RU2766535C1 - Laser fiber-optic meter of initial velocity of projectile - Google Patents

Laser fiber-optic meter of initial velocity of projectile Download PDF

Info

Publication number
RU2766535C1
RU2766535C1 RU2020138881A RU2020138881A RU2766535C1 RU 2766535 C1 RU2766535 C1 RU 2766535C1 RU 2020138881 A RU2020138881 A RU 2020138881A RU 2020138881 A RU2020138881 A RU 2020138881A RU 2766535 C1 RU2766535 C1 RU 2766535C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
fiber
optic
radiation
projectile
mixer
Prior art date
Application number
RU2020138881A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Александрович Соловьев
Степан Степанович Ярощук
Алексей Владимирович Федотов
Александр Александрович Ошкин
Original Assignee
Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военная академия материально-технического обеспечения имени генерала армии А.В. Хрулёва"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военная академия материально-технического обеспечения имени генерала армии А.В. Хрулёва" filed Critical Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военная академия материально-технического обеспечения имени генерала армии А.В. Хрулёва"
Priority to RU2020138881A priority Critical patent/RU2766535C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2766535C1 publication Critical patent/RU2766535C1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P3/00—Measuring linear or angular speed; Measuring differences of linear or angular speeds
    • G01P3/36—Devices characterised by the use of optical means, e.g. using infrared, visible, or ultraviolet light

Abstract

FIELD: measuring equipment.
SUBSTANCE: device belongs to the field of control and measuring equipment and concerns a laser fiber-optic meter of the initial velocity of a projectile. The meter contains a laser with a radiation frequency ƒ0, a fiber-optic collimator directing laser radiation to the projectile, a mirror telescopic system, fiber splitters and mixers, a biprism, two fiber-optic collimators and two photodetectors. In the mirror telescopic system, a flat opaque rectangular screen is installed in front of an auxiliary mirror. The biprism is installed in front of the focal plane of the main mirror and, together with the screen, divides the field of view of the main mirror into two receiving channels located at an angle α to each other. Two fiber-optic collimators connected to two photodetectors are installed behind the biprism. Fiber splitters and mixers deliver on the first and second photodetectors signals with frequencies Δƒ3=(ƒd1-ƒd2) and Δƒ1=(ƒ0-ƒd1), respectively, where ƒd1 and ƒd2 represent the frequency of radiation reflected from the moving projectile and accepted by two channels of the telescopic system.
EFFECT: increase in the measurement accuracy at small angles between optical axes of receiving channels.
1 cl, 3 dwg

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 лазерный измеритель скорости и/или перемещения малоразмерных объектов в местах с ограниченным доступом (патент RU 2610905 на изобретение заявка: 2015122034 от 09.06.2015 МПК G01S 17/58 (2006.01), опубликован: 17.02.2017 Бюл. №5).An analogue of this technical solution is a laser measuring the speed and / or movement of small objects in places with limited access (patent RU 2610905 for the invention application: 2015122034 dated 06/09/2015 IPC G01S 17/58 (2006.01), published: 02/17/2017 Bull. No. 5 ).

Лазерный измеритель скорости и/или перемещения малоразмерных объектов в местах с ограниченным доступом (фиг. 1) включает источник лазерного излучения 1, соединенный оптическим волокном с оптическим изолятором 2, волоконным усилителем 3 с лазерным диодом накачки 4, оптический делитель 5, выполняющий роль светоделительной пластины для разделения оптического излучения в соотношении 1:1, соединенный оптическим волокном с коннектором FC/APC 6, выполняющим функцию слабоотражающего зеркала, и коллиматором 7 с диаметром пучка 0,8-1,2 мм, и фотоприемником 8. Выход оптического приемника 8 подключен к входу осциллографа 9, соединенному через USB-интерфейс с вычислительным устройством 10. При проведении эксперимента при измерении скорости пули 11 в стволе 12 пневматической винтовки также использовалось защитное оргстекло 13.A laser measuring device for the speed and/or movement of small objects in places with limited access (Fig. 1) includes a laser source 1 connected by an optical fiber to an optical isolator 2, a fiber amplifier 3 with a laser pump diode 4, an optical splitter 5 acting as a beam splitter plate for separation of optical radiation in a ratio of 1:1, connected by an optical fiber with an FC / APC connector 6, which performs the function of a low-reflecting mirror, and a collimator 7 with a beam diameter of 0.8-1.2 mm, and a photodetector 8. The output of the optical receiver 8 is connected to the input of the oscilloscope 9, connected via a USB interface to the computing device 10. During the experiment, when measuring the speed of a bullet 11 in the barrel 12 of an air rifle, protective plexiglass 13 was also used.

Источником 1 лазерного излучения является полупроводниковый одночастотный лазер, стабилизированный с помощью брэгговской решетки, работающий на токе 120 мА, с мощностью излучения около 20 мВт и длиной волны 1064 нм при ширине линии генерации не более 3 МГц, что обеспечивает большую длину когерентности и, следовательно, обеспечивает возможность измерения динамики движения объекта в диапазоне перемещения до 100 м и в диапазоне скоростей от 0,1 до 180 м/с. Оптический изолятор 2 пропускает излучение от лазера 1 только в одном направлении и используется для того, чтобы отраженное излучение, идущее в обратном направлении, не оказывало негативного влияния на лазерный диод 4.The source 1 of laser radiation is a semiconductor single-frequency laser stabilized with a Bragg grating, operating at a current of 120 mA, with a radiation power of about 20 mW and a wavelength of 1064 nm with a generation line width of not more than 3 MHz, which provides a large coherence length and, therefore, provides the ability to measure the dynamics of the movement of an object in the range of movement up to 100 m and in the range of speeds from 0.1 to 180 m/s. The optical isolator 2 allows the radiation from the laser 1 to pass in only one direction and is used to ensure that the reflected radiation traveling in the opposite direction does not adversely affect the laser diode 4.

Устройство работает следующим образом.The device works as follows.

