Введение к работе
Объект исследования
Радиолокационные методы измерения параметров движения снаряда (ПДС) (перемещения, скорости и ускорения) во время выстрела.
Предмет исследования
Радиолокационные сигналы и их математические модели, алгоритмы обработки радиолокационных сигналов, радиолокационные измерительные комплексы, особенности движения артиллерийских боеприпасов и стволов артиллерийских систем во время выстрела.
Актуальность темы связана с необходимостью получения наиболее полной информации об особенностях функционирования сложной динамической системы заряд - ствол - снаряд во время выстрела, без которой невозможна разработка артиллерийских систем и боеприпасов к ним.
Одной из основных задач экспериментальной баллистики является задача измерения параметров движения (перемещения, скорости, ускорения) во время выстрела. При этом наибольший интерес для разработчиков артиллерийских систем и боеприпасов к ним представляют не единичные значения кинематических параметров, измеренные на отдельных участках траектории, но их функциональные зависимости от времени, поскольку только в этом случае возможен наиболее полный анализ поведения боеприпаса во время выстрела и выявление причин возникновения нештатного функционирования.
1 2 '- 3
Рис. I. Основные этапы артиллерийского выстрела (I - внутрибалпистический этап, 2 - этап промежуточной баллистики, 3 — внешнебаллистический этап)
Задача непрерывного измерения параметров движения снаряда от момента начала движения снаряда в стволе и далее на траектории до настоящего времени не решена. Исследования, проводимые в этом направлении, были нацелены на решение трех самостоятельных задач (рис. 1):
-
Измерение ПДС на внутрибаллистическом этапе выстрела.
-
Измерение ПДС на этапе промежуточной баллистики.
-
Внешнетраекторные измерения ПДС.
С точки зрения разработчиков боеприпасов наиболее важными из перечисленных выше задач являются две первые, так как особенности движения бо-
еприпаса на этих этапах определяют все дальнейшее внешнетраекторное движение снаряда и, следовательно, точность попадания в цель.
Как показывает опыт полигонных испытаний (в первую очередь, измерения внешнетраекторных ПДС), наиболее подходящими для решения этих задач являются радиолокационные методы измерений, в которых используются радиолокаторы непрерывного излучения СВЧ диапазона. Их применение основано на том, что фаза радиолокационного сигнала (PC), выделяемого на смесительной секции радиолокатора при сравнении электромагнитной волны (ЭВ), отраженной от движущегося объекта, и опорной ЭВ, определяется его перемещением, а частота - скоростью. Радиолокационные методы позволяют измерять ПДС на внешнебаллистическом этапе выстрела, т.е. определять линейную скорость, координаты снаряда на траектории, силу лобового сопротивления, коэффициент формы, а для специально доработанных снарядов - и их частоту вращения. PC, получаемые при измерении внешнетраекторных ПДС, являются сигналами с медленно изменяющимися частотно-временными характеристиками. Указанное свойство PC позволяет проводить его разделение на последовательные измерительные интервалы, где его можно рассматривать как монохроматический сигнал, методы оценки частоты которого хорошо известны.
