СПОСОБ ИСПЫТАНИЙ ЛАЗЕРНОЙ БАЛЛИСТИЧЕСКОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ Российский патент 2022 года по МПК G01S7/497 G01S17/58 G01S13/50 

Изобретение относится к области электромагнитных методов измерения начальной скорости снаряда, в частности к области испытаний лазерной баллистической системы.

Испытание является наиболее достоверным способом оценки технических характеристик системы (Натурный эксперимент: Информационное обеспечение экспериментальных исследований / А.Н. Белюнов, Г.М. Солодихин, В.А. Солодовников и др. / Под ред. Н.И. Баклашова. – М.: Радио и связь, 1982, с. 13-15).

В процессе испытания необходимо определить основные характеристики лазерной доплеровской баллистической системы:

- погрешность измерения начальной скорости снаряда;

- погрешность измерения скорости вращения снаряда.

Испытание лазерной доплеровской баллистической системы представляет собой технически и организационно сложный, дорогостоящий и продолжительный этап. Поэтому упрощение и удешевление испытания при сохранении достоверности является чрезвычайно актуальной задачей.

Известен способ испытания РЛС, использующий математическое моделирование (Леонов А.И., Васенев В.Н., Гайдуков Ю.И. Моделирование в радиолокации. - М.: Советское радио, 1979, с. 25-31). Способ основан на замене реальных сигналов, отраженных от целей, их математическими моделями. Моделируемые величины подаются в систему обработки радиолокационной информации РЛС вместо реальных сигналов, производится многократное обнаружение моделируемых сигналов и измерение координат целей в различных режимах работы РЛС, по окончании испытания проводят статистическую обработку измерений.

Недостаток известного способа состоит в необходимости обеспечения адекватности моделей реальным процессам, что требует их тщательной калибровки с использованием эталонных РЛС. Это приводит к значительному усложнению, а следовательно, и к удорожанию способа.

Другим аналогом является способ испытания РЛС, включающий создание натурной целевой и помеховой радиолокационной обстановки с использованием целей и постановщиков помех, пускаемых по заданным траекториям, обнаружение, захват и сопровождение целей, статистическую обработку измеренных параметров траекторий целей (Леонов А.И., Леонов С.А., Нагулинко Ф.В. Испытания РЛС. Оценка характеристик. - М.: Радио и связь, 1990, с. 3, с. 25).

Основными недостатками этого способа являются значительное количество технических средств, требуемых для проведения испытаний, а следовательно, и его высокая стоимость. Это объясняется тем, что испытание такого сложного устройства как РЛС связано с целым рядом дорогостоящих организационных и технических мероприятий, включающих обеспечение полетов целей (самолетов, вертолетов, ракет и других объектов различных классов и назначения) в зоне обзора РЛС по заданным траекториям, привлечение специальных постановщиков помех, аппаратуры регистрации измерений и оценки результатов испытания.

С учетом того, что для получения достоверных оценок параметров РЛС количество пусков целей по одинаковым траекториям должно быть достаточно большим (десятки), стоимость испытаний становится чрезвычайно большой.

Наиболее близким к заявляемому способу (прототип) является способ измерения внешнебаллистических характеристик снаряда и устройство для его осуществления, предназначенные для измерения скорости снаряда, угловой скорости вращения снаряда вокруг продольной оси и величины нутации снаряда (Патент RU 2515580 на изобретение заявка: 2013112556/07 от 20.03.2013 МПК G01S 13/58 (2006.01), опубликован: 10.05.2014. Бюл. № 13).

Сущность прототипа заключается в том, что при измерении внешнебаллистических характеристик снаряда, в направлении движения снаряда излучается электромагнитная энергия, приеме отраженной от снаряда излучения, 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 ω=2πf_вp 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.

Этот способ реализуется в устройстве для измерения внешнебаллистических характеристик снаряда, содержащем доплеровский радиолокатор, индикатор ширины спектра, в которое дополнительно введены ключ, линия задержки, аналого-цифровой преобразователь, блок памяти, блок обработки данных, индикатор начальной скорости снаряда и индикатор угловой скорости вращения снаряда, причем выход доплеровского радиолокатора соединен с первым входом ключа, второй вход которого соединен с выходом линии задержки, вход которой соединен с выходом индукционного датчика размещенного на канале ствола метаемого тела, а выход с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с входом блока памяти, выход которого соединен с входом блока обработки сигналов, первый, второй и третий выходы которого соединены соответственно с входами индикатора начальной скорости снаряда, индикатора ширины спектра и индикатора угловой скорости вращения снаряда.

