световая мишень

Формула изобретения

1. Световая мишень с оптико-электронным регистрирующим устройством, содержащая источники света, расположенные по одну сторону от снопа траекторий, и оптически связанные с ними оптико-электронные преобразователи, расположенные по другую сторону от снопа траекторий, и образующие совместно с источниками света систему световых экранов, усилители фототоков, блок согласующих и пороговых устройств, схему ИЛИ, компьютер с устройством отображения информации, отличающаяся тем, что каждый источник света содержит тело накала в виде ленты прямоугольного сечения из высокотемпературного сплава, пропущенной через прямоугольные отверстия направляющих пластин, установленных на изолирующей плите, и закрепленной с одной стороны в неподвижном токоподводе, а с другой - в подвижном, соединенном с пружиной устройства предварительного натяжения, каждый оптико-электронный преобразователь содержит щелевую диафрагму, за которой установлен объектив, а за ним, на удалении от него на 0,5-1 фокусного расстояния объектива, расположен фотоприемник, смонтированный непосредственно на плате усилителя фототока, выход каждого усилителя фототока соединен со входом блока согласующих и пороговых устройств коаксиальной линией связи, выходы блоков согласующих и пороговых устройств объединены по схеме ИЛИ, сигнал с выхода которой поступает на вход прерывания компьютера.

2. Световая мишень по п. 1, отличающаяся тем, что для обеспечения инвариантности по отношению к положению позиции она содержит пять световых экранов, образованных оптически связанными источниками света и оптико-электронными преобразователями, один из световых экранов совпадает с плоскостью мишени, остальные световые экраны по два попарно параллельны и наклонены под острым углом: одна пара относительно вертикальной, а другая - относительно боковой оси системы координат мишени, продольная ось которой совпадает с направлением стрельбы.

3. Световая мишень по п. 2, отличающаяся тем, что для одновременного измерения вместе с координатами скорости полета пули или снаряда в нее введен дополнительно шестой световой экран, параллельный первому, совпадающему с плоскостью мишени, и образованный дополнительными оптически связанными излучателем и оптико-электронным преобразователем.

4. Световая мишень по любому из пп. 1-3, отличающаяся тем, что для исключения прямых попаданий и рикошетов источники света и оптико-электронные преобразователи удалены от снопа траекторий на расстояние безопасности и в тире расположены за бронезащитой вдоль стен тира или в приямке и под (или над) потолком тира.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к мишеням для определения внешнебаллистических параметров (координат, скорости) пуль и снарядов при стрельбе прямой наводкой по вертикальным преградам (мишеням) и может использоваться при экспериментальном определении меткости и кучности стрельбы и приведении оружия к нормальному бою, при определении скорости, при обучении и тренировке.

Известно устройство для регистрации результатов стрельбы при определении координат пролета пули, содержащее раму с установленными на ее сторонах четырьмя группами фотоприемников и два ненаправленных источника света, расположенных соответственно на углах смежности третьей, четвертой и первой, второй групп фотоприемников [1].

Известна фотоэлектронная мишень, содержащая две группы линейных фотоприемников из n элементов и два линейных источника излучения, причем каждая группа линейных фотоприемников и соответствующий линейный излучатель размещены попарно диаметрально противоположно друг другу и оптически сопряжены между собой [2].

Недостатками данных устройств являются: низкая надежность из-за большого количества элементов, высокая вероятность поражения из-за близкого расположения линейных фотоприемников и линейных источников излучения относительно снопа траекторий и низкая точность при ограниченном числе элементов в случае большого поля регистрации.

Наиболее близким аналогом является метод и аппаратура для определения координат пули измерением временных интервалов между последовательным пересечением пулей световых экранов - оптических плоскостей, основанных на применении оптических систем, состоящих из щелевых источников света, расположенных на раме по одну сторону от снопа траекторий, и щелевых фотоприемников, расположенных по другую сторону [3]. Щелевой источник каждого светового экрана содержит расположенные в ряд источники света и коллимационные линзы, формирующие параллельные пучки лучей, из которых щелью вырезается экран конечной толщины. Экраны каждого источника (до 12-ти штук) примыкают вплотную друг к другу, образуя общий световой экран. Щелевой приемник каждого светового экрана содержит расположенные за щелью фокусирующие линзы напротив соответствующих источников света, в фокусах которых установлены фотоприемники (фотодиоды). Фотодиоды объединены группами по 6 штук по схеме ИЛИ на входах предусилителей фототоков, сигналы предусилителей объединяются по схеме ИЛИ на входах триггера Шмидта. В результате при затенении пролетающей пулей или снарядом части светового потока формируется электрический сигнал, приводящий к срабатыванию триггера Шмидта. По сигналу от первого светового экрана запускаются 3 хронометра, а по сигналам от следующих трех экранов хронометры останавливаются. По измеренным хронометрами временным интервалам вычисляются координаты точки попадания в мнимую мишень (плоскость регистрации, совпадающую с последним экраном).