В момент выстрела из пневматической винтовки ИЖ-61 свинцовой пулей весом 0.5 грамма, поршень освобождается спусковым механизмом, что приводит к его движению внутри стакана и, соответственно, к нагнетанию давления. Через специальное отверстие сжатый воздух попадает в канал ствола, что приводит к ускорению пули. Далее производится выстрел из винтовки посредством нажатия на спусковой крючок с одновременной подачей синхроимпульса на вход синхронизации осциллографа 9 при помощи специального датчика. Осциллограф 9 в режиме однократной записи по приходу синхроимпульса записывает 16776704 отсчетов с периодом снятия dt=2 нс. Осциллограмма представляет собой сигнал с оптического приемника 9, т.е. в сущности готовую интерферограмму. Благодаря эффекту Доплера в данной осциллограмме будут наблюдаться биения с частотой прямо пропорциональной скорости измеряемого объекта (пули), поэтому необходимо вычислить спектральные компоненты осциллограммы в различные моменты времени. Спектрограмма вычисляется с использованием быстрого преобразование Фурье (БПФ), которая далее пересчитывается в скорость пули.At the moment of firing from an IZH-61 air rifle with a lead bullet weighing 0.5 grams, the piston is released by the trigger mechanism, which leads to its movement inside the glass and, accordingly, to pressure build-up. Through a special hole, compressed air enters the bore, which leads to the acceleration of the bullet. Next, a shot is fired from a rifle by pressing the trigger with the simultaneous supply of a sync pulse to the synchronization input of the oscilloscope 9 using a special sensor. The oscilloscope 9 in single recording mode upon arrival of a clock pulse records 16776704 samples with a removal period dt=2 ns. The waveform is a signal from the optical receiver 9, i.e. essentially a finished interferogram. Due to the Doppler effect, beats will be observed in this oscillogram with a frequency directly proportional to the speed of the measured object (bullet), so it is necessary to calculate the spectral components of the oscillogram at different times. The spectrogram is computed using the Fast Fourier Transform (FFT), which is then converted to bullet velocity.

Недостатком данного описанного устройства является зависимость точности измерения начальной скорости снаряда от угла между траекторией движения снаряда и направлением наблюдения.The disadvantage of this described device is the dependence of the accuracy of measuring the initial velocity of the projectile on the angle between the trajectory of the projectile and the direction of observation.

Наиболее близким (прототип) является, доплеровский волоконно-оптический измеритель начальной скорости снаряда (патент RU 2727778 на изобретение заявка: 2019127087/08 МПК G01S 17/58 (2006/01), опубликован: 23.07.2020 Бюл. №21).The closest (prototype) is a Doppler fiber optic projectile muzzle velocity meter (patent RU 2727778 for invention application: 2019127087/08 IPC G01S 17/58 (2006/01), published: 23.07.2020 Bull. No. 21).

В данном устройстве доплеровский волоконно-оптический измеритель начальной скорости снаряда включает одночастотный лазер, волоконно-оптический разветвитель, коллиматор, приемную телескопическую систему, оптическая ось которой составляет угол ϕ к траектории полета снаряда, фотоприемник и блок обработки информации. Оптическая ось второй приемной телескопической системы, направлена под углом ϕ+α к траектории полета снаряда, при этом выход первого волоконно-оптического разветвителя соединен с входом второго волоконно-оптического разветвителя, один выход которого соединен с входом первого волоконно-оптического смесителя, а второй выход соединен с входом второго волоконно-оптического смесителя, причем приемные телескопические системы через волоконно-оптические коллиматоры соединены с вторыми входами волоконно-оптических смесителей, а выходы волоконно-оптических смесителей соединены с фотоприемниками, при этом начальная скорость снаряда V определяется по формулеIn this device, a Doppler fiber-optic projectile initial velocity meter includes a single-frequency laser, a fiber-optic splitter, a collimator, a receiving telescopic system, the optical axis of which makes an angle ϕ to the projectile flight path, a photodetector and an information processing unit. The optical axis of the second receiving telescopic system is directed at an angle ϕ + α to the flight path of the projectile, while the output of the first fiber-optic splitter is connected to the input of the second fiber-optic splitter, one output of which is connected to the input of the first fiber-optic mixer, and the second output is connected to the input of the second fiber-optic mixer, and the receiving telescopic systems are connected through fiber-optic collimators to the second inputs of the fiber-optic mixers, and the outputs of the fiber-optic mixers are connected to photodetectors, while the initial velocity of the projectile V is determined by the formula

Figure 00000001
Figure 00000001

где λ - длина волны лазера и соответствующая ей частота ƒ0;where λ is the laser wavelength and its corresponding frequency ƒ 0 ;

(ƒ0-ƒd1) - разностная частота излучения после первого смесителя;(ƒ 0 -ƒ d1 ) - difference frequency of radiation after the first mixer;

(ƒ0-ƒd2) - разностная частота излучения после второго смесителя.(ƒ 0 -ƒ d2 ) - difference frequency of radiation after the second mixer.

Лазерный доплеровский измеритель начальной скорости снаряда (фиг. 2) содержит: одночастотный лазер - 1; волоконно-оптические разветвители - 14.1 и 14.2; волоконно-оптический кабель - 15; волоконно-оптический коллиматор - 7; приемные оптические телескопические системы - 16; волоконно-оптические смесители - 17.1 и 17.2; фотоприемники - 8; усилители - 24; аналого-цифровые преобразователи - 25; вычислительное устройство 26.Laser Doppler meter initial velocity of the projectile (Fig. 2) contains: single-frequency laser - 1; fiber optic splitters - 14.1 and 14.2; fiber optic cable - 15; fiber optic collimator - 7; receiving optical telescopic systems - 16; fiber optic mixers - 17.1 and 17.2; photodetectors - 8; amplifiers - 24; analog-to-digital converters - 25; computing device 26.

