用于测量飞弹或类似物的出口速度的方法

申请号 CN200780045447.9 申请日 2007-10-19 公开(公告)号 CN101589289A 公开(公告)日 2009-11-25
申请人 莱茵金属防空股份公司; 发明人 亨利·弗里克;
摘要 本 发明 涉及用于测量飞弹或类似物的出口速度的方法。其中,本发明提出将武器筒或发射筒(1)或出口制退器(3)用作 波导 ,但该波导在低于相应的波导模式(TE;TM)的截止 频率 下工作。发射 耦合器 (6,10.1,11.1)激发相应的波导模式。 振荡器 (4)产生随后再传送给发射耦合器的 信号 。波导和飞弹(2)形成一个系统,其中在接收耦合器(7,10.2,11.2)处的电 磁场 受飞弹(2)的 位置 影响。测量在接收耦合器(7,10.2,11.2)的位置处的、由飞弹(2)和接收耦合器(7,10.2,11.2)之间的距离改变所导致的 电磁场 强度改变的特征率,并将其用来确定出口速度(V0)。
权利要求

1.一种用于测量与武器或发射筒(1)相邻或与出口制退器(3) 相邻的飞弹(2)或类似物的出口速度的方法,将筒(1)或出口制退 器(3)用作波导,其特征在于,该波导在低于相应的波导模式(TE; TM)的截止频率下工作。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,即时飞弹速度V(t) 能够连续测量和存储。
3.如权利要求1或2所述的方法,其特征在于,在波导中的飞 弹速度分布随着时间(t)而确定。
4.如权利要求1-3中任一项所述的方法,其特征在于,当飞弹 (2)在波导中移动且在飞弹(2)离开波导之前时,能够进行速度(V0) 的预测。
5.如权利要求1-4中任一项所述的方法,其特征在于,将评估 时间选择为使飞弹恰恰位于要测量的信号趋于零或具有一些其它特 征响应的接收耦合器的点的时间,以使速度(V0)可以测量。
6.用于执行如权利要求1-5中任一项所述的方法的测量装置 (100),具有:
-武器或发射筒(1),
-出口制退器或类似物(3),
-信号发生器(4),该信号发生器通过信号源(5)与至少一个 发射耦合器(6,10.1,11.1)电连接以激励武器或发射筒(1),和
-接收线(8),将在至少一个接收耦合器(7,10.2,11.2)处 的测量信号传输给评估设备(9)。
7.如权利要求6所述的测量装置,其特征在于,信号发生器(4) 生成连续波模式(CW模式)的载波。
8.如权利要求6所述的测量装置,其特征在于,信号发生器(4) 生成调制信号。
9.如权利要求6-8中任一项所述的测量装置,其特征在于,信 号发生器(4)是振荡器

