 9 способен за одно измерение сохранять 16776704 отсчетов, что при максимальной частоте снятия данных (один отсчет каждые 2 нс) дает продолжительность измерений около 33,6 мс. Осциллограммы сохраняются в текстовом формате с помощью специализированного программного обеспечения «Осциллограф», входящего в комплект используемого осциллографа, после чего производится их обработка на персональном компьютере с использованием стандартных математических пакетов.
Устройство работает следующим образом.
Для подтверждения реализации изобретения и достижения заявляемого технического результата в качестве примера проведено измерение скорости и перемещение пули в канале ствола огнестрельного оружия.
Измерения проводились с использованием пружинно-поршневой пневматической винтовки ИЖ-61 и свинцовых пуль весом 0.5 грамма. Винтовка ИЖ-61 работает на основе поршня, который взводится с помощью рычага в боевое положение, накапливая при этом потенциальную энергию в пружине, прикрепленной к данному поршню. В момент выстрела 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=2нс. Осциллограмма представляет собой сигнал с оптического приемника 8, т.е. в сущности готовую интерферограмму.
Обработка полученных данных
Результатом измерения является осциллограмма/интерферограмма отраженного от исследуемого объекта (пули) излучения, малый участок которой представлен на фиг. 2. В выбранной конфигурации она представляла из себя эквидистантную по времени последовательность из 16776704 пар значений (время и напряжение). Из-за эффекта 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. Наиболее удобным форматом представления подобных результатов является спектрограмма, т.е. диаграмма, показывающая зависимость спектральной плотности мощности сигнала от времени. Традиционно трехмерная спектрограмма представляется в виде двумерного изображения, на котором спектральная плотность отображена в виде цвета, либо интенсивности точек на данном изображении.
При вычислении скорости и спектрограммы в некоторый момент времени t использовалось быстрое преобразование Фурье (БПФ). В выбранный момент времени выбирается размер блока N (количество отсчетов в окрестности выбранного момента), по которому будет вычисляться функция БПФ. Поскольку при расчетах используется БПФ, то N должно равняться степени двойки.
max
2
Кроме того, использовалось перекрытие блоков на величину N/2, т.е. вторая половина блока использовалась в качестве первой половины следующего блока. Таким образом, получаем следующие характеристики спектрограммы: разрешение по частоте δƒ=1/(dt*N), максимально измеряемую частоту ƒ=1/(2*dt) и разрешение по времени δt=dt*N/2. Таким образом видно, что разрешение по времени и по частоте взаимосвязаны и увеличение одного из параметров неизбежно приведет к уменьшению второго. По этой причине необходимо выбирать оптимальный размер блока N в зависимости от характерного ускорения измеряемого объекта. Данный размер блока можно определить исходя из соотношения a=λ/(N*dt), где а - характерное ускорение. Вычислив БПФ для разных моментов времени dt получим спектрограмму, представленную на фиг. 3, т.е. трехмерный график спектральной плотности интерферограммы в зависимости от частоты и времени. Далее алгоритмически или вручную выделяем полезный сигнал, т.е. наиболее вероятный график зависимости частоты от времени. После чего по формуле: Δƒ=ƒ-ƒʺ=2ν/λ, где
Δƒ - изменение частота, МГц,
λ - длина волны лазерного источника излучения, 1064 нм,
ν - скорость движения исследуемого объекта, м/с,
пересчитываем полученный график частоты от времени в график скорости от времени, представленный на фиг. 4. После этого по полученному графику скорости, используя численные методы дифференцирования и интегрирования, вычисляем ускорение и расстояние (фиг. 4). Непосредственные вычисления производились с помощью стандартных математических пакетов.
Анализ результатов эксперимента
На фиг. 3 представлена характерная спектрограмма выстрела, на которой полезный сигнал выделен сплошной линией. При увеличении частоты интенсивность полезного сигнала падает, что, вероятно, объясняется ограниченным быстродействием использованного приемника 8. За нулевой момент времени принято начало движения поршня винтовки, которое на данном масштабе частот спектрограммы неразличимо, по этой причине спектрограмма представлена с начала движения пули. Из представленного графика видно, что продолжительность разгона пули составляет чуть менее 5 мс от момента времени 6,5 мс (когда скорость резко начинает возрастать) до момента времени, когда оканчивается ускорение. Во время предшествующего этапа продолжительностью около 6,5 мс (см. фиг. 6 и фиг. 7), исходя из малых скоростей перемещения и знания конструктивных особенностей винтовки, можно сделать вывод, что происходит начальное ускорение поршня винтовки, которое вызывает движение ствола (вместе с пулей) за счет отдачи. Таким образом, продолжительность выстрела от момента начала движения поршня до столкновения пули с защитным оргстеклом 12 составляет около 11,2 мс.