Лазерный доплеровский измеритель начальной скорости снаряда включает одночастотный лазер 1, выход которого соединен с первым волоконно-оптическим разветвителем 14.1, коэффициент деления которого составляет 99/1, один выход которого соединен волоконно-оптическим кабелем 15 с волоконно-оптическим коллиматором 7. Второй выход волоконно-оптического разветвителя 14.1, соединен с входом второго волоконно-оптического разветвителя 14.2, коэффициент деления которого составляет 50/50. Выходы второго волоконно-оптического разветвителя 14.2, соединены с входами первого и второго волоконно-оптических смесителей 17.1 и 17.2. Выходы приемных оптических телескопических систем 16 соединены волоконно-оптическим кабелем 15, с вторыми входами волоконно-оптических смесителей 17.1 и 17.2. Выхода волоконно-оптических смесителей 17.1 и 17.2, соединены с фотоприемниками 8, усилителями 24, аналого-цифровыми преобразователями 25, и блоком обработки информации 26. Устройство работает следующим образом. Излучение одночастотного лазера 1, через первый волоконно-оптический разветвитель 14.1, направляется по волоконно-оптическому кабелю 15 на вход волоконно-оптического коллиматора 7 и далее на снаряд. Отраженное (рассеянное) от снаряда излучение (доплеровские эхо-сигналы) принимается приемными оптическими телескопическими системами 16. В соответствии с эффектом Доплера, частоты сигналов с телескопических систем равны:The laser Doppler muzzle velocity meter includes a single-frequency laser 1, the output of which is connected to the first fiber-optic splitter 14.1, the division ratio of which is 99/1, one output of which is connected by a fiber-optic cable 15 to a fiber-optic collimator 7. The second output of the fiber-optic optical splitter 14.1 is connected to the input of the second fiber optic splitter 14.2, the division ratio of which is 50/50. The outputs of the second fiber optic splitter 14.2 are connected to the inputs of the first and second fiber optic mixers 17.1 and 17.2. The outputs of the receiving optical telescopic systems 16 are connected by a fiber optic cable 15 to the second inputs of the fiber optic mixers 17.1 and 17.2. The outputs of fiber-optic mixers 17.1 and 17.2 are connected to photodetectors 8, amplifiers 24, analog-to-digital converters 25, and an information processing unit 26. The device operates as follows. The radiation of a single-frequency laser 1, through the first fiber-optic splitter 14.1, is directed through a fiber-optic cable 15 to the input of the fiber-optic collimator 7 and then to the projectile. The radiation reflected (scattered) from the projectile (Doppler echoes) is received by receiving optical telescopic systems 16. In accordance with the Doppler effect, the frequencies of signals from telescopic systems are:

Figure 00000002
Figure 00000002

Принятые сигналы по волоконно-оптическим кабелям 15, направляются на волоконно-оптические смесители 17.1 и 17.2, выходы которых соединены с фотоприемниками 8. После оптического смешения излучения лазера с частотой ƒ0 соответствующей длине волны λ0, с излучениями соответствующих доплеровским сдвигам частот ƒd1 и ƒd2 частоты сигналов на выходе фотоприемников, будут:The received signals via fiber optic cables 15 are sent to fiber optic mixers 17.1 and 17.2, the outputs of which are connected to photodetectors 8. After optical mixing of laser radiation with a frequency ƒ 0 corresponding to a wavelength λ 0 , with radiation corresponding to Doppler frequency shifts ƒ d1 and ƒ d2 frequencies of signals at the output of photodetectors will be:

Figure 00000003
Figure 00000003

Подставляя (1) в (2) получают систему двух уравнений, решая которую имеют:Substituting (1) into (2) we get a system of two equations, solving which we have:

Figure 00000004
Figure 00000004

Как следует из выражения (3) начальная скорость снаряда не зависит от угла ϕ, а угол α конструктивно можно установить с любой наперед заданной точностью. Сигналы с фотоприемников 8 с частотами Δƒ1 и Δƒ2 усиливаются усилителями 24, преобразовываются аналого-цифровыми преобразователями 25 в цифровую форму и поступают в блок обработки информации 26, в котором производится обработка информации с использованием быстрого преобразование Фурье (БПФ) и вычисления начальной скорости снаряда в соответствии с соотношением (3).As follows from expression (3), 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. Signals from photodetectors 8 with frequencies Δƒ 1 and Δƒ 2 are amplified by amplifiers 24, converted by analog-to-digital converters 25 into digital form and fed to the information processing unit 26, in which information is processed using the fast Fourier transform (FFT) and calculation of the initial velocity of the projectile in accordance with relation (3).

Недостатком описанного устройства является маленькая разность частот ƒdl и ƒd2 обусловленная, в соответствии с формулами (4), малым углом α. Малый угол необходим для обеспечения малых габаритов приемной системы и пересечения оптических осей двух приемных телескопических систем на достаточно большом расстоянии, в зоне движения снаряда. Например, чтобы обеспечить пересечение оптических осей двух телескопических систем в зоне движения снаряда, на расстоянии ~30 метров от места установки приемной системы, угол α должен составлять 0,2÷0,5°, при расстоянии между оптическими осями двух, рядом расположенных, объективов телескопических систем ~100 мм. tg 0,2°=0,0035=100/30000.The disadvantage of the described device is the small frequency difference ƒ dl and ƒ d2 due, in accordance with the formulas (4), a small angle α. A small angle is necessary to ensure the small dimensions of the receiving system and the intersection of the optical axes of the two receiving telescopic systems at a sufficiently large distance, in the zone of movement of the projectile. For example, in order to ensure the intersection of the optical axes of two telescopic systems in the projectile movement zone, at a distance of ~30 meters from the installation site of the receiving system, the angle α should be 0.2 ÷ 0.5 °, with the distance between the optical axes of two adjacent lenses telescopic systems ~100 mm. tg 0.2°=0.0035=100/30000.