Впервые метод измерения ПДС на внутрибаллистическом этапе выстрела, использующий радиолокаторы непрерывного излучения СВЧ диапазона (радиолокационный метод измерений (РМИ)), был запатентован в США в 1947 г. В бывшем СССР данный метод начал разрабатываться с 60-х гг. Задача обработки PC, получаемого при измерении параметров движения снаряда в стволе, и задача обработки PC, получаемого при проведении внешнетраекторных измерений, - это известная в радиолокации задача оценивания параметров сигнала на фоне шумов. Однако особенности движения снаряда во время выстрела (более точно - изменение его кинематических характеристик и, прежде всего, скорости на внутрибаллистическом этапе выстрела в широком диапазоне значений за короткий временной промежуток) приводят к необходимости оценки закона изменения широкополосного ЧМ сигнала по одной его реализации, что выводит рассматриваемую задачу за рамки «классической» радиолокации. Поэтому методы решения данной задачи были направлены на разработку квазиоптимальных алгоритмов обработки (АО) PC, которые использовали основную особенность PC, получаемых при измерении ПДС в стволе в условиях незначительного прорыва пороховых газов в предснарядное пространство: многократное превышение, энергии полезного сигнала над шумами (отношение сигнал/шум по мощности находится в диапазоне [7,5; 9,8] дб). Наиболее извест-
ный алгоритм обработки PC состоит в определении последовательности временных интервалов, соответствующих изменению фазы PC на 2п радиан (что соответствует перемещению снаряда на XJ2 (Да- длина ЭВ в стволе)) и формировании табличной зависимости перемещение - время. Зависимость скорости движения снаряда от времени в данном АО находится делением длины соответствующей базы (длина базы XJ2) на время ее прохождения. Отметим наиболее существенный методический недостаток данного подхода (присущий всем алгоритмам обработки, основанным на анализе длительности периодов PC) - базовые измерения предполагают аппроксимацию реальных зависимостей кинематических характеристик снаряда кусочно-линейной зависимостью, т.е. внутри «измерительной базы» - периода PC - закон изменения фазы считается линейным, а частота сигнала - постоянной. Данное приближение можно считать справедливым при движении снаряда в конце ствола, где приращение скорости за время, равное длительности одного периода PC, не столь велико, как в начале движения. На начальном участке внутрибаллистического периода выстрела, когда ускорение снаряда достигает десятков тысяч g (g - ускорение свободного падения), данное предположение представляется неоправданным. Анализ работ, посвященных построению различных АО и оценки их точностных характеристик показал, что при оценке погрешностей всех ранее предложенных алгоритмов обработки PC не учитывалась данная систематическая погрешность.
Наиболее существенный недостаток, присущий, по нашему мнению, всем известным ранее подходам к построению АО и оценке их точности и являющийся главной причиной завышения точностных характеристик АО, состоит в отсутствии целенаправленных исследований частотно-временных характеристик PC. Для проведения этих исследований представляется целесообразным построение соответствующих моделей PC. Использование информации о частотно-временных характеристиках PC позволит провести разработку более информативных АО, имеющих более высокие точностные характеристики по сравнению с известными ранее АО.
Еще одной задачей экспериментальной баллистики, не имевшей до недавнего времени решения, является задача непрерывного измерения скорости движения снаряда на начальном этапе выстрела (этап движения снаряда в стволе и этап промежуточной баллистики) - от момента выхода снаряда из канала ствола до начала слежения за снарядом внешнебаллистических радиолокационных станций. Важность измерения ПДС на этапе промежуточной баллистики подтверждается тем, что именно на данном этапе снаряд испытывает основные
возмущения движения, приводящие в конечном итоге к снижению точности стрельбы.
Приведенный краткий перечень задач, для решения которых необходимо знание закона изменения кинематических характеристик на начальном участке траектории, их важность для разработки артиллерийских боеприпасов, а также анализ современного состояния измерительных средств, позволяющих решать эти задачи, определил необходимость дальнейшего развития РМИ в направлении разработки новых, более точных и информативных алгоритмов обработки PC, получаемых в задаче измерения ПДС на внутрибаллистическом этапе выстрела и методов оценки их точности; создания радиолокационного способа измерения ПДС на этапе промежуточной баллистики и соответствующих алгоритмов обработки PC; исследования особенностей движения различных типов боеприпасов на начальном этапе выстрела. Для этого необходимо: 1) проведение теоретических исследований особенностей PC на основе рассмотрения сигналов с известными параметрами: моделей PC, построенных с учетом физических процессов, протекающих в сложной динамической системе заряд - снаряд - ствол во время выстрела; 2) построение на их основе новых алгоритмов обработки PC; 3) разработка радиолокационного способа измерения параметров движения снаряда на начальном этапе выстрела; 4) экспериментальная проверка предлагаемых способов измерений и алгоритмов обработки PC.
