RU2790640C1 - Way of measuring the initial velocity of high-speed projectiles with a laser fibre-optic system - Google Patents
Way of measuring the initial velocity of high-speed projectiles with a laser fibre-optic system Download PDFInfo
- Publication number
- RU2790640C1 RU2790640C1 RU2022103614A RU2022103614A RU2790640C1 RU 2790640 C1 RU2790640 C1 RU 2790640C1 RU 2022103614 A RU2022103614 A RU 2022103614A RU 2022103614 A RU2022103614 A RU 2022103614A RU 2790640 C1 RU2790640 C1 RU 2790640C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- projectile
- frequency
- radiation
- optical
- velocity
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
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.The invention relates to instrumentation and can be used for non-contact measurement of the muzzle velocity of a projectile, which is one of the most important ballistic characteristics of a weapon that affects its combat properties.
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).An analogue of this technical solution is a method for measuring the external ballistic characteristics of a projectile (patent RU 2515580 for the invention application: 2013112556/07 IPC G01S 13/58 (2006.01) published: 10.05.2014 Bull. No. 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 формулеThe method is based on the radiation of electromagnetic energy in the direction of the projectile, the reception of electromagnetic energy reflected from the projectile, the conversion of an analog signal into digital form, the recording of signals in a memory block, the formation of a sequence of discrete values of its current velocity based on the implementation of the Doppler echo signal of the projectile, the calculation of the current velocity the initial speed of the projectile, taking into account the established delay in the start of its observation relative to the moment of departure from the gun barrel, evaluating the reliability of discrete values of the current speed of the projectile for each position in the obtained sequence of data contained in them, selecting, taking into account the results obtained in this sequence, a section containing predominantly reliable data, which determine the initial velocity of the projectile, while assessing the reliability of data on the current velocity of the projectile, criteria are used that take into account the specified requirements for the accuracy of measuring the initial velocity of the projectile, n when forming a section of the mentioned sequence for calculating the initial velocity of the projectile, the beginning of this section is determined by the presence of at least three consecutive positions with reliable data, and its end - by the presence of two or more positions with invalid data; the observation start delay time used in calculating the muzzle velocity of the projectile is the sum of the set delay and the total duration of the realization of the Doppler echo signal preceding the first position in the data section generated for calculating the muzzle velocity of the projectile; if there are single positions with unreliable data in the selected section of the sequence of discrete values of the current projectile speed, the data contained in such single positions are replaced by the average value of reliable data from two positions of this section directly adjacent to them, the reliability of the data on the current projectile speed is checked by exceeding the actual ratio the signal/noise of its value, which is necessary to ensure the specified accuracy of determining the initial velocity of the projectile, the reliability of data on the current velocity of the projectile is evaluated by changes in the values of the current velocity of the projectile, presented at adjacent positions in the resulting sequence, while first, zones are detected by the magnitude of these changes, containing unreliable data, and then, based on reliable data obtained from positions immediately adjacent to these zones, the expected speed values \u200b\u200bare determined for each position in the detected zone and each position is localized with insufficient correct data, and those positions are considered reliable, for which the analyzed changes in the values of the current velocity of the projectile do not exceed the value of the specified error in measuring the initial velocity of the projectile, determine the width of the spectrum of the Doppler echo signal, determine the area of the maximum section of the projectile by the width of the spectrum by the plane perpendicular to the line of sight of the projectile, according to a change in this area at each position, the magnitude of the nutation of the projectile is judged, additionally, in the spectrum of the Doppler echo signal, the harmonic frequencies of the secondary modulation of the echo signal caused by the asymmetry of the mass distribution of the projectile relative to its longitudinal axis are determined, calculated by the formula
угловую скорость вращения снаряда вокруг продольной оси, гдеangular velocity of rotation of the projectile around the longitudinal axis, where
f1 и f2 - частоты, соответствующие максимумам первых парных гармоник вторичной модуляции доплеровского эхо-сигнала.f 1 and f 2 - frequencies corresponding to the maxima of the first pair harmonics of the secondary modulation of the Doppler echo signal.
На фиг. 1 приведена обобщенная схема системы измерения внешнебаллистических характеристик движения снаряда.In FIG. 1 shows a generalized scheme of the system for measuring the external ballistic characteristics of the movement of the projectile.
