UA119270C2 - Двокомпонентний диференційний лазерний доплерівський вимірювач швидкості руху метального елемента в каналі ствола - Google Patents

Abstract

Двокомпонентний диференційний лазерний доплерівський вимірювач швидкості руху метального елемента в каналі ствола належить до приладів визначення миттєвих значень швидкості руху метальних елементів в каналах стволах стрілецької зброї і артилерійських систем. До конструкції диференційного лазерного доплерівського вимірювача швидкості руху метального елемента в каналі ствола додано два допоміжних відбивачі, допоміжний світловодний з'єднувач та допоміжний фотоприймач, причому оптичні осі допоміжних відбивачів та допоміжного світловодного з'єднувача розташовані у площині, яка є нормальною до площини розташування відбивачів і світловодного з'єднувача, а допоміжний світловодний з'єднувач та допоміжний фотоприймач розміщені на одній оптичній осі. За допомогою запропонованого винаходу досягається підвищення точності вимірювання, за рахунок введення додаткового каналу приймання відбитого випромінювання та реалізації чотирипроменевої інверсно-диференційної схеми лазерної доплерівської анемометрії.

Description

Винахід належить до галузі вимірювальної техніки, а саме - до засобів вимірювання миттєвих значень швидкості руху метальних елементів в каналах стволів стрілецької зброї і артилерійських систем.

Відома конструкція доплерівського вимірювача швидкості руху снаряда в каналі ствола |1|, який містить джерело електромагнітних коливань, антену рупорного типу і пристрій для приймання і перетворення випромінювання. Електромагнітне випромінювання надвисокочастотного (НВЧ) діапазону від джерела електромагнітних коливань та електромагнітне випромінювання, відбите від снаряда, що рухається в каналі ствола, потрапляють до пристрою для приймання і перетворення випромінювання, в якому виділяється вимірювальна інформація про доплерівський зсув частот між цими двома сигналами.

Недоліком вимірювача є його обмежена точність внаслідок низького відношення "сигнал- шум", що зумовлено втратою значної частки потужності генератора, яка спрямовується до каналу ствола і, відповідно, до поверхні снаряда. Такий вимірювач придатний для визначення швидкості снарядів лише великого калібру внаслідок широкості просторової діаграми направленості випромінюваних електромагнітних коливань НВЧ діапазону. Крім того, антена рупорного типу розташовується безпосередньо на траєкторії руху снаряда і руйнується після виходу снаряда з каналу ствола.

В (2| розглядається лазерний доплерівський вимірювач швидкості руху метального елемента в каналі ствола, який містить лазер, формувач променя, відбивач, а також фотоприймач, для якого забезпечується безпосередній оптичний контакт з поверхнею метального елемента.

Суттєвим недоліком розглянутого вимірювача є обмежена точність, зумовлена падінням відношення "сигнал/шум" на вході фотоприймача за рахунок поділу лазерного випромінювання на два зондувальних промені.

Найбільш близьким за технічною суттю та досягнутим результатом до об'єкта, що заявляється, є інверсний диференційний лазерний доплерівський вимірювач швидкості руху метального елемента в каналі ствола |З), який містить лазер, формувач променя, два відбивачі, фотоприймач та світловодний з'єднувач.

Суттєвим недоліком розглянутого технічного рішення є таке.

Зо Вектор чутливості оптичної схеми вимірювача знаходиться в площині зондування і є перпендикулярним до бісектриси кута між напрямами приймання відбитого випромінювання.

Таким чином, вимірювач сприймає вимірювальну інформацію лише про ту із складових (У вектора швидкості метального елемента, яка лежить в площині зондування.

Але внаслідок відхилення площини зондування від площини стрільби, наприклад, за рахунок її випадкового переміщення, розвороту, неточного юстирування або примусового зміщення уа необхідності убезпечування елементів оптичної схеми під час пострілу, виникає складова "п вектора швидкості, що є нормальною до осі чутливості оптичної схеми вимірювача. Оскільки оптична схема вимірювача ІЗ не є чутливою до складової Ми вектора швидкості, що є нормальною до площини зондування, в результаті вимірювання з'явиться складова похибки, модуль відновного значення 9 якої визначатиметься виразом 5-1--я- - уме м ' (1)

Наявність такої похибки обмежує точність вимірювання швидкості.

В основу запропонованого винаходу поставлено задачу створення двокомпонентного диференційного лазерного доплерівського вимірювача швидкості руху метального елемента в каналі ствола, який забезпечує підвищену точність вимірювання за рахунок урахування в результаті вимірювання додаткової складової вектора швидкості руху метального елемента, що є нормальною до площини зондування.

Поставлена задача вирішується тим, що в конструкції двокомпонентного диференційного лазерного доплерівського вимірювача швидкості руху метального елемента в каналі ствола, який містить лазер, формувач променя, два відбивачі, фотоприймач та світловодний з'єднувач, додатково застосовано два допоміжних відбивачі, допоміжний світловодний з'єднувач та допоміжний фотоприймач, причому оптичні осі допоміжних відбивачів та допоміжного світловодного з'єднувача розташовані у площині, яка є нормальною до площини розташування відбивачів та світловодного з'єднувача, а випромінювання із допоміжного світловодного з'єднувача спрямовується на допоміжний фотоприймач.