Недостатками световой мишени, основанной на световых экранах, образованных щелевыми источниками и щелевыми приемниками, являются: небольшой размер поля регистрации и большая вероятность поражения аппаратуры от рикошетов несмотря на бронезащиту перед аппаратурой из-за близкого расположения ее к снопу траекторий; сложность и трудоемкость настройки в фокус коллиматоров и фотоприемников, а также низкая надежность из-за большого количества источников света и фотоприемников и предусилителей фототоков; сложность экранирования и защиты от наводок слаботочных цепей, так как фотоприемники и предусилители разнесены на относительно большое расстояние; низкая точность измерения и возможность стрельбы только по нормали к мишени из-за близкого расположения источников света и приемников, а также по причине использования расчетных соотношений, справедливых в случае траекторий, нормальных к плоскости мишени.

Задача изобретения заключается в устранении недостатков известного устройства путем создания световой мишени, содержащей от четырех до шести световых экранов, каждый из которых установлен определенным образом по отношению к плоскости мишени и образован с помощью одного линейного протяженного источника - излучателя и одного оптически связанного с ним оптико-электронного преобразователя - приемника, которые устанавливаются на противоположных сторонах тира (на расстоянии безопасности), например, на левой и правой стенах тира или в приямке и на потолке за бронезащитой от случайных прямых попаданий. Вычисление координат точки попадания каждого выстрела по измеренным моментам времени пересечения пулей или снарядом световых экранов осуществляется с помощью регрессионной модели (уравнений), вытекающей из физической модели. При этом коэффициенты регрессионной модели определяются предварительно по результатам опытных стрельб с параллельным определением координат каждой пробоины в установленной на время опытных стрельб мишени (контрольной рамке), которая периодически используется и для контроля точности путем сравнения результатов автоматического определения координат с координатами пробоин.

Технический результат - исключение расходных материалов (бумажных, картонных и фанерных мишеней); обеспечение безопасности (операторы не выходят в тир или на полигон для установки и снятия мишеней, считывания результатов); увеличение размеров мишени; повышение объективности и точности измерений (исключение субъективных ошибок при ручном считывании и обработке); исключение невозможности точного определения координат пробоин в случае их наложения друг на друга; повышение информативности испытаний (одновременное измерение скорости и координат); автоматизированная обработка с определением параметров меткости и кучности стрельбы (средней точки попадания, срединных отклонений, кругов R₅₀, R₈₀, R₁₀₀, поперечника рассеивания) без затрат времени на ручной ввод координат в ЭВМ.

На фиг.1 изображена схема световой мишени; на фиг.2 - схема расположения излучателей, приемников и контрольной рамки в тире; на фиг.3 - схема приемника; на фиг.4 - конструкция излучателя; на фиг.5 - проекция экранов четырехплоскостной световой мишени (функциональных экранов для вертикальной координаты) на вертикальную боковую плоскость ХУ; на фиг.6 - проекция экранов пятиплоскостной световой мишени (функциональных экранов для вертикальной координаты) на вертикальную боковую плоскость ХУ; на фиг.7 - блокирующая плоскость (бесконечно тонкий световой экран) П(r, а, b) в системе координат мишени; на фиг.8 - задание прямолинейной траектории в параметрической форме.

