ТИР Российский патент 2010 года по МПК F41J5/02 

Изобретение относится к тирам с мишенями для определения внешнебаллистических параметров (координат, скорости) пуль и снарядов при стрельбе прямой наводкой по вертикальным преградам и может использоваться при экспериментальном определении меткости и кучности стрельбы, приведении оружия к нормальному бою, определении скорости, а также при обучении и тренировке стрельбе.

Известны метод и аппаратура [Патент США №3487226, кл. 250-222, 1996 г. Метод и аппаратура для определения координат пули измерением временных интервалов между последовательным пересечением световых экранов] для определения координат пули измерением временных интервалов между последовательным пересечением пулей световых экранов - оптических плоскостей, основанных на применении оптических систем, состоящих из щелевых источников света, расположенных на раме по одну сторону от снопа траекторий, и щелевых фотоприемников, расположенных по другую сторону. Щелевой источник каждого светового экрана содержит расположенные в ряд источники света и коллимационные линзы, формирующие параллельные пучки лучей, из которых щелью вырезается экран конечной толщины. Экраны каждого источника (до 12-ти штук) примыкают вплотную друг к другу, образуя общий световой экран. Щелевой приемник каждого светового экрана содержит расположенные за щелью фокусирующие линзы напротив соответствующих источников света, в фокусах которых установлены фотоприемники (фотодиоды). Фотодиоды объединены группами по 6 штук по схеме ИЛИ на входах предусилителей фототоков, сигналы предусилителей объединяются по схеме ИЛИ на входе триггера Шмидта. В результате при затенении пролетающей пулей или снарядом части светового потока формируется электрический сигнал, приводящий к срабатыванию триггера Шмидта. По сигналу от первого светового экрана запускаются три хронометра, а по сигналам от следующих трех экранов хронометры останавливаются. По измеренным хронометрами временным интервалам вычисляются координаты точки попадания в мнимую мишень - плоскость регистрации, совпадающую с последним экраном.

Недостатками устройства, основанного на световых экранах, образованных щелевыми источниками и щелевыми приемниками, являются: небольшой размер поля регистрации и большая вероятность повреждения аппаратуры от рикошетов несмотря на бронезащиту перед аппаратурой из-за близкого расположения ее к снопу траекторий; сложность и трудоемкость настройки в фокус коллиматоров и фотоприемников, а также низкая надежность из-за большого количества источников света, фотоприемников и предусилителей фототоков; сложность экранирования и защиты от наводок слаботочных цепей, так как фотоприемники и предусилители разнесены на относительно большое расстояние; низкая точность измерения и возможность стрельбы только по нормали к мишени из-за близкого расположения источников света и приемников, а также по причине использования расчетных соотношений, справедливых в случае траекторий, нормальных к плоскости мишени.

Наиболее близким аналогом является световая мишень [Световая мишень. Патент РФ №2213320 от 27.09.2003 по заявке №2002116940, кл. F41J 5/02, от 24.06.2002. ВНИИГПЭ. / Афанасьева Н.Ю., Веркиенко Ю.В., Казаков В.С., Коробейников В.В. (прототип)], содержащая линейные протяженные источники света и оптико-электронные преобразователи (ОЭП), установленные по разные стороны от снопа траекторий и попарно образующие световые экраны, наклоненные под разными углами, коаксиальные линии связи, согласующие и пороговые устройства, схему ИЛИ и компьютер, вход обработки прерываний которого подключен к выходу схемы ИЛИ.

Недостатками устройства являются большое энергопотребление, большая стоимость и сложность конструкции ввиду большого количества источников света.

Задача изобретения заключается в устранении недостатков известного устройства путем уменьшения количества источников света и, соответственно, энергопотребления с сохранением количества световых экранов и расположения, обеспечивающего высокую обусловленность системы уравнений (математической модели) для определения координат и, соответственно, небольшую погрешность их определения из-за неточных измерений моментов времени пересечения пулей световых экранов. При этом два источника света расположены на сопряженных сторонах тира (один на стене, а другой на потолке или в приямке на полу), на каждый из них ориентировано по паре ОЭП, расположенных по другую сторону от снопа траекторий (одна пара на противоположной стене, а другая, наоборот, в приямке на полу или на потолке), так что световые экраны, образованные источниками света и вторыми ОЭП каждой пары параллельны, причем первые ОЭП каждой пары смещены в сторону позиции испытателя.

