СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ НАЧАЛЬНОЙ СКОРОСТИ СНАРЯДА Российский патент 2020 года по МПК G01S13/58 

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 способ измерения начальной скорости снаряда (патент RU 2351947 на изобретение заявка: 2007101922/09 МПК G01S 13/58 (2006.01) опубликован: 10.04.2009 Бюл. №10).

Сущность способа заключается в том, что по зарегистрированной группе длительностей временных участков с общим началом в доплеровском эхо-сигнале, где каждый последующий меньше предыдущего, и по ряду групп предполагаемых путей с общим началом формируют ряд групп значений, обратных возможным величинам текущей скорости, определяют ту группу ряда, где разница между каждым предыдущим и последующим значениями, обратными возможным величинам текущей скорости снаряда, минимальна, и разница между первым и вторым значениями положительна, и по ним вычисляют начальную скорость по удаленности и протяженности соответствующих им путей этой группы.

Алгоритм измерения начальной скорости снаряда по данному способу заключается в следующем. На одной из возможных дальностей (фиг. 1)

(при m=М) производится начало регистрации группы длительностей временных участков t_i=T_i+α_i, где i=1, 2, …, N+1, T_i - детерминированная длительность временного участка, α_i - случайная составляющая. Окончание регистрации временных участков фиксируется моментом, при котором происходит изменение радиального расстояния на величину

Предполагаемые пути D, которые проходит снаряд в соответствии с обозначениями на фиг. 1, выражаются как

m=L, L+1, …, L+J.

Значения обратной величины возможной текущей скорости на этих предполагаемых путях определяются соответственно

Значение обратной величины начальной скорости вычисляется как

Значение начальной скорости V₀ определяется с учетом расстояния между центрами первого D_1,м и второго D_2,м путей и их удаленности (х_м-x₀) от ствола.

Работа устройства по данному способу происходит следующим образом (фиг. 2). На некотором удалении от ствола после вылета снаряда из ствола орудия амплитуда доплеровского сигнала увеличивается до порогового уровня, при котором срабатывает обнаружитель доплеровского радиолокатора 1 и через второй выход запускает генератор временных импульсов 2. С выхода генератора временных импульсов 2 они начинают поступать на вторые входы N+1 регистраторов длительности временных участков 3, 4, 5, 6, на первые входы которых приходят доплеровские импульсы с первого выхода доплеровского радиолокатора 1. Регистраторы длительности временных участков 3, 4, 5, 6 считают количество временных импульсов с генератора временных импульсов 2 за фиксированное количество Кi, доплеровских импульсов, причем каждое следующее меньше предыдущего. Данные, из банка ряда предполагаемых групп обратных значений пути 18 поступают с его N+1 выходов на вторые входы соответствующих (N+1) умножителей 7, 8, 9, 10. По данным с выходов регистраторов длительностей временных участков 3, 4, 5, 6 соответственно, с помощью умножителей 7, 8, 9, 10 по зависимости (5) вычисляется группа из N+1 значений, обратных величинам возможной текущей скорости. Полученные данные с первых N умножителей 7, 8, 9 поступают на первые входы N вычитающих устройств 12, 13, 14, на другие входы которых поступают значения, обратные величинам возможной текущей скорости, соответственно с каждого следующего умножителя 8, 9, 10. С выходов N вычитающих устройств 12, 13, 14 полученные данные поступают на N входов сумматора 16, и результат суммирования поступает на первый вход сравнивающего устройства 17, на второй вход которого приходят данные с первого вычитающего устройства 12. Затем данные, из банка ряда предполагаемых групп обратных значений пути и удаленности 18, поступают с его N+1 выходов на вторые входы соответствующих N+1 умножителей 7, 8, 9, 10, и сравнивающее устройство 17 повторяет процесс формирования группы значений, обратных величинам возможных текущих скоростей, до тех пор, пока знак результата с сумматора 16 не изменится, при этом m=M, а на выходе первого умножителя 7 данные будут близки к величине обратной текущей скорости снаряда V. При этом разность значений обратных величин возможных текущих скоростей с первого вычитающего устройства 12, поступающая через второй вход сравнивающего устройства 17 на первый вход умножителя 11, должна быть положительной. На другой вход умножителя 17 поступает с (N+2)-го выхода банка ряда предполагаемых групп обратных значений пути и удаленности 18. Таким образом, с выхода (N+1)-го вычитающего устройства 15 по приходящим результатам на его входы с первого умножителя 7 и умножителя 11 имеем значение, обратное величине начальной скорости снаряда.