Устройство содержит излучатели 1_i,=1...k, k=4-6 - число световых экранов, блок питания излучателей 2, оптико-электронные преобразователи (приемники) 3_i, коаксиальные (информационные) линии связи 4, блок согласующих и пороговых устройств 5, схему ИЛИ 6, вычислитель 7 (ЭВМ или микроконтроллер с монитора для отображения результатов стрельбы). Оптико-электронный преобразователь 3_i (фиг.3) имеет прямоугольную щелевую диафрагму перед объективом (линзой) 10, на удалении 0.5-1 фокусного расстояния от которого расположена чувствительная площадка фотоприемника (фотодиода) 11, выход которого соединен со входом усилителя фототока 12. Выходы усилителей фототока коаксиальными линиями связи 4 соединены со входами согласующих и пороговых устройств 5, выходы которых соединены со входами схемы ИЛИ 6, а выход схемы ИЛИ соединен с входом прерывания компьютера 7. Излучатель (фиг.4) состоит из основания (швеллера) 13, изолирующей плиты 14, на которой с шагом h=30-40 мм установлены направляющие пластины 15 с прямоугольными отверстиями (прорезями) для пропускания через них тела накала 16, выполненного в виде хромалевой ленты прямоугольного сечения 0,42 мм². Левый конец тела накала закреплен в неподвижном токоподводе 17, а правый - в подвижном токоподводе 18, связанном с пружиной 19 устройства предварительного натяжения. Излучатель 1_i совместно с приемником 3_i образуют световой экран треугольной формы 9_i. Излучатели 1₁ и 1₆ параллельны и расстояние между ними равно расстоянию между соответствующими приемниками 3₁ и 3₆, так что световые экраны 9₁ и 9₆ параллельны и служат для измерения скорости полета пули. Направление полета пули со скоростью V на фиг.2 показано стрелкой. Световые экраны 9₂ и 9₃ благодаря соответствующему расположению излучателей 1₂, 1₃ и приемников 3₂, 3₃ параллельны и наклонены под острым углом относительно горизонтальной оси Z и являются функциональными для определения боковой координаты Z. Световые экраны 9₄ и 9₅ также параллельны, но наклонены под острым углом относительно вертикальной оси Y и являются функциональными для определения вертикальной координаты Y. В зависимости от условий применения световая мишень может быть четырех-, пяти- и шестиплоскостной. В случае стрельбы с постоянной позиции используется самая простая четырехплоскостная световая мишень, состоящая из световых экранов 9₁, 9₂, 9₄ и 9₆.

Фиг.5 иллюстрирует определение скорости полета и вертикальной координаты Y с помощью отсчетного экрана 9₁, функционального для вертикальной координаты экрана 9₄ и скоростного экрана 9₆. Расстояние s_4,1 линейно зависит от координаты пролета пули Y, а в случае постоянства скорости V отношение расстояний, равное отношению интервалов времени _4,1 и _6,1, т.е.

линейно зависит от координаты Y. Аналогично отношение времен



линейно зависит от координаты Z. В случае стрельбы с произвольной позиции используется пятиплоскостная световая мишень, содержащая отсчетный экран 9₁, функциональные для вертикальной координаты экраны 9₄, 9₅ и функциональные для горизонтальной координаты экраны 9₂, 9₃. Фиг.6 иллюстрирует определение вертикальной координаты Y с помощью отсчетного экрана 9₁ и функциональных параллельных друг другу экранов 9₄, 9₅. В этом случае из подобия АВЕ и ACD отношение интервалов времени



линейно зависит от скорости и не зависит от угла наклона траектории. Аналогично отношение интервалов времени



линейно зависит от координаты Z и не зависит от угла наклона траектории. В случае необходимости одновременного измерения скорости используется шестиплоскостная система, в которой по сравнению с пятиплоскостной добавлен скоростной экран 9₆ для определения скорости аналогично как в четырехплоскостной системе.

Световая мишень по существу является системой косвенных измерений, в которой по первичным измерениям временных интервалов решается обратная задача внешней баллистики, т.е. по модели (уравнениям) мишени вычисляются координаты и скорость. Чтобы вычислить координаты с заданной погрешностью необходимо задать или измерить параметры положения световых экранов относительно системы координат мишени с меньшими погрешностями. Это практически невозможно, тем более что моменты времени пролета пули через световые экраны конечной толщины фиксируются по срабатыванию пороговых устройств и это происходит когда носик пули вошел на какое-то расстояние в световой экран и даже вышел из него. Поэтому единственным средством обеспечения заданной точности измерений представляется идентификация физической или регрессионной модели по результатам серии выстрелов, когда для каждого выстрела системой фиксируются времена пролета через световые экраны (плоскости) и параллельно измеряются координаты пробоин в мишени на контрольной рамке 8, которая устанавливается только для идентификации, а во время функционирования световой мишени в режиме определения координат отсутствует (снимается).

Для составления регрессионной модели световой мишени, максимально приближенной к физической модели, на фиг.7 показано задание светового экрана (плоскости) П(r, а, b) в следах

х + ау +bz - r = 0, (1)

где a = tg, b = tg, , - углы наклона следов плоскости П(r, a, b), r - абсцисса точки пересечения плоскости с осью X.