Кроме того, блок обработки данных состоит из анализатора достоверности данных, блока определения ширины спектра, блока определения угловой скорости вращения снаряда, при этом вход блока обработки сигнала является входом анализатора достоверности данных, выход которого соединен с входом блока определения ширины спектра и блока определения угловой скорости вращения снаряда, выходы анализатора достоверности данных, блока определения ширины спектра и блока определения угловой скорости вращения снаряда, являются соответственно первым, вторым и третьим выходами блока обработки сигналов.

Алгоритм работы анализатора достоверности данных заключается в оценивании достоверности дискретных значений текущей скорости снаряда для каждой позиции в полученной последовательности содержащихся 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, скорость движения снаряда определяется в соответствии с выражением

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

Кроме того, блок определения ширины спектра функционирует в соответствии с алгоритмом, суть которого заключается в вычислении модуля быстрого преобразования Фурье

где y_k=y(k/F_d) - оцифрованный аналого-цифровым преобразователем входной сигнал y(t), F_d - частота дискретизации исходного сигнала, N - число отсчетов ДПФ, S_n - действительная амплитуда n-й спектральной гармоники, частоту которой можно определить как: определение величины порога:

где Р_лт - вероятность ложной тревоги, которая на практике обычно принимается равной 10-5, σ²_ш - 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, определении по ширине спектра площади максимального сечения снаряда плоскостью, перпендикулярной линии визирования снаряда, определении величины нутации снаряда по изменению данной площади на каждой позиции (фиг. 4).

Кроме того, блок определения угловой скорости вращения снаряда функционирует в соответствии с алгоритмом, суть которого заключается в вычислении частот гармоник вторичной модуляции в амплитудно-частотном спектре выбранного участка измерения, при этом при получении амплитудно-частотного спектра применяется алгоритм компенсации влияния фазовой модуляции отраженного радиолокационного сигнала:

- определение комплексной спектральной амплитуды на выходе алгоритма БПФ:

Где - выбранный участок отраженного эхо-сигнала, K - число отсчетов выбранного участка сигнала,

- определение границы спектра доминирующей гармоники:

где [N_э.min, N_э.max] - интервал спектральных отсчетов, содержащий частоты доминирующей гармоники, n_пл - частотная позиция максимальной спектральной амплитуды, Δn_пл - априорно заданная ширина интервала поиска энергетического центра спектра доминирующей гармоники,

- определение энергетического центра спектра доминирующей гармоники, по квадратам спектральных амплитуд:

Где , n_c - априорно известная ширина спектра доминирующей гармоники, выделение спектра сигнала, отраженного от снаряда, и осуществление дополнения его нулями:

где n_ф - ширина спектра сигнала, отраженного от снаряда, включая гармоники вторичной модуляции, проведении циклического смещение спектра таким образом, чтобы энергетический центр спектра оказался в нулевой позиции в соответствии с выражением:

- осуществление выполнения операции обратного БПФ спектра и получение корректирующего сигнала:

- осуществление умножения исходного участка сигнала на комплексно-сопряженный корректирующий сигнал и выполнение операции БПФ:

- выделение из спектра эхо-сигнала Z_n двух пар гармоник вторичной модуляции, расположенных ближе всех к доминирующей гармонике, и определение значений частот f₁ и f₂, при которых они достигают максимума,

- вычисление угловой скорости вращения снаряда вокруг продольной оси по формуле:

ω=2πf_вр,

где f_вр=(f₁-f₂)/2, f₁ и f₂ - частоты, соответствующие максимумам первых парных гармоник вторичной модуляции доплеровского эхо-сигнала.

Устройство для измерения внешнебаллистических характеристик снаряда функционирует следующим образом. 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 (фиг. 1).

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. 2). 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. 3).

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+t_∑, где t_зад - установленная задержка, t_∑ - суммарная длительность 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.