Работа системы измерения внешнебаллистических характеристик движения снаряда функционирует следующим образом.The operation of the system for measuring the external ballistic characteristics of the movement of the projectile functions as follows.
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.When the combat button is pressed, the
На фиг. 3 приведена структурная схема анализатора достоверности измеренных данных, а также определения ширины спектра и угловой скорости вращения снаряда.In FIG. Figure 3 shows a block diagram of the analyzer of the reliability of the measured data, as well as determining the width of the spectrum and the angular velocity of the projectile.
Обработка полученных данных осуществляется в блоке 10 обработки данных, при этом осуществляется анализ достоверности данных в анализаторе 14 достоверности данных (фиг. 3).The processing of the received data is carried out in the
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.The
На фиг. 4 показан график скорости движения снаряда во времени. Вычисления начальной скорости снаряда осуществляют в момент времени t0=tзад+t∑, где tзад - 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.In FIG. 4 shows a graph of projectile velocity over time. Calculations of the initial speed of the projectile are carried out at the time t 0 =t set +t ∑ , where t set is the set delay, t ∑ is the total duration of the Doppler echo signal realization preceding the first position in the data section formed to calculate the initial speed of the projectile. If there are single positions with unreliable data in the selected section of the sequence of discrete values of the current projectile velocity, the data contained in such single positions is replaced by the average value of reliable data from two positions of this section immediately adjacent to them.
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 выражениемThus, the data validity analyzer 10 (FIG. 2) provides a sampling of the area of increased data reliability and provides a validation of the current speed, while the speed is determined in accordance with the expression
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.where Δf is the Doppler frequency, λ is the wavelength, Δϕ is the viewing angle. From the output of the
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:In addition, the signal from the output of the
- вычисление модуля быстрого преобразования Фурье (БПФ):- calculation of the fast Fourier transform (FFT) modulus:
где yk=y(k/Fd) оцифрованный аналого-цифровым преобразователем входной сигнал y(t), Fd - частота дискретизации исходного сигнала, N - число отсчетов БПФ, Sn - действительная амплитуда n-ой спектральной гармоники, частоту которой можно определить как:where yk=y(k/F d ) the input signal y(t) digitized by the analog-to-digital converter, F d is the sampling frequency of the original signal, N is the number of FFT samples, S n is the actual amplitude of the n-th spectral harmonic, the frequency of which can be define as:
- определение величины порога:- determination of the threshold value:
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;where Р lt is the probability of a false alarm, which in practice is usually taken equal to 10 -5 , - noise dispersion, the value of which can be calculated by analyzing the FFT of the output signal of the radar in the absence of moving objects in its visibility zone for compliance with the Rayleigh distribution law;
- обнуление гармоник, не превысивших значение порога Sпор и находящихся в области ожидаемых частот Доплера:- zeroing of harmonics that did not exceed the value of the threshold S then and are in the region of the expected Doppler frequencies:
где f ож.min, f ож.max - нижняя и верхняя границы области ожидаемых частот Доплера соответственно,where f exp.min , f exp.max - the lower and upper boundaries of the region of expected Doppler frequencies, respectively,
- определение ширины спектра сигнала:- determination of the width of the signal spectrum:
где fc.min - нижняя граница спектра сигнала, fc.max - верхняя граница спектра сигнала, Δf - ширина спектра сигнала (фиг. 5);where f c.min is the lower limit of the signal spectrum, f c.max is the upper limit of the signal spectrum, Δf is the width of the signal spectrum (Fig. 5);
- определение по ширине спектра площади максимального сечения снаряда плоскостью, перпендикулярной линии визирования снаряда,- determination by the width of the spectrum of the area of the maximum section of the projectile by a plane perpendicular to the line of sight of the projectile,
- определение величины нутации снаряда по изменению данной площади на каждой позиции.- determination of the value of the nutation of the projectile by changing the given area at each position.
На фиг. 5 приведена амплитудно-частотная характеристика сигнала отраженного от снаряда.In FIG. 5 shows the amplitude-frequency characteristic of the signal reflected from the projectile.
