dr in. Izabela