RU2610905C2 - Laser device for measuring velocity and/or displacement of small-size objects in limited-access places - Google Patents
Laser device for measuring velocity and/or displacement of small-size objects in limited-access places Download PDFInfo
- Publication number
- RU2610905C2 RU2610905C2 RU2015122034A RU2015122034A RU2610905C2 RU 2610905 C2 RU2610905 C2 RU 2610905C2 RU 2015122034 A RU2015122034 A RU 2015122034A RU 2015122034 A RU2015122034 A RU 2015122034A RU 2610905 C2 RU2610905 C2 RU 2610905C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- laser
- optical
- speed
- bullet
- small
- Prior art date
Links
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 title abstract description 7
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 25
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 20
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims abstract description 7
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 5
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 abstract description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 2
- 238000005086 pumping Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 18
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 15
- 238000000034 method Methods 0.000 description 14
- 238000013461 design Methods 0.000 description 7
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 4
- 238000005474 detonation Methods 0.000 description 4
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 4
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 4
- VVQNEPGJFQJSBK-UHFFFAOYSA-N Methyl methacrylate Chemical compound COC(=O)C(C)=C VVQNEPGJFQJSBK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229920005372 Plexiglas® Polymers 0.000 description 3
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 3
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000004069 differentiation Effects 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 2
- 101100327310 Caenorhabditis elegans emb-27 gene Proteins 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000003776 cleavage reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 1
- 238000011844 contact investigation Methods 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 239000002360 explosive Substances 0.000 description 1
- 238000010304 firing Methods 0.000 description 1
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 1
- 230000002045 lasting effect Effects 0.000 description 1
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 description 1
- 230000003534 oscillatory effect Effects 0.000 description 1
- 238000005381 potential energy Methods 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 1
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 1
- 230000007017 scission Effects 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 1
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
- G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
- G01S17/50—Systems of measurement based on relative movement of target
- G01S17/58—Velocity or trajectory determination systems; Sense-of-movement determination systems
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)
- Semiconductor Lasers (AREA)
- Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION
Заявляемое изобретение относится к области измерительной техники, а именно к лазерным доплеровским измерителям скорости и/или перемещения и может применяться, например, для бесконтактного исследования динамики движения малоразмерных быстродвижущихся объектов в труднодоступных местах в широком диапазоне скоростей, в частности для измерения скорости и/или перемещения пули мелкокалиберного стрелкового оружия или снаряда крупнокалиберного оружия, при исследовании быстропротекающих детонационных и взрывных процессов, протекающих в канале ствола оружия.The claimed invention relates to the field of measuring equipment, namely to laser Doppler speed and / or displacement meters and can be used, for example, for non-contact investigation of the dynamics of small-sized fast-moving objects in hard-to-reach places in a wide range of speeds, in particular for measuring speed and / or displacement bullets of small-caliber small arms or large-caliber projectile, in the study of fast-moving detonation and explosive processes occurring in nale of the weapon barrel.
Уровень техникиState of the art
В широком круге задач научных исследований (метеорологии, изучении динамки детонационных процессов, анемометрии и т.д.) и производства (например, в сталепрокатной промышленности и военно-промышленном комплексе) требуются точные бесконтактные измерения линейной скорости перемещающегося тела. Одной из хорошо зарекомендовавших себя методик является измерение скорости, основанное на эффекте Доплера (А. Аникин, А. Федосейский, «Лазерные доплеровские измерители в системе учета горячего проката», «РАЗРАБОТКИ МЕТАЛЛУРГИЯ», 2007 г.).In a wide range of tasks of scientific research (meteorology, studying the dynamics of detonation processes, anemometry, etc.) and production (for example, in the steel rolling industry and the military-industrial complex), accurate non-contact measurements of the linear velocity of a moving body are required. One of the well-proven methods is speed measurement based on the Doppler effect (A. Anikin, A. Fedoseysky, “Laser Doppler meters in the hot rolled metering system”, “METALLURGY DEVELOPMENT”, 2007).
В основе лазерных доплеровских измерителей скорости (ЛДИС) лежит, как видно из названия, эффект Доплера, проявляющийся в изменении частоты регистрируемых колебаний при движении излучателя или приемника. На практике обычно используется двукратный эффект Доплера, когда объект движется, а приемник и излучатель остаются неподвижными. Одним из применяемых на практике методов ЛДИС является применение двух когерентных лучей, падающих на изучаемый объект под углом друг к другу («Лазерный Доплеровский измеритель скорости и длины», А.В. Хурхесова, Е.М. Федоров, III Научно-практическая конференция «Информационно-измерительная техника и технологии» 3-5 мая 2012 г.).Laser Doppler velocity meters (LDIS) are based, as the name implies, on the Doppler effect, which manifests itself in a change in the frequency of the recorded oscillations when the emitter or receiver moves. In practice, the double Doppler effect is usually used when the object is moving, and the receiver and emitter remain stationary. One of the LDIS methods used in practice is the use of two coherent rays incident on the object under study at an angle to each other (“Laser Doppler speed and length meter”, A. V. Hurhesova, EM Fedorov, III Scientific and Practical Conference “ Information-measuring equipment and technologies "May 3-5, 2012).