Таким образом, анализатор 10 достоверности данных обеспечивает выборку участка повышенной достоверности данных и обеспечивает проверку достоверности текущей скорости. 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), определение ширины спектра сигнала, определение по ширине спектра площади максимального сечения снаряда плоскостью, перпендикулярной линии визирования снаряда, определение величины нутации снаряда по изменению 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 недостаточная достоверность измеренных внешнебаллистических характеристик, которая устанавливается анализатором достоверности на основе расчетных, а не экспериментальных данных. Испытание является наиболее объективным способом оценки технических характеристик системы. Технической задачей изобретения является испытание лазерной баллистической измерительной системы для проверки точности измерения скорости артиллерийского снаряда на основе экспериментальных данных. Указанный технический результат достигается тем, что в способе испытаний лазерной баллистической измерительной системы для проверки точности измерения скорости артиллерийского снаряда, включающим создание натурной обстановки, излучение электромагнитной энергии в направлении снаряда, приеме электромагнитной энергии, отраженной от снаряда, преобразовании аналогового сигнала в цифровой вид, быстрого Фурье-преобразовании сигнала и его записи в блок памяти, нахождение частот, соответствующих максимумам первых парных гармоник вторичной модуляции доплеровского эхо-сигнала определяющих угловую скорость вращения снаряда, отличающийся тем, что на неподвижный снаряд направляется излучение одночастотного лазера, при этом излучение лазера модулируется фиксированными частотами на временных интервалах, каждый из которых соответствует доплеровскому сдвигу частоты для заданной на данном временном интервале имитируемой скорости снаряда V_iз, лазерная доплеровская баллистическая измерительная система принимает отраженное от снаряда излучение и по частотам принятых на каждом временном интервале доплеровских сигналов, система вычисляет имитируемую скорость снаряда и погрешности измерения скорости движения снаряда ΔV_i=V_iз - V_iu на различных временных участках, где λ₀ - длина волны одночастотного лазера. Данное положение поясняется следующим.

Неподвижный снаряд облучается одночастотным лазером, излучение которого разделено на временные интервалы, а на каждом i-ом интервале излучение модулируется фиксированными частотами соответствующим доплеровскому сдвигу для заданной на данном временном интервале скорости снаряда V_iз. Длительность временных интервалов выбирается из условия неизменности скорости движения снаряда за это время. То есть за время, равное длительности временного интервала, скорость снаряда не должна изменится на величину допустимой погрешности ΔV_i=ΔV_доп.

Лазерная доплеровская баллистическая система принимает отраженный от снаряда оптический сигнал, который поступает в измерительную систему с модулем быстрого преобразования Фурье (БПФ). В результате быстрого преобразования Фурье отраженного от снаряда оптического сигнала, получаем спектр измеренных частот ƒ_iu эхо-сигнала.

По измеренным частотам ƒ_iu, определяют измеренные скорости снаряда V_iu на i-ом интервале:

По измеренной скорости снаряда определяется погрешность измерения скорости движения снаряда в различных точках калибровочной кривой ΔV_i=V_iз - V_iu, где λ₀ - длина волны одночастотного лазера. Новыми признаками, обладающими существенными отличиями по способу, является следующая совокупность действий:

1. Используется излучение, отраженное от неподвижного в продольном направлении снаряда;

2. Движение снаряда продольном направлении имитируется частотной модуляцией излучения одночастотного лазера, частотой соответствующей доплеровскому сдвигу

3. Лазерная баллистическая измерительная система принимает отраженное излучение от неподвижного в продольном направлении снаряда и по частоте принятого доплеровского сигнала вычисляет измеренную (имитируемую) скорость снаряда

4. Определяются погрешности измерения скорости движения снаряда ΔV_i=V_iз - V_iu на различных временных участках

Заявляемый способ являются результатом научно исследовательской и экспериментальной работы. На фиг. 6 приведена схема проведения экспериментов, где:

17 - неподвижный продольном направлении снаряд;

19 - лазерная доплеровская измерительная баллистическая система, с входящим в нее одночастотным лазером 18;

20 - частотный модулятор;

21 - блок управления;

22 - электрический двигатель.