При скорости снаряда V=1000 м/сек. ϕ=0, α=0,2°, ƒd1=1290322580,6 Гц., ƒd2=1290314719,5, а разность частот, рассчитанная по формулам (5) будет ƒd1-ƒd2=7861 Гц., что составляет 0,0006% от ƒd1.At projectile speed V=1000 m/sec. ϕ=0, α=0.2°, ƒ d1 =1290322580.6 Hz., ƒ d2 =1290314719.5, and the frequency difference calculated by formulas (5) will be ƒ d1 -ƒ d2 = 7861 Hz., which is 0.0006% of ƒ d1 .

При тех же углах ϕ и α, а также скорости снаряда V=1001 м/сек. ƒd1=1291612903,2 Гц. ƒd2=1291605153,5 Гц, ƒd1-ƒd2=7750 Гц.At the same angles ϕ and α, as well as the velocity of the projectile V=1001 m/sec. ƒ d1 \u003d 1291612903.2 Hz. ƒ d2 \u003d 1291605153.5 Hz, ƒ d1 -ƒ d2 \u003d 7750 Hz.

Зарегистрировать изменение частоты в 11 Гц. при частоте 1,29 ГГц, представляет собой достаточно сложную задачу.Register the frequency change at 11 Hz. at a frequency of 1.29 GHz, is a rather difficult task.

Технической задачей изобретения является повышение точности измерения начальной скорости снаряда, при малых углах между оптическими осями телескопических систем.The technical objective of the invention is to improve the accuracy of measuring the initial velocity of the projectile, at small angles between the optical axes of telescopic systems.

Заявленный технический результат достигается за счет того что, в известном устройстве содержащем одночастотный лазер с частотой излучения ƒ0, волоконный выход которого соединен с входом первого волоконно-оптического разветвителя, один выход которого соединен оптическим волокном с волоконно-оптическим коллиматором, направляющим излучение лазера на снаряд, а второй выход соединен с входом второго волоконно-оптического разветвителя, первый волоконно-оптический смеситель оптических излучений с частотами ƒ0 и ƒd1 и второй волоконно-оптический смеситель оптических излучений с частотами ƒ0 и ƒd2, причем выходы второго разветвителя соединены с первыми входами первого и второго волоконно-оптического смесителей, а вторые входа первого и второго смесителей соединены с приемными волоконно-оптическими коллиматорами оптических телескопических систем, оптические оси которых составляют углы ϕ и ϕ+α к траектории полета снаряда. В отличие от прототипа, предлагается зеркальная телескопическая система, в которой перед вспомогательным зеркалом телескопической системы установлен плоский непрозрачный экран прямоугольной формы, ширина и длина которого равны диаметрам вспомогательного и главного зеркал, соответственно. Перед фокальной плоскостью главного зеркала установлена бипризма, верхняя грань которой параллельна продольной оси непрозрачного экрана, при этом экран вместе с бипризмой разделяют поле зрения главного зеркала на две независимые части, которые составляют два расположенных под углом α друг к другу, приемных канала отраженных от снаряда излучений. За бипризмой под углами +β и -β к оптической оси главного зеркала, установлены два волоконно-оптических коллиматора. В схему дополнительно введены третий волоконно-оптический разветвитель и третий волоконно-оптический смеситель оптических излучений, с частотами ƒd1 и ƒd2. Второй выход третьего разветвителя, соединен с первым входом третьего смесителя, а второй вход третьего смесителя соединен с выходом второго смесителя, причем выход третьего смесителя соединен с первым фотоприемником, а первый выход третьего разветвителя соединен со вторым фотоприемником, при этом начальная скорость снаряда V определяется по формулеThe claimed technical result is achieved due to the fact that, in a known device containing a single-frequency laser with a radiation frequency of ƒ 0 , the fiber output of which is connected to the input of the first fiber-optic splitter, one output of which is connected by an optical fiber to a fiber-optic collimator that directs the laser radiation to the projectile , and the second output is connected to the input of the second fiber-optic splitter, the first fiber-optic mixer of optical radiation with frequencies ƒ 0 and ƒ d1 and the second fiber-optic mixer of optical radiation with frequencies ƒ 0 and ƒ d2 , and the outputs of the second splitter are connected to the first the inputs of the first and second fiber-optic mixers, and the second inputs of the first and second mixers are connected to the receiving fiber-optic collimators of the optical telescopic systems, the optical axes of which make angles ϕ and ϕ+α to the projectile flight path. Unlike the prototype, a mirror telescopic system is proposed, in which a flat opaque rectangular screen is installed in front of the auxiliary mirror of the telescopic system, the width and length of which are equal to the diameters of the auxiliary and main mirrors, respectively. A biprism is installed in front of the focal plane of the main mirror, the upper face of which is parallel to the longitudinal axis of the opaque screen, while the screen, together with the biprism, divides the field of view of the main mirror into two independent parts, which make up two receiving channels of radiation reflected from the projectile located at an angle α to each other . Behind the biprism at angles +β and -β to the optical axis of the main mirror, two fiber-optic collimators are installed. A third fiber-optic splitter and a third fiber-optic mixer of optical radiations, with frequencies ƒ d1 and ƒ d2 , are additionally introduced into the circuit. The second output of the third splitter is connected to the first input of the third mixer, and the second input of the third mixer is connected to the output of the second mixer, the output of the third mixer is connected to the first photodetector, and the first output of the third splitter is connected to the second photodetector, while the initial velocity of the projectile V is determined by formula

Figure 00000005
Figure 00000005

где λ - длина волны излучения лазера и соответствующая ей частота ƒ0, на выходах первого и второго разветвителей;where λ is the wavelength of the laser radiation and its corresponding frequency ƒ 0 at the outputs of the first and second splitters;

ƒd1, ƒd2 - частоты Доплера излучений, отраженные от движущегося снаряда и принятые двумя каналами телескопической системы под углами ϕ и ϕ+α к траектории движения снаряда;ƒ d1 , ƒ d2 - Doppler frequencies of radiation reflected from a moving projectile and received by two channels of the telescopic system at angles ϕ and ϕ+α to the trajectory of the projectile;

Δƒ1=(ƒ0-ƒd1) - разностная частота излучения после первого смесителя, направляемая на второй фотоприемник;Δƒ 1 =(ƒ 0 -ƒ d1 ) - difference frequency of radiation after the first mixer, directed to the second photodetector;

Δƒ2=(ƒ0-ƒd2) - разностная частота излучения после второго смесителя;Δƒ 2 =(ƒ 0 -ƒ d2 ) - difference frequency of radiation after the second mixer;

Δƒ3=(ƒ0-ƒd2) - разностная частота излучения после третьего смесителя, направляемая в первый фотоприемник;Δƒ 3 =(ƒ 0 -ƒ d2 ) - difference frequency of radiation after the third mixer, directed to the first photodetector;

β - преломляющий угол бипризмы.β - refractive angle of the biprism.

