СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ НАЧАЛЬНОЙ СКОРОСТИ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ СНАРЯДОВ ЛАЗЕРНОЙ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМОЙ Российский патент 2023 года по МПК G01S17/58 G01P3/36 G01P3/68 

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 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

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

На фиг. 1 приведена обобщенная схема системы измерения внешнебаллистических характеристик движения снаряда.

Работа системы измерения внешнебаллистических характеристик движения 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. На фиг. 2 приведена структурная схема устройства измерения внешнебаллистических характеристик движения снаряда. 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. 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.

На фиг. 3 приведена структурная схема анализатора достоверности измеренных данных, а также определения ширины спектра и угловой скорости вращения снаряда.

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.

На фиг. 4 показан график скорости движения снаряда во времени. 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 (фиг. 2) 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 (фиг. 3) данных поступает на вход индикатора 11 скорости движения снаряда. Блок 15 определения ширины спектра обеспечивает:

- вычисление модуля быстрого преобразования Фурье (БПФ):

где yk=y(k/F_d) оцифрованный аналого-цифровым преобразователем входной сигнал y(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 Р_лт - 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. 5);

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

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

На фиг. 5 приведена амплитудно-частотная характеристика сигнала отраженного от снаряда.

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.

Другим аналогом является (патент RU 2715994 на изобретение заявка: 2019127089 МПК G01S 13/58 (2006.01) опубликован: 05.03.2019 Бюл. №7) В данном способе излучение лазера распространяется в направлении движения снаряда, а прием отраженной от снаряда электромагнитной энергии осуществляется 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. 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 этой формулы, 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 получают разность частот:

Δƒ₁=ƒ₀-ƒ_d1 и Δƒ₂=ƒ₀-ƒ_d2

Из последних соотношений получим систему двух уравнений:

В этих уравнениях величины ƒ₀, α известны, a Δƒ₁ и Δƒ₂ измерены. Решая систему двух уравнений, исключив из этих уравнений параметр ϕ, получают:

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

На фиг. 6 приведена структурная схема лазерной системы измерения начальной скорости снаряда, которая функционирует следующим образом. Излучение лазера 17 направляется на снаряд. Отраженное от снаряда излучение лазера с частотами Доплера принимается двумя оптическими телескопическими системами 18 и 19, угол между оптическими осями которых равен α. Принятые излучения подают в оптические смесители - 20 вместе с излучением лазера 17 с частотой ƒ₀. После смесителей 20 сигналы с разностными частотами Δƒ₁=ƒ₀ - ƒ_d1 и Δƒ₂=ƒ₀ - ƒ_d2 направляются в фотоприемники, установленные в блоке обработки доплеровских эхо-сигналов 21, который производит обработку сигналов и вычисление начальной скорости снаряда по последней формуле.

Недостатком описанного способа является маленькая разность частот ƒ_d1 и ƒ_d2 определяемая, в соответствии с формулами, малым углом α. Малый угол необходим для обеспечения пересечение оптических осей двух телескопических систем в зоне движения снаряда, при небольшом расстоянии между оптическими осями двух, рядом расположенных, объективов телескопических систем.

Наиболее близким (прототип) способом является (патент RU 2757929 на изобретение заявка: 2020138819 МПК G01S 5/00 (2006.01) опубликован: 25.10.2021, Бюл. №30.)

На фиг. 7 приведена структурная схема лазерной волоконно-оптической системы измерения начальной скорости.

Для этого излучают электромагнитную энергию в направлении движения снаряда, принимают отраженную от снаряда электромагнитную энергию двумя оптическими телескопическими системами с частотами Δƒ₁=ƒ₀ - ƒ_d1 и Δƒ₂=ƒ₀ - ƒ_d2. При этом угол α между оптическими осями телескопических систем известен и неизменен.

Принятые излучения от каждой из телескопических систем суммируют с излучением лазера в двух оптических смесителях, получая сигналы с разностными частотами Доплера после первого смесителя ƒ_d1 и ƒ_d2 после второго смесителя. Затем сигналы после первого смесителя и после второго смесителя суммируют в третьем смесителе, получая сигнал с разностной частотой (ƒ_d1-ƒ_d2). Начальную скорость снаряда определяют по формуле:

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

ƒ_d1 - разностная частота излучения после первого смесителя;

ƒ_d2 - разностная частота излучения после второго смесителя;

(ƒ_d1-ƒ_d2) - разностная частота излучения после третьего смесителя.

В последнем соотношении оптический сигнал с частотой ƒ_d1-ƒ_d2=ƒ₀-Δƒ₁-ƒ₀-Δƒ₂ является результатом смешения оптических сигналов после первого и второго смесителей в третьем смесителе, зарегистрировать который достаточно просто.