Целью работы является повышение точности и информативности радиолокационных методов измерения ПДС на внутрибаллистическом этапе выстрела; разработка радиолокационного метода измерения параметров движения снарядов с разделяющимися и неразделяющимися частями на начальном этапе выстрела и его аппаратурной реализации; исследование особенностей движения различных типов снарядов на начальном этапе выстрела.
В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие ос; новные задачи:
-
Проведение теоретических и экспериментальных исследований физических процессов, влияющих на радиолокационные измерения ПДС на начальном этапе выстрела.
-
Для PC, получаемых в задаче измерения ПДС на внутрибаллистическом этапе выстрела:
-
Построение моделей PC, учитывающих влияние физических процессов, сопровождающих процесс выстрела.
-
Исследование частотно-временных характеристик PC.
-
Построение на основе результатов исследования частотно-временных
характеристик PC, более точных и информативных алгоритмов обработки.
2.4. Проведение экспериментальной проверки работоспособности разработанных алгоритмов обработки.
3. Разработка радиолокационного метода измерения ПДС на начальном этапе выстрела, включая:
-
Аппаратурную реализацию радиолокационного метода измерения параметров движения снаряда на начальном этапе выстрела.
-
Построение моделей PC, учитывающих влияние физических процессов, сопровождающих процесс выстрела.
-
Проведение исследования частотно-временных характеристик PC, получаемых в задачах измерения ПДС на начальном этапе выстрела.
-
Построение алгоритмов обработки PC, получаемых в задаче измерения параметров движения снарядов с разделяющимися и неразделяющимися частями.
-
Проведение экспериментальной проверки работоспособности метода измерений.
Методы исследования
В работе использован комплексный метод исследования, включающий теоретический анализ и экспериментальную проверку полученных результатов в ходе натурных испытаний боеприпасов, выстреливаемых из различных типов артиллерийских систем. В теоретических исследованиях использовались: математическое моделирование, основными этапами которого были: 1) решение системы уравнений, описывающих процесс выстрела в термодинамическом приближении, 2) построение моделей радиолокационных сигналов; современные методы цифровой обработки сигналов: метод мгновенного спектра, классические, параметрические и непараметрические методы спектрального оценивания, метод аналитического сигнала. В экспериментальных исследованиях применялись современные методы планирования эксперимента и математической статистики, а также элементы системного анализа.
Научная новизна работы состоит в следующем:
-
Предложены методы повышения точности и информативности радиолокационных доплеровских измерителей параметров движения снаряда на внут-рибаллистическом этапе выстрела.
-
Построена модель PC, получаемых в задачах измерения параметров движения различных типов снарядов на внутрибаллистическом этапе выстрела, и проведено исследование его частотно-временных характеристик.
-
Разработаны новые алгоритмы обработки PC: алгоритм, основанный на
свойстве граничной частоты текущего спектра PC; алгоритм, основанный на свойстве мгновенного спектра PC; алгоритм, основанный на понятии «мгновенная частота аналитического сигнала»; исследована применимость современных методов спектрального оценивания в предложенных алгоритмах обработки PC и проведена сравнительная оценка погрешностей ПДС для различных АО.
4. Проведено обобщение теории аналитического сигнала для широкопо
лосных сигналов, заданных на временных интервалах конечной длительности:
-
Установлена связь между законом изменения частоты широкополосного ЧМ сигнала конечной длительности и мгновенной частотой соответствующего аналитического сигнала.
-
Получена зависимость точности измерения частоты монохроматических сигналов аналитическим частотомером (частотомера, измеряющего частоту дискретного аналитического сигнала) от их длительности.
-
Установлено соотношение между частотой дискретизации и максимальной мгновенной частотой аналитического сигнала.