说明书全文

技术领域

背景技术

现有的测量设备或方法使用通常是装配在武器的出口制退器(炮 口制退器,muzzle brake)后面的至少一对线圈。在这种情形下,线 圈被放置为相互离开规定的距离,速度V0由飞弹(投射体,projectile) 穿过由线圈所限定的距离所需的测量时间来确定。
这种设备从CH 691143A5可知。为了测量飞弹速度,在与高射 击频率枪的武器筒的出口相邻的安装管上设置了相互隔开一定距离 的两个传感器。响应于磁通量变化的这些传感器与评估电子装置相 连,传感器具有包括两个线圈和一个闭合磁路的线圈对。所测量的飞 弹速度或以这种方式更新的引信促动时间接着作为信息,在飞弹离开 出口区之前被传送给飞弹。
DE 69709291T2(EP 0840087B1)公开了用于控制飞弹的初 始速度的装置。在该例子中,提供了能够测量与出口速度(muzzle velocity)有关的参数的传感器装置。这通过借助于传感器进行,该传 感器至少配置在武器筒中或武器筒附近,能够记录武器筒中的、由在 武器筒附近加热的推动气体所造成的较高的压。已提出将应变计作 为传感器,并将应变计配置为使它们接触到武器筒。在本例子中,测 量了作用到武器筒上的应力。从记录的飞弹穿越两个独立的传感器的 时间差,来确定飞弹的运动及相应速度。
DE 10352047A1提出将相互隔开一定距离的至少两个传感器 整合在武器筒附近或直接整合在武器筒内。当飞弹通过它们时,传感 器经受由邻近弹底的气体压力所造成的应力,该应力被转变为电信号 并且(如果有必要则放大之后)提供给下游信号处理。优选使用纵向 测量销(dowel)形式的石英传感器作为传感器,石英传感器被装配 在与武器筒邻近或在武器筒周围的安装环中,或直接装配在武器筒 内。石英传感器具有很大的优势:它们能够将非常小的压力变化转换 为信号,它们本身在物理上是高鲁棒性,能够以精确配合被整合即它 们紧密接触武器筒,使得其不能相对于武器筒滑动。因此,在武器筒 上的机械载荷不会影响间接压力测量的测量结果。另外,这些传感器 不直接承受气体压力,并且还被安装在除了现有壳体之外的固定的结 构中。
作为对比,DE 102005024179A1完全免除直接测量即时出口 速度,因为实际出口速度由与飞弹的即时飞行速度有关的信息确定, 也就是说,从该信息向回推算出出口速度。然后,基于该即时出口速 度,借助于标准出口速度预定点火时间来校正飞弹的点火时间,并将 飞弹的点火时间用作当前的引信促动时间。使用优选在GHz范围内 的微波发射器以将该信息传递给飞弹,并将例如由点火控制计算机确 定的即时引信设定传递给军需品(弹药,munition)或飞弹。
另一种方法是如EP 0023365A2所公开的,其中以圆形波导来 操作筒并且测量筒中的飞弹的多普勒速度。在该例子中,信号的频率 高于有关波导模式的截止频率。在该例子中建立的电磁波在筒中传 播,并被飞弹反射。此外,这会导致一个依赖于即时速度的多普勒频 移。
存在的缺点是,两个传感器必须位于相互间有一个限定距离的位 置。这种设计加长了与武器筒的筒口相邻的测量设备。这会导致整个 武器的不稳定性,或会在使用次口径弹药(ammunition)时引起问题。 从武器筒出来时释放的脱壳穿甲弹(sabot)能够损坏测量设备。此外, 传感器必须直接安装在武器筒内或武器筒上。在许多情况下,武器筒 供应商和出口速度测量设备供应商并不相同。这意味着传感器只可能 装配在筒附近或筒内的情况受到相对困难的条件的限制,甚至是不可 能的。出口速度测量设备应该不依赖于所用的武器筒而独立运作,且 本身不干预武器筒。另一个缺点是,飞行速度的测量和使用微波发射 器进行武器筒以外的点火时间的编程需要一定程度的免干扰,以使信 息在发射器和飞弹之间传输。自然干扰以及干扰器的蓄意干扰会妨碍 对飞行速度的测量和随后的编程,或者使其完全不可能。此外,能够 使用外部的“电子战因素(electronic war factor)”方法检测发射器放 射(发射,emission),枪炮位置将被发现。因此敌人知道枪炮的位 置,能够启动反措施来攻击枪炮。现如今的关键字是“看但没被看到”。 如果放射泄露了枪炮的位置,该枪炮就处于来自于有效武器系统的极 端危险之下。此外,多普勒频移的测量要受振荡器的稳定性的具体要 求的限制。一次射击的开火所造成的振动能够改变即时发射频率,并 增加精确测量频移的复杂性。此外,武器筒作为开圆波导,能够起到 天线的作用。这意味着,外部的监测设备能够检测放射并能够确定枪 炮的位置。
发明是基于说明测量出口速度的方法的目的,该方法亦不涉及 任何关联但不再有上述的缺陷
该目的通过专利权利要求1的特征而实现。有益的实施例指定从属权利要求中。

发明内容

本发明是基于这样的想法,将武器筒或发射筒和/或出口制退器 的部件用作波导(利用具有非常高电导性的壁的具有特征性横断面形 状的筒实现了波导)。特别是矩形和圆形波导被广泛使用,但是在低 于相应的波导模式的截止频率下操作。(相关的原理请参见这里引用 的http://people.ee.ethz.ch/~kkrohne/AMIV/Wellenleiter.pdf的第 24-33页或http://prp0.prp.physik.tu-darmstadt.de/~ejakobi/ Mikrowel.pdf)。没有电磁波能够在以这种方式操作的波导中传播, 因此,没有能量沿波导传递。电磁场在波导的方向上呈指数下降,这 是麦克斯韦方程的解,而不是基于电阻衰减。
在本例子中,电磁场必须满足对圆波导的限制和对飞弹的限制。 在本例子中,应当指出的是,圆波导不一定要有完全圆形的截面。实 际上,轮廓(profile)也可以整合在波导的壁内以实现理想的横向电 磁场分布。如图3所示,其图示了出口制退器中的肋状结构如何保证 模式选择。当所有限制条件都满足时,这导致了在位置z=0(在Zk= 0时)有一个现在由波导中的飞弹的位置z=zy制约的信号强度。如有 必要,能够使用在发射耦合器(3.1)和接收耦合器(3.2)之间的抵 消Zk进行更好的模式选择。但一般来说,Zk应当等于0,而这只适 用于最接近于发射耦合器(3.1)的接收耦合器。如图3所示的情况示 出了包括发射耦合器(3.1)和接收耦合器(3.2)的设置。但是,如 图4所示,还可以将多个接收耦合器(4.2)配置为成串联、相互非常 接近,并因此在筒端的方向上是紧凑型且在发射耦合器(4.1)前面, 从而提高测量精度。在本例子中,出口制退器将不会人为延长,从而避 免了长的出口速度测量设备的缺点。
该测量装置由枪炮筒或筒形式的一些其它发射设备、飞弹、筒的 出口区、例如出口制退器、至少一个振荡器、发射耦合器和至少一个 接收耦合器或多个接收耦合器构成,数量取决于期望的测量装置的测 量精度。
该简单的测量装置具有出口区和出口制退器不必人为地延长的 优点。测量设备直接整合在出口制退器中。此外,它可以不依赖于弹 药(全口径或分口径)的类型。该测量设备结构小巧,因为筒和出口 区、特别是一般邻近枪炮筒使用的出口制退器是测量设备的一部分。 测量精度本身与振荡器的频率无关,这样,所用的振荡器就不必是如 已知的多普勒频率测量那样需要高度频率稳定。全部所需只是较低的 频率和较高的频率不应该分别是下冲(undershoot)和过冲(overshoot)。 该简单的测量也是基于下述事实,即检测的是包络而不是频率。该测 量装置能够以单模式工作。
附图说明
参照附图,使用示意性的实施例更详细地描述本发明。其中:
图1示出用于测量飞弹的出口速度的测量装置的原理;
图2示出图1所示的有限的圆波导的示意图;
图3示出整合在出口制退器中并配备了用于模式选择的肋状结 构的测量部分的图;
图4示出图3所示的带有多个耦合器的示意图。

