РЛС ИЗМЕРЕНИЯ НАЧАЛЬНОЙ СКОРОСТИ СНАРЯДА УСТАНОВЛЕННАЯ НА СТВОЛЕ ОРУДИЯ Российский патент 2013 года по МПК G01S13/58 

Изобретение относится к радиолокационной технике и может быть использовано для измерения начальных скоростей снарядов.

В соответствии с теорией внешней баллистики определение начальной скорости снаряда производится следующим образом.

По линии, совпадающей с продольной осью ствола орудия, выбирают участок траектории (базу) фиксированной длины S, измеренной с высокой точностью. В начале D₁ и конце D₂ базы устанавливают датчики, реагирующие на пролет снаряда (раму-мишень, соленоид, фотоблокиратор и т.п.) Датчик, установленный в начале базы, располагается на расстоянии Do=D₁ от среза ствола орудия, которое также измеряется с высокой точностью. После выстрела с помощью прецизионного измерителя оценивают время tv пролета снарядом заданной базы и вычисляют на ней среднюю скорость снаряда по формуле:

Vcp=S/tv=(D₂-D₁)/tv

Используя полученное Vcp, начальную скорость Vo снаряда вычисляют по формуле:

Vo=ΔV(D)+Vcp

где ΔV(D)=10⁴id²x/2mΔD (V), снижение скорости снаряда при пролете им отрезка дальности от среза ствола орудия до середины базы (т.е. на отрезке длиной D=x=Do+S/2). Здесь: i - коэффициент формы снаряда; d - калибр снаряда; m - масса снаряда;

m AD (V) - функция зависимости дальности от скорости снаряда, значения которой для закона Сиаччи находятся по специальным таблицам.

Анализируя последнее выражение можно утверждать, что точность измерения начальной скорости Vo снаряда зависит от удаления D₁ базы S от РЛС.

Начиная с 70-х годов прошлого столетия, для определения начальной скорости боеприпаса стали применять простейшие доплеровские радиолокаторы, создавая на их основе артиллерийские баллистические станции (АБС), осуществляющие их наблюдение на траектории полета. Причем наблюдение в таких станциях за снарядом начинают через задаваемое время после его вылета из ствола орудия. Так, например, в изделии «Рампа» реализован способ экстраполяции, согласно которому предполагают известным вид «скоростной» траектории снаряда, а по дискретным значениям его текущей скорости определяют параметры этой «скоростной» траектории, необходимые для экстраполяции скорости снаряда от начала его радиолокационного наблюдения до момента вылета из ствола орудия [Патент RU, №2250476, 2002 г.]

Известно, что при вылете снаряда из ствола орудия возникает ионизированное облако экранирующее снаряд от радиолокатора АБС, которое, по утверждениям авторов известного патента со временем рассеивается, а движение снаряда становится более устойчивым для его обнаружения только через (0,05÷0,15) с. Поэтому в АБС «Рампа» устанавливается задержка начала формирования доплеровского эхо-сигнала от снаряда, обработки этого сигнала и вычисления начальной скорости снаряда, т.е. база S устанавливается на определенном удалении D₁ от АБС.

Известна РЛС измерения начальной скорости снаряда с использованием способа определения моментов пролета снарядом начала и конца известного интервала расстояния [патент 2367975, RU, G01S 13/58], содержащая приемно-передающую антенну, вход которой работающий на передачу, подключен к высоко мощному выходу передатчика непрерывного сигнала с частотной модуляцией по одностороннему пилообразному линейно спадающему закону, а выход, работающий на прием, подключен к первому входу смесителя, второй вход которого подключен к маломощному выходу передатчика, а выход к входу фильтра разностных частот, а также последовательно соединенные генератор непрерывной частоты, второй смеситель, широкополосный фильтр, усилитель-ограничитель, узкополосный полосовой фильтр, амплитудный детектор, компаратор, формирователь импульса, измеритель интервала времени и вычислитель начальной скорости снаряда, при этом второй вход компаратора подключен к шине опорного напряжения, а первый вход второго смесителя подключен к выходу фильтра разностных частот.

Из-за ионизированного облака в известной РЛС также необходимо базу S устанавливать на определенном удалении D₁ от нее.

Одним из основных требований, предъявляемых к измерителям начальной скорости снарядов, является обеспечение высокой точности определения скорости снаряда в момент его вылета из ствола орудия при минимальных массово-габаритных и стоимостных характеристиках изделий.

Целью изобретения является повышение точности измерения начальной скорости снаряда.

Поставленная цель достигается за счет переноса измеряемой базы на более близкое расстояние к срезу ствола орудия.