Однако в случаях, когда требуется исследование быстродвижущихся объектов, доступ к которым по тем или иным причинам осложнен, например, в случае исследования детонационных или баллистических процессов, происходящих в канале ствола огнестрельного или крупнокалиберного оружия, в частности при исследовании динамических процессов (движения пули, работы конструктивных элементов), происходящих во время выстрела, наиболее подходящими средствами измерения являются лазерные измерители скорости с автоколлимационными схемами (гомодинными или гетеродинными), позволяющими проводить измерения как малых, так и высоких скоростей движущихся объектов в труднодоступных местах, например внутри канала ствола стрелкового или любого другого вида оружия (А.Л. Павлов, Ю.Н. Пырков, В.Б. Цветков «Автоколлимационный доплеровский измеритель скорости», «Прикладная фотоника» №2/2014, стр. 71-83).However, in cases where it is necessary to study fast-moving objects, access to which for one reason or another is complicated, for example, in the case of the study of detonation or ballistic processes occurring in the barrel channel of a firearm or large-caliber weapon, in particular when studying dynamic processes (bullet movement structural elements) that occur during the shot, the most suitable means of measurement are laser speed meters with autocollimation schemes (homodyne or heterodyne), allowing measurements of both small and high speeds of moving objects in hard-to-reach places, for example, inside the bore of a small arms or any other type of weapon (A.L. Pavlov, Yu.N. Pyrkov, VB Tsvetkov “Autocollimation Doppler speed meter ”,“ Applied Photonics ”No. 2/2014, pp. 71-83).
Из уровня техники известен лазерный доплеровский измеритель скорости, включающий полупроводниковый лазер с синусоидально меняющейся частотой, интерферометр, фотодетектор (патент GB 2183956 А, опубл. 10.06.1987).The prior art laser Doppler speed meter, including a semiconductor laser with a sinusoidally changing frequency, interferometer, photodetector (patent GB 2183956 A, publ. 06/10/1987).
Недостаток измерителя заключается в том, что в качестве задающего генератора используется лазерный источник с синусоидально меняющейся частотой, что позволяет фиксировать незначительное продольное перемещение объекта (вибрацию), но при измерении быстродвижущихся объектов измерения проводятся с большой погрешностью. Кроме того, отсутствие в схеме усилителя лазерного излучения приводит к тому, что при работе устройства отсутствует возможность регулирования мощности оптического излучения, что в случае плохо отражающей поверхности измеряемого объекта или при измерении высоких скоростей объекта приводит к слишком малому уровню полезного электрического сигнала. Помимо этого устройство имеет сложную схему.The disadvantage of the meter is that a laser source with a sinusoidally changing frequency is used as a master oscillator, which allows you to record a slight longitudinal movement of the object (vibration), but when measuring fast-moving objects, measurements are made with a large error. In addition, the absence of a laser amplifier in the circuit leads to the fact that when the device is in operation it is not possible to control the power of optical radiation, which in the case of a poorly reflecting surface of the measured object or when measuring high speeds of the object leads to too low a level of useful electrical signal. In addition, the device has a complex circuit.
Также известен лазерный доплеровский измеритель скорости, включающий двухчастотный полупроводниковый лазер, на противоположных концах которого установлены отражающее и частично отражающее зеркало, оптический делитель, интерферометр, фотодетектор, подключенный к осциллографу (патент US 3864041, опубл. 04.02.1975).A laser Doppler speed meter is also known, including a two-frequency semiconductor laser, at the opposite ends of which there is a reflective and partially reflective mirror, an optical divider, an interferometer, a photo detector connected to an oscilloscope (patent US 3864041, publ. 04.02.1975).
Недостаток измерителя заключается в том, что в качестве задающего генератора используется двухчастотный лазер, что усложняет схему устройства для обеспечения перехода лазера из гигагерцовых диапазонов частот в мегагерцевые. Кроме того, отсутствие в схеме усилителя лазерного излучения приводит к тому, что при работе устройства отсутствует возможность регулирования мощности оптического излучения, что в случае плохо отражающей поверхности измеряемого объекта или при измерении высоких скоростей объекта приводит к слишком малому уровню полезного электрического сигнала.The disadvantage of the meter is that a dual-frequency laser is used as the master oscillator, which complicates the design of the device to ensure the transition of the laser from gigahertz frequency ranges to megahertz. In addition, the absence of a laser amplifier in the circuit leads to the fact that when the device is in operation it is not possible to control the power of optical radiation, which in the case of a poorly reflecting surface of the measured object or when measuring high speeds of the object leads to too low a level of useful electrical signal.
Также известен лазерный доплеровский измеритель скорости, включающий задающий лазер, интерферометр Маха-Цандера, фотоприемник (патент US 8144334 B2, публ. 27.03.2012).Also known is a laser Doppler speed meter, including a master laser, a Mach-Zander interferometer, a photodetector (patent US 8144334 B2, publ. 03/27/2012).
Недостаток измерителя заключается в малом измеряемом диапазоне скоростей и перемещений, что позволяет фиксировать незначительное продольное перемещение объекта, т.е. устройство представляет собой фактически виброметр.The disadvantage of the meter is the small measurable range of speeds and displacements, which makes it possible to record a slight longitudinal movement of the object, i.e. the device is actually a vibrometer.