Технический результат - предложенные схемы расположения источников света и ОЭП (соответственно световых экранов) обеспечивают снижение энергопотребления, стоимости и упрощение конструкции. Все модификации схемы расположения обеспечивают близость к идеальной схеме, гарантируя высокую обусловленность системы уравнений модели и измерение средней скорости по базе в районе мишени с требуемой точностью. Модификации расположения обеспечивают одинаковые расстояния между источниками света и ОЭП и соответственно одинаковые сигналы и уменьшение погрешности измерений. Наклон всех экранов исключает воздействие сигнала помехи от дульной волны и позволяет использовать мишень на минимальной дальности 25…50 м.

На фиг.1 изображена схема тира; на фиг.2…4 - варианты расположения источников света, ОЭП и контрольной рамки; на фиг.5 - проекции траектории на плоскости XY и XZ; на фиг.6 - проекции экранов Э₁…Э₄ на вертикальную XY и горизонтальную XZ плоскости.

Устройство содержит источники света И₁, И₂, ОЭП Д₁…Д₄, контрольную рамку КР, коаксиальные линии связи 1, блок согласующих и пороговых устройств 2, схему ИЛИ 3, вычислитель (персональный компьютер) 4, устройство отображения информации (дисплей) с пультом испытателя 5, блок питания излучателей 6 (фиг.1). Оружие для испытаний устанавливается на станке 7 или удерживается испытателем.

Выходы усилителей фототока ОЭП коаксиальными линиями связи 1 соединены с входами блока согласующих и пороговых устройств 2, выходы которого соединены с входами схемы ИЛИ 3, выход схемы ИЛИ соединен с компьютером 4, соединенным с монитором и пультом испытателя 5.

В первом варианте расположения световых экранов один источник света установлен на стене тира (фиг.2) в вертикальном положении, второй - на потолке или в приямке пола тира в горизонтальном положении, а пары ОЭП Д₁, Д₂ и Д₃, Д₄ - на противоположной стороне относительно снопа траекторий, причем вторая пара - на противоположной стороне тира, а первая, наоборот, в приямке пола или на потолке. Вторые ОЭП пар Д₂ и Д₄ расположены напротив источников света, а первые смещены в сторону позиции испытателя на одинаковые расстояния, так что световые экраны, образованные источниками света и вторыми ОЭП пар, параллельны, световой экран, образованный первым ОЭП второй пары, повернут относительно вертикальной оси, а световой экран, образованный первым ОЭП первой пары, повернут относительно боковой оси на такой же угол.

Во втором варианте (фиг.3) для обеспечения одинаковых расстояний между источниками света и ОЭП вторые ОЭП каждой пары смещены по направлению стрельбы на одинаковые расстояния, равные смещениям первых ОЭП каждой пары в противоположном направлении.

В третьем варианте (фиг.4) для подавления помехи от дульной звуковой волны в случае установки экранов на дальности до 50 м источники света повернуты в плоскости их расположения на одинаковые углы (более 6…8°, при которых помеха подавляется), причем источник света второй пары ОЭП повернут относительно оси z, по часовой стрелке, источник света первой пары ОЭП повернут относительно оси y против часовой стрелки, а наклоны источников света и смещения ОЭП согласованы по величине так, что световые экраны, соответствующие вторым ОЭП каждой пары, параллельны.

Математическая сущность изобретения заключается в следующем.

Зададим экран (плоскость) уравнением в следах

где a=-tgα, b=tgβ, α, β - углы наклона следов (линий пересечения с координатными плоскостями XY и XZ); r - абсцисса точки пересечения экрана с осью Х.

Зададим прямолинейную (в окрестности мишени и экранов) траекторию в параметрической форме

где (x₀, y₀, z₀) - точка попадания в плоскости мишени (x₀=0); l, m, n - направляющие косинусы траектории, равные

Здесь согласно фиг.5

где D - дальность стрельбы; - ордината фиктивной позиции;

z_p - боковая координата фиктивной позиции (z_p=0).

В (2) параметр p физически представляет собой расстояние вдоль траектории от точки (x₀, y₀, z₀) до текущей точки (x, y, z). В случае постоянной скорости p=νt, где t - время полета от точки (x, y, z) до точки (x₀, y₀, z₀).

Из (1) и (2) для параметра p имеем

В случае идеального расположения экранов (фиг.6) и нормальной к плоскости мишени траектории расстояние между экранами Э₃ и Э₄ пропорционально вертикальной координате y₀ точки попадания, расстояние между экранами Э₂ и Э₄ пропорционально боковой (горизонтальной) координате z₀ точки попадания, а расстояние между параллельными экранами Э₁ и Э₄ равно базе L и может быть использовано для измерения средней скорости полета пули, приписываемой середине базы. С учетом постоянства скорости имеем

где k_y, k_z - приборные коэффициенты, равные отношениям соответствующих интервалов времени.

Из (6) и (7) следует, что экран Э₃ является функциональным для определения y₀, а Э₂ - для определения z₀.