РЛС измерения начальной скорости снаряда установленная на стволе орудия содержит: приемно-передающую антенну вход которой работающий на передачу, через элемент задержки, подключен к высоко мощному выходу передатчика непрерывного сигнала с частотной модуляцией по одностороннему пилообразному линейно спадающему закону (НЛЧМ сигнал), а выход работающий на прием, подключен к первому входу смесителя, второй вход которого подключен к маломощному выходу передатчика НЛЧМ сигнала, а выход, через фильтр разностных частот, к входу обнаружителя сигналов узкополосного спектра частот, выход которого, через измеритель интервала времени, подключен к вычислителю начальной скорости снаряда (Вариант 1).

РЛС измерения начальной скорости снаряда установленная на стволе орудия содержит: приемно-передающую антенну вход которой работающий на передачу, через элемент задержки, подключен к высоко мощному выходу передатчика непрерывного сигнала с частотной модуляцией по одностороннему пилообразному линейно спадающему закону (НЛЧМ сигнал), а выход работающий на прием, подключен к первому входу смесителя, второй вход которого подключен к маломощному выходу передатчика НЛЧМ сигнала, а выход к входу к входу фильтра разностных частот, а также последовательно соединенные второй смеситель, широкополосный фильтр, усилитель-ограничитель, узкополосный полосовой фильтр, амплитудный детектор, компаратор, формирователь импульса, измеритель интервала времени, вычислитель начальной скорости снаряда и генератор непрерывной частоты, при этом второй вход компаратора подключен к шине опорного напряжения, а первый вход второго смесителя подключен к выходу фильтра разностных частот, а также в РЛС дополнительно введены триггер, второй генератор непрерывной частоты и аналоговый ключ, при этом выходы первого и второго генераторов непрерывной частоты подключены соответственно к первому и второму входам аналогового ключа, выход которого подключен к второму входу второго смесителя, а вход управления к выходу триггера, вход которого подключен к выходу формирователя импульса (Вариант 2).

Проанализируем, в том числе на примерах, работу РЛС измерения начальной скорости снаряда, устанавливаемые на ствол орудия.

Как уже отмечалось, при вылете снаряда из ствола орудия возникает ионизированное облако экранирующее снаряд от радиолокатора, что приводит к необходимости устанавливать измерительную базу S на определенном удалении от РЛС и снижению точности измерения начальной скорости снаряда. Следует отметить, что при скоростях перемещения снарядов порядка 2000 м/с, базу S, из-за ионизированного облака экранирующего снаряд, необходимо будет устанавливать на удалении от РЛС порядка 2000 м/с × (0,05÷0,15)с=(100÷300)м.

Рассмотрим, можно ли сделать РЛС измерения начальной скорости снаряда с минимально возможным удалением от нее базы S, для того чтобы повысить точность измерения начальной скорости снаряда. Для чего добавим в обнаружитель сигналов узкополосного спектра частот РЛС измерения начальной скорости снаряда [патент №2367975, RU, G01S 13/58] генератор непрерывного сигнала частотой, например, 2,4 МГц. При этом, используемый (с частотой, например, 2,6 МГц) и вновь введенный, генераторы непрерывных частот к второму смесителю РЛС будем подключать через управляемый напряжением аналоговый ключ. А также, пусть через приемно-передающую антенну РЛС в пространство излучают искусственно задержанные элементом задержки (например, отрезком радиочастотного кабеля (РК-50, РК-75, РК-300 и т.п.)) НЛЧМ сигнал с, например, параметрами: fo=100ГТц, Fm=1МГц, dfm=50 мГц, удовлетворяющими, например, при расстоянии Do=0,3 м и Vo=150 м/с условию:

Do/Vo=fo/Fmdfm=0,3м/150(м/с)=100ГГц/1МГц×50МГц=0,002 с.

Тогда, очевидно, если при вылете снаряда из ствола орудия со скоростью V₂₀₀=200 м/с или V₂₀₀₀=2000 м/с, на второй смеситель РЛС будет поступать опорный сигнал частотой 100КГц (как в известной РЛС), то на выходе РЛС короткий, импульс появится тогда, когда снаряд окажется соответственно на удалениях в D_0,7=0,7 м или D_4,3=4,3м, т.е. когда на выходе СВЧ смесителя РЛС будут формироваться разностные сигналы частотой:

Fp_0,7=[(2 D_0,7) Fm dfm/С]-(2 V₂₀₀ fo/С)=100 кГц,

Fp_4,3=[(2 D_4,3) Fm dfm/C]-(2 V₂₀₀₀ to/С)=100 кГц -

сигналы из отражений от снаряда удаляющегося от РЛС с соответственно радиальной скоростью 200 м/с или 2000 м/с.