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.The signal from the output of the
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 ƒd1 и ƒd2, 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:Another analogue is (patent RU 2715994 for the invention application: 2019127089 IPC G01S 13/58 (2006.01) published: 05.03.2019 Bull. No. 7) In this method, the laser radiation propagates in the direction of the projectile, and the electromagnetic energy reflected from the projectile is received by two optical telescopic systems with Doppler frequencies ƒ d1 and ƒ d2 , and the angle α between their optical axes is known and unchanged. In this case, the radiation from each of the telescopic systems is added to the laser radiation in two optical mixers, and the initial velocity of the projectile is determined by the formula:
где λ0 - длина волны лазера и соответствующая ей частота ƒ0; (ƒ0-ƒd1) - разностная частота излучения после первого смесителя; (ƒ0 - ƒd2) - 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 ƒD, связан с начальной скоростью снаряда соотношением:where λ 0 is the laser wavelength and its corresponding frequency ƒ 0 ; (ƒ 0 -ƒ d1 ) - difference frequency of radiation after the first mixer; (ƒ 0 - ƒ d2 ) - difference frequency of radiation after the second mixer. This provision is explained as follows. The frequency of the radiation reflected from the projectile when using the Doppler effect depends on the speed of the moving projectile and the angle ϕ between the projectile velocity vector V and the direction of observation. In this case, the Doppler shift of the radiation frequency ƒ D , is related to the initial velocity of the projectile by the relation:
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.where λ 0 is the wavelength of the electromagnetic radiation of the laser; ϕ is the angle between the projectile velocity vector V and the direction of observation. The velocity measurement error due to the error in setting the angle Δϕ between the shaft axis and the observation direction ϕ can be found by differentiating relation (1) with respect to ϕ.
Разделив ΔV на V из формулы (1), получим относительную погрешность:Dividing ΔV by V from formula (1), we obtain the relative error:
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:As follows from this formula, the relative error in measuring the initial velocity of the projectile is determined by the angle between the velocity vector of the projectile V and the direction of observation. At observation angles ~ 90°, the error tends to infinity. In the field, this error can be significant. So at ϕ=10° and the absolute error of setting the angle between the axis of the barrel and the direction of observation Δϕ=1°, the relative error in measuring the muzzle velocity of the projectile will be 17.6%. To eliminate this component of the error, it is proposed that the radiation scattered and reflected by the projectile be received by two telescopic optical systems, with a known and constant angle α between their optical axes. In this case, the Doppler frequency shift of the radiation will be:
После оптического смешения излучения лазера с частотой ƒ0 соответствующей длине волны λ, с излучениями соответствующих доплеровским сдвигам частот ƒd1 и ƒd2 получают разность частот:After optical mixing of laser radiation with a frequency ƒ 0 corresponding to the wavelength λ, with radiation corresponding to the Doppler frequency shifts ƒ d1 and ƒ d2, the frequency difference is obtained:
Δƒ1=ƒ0-ƒd1 и Δƒ2=ƒ0-ƒd2 Δƒ 1 =ƒ 0 -ƒ d1 and Δƒ 2 =ƒ 0 -ƒ d2
Из последних соотношений получим систему двух уравнений:From the last relations we obtain a system of two equations:
В этих уравнениях величины ƒ0, α известны, a Δƒ1 и Δƒ2 измерены. Решая систему двух уравнений, исключив из этих уравнений параметр ϕ, получают:In these equations, the quantities ƒ 0 , α are known, and Δƒ 1 and Δƒ 2 are measured. Solving a system of two equations, excluding the parameter ϕ from these equations, we obtain:
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.As follows from the last relationship, the initial velocity of the projectile does not depend on the angle ϕ, and the angle α can be constructively set with any predetermined accuracy.
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 - ƒd1 и Δƒ2=ƒ0 - ƒd2 направляются в фотоприемники, установленные в блоке обработки доплеровских эхо-сигналов 21, который производит обработку сигналов и вычисление начальной скорости снаряда по последней формуле.In FIG. 6 shows a block diagram of a laser system for measuring the muzzle velocity of a projectile, which operates as follows.
Недостатком описанного способа является маленькая разность частот ƒd1 и ƒd2 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.The disadvantage of the described method is the small frequency difference ƒ d1 and ƒ d2 determined, in accordance with the formulas, a small angle α. A small angle is necessary to ensure the intersection of the optical axes of two telescopic systems in the projectile movement zone, with a small distance between the optical axes of two adjacent lenses of telescopic systems.