Недостатком данного описанного способа является зависимость точности измерения начальной скорости снаряда от угла между траекторией движения снаряда и направлением наблюдения.

Другим аналогом данного технического решения является способ измерения внешнебаллистических характеристик снаряда (патент RU 2515580 на изобретение заявка: 2013112556/07 МПК G01S 13/58 (2006.01) опубликован: 10.05.2014 Бюл. №13).

Способ основан на излучении электромагнитной энергии в направлении движения снаряда, приеме электромагнитной энергии отраженной от снаряда, преобразовании аналогового сигнала в цифровой вид, записи сигналов в блок памяти, формировании последовательности дискретных значений его текущей скорости по реализациям доплеровского эхо-сигнала снаряда, вычислении по текущей скорости начальной скорости снаряда с учетом установленной задержки начала его наблюдения относительно момента вылета из ствола орудия, оценивании достоверности дискретных значений текущей скорости снаряда для каждой позиции в полученной последовательности содержащихся в них данных, выделении с учетом полученных результатов в этой последовательности участка, содержащего преимущественно достоверные данные, по которым определяют начальную скорость снаряда, при этом при оценке достоверности данных о текущей скорости снаряда используют критерии, учитывающие задаваемые требования по точности измерения начальной скорости снаряда, при формировании участка упомянутой последовательности для вычисления начальной скорости снаряда начало этого участка определяют по наличию не менее трех следующих подряд позиций с достоверными данными, а его конец - по наличию двух и более позиций с недостоверными данными; используемое при вычислении начальной скорости снаряда время задержки начала наблюдения представляют суммой установленной задержки и суммарной длительности реализации доплеровского эхо-сигнала, предшествующей первой позиции в участке данных, сформированном для вычисления начальной скорости снаряда; при наличии одиночных позиций с недостоверными данными в выделенном участке последовательности дискретных значений текущей скорости снаряда данные, содержащиеся в таких одиночных позициях, заменяют средним значением достоверных данных из двух непосредственно примыкающих к ним позиций этого участка, достоверность данных о текущей скорости снаряда проверяют по превышению фактическим отношением сигнал/шум того его значения, которое необходимо для обеспечения заданной точности определения начальной скорости снаряда, достоверность данных о текущей скорости снаряда оценивают по изменениям значений текущей скорости снаряда, представленным на смежных позициях в полученной последовательности, при этом сначала по величине этих изменений обнаруживают зоны, содержащие недостоверные данные, а затем по достоверным данным, получаемым из позиций, непосредственно примыкающим к этим зонам, определяют для каждой позиции в обнаруженной зоне ожидаемые значения скорости и локализуют каждую позицию с недостоверными данными, причем достоверными считают те позиции, для которых анализируемые изменения значений текущей скорости снаряда не превышают величину задаваемой погрешности измерения начальной скорости снаряда, определяют ширину спектра доплеровского эхо сигнала, определяют по ширине спектра площадь максимального сечения снаряда плоскостью, перпендикулярной линии визирования снаряда, по изменению данной площади на каждой позиции судят о величине нутации снаряда, дополнительно в спектре доплеровского эхо-сигнала определяют частоты гармоник вторичной модуляции эхо-сигнала, вызванной асимметрией распределения массы снаряда относительно его продольной оси, вычисляют по формуле

угловую скорость вращения снаряда вокруг продольной оси, где

f_вp=(f₁-f₂)/2,

f₁ и f₂ - частоты, соответствующие максимумам первых парных гармоник вторичной модуляции доплеровского эхо-сигнала.

Работа устройства для измерения внешнебаллистических характеристик снаряда функционирует следующим образом (фиг. 3).

