СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ ОБЪЕКТА ИСПЫТАНИЙ В МОМЕНТ ЕГО ПОДРЫВА
METHOD OF DETERMINING COORDINATES OF TEST OBJECT DURING ITS BEING BLASTED

Изобретение относится к области испытательной и измерительной техники, а именно к способам определения пространственных координат взрыва, вызванного подрывом объекта испытаний (ОИ).
В качестве фотодатчика, регистрирующего взрывные процессы, надежно зарекомендовала себя известная схема фотоприемника на базе кремниевого фотодиода ([1] Герасимов С.И., Файков Ю.И., Холин С.А. Кумулятивные источники света. Саров, РФЯЦ-ВНИИЭФ, 2002, рис.1.21, стр.35). Известен способ (аналог) оценки расстояния от такого фотодатчика до центра взрыва заряда ([1], стр.98), где показано, что изменение уровня сигнала датчика, регистрирующего интенсивность, обратно пропорционально квадрату расстояния между центром взрыва и датчиком. Данный способ не позволяет определить координаты центра взрыва.
Известен способ определения координат объекта испытаний (ОИ) в момент его подрыва, принятый за прототип ([2] патент РФ №02285890, 2006.10.20), включающий регистрацию процесса датчиками воздушной ударной волны (ВУВ), сопровождающей подрыв ОИ. Способ отличается тем, что ВУВ регистрируют датчиками ударной волны (ДУВ) не менее чем в трех измерительных точках (ИТ), имеющих геодезическую привязку к системам пространственных координат испытательной площадки (ИП), на которой устанавливают по крайней мере один фотоприемник (ФП) представленного в [1] типа, выполняющий функцию регистрации начала отсчета (ноль-метки), и аппаратуру, регистрирующую параметры невозмущенной воздушной среды; по сигналу ФП регистрируют момент появления вспышки, сопровождающей подрыв ОИ; по сигналам ДУВ регистрируют моменты достижения ударной волной каждой ИТ и определяют фактическое энерговыделение подрыва; на основании полученных данных вычисляют расстояния от точки подрыва до каждой ИТ с учетом параметров невозмущенной воздушной среды и фактического энерговыделения подрыва, а определение координат подрыва ОИ производят по известным координатам ИТ и расстояниям от точки подрыва до каждой ИТ.
Недостатками способа, снижающими его точность и возможность применения, являются относительно большая погрешность, связанная с временными данными приходов акустических волн на расположенные в разных местах (относительно удаленных друг от друга) три датчика (здесь характерная скорость - скорость звука в воздухе, зависящая от внешних факторов, в частности, непредсказуемой ветровой составляющей, различной на разных высотах). Низкая точность способа связана также с неопределенностью зоны перехода ударной волны в акустическую, наличия нессиметричности в распространении акустических волн относительно центра взрыва из-за несимметричности ОИ и разлетающихся при его подрыве осколков, отсутствием методики определения энерговыделения подрыва по данным акустических датчиков с учетом вышеперечисленных неопределенностей.
Задача состоит в измерении координат ОИ в момент подрыва независимо от временного алгоритма работы системы инициирования и от внешних факторов, в частности силы ветра на разных высотах, особенностей рельефа и конструкций, усложняющих фоновую составляющую приходящих акустических сигналов и т.д.
Техническим результатом предлагаемого способа является повышение точности определения координат ОИ в момент подрыва.
Данный технический результат достигается за счет того, что в отличие от известного способа определения координат объекта испытаний в момент его подрыва, включающего фиксацию начала появления вспышки, сопровождающей подрыв объекта испытаний, путем регистрации сигнала с базового (опорного) фотодиода, регистрацию отклика геодезически расположенных датчиков на взрыв, использование результатов регистрации для определения координат объекта испытаний, в заявляемом способе регистрируют отклик датчиков на световой импульс, сопровождающий взрыв, для чего одновременно производят регистрацию сигналов, по крайней мере, с трех дополнительных фотодиодов, причем все фотодиоды предварительно до регистрации прокалиброваны по эталонному взрывному источнику света, а при регистрации включены в фотодиодном режиме, фотодиоды геодезически размещают на рабочем поле с ориентацией их чувствительных элементов в направлении зоны появления рабочего сигнала, измеряют координаты чувствительного элемента каждого фотодиода и координаты конца базиса, перпендикулярного к этому элементу, определяют амплитуду сигнала с каждого фотодиода и вычисляют искомые пространственные координаты объекта испытаний с учетом найденных параметров.
То есть, по сравнению со способом-прототипом, в заявляемом способе в качестве индикатора взрыва использован световой импульс, регистрация отклика на который обеспечена при формировании сигналов, по меньшей мере, с четырех геодезически размещенных датчиков-фотодиодов (базовый и, по крайней мере, 3 дополнительных) по изменению освещенности их чувствительных элементов. Последующая обработка отношений полученных сигналов по описанному ниже алгоритму дает возможность определения искомых координат ОИ.
В качестве базового датчика, выполняющего функцию регистрации начала отсчета (ноль-метки) в прототипе служит имеющий место в прототипе фотодиодный датчик (фотодиод). Выбор типа датчиков, дополняющих базовый, обусловлен следующим. В отличие от прототипа, где используются датчики ударной волны, в заявляемом способе показано, что предпочтительнее иметь дело с датчиковой аппаратурой, на которую в любых условиях опыта не влияет время прихода регистрируемого сигнала. Такой аппаратурой может служить фотодатчик (фотодиод), записывающий изменение во времени освещенности, создаваемой исследуемым процессом. Замена типа датчиков с ударноволновых на фотодиодные принципиальна с точки зрения обеспечения независимости их работы от ряда внешних факторов, в частности ветра, и, соответственно, точности определения искомых координат.