Наиболее близким (прототип) способом является (патент RU 2757929 на изобретение заявка: 2020138819 МПК G01S 5/00 (2006.01) опубликован: 25.10.2021, Бюл. №30.)The closest (prototype) method is (patent RU 2757929 for invention application: 2020138819 IPC G01S 5/00 (2006.01) published: 10/25/2021, Bull. No. 30.)
На фиг. 7 приведена структурная схема лазерной волоконно-оптической системы измерения начальной скорости.In FIG. Figure 7 shows a block diagram of a laser fiber-optic system for measuring the initial velocity.
Для этого излучают электромагнитную энергию в направлении движения снаряда, принимают отраженную от снаряда электромагнитную энергию двумя оптическими телескопическими системами с частотами Δƒ1=ƒ0 - ƒd1 и Δƒ2=ƒ0 - ƒd2. При этом угол α между оптическими осями телескопических систем известен и неизменен.To do this, electromagnetic energy is emitted in the direction of the projectile, electromagnetic energy reflected from the projectile is received by two optical telescopic systems with frequencies Δƒ 1 =ƒ 0 - ƒ d1 and Δƒ 2 =ƒ 0 - ƒ d2 . In this case, the angle α between the optical axes of telescopic systems is known and unchanged.
Принятые излучения от каждой из телескопических систем суммируют с излучением лазера в двух оптических смесителях, получая сигналы с разностными частотами Доплера после первого смесителя ƒd1 и ƒd2 после второго смесителя. Затем сигналы после первого смесителя и после второго смесителя суммируют в третьем смесителе, получая сигнал с разностной частотой (ƒd1-ƒd2). Начальную скорость снаряда определяют по формуле:The received radiation from each of the telescopic systems is added to the laser radiation in two optical mixers, receiving signals with Doppler difference frequencies after the first mixer ƒ d1 and ƒ d2 after the second mixer. Then the signals after the first mixer and after the second mixer are summed in the third mixer, obtaining a signal with a difference frequency (ƒ d1 -ƒ d2 ). The initial velocity of the projectile is determined by the formula:
где λ - длина волны лазера и соответствующая ей частота ƒ0;where λ is the laser wavelength and its corresponding frequency ƒ 0 ;
ƒd1 - разностная частота излучения после первого смесителя;ƒ d1 - difference frequency of radiation after the first mixer;
ƒd2 - разностная частота излучения после второго смесителя;ƒ d2 - difference frequency of radiation after the second mixer;
(ƒd1-ƒd2) - разностная частота излучения после третьего смесителя.(ƒ d1 -ƒ d2 ) - difference frequency of radiation after the third mixer.
В последнем соотношении оптический сигнал с частотой ƒd1-ƒd2=ƒ0-Δƒ1-ƒ0-Δƒ2 является результатом смешения оптических сигналов после первого и второго смесителей в третьем смесителе, зарегистрировать который достаточно просто.In the last ratio, the optical signal with a frequency ƒ d1 -ƒ d2 =ƒ 0 -Δƒ 1 -ƒ 0 -Δƒ 2 is the result of mixing optical signals after the first and second mixers in the third mixer, which is quite simple to register.
Лазерная волоконно-оптическая система измерения начальной скорости (фиг 7), содержит:Laser fiber-optic system for measuring the initial speed (Fig. 7), contains:
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-ƒd1 и Δƒ2=ƒ0-ƒd2 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 ƒd1 и ƒd2, направляются в третий смеситель 20.3. Оптические сигналы с разностными частотами Δƒ1 после первого смесителя и ƒd1-ƒd2 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:17 - single-frequency laser; 18, 19 - receiving telescopic systems; 20.1, 20.2, 20.3 - first, second and third optical mixers; 21 - Doppler echo signal processing unit with photodetectors. The system works as follows. The radiation of the
Обработка доплеровских эхо-сигналов предполагает преобразование аналоговых сигналов в цифровые сигналы, с использованием аналога цифровых преобразователей.Doppler echo processing involves converting analog signals to digital signals using analogue digital transducers.
Недостатком данного способа является сложность цифровой регистрации высоких частот Δƒ2 при больших начальных скоростях снаряда.The disadvantage of this method is the complexity of digital registration of high frequencies Δƒ 2 at high initial projectile velocities.
