JPH03191297A - 運動特性量を測定する方法と装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、測定構造体に対して相対運動する物体、特
に兵器の銃身中を運動する弾丸の運動特性量を測定する
方法と装置に関し、この場合、前記測定構造体から前記
物体に向けた電磁波がこの物体から反射した電磁波と重
畳し、電気信号で表される往きと戻りの電磁波の間の位
相差の時間経過の中で、個々の振幅には、付属する位相
差と物体の各位置が対応していて、時間に関して前記位
相差を微分して、それぞれの運動特性量が定まる。

更に、この発明は上記の方法を実行する装置にも関し、
これに相応し装置には、電磁波を発生させる発生器、こ
の発生器に連結し、電磁波を兵器の銃身に入射させる結
合装置、入射した電磁波の一部を弾丸から反射した電磁
波に重ねる混合装置、往きと帰りの電磁波の間の位相差
の時間経過を表す電気信号を表示する過渡記録器、及び
前記測定信号の評価装置が装備しである。

〔従来の技術〕

前記の様式の方法と装置は、何よりも移動する任意の物
体の速度と加速度の経過を無接触測定するために適して
いるが、初期の頃には専ら兵器の銃身の、所謂内部弾道
学に関連して重要であった。

気体圧力の外に弾丸の圧力によって生じる兵器の銃身中
の弾丸の並進運動、つまり弾丸の距離、速度及び加速度
が、内部弾道学で中心的な重要性を存する。市販のマイ
クロ波干渉計を用いて、今日では、上記の方式の方法は
５〜６００　ａｍの校正範囲内で行われている。

例えば、米国特許第２．６９１．７６１号明細書、米国
特許第２．７３５．９８１号明細書、及び米国特許第２
，８２４　、２８４号明細書から前記方式の方法又は装
置が公知で、いずれの場合でも往きと帰りの電磁波間の
位相差の時間経過を表す電気測定信号を評価するため、
表示された干渉計の信号の隣接する最大値又は最初値の
間隔を測定し、以後の処理に流用する。弾丸の前で漏れ
によって加圧される燃焼ガスで乱れの影響が生じないと
仮定の下では、ドツプラーのずれの空間周波数が各位置
での弾丸速度に直接比例しているので、一方では兵器の
銃身の使用電磁波の既知伝播波長を介して前記最大値又
は最小値を兵器の銃身に沿った離散位置に付属させるこ
とが行われ、他方では前記の離散位置で測定した時間間
隔に比例する量の差分を形成して、それぞれ一つの箇所
に一定の速度が付属させることができる。

この場合、実際の測定から離散時点で点状の結果のみが
直接得られ、このことは実際の急激で微分可能な信号波
形を与えることができないことを意味する。個々の極値
の間でそれぞれ平均速度が定まるが、これ等の速度はそ
れ等の極値自体でも急激に変わる。このようにして求め
た離散速度の値を直接平均すると、多くの場合許容でき
ない誤差となる。何故なら、速度は距離に対して直線的
に依存するが、時間に関して放物線的に依存するからで
ある（速度Ｖ＝距距離５峙 する平均は分数の分母で行われる）。その外、極値の間
隔自体の測定からも当然大きな誤差が生じる。何故なら
、離散時間系の場合、実際の極値を多数走査するので、
個々の量子化誤差が直接影響を及ぼし、実際には修正で
きない余計な誤差が測定で得た結果に生じることが保証
できないからである。

一定時点ないしは兵器の銃身内の一定の箇所で、空間周
波数とそれによる離散速度値又は加速度値を判定する洗
練された第二の方法としては、高速フーリエ変換が提唱
されている。この変換は干渉計の信号の全ての表示振幅
値を計算に入れるので、測定自体で避けがたい量子化誤
差と位相誤差を平均するが、この方法自体に起因する他
の難点を保有する。不確定性の関係の場合に似て、ここ
では測定時間と周波数帯域の積が一定値であると言う問
題に出くわす。つまり、ドツプラー周波数あるいは弾丸
の速度を非常に正確に測定しようとすると、測定時間を
長く選定する必要があり、このことは急激な過渡現象の
過程ではありえないことである。