Лазерная волоконно-оптическая система измерения начальной скорости (фиг 7), содержит:

17 - одночастотный лазер; 18, 19 - приемные телескопические системы; 20.1, 20.2, 20.3 - первый, второй и третий оптические смесители; 21 - блок обработки доплеровских эхо-сигналов с фотоприемниками. Работа системы происходит следующим образом. Излучение лазера 17 направлено на траекторию движения снаряда. Отраженное от снаряда излучение лазера с частотами Δƒ₁=ƒ₀-ƒ_d1 и Δƒ₂=ƒ₀-ƒ_d2 принимается двумя оптическими телескопическими системами 18 и 19, угол между оптическими осями которых равен α. Принятые излучения подают в первый 20.1 и второй 20.2 оптические смесители. Одновременно с этим в оптические смесители 4.1 и 20.2 приходит излучение лазера 17 с частотой ƒ₀. После смесителей 20.1 и 20.2 оптические сигналы с разностными частотами ƒ_d1 и ƒ_d2, направляются в третий смеситель 20.3. Оптические сигналы с разностными частотами Δƒ₁ после первого смесителя и ƒ_d1-ƒ_d2 после третьего смесителя попадают на два фотоприемника, установленных в блоке обработки доплеровских эхо-сигналов 21, который производит обработку сигналов и вычисление начальной скорости снаряда по формуле:

Обработка доплеровских эхо-сигналов предполагает преобразование аналоговых сигналов в цифровые сигналы, с использованием аналога цифровых преобразователей.

Недостатком данного способа является сложность цифровой регистрации высоких частот Δƒ₂ при больших начальных скоростях снаряда.

Так при скорости снаряда V=1000 м/сек. ϕ=0, α=0,2°, ƒ_d2=1,290322580,6 ГГц., а при скорости снаряда V=2000 м/сек. ϕ=0, α=0,2°, ƒ_d2=2,580645161,3 ГГц.,

Необходимая частота дискретизации F_d доплеровских сигналов ƒ_d2 определяется теоремой Котельникова в соответствии с соотношением:

Следовательно, при начальной скорости снаряда равной V=2000 м/сек., частота дискретизации F_d доплеровских сигналов должна быть не менее F_d=2ƒ_d2=2*2,581=5,162 ГГц.

Осуществить преобразование аналогового сигнала с частотой 5,162 ГГц. в цифровой, является достаточно сложной технической задачей. Другим недостатком данного способа является возможное изменение частоты излучения одночастотного лазера ƒ₀ в процессе работы системы, что приведет к погрешности измерения начальной скорости снаряда. Так при изменении длины волны лазера (λ=1550 нм) на величину Δλ=1,0 пм., изменение частоты составит Δƒ₀=125МГц, что приведет к погрешности измерения скорости снаряда ΔV≈10%.

Технической задачей изобретения является:

• Получение частотного спектра сигнала без дискретизации аналогового сигнала;

• Учет изменения частоты излучения одночастотного лазера ƒ₀ в период его эксплуатации

Сущность предлагаемого изобретения основана на излучении электромагнитной энергии в направлении движения снаряда, приеме отраженной от снаряда электромагнитной энергии двумя оптическими телескопическими системами с известным и неизмененным углом α между их оптическими осями. Отличительной частью предлагаемого изобретения является то, что принятые каждой телескопической системой излучения с частотами (ƒ₀-ƒ_d1) и (ƒ₀-ƒ_d2) и часть излучения лазера с частотой ƒ₀ суммируют, определяют спектральный состав результирующего излучения и по спектральному составу находят частоту излучения лазера ƒ₀ в момент измерения скорости и частоты Доплера ƒ_d1 и ƒ_d2, по которым вычисляют начальную скорость снаряда:

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

Данное положение поясняется следующим. Оптические сигналы принятые каждой телескопической системой излучения с частотами ƒ₀-ƒ_d1 и ƒ₀-ƒ_d2 и часть излучения лазера с частотой ƒ₀ суммируют, а результирующее излучение анализируют, например, инфракрасным спектрометром сверхвысокого разрешения. По полученным спектрам частот в инфракрасном спектрометре сверхвысокого разрешения находят частоты ƒ₀-ƒ_d1, ƒ₀-ƒ_d2 и ƒ₀. Определив эти частоты излучения, вычисляют частоты Доплера ƒ_d1=ƒ₀-ƒ_d1-ƒ₀ и ƒ_d2=ƒ₀-ƒ_d2-ƒ₀, по которым определяют начальную скорость снаряда:

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

1. Излучения принятые каждой телескопической системой излучения с частотами ƒ₀-ƒ_d1 и ƒ₀-ƒ_d2 и часть излучения лазера с частотой ƒ₀ суммируют. Результирующее излучение анализируют, например, инфракрасным анализатором оптического спектра сверхвысокого разрешения и по полученным частотным спектрам частот определяют частоты ƒ₀-ƒ_d1 и ƒ₀-ƒ_d2 и ƒ₀.