Застосування допоміжних відбивачів та допоміжного світловодного з'єднувача забезпечує приймання відбитого від поверхні метального елемента випромінювання під різними кутами до поздовжньої осі каналу ствола та спрямування його до допоміжного фотоприймача.

Спрямування відбитого від поверхні метального елемента випромінювання на допоміжний фотоприймач створює сигнал вимірювальної інформації про додаткову складову вектора швидкості руху метального елемента. Розташування оптичних осей допоміжних відбивачів та допоміжного світловодного з'єднувача у площині, яка є нормальною до площини розташування відбивачів та світловодного з'єднувача, забезпечує створення другого вектора чутливості оптичної схеми, який є перпендикулярним до площини зондування.

Таким чином, для одночасного визначення двох проекцій вектора швидкості у вимірювачі застосовано оптичну схему з двома каналами приймання відбитого випромінювання, при цьому реалізується спосіб розділення інформації про дві складові вектора швидкості за напрямом (так звана чотирипроменева інверсно-диференційна схема). Одночасне визначення та урахування двох проекцій вектора швидкості руху метальних елементів забезпечує підвищення точності вимірювань.

На кресленні наведено конструкцію двокомпонентного інверсного диференційного лазерного доплерівського вимірювача швидкості руху метального елемента в каналі ствола.

Вимірювач складається з лазера 1, формувача променя 2, відбивачів З і 4, допоміжних відбивачів 5, б, світловодного з'єднувача 7, допоміжного світловодного з'єднувача 8, фотоприймача 9 а також допоміжного фотоприймача 10.

Лазер 1 відтворює когерентне випромінювання 11 в оптичному діапазоні довжин хвиль.

Формувач променя 2 створює зондувальний промінь 12, який спрямовується на метальний елемент 13 під заданим кутом Ф до поздовжньої осі каналу ствола 14, що закріплюється на нерухомій опорі 15.

Для забезпечення відбиття випромінювання в тілесному куті, до якого потрапляють відбивачі 3, 4 та допоміжні відбивачі 5, б, а також для збільшення потужності відбитого випромінювання на фронтальній поверхні метального елемента 13 закріплюється світлоповертаюче покриття 16 на основі мікросклокульок.

Відбивачі 3, 4 та допоміжні відбивачі 5, б розміщуються в зоні, з якої забезпечується

Зо оптичний зв'язок з каналом ствола 14. При, цьому випромінювання 17 і 18, відбите від метального елемента 13 під кутами Є і В в напрямках відбивачів З і 4 відповідно, спрямовується на світловодний з'єднувач 7, а випромінювання 19 і 20, відбите від метального елемента 13 під кутами її в напрямках допоміжних відбивачів 5, б відповідно, спрямовується на допоміжний світловодний з'єднувач 8.

Кути є, В. Її та 5 вибираються таким чином, щоб задовольнялися умови Юе-в|ко

М-а В де 9 - кутова величина нульового порядку дифракції лазерного випромінювання на світлоповертаючому покритті.

Світловодний з'єднувач 7 спрямовує випромінювання 21, 22 від відбивачів 3, 4 до фотоприймача 9. Допоміжний світловодний з'єднувач 8 спрямовує випромінювання 23, 24 від допоміжних відбивачів 5, б до допоміжного фотоприймача 10. Числова апертура світловодів вибирається таким чином, щоб забезпечити введення випромінювання 21, 22 та 23, 24 без втрат, що можливо за рахунок відповідного підбору коефіцієнтів відбиття серцевини та оболонки. Втратами світлової потужності при розповсюдженні світла у світловодних з'єднувачах можна знехтувати, оскільки в сучасних світловодах коефіцієнт загасання має значення порядку 0,2 дБ/км.

Двокомпонентний диференційний лазерний доплерівський вимірювач швидкості руху метального елемента в каналі ствола працює таким чином.

Перед проведенням пострілу здійснюється юстирування оптичної схеми та забезпечення заданого ходу зондувального променя 12 в каналі ствола шляхом переміщення в просторі та повороту осей джерела електромагнітних коливань 1 і формувача променя 2.

За допомогою переміщення в просторі та повороту осей відбивачів 3, 4 та світловодного з'єднувача 7 випромінювання 17, 18 спрямовуються до фотоприймача 9, тим самим створюється у просторі площина зондування. За рахунок переміщення в просторі та повороту осей допоміжних відбивачів 5, б та допоміжного світловодного з'єднувача 8 випромінювання 19, 20 спрямовуються до допоміжного фотоприймача 10, таким чином створюється у просторі допоміжна площина зондування.