После выделения полезного сигнала получают график скорости (сплошная линия) и ускорения (пунктирная линия), полученный методом численного дифференцирования от времени, представленный на фиг. 4. Воспользовавшись численным интегрированием, например, методом Симпсона, возможно построить график ускорения (пунктирная линия) и скорости (сплошная линия) пули от расстояния, пройденного пулей в канале ствола, представленный на фиг. 5. Из графика видно, что общее расстояние, пройденное пулей, составило 48 см, что с хорошей точностью согласуется с длиной ствола винтовки, составляющей 45 см, и расстоянием до защитного стекла 10, составляющим примерно 3 см.
Также, кроме непосредственного движения пули, в результате измерений были зафиксированы и дополнительные явления, происходящие в канале ствола. Первым и наиболее явным является «горб» (см. фиг. 6, пунктирная линия), предшествующий основному ускорению пули. Максимальная скорость соответствует примерно 32 см/с, продолжительность чуть более 6 мс. Наиболее достоверным объяснением данного явления является отдача винтовки, связанная с работой поршня. Винтовка во время выстрела, двигаясь как цельный объект, увлекает за собой пулю, т.е. наблюдаемый на графике «горб» отображает движение назад, после чего сама пуля начинает ускоряться за счет давления газов, что и приводит к резкому спаданию скорости и переходу к картине ускорения, рассмотренной в предыдущем разделе. Для дополнительной проверки данного явления были проведены эксперименты со снятием интерферограммы при холостом выстреле, а также от торца ствола винтовки с заряженной пулей. Результаты обработанных спектрограмм, совмещенные с результатом обычного измерения движения пули, представлены на фиг. 6. Учтено, что из-за отдачи поршня движение на самом деле происходит в обратном направлении. На графике (фиг. 6) видно, что при холостом выстреле скорость ствола выше, чем при заряженном выстреле, что может объясняться более высокой отдачей, вызванной движением поршня, т.к. отсутствует пуля, препятствующая свободному выходу газов. Если сравнивать измерение скорости торца ствола с измерением скорости непосредственно пули, то можно заметить, что графики достаточно схожи, вплоть до примерно 6.5 мс, т.е. до момента, когда давление в канале ствола становится достаточным для преодоления силы трения пули о ствол и начала ее ускорения. Кроме того, в интервале времени с 9 мс по 12 мс хорошо видны колебания ствола, которые, предположительно, вызваны ударом поршня о дно стакана. Еще одним явлением, которое удалось замерить, является, предположительно, вылет капелек масла, уносимых потоком воздуха перед пулей. График данного явления представлен на фиг. 7. Правее располагается сигнал от пули во время основного ускорения, снизу «горб» отдачи поршня (на данном графике, в отличие от предыдущих, представлен модуль скорости), который был подробно рассмотрен ранее. В отличие от сигнала, соответствующего пуле (сплошная линия), сигнал от капель масла заметно уширен. Данный факт на графике выражен в виде двух пунктирных линий, обозначающих диапазон скоростей капель масла в некоторый момент времени. Таким образом, показано, что заявляемое устройство позволяет производить одновременное измерение различных процессов, проходящих в стволе винтовки.
Кроме непосредственного измерения зависимости скорости пули в канале ствола от времени выделены и измерены дополнительные явления, такие как: движение корпуса винтовки в начальные моменты выстрела при обычном и холостом выстрелах, колебания ствола винтовки в моменты, предшествующие вылету пули, скорость капель масла, опережающих пулю.
По полученным результатам исследований, которые могут проводиться в процессе проведения испытаний, можно, в частности, оценивать технические характеристики оружия или конструктивные недоработки, которые могут быть учтены на стадии проектирования и/или изготовления оружия. Показана применимость заявляемого устройства для задач дистанционного измерения скорости малых объектов в труднодоступных местах.