Сведения, подтверждающие реализацию изобретенияInformation confirming the implementation of the invention
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в создании лазерного доплеровского измерителя скорости и/или перемещения для исследования динамики движения малоразмерных быстродвижущихся объектов в местах с ограниченным доступом в широком диапазоне скоростей, в частности для исследования динамики движения пули в канале ствола оружия.The problem to which the claimed invention is directed is to create a laser Doppler speed and / or displacement meter for studying the dynamics of motion of small-sized fast-moving objects in places with limited access in a wide range of speeds, in particular for studying the dynamics of the movement of a bullet in the channel of a gun barrel.
Технический результат, достигаемый при реализации заявляемого изобретения, заключается в расширении арсенала технических средств лазерных измерителей скорости движущихся объектов за счет измерения скорости и/или перемещения малоразмерных объектов в местах с ограниченным доступом, в частности для измерения динамики движения, например, скорости и/или перемещения пули в канале ствола стрелкового оружия в диапазоне от 0,1 до 180 м/с, а также для исследования других детонационных процессов, происходящих в канале ствола в момент выстрела. По результатам исследований, которые могут проводиться в процессе проведения испытаний, можно, в частности, оценивать технические характеристики оружия, например эффективность оружия, на которую в т.ч. влияют колебательные процессы в момент выстрела, или конструктивные недоработки, которые могут быть учтены на стадии проектирования и/или изготовления оружия.The technical result achieved by the implementation of the claimed invention is to expand the arsenal of technical means of laser speed meters of moving objects by measuring the speed and / or movement of small objects in places with limited access, in particular for measuring movement dynamics, for example, speed and / or movement bullets in the barrel bore of small arms in the range from 0.1 to 180 m / s, as well as for studying other detonation processes occurring in the barrel bore at the time of the shot. According to the results of studies that can be carried out during the testing process, it is possible, in particular, to evaluate the technical characteristics of the weapon, for example, the effectiveness of the weapon, including oscillatory processes at the time of the shot, or design flaws that can be taken into account at the stage of design and / or manufacture of weapons, affect.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что лазерный измеритель скорости и/или перемещения малоразмерных объектов в местах с ограниченным доступом включает одночастотный полупроводниковый лазер с длиной волны 1064 нм и шириной линии генерации не более 3 МГц, оптический изолятор, волоконный усилитель с лазерным диодом накачки, оптический делитель излучения, выполняющий функцию светоделительной пластины, с которым соединены коннектор с угловым сколом, выполняющий функцию слабоотражающего зеркала, коллиматор с диаметром пучка 0,8-1,2 мм и оптический приемник, выход которого подключен к входу осциллографа, соединенного через USB-интерфейс с компьютером.The claimed technical result is achieved due to the fact that the laser meter for speed and / or movement of small objects in places with limited access includes a single-frequency semiconductor laser with a wavelength of 1064 nm and a generation line width of not more than 3 MHz, an optical isolator, a fiber amplifier with a laser pump diode , an optical radiation divider, which performs the function of a beam splitter plate, to which a connector with an angled chip is connected, which performs the function of a weakly reflecting mirror, a collimator with a diameter m 0.8-1.2 mm beam and an optical receiver, whose output is connected to the input of the oscilloscope, connected via USB-interface with a computer.
Отличительной особенностью заявляемого изобретения является использование в качестве источника лазерного излучения одночастотного полупроводникового лазера с длиной волны 1064 нм и шириной линии генерации не более 3 МГц, что обеспечивает большую длину когерентности (около 100 м), позволяющую проводить измерения движения исследуемого объекта в диапазоне перемещения до 100 м и в диапазоне скоростей от 0,1 до 180 м/с. Ограничение на измеряемый диапазон перемещений вызван падением контрастности интерферограммы примерно в 2,7 раза при разности оптических длин рабочего и опорного плеч интерферометра, равной длине когерентности источника (падение контрастности приводит к значительному ухудшению соотношения сигнал/шум), следовательно, при применении источника с шириной линии до 3 МГц (что равнозначно длине когерентности излучения около 100 м) возможно проводить измерения для перемещений плюс 50 м и минус 50 м относительно опорного плеча (50=100/2; деление на 2 вызвано прохождением света двойного пути, в прямом и обратном направлениях), что в сумме дает диапазон положений измеряемого объекта 100 м.A distinctive feature of the claimed invention is the use as a laser radiation source of a single-frequency semiconductor laser with a wavelength of 1064 nm and a generation line width of not more than 3 MHz, which provides a large coherence length (about 100 m), allowing measurements of the movement of the investigated object in the range of movement up to 100 m and in the speed range from 0.1 to 180 m / s. The restriction on the measured range of displacements is caused by a decrease in the contrast of the interferogram by about 2.7 times with a difference in the optical lengths of the working and supporting arms of the interferometer equal to the length of the coherence of the source (a decrease in contrast leads to a significant deterioration in the signal-to-noise ratio), therefore, when using a source with a line width up to 3 MHz (which is equivalent to a radiation coherence length of about 100 m) it is possible to measure for movements plus 50 m and minus 50 m relative to the support arm (50 = 100/2; dividing by 2 you Vano double passage of the light path in the forward and reverse directions), giving a total range of positions of the measuring object 100 m.