Если же на второй смеситель РЛС подать опорный сигнал, например, частотой 2,6 МГц, и из-за естественной задержки зондируемого НЛЧМ сигнала на выходе первого смесителя возникнет дополнительно прибавка к частоте разностного сигнала величиной, например, в 2,5 МГц, то на выходе РЛС короткий импульс появится сначала тогда, когда снаряд окажется соответственно на удалениях в d_0,7=0,7 м или D_4,3=4,3 м, т.е. когда на выходе СВЧ смесителя РЛС будут формироваться разностные сигналы частотой:

Fp¹ _0,7=[(2 D_0,7) Fm dfm/С]-(2 V₂₀₀ fo/С)=100 кГц+2,5 МГц=2,6 МГц,

Fp¹ _4,3=[(2 D_4,3) Fm dfm/С]-(2 V₂₀₀₀ fo/С)=100 кГц+2,5 МГц=2,6 МГц, а затем тогда, когда снаряд окажется соответственно на удалениях в D_16,3=16,3 м или D_19,9=19,9M от РЛС, т.е. когда на выходе СВЧ смесителя РЛС будут формироваться разностные сигналы частотой:

Fp_16,3=[(2_16,3) Fm dfm/С]-(2 V₂₀₀ fo/С)=7,8 МГц,

Fp_19,9=[(2 D_19,9) Fm dfm/С]-(2 V₂₀₀₀ fo/С)=7,8 МГц -

сигналы из отражений от снаряда удаляющегося от РЛС с соответственно радиальной скоростью 200 м/сили 2000 м/с.

Если же после обнаружения на РЛС разностных сигналов частотой Fp¹ _0,7=Fp¹ _4,3=2,6 МГц, на второй смеситель РЛС подать сразу опорный сигнал частотой 2,4 МГц, то на выходе РЛС короткий импульс появится уже тогда, когда снаряд окажется соответственно на удалениях в D_1,3=1,3M или D_4,9=4,9 м от РЛС, т.е. когда на выходе СВЧ смесителя РЛС будут формироваться разностные сигналы частотой:

Fp_1,3=[(2 D_1,3) Fm dfm/С]-(2 V₂₀₀ fo/С)=300 кГц+2,5 МГц=2,8 МГц,

Fp_4,9=[(2 D_4,9) Fm dfm/С]-(2 V₂₀₀₀ fo/С)=300 кГц+2,5 МГц=2,8 МГц-

сигналы из отражений от снаряда удаляющегося от РЛС с соответственно радиальной скоростью 200 м/сили 2000 м/с. Из сказанного можно заключить:

- если в известной РЛС измерения начальной скорости снаряда по патенту №2 367 975 задержать зондируемый сигнал на определенное время и менять опорный сигнал на входе смесителя в обнаружителе сигналов узкополосного спектра частот на соответствующие, то отраженные от снаряда сигналы на РЛС будут обнаруживаться- в моменты, когда снаряд будет находиться соответственно на удалениях от антенны РЛС равных 0,7 м и 16,3 м или 4,3 м и 19,9 м, т.е. на удалениях, когда все выбрасываемое из ствола орудия еще перемещается прямолинейно и не экранирует снаряд от РЛС. То есть РЛС измерения начальной скорости снаряда реализованная, по первому предлагаемому варианту с базой S=16,3 м -0,7 м=19,9 м -4,3 м=15,6 м, отстоящей от антенны на удалении в 0,7 м или 4,3 м, является вполне реальным вариантом.

- если в известной РЛС измерения начальной скорости снаряда по патенту №2367975 задержать зондируемый сигнал на определенное время и поменять опорный сигнал на входе смесителя в обнаружителе сигналов узкополосного спектра частот на соответствующий, то отраженные от снаряда сигналы на РЛС будут обнаруживаться в моменты, когда снаряд будет находиться соответственно на удалениях от антенны РЛС равных 0,7 м и 1,3 м или 4,3 м и 4,9 м, т.е. на удалениях, когда все выбрасываемое из ствола орудия однозначно перемещается прямолинейно и не экранирует снаряд от РЛС. То есть РЛС измерения начальной скорости снаряда реализованная по второму предлагаемому варианту с базой S=1,3 м=0,7 м=4,9 м 4,3 м=0,6 м, отстоящей от антенны на удалении в 0,7 м или 4,3 м, является также вполне реальным вариантом.

При этом, если работа РЛС реализованной по первому варианту аналогична работе РЛС по патенту №2367975, то в РЛС реализованной по второму предлагаемому варианту первым коротким импульсом с выхода РЛС вновь введенный триггер переводится, в состояние с потенциалом на выходе, позволяющим через аналоговый ключ на второй смеситель пройти опорному сигналу частотой 2,4МГц. При этом разностный сигнал частотой 2,6МГц на выходе первого смесителя РЛС перестанет формироваться, даже если, например, длинный снаряд еще полностью не пролетит точек пространства отстоящих от антенны РЛС на 0,7 м или 4,3 м.