При нажатии на боевую кнопку происходит одновременный запуск устройства 1 для измерения внешнебаллистических характеристик и срабатывание метательного устройства 2, при этом в момент выхода снаряда 4 из канала ствола срабатывает индукционный датчик 3.

Доплеровский радиолокатор 5 осуществляет излучение электромагнитной энергии в направлении движения снаряда, отраженный от снаряда сигнал поступает на первый вход ключа 6, на второй вход которого поступает сигнал с выхода линии 7 задержки, на вход которой поступает сигнал с выхода индукционного датчика 3 (фиг. 4). Выбор времени задержки обусловлен необходимостью измерения начальной скорости снаряда, так как именно в момент выстрела наблюдается момент, когда скорость снаряда достигает максимального значения. Сигнал с выхода ключа 6 через аналого-цифровой преобразователь 8 поступает на вход блока 9 памяти, где осуществляется его запись. Обработка полученных данных осуществляется в блоке 10 обработки данных, при этом осуществляется анализ достоверности данных в анализаторе 14 достоверности данных (фиг. 5).

Анализатор 14 достоверности данных осуществляет выделение участка, содержащего повышенные достоверные данные, при этом начало участка определяют по наличию не менее трех следующих подряд позиций с достоверными данными, а его конец - по наличию двух и более позиций с недостоверными данными, по которым определяют начальную скорость снаряда.

Вычисления начальной скорости снаряда осуществляют в момент времени t₀=t_зад+t₁, где t_зад - установленная задержка, t_Σ - суммарная длительность реализации доплеровского эхо-сигнала, предшествующей первой позиции в участке данных, сформированном для вычисления начальной скорости снаряда (фиг. 6). При наличии одиночных позиций с недостоверными данными в выделенном участке последовательности дискретных значений текущей скорости снаряда данные, содержащиеся в таких одиночных позициях, заменяют средним значением достоверных данных из двух непосредственно примыкающих к ним позиций этого участка. Таким образом, анализатор 10 достоверности (фиг. 5) данных обеспечивает выборку участка повышенной достоверности данных и обеспечивает проверку достоверности текущей скорости, при этом скорость определяется в соответствии с выражением

где Δf - частота Доплера, λ - длина волны, Δϕ - угол наблюдения.

С выхода анализатора 14 достоверности данных сигналы поступают на входы блока 15 определения ширины спектра и блока 16 определения угловой скорости вращения снаряда.

Кроме того, сигнал с выхода анализатора 14 достоверности данных поступает на вход индикатора 11 скорости движения снаряда. Блок 15 определения ширины спектра обеспечивает:

- вычисление модуля быстрого преобразования Фурье (БПФ):

где у_k=у(k/F_d) оцифрованный аналого-цифровым преобразователем входной сигнал у(t), F_d - частота дискретизации исходного сигнала, N - число отсчетов БПФ, S_n - действительная амплитуда n-ой спектральной гармоники, частоту которой можно определить как:

- определение величины порога:

где Рлт - вероятность ложной тревоги, которая на практике обычно принимается равной 10^-5, - дисперсия шума, значение которой можно вычислить, проанализировав БПФ выходного сигнал радиолокатора при отсутствии движущихся объектов в его зоне видимости на соответствие закону распределения Релея;

- обнуление гармоник, не превысивших значение порога S_пор и находящихся в области ожидаемых частот Доплера:

где f_ож.min, f_ож.max - нижняя и верхняя границы области ожидаемых частот Доплера соответственно,

- определение ширины спектра сигнала:

где f_c.min - нижняя граница спектра сигнала, f_c.max - верхняя граница спектра сигнала, Δf - ширина спектра сигнала (фиг. 7);

- определение по ширине спектра площади максимального сечения снаряда плоскостью, перпендикулярной линии визирования снаряда,

- определение величины нутации снаряда по изменению данной площади на каждой позиции.

Сигнал с выхода блока 15 определения ширины спектра поступает на вход индикатора 12 ширины спектра. Блок 16 определения угловой скорости вращения снаряда обеспечивает определение угловой скорости вращения снаряда относительно продольной оси для выбранного участка измерения. Недостатком данного способа является зависимость точности измерения начальной скорости снаряда от угла между траекторией движения снаряда и направлением наблюдения.