Осуществление изобретенияThe implementation of the invention
Фиг. 1 - принципиальная схема лазерного измерителя скорости и/или перемещения малоразмерных объектов в местах с ограниченным доступом;FIG. 1 is a schematic diagram of a laser speed meter and / or moving small objects in places with limited access;
Фиг. 2 - фрагмент интерферограммы выстрела;FIG. 2 - fragment interferogram shot;
Фиг. 3 - спектрограмма выстрела;FIG. 3 - spectrogram shot;
Фиг. 4- график зависимости скорости и ускорения пули от времени;FIG. 4- graph of the dependence of speed and acceleration of a bullet on time;
Фиг. 5 - график зависимости скорости и ускорения пули от расстояния;FIG. 5 is a graph of the velocity and acceleration of a bullet versus distance;
Фиг. 6 - совмещенные графики различных параметров выстрела от времени;FIG. 6 - combined graphs of various parameters of the shot from time to time;
Фиг. 7 - график модуля скорости капель масла и пули.FIG. 7 is a graph of a module for the speed of oil droplets and bullets.
Лазерный измеритель скорости и/или перемещения малоразмерных объектов в местах с ограниченным доступом (фиг. 1) включает источник 1 лазерного излучения, 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 оптическим приемником 8. Выход оптического приемника 8 подключен к входу осциллографа 9, соединенному через USB-интерфейс с персональным компьютером 10. При проведении эксперимента при измерении скорости пули 12 в стволе 11 пневматической винтовки также использовалось защитное оргстекло 13. Элементы измерителя [поз. 1 + поз. 2 + поз. 3 + поз. 4], поз. 5, поз. 6, [поз. 7 + поз. 12], поз. 8 представляют собой оптоволоконный аналог интерферометра Майкельсона. 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.Конструкция лазера 1 с усилителем [поз. 2 + поз. 3 + поз. 4] раскрыта в публикации (см. А.И. Трикшев, А.С. Курков, В.Б. Цветков «Одночастотный гибридный лазер с выходной мощностью до 3 Вт на длине волны 1064 нм, «Квантовая электроника», №5/2012, стр. 417-419). 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. В качестве оптического изолятора 2 могут быть использованы устройства марки THORLABS® IO-F-780, IO-F-780АРС или аналогичные. Использование волоконного усилителя 3 в предложенной схеме не улучшает контрастность принимаемого сигнала, но увеличивает его амплитуду, что позволяет в некоторых случаях улучшать соотношение сигнал/шум. Коннектор 6 с угловым сколом выполняет функцию слабоотражающего зеркала для увеличения контрастности интерференционной картины, принимаемой приемником 8. Необходимость в подобном зеркале вытекает из весьма малой доли излучения, возвращающегося обратно в коллиматор 7 после рассеяния от исследуемого объекта и прохода через коллиматор 7. Согласно оценкам эта доля излучения составляет около 10-3-10-4 от излученной мощности лазера 1. В качестве коннектора 6 могут быть использованы устройства стандарта FC/APC с углом скола 8°. Для создания пучка с малой расходимостью в измеряемом объеме применяется оптическая система 7, например, волоконный коллиматор с градиентной линзой, который в предпочтительном варианте реализации создает пучок диаметром 0,8-1,2 мм, что вызвано необходимостью измерения скорости и/или перемещения объектов в местах с ограниченным доступом, например, в канале ствола малокалиберных винтовок, имеющего малый диаметр (4,5 мм), а также в целях снижения влияния спекловых картин на результаты измерений, которые при увеличении диаметра пучка приводят к уменьшению контрастности интерференционной картины. В качестве оптического приемника (детектора) 8 излучения, в частном случае реализации изобретения, используется приемник серии ПРОМ-364М-34368 (фирмы «Телаз») с волоконным входом (например, см. hltp://www.telas.m/product/pr364m.htm). Сигнал с приемника 8 поступает на цифровой осциллограф 9, например, модели В-424, подключенный к персональному компьютеру посредством USB интерфейса. Осциллограф 9 способен за одно измерение сохранять 16776704 отсчетов, что при максимальной частоте снятия данных (один отсчет каждые 2 нс) дает продолжительность измерений около 33,6 мс. Осциллограммы сохраняются в текстовом формате с помощью специализированного программного обеспечения «Осциллограф», входящего в комплект используемого осциллографа, после чего производится их обработка на персональном компьютере с использованием стандартных математических пакетов.A laser meter for the speed and / or movement of small objects in places with limited access (Fig. 1) includes a
Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.
Для подтверждения реализации изобретения и достижения заявляемого технического результата в качестве примера проведено измерение скорости и перемещение пули в канале ствола огнестрельного оружия.To confirm the implementation of the invention and achieve the claimed technical result, as an example, a speed measurement and the movement of a bullet in the barrel of a firearm were carried out.