В случае ненормальной к плоскости мишени траектории и неидеального расположения экранов (с поворотами одновременно относительно осей Y, Z, т.е. α≠0 и β≠0) при подстановке в (6) и (7) значений p₁, p₂, p₃, p₄ в соответствии с формулой общего случая (5) получим дробно-рациональные функции. С учетом того, что ограничимся в числителях и знаменателях этих дробей линейными членами. В результате получим следующие уравнения регрессии (модель мишени)

Так как коэффициенты модели a_i, b_i, i=0, …, 4, неизвестны, то проводится идентификация. Для этого производится n≥5 выстрелов, например, по углам и центру мишени, в каждом выстреле измеряются время пересечения экранов, координаты пробоин в миллиметровой бумаге, закрепленной на контрольной рамке, и по (10), (11) коэффициенты k_y и k_z. Затем из решения системы из n уравнений (8) находятся неизвестные a_i, а из решения системы из n уравнений (9) находятся неизвестные b_i.

В режиме функционирования после выстрела и измерения времени пересечения экранов вычисляют приборные коэффициенты k_y, k_z и из решения системы (8), (9) определяют координаты пробоины y₀ и z₀.

Очевидно, что не при любом произвольном расположении экранов система уравнений (8), (9) разрешима. Если, например, все экраны будут параллельными, то все времена будут одинаковыми при любых y₀, z₀, и система неразрешима. Математически в этом случае определитель системы равен нулю, а число обусловленности, например, по Евклидовой норме будет равно бесконечности. Минимальное значение числа обусловленности, равное 1, будет в случае диагональной системы, когда каждое из уравнений содержит одну неизвестную, что соответствует идеальному расположению световых экранов.

Однако в случае небольших дальностей (до 25…50 м в зависимости от калибра пули или снаряда) при расположении экрана параллельно плоскости YZ возникает сигнал помехи, превосходящий полезный сигнал от пролетающей пули и опережающий его. Физически его появление можно объяснить следующим образом. Во время выхода пороховых газов из оси канала ствола образуется сферическая сверхзвуковая волна, радиус которой по мере распространения увеличивается. При достижении экрана волна практически плоская. Фронт волны - это скачок уплотнения, который с оптической точки зрения представляет собой линзу, искажающую ход световых лучей. Это приводит к тому, что поток от источника света в момент пересечения фронтом волны экрана отклоняется и не попадает на фотоприемник, что эквивалентно затенению источника света и появлению сигнала на выходе фотоприемника ОЭП.

Экспериментально установлено, что в случае наклона экрана на 6-8 и более градусов сигнал помехи уменьшается до допустимой величины или практически исчезает.

С целью уменьшения электропотребления, удешевления устройства и упрощения его конструкции количество источников света сокращено до двух, что позволила сделать схема взаимного расположения источников света и ОЭП, изображенная на фиг.2. Экраны Э₂ и Э₄ параллельны и образуют базу для измерения скорости. Расстояние между экранами Э₃ и Э₄ пропорционально боковой координате и не зависит от вертикальной координаты. Поэтому экран Э₃ является функциональным для определения боковой координаты. Расстояние между экранами Э₁ и Э₄ пропорционально вертикальной координате и не зависит от боковой координаты. Поэтому экран Э₁ является функциональным для вертикальной координаты. Следовательно, схема фиг.2 обеспечивает идеальное расположение экранов, при котором система уравнений (8), (9) для определения координат по приборным коэффициентам

хорошо обусловлена и при развертывании (8) и (9) в систему двух линейных алгебраических уравнений относительно координат y₀, z₀ имеет определитель, близкий к 1.

Чтобы обеспечить одинаковые расстояния между всеми ОЭП и источниками света, и, соответственно, одинаковые сигналы с выходов ОЭП при пролете пули, вторые ОЭП Д₂ и Д₄ обеих пар смещают по направлению стрельбы на такое же расстояние, на которое смещены первые ОЭП в противоположном направлении (фиг.3).

В этом случае нет параллельных экранов, но плоскости симметрии экранов пар датчиков параллельны, перпендикулярны направлению стрельбы. Расстояние между ними постоянно и является базой для определения скорости. Расстояния равны разности средних расстояний между экранами пар датчиков и поэтому

Постоянный множитель 2 в формулах (12), (13) можно опустить, т.к. в этом случае коэффициенты a₀, a₁, a₂ и b₀, b₁, b₂ в формулах соответственно уменьшаются в два раза.