〔発明の課題〕

この発明の課題は、上に提示した公知の方法及びこの方
法を実行する公知の装置の難点を排除し、特に簡単な方
法で、しかも簡単で早く行える方法のステップで、物体
の位置に依存する速度又は加速度を狭い誤差範囲内で測
定できるように、測定構造体に対して相対運動する物体
の運動特性量を測定する方法と装置を構成することにあ
る。

〔課題を解決する手段〕

上記の課題は、この発明の方法により、冒頭に述べた方
法の場合、測定信号中で予め前記物体の位置に依存する
速度と加速度の継続する経過を突き止めるため、表示さ
れた各振幅値に付属位相差と物体の各位置を付属させ、
点状に表示された測定信号を逆正弦変換させた走査点に
よって、少なくとも三回必ず微分可能な解析的な相殺関
数、好ましくはチェビシェフ関数を求め、位置を時間で
それぞれ一回及び二回微分することによって、物体の位
置に依存する速度と加速度を求めることによって解決さ
れている。

方法に関する他の有利な構成は、特許請求の範囲の従属
項に記載しである。

更に、上記の課題は、この発明により、冒頭に述べた装
置の場合、前記評価装置（７）に、測定信号中で時間依
存する表示された各振幅値に付属する位相差と各弾丸の
位置を対応させる対応化ユニット（９）と、この対応化
ユニットに連結し、点状に表示された測定信号を逆正弦
変換した走査点によって少なくとも必ず三回微分可能な
解析的な相殺関数、好ましくはチェビシェフ関数を与え
る相殺ユニット（１０）と、この相殺ユニットに連結し
、位相差を時間に関して一回又は二回微分する微分ユニ
ット（１１）とを装備することによって解決されている
。

〔作用と効果〕

使用する電磁波の既知波長に関する干渉計の信号の表示
されたどの振幅値にも（測定範囲、つまりほぼ兵器の銃
身内）、付属する位相差、従って物体の各位置が対応し
ている。種々の振幅値を位相、従って位置に合わせて付
属させる逆余弦変換（ここでは、当然、極値の代わりに
−サイクルの始点と終点に対する零点を使用する限り、
逆正弦変換も可能である）の後、変換された走査点によ
って補償関数が設定される。このことは、事実土木める
位置分解能に影響なしに何らかの量子化誤差と位相誤差
に関する平均化をもたらし、時間に依存する距離の正確
な解析的な記述をもたらす。

こうして得られた弾丸の位置の時間依存性は簡単に、し
かも持続して微分される。そして、−回の微分で位置に
依存する弾丸の速度が、また更に微分することによって
位置に依存する弾丸の加速度が得られる。

この発明による方法を用いて、兵器の銃身に沿った一定
位置に一定の弾丸速度と加速度を対応させることができ
、この対応関係は個々の極値に制限されることなく、し
かも高速フーリエ解析に関連して述べた原理的な不確定
性を含むこともない。

更に、この方法を用いて、干渉計の信号の最初の最小値
又は最大値が現れる前の範囲で、つまり上に述べた公知
の方法と装置で主に解析を行うことのできない範囲で、
初めて速度と加速度を求めることができる。

説明したこの発明による評価装置の協働部品の具体的な
特定は、ここでは重要ではなく、当業者に委ねることが
できる。この場合、例えば付属ユニット及び／又は補償
ユニット及び／又は微分ユニットが少なくとも部分的に
ソフトウェヤで実現でき、この発明による装置をそれ自
体公知の市販部品で簡単に構造にできることになる。

この発明による方法の他の構成によれば、物体に向かう
電磁波の振幅変動を相殺するため、表示された測定信号
の二つの極値の間の低周波振動の振幅を、スプライン（
Ｓρ１ｉｎｅ）補間、主として３次のスプライン補間で
求めている。この構成は、使用する電磁波を発生させる
発生器の振幅制御が必要な精度を保有しない場合、特に
重要である。

従って、ここでは、理論的に入射する電磁波の正弦状変
調を用いて静止物体での反射と一定振幅を存する電磁波
で運動する物体での反射の間に差がないので、比較的良
好な振幅制御が前提にされている。前記の補間を不必要
とする充分良好な振幅制御の限界としては、ここでは、
場合によって生じる振幅変動が過渡記録器等の量子化誤
差によって生じる誤差より小さい範囲が注目される。こ
のことは、振幅誤差を許容範囲に入れる。