Наиболее близким (прототип) способом измерения скорости снаряда является (патент RU 2338220 на изобретение заявка: 2007107577/09 МПК G01S 13/58 (2006.01) опубликован: 10.11.2008 Бюл. №31).

В данном способе по реализациям доплеровского эхо-сигнала снаряда формируют последовательность дискретных значений его текущей скорости и вычисляют по ним начальную скорость снаряда с учетом установленной задержки начала его наблюдения относительно момента вылета из ствола орудия, для каждой позиции в полученной последовательности дискретных значений текущей скорости снаряда оценивают достоверность содержащихся в них данных и с учетом полученных результатов выделяют в этой последовательности участок, содержащий преимущественно достоверные данные, по которым определяют начальную скорость снаряда, при этом при оценке достоверности данных о текущей скорости снаряда используют критерии, учитывающие задаваемые требования по точности измерения начальной скорости снаряда; при формировании участка упомянутой последовательности для вычисления начальной скорости снаряда начало этого участка определяют по наличию не менее трех следующих подряд позиций с достоверными данными, а его конец - по наличию двух и более позиций с недостоверными данными; используемое при вычислении начальной скорости снаряда время задержки начала наблюдения представляют суммой установленной задержки и суммарной длительности реализации доплеровского эхо-сигнала, предшествующей первой позиции в участке данных, сформированном для вычисления начальной скорости снаряда,; при наличии одиночных позиций с недостоверными данными в выделенном участке последовательности дискретных значений текущей скорости снаряда данные, содержащиеся в таких одиночных позициях, заменяют средним значением достоверных данных из двух, непосредственно примыкающих к ним позиций этого участка, достоверность данных о текущей скорости снаряда проверяют по превышению фактическим отношением сигнал/шум того его значения, которое необходимо для обеспечения заданной точности определения начальной скорости снаряда, достоверность данных о текущей скорости снаряда оценивают по изменениям значений текущей скорости снаряда, представленным на смежных позициях в полученной последовательности, при этом сначала по величине этих изменений обнаруживают зоны, содержащие недостоверные данные, а затем по достоверным данным, получаемым из позиций, непосредственно примыкающим к этим зонам, определяют для каждой позиции обнаруженной зоне ожидаемые значения скорости и локализуют каждую позицию с недостоверными данными, причем достоверными считают те позиции, для которых анализируемые изменения значений текущей скорости снаряда не превышают величину задаваемой погрешности измерения начальной скорости снаряда, дополнительно формируют в направлении заданной траектории полета снаряда равнодоплеровское направление, за счет установки двух измерителей на равных расстояниях от заданной траектории полета снаряда, максимумы диаграмм направленностей которых составляют острый угол с траекторией полета снаряда, измеряют скорость снаряда каждым измерителем, результаты измерений сравнивают и по результатам сравнения судят о нахождении снаряда на заданной траектории полета.

Устройство для измерения скорости снаряда функционирует следующим образом. Измерение скорости снаряда производится одновременно первым 7 и вторым 14 доплеровскими радиолокаторами, расположенными на одинаковых расстояниях от заданной траектории полета снаряда и максимумы диаграмм, направленности которых составляют с ней острые углы (фиг. 8). Выходной сигнал первого 7 и второго 14 доплеровских радиолокаторов определяется скоростью движения снаряда и углами между траекторией полета снаряда и его линией визирования каждым доплеровским радиолокатором. При полете снаряда по заданной траектории данные углы равны, а, следовательно, равны и доплеровские частоты сигналов, принимаемых первым 7 и вторым 14 доплеровскими радиолокаторами. Данное направление можно назвать равно доплеровским. При отклонении от заданной траектории полета указанное равенство нарушается. Принцип измерения скорости снаряда осуществляется следующим образом. Сигналы с выходов первого 7 и второго 14 доплеровских радиолокаторов поступают соответственно через первый 2 и второй 15 формирователи реализаций доплеровского сигнала, на входы первого 3 и второго 16 формирователей дискретных значений текущей скорости снаряда, выходные сигналы которых сохраняются в первом 9 и втором 18 буферных запоминающих устройствах. Под действием сигналов с выходов первого 8 и второго 17 счетчиков реализаций первое 9 и второе 18 буферные запоминающие устройства, выдают сигналы на первый 10 и второй 19 анализаторы достоверности реализаций, где они анализируются и поступают на входы первого 11 и второго 20 формирователей данных для вычисления начальной скорости. Сигналы с выходов первого 11 и второго 20 формирователей данных для вычисления начальной скорости поступают на входы первого 1 и второго 23 вычислителей, с выходов которых поступают на входы устройства 24 сравнения. На выходе устройства 24 сравнения формируется сигнал, информирующий о нахождении снаряда на заданной траектории. Недостатком прототипа также явлется зависимость точности измерения начальной скорости снаряда от угла между траекторией движения снаряда и направлением наблюдения.