Измерения проводились с использованием пружинно-поршневой пневматической винтовки ИЖ-61 и свинцовых пуль весом 0.5 грамма. Винтовка ИЖ-61 работает на основе поршня, который взводится с помощью рычага в боевое положение, накапливая при этом потенциальную энергию в пружине, прикрепленной к данному поршню. В момент выстрела 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. Винтовка закреплялась на оптическом столе, защитное оргстекло 12 закреплялось под углом около 60° градусов относительно ствола 11 винтовки. 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=2нс. Осциллограмма представляет собой сигнал с оптического приемника 8, т.е. в сущности готовую интерферограмму.The measurements were carried out using a spring-piston air rifle IL-61 and lead bullets weighing 0.5 grams. The IZH-61 rifle operates on the basis of a piston, which is cocked by a lever into a firing position, while accumulating potential energy in a spring attached to this piston. At the time of the shot, the piston is released by the trigger, which leads to its movement inside the glass and, consequently, to pressure buildup. Through a special hole, compressed air enters the barrel, which leads to acceleration of the bullet. The rifle was fixed on the optical table, the
Обработка полученных данныхProcessing received data
Результатом измерения является осциллограмма/интерферограмма отраженного от исследуемого объекта (пули) излучения, малый участок которой представлен на фиг. 2. В выбранной конфигурации она представляла из себя эквидистантную по времени последовательность из 16776704 пар значений (время и напряжение). Из-за эффекта 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. Наиболее удобным форматом представления подобных результатов является спектрограмма, т.е. диаграмма, показывающая зависимость спектральной плотности мощности сигнала от времени. Традиционно трехмерная спектрограмма представляется в виде двумерного изображения, на котором спектральная плотность отображена в виде цвета, либо интенсивности точек на данном изображении.The measurement result is an oscillogram / interferogram of radiation reflected from the object (bullet) being studied, a small portion of which is shown in FIG. 2. In the selected configuration, it was a time-equidistant sequence of 16776704 pairs of values (time and voltage). Due to the Doppler effect, beats with a frequency directly proportional to the speed of the measured object (bullet) will be observed in this waveform, therefore, it is necessary to calculate the spectral components of the waveform at different points in time. The most convenient format for presenting such results is a spectrogram, i.e. diagram showing the dependence of the spectral density of the signal power on time. Traditionally, a three-dimensional spectrogram is represented as a two-dimensional image, in which the spectral density is displayed in the form of color, or the intensity of the points in this image.
При вычислении скорости и спектрограммы в некоторый момент времени t использовалось быстрое преобразование Фурье (БПФ). В выбранный момент времени выбирается размер блока N (количество отсчетов в окрестности выбранного момента), по которому будет вычисляться функция БПФ. Поскольку при расчетах используется БПФ, то N должно равняться степени двойки.In calculating the velocity and spectrogram at some instant t, we used the fast Fourier transform (FFT). At the selected time, the block size N is selected (the number of samples in the vicinity of the selected time), according to which the FFT function will be calculated. Since FFT is used in the calculations, N must be equal to the power of two.
Кроме того, использовалось перекрытие блоков на величину N/2, т.е. вторая половина блока использовалась в качестве первой половины следующего блока. Таким образом, получаем следующие характеристики спектрограммы: разрешение по частоте δƒ=1/(dt*N), максимально измеряемую частоту ƒmax=1/(2*dt) и разрешение по времени δt=dt*N/2. Таким образом видно, что разрешение по времени и по частоте взаимосвязаны и увеличение одного из параметров неизбежно приведет к уменьшению второго. По этой причине необходимо выбирать оптимальный размер блока N в зависимости от характерного ускорения измеряемого объекта. Данный размер блока можно определить исходя из соотношения a=λ/(N*dt)2, где а - характерное ускорение. Вычислив БПФ для разных моментов времени dt получим спектрограмму, представленную на фиг. 3, т.е. трехмерный график спектральной плотности интерферограммы в зависимости от частоты и времени. Далее алгоритмически или вручную выделяем полезный сигнал, т.е. наиболее вероятный график зависимости частоты от времени. После чего по формуле: Δƒ=ƒ-ƒʺ=2ν/λ, гдеIn addition, block overlap of N / 2 was used, i.e. the second half of the block was used as the first half of the next block. Thus, we obtain the following spectrogram characteristics: frequency resolution δƒ = 1 / (dt * N), maximum measurable frequency ƒ max = 1 / (2 * dt) and time resolution δt = dt * N / 2. Thus, it is seen that the resolution in time and frequency are interrelated and an increase in one of the parameters will inevitably lead to a decrease in the second. For this reason, it is necessary to choose the optimal block size N depending on the characteristic acceleration of the measured object. This block size can be determined based on the relation a = λ / (N * dt) 2 , where a is the characteristic acceleration. Having calculated the FFT for different time instants dt, we obtain the spectrogram shown in FIG. 3, i.e. three-dimensional graph of the spectral density of the interferogram as a function of frequency and time. Then, algorithmically or manually, we select a useful signal, i.e. the most likely graph of frequency versus time. Then according to the formula: Δƒ = ƒ-ƒʺ = 2ν / λ, where
Δƒ - изменение частота, МГц,Δƒ - change in frequency, MHz,
λ - длина волны лазерного источника излучения, 1064 нм,λ is the wavelength of the laser radiation source, 1064 nm,
ν - скорость движения исследуемого объекта, м/с,ν is the speed of the investigated object, m / s,
пересчитываем полученный график частоты от времени в график скорости от времени, представленный на фиг. 4. После этого по полученному графику скорости, используя численные методы дифференцирования и интегрирования, вычисляем ускорение и расстояние (фиг. 4). Непосредственные вычисления производились с помощью стандартных математических пакетов.recalculate the obtained graph of frequency versus time into the graph of velocity versus time shown in FIG. 4. After that, according to the obtained speed graph, using numerical methods of differentiation and integration, we calculate the acceleration and distance (Fig. 4). Direct calculations were performed using standard mathematical packages.