この発明による方法の他の構成によれば、弾丸の前の初
期位相位置を測定信号のより長い平均化によって突き止
めている。何故なら、弾丸の出射位置の正確な知識こそ
、この方法の測定誤差に大きな影響を及ぼすからである
。位相差と各弾丸位置は前記の相殺関数によって解析的
に近似されるので、評価する場合、相殺すべき外乱の重
なる実際の位相と相殺関数によって定まる位相の間に差
が生じる。それ故、説明したように、弾丸の前の初期位
相位置を混合器の信号をより長い時間平均して決定する
努力がなされる。

この発明による方法又は説明した装置を用いて、速度測
定の誤差の下限が得られる。これ等の下限は、加速度の
最大値のところで約５％であり、最終速度のところで１
％以下になる。

〔実施例〕

この発明を、以下に模式的な図面に基づきより詳しく説
明する。

第１図の装置は、兵器の銃身１内を運動する弾丸２の運
動特性量を測定するために使用され、電磁波を発生させ
る発生器３と、この発生器に連結し、兵器の銃身ｌに電
磁波を入射させる結合装置４と、入射させた電磁波の一
部を弾丸２から反射した電磁波に重畳させる混合器５と
、往きと戻りの電磁波の間の位相差の時間経過を表す電
気信号を表示する過渡記録器６と、これ等の測定信号の
評価装置７とを具備する。その外、結果を記録したり表
示する接続ユニット８も接続されている。

前記の評価装置７には、測定信号中で時間に依存する各
表示振幅値に付属位相差と各弾丸位置に対応を付ける対
応化ユニット９、この対応化ユニ・ントに連結し、逆正
弦変換した点状に表示された測定信号の走査点によって
、少なくとも五目必ず微分できる解析的な相殺関数、例
えばチェビシェフ関数を得る相殺ユニット１０と、この
相殺ユニ・ントに連結し、位相差を時間に関して一回又
は三回微分できる微分ユニットＩｔとがある。

測定方法による弾丸２の距離の分解能は使用する電磁波
の波長（マイクロ波の範囲）に比例するので、少なくと
も点火過程で重要な弾丸の運動の初期位相がそれに続く
銃身の開口までの駆動運動よりも微細に（約５０倍）分
解される。このため、少なくともこの種の装置の場合、
異なった二つの波長が利用される。例えば、初期位相に
対して自由空間での波長５．５　ｍｍを有する５５　Ｇ
Ｈｚと、銃身の口径りに合わせた第二の周波数であって
、この周波数は兵器の銃身の約二倍の口径の波長にされ
る。この第二の周波数は、例えば１２０　ｍ＋ｎの口径
に対して１．９　ＧＨｚになる。

導波管で形成された結合装置４を介する、第１図に示す
電磁波を兵器の銃身ｌに入射させ、この銃身から出射さ
せる代わりに、当然他の適当な結合装置も使用できる。

例えば、兵器の銃身１の出射口のところに入射用の横開
口を設け、これによって、第１図の図面とは異なり、弾
丸を出射する毎に結合装置４を更新する必要はない。

第２図には、時間ｔに対する信号波形Ｕが、例えば第１
図の過渡記録器６中でどのように記録されるかが示しで
ある。使用するマイクロ波はここでは１０　ＧＨｚにな
り、兵器の銃身１の内部での波長は４７．９　ａｖ＋に
なる。銃身の全長は、図示した実施例の場合、１．５８
５　ａｓであるから、銃身を通過する弾丸の運動によっ
て約６７個の最大値と最小値が形成される。第一の正弦
波状の振動の前の左に見える下向きの二つの突起は、弾
丸を兵器の銃身の陸線に押し込んだときに生じる。

過渡記録器６に表示される実際のデータは、ここでは４
０９６本の走査線の長さを保有し、各走査線は時間情報
と各走査値を（例えばＡＳＣＩＩ表示にして）保有する
。往きと戻りの電磁波の位相差の時間経過を表す検出し
た第２図の電気信号は、量子化の誤差又はそれ以外の誤
差を有する個々の離散測定点から構成される。第５図の
幾分簡単で、理想化された測定信号の波形では、これ等
の個々の点が特に図面の右の部分で高速の場合、知るこ
とができる。