-
Разработан радиолокационный метод и его аппаратурная реализация, позволяющий проводить непрерывные измерения ПДС на начальном этапе выстрела (т.е. внутри канала ствола и на начальном участке внешнебаллисти-ческой траектории).
-
Построены модели PC, получаемых в задаче измерения параметров движения снарядов с неразделяющимися и разделяющимися частями на этапе промежуточной баллистики, и проведено исследование частотно-временных характеристик PC.
-
Разработаны алгоритмы обработки PC, получаемых в задаче измерения параметров движения снарядов с неразделяющимися и разделяющимися частями на начальном этапе выстрела.
-
Проведены непрерывные измерения ПДС на начальном этапе выстрела, доказавшие существование периода последействия (увеличения скорости движения снаряда после выхода из канала ствола).
-
Исследованы особенности движения осколочно-фугасных (ОФС), кумулятивных (СКМ) и бронебойно-подкалиберных снарядов (БПС) в периоде последействия при различных массах порохового заряда.
10. Исследованы особенности движения составных частей различных ти
пов БПС в периоде последействия.
11. Разработана методика измерения параметров движения снаряда в ство
лах малых калибров и ее аппаратурная реализация, позволившая впервые в
практике экспериментальной баллистики провести измерения параметров дви-
жения пули в стволе карабина калибра 7,62 мм.
12. Разработаны радиолокационные способы измерения параметров движения дульной части ствола артиллерийской системы во время выстрела.
Практическая ценность: Проведено исследование особенностей PC, получаемых в задачах измерения ЛДС на начальном этапе выстрела, результаты которого позволили разработать более точные и информативные алгоритмы обработки PC; разработан радиолокационный способ измерения ПДС на этапе промежуточной баллистики, позволивший провести практические измерения этих параметров для снарядов с неразделяющимися и разделяющимися частями; предложены радиолокационные способы измерения параметров движения дульной части ствола артиллерийской системы во время выстрела, получены новые результаты, представляющие интерес для теории обработки дискретных сигналов.
Новизна и практическая ценность работы подтверждена 3 авторскими свидетельствами.
На защиту выносятся следующие основные положения:
-
Модель PC, получаемого в задачах измерения ПДС в стволе во время выстрела.
-
Модель PC, получаемого в задаче измерения ПДС с неразделяющимися частями на этапе промежуточной баллистики.
-
Модель PC, получаемого в задаче измерения ПДС с разделяющимися частями на этапе промежуточной баллистики.
-
Алгоритмы обработки, основанные на свойстве текущего спектра PC, мгновенного спектра PC, понятии «мгновенная частота аналитического сигнала».
-
Радиолокационный способ измерения ПДС на этапе промежуточной баллистики.
-
Алгоритмы обработки PC, получаемые в задаче измерения параметров движения снарядов с разделяющимися и неразделяющимися частями на начальном этапе выстрела.
-
Способ измерения параметров движения боеприпасов в стволах стрелкового вооружения.
-
Результаты экспериментальных исследований ПДС на внутрибаллисти-ческом этапе выстрела.
-
Результаты экспериментальных исследований ПДС на этапе промежуточной баллистики.
10. Радиолокационные способы измерения параметров движения дульной
части ствола во время выстрела.
11. Результаты экспериментальных исследований параметров движения дульной части ствола во время выстрела.
Внедрение результатов диссертационной работы. Результаты работы внедрены в Нижнетагильском институте испытания металлов, использованы при модернизации информационно-измерительного комплекса «Ариэль-7», применяемого для измерения ПДС в стволе во время выстрела, материалы диссертационной работы использованы при полигонных испытаниях артиллерийских и танковых систем и боеприпасов к ним.
Методы и научные результаты работы находят применение в практике научных исследований на предприятиях, занимающихся разработкой, производством и испытаниями артиллерийских вооружений, и в высших учебных заведениях России. Основные положения диссертационной работы представляют интерес как учебный материал и используются в курсе лекций «Математическое моделирование», «Основы радиоэлектроники», «Внутренняя баллистика».
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на:
XXVIII Московской международной научной конференции «Теория и техника антенн» (г. Москва, 1998 г.), V Международной научной конференции «Теория и техника передачи, приема и обработки информации» (г. Туапсе, 1999); II Международной научной конференции «Проблемы и прикладные вопросы физики» (г. Саранск, 1999 г.), III Международной научной конференция по теории и технике антенн (г. Севастополь, 1999 г.); IX Международной Крымской Микроволновой Конференции (г. Севастополь, 1999 г.); Международной телекоммуникационной научно-практической конференции «Информационные технологии в учебном процессе кафедр физики и математики» (г. Ульяновск, 1999); Международной научной конференции «Выпускник НГУ и научно-технический прогресс» (г. Новосибирск, 1999); III Международной научной конференции по внутрикамерным процессам и горению в установках на твердом топливе и ствольных системах (ICOC99) (г. Ижевск, 1999); V Международной научно-практической конференции «Физика в системе современного образования» (г. Санкт-Петербург, 1999);
Всесоюзной отраслевой научно-технической конференции молодых специалистов (г. Красноармейск, 1989 г.), Всесоюзной отраслевой научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития средств экспериментальных исследований на предприятиях отрасли» (г. Дзержинск, 1990 г.), III и IV Всероссийских научных конференциях «Информационные технологии
и электроника» (г. Екатеринбург, 1998 г., 1999 г.), XIX Всероссийской научной конференции «Распространение радиоволн» (г. Казань, 1999 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Региональные проблемы информатизации образования», на заседаниях кафедры радиоприемных устройств радиотехнического факультета Уральского государственного технического университета, заседаниях технического совета Нижнетагильского института испытания металлов.
Публикация работы. Основные научные и практические результаты диссертации опубликованы в монографии «Радиолокационные методы измерений экспериментальной баллистики». -Екатеринбург: УрО РАН, 1999. -211 с, 19 статьях, 15 материалах и тезисах конференций, 3 авторских свидетельствах, 10 отчетах по НИР.
Личный вклад автора. Диссертационная работа является комплексным исследованием радиолокационных методов измерения экспериментальной баллистики, задачи которых, как в теоретических, так и в экспериментальных областях представляемой работы, поставлены автором.
Модели радиолокационных сигналов, получаемых в задаче измерения ПДС на начальном этапе выстрела; алгоритм обработки PC, основанный на свойстве мгновенного спектра; алгоритмы обработки PC, получаемых в задаче измерения параметров движения снарядов с разделяющимися и неразделяю-щимися частями; результаты исследования физического содержания понятий «огибающая» и «мгновенная частота сигнала», вводимых через «огибающую» и «мгновенную частоту» соответствующего аналитического сигнала, их связи с реальным законом изменения частоты сигнала являются авторской разработкой.
Алгоритмы обработки PC, основанные на свойстве текущего спектра и понятии «мгновенная частота аналитического сигнала», разработаны автором совместно с О.А. Бужинским.
Метод измерения параметров движения боеприпасов в стволах малых калибров разработан автором совместно с Н.И. Кочкарем, А.С. Поеным, В.А. Мезенцевым.
Методы измерения параметров движения дульной части ствола разработаны под руководством автора (О.А. Бужинский, В.Л. Медведев, М.Л. Олегов).
Радиолокационный способ измерения параметров движения снаряда на начальном этапе выстрела и экспериментальные исследования особенностей движения параметров движения артиллерийских снарядов на начальном этапе выстрела выполнены под руководством автора (А.В. Ковзель, М.Р. Шакиров).
Структура и объем диссертации. Работа на 245 страницах содержит: Введение, 5 глав, заключение, 5 приложений, включая 160 рисунков, 19 таблиц и 190 наименований использованной литературы.