Технической задачей изобретения является устранение зависимости точности измерения начальной скорости снаряда от угла между траекторией движения снаряда и направлением наблюдения.

Сущность предлагаемого изобретения основана на излучении электромагнитной энергии в направлении движения снаряда, приеме отраженной от снаряда электромагнитной энергии и последующей обработке доплеровских эхо-сигналов, принятых двумя оптическими телескопическими системами с частотами Доплера ƒ_d1 и ƒ_d2, причем угол α между их оптическими осями известен и неизменен, затем излучения от каждой из телескопических систем суммируют с излучением лазера в двух оптических смесителях, а начальную скорость снаряда определяют по формуле:

где λ₀ - длина волны лазера и соответствующая ей частота ƒ₀;

(ƒ₀-ƒ_d1) - разностная частота излучения после первого смесителя;

(ƒ₀-ƒ_d2) - разностная частота излучения после второго смесителя.

Данное положение поясняется следующим. Частота отраженного от снаряда излучения при использовании эффекта Доплера зависит от скорости движущегося снаряда и углом ϕ между вектором скорости снаряда V и направлением наблюдения. При этом доплеровский сдвиг частоты излучения ƒ_D, связан с начальной скоростью снаряда соотношением:

где λ₀ - длина волны электромагнитного излучения лазера; ϕ - угол между вектором скорости снаряда V и направлением наблюдения.

Погрешность измерения скорости, обусловленную погрешностью установки угла Δϕ между осью ствола и направлением наблюдения ϕ можно найти, дифференцируя соотношение (1) по ϕ.

Разделив ΔV на V из формулы (1), получим относительную погрешность:

Как следует из формулы (3) относительная погрешность измерения начальной скоростью снаряда определяется углом между вектором скорости снаряда V и направлением наблюдения. При углах наблюдения ~90° погрешность стремится к бесконечности. В полевых условиях эта погрешность может быть значительной. Так при ϕ=10° и абсолютной погрешности установки угла между осью ствола и направлением наблюдения Δϕ=1°, относительная погрешность измерения начальной скорости снаряда будет составлять 17,6%. Для исключения этой составляющей погрешности предлагается рассеянное и отраженное снарядом излучение, принимать двумя телескопическими оптическими системами, с известным и неизменным углом α между их оптическими осями.

В этом случае доплеровский сдвиг частот излучения будет составлять:

После оптического смешения излучения лазера с частотой ƒ₀ соответствующей длине волны λ, с излучениями соответствующих доплеровским сдвигам частот ƒ_d1 и ƒ_d2 получим:

Подставляя (4) в (5) получим систему двух уравнений (6) и (7):

В этих уравнениях величины ƒ₀, α известны, a Δƒ₁ и Δƒ₂ измерены.

Исключим из этих уравнений параметр ϕ. Для этого и соотношений (6) и (7) найдем:

Перепишем (9) в виде:

Запишем (10) с учетом зависимости (8)

Перепишем соотношение (11) в виде:

Преобразуем соотношение (12) к виду:

Как следует из выражения (13) начальная скорость снаряда не зависит от угла ϕ, а угол α можно конструктивно можно установить с любой наперед заданной точностью.