振幅変化を相殺するために使用される、第２図の信号の
関連する部分のスプライン補間に関連する逆正弦変換は
、大体第５図の信号波形になる。

この場合、振幅は１に規格化されている。従って、例え
ば第１図の対応化ユニット９によって、第５図の測定点
の各々に対して付属する位相差と各弾丸位置が付属する
。あるいは、これに平行して、例えば第１図の相殺ユニ
ットＩＯを介して既に逆正弦変換した走査点によって少
なくとも五目微分可能な解析的な相殺関数、主としてチ
ェビシェフ関数が得られる。これによって、時間に依存
する弾丸の位置の解析的な信号記載又は表現が可能にな
る。この時間依存する弾丸の位置を一回微分することに
よって、第３図の位置に依存する弾丸速度が得られる。

更に時間で微分して、第４図の位置に依存する弾丸の加
速度が求まる。第３図と第４図から、平均化された運動
特性量は大幅に平滑化され、継続する波形を有する。こ
のことは、内部弾道に関する正確な表現を可能にし、こ
れに関連する誤差がないことを保証する。

【図面の簡単な説明】

第１図、兵器の銃身中を移動する弾丸の運動特性量を測
定するこの発明による装置の模式図。 第２図、第１図に示した装置によって測定時に表示され
る干渉計の信号（時間りに対する電圧Ｕ）の典型的な一
例を示すグラフ。 第３図、第２図の信号波形から出発した、この発明によ
る方法の結果としての速度と距離の関係を示すグラフ。 第４図、対応する加速度と距離の関係を示すグラフ。 第５図、第２図に相当する幾分明白な信号波形を示すグ
ラフ。 図中引用符号： ｌ・・・兵器の銃身、 ２・・・弾丸、 ３・・・発生器、 ４・・・結合装置、 ５・・・混合回路、 ６・・・過渡記録器、 ７・・・評価装置、 ８・・・接続ユニット、 ９・・・対応化ユニット、 １０・・・相殺ユニット、 １１・・・微分ユニット。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、測定構造体から物体に向けた電磁波がこの物体から
   反射した電磁波と重畳し、電気信号で表される往きと戻
   りの電磁波の間の位相差の時間経過の中で、個々の振幅
   には、付属する位相差と前記物体の各位置が対応してい
   て、時間に関して前記位相差を微分して、それぞれの運
   動特性量が定まる、測定構造体に対して相対運動する前
   記物体、特に兵器の銃身中を運動する弾丸の運動特性量
   を測定する方法と装置において、測定信号中で予め前記
   物体の位置に依存する速度と加速度の継続する経過を突
   き止めるため、表示された各振幅値に付属位相差と物体
   の各位置を付属させ、点状に表示された測定信号を逆正
   弦変換させた走査点によって、少なくとも三回必ず微分
   可能な解析的な相殺関数、好ましくはチェビシェフ関数
   を求め、位置を時間でそれぞれ一回及び二回微分するこ
   とによって、物体の位置に依存する速度と加速度を求め
   ることを特徴とする方法。 ２、物体に向ける電磁波の振幅変動を相殺するために、
   表示された測定信号中の二つの極値の間の低周波振動の
   振幅をスプライン補間、好ましくは三次のスプライン補
   間で求めることを特徴とする請求項１記載の方法。 ３、兵器の銃身中で発火している弾丸のところで測定す
   るため、弾丸の前で既に測定信号のより長い平均化から
   初期位相位置を求めることを特徴とする請求項１又は２
   記載の方法。 ４、電磁波を発生させる発生器と、この発生器に連結し
   、電磁波を兵器の銃身に入射させる結合装置と、入射し
   た電磁波の一部を弾丸から反射した電磁波に重畳する混
   合器と、往きと戻りの電磁波の間の位相差の時間経過を
   表す電気信号を表示する過渡記録器と、この測定信号の
   評価装置とを備え、兵器の銃身中で測定構造体に対して
   相対的に運動する弾丸の運動特性量を測定する装置にお
   いて、前記評価装置（７）に、測定信号中で時間依存す
   る表示された各振幅値に付属する位相差と各弾丸の位置
   を対応させる対応化ユニット（９）と、この対応化ユニ
   ットに連結し、点状に表示された測定信号を逆正弦変換
   した走査点によって少なくとも必ず三回微分可能な解析
   的な相殺関数、好ましくはチェビシェフ関数を与える相
   殺ユニット（１０）と、この相殺ユニットに連結し、位
   相差を時間に関して一回又は二回微分する微分ユニット
   （１１）とが装備されていることを特徴とする装置。