На фиг. 8 показано задание траектории в параметрической форме через направляющие косинусы l = cos^*, m = cos^*, n = cos^*

x = x_m +ls;

y = y_m +ms; (2)

z = z_m +ns,

где (x_m=0, у_m, z_m) - координаты точки попадания в мишень, s - параметр, равный расстоянию вдоль траектории от точки А (x_m, y_m, z_m) до текущей точки В с координатами (х, у, z). В случае постоянной скорости V полета пули на коротком участке траектории имеем s=Vt, где t - время пролета пули от (x_m, y_m, z_m) до (х, у, z). Выражая в (1) х, у, z через (2), получим уравнение для точки пересечения траектории с плоскостью П(r, а, b)



Считая, что отсчетная плоскость 9₁ совмещена с плоскостью YZ, для отношения расстояний s_4,1 и s_6,1, используя (3) получим



В случае траекторий, близких к нормальным по отношению к плоскости мишени YZ, имеем m0, n0 и вторая дробь близка к единице. Первую дробь можно привести к нормальному виду, приведя свободный член знаменателя r₆ к единице. В результате получим модель



Аналогично для плоскостей 9₂ и 9₆ имеем



Каждая модель содержит по пять неизвестных коэффициентов. Поэтому минимальное количество выстрелов для идентификации равно пяти, например, по углам и центру мишени. С целью усреднения погрешностей измерения количество точек следует увеличить в 3-4 раза и определение коэффициентов осуществлять, например, по методу наименьших квадратов.

В случае номинальных параметров положения плоскостей имеем, например, в (4) b₄=a₆=b₆=0 и



В случае пяти- или шестиплоскостной световой мишени получается модель, аналогичная (4), (5) для



и



Эта модель слабее зависит от направляющих косинусов 1, m, n траектории, т. е. положения позиции, а в случае номинальных параметров инвариантна к положению позиции. После определения коэффициентов A_i, B_i в (5), (6) эта модель используется для определения координат точки попадания по измеренным интервалам времени.

Система работает следующим образом. В режиме идентификации непосредственно за отчетным световым экраном 9₁ устанавливают контрольную рамку с наклеенной на нее миллиметровой бумагой. После выстрела пуля последовательно пересекает световые экраны. При пересечении светового экрана 9_i часть светового потока, падающего от линейного протяженного излучателя 1_i на фотоприемник оптико-электронного преобразователя 3_i, затеняется и на выходе усилителя фототока формируется электрический импульс, который по коаксиальной линии связи 4 поступает на вход блока согласующих и пороговых устройств 5. Выходы пороговых устройств объединены по схеме ИЛИ 6, и поэтому с ее выхода на вход прерывания компьютера последовательно поступают электрические сигналы, время поступления которых соответствует моментам времени пересечения пулей световых экранов. По сигналам прерывания фиксируется состояние таймера компьютера и коды времени записываются в память компьютера. После производства серии выстрелов в заданные точки контрольной рамки или после каждого из них измеряют координаты пробоин (и отмечают их во избежание перепутывания). После заданного числа выстрелов по программе, например, по методу наименьших квадратов проводят идентификацию моделей (5), (6). При этом вычисляют для контроля суммы квадратов невязок и невязки для каждого выстрела. Выстрелы с большими невязками бракуют и производят либо дострел, либо бракованные точки просто исключают и повторяют определение коэффициентов моделей. Контрольную рамку снимают.

В режиме функционирования (рабочий режим) аппаратура работает аналогично режиму идентификации. После выстрела и записи в память компьютера моментов времени пересечения пулей световых экранов из системы уравнений (5), (6) с коэффициентами А_i, В_i, вычисленными в процессе идентификации, определяют координаты точки попадания. После определения координат в серии выстрелов по программе определяют характеристики меткости и кучности стрельбы, скорость в каждом выстреле, среднее значение и среднеквадратичное отклонение скорости в серии. Результаты вычислений выводят на монитор. При необходимости по запросу оператора на монитор выводится сетка координат мишени с отмеченными пробоинами и их номерами в последовательности выстрелов.

Предложенная световая мишень имеет большое поле регистрации, высокую точность измерений при стрельбе с различных позиций, высокую надежность и низкую вероятность поражения прямыми попаданиями и осколками, высокую помехозащищенность и простоту конструкции.

Источники информации

1. Устройство для регистрации результатов стрельбы при определении координат пролета пули. Патент RU 2068538, 1996, МПК F 41 J 5/02. Заявитель Яковлев В.И.

2. Фотоэлектронная мишень. Патент SU 1593361, 2000, МПК F 41 J 5/04. Заявители Добродеев А.Ю., Кочетов А.С.

3. Патент США 3487226, кл. 250-222, 1996. Метод и аппаратура для определения координат пули измерением временных интервалов между последовательным пересечением световых экранов.