Новыми признаками, обладающими существенными отличиями по предлагаемому устройству, является следующая совокупность элементов и связей между ними:New features that have significant differences in the proposed device is the following set of elements and relationships between them:

1. В зеркальной телескопической системе перед фокальной плоскостью главного зеркала установлена бипризма, образующая вместе с главным зеркалом и волоконно-оптическими коллиматорами, расположенными под углом α друг к другу, два приемных канала;1. In the mirror telescopic system, a biprism is installed in front of the focal plane of the main mirror, forming, together with the main mirror and fiber-optic collimators located at an angle α to each other, two receiving channels;

2. За бипризмой под углами +β и -β к оптической оси главного зеркала, в каждом канале установлены коллимационная линза и волоконно-оптический коллиматор;2. Behind the biprism at angles +β and -β to the optical axis of the main mirror, a collimating lens and a fiber-optic collimator are installed in each channel;

3. Перед вспомогательным зеркалом телескопической системы установлен плоский прямоугольный экран, обеспечивающий разделение принимаемого излучения на два расположенных под углом α друг к другу канала;3. A flat rectangular screen is installed in front of the auxiliary mirror of the telescopic system, which ensures the separation of the received radiation into two channels located at an angle α to each other;

4. Выход первого волоконно-оптического смесителя через волоконно-оптический разветвитель соединен с первым входом третьего волоконно-оптического смесителя, а выход второго волоконно-оптического смесителя соединен с вторым входом волоконно-оптического третьего смесителя, выход третьего смесителя соединены с фотоприемником обеспечивающих получение сигнала с разностной частотой ƒd1-ƒd2.4. The output of the first fiber optic mixer through a fiber optic splitter is connected to the first input of the third fiber optic mixer, and the output of the second fiber optic mixer is connected to the second input of the third fiber optic mixer, the output of the third mixer is connected to a photodetector providing a signal from difference frequency ƒ d1 -ƒ d2 .

Заявляемое устройство являются результатом научно исследовательской и экспериментальной работы.The claimed device is the result of scientific research and experimental work.

Лазерный волоконно-оптический измеритель начальной скорости снаряда (фиг. 3) содержит: одночастотный лазер - 1; волоконно-оптические разветвители - 14.1, 14.2, 14.3; волоконно-оптический кабель - 15; волоконно-оптические коллиматоры - 7.1,7.2,7.3; фотоприемники - 8.1 и 8.2; блок обработки информации - 22. Приемная оптическая телескопическая система в своем составе имеет: главное 18 и вспомогательное 19 зеркала, плоский непрозрачный прямоугольный экран 20, бипризму 21, волоконно-оптические коллиматоры 7.2 и 7.3. Отверстие 23 в плоском непрозрачном прямоугольном экране - 20 предназначено для вывода излучения лазера 1 при помощи волоконно-оптического разветвителя - 14.1, волоконно-оптического кабеля - 15 и волоконно-оптического коллиматора - 7.1 на снаряд. Лазерный доплеровский измеритель начальной скорости снаряда работает следующим образом. Излучение лазера 1 с частотой ƒ0 проходит первый волоконно-оптический разветвитель 14.1, где оно делится в соотношении 99/1. Меньшая часть излучения направляется на второй 14.2 волоконно-оптический разветвитель. Большая часть излучения по оптическому волокну 15 направляется на волоконно-оптический коллиматор 7.1 и далее идет на снаряд. Отраженное от снаряда излучение принимается главным зеркалом 18 телескопической системы со вспомогательным зеркалом 19. Центральная часть поля зрения главного зеркала 18 телескопической системы блокируется плоским непрозрачным прямоугольным экраном 20 установленным перед вспомогательным зеркалом 19. Ширина и длина экрана 20 равна диаметрам вспомогательного и главного зеркал, соответственно. Продольная ось экрана 20 располагается перпендикулярно вертикальной плоскости ствола орудия.Laser fiber-optic meter initial velocity of the projectile (Fig. 3) contains: single-frequency laser - 1; fiber optic splitters - 14.1, 14.2, 14.3; fiber optic cable - 15; fiber optic collimators - 7.1,7.2,7.3; photodetectors - 8.1 and 8.2; information processing unit - 22. The receiving optical telescopic system includes: main 18 and auxiliary 19 mirrors, flat opaque rectangular screen 20, biprism 21, fiber-optic collimators 7.2 and 7.3. Hole 23 in a flat opaque rectangular screen - 20 is designed to output laser radiation 1 using a fiber optic splitter - 14.1, fiber optic cable - 15 and fiber optic collimator - 7.1 on the projectile. Laser Doppler muzzle velocity meter works as follows. The radiation of the laser 1 with a frequency ƒ 0 passes the first fiber optic splitter 14.1, where it is divided in the ratio 99/1. A smaller part of the radiation is directed to the second 14.2 fiber optic splitter. Most of the radiation through the optical fiber 15 is directed to the fiber optic collimator 7.1 and then goes to the projectile. The radiation reflected from the projectile is received by the main mirror 18 of the telescopic system with an auxiliary mirror 19. The central part of the field of view of the main mirror 18 of the telescopic system is blocked by a flat opaque rectangular screen 20 installed in front of the auxiliary mirror 19. The width and length of the screen 20 are equal to the diameters of the auxiliary and main mirrors, respectively. The longitudinal axis of the screen 20 is perpendicular to the vertical plane of the gun barrel.