Анализ результатов экспериментаAnalysis of the experimental results
На фиг. 3 представлена характерная спектрограмма выстрела, на которой полезный сигнал выделен сплошной линией. При увеличении частоты интенсивность полезного сигнала падает, что, вероятно, объясняется ограниченным быстродействием использованного приемника 8. За нулевой момент времени принято начало движения поршня винтовки, которое на данном масштабе частот спектрограммы неразличимо, по этой причине спектрограмма представлена с начала движения пули. Из представленного графика видно, что продолжительность разгона пули составляет чуть менее 5 мс от момента времени 6,5 мс (когда скорость резко начинает возрастать) до момента времени, когда оканчивается ускорение. Во время предшествующего этапа продолжительностью около 6,5 мс (см. фиг. 6 и фиг. 7), исходя из малых скоростей перемещения и знания конструктивных особенностей винтовки, можно сделать вывод, что происходит начальное ускорение поршня винтовки, которое вызывает движение ствола (вместе с пулей) за счет отдачи. Таким образом, продолжительность выстрела от момента начала движения поршня до столкновения пули с защитным оргстеклом 12 составляет около 11,2 мс.In FIG. Figure 3 shows a characteristic spectrogram of a shot in which the useful signal is highlighted by a solid line. With increasing frequency, the intensity of the useful signal decreases, which is probably due to the limited speed of the used
После выделения полезного сигнала получают график скорости (сплошная линия) и ускорения (пунктирная линия), полученный методом численного дифференцирования от времени, представленный на фиг. 4. Воспользовавшись численным интегрированием, например, методом Симпсона, возможно построить график ускорения (пунктирная линия) и скорости (сплошная линия) пули от расстояния, пройденного пулей в канале ствола, представленный на фиг. 5. Из графика видно, что общее расстояние, пройденное пулей, составило 48 см, что с хорошей точностью согласуется с длиной ствола винтовки, составляющей 45 см, и расстоянием до защитного стекла 10, составляющим примерно 3 см.After extracting the useful signal, a graph of speed (solid line) and acceleration (dashed line) obtained by the method of numerical differentiation from time, shown in FIG. 4. Using numerical integration, for example, by the Simpson method, it is possible to plot the acceleration (dashed line) and velocity (solid line) of the bullet versus the distance traveled by the bullet in the barrel channel, shown in FIG. 5. The graph shows that the total distance traveled by the bullet was 48 cm, which is in good agreement with the barrel length of the rifle, which is 45 cm, and the distance to the
Также, кроме непосредственного движения пули, в результате измерений были зафиксированы и дополнительные явления, происходящие в канале ствола. Первым и наиболее явным является «горб» (см. фиг. 6, пунктирная линия), предшествующий основному ускорению пули. Максимальная скорость соответствует примерно 32 см/с, продолжительность чуть более 6 мс. Наиболее достоверным объяснением данного явления является отдача винтовки, связанная с работой поршня. Винтовка во время выстрела, двигаясь как цельный объект, увлекает за собой пулю, т.е. наблюдаемый на графике «горб» отображает движение назад, после чего сама пуля начинает ускоряться за счет давления газов, что и приводит к резкому спаданию скорости и переходу к картине ускорения, рассмотренной в предыдущем разделе. Для дополнительной проверки данного явления были проведены эксперименты со снятием интерферограммы при холостом выстреле, а также от торца ствола винтовки с заряженной пулей. Результаты обработанных спектрограмм, совмещенные с результатом обычного измерения движения пули, представлены на фиг. 6. Учтено, что из-за отдачи поршня движение на самом деле происходит в обратном направлении. На графике (фиг. 6) видно, что при холостом выстреле скорость ствола выше, чем при заряженном выстреле, что может объясняться более высокой отдачей, вызванной движением поршня, т.к. отсутствует пуля, препятствующая свободному выходу газов. Если сравнивать измерение скорости торца ствола с измерением скорости непосредственно пули, то можно заметить, что графики достаточно схожи, вплоть до примерно 6.5 мс, т.е. до момента, когда давление в канале ствола становится достаточным для преодоления силы трения пули о ствол и начала ее ускорения. Кроме того, в интервале времени с 9 мс по 12 мс хорошо видны колебания ствола, которые, предположительно, вызваны ударом поршня о дно стакана. Еще одним явлением, которое удалось замерить, является, предположительно, вылет капелек масла, уносимых потоком воздуха перед пулей. График данного явления представлен на фиг. 7. Правее располагается сигнал от пули во время основного ускорения, снизу «горб» отдачи поршня (на данном графике, в отличие от предыдущих, представлен модуль скорости), который был подробно рассмотрен ранее. В отличие от сигнала, соответствующего пуле (сплошная линия), сигнал от капель масла заметно уширен. Данный факт на графике выражен в виде двух пунктирных линий, обозначающих диапазон скоростей капель масла в некоторый момент времени. Таким образом, показано, что заявляемое устройство позволяет производить одновременное измерение различных процессов, проходящих в стволе винтовки.Also, in addition to the direct movement of the bullet, as a result of measurements, additional phenomena occurring in the barrel channel were recorded. The first and most obvious is the "hump" (see Fig. 6, dotted line) preceding the main acceleration of the bullet. The maximum speed corresponds to about 32 cm / s, the duration is slightly more than 6 ms. The most reliable explanation for this phenomenon is the return of the rifle associated with the operation of the piston. The rifle during the shot, moving as a solid object, carries with it a bullet, i.e. the “hump” observed on the graph displays the backward movement, after which the bullet itself begins to accelerate due to gas pressure, which leads to a sharp drop in speed and the transition to the acceleration pattern discussed in the previous section. For additional verification of this phenomenon, experiments were carried out with the removal of the interferogram during an empty shot, as well as from the end of the rifle barrel with a loaded bullet. The results of the processed spectrograms, combined with the result of a conventional measurement of the movement of a bullet, are presented in FIG. 6. It is taken into account that due to the recoil of the piston, the movement actually occurs in the opposite direction. The graph (Fig. 6) shows that with a single shot, the barrel speed is higher than with a charged shot, which can be explained by a higher return caused by the movement of the piston, because there is no bullet preventing the free exit of gases. If we compare the measurement of the velocity of the end of the barrel with the measurement of the velocity of the bullet itself, we can see that the graphs are quite similar, up to about 6.5 ms, i.e. until the moment when the pressure in the barrel becomes sufficient to overcome the frictional force of the bullet on the barrel and the beginning of its acceleration. In addition, in the time interval from 9 ms to 12 ms, the oscillations of the barrel are clearly visible, which are presumably caused by the impact of the piston on the bottom of the glass. Another phenomenon that was able to measure is, presumably, the flight of droplets of oil, carried away by the air flow in front of the bullet. A graph of this phenomenon is shown in FIG. 7. To the right is the signal from the bullet during the main acceleration, below the “hump" of the piston recoil (on this graph, unlike the previous ones, the speed module is presented), which was discussed in detail earlier. Unlike the signal corresponding to the pool (solid line), the signal from the oil droplets is noticeably broader. This fact on the graph is expressed as two dashed lines indicating the range of speeds of the oil droplets at some point in time. Thus, it is shown that the inventive device allows the simultaneous measurement of various processes taking place in the barrel of a rifle.
Кроме непосредственного измерения зависимости скорости пули в канале ствола от времени выделены и измерены дополнительные явления, такие как: движение корпуса винтовки в начальные моменты выстрела при обычном и холостом выстрелах, колебания ствола винтовки в моменты, предшествующие вылету пули, скорость капель масла, опережающих пулю.In addition to directly measuring the dependence of the speed of the bullet in the barrel on time, additional phenomena were identified and measured, such as: the movement of the rifle body at the initial moments of the shot during normal and idle shots, the oscillations of the rifle barrel in the moments preceding the departure of the bullet, the speed of the oil droplets ahead of the bullet.
По полученным результатам исследований, которые могут проводиться в процессе проведения испытаний, можно, в частности, оценивать технические характеристики оружия или конструктивные недоработки, которые могут быть учтены на стадии проектирования и/или изготовления оружия. Показана применимость заявляемого устройства для задач дистанционного измерения скорости малых объектов в труднодоступных местах.According to the results of studies that can be carried out during the testing process, it is possible, in particular, to evaluate the technical characteristics of weapons or design flaws that can be taken into account at the stage of design and / or manufacture of weapons. The applicability of the claimed device for the tasks of remote measurement of the speed of small objects in hard-to-reach places is shown.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015122034A RU2610905C2 (en) | 2015-06-09 | 2015-06-09 | Laser device for measuring velocity and/or displacement of small-size objects in limited-access places |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015122034A RU2610905C2 (en) | 2015-06-09 | 2015-06-09 | Laser device for measuring velocity and/or displacement of small-size objects in limited-access places |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2015122034A RU2015122034A (en) | 2016-12-27 |
| RU2610905C2 true RU2610905C2 (en) | 2017-02-17 |
Family
ID=57759244
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2015122034A RU2610905C2 (en) | 2015-06-09 | 2015-06-09 | Laser device for measuring velocity and/or displacement of small-size objects in limited-access places |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2610905C2 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU197827U1 (en) * | 2019-11-21 | 2020-06-01 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | MOVING SURFACE LASER RADIATION DISTRIBUTION DEVICE |
| RU2727778C1 (en) * | 2019-08-27 | 2020-07-23 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военная академия материально-технического обеспечения имени генерала армии А.В. Хрулёва" | Doppler fibre-optic device of projectile initial speed |
| RU2766535C1 (en) * | 2020-11-25 | 2022-03-15 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военная академия материально-технического обеспечения имени генерала армии А.В. Хрулёва" | Laser fiber-optic meter of initial velocity of projectile |
| RU2805642C1 (en) * | 2023-05-04 | 2023-10-23 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военная академия материально-технического обеспечения имени генерала армии А.В. Хрулёва" | Polarization system for measuring parameters of projectile movement around the barrel of a rifled artillery gun |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4824251A (en) * | 1987-09-25 | 1989-04-25 | Digital Signal Corporation | Optical position sensor using coherent detection and polarization preserving optical fiber |
| US20030043364A1 (en) * | 2001-09-04 | 2003-03-06 | Jamieson James R. | System and method of measuring flow velocity in three axes |
| US20060182383A1 (en) * | 2005-02-17 | 2006-08-17 | Anthony Slotwinski | Compact fiber optic geometry for a counter-chirp FMCW coherent laser radar |
| RU2484500C2 (en) * | 2007-10-09 | 2013-06-10 | Данмаркс Текниске Университет | Coherent lidar system based on semiconductor laser and amplifier |
-
2015
- 2015-06-09 RU RU2015122034A patent/RU2610905C2/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4824251A (en) * | 1987-09-25 | 1989-04-25 | Digital Signal Corporation | Optical position sensor using coherent detection and polarization preserving optical fiber |
| US20030043364A1 (en) * | 2001-09-04 | 2003-03-06 | Jamieson James R. | System and method of measuring flow velocity in three axes |
| US20060182383A1 (en) * | 2005-02-17 | 2006-08-17 | Anthony Slotwinski | Compact fiber optic geometry for a counter-chirp FMCW coherent laser radar |
| RU2484500C2 (en) * | 2007-10-09 | 2013-06-10 | Данмаркс Текниске Университет | Coherent lidar system based on semiconductor laser and amplifier |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2727778C1 (en) * | 2019-08-27 | 2020-07-23 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военная академия материально-технического обеспечения имени генерала армии А.В. Хрулёва" | Doppler fibre-optic device of projectile initial speed |
| RU197827U1 (en) * | 2019-11-21 | 2020-06-01 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | MOVING SURFACE LASER RADIATION DISTRIBUTION DEVICE |
| RU2766535C1 (en) * | 2020-11-25 | 2022-03-15 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военная академия материально-технического обеспечения имени генерала армии А.В. Хрулёва" | Laser fiber-optic meter of initial velocity of projectile |
| RU2805642C1 (en) * | 2023-05-04 | 2023-10-23 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военная академия материально-технического обеспечения имени генерала армии А.В. Хрулёва" | Polarization system for measuring parameters of projectile movement around the barrel of a rifled artillery gun |
| RU2837685C1 (en) * | 2024-08-05 | 2025-04-03 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Device for doppler speed meter of moving surface based on interferometer with fibre radiation input |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2015122034A (en) | 2016-12-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN105509817B (en) | A kind of THz wave Doppler difference measuring instrument and method | |
| RU2610905C2 (en) | Laser device for measuring velocity and/or displacement of small-size objects in limited-access places | |
| CN103558412A (en) | Interference Rayleigh scattering speed measurement device used for flow fields | |
| Holtkamp | Survey of optical velocimetry experiments-applications of PDV, a heterodyne velocimeter | |
| Rodriguez et al. | Fiber Bragg grating sensing of detonation and shock experiments at Los Alamos National Laboratory | |
| Peng et al. | Experimental investigation of shock response to an insensitive explosive under double-shock wave | |
| Carney et al. | Water temperature and concentration measurements within the expanding blast wave of a high explosive | |
| CN205506097U (en) | Terahertz wave doppler interference measuring apparatus | |
| Mercier et al. | Heterodyne velocimetry and detonics experiments | |
| Jackson | The detonation cylinder test: Determination of full wall velocity and shape from a single velocimetry probe with an arbitrary angle | |
| 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 | |
| RU2766535C1 (en) | Laser fiber-optic meter of initial velocity of projectile | |
| Ueda et al. | Characterization of shock accelerometers using Davies bar and laser interferometer | |
| US20120046898A1 (en) | Systems and methods for pressure measurement using optical sensors | |
| Myers et al. | Application of W-band, Doppler radar to railgun velocity measurements | |
| US7460242B2 (en) | Systems and methods for high-precision length measurement | |
| Maisey et al. | Characterization of detonator performance using photonic Doppler velocimetry | |
| RU2766534C2 (en) | Simulation and testing complex for laser ballistic measuring system | |
| Gubskii et al. | Multipoint vernier VISAR Interferometer system for measuring mass velocity in shock wave experiments | |
| Isbell et al. | Wide-range, High-Resolution Measurements Of Projectile Motion Using Laser Interferometry | |
| Briggs et al. | Fundamental experiments in velocimetry | |
| RU2727778C1 (en) | Doppler fibre-optic device of projectile initial speed | |
| Asay et al. | Continuous measurements of in-bore projectile velocity | |
| Strand et al. | Using the heterodyne method to measure velocities on shock physics experiments |