бj
Дополнительные фотодиодные датчики, количество которых (четыре - базовый и, по меньшей мере, три дополнительных) выбрано, исходя из рационального подхода к реализации предложенной математической модели расчета координат центра взрыва, предварительно калибруются по эталонному заряду для получения корреляционных (юстировочных) коэффициентов k, связанных с несовпадением их реальных кривых чувствительности. Датчики выставляются на рабочее поле, координируются их рабочие площадки (чувствительные к свету элементы) и нормали-базисы к ним (этот процесс далее называется внешним ориентированием фотодатчиков). После проведения взрыва сигналы с каждого датчика записываются на свой регистратор. Определение координат ОИ в момент подрыва (центра взрыва) относительно точки старта осуществляется следующим образом.
Поскольку изменение уровня сигнала обратно пропорционально квадрату расстояния ([1] рис.1.21, стр.98), получаем, по меньшей мере, три независимых уравнения с тремя неизвестными:
б
j
б
j
бj
б
j -
где б, j - индексы, относящиеся к базовому б и дополнительному j-му фотоприемникам (j=1-3 (минимум)); L, L - расстояние от центра взрыва до базового и j-го фотодиода; индекс е - относится к координатам центра взрыва, U, U - сигнал с базового и j-го фотодиодов (измеряется в В); k - юстировочный коэффициент; φ, φ
e
e
e
угол между нормалью-базисом к базовому и j-му фотодиодам (координаты со штрихом относятся к координатам конца базиса) и вектором с координатами центра взрыва x, y, z и координатами соответствующего фотодиода (его чувствительного элемента) x, y, z.
Общий вид выражения cosφ для любого j-го датчика в (1):
e
e
e
Решение системы уравнений (1) (методом наименьших квадратов либо с помощью специализированных математических пакетов) позволяет найти искомые координаты ОИ в момент его подрыва (координаты центра взрыва) x, y, z.
бj
j
j
j
j
По эталонному взрыву производят калибровку фотодиодов - регистрируют каждым фотодиодом сигналы одного спектрального распределения с одного расстояния. Таким образом, определяют юстировочные коэффициенты k. Датчики ориентируют на место проведения эксперимента, координируют (измеряют координаты каждого фотодиода - его чувствительного элемента x, y, z). Определяют координаты концов базисов, перпендикулярных к фоточувствительной площадке каждого фотодиода. Фотодиоды регистрируют изменение освещенности чувствительного элемента при подрыве ОИ, сигналы передаются на четыре запоминающих осциллографа. Сигналы обрабатываются, по осциллограммам определяется амплитуда сигнала, полученного с каждого фотодиода (Uс соответствующим фотодиоду индексом). Затем в уравнения (1) подставляют необходимые данные (амплитуды сигналов и координаты каждого фотодиода и его базиса-нормали). Решение этих уравнений дает искомые координаты ОИ в момент его подрыва (координаты центра взрыва).
На фиг.1 изображена схема расположения фотодиодов, реализующая данный способ, и полученные осциллограммы зарегистрированных световых потоков в конкретном опыте. Позиции: 1 - фотодиод; 2 - ОИ при подрыве; 3 - точка старта; 4 - цифровой запоминающий осциллограф (регистратор).
На фиг.2 представлена таблица с данными, необходимыми для расчета координат центра взрыва в конкретном проведенном опыте (фиг.1).
e
e
e
Решалась задача об определении пространственных координат ОИ (позиция 2, фиг.1) в момент подрыва: x, y, z.
В реализованном случае фотоэлектронная регистрация осуществлялась четырьмя фотодиодами ФД-24К (позиция 1, фиг.1), работающими в фотодиодном режиме. Фотодиоды предварительно калибровались по эталонному взрыву сферического заряда того же состава, что использовался в ОИ. Фотодиоды размещались на рабочем поле. Проводилось их внешнее ориентирование.
Один из фотодиодов служил дополнительно ноль-меткой для альтернативного способа измерения по способу-прототипу. Фотодиоды работали автономно по появлению переменного светового сигнала с амплитудой, выше некоторой выставляемой пороговой величины. Пороги чувствительности регистрирующих каналов (осциллографы TDS-3000 (позиция 4, фиг.1)) и выставляемая длительность определялись предварительно, исходя из расчетных оценок.
В таблице (фиг.2) приведены координаты фотодиодов (здесь и далее размерность в метрах), с которых были получены рабочие сигналы, и координаты точек концов их базисов-нормалей. Привязка осуществлялась геодезическим способом с помощью цифрового теодолита относительно базового репера полигона. Измеренные данные, необходимые для расчетов, приведены на фиг.2. Амплитуды сигналов приведены на фиг.1.
Полученные данные подставлялись в систему уравнений, которые решались с помощью метода наименьших квадратов.
Относительные координаты точки взрыва по отношению к точке старта (позиция 3, фиг.1) составили:
ΔX=-4±5.5 м, ΔY=244±5.5 м, ΔZ=22±5.5 м.
Эти результаты дают удовлетворительную точность измерений координат центра взрыва. Данные были получены в течение нескольких минут после снятия сигналов с осциллографов, т.е. сразу после опыта.