Второй короткий импульс на выходе РЛС появится тогда, когда снаряд окажется на удалении в D_1,3=1,3M или 4,9 м от РЛС, т.е. когда на выходе первого смесителя РЛС будет формироваться разностный сигнал частотой Fp_1,3=Fp_4,9=2,8МГц. Этим импульсом триггер переведется в состояние с потенциалом на выходе, позволяющим через аналоговый ключ на второй смеситель пройти опорному сигналу частотой 2,6МГц. При этом разностный сигнал частотой 2,8МГц на выходе первого смесителя РЛС перестанет формироваться.

Следует отметить, что известную РЛС по патенту №2367975 с вышепринятыми параметрами зондируемого сигнала реализовать невозможно из-за получения разностных сигналов частотой 100КГц и 300КГц, которые гораздо меньше принятой частоты модуляции Fm=1МГц, а предлагаемые варианты РЛС измерения начальной скорости снаряда устанавливаемые на стволе орудия могут быть реализованы £ измерительной базой отстоящей на минимальных удалениях от среза ствола орудия, что позволяет повысить измерение начальной скорости снаряда.

Изобретения относятся к радиолокационной технике. Достигаемый технический результат - повышение точности измерения начальной скорости снарядов. Указанный результат достигается за счет переноса измеряемой базы на более близкое расстояние к срезу ствола орудия. РЛС измерения начальной скорости снаряда, установленная на стволе орудия, содержит приемно-передающую антенну, вход которой, работающий на передачу, через элемент задержки подключен к высокомощному выходу передатчика непрерывного сигнала с частотной модуляцией по одностороннему пилообразному линейно спадающему закону, а выход, работающий на прием, подключен к первому входу смесителя, второй вход которого подключен к маломощному выходу передатчика, а выход, через фильтр разностных частот, к второму входу второго смесителя, а также первый генератор непрерывной частоты, широкополосный фильтр, усилитель-ограничитель, узкополосный полосовой фильтр, амплитудный детектор, компаратор, формирователь импульса, измеритель интервала времени, вычислитель начальной скорости снаряда и, при необходимости, второй генератор непрерывной частоты, аналоговый ключ и триггер.

1. Радиолокационная станция (РЛС) измерения начальной скорости снаряда, содержащая приемно-передающую антенну, выход которой работающий на прием, подключен к первому входу смесителя, второй вход которого подключен к маломощному выходу передатчика непрерывного сигнала с частотной модуляцией по одностороннему пилообразному линейно спадающему закону (НЛЧМ сигнал), а выход, через фильтр разностных частот, к входу обнаружителя сигналов узкополосного спектра частот, выход которого, через измеритель интервала времени, подключен к вычислителю начальной скорости снаряда, отличающаяся тем, что РЛС измерения начальной скорости снаряда устанавливают на стволе орудия, вблизи среза ствола орудия, а вход приемно-передающей антенны работающий на передачу, через элемент задержки, позволяющий повысить разностные частоты, подключен к высокомощному выходу передатчика НЛЧМ сигнала.

2. Радиолокационная станция (РЛС) измерения начальной скорости снаряда, содержащая приемно-передающую антенну, выход которой работающий на прием, подключен к первому входу смесителя, второй вход которого подключен к маломощному выходу передатчика непрерывного сигнала с частотной модуляцией по одностороннему пилообразному линейно спадающему закону (НЛЧМ сигнал), а выход, к входу фильтра разностных частот, а также последовательно соединенные второй смеситель, широкополосный фильтр, усилитель-ограничитель, узкополосный полосовой фильтр, амплитудный детектор, компаратор, формирователь импульса, измеритель интервала времени, вычислитель начальной скорости снаряда и генератор непрерывной частоты, при этом второй вход компаратора подключен к шине опорного напряжения, а первый вход второго смесителя подключен к выходу фильтра разностных частот, отличающаяся тем, что РЛС измерения начальной скорости снаряда устанавливают на стволе орудия, вблизи среза ствола орудия, а вход приемно-передающей антенны работающий на передачу, через элемент задержки, позволяющий повысить разностные частоты, подключают к высокомощному выходу передатчика НЛЧМ сигнала, а также тем что в РЛС дополнительно введены триггер, второй генератор непрерывной частоты и аналоговый ключ, при этом выходы первого и второго генераторов непрерывной частоты подключены соответственно к первому и второму входам аналогового ключа, выход которого подключен к второму входу второго смесителя, а вход управления к выходу триггера, вход которого подключен к выходу формирователя импульса.