Згідно з законом Доплера частоти відбитого випромінювання 17, 18 залежать від кутів Є (для випромінювання 17), В (для випромінювання 18), частоти | лазерного випромінювання 11,

швидкості С розповсюдження електромагнітних коливань у середовищі, а також від миттєвого значення складової У вектора швидкості метального елементу 13, яка лежить в площині зондування. Частоти відбитого випромінювання 19, 20 залежать від кутів 7 (для випромінювання 19), б (для випромінювання 20), частоти | лазерного випромінювання 11, швидкості ЄС розповсюдження електромагнітних коливань у середовищі, а також від миттєвого значення складової Ма вектора швидкості метального елемента 13, яка лежить в допоміжній площині зондування.

На фотоприймач 9 надійде випромінювання, що є результатом інтерференції двох відбитих від світлоповертаючого покриття 16 світлових хвиль. Це результуюче випромінювання формує вихідний сигнал фотоприймача 9, що містить коливання з частотою А, :

А - куму (2)

Ку -4 (сово - совр) де с - коефіцієнт пропорційності, який визначається параметрами оптичної схеми в площині зондування.

Водночас на фотоприймач 10 надійде випромінювання, що є результатом інтерференції двох відбитих від світлоповертаючого покриття 16 світлових хвиль, яке формує вихідний сигнал фотоприймача 10, що містить коливання з частотою Аїр :

Ан - КиМи, (3)

Ка - (сову- совв) де с - коефіцієнт пропорційності, який визначається параметрами оптичної схеми в допоміжній площині зондування.

Після юстирування оптичної схеми проводиться постріл, під час якого на виходах фотоприймачів 9, 10 урідтворюються вимірювальні сигнали, миттєві значення частот яких визначають складові "У, "п швидкості руху метального елемента 13. Ці миттєві значення частоти сигналу на виході фотоприймачів 9, 10 реєструються або визначаються відомими методами і засобами вимірювання частоти, а швидкість визначається виразом

Ї 2 2

У Б: Му МЕ , (4)

Винахід може бути застосований для проведення експериментальних досліджень

Зо характеристик і оцінювання стану озброєння та боєприпасів, а також для визначення законів зміни або миттєвих значень швидкості руху метального елемента при проектуванні стволів, розрахунку кінематики і динаміки рухомих частин стрілецької зброї і артилерійських систем.

ДЖЕРЕЛА ІНФОРМАЦІЇ: 1. Пат. 0415906 Германия, МКИ (015 13/58; С01Р 3/66. Мешоа апа демісе їог Ше деїептіпайоп ої рагатеїйеге ої тоїйоп. Пат. 0415906 Германия, МКИ 5015 13/58; Б0О1Р 33/66,

Кеїппага Возспапід (Германия), Ог. Вегппага 7адаг Іпс. - Мо 19900809; Заявл. 09.08.1990; Опубл. 10.02.1993, МКИ 5015 13/58 Е; С0О1Р 3/66 В. - 8 с. 2. Пат. ОА 88172 Україна, МПК 5015 17/02 (2006.01). Лазерний доплеровський вимірювач швидкості руху метального елемента в каналі ствола. Пат. ША 88172 О Україна, МПК 5015 17/02 (2006.01), Крюков О.М. (Україна), Доля Г.Н. (Україна), Мудрик В.Г. (Україна). - Мо 88172;

Заявл. 10.06.2013; Опубл. 11.03.2014. МПК с015 17/02 (2006.01). -4 с 3. Пат. ОА 108426 Ш Україна, МПК 5015 17/02 (2006.01), 5015 17/58 (2006.01). Інверсний диференційний лазерний доплерівський вимірювач швидкості руху метального елемента в каналі ствола. Пат. ОА 108426 О Україна, МПК 5015 17/02 (2006.01), 5015 17/58 (2006.01),

Крюков О.М. (Україна), Доля Г.М. (Україна). - Мо 108426; Заявл. 18.02.2016; Опубл. 11.07.2016.

МПК 015 17/02 (2006.01), 5015 17/58 (2006.01). - 4 с.

Claims (1)

1. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ

   Двокомпонентний диференційний лазерний доплерівський вимірювач швидкості руху метального елемента в каналі ствола, що містить лазер, формувач променя, два відбивачі,

   фотоприймач та світловодний з'єднувач, який відрізняється тим, що додатково введені два допоміжні відбивачі, допоміжний світловодний з'єднувач та допоміжний фотоприймач, причому оптичні осі допоміжних відбивачів та допоміжного світловодного з'єднувача розташовані у площині, яка є нормальною до площини розташування відбивачів та світловодного з'єднувача, а випромінювання із допоміжного світловодного з'єднувача спрямоване на допоміжний фотоприймач, що розташовані на одній оптичній осі. а З г х я с ех ; у ІЗ й ; ІЧ щ У х У ово о» їх же їх ом М в НН рт ен и а в " ЕН Мед пи ко в ооо де ОДН я З ї- сх 5 х ї ї З ; мине ов и ЕЕ А КН 23 ни ЖЕею ярмі -ї шко жвкв в маля шин і ; в с знания ЖИ сон ох соя я й ДО онов куди Шо пе СИИПИМИМИТТККИИИИИИИНИ КИ ИИИиИИиИИИИТККиииИ шо нь Є не Шк ши є Ша я Й ПИ шк ї Н В ше Й МО, ха шенню М йл- я