Бипризма 21, установленная перед фокальной плоскостью главного зеркала, образует вместе с главным зеркалом 18, и волоконно-оптическими коллиматорами 7.2 и 7.3 два приемных канала. Бипризма 21 разделяет в пространстве под углами +β и -β к оптической оси главного зеркала принятое телескопической системой, отраженное под углами ϕ и ϕ+α от снаряда излучение. Излучения принятые волоконно-оптическими коллиматорами 7.2 и 7.3 с частотами ƒd1 и ƒd2 по оптическим волокнам 15 направляются на вторые входы первого 17.1 и второго 17.2 волоконно-оптических смесителей. На первые входы первого 17.1 и второго 17.2 волоконно-оптических смесителей поступают излучение лазера с частотой ƒ0. В результате оптического смешения излучения лазера с частотой ƒ0 соответствующей длине волны λ0, с излучениями соответствующих доплеровским сдвигам частот ƒd1 и ƒd2 на выходах первого 17.1 и второго 17.2 оптических смесителей будут сигналы с разностными частотами:The biprism 21, installed in front of the focal plane of the main mirror, forms, together with the main mirror 18, and fiber-optic collimators 7.2 and 7.3, two receiving channels. The biprism 21 separates in space at angles +β and -β to the optical axis of the main mirror the radiation received by the telescopic system and reflected at angles ϕ and ϕ+α from the projectile. The radiation received by the fiber optic collimators 7.2 and 7.3 with frequencies ƒ d1 and ƒ d2 through the optical fibers 15 are sent to the second inputs of the first 17.1 and second 17.2 fiber optic mixers. The first inputs of the first 17.1 and second 17.2 fiber-optic mixers receive laser radiation with a frequency ƒ 0 . As a result of optical mixing of laser radiation with a frequency ƒ 0 corresponding to the wavelength λ 0 , with radiation corresponding to the Doppler frequency shifts ƒ d1 and ƒ d2 at the outputs of the first 17.1 and second 17.2 optical mixers there will be signals with difference frequencies:

Δƒ1=ƒ0-ƒd1 и Δƒ2=ƒ0-ƒd2,Δƒ 1 =ƒ 0 -ƒd 1 and Δƒ 2 =ƒ 0 -ƒd 2 ,

Сигнал Δƒ1 с выхода первого оптического смесителя 17.1 через волоконно-оптический разветвитель 14.3 направляется на первый вход третьего волоконно-оптического смесителя 17.3, а на его второй вход поступает сигнал Δƒ2 с выхода второго волоконно-оптического смесителя 17.2. В результате на выходе третьего волоконно-оптического смесителя 17.3 будет сигнал с разностной частотой:The signal Δƒ 1 from the output of the first optical mixer 17.1 through the fiber optic splitter 14.3 is sent to the first input of the third fiber optic mixer 17.3, and its second input receives the signal Δƒ 2 from the output of the second fiber optic mixer 17.2. As a result, the output of the third fiber-optic mixer 17.3 will have a signal with a difference frequency:

Δƒ3=Δƒ2-Δƒ1=(ƒ0-ƒd2)-(ƒ0-ƒd1)=ƒd1-ƒd2 Δƒ 3 = Δƒ 2 -Δƒ 1 = (ƒ 0 -ƒ d2 )-(ƒ 0 -ƒ d1 )=ƒ d1 -ƒ d2

В соотношении (3) разностная частота ƒdl-ƒd2 не присутствует в явном виде, поэтому перепишем соотношение (3) в виде:In relation (3), the difference frequency ƒ dl -ƒ d2 is not present in an explicit form, so we rewrite relation (3) as:

Figure 00000006
Figure 00000006

Преобразуем (4), для чего к числителю дроби прибавим и вычтем ƒd1. Тогда соотношение (4) запишется в виде:Let us transform (4), for which we add and subtract ƒ d1 to the numerator of the fraction. Then relation (4) will be written in the form:

Figure 00000007
Figure 00000007

Группируя в последнем соотношении члены, получим:Grouping the terms in the last ratio, we get:

Figure 00000008
Figure 00000008

С учетом соотношений Δƒ1=ƒ0-ƒd1 и Δƒ2=ƒ0-ƒd2, перепишем (5) в виде:Taking into account the relations Δƒ 1 =ƒ 0 -ƒ d1 and Δƒ 2 =ƒ 0 -ƒ d2 , we will rewrite (5) as:

Figure 00000009
Figure 00000009

Согласно соотношению (6) начальная скорость снаряда определяется оптическими сигналами с частотами Δƒ1 и Δƒ3=ƒd1-ƒd2, а также углом α. Оптические сигналы с первого выхода третьего разветвителя 14.3 и выхода третьего волоконно-оптического смесителя 17.3 с соответствующими частотами Δƒ1 и ƒd1-ƒd2 направляются на фотоприемники 8.2 и 8.1. Сигналы с фотоприемников 8.2 и 8.1 с частотами Δƒ1 и ƒd1-ƒd2 поступают в блок обработки информации 22, в котором усиливаются, преобразовываются в цифровую форму и осуществляется быстрое преобразование Фурье (БПФ) с вычислением начальной скорости снаряда в соответствии с соотношением (6).According to relation (6), the initial velocity of the projectile is determined by optical signals with frequencies Δ ƒ1 and Δƒ 3 =ƒ d1 -ƒ d2 , as well as the angle α. Optical signals from the first output of the third splitter 14.3 and the output of the third fiber-optic mixer 17.3 with the corresponding frequencies Δƒ 1 and ƒ d1 -ƒ d2 are sent to photodetectors 8.2 and 8.1. Signals from photodetectors 8.2 and 8.1 with frequencies Δƒ 1 and ƒ d1 -ƒ d2 enter the information processing unit 22, in which they are amplified, digitized and a fast Fourier transform (FFT) is performed with the calculation of the initial velocity of the projectile in accordance with the relation (6 ).

Все компоненты системы являются стандартными для телекоммуникационных применений.All system components are standard for telecommunications applications.

Использованные источники информацииInformation sources used

1. Патент RU 2373543 на изобретение заявка: 2008125910/28 МПК G01P 3/36 (2008.06), опубликован: 20.11.2009. Бюл. №32.1. Patent RU 2373543 for invention application: 2008125910/28 IPC G01P 3/36 (2008.06), published: 20.11.2009. Bull. No. 32.

2. Патент RU 2435166 на изобретение заявка: 2010123427/28 от 09.06.2010 МПК G01P 3/36,5/00 (2006.01), опубликован: 27.11.2011. Бюл. №33.2. Patent RU 2435166 for invention application: 2010123427/28 dated 06/09/2010 IPC G01P 3/36.5/00 (2006.01), published: 11/27/2011. Bull. No. 33.

3. Патент RU 2610905 на изобретение заявка: 2015122034 от 09.06.2015 МПК G01S 17/58 (2006.01), опубликован: 17.02.2017. Бюл. №5.3. Patent RU 2610905 for invention application: 2015122034 dated 06/09/2015 IPC G01S 17/58 (2006.01), published: 02/17/2017. Bull. No. 5.

4. Патент RU 2727778 на изобретение заявка: 2019127087 от 27.08.2019 МПК G01S 17/58 (2006.01), опубликован: 23.07.2020. Бюл. №21.4. Patent RU 2727778 for invention application: 2019127087 dated 08/27/2019 IPC G01S 17/58 (2006.01), published: 07/23/2020. Bull. No. 21.

Claims (8)

Лазерный волоконно-оптический измеритель начальной скорости снаряда, содержащий одночастотный лазер с частотой излучения ƒ0, волоконный выход которого соединен с входом первого волоконно-оптического разветвителя, один выход которого соединен оптическим волокном с волоконно-оптическим коллиматором, направляющим излучение лазера на снаряд, а второй выход соединен с входом второго волоконно-оптического разветвителя, первый волоконно-оптический смеситель оптических излучений с частотами ƒ0 и ƒd1 и второй волоконно-оптический смеситель оптических излучений с частотами ƒ0 и ƒd2, причем выходы второго разветвителя соединены с первыми входами первого и второго волоконно-оптического смесителей, а вторые входа первого и второго смесителей соединены с приемными волоконно-оптическими коллиматорами оптических телескопических систем, оптические оси которых составляют углы ϕ и ϕ+α к траектории полета снаряда, отличающийся тем, что в зеркальной телескопической системе перед вспомогательным зеркалом телескопической системы установлен плоский непрозрачный экран прямоугольной формы, ширина и длина которого равны диаметрам вспомогательного и главного зеркал, соответственно, перед фокальной плоскостью главного зеркала установлена бипризма, верхняя грань которой параллельна продольной оси непрозрачного экрана, при этом экран вместе с бипризмой разделяют поле зрения главного зеркала на две независимые части, которые составляют два расположенных под углом α друг к другу, приемных канала отраженных от снаряда излучений, за бипризмой под углами +β и -β к оптической оси главного зеркала, установлены два волоконно-оптических коллиматора, при этом в схему дополнительно введены третий волоконно-оптический разветвитель и третий волоконно-оптический смеситель оптических излучений с частотами ƒdl и ƒd2, второй выход третьего разветвителя соединен с первым входом третьего смесителя, а второй вход третьего смесителя соединен с выходом второго смесителя, причем выход третьего смесителя соединен с первым фотоприемником, а первый выход третьего разветвителя соединен со вторым фотоприемником, при этом начальная скорость снаряда V определяется по формулеA laser fiber-optical projectile initial velocity meter, containing a single-frequency laser with a radiation frequency of ƒ 0 , the fiber output of which is connected to the input of the first fiber-optic splitter, one output of which is connected by an optical fiber to a fiber-optic collimator that directs the laser radiation to the projectile, and the second the output is connected to the input of the second fiber-optic splitter, the first fiber-optic mixer of optical radiation with frequencies ƒ 0 and ƒ d1 and the second fiber-optic mixer of optical radiation with frequencies ƒ 0 and ƒ d2 , and the outputs of the second splitter are connected to the first inputs of the first and of the second fiber-optic mixer, and the second inputs of the first and second mixers are connected to the receiving fiber-optic collimators of optical telescopic systems, the optical axes of which make angles ϕ and ϕ + α to the projectile flight path, characterized in that in the mirror telescopic system in front of the auxiliary mirror A flat opaque rectangular screen is installed at the telescopic system. mirrors into two independent parts, which make up two receiving channels of radiation reflected from the projectile located at an angle α to each other, behind the biprism at angles +β and -β to the optical axis of the main mirror, two fiber-optic collimators are installed, while in the circuit a third fiber-optic splitter and a third fiber-optic mixer of optical radiation with frequencies ƒ dl and ƒ d2 are additionally introduced, the second output of the third splitter is connected to the first input of the third mixer, and the second input of the third mixer is connected to the output of the second mixer, and the output of the third mixer is connected ne with the first photodetector, and the first output of the third splitter is connected to the second photodetector, while the initial velocity of the projectile V is determined by the formula
Figure 00000010
Figure 00000010
 где λ - длина волны излучения лазера и соответствующая ей частота ƒ0, на выходах первого и второго разветвителей;where λ is the wavelength of the laser radiation and its corresponding frequency ƒ 0 at the outputs of the first and second splitters; ƒd1, ƒd2 - частоты Доплера излучений, отраженные от движущегося снаряда и принятые двумя каналами телескопической системы под углами ϕ и ϕ+α к траектории движения снаряда;ƒ d1 , ƒ d2 - Doppler frequencies of radiation reflected from a moving projectile and received by two channels of the telescopic system at angles ϕ and ϕ+α to the trajectory of the projectile; Δƒ1=(ƒ0-ƒd1) - разностная частота излучения после первого смесителя, направляемая на второй фотоприемник;Δƒ 1 =(ƒ 0 -ƒ d1 ) - difference frequency of radiation after the first mixer, directed to the second photodetector; Δƒ2=(ƒ0-ƒd2) - разностная частота излучения после второго смесителя;Δƒ 2 =(ƒ 0 -ƒ d2 ) - difference frequency of radiation after the second mixer; Δƒ3=(ƒd1-ƒd2) - разностная частота излучения после третьего смесителя, направляемая в первый фотоприемник;Δƒ 3 =(ƒ d1 -ƒ d2 ) - difference frequency of radiation after the third mixer, directed to the first photodetector; β - преломляющий угол бипризмы.β - refractive angle of the biprism.
RU2020138881A 2020-11-25 2020-11-25 Laser fiber-optic meter of initial velocity of projectile RU2766535C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020138881A RU2766535C1 (en) 2020-11-25 2020-11-25 Laser fiber-optic meter of initial velocity of projectile

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020138881A RU2766535C1 (en) 2020-11-25 2020-11-25 Laser fiber-optic meter of initial velocity of projectile

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2766535C1 true RU2766535C1 (en) 2022-03-15

Family

ID=80736494

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020138881A RU2766535C1 (en) 2020-11-25 2020-11-25 Laser fiber-optic meter of initial velocity of projectile

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2766535C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2792607C1 (en) * 2022-07-12 2023-03-22 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военная академия материально-технического обеспечения имени генерала армии А.В. Хрулёва" Polarizing fiber-optic meter of the angular rotation velocity and the initial velocity of a rifled artillery gun

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2004023150A1 (en) * 2002-09-03 2004-03-18 Loughborough University Enterprises Limited Marking of objects for speed and spin measurements
CN104991084A (en) * 2015-07-15 2015-10-21 中国航空工业集团公司上海航空测控技术研究所 High-speed projectile velocity measuring device
RU2610905C2 (en) * 2015-06-09 2017-02-17 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук (ИОФ РАН) Laser device for measuring velocity and/or displacement of small-size objects in limited-access places
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

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2004023150A1 (en) * 2002-09-03 2004-03-18 Loughborough University Enterprises Limited Marking of objects for speed and spin measurements
RU2610905C2 (en) * 2015-06-09 2017-02-17 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук (ИОФ РАН) Laser device for measuring velocity and/or displacement of small-size objects in limited-access places
CN104991084A (en) * 2015-07-15 2015-10-21 中国航空工业集团公司上海航空测控技术研究所 High-speed projectile velocity measuring 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

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2792607C1 (en) * 2022-07-12 2023-03-22 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военная академия материально-технического обеспечения имени генерала армии А.В. Хрулёва" Polarizing fiber-optic meter of the angular rotation velocity and the initial velocity of a rifled artillery gun
RU2798441C1 (en) * 2022-07-12 2023-06-22 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военная академия материально-технического обеспечения имени генерала армии А.В. Хрулёва" Polarization method for determining the initial velocity of a shell from a rifled artillery piece
RU2807259C1 (en) * 2023-02-28 2023-11-13 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "ВОЕННАЯ АКАДЕМИЯ МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ имени генерала армии А.В. Хрулева" Polarization method for measuring projectile movement parameters at internal ballistics stage

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0506657B1 (en) System for measuring velocity field of fluid flow utilizing a laser-doppler spectral image converter
WO1997028419A9 (en) A white light velocity interferometer
CN104764898B (en) It is a kind of to realize two kinds of velocity measuring techniques to a measuring point while the device of repetition measurement using single probe monochromatic light road
Barker The development of the VISAR, and its use in shock compression science
US4155647A (en) Optical apparatus for ballistic measurements
RU2766535C1 (en) Laser fiber-optic meter of initial velocity of projectile
RU2610905C2 (en) Laser device for measuring velocity and/or displacement of small-size objects in limited-access places
Rodriguez et al. Fiber Bragg grating sensing of detonation and shock experiments at Los Alamos National Laboratory
RU2792607C1 (en) Polarizing fiber-optic meter of the angular rotation velocity and the initial velocity of a rifled artillery gun
RU2727778C1 (en) Doppler fibre-optic device of projectile initial speed
US10830890B1 (en) Multispectral LADAR using temporal dispersion
RU2805642C1 (en) Polarization system for measuring parameters of projectile movement around the barrel of a rifled artillery gun
Goodwin et al. Non-invasive timing of gas gun-launched projectiles using external surface-mounted optical fiber-Bragg grating strain gauges
RU2766534C2 (en) Simulation and testing complex for laser ballistic measuring system
CN207636626U (en) The compound laser-produced fusion shock velocity measuring system of three sensitivity
Gubskii et al. Multipoint vernier VISAR Interferometer system for measuring mass velocity in shock wave experiments
CN205506097U (en) Terahertz wave doppler interference measuring apparatus
Maisey et al. Characterization of detonator performance using photonic Doppler velocimetry
RU2790640C1 (en) Way of measuring the initial velocity of high-speed projectiles with a laser fibre-optic system
RU2363017C2 (en) Fiber-optic device to counteract laser range finders
CN108572372A (en) Time-sharing multiplex F-P etalon Doppler's zero-frequency calibrating installations
Kuznetsov et al. Laser interferometer for measuring the mass velocity of condensed substances in shock-wave experiments on the TWAC-ITEP proton-radiographic facility
Prinse et al. Development of fiber optic sensors at TNO for explosion and shock wave measurements
RU2780667C1 (en) Adaptive device for measuring the parameters of projectile motion at the stage of internal ballistics
Frugier et al. PDV and shock physics: Application to nitro methane shock-detonation transition and particles ejection