Так при скорости снаряда V=1000 м/сек. ϕ=0, α=0,2°, ƒd2=1,290322580,6 ГГц., а при скорости снаряда V=2000 м/сек. ϕ=0, α=0,2°, ƒd2=2,580645161,3 ГГц.,So at a projectile speed V=1000 m/sec. ϕ=0, α=0.2°, ƒ d2 =1.290322580.6 GHz, and at projectile velocity V=2000 m/sec. ϕ=0, α=0.2°, ƒ d2 =2.580645161.3 GHz.,
Необходимая частота дискретизации Fd доплеровских сигналов ƒd2 определяется теоремой Котельникова в соответствии с соотношением:The required sampling frequency F d of Doppler signals ƒ d2 is determined by the Kotelnikov theorem in accordance with the relation:
Следовательно, при начальной скорости снаряда равной V=2000 м/сек., частота дискретизации Fd доплеровских сигналов должна быть не менее Fd=2ƒd2=2*2,581=5,162 ГГц.Therefore, at the initial velocity of the projectile equal to V=2000 m/sec., the sampling frequency F d of the Doppler signals must be at least F d =2ƒ d2 =2*2.581=5.162 GHz.
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%.Carry out the conversion of an analog signal with a frequency of 5.162 GHz. digitally is quite a technical challenge. Another disadvantage of this method is the possible change in the frequency of radiation of a single-frequency laser ƒ 0 during the operation of the system, which will lead to an error in measuring the initial velocity of the projectile. So when changing the laser wavelength (λ=1550 nm) by Δλ=1.0 pm, the frequency change will be Δƒ 0 =125 MHz, which will lead to an error in measuring the projectile velocity ΔV≈10%.
Технической задачей изобретения является:The technical objective of the invention is:
• Получение частотного спектра сигнала без дискретизации аналогового сигнала;• Obtaining the frequency spectrum of the signal without analog signal sampling;
• Учет изменения частоты излучения одночастотного лазера ƒ0 в период его эксплуатации• Accounting for changes in the radiation frequency of a single-frequency laser ƒ 0 during its operation
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-ƒd1) и (ƒ0-ƒd2) 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 ƒd1 и ƒd2, по которым вычисляют начальную скорость снаряда:The essence of the invention is based on the radiation of electromagnetic energy in the direction of the projectile, the reception of electromagnetic energy reflected from the projectile by two optical telescopic systems with a known and unchanged angle α between their optical axes. A distinctive part of the invention is that received by each telescopic system of radiation with frequencies (ƒ 0 -ƒ d1 ) and (ƒ 0 -ƒ d2 ) and part of the laser radiation with a frequency ƒ 0 summarize, determine the spectral composition of the resulting radiation and the spectral composition is found laser radiation frequency ƒ 0 at the time of measuring the velocity and Doppler frequency ƒ d1 and ƒ d2 , from which the initial velocity of the projectile is calculated:
где λ - длина волны лазера и соответствующая ей частота ƒ0.where λ is the laser wavelength and its corresponding frequency ƒ 0 .
Данное положение поясняется следующим. Оптические сигналы принятые каждой телескопической системой излучения с частотами ƒ0-ƒd1 и ƒ0-ƒd2 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-ƒd1, ƒ0-ƒd2 и ƒ0. Определив эти частоты излучения, вычисляют частоты Доплера ƒd1=ƒ0-ƒd1-ƒ0 и ƒd2=ƒ0-ƒd2-ƒ0, по которым определяют начальную скорость снаряда:This provision is explained as follows. The optical signals received by each telescopic radiation system with frequencies ƒ 0 -ƒ d1 and ƒ 0 -ƒ d2 and part of the laser radiation with a frequency ƒ 0 are summed, and the resulting radiation is analyzed, for example, with an ultra-high resolution infrared spectrometer. The frequencies ƒ 0 -ƒ d1 , ƒ 0 -ƒ d2 and ƒ 0 are found from the frequency spectra obtained in the ultra-high resolution infrared spectrometer. Having determined these radiation frequencies, calculate the Doppler frequencies ƒ d1 \u003d ƒ 0 -ƒ d1 -ƒ 0 and ƒ d2 \u003d ƒ 0 -ƒ d2 -ƒ 0 , by which the initial velocity of the projectile is determined:
Новыми признаками, обладающими существенными отличиями по способу, является следующая совокупность действий:New features that have significant differences in method are the following set of actions:
1. Излучения принятые каждой телескопической системой излучения с частотами ƒ0-ƒd1 и ƒ0-ƒd2 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-ƒd1 и ƒ0-ƒd2 и ƒ0.1. Radiations received by each telescopic radiation system with frequencies ƒ 0 -ƒ d1 and ƒ 0 -ƒ d2 and part of the laser radiation with a frequency ƒ 0 are summed. The resulting radiation is analyzed, for example, with an ultra-high-resolution infrared optical spectrum analyzer, and the frequencies ƒ 0 -ƒ d1 and ƒ 0 -ƒ d2 and ƒ 0 are determined from the obtained frequency spectra.