2. Вычисляют частоты Доплера: ƒ_d1=ƒ₀-ƒ_d1-ƒ₀ и ƒ_d2=ƒ₀-ƒ_d2-ƒ₀.

3. Начальную скорость снаряда определяют по формуле:

Заявляемый способ являются результатом научно исследовательской и экспериментальной работы.

На фигуре 8 приведена схема проведения экспериментов, где:

17 - одночастотный лазер;

18, 19 - приемные телескопические системы;

20 - оптический сумматор;

21 - блок обработки доплеровских эхо-сигналов;

22 - инфракрасный анализатор оптического спектра сверхвысокого разрешения.

Устройство измерения начальной скорости снаряда содержит одночастотный лазер 17, излучение которого направлено на траекторию движения снаряда. Отраженное от снаряда излучение лазера с частотами Доплера ƒ₀-ƒ_d1 и ƒ₀-ƒ_d2 принимается двумя оптическими телескопическими системами 18 и 19. Принятые излучения телескопическими системами 18, 19 и часть излучения лазера направляют в оптический сумматор (смеситель) 20, после которого результирующее излучение поступает в инфракрасный анализатор оптического спектра сверхвысокого разрешения 22. Полученные частотные сигналы поступают в блок обработки доплеровских эхо-сигналов 21, который вычисляет начальную скорость снаряда.

Таким образом, использование предлагаемого изобретения позволяет одновременно получить три частотных спектра. Это принятые каждой телескопической системой сигналы ƒ₀-ƒ_d1 и ƒ₀-ƒ_d2 и излучение лазера с частотой ƒ₀. По полученным спектрам частот определяют частоты Доплера и начальную скорость снаряда.

Все компоненты системы являются стандартными для телекоммуникационных применений.

Использованные источники информации:

1. 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).

2. Способ измерения начальной скорости снаряда (патент RU 2715994 на изобретение заявка: 2019127089, МПК G01S 13/58 (2006.01) опубликован: 05.03.2019 Бюл. №7).

3. Способ измерения начальной скорости снаряда лазерной волоконно-оптической системой (патент RU 2757929 на изобретение заявка: 2020138819 МПК G01S 5/00 (2006.01) опубликован: 25.10.2021, Бюл. №30).

Способ относится к контрольно-измерительной технике и может быть использован для бесконтактного измерения начальной скорости высокоскоростных снарядов, являющейся одной из важнейших баллистических характеристик оружия, оказывающей влияние на его боевые свойства. Техническим результатом является получение частотного спектра сигнала без дискретизации аналогового сигнала, и учет изменения частоты излучения одночастотного лазера ƒ₀ в период его эксплуатации. Заявленный способ основан на излучении электромагнитной энергии в направлении движения снаряда, приеме отраженной от снаряда электромагнитной энергии двумя оптическими телескопическими системами, угол α между оптическими осями которых известен и неизменен. Принятые излучения каждой телескопической системой излучения с частотами (ƒ₀-ƒ_d1) и (ƒ₀-ƒ_d2) суммируют в оптическом сумматоре и определяют спектральный состав результирующего излучения. По полученным спектрам частот находят частоты Доплера ƒ_d1 и ƒ_d2, по которым определяют начальную скорость снаряда. 8 ил.

Способ измерения начальной скорости высокоскоростных снарядов лазерной волоконно-оптической системой, заключающийся в излучении электромагнитной энергии в направлении движения снаряда, приеме отраженного от снаряда излучения двумя оптическими телескопическими системами, с известным и неизменным углом α между их оптическими осями, отличающийся тем, что принятые каждой телескопической системой излучения с частотами (ƒ₀-ƒ_d1) и (ƒ₀-ƒ_d2) и часть излучения лазера с частотой ƒ₀ суммируют, определяют спектральный состав результирующего излучения и по спектральному составу находят частоту излучения лазера ƒ₀ в момент измерения скорости и частоты Доплера ƒ_d1 и ƒ_d2, по которым вычисляют начальную скорость снаряда:

,

где λ - длина волны лазера, соответствующая частоте ƒ₀.