В случае установки мишени на дальность до 50 м для подавления ложных сигналов от дульной звуковой волны источники света повернуты в плоскости их расположения (на стене, потолке или приямке пола, фиг.4). При этом второй по направлению стрельбы источник света И2 повернут своим концом со стороны первой пары ОЭП относительно боковой оси z по часовой стрелке, а первый источник света И1 повернут относительно вертикальной оси Y против часовой стрелки, причем наклоны источников света и смещения ОЭП по величине выбраны так, что световые экраны Э₂ и Э₄ вторых ОЭП пар параллельны и образуют базу для измерения скорости. При этом

При выбранных направлениях поворота источников света базовый экран Э₄ является последним по направлению стрельбы и расположен ближе других к контрольной рамке, устанавливаемой непосредственно за ним. Т.к. при идентификации модель "прирабатывается" к координатам точек попадания в КР, а не в базовый экран, то при вычислениях координат в режиме функционирования в случае изменения позиции ошибка параллакса минимальна.

Тир работает следующим образом.

В режиме идентификации непосредственно за отсчетным световым экраном Э₄ устанавливают контрольную рамку КР с наклеенной на нее миллиметровой бумагой. После выстрела пуля последовательно пересекает световые экраны. При пересечении светового экрана часть светового потока, падающего от линейного протяженного источника света на фотоприемник оптико-электронного преобразователя, заменяется, и на выходе усилителя фототока формируется электрический импульс, который по коаксиальной линии связи 1 поступает на вход блока согласующих и пороговых устройств 2. Выходы пороговых устройств объединены по схеме ИЛИ 3, и поэтому с ее выхода на шину прерывания компьютера 4 последовательно поступают электрические сигналы, время поступления которых соответствует моментам времени пересечения пулей световых экранов. По сигналам прерывания фиксируется состояние таймера компьютера, и коды времени записываются в его память. После производства серии выстрелов в заданные точки контрольной рамки или после каждого из них измеряют координаты пробоин и отмечают их во избежание перепутывания. После заданного числа выстрелов по методу наименьших квадратов проводят идентификацию моделей (8) и (9). При этом вычисляют для контроля суммы квадратов невязок и невязки для каждого выстрела. Выстрелы с большими невязками бракуют и производят либо дострел, либо бракованные точки просто исключают и повторяют определение коэффициентов моделей. Контрольную рамку снимают.

В режиме функционирования (рабочий режим) аппаратура работает аналогично режиму идентификации. После выстрела и записи в память компьютера моментов времени пересечения пулей световых экранов по программе из системы уравнений (8), (9) с использованием найденных на этапе идентификации модели коэффициентов a_i и b_i определяют координаты точки попадания. После определения координат в серии выстрелов по программе определяют характеристики меткости и кучности стрельбы, скорость в каждом выстреле, среднее значение и среднеквадратичное отклонение скорости в серии. Результаты вычислений выводят на монитор. При необходимости по запросу оператора на монитор выводится сетка координат мишени с изображением пробоин и их номерами в последовательности выстрелов.

Предложенный тир имеет большое поле регистрации, высокую точность измерений, высокую надежность и низкую вероятность поражения прямыми попаданиями и осколками, высокую помехозащищенность, а также меньшее энергопотребление и более простую конструкцию по сравнению с прототипом.

Изобретение относится к системам для определения внешнебаллистических параметров пуль и снарядов при стрельбе прямой наводкой, в частности к тирам. Тир содержит световую мишень с системой световых экранов, коаксиальные линии связи, блок согласующих и пороговых устройств, схему ИЛИ, компьютер, устройство отображения информации с пультом испытателя, контрольную рамку и блок питания излучателей. Система экранов образована двумя источниками света, расположенными на сопряженных сторонах тира, и оптико-электронными преобразователями, расположенными по два на каждый источник света. Один из преобразователей расположен напротив источника света, а другой - со смещением относительно него. Изобретение характеризуется надежностью, высокой точностью измерений, простотой конструкции и малым энергопотреблением. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Тир для определения внешнебаллистических параметров пуль и снарядов, содержащий световую мишень с совместно образующими систему световых экранов источниками света, расположенными на сторонах тира по одну сторону от снопа траекторий, и оптико-электронными преобразователями, расположенными на сторонах тира по другую сторону от снопа траекторий, коаксиальные линии связи, блок согласующих и пороговых устройств, схему ИЛИ, компьютер, устройство отображения информации с пультом испытателя, контрольную рамку и блок питания излучателей, отличающийся тем, что система световых экранов световой мишени образована двумя источниками света, расположенными на сопряженных сторонах тира, и оптико-электронными преобразователями, расположенными по два на каждый источник света, один из которых расположен напротив источника света, а другой - со смещением относительно него.

2. Тир по п.1, отличающийся тем, что источники света расположены на стене и в приямке или на стене и на потолке тира, а оптико-электронные преобразователи - на противоположной стене и на потолке или на противоположной стене и в приямке.