2. Вычисляют частоты Доплера: ƒd1=ƒ0-ƒd1-ƒ0 и ƒd2=ƒ0-ƒd2-ƒ0.2. Doppler frequencies are calculated: ƒ d1 =ƒ 0 -ƒ d1 -ƒ 0 and ƒ d2 =ƒ 0 -ƒ d2 -ƒ 0 .
3. Начальную скорость снаряда определяют по формуле:3. The initial velocity of the projectile is determined by the formula:
Заявляемый способ являются результатом научно исследовательской и экспериментальной работы.The claimed method is the result of scientific research and experimental work.
На фигуре 8 приведена схема проведения экспериментов, где:The figure 8 shows the scheme of the experiments, where:
17 - одночастотный лазер;17 - single-frequency laser;
18, 19 - приемные телескопические системы;18, 19 - receiving telescopic systems;
20 - оптический сумматор;20 - optical adder;
21 - блок обработки доплеровских эхо-сигналов;21 - Doppler echo processing unit;
22 - инфракрасный анализатор оптического спектра сверхвысокого разрешения.22 - ultra-high resolution infrared optical spectrum analyzer.
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-ƒd1 и ƒ0-ƒd2 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.The device for measuring the initial velocity of the projectile contains a single-
Таким образом, использование предлагаемого изобретения позволяет одновременно получить три частотных спектра. Это принятые каждой телескопической системой сигналы ƒ0-ƒd1 и ƒ0-ƒd2 и излучение лазера с частотой ƒ0. По полученным спектрам частот определяют частоты Доплера и начальную скорость снаряда.Thus, the use of the proposed invention allows you to simultaneously obtain three frequency spectra. These are the signals ƒ 0 -ƒ d1 and ƒ 0 -ƒ d2 received by each telescopic system and laser radiation with a frequency ƒ 0 . The Doppler frequencies and the initial velocity of the projectile are determined from the obtained frequency spectra.
Все компоненты системы являются стандартными для телекоммуникационных применений.All system components are standard for telecommunication applications.
Использованные источники информации:Used sources of information:
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).1. A method for measuring the external ballistic characteristics of a projectile (patent RU 2515580 for the invention application: 2013112556/07,
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).2. A method for measuring the initial velocity of a projectile (patent RU 2715994 for invention application: 2019127089,
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).3. A method for measuring the initial velocity of a projectile with a laser fiber optic system (patent RU 2757929 for invention application: 2020138819 IPC G01S 5/00 (2006.01) published: 10/25/2021, Bull. No. 30).