具体实施方式

图1和2示出了测量方法所用的测量装置100的基本设计。测量 装置100包括枪炮筒1、在本例子中还有出口制退器3、振荡器4, 该振荡器通过信号源5电连接到发射耦合器6以激励它。接收耦合器 7用于信号接收,并通过电缆8将接收的信号连接到包括检测器9.1 和信号处理9.2的接收单元9。两个耦合器6、7整合在出口制退器3 中,形成耦合器对。
在本例子中,振荡器4通过发射耦合器6激励波导模式(TE; TM)。在本示意性的实施例中,将频率选择为低于相应波导模式的 截止频率。通过机械和电磁模式选择激励理想的模式。该系统包括筒 1(图2的波导1′),飞弹2(图2的圆柱2′)造成在位置z=0处 的信号强度,该信号强度依赖于飞弹2的位置z=zp。在本例子中是拾 取传感器的接收耦合器7接收该信号,该信号被传送给接收装置9。
正如上文所述,测量装置100以选定的波导模式、在低于该波导 或整合在出口制退器中的波导的波导模式的截止频率下操作。不仅是 基本模式,而且更高的波导模式也是可能的。在横向电(TE)模式和 横向磁(TM)模式之间划分了区别。两种模式也能够用在这里。
参照图2略微更具体地分析测量方法的基本原则。如果圆波导1′ 被圆柱销2′限制,那么,电磁场必须一方面满足与波导壁相邻的约束, 另一方面必须满足与圆柱基座相邻的约束。理想的是,壁和圆柱基座 应该是导电性的。这意味着,与这些表面相邻的电场强度的切向分量 是“E=0V/m”(零),与这些表面相邻的磁感应的正交分量是“B= 0T”(零)。能够通过引入下述两个场分量实现这一点:原始的电磁 场,它只满足与壁相邻的约束;附加分量,它具有与原始的场相同的 横向分布,因此也满足与壁相邻的约束。在位置z=0激励原始的场。 对选择的波导模式,频率低于截止频率。为了满足与圆柱基座z=zp 相邻的约束,生成第二场分量,并且将原始的场的电场强度的切向分 量与磁感应的正交分量进行叠加而抵消。两个分量的叠加产生位置 z=0处的信号强度,该信号强度取决于在位置z=zp处的圆柱基座的位 置。
如果现在分析在位置z=0处的信号强度的时间分布,那么,有 可能推出出口速度V0。
如图3所示,能够用机械设计措施激励期望的波导模式,在本例 子中,作为一个例子使用与波导壁相邻的肋状结构。此外,通过发射 耦合器10.1由激励类型帮助模式选择。图3示出了作为出口制退器的 波导。如果有必要,在发射耦合器10.1和接收耦合器10.2之间的抵 消Zk可以用来进行更好的模式选择。然而,总的来说,Zk应该等于0, 这只适用于与发射耦合器10.1最接近的接收耦合器。
图4示出了如何通过多个接收耦合器11.2来提高精度。应当注 意到,最远离筒端的接收耦合器11.2和发射耦合器11.1与筒端相距 相等的距离。这意味着,在发射耦合器11.1后面不能放置任何接收耦 合器11.2。
通过这里提出的测量设备的以下特征,克服了上文提到的依据现 有技术的方法的缺点:
·能够将耦合器(发射耦合器和接收耦合器)放置得相互非常接 近,并因此能够将耦合器整合在出口制退器(3)之中。不需要加长 出口制退器。此外,如果可能的话,耦合器也可安装在筒中。
·测量设备只有在不能被整合在武器筒中时才整合在出口制退器 (图3)中。因此,测量设备与筒无关,也因此与筒供应商无关。
·在出口制退器或筒内进行测量,因此,实现了较好的抗干扰性。
·波导在截止频率之下操作,并且波导的长度也使外在放射最小 化。
·因为不需测量多普勒频率,所以,振荡器不受严格的稳定性要 求的限制。
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