Устройство, содержит снаряд 17 неподвижный продольном направлении, для создания натурной обстановки в измерительной зоне, доплеровскую измерительную баллистическую систему 19, с входящим в нее одночастотным лазером 18, частотный модулятор 20, блок управления 21.

Устройство функционирует следующим образом. На неподвижный, продольном направлении снаряд 17, направляется излучение одночастотного лазера18, который входит в состав лазерной доплеровской измерительной баллистической системы 19. Излучение одночастотного лазера 18 проходит частотный модулятор 20. Блок управления 21 задает частоты модуляции излучения одночастотного лазера, соответствующие заданным скоростям движения снаряда V_iз, на временных интервалах t₁-t_n (фиг. 5) и передает значения заданных частот модуляции в лазерную доплеровскую измерительную баллистическую систему. Отраженное от неподвижного снаряда излучение принимается доплеровской измерительной баллистической системой 19, которая вычисляет текущую (имитируемую) на данном временном интервале времени скорость снаряда V_iu по значениям доминирующих частот в спектре отраженного сигнала. Далее определяются погрешности измерения скорости движения снаряда (имитируемой) на различных временных интервалах ΔV_i=V_iз - V_iu.

Таким образом, использование предлагаемого изобретения позволяет определять погрешность измерения скорости движения снаряда при различных линейных скоростях вдоль его продольной оси.

Группа изобретений относится к контрольно-измерительной технике и может быть использована при испытаниях лазерной баллистической измерительной системы. Заявленный способ испытаний лазерной баллистической измерительной системы для проверки точности измерения скорости артиллерийского снаряда включает создание натурной обстановки, излучение электромагнитной энергии в направлении снаряда, приеме электромагнитной энергии, отраженной от снаряда, преобразовании аналогового сигнала в цифровой вид, быстрого Фурье-преобразования сигнала и его записи в блок памяти, нахождение частот, соответствующих максимумам первых парных гармоник вторичной модуляции доплеровского эхо-сигнала, определяющих угловую скорость вращения снаряда. Причем на неподвижный в продольном направлении снаряд направляется излучение одночастотного лазера, при этом излучение лазера модулируется фиксированными частотами на временных интервалах, каждый из которых соответствует доплеровскому сдвигу частоты для заданной на данном временном интервале имитируемой скорости снаряда V_iз, а лазерная доплеровская баллистическая измерительная система принимает отраженное от снаряда излучение, и по частотам принятых на каждом временном интервале доплеровских сигналов система вычисляет имитируемую скорость ΔV_i=V_iз-V_iu на различных временных участках, где λ₀ - длина волны одночастотного лазера. Технический результат – возможность определять погрешность измерения скорости движения снаряда при различных линейных скоростях вдоль его продольной оси. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ испытаний лазерной баллистической измерительной системы для проверки точности измерения скорости артиллерийского снаряда, включающий создание натурной обстановки, излучение электромагнитной энергии в направлении снаряда, приеме электромагнитной энергии, отраженной от снаряда, преобразовании аналогового сигнала в цифровой вид, быстрого Фурье-преобразования сигнала и его записи в блок памяти, нахождение частот, соответствующих максимумам первых парных гармоник вторичной модуляции доплеровского эхо-сигнала, определяющих угловую скорость вращения снаряда, отличающийся тем, что на неподвижный в продольном направлении снаряд направляется излучение одночастотного лазера, при этом излучение лазера модулируется фиксированными частотами на временных интервалах, каждый из которых соответствует доплеровскому сдвигу частоты для заданной на данном временном интервале имитируемой скорости снаряда V_iз, а лазерная доплеровская баллистическая измерительная система принимает отраженное от снаряда излучение, и по частотам принятых на каждом временном интервале доплеровских сигналов система вычисляет имитируемую скорость ΔV_i=V_iз-V_iu на различных временных участках, где λ₀ - длина волны одночастотного лазера.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что снаряд приводится во вращательное движение относительно своей продольной оси с заданной угловой скоростью вращения ω_з, измеряется угловая скорость его вращения ω_и лазерной доплеровской баллистической системой и определяется погрешность измерения угловой скорости вращения снаряда Δω=ω_з-ω_и.