Новыми признаками, обладающими существенными отличиями по способу, является следующая совокупность действий:

1. Отраженное движущимся снарядом излучение принимается двумя оптическими телескопическими системами с частотами Доплера ƒ_d1 и ƒ_d2, причем угол α между их оптическими осями известен и неизменен;

2. Излучения от каждой из телескопических систем суммируют с излучением лазера в двух оптических смесителях;

3. Начальную скорость снаряда определяют по формуле:

где λ - длина волны лазера и соответствующая ей частота ƒ₀;

(ƒ₀-ƒ_d1) - разностная частота излучения после первого смесителя;

(ƒ₀-_d2) - разностная частота излучения после второго смесителя.

Заявляемый способ являются результатом научно исследовательской и экспериментальной работы.

На фигуре 9 приведена схема проведения экспериментов, где:

1 - одночастотный лазер;

2, 3 - приемные телескопические системы;

4 - оптические смесители;

5 - фотоприемники;

6 - блок обработки доплеровских эхо-сигналов.

Устройство измерения начальной скорости снаряда содержит одночастотный лазер 1, излучение которого направлено на траекторию движения снаряда. Отраженное от снаряда излучение лазера с частотами Доплера ƒ_d1 и ƒ_d2 принимается двумя оптическими телескопическими системами 2 и 3. Принятые излучения подают в оптические смесители 4. Одновременно с этим в оптические смесители приходит излучение лазера 1 с частотой ƒ₀. После смесителей 4 оптические сигналы с разностной частотой направляются в фотоприемники 5, которые связаны с блоком обработки доплеровских эхо-сигналов 6.

Устройство измерения начальной скорости снаряда функционирует следующим образом. Отраженное от снаряда излучение лазера с частотами Доплера

принимается двумя оптическими телескопическими системами 2 и 3 угол между оптическими осями, которых равен α. Принятые излучения подают в оптические смесители - фотоприемники 4 вместе с излучением лазера 1 с частотой ƒ₀. После смесителей 4 сигналы с разностной частотой

Δƒ₁=ƒ₀-ƒ_d1 и Δƒ₂=ƒ₀-ƒ_d2

направляются в блок обработки доплеровских эхо-сигналов 5, который производит обработку сигналов и вычисление начальной скорости снаряда по формуле:

Таким образом, использование предлагаемого изобретения позволяет исключить влияние угла между траекторией движения снаряда и направлением наблюдения на точность измерения начальной скорости снаряда.

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. Достигаемый технический результат – повышение точности измерения начальной скорости снаряда. Способ основан на излучении электромагнитной энергии в направлении движения снаряда, приеме отраженной от снаряда электромагнитной энергии и последующей обработке доплеровских эхо-сигналов, принятых двумя оптическими телескопическими системами с частотами Доплера ƒ_d1 и ƒ_d2, причем угол α между их оптическими осями известен и неизменен, при этом излучения от каждой из телескопических систем суммируют с излучением лазера в двух оптических смесителях, а начальную скорость снаряда определяют по формуле:

где λ₀ - длина волны лазера и соответствующая ей частота ƒ₀; (ƒ₀-ƒ_d1) - разностная частота излучения после первого смесителя; (ƒ₀-ƒ_d2) - разностная частота излучения после второго смесителя. Способ измерения начальной скорости снаряда, благодаря приему доплеровских эхо-сигналов двумя оптическими телескопическими системами с известным и неизмененным углом α между их оптическими осями, позволяет устранить погрешность измерения от угла между траекторией движения снаряда и направлением наблюдения. 9 ил.

Способ определения начальной скорости снаряда, заключающийся в излучении электромагнитной энергии в направлении движения снаряда, приеме отраженной от снаряда электромагнитной энергии и последующей обработке доплеровских эхо-сигналов, отличающийся тем, что отраженное движущимся снарядом излучение принимается двумя оптическими телескопическими системами с частотами Доплера ƒ_d1 и ƒ_d2, причем угол α между их оптическими осями известен и неизменен, затем излучения от каждой из телескопических систем суммируют с излучением лазера в двух оптических смесителях, а начальную скорость снаряда определяют по формуле:

где λ - длина волны лазера и соответствующая ей частота ƒ₀;

(ƒ₀-ƒ_d1) - разностная частота излучения после первого смесителя;

(ƒ₀-ƒ_d2) - разностная частота излучения после второго смесителя.