Claims (3)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2790640C1 true RU2790640C1 (en) | 2023-02-28 |
Family
ID=
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2225015C2 (en) * | 1999-05-27 | 2004-02-27 | Онэра (Оффис Насьональ Д`Этюд Э Де Решерш Аэроспасьяль) | Method and device measuring speed with use of doppler effect |
EP2269078A1 (en) * | 2008-04-30 | 2011-01-05 | Optical Air Data Systems, LLC | Laser doppler velocimeter |
CN103777034A (en) * | 2014-01-22 | 2014-05-07 | 天津大学 | Two-dimensional point range type laser Doppler speed measurement device |
RU2515580C1 (en) * | 2013-03-20 | 2014-05-10 | Сергей Михайлович Мужичек | Method to measure external ballistic characteristics of projectile and device for its realisation |
RU2715994C1 (en) * | 2019-08-27 | 2020-03-05 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военная академия материально-технического обеспечения имени генерала армии А.В. Хрулёва" | Method for measuring initial speed of projectile |
CN110926282A (en) * | 2019-12-13 | 2020-03-27 | 贵州航天计量测试技术研究所 | Device and method for testing initial velocity of projectile in electromagnetic gun bore |
RU2757929C1 (en) * | 2020-11-25 | 2021-10-25 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военная академия материально-технического обеспечения имени генерала армии А.В. Хрулёва" | Method for measuring initial velocity of projectile by laser fiber-optic system |
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2225015C2 (en) * | 1999-05-27 | 2004-02-27 | Онэра (Оффис Насьональ Д`Этюд Э Де Решерш Аэроспасьяль) | Method and device measuring speed with use of doppler effect |
EP2269078A1 (en) * | 2008-04-30 | 2011-01-05 | Optical Air Data Systems, LLC | Laser doppler velocimeter |
RU2515580C1 (en) * | 2013-03-20 | 2014-05-10 | Сергей Михайлович Мужичек | Method to measure external ballistic characteristics of projectile and device for its realisation |
CN103777034A (en) * | 2014-01-22 | 2014-05-07 | 天津大学 | Two-dimensional point range type laser Doppler speed measurement device |
RU2715994C1 (en) * | 2019-08-27 | 2020-03-05 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военная академия материально-технического обеспечения имени генерала армии А.В. Хрулёва" | Method for measuring initial speed of projectile |
CN110926282A (en) * | 2019-12-13 | 2020-03-27 | 贵州航天计量测试技术研究所 | Device and method for testing initial velocity of projectile in electromagnetic gun bore |
RU2757929C1 (en) * | 2020-11-25 | 2021-10-25 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военная академия материально-технического обеспечения имени генерала армии А.В. Хрулёва" | Method for measuring initial velocity of projectile by laser fiber-optic system |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
СОЛОВЬЕВ В.А., ЯРОЩУК С.С., ФЕДОТОВ А.В., КОНОХОВ В.Е. Сравнительный анализ лазерного и радиолокационного методов измерения начальной скорости снаряда // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2019. Вып. 9, сс.168-175. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN102203635B (en) | Device and method for determining an object position | |
US4960329A (en) | Chirp pulse echo ranging apparatus | |
US4837718A (en) | Doppler radar method and apparatus for measuring a projectile's muzzle velocity | |
IL261489A (en) | Optical phasograms for ladar vibrometry | |
US8586929B2 (en) | Method and apparatus for determining the distance to an object emitting an IR signature | |
RU2715994C1 (en) | Method for measuring initial speed of projectile | |
CN105509817A (en) | TeraHertz wave Doppler interferometry instrument and method | |
RU2790640C1 (en) | Way of measuring the initial velocity of high-speed projectiles with a laser fibre-optic system | |
CN113253301B (en) | Multi-frequency pulse laser radar signal processing method and wind measuring radar system | |
RU2515580C1 (en) | Method to measure external ballistic characteristics of projectile and device for its realisation | |
US4843564A (en) | Apparatus and method for measuring frequency of coherent component of a composite signal | |
RU2757929C1 (en) | Method for measuring initial velocity of projectile by laser fiber-optic system | |
RU2351947C2 (en) | Method of measuring initial shell velocity | |
RU2392639C1 (en) | Method for measurement of missile initial speed and device for its implementation | |
RU2765137C2 (en) | Method for testing a laser ballistic measuring system | |
RU2766534C2 (en) | Simulation and testing complex for laser ballistic measuring system | |
RU2612201C1 (en) | Method of determining distance using sonar | |
RU2335785C1 (en) | Laser doppler radar | |
RU2338220C1 (en) | Method of measurement of shell speed | |
RU2530542C1 (en) | Method and device for measurement of angular height of object of search in surveillance non-linear radars | |
RU2332634C1 (en) | Method of functioning of information computation system of missile and device therefor | |
RU2807259C1 (en) | Polarization method for measuring projectile movement parameters at internal ballistics stage | |
RU2792607C1 (en) | Polarizing fiber-optic meter of the angular rotation velocity and the initial velocity of a rifled artillery gun | |
RU2805642C1 (en) | Polarization system for measuring parameters of projectile movement around the barrel of a rifled artillery gun | |
RU2782478C1 (en) | Method for measuring the initial project speed |