ДОПЛЕРОВСКИЙ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ НАЧАЛЬНОЙ СКОРОСТИ СНАРЯДА
DOPPLER FIBRE-OPTIC DEVICE OF PROJECTILE INITIAL SPEED

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 доплеровский датчик скорости перемещаемого объекта (патент RU 2373543 на изобретение заявка: 2008125910/28 МПК G01P 3/36 (2008.06) опубликован: 20.11.2009 Бюл. №32).
Лазерный доплеровский датчик скорости перемещаемого объекта (фиг. 1) содержит оптически согласованные лазер, коллиматор, акустооптический расщепитель лазерного пучка, фокусирующий и приемный объективы, фотоприемник рассеянного от объекта лазерного излучения. Он включает также квадратурный генератор частоты для управления акустооптической ячейкой (акустооптический расщепитель лазерного пучка), соединенный первым выходом с управляющим входом акустооптического расщепителя лазерного пучка, первый и второй смесители, первые входы которых подключены соответственно ко второму и третьему выходам высокочастотного квадратурного генератора гармонических колебаний, при этом вторые входы смесителей соединены вместе и подключены к выходу фотоприемника, а выход каждого смесителя подключен к входу своего фильтра низких частот доплеровской частоты. Помимо этого в устройство дополнительно введены электромеханический вибратор с закрепленным на нем зеркалом и подключенный к электромеханическому вибратору низкочастотный генератор электрических колебаний.
На чертеже представлена схема лазерного доплеровского датчика скорости перемещаемого объекта. Датчик содержит оптически согласованные лазер 1, коллиматор 2, акустооптический расщепитель 3 лазерного пучка, фокусирующий 4 и приемный 5 объективы, поворотное зеркало 6, электромеханический вибратор 7 и объект перемещения 8. Он включает также фотоприемник 9, оптически связанный с приемным объективом 5, низкочастотный генератор 10 электрических колебаний, подключенный к электромеханическому вибратору. Кроме того, лазерный доплеровский датчик скорости объекта перемещения содержит высокочастотный квадратурный генератор частоты 11, первый 12 и второй 13 смесители сигналов фотоприемника и сигналов высокочастотного квадратурного генератора гармонических колебаний, а также первый 14 и второй 15 фильтры нижних частот. На чертеже символы L и ΔL расположены над стрелками, показывающими направления перемещений объекта и вибратора с зеркалом. Работает лазерный доплеровский датчик скорости перемещаемого объекта следующим образом.
Световой пучок лазера 1, пройдя через коллиматор 2, расщепляется акустооптической ячейкой 3 на два пучка, которые направляются фокусирующим объективом 4 на поворотное зеркало 6, отражаясь от которого они пересекаются на поверхности перемещаемого объекта 8. В месте пересечения пучков образуется интерференционная решетка с постоянным периодом, которая совершает возвратно-поступательные движения относительно объекта перемещения благодаря вибратору 7. Амплитуда вибраций ΔL задается генератором электрических колебаний синусоидальной или треугольной формы и должна быть равной нескольким периодам оптической интерференционной решетки
где λ - длина волны лазера 1, n>10 - число периодов интерференционной решетки, 2Θ - угол, под которым пересекаются пучки лазера на перемещаемом объекте.
Частота вибраций не должна превышать единиц килогерц. Излучение, рассеянное движущимся объектом, собирается приемным объективом и преобразуется фотоприемным устройством 9 в электрический сигнал, частота которого изменяется относительно частоты смещения, заданной и равной частоте сигнала, питающего акустооптическую ячейку. Значение частоты на выходах низкочастотных фильтров определяется в соответствии с выражением
где V - суммарная скорость движения объекта перемещения v интерференционной решетки относительно этого объекта. Сигнал, рассеянный от отраженной поверхности, поступает на фотоприемник 9. Этот сигнал поступает на первые входы смесителей 12 и 13, на вторые входы которых поступают квадратурные сигналы с выходов высокочастотного генератора 11 гармонических колебаний. Смесители 12 и 13 осуществляют, во-первых, перенос спектра сигнала фотоприемного устройства в область сравнительно низких частот, а во-вторых, формируют на своих выходах две, сдвинутые по фазе на четверть периода (Sin-, Cos-), квадратурные составляющие доплеровского сигнала, выделяемые на низкочастотных фильтрах 14 и 15. Эти сигналы после низкочастотных фильтров в дальнейшем поступают на сигнальный процессор.
Недостатком данного устройства являются трудности измерения больших скоростей.
Другим аналогом данного технического решения является лазерный измеритель скорости водных потоков (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)
В лазерном измерителе скорости водных потоков (фиг. 2), содержащим передающий канал с дифракционно-оптическим делением лазерного пучка и приемный канал, включающий фокусирующий объектив, диафрагму, фотоприемник и предварительный усилитель, подключенных к преобразователю доплеровского сигнала, содержит вычислительное устройство, а в приемный канал дополнительно введены вторая диафрагма и второй фотоприемник с предварительным усилителем, подключенным к второму преобразователю доплеровского сигнала, при этом выходы преобразователей доплеровского сигнала подключены к вычислительному устройству.
Сущность устройства поясняется чертежом (фиг 2). Устройство состоит из полупроводникового лазерного модуля 1, дифракционной решетки 16, объективов 4, пространственного фильтра 17, образующих передающий канал с дифракционно-оптическим делением лазерного пучка. Приемный канал содержит фокусирующий объектив 5, диафрагмы 18, фотоприемники 9, предварительные усилители 19, преобразователи доплеровского сигнала 20. Выходы преобразователей 20 подключены к вычислительному устройству 21.
Конструктивно элементы все размещены в герметичном корпусе 22 с защитным окном 23, как показано на чертеже. Возможно также выполнение элементов 20, 21 в виде отдельного узла вне корпуса 22.
Устройство работает следующим образом: световой пучок лазерного модуля 1 падает на дифракционную решетку 16, на выходе которой в результате дифракции и интерференции в дальней зоне получается семейство порядков дифракции. После прохождения телецентрической системы (объективы 4 и пространственный фильтр 17) остаются только ± первые порядки дифракции, которые, пересекаясь в воде, образуют протяженную пространственную интерференционную картину (решетку).
1
2
11
12
0
0
Рассеянное оптическими неоднородностями при пересечении решетки лазерное излучение фокусируется объективом 5 через диафрагмы 18 на фотоприемниках 9, преобразующих это излучение в доплеровские сигналы, которые усиливаются в предварительных усилителях 19 и в преобразователях доплеровского сигнала 20 преобразуются в значения скорости на расстоянии «l» и «l» - «u» и u». В вычислителе 21 определяется значение скорости "u" на основном участке потока вне пограничного слоя путем решения двух уравнений с двумя неизвестными «u» и «δ»:
1
2
1
2
0
где u(l) и u(l) - измеренные значения скорости на расстоянии l и l от выходного окна измерителя, δ - толщина пограничного слоя, u - вычисленное значение скорости с учетом толщины пограничного слоя (на расстоянии «δ» от днища судна в основном участке потока). Недостатком данного устройства являются трудности измерения больших скоростей.
Наиболее близким к предлагаемому устройству аналогом (прототипом) 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. 3) включает источник лазерного излучения 1, соединенный оптическим волокном с оптическим изолятором 24, волоконным усилителем 25 с лазерным диодом накачки 26, оптический делитель 27, выполняющий роль светоделительной пластины для разделения оптического излучения в соотношении 1:1, соединенный оптическим волокном с коннектором FC/APC 25, выполняющим функцию слабоотражающего зеркала, и коллиматором 2 с диаметром пучка 0,8-1,2 мм, и фотоприемником 9. Выход оптического приемника 9 подключен к входу осциллографа 28, соединенному через USB-интерфейс с вычислительным устройством 21. При проведении эксперимента при измерении скорости пули 29 в стволе 30 пневматической винтовки также использовалось защитное оргстекло 31. Элементы измерителя [поз. 1 + поз. 24 + поз. 25 + поз. 26], поз 27, поз. 25, [поз. 2 + поз. 29], поз.9 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. Оптический изолятор 24 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 26.
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. Винтовка закреплялась на оптическом столе, защитное оргстекло 31 закреплялось под углом около 60° градусов относительно ствола 30 винтовки. Далее производится выстрел из винтовки посредством нажатия на спусковой крючок с одновременной подачей синхроимпульса на вход синхронизации осциллографа 28 при помощи специального датчика. Осциллограф 28 в режиме однократной записи по приходу синхроимпульса записывает 16776704 отсчетов с периодом снятия dt=2нс. 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 способа является зависимость точности измерения начальной скорости снаряда от угла между траекторией движения снаряда и направлением наблюдения.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в создании лазерного доплеровского измерителя начальной скорости снаряда. Начальная скорость снаряда является одной из важнейших баллистических характеристик оружия, оказывающей влияние на его боевые свойства. Технический результат, направленный на достижение поставленной задачи, достигается повышением точности измерения начальной скорости снаряда. Заявленный технический результат достигается за счет того что, 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. Отличительной особенностью заявляемого изобретения является вторая приемная телескопическая система, оптическая ось которой 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:
где λ - длина волны лазера и соответствующая ей частота
- разностная частота излучения после первого смесителя;
- разностная частота излучения после второго смесителя.
Осуществление изобретения
Фиг. 4 - функциональная схема заявляемого лазерного доплеровского измерителя начальной скорости снаряда.
Лазерный доплеровский измеритель начальной скорости снаряда содержит: одночастотный лазер - 1; волоконно-оптические разветвители - 27; волоконно-оптический кабель - 32; волоконно-оптический коллиматор - 2; приемные оптические телескопические системы - 5; волоконно-оптические смесители - 33; фотоприемники - 9; усилители - 19; аналого-цифровые преобразователи - 34; вычислительное устройство 21.
Лазерный доплеровский измеритель начальной скорости снаряда включает одночастотный лазер 1, выход которого соединен с первым волоконно-оптическим разветвителем 27, коэффициент деления которого составляет 99/1, один выход которого соединен волоконно-оптическим кабелем 32 с волоконно-оптическим коллиматором 2. Второй выход волоконно-оптического разветвителя 27, соединен с входом второго волоконно-оптического разветвителя 27, коэффициент деления которого составляет 50/50. Выходы второго волоконно-оптического разветвителя 27, соединены с входами первого и второго волоконно-оптических смесителей 33. Выходы приемных оптических телескопических систем 5 соединены волоконно-оптическим кабелем 32, с вторыми входами волоконно-оптических смесителей 33. Первые входа волоконно-оптических смесителей 33 соединены волоконно-оптическим кабелем 32 с приемными оптическими телескопическими системами 5. Выхода волоконно-оптических смесителей 33, соединены с фотоприемниками 9, усилителями 19, аналого-цифровыми преобразователями 34, и вычислительным устройством 21. Устройство работает следующим образом. Излучение одночастотного лазера 1, через первый волоконно-оптический разветвитель 27, направляется по волоконно-оптическому кабелю 32 на вход волоконно-оптического коллиматора 2 и далее на снаряд. Отраженное (рассеянное) от снаряда излучение (доплеровские эхо-сигналы) принимается приемными оптическими телескопическими системами 5. В соответствии с эффектом Доплера, частоты сигналов с телескопических системам 5 равны:
Принятые сигналы по волоконно-оптическим кабелям 32, направляются на волоконно-оптические смесители 33, соединенные с фотоприемниками 9. После оптического смешения излучения лазера с частотой  соответствующей длине волны  с излучениями соответствующих доплеровским сдвигам частот  частоты сигналов на выходе фотоприемников, будут:
Подставляя (1) в (2) получим систему двух уравнений (3) и (4):
В этих уравнениях величины  известны, a  измерены. Исключим из этих уравнений параметр ϕ. Для этого и соотношений (3) и (4) найдем:
Перепишем (6) в виде:
Запишем (7) с учетом зависимости (5)
Перепишем соотношение (8) в виде:
Преобразуем соотношение (9) к виду:
Как следует из выражения (10) начальная скорость снаряда не зависит от угла ϕ, а угол α можно конструктивно можно установить с любой наперед заданной точностью. Сигналы с фотоприемников 9 с частотами  усиливаются усилителями 19, преобразовываются аналого-цифровыми преобразователями 34 в цифровую форму и поступают в вычислительное устройство 21, в котором производится обработка информации с использованием быстрого преобразование Фурье (БПФ) и вычисления начальной скорости снаряда в соответствии с соотношением (10).
Заявляемое устройство позволит с высокой точностью измерять начальную скорость снаряда за счет использования двух приемных оптических телескопических системам и не зависеть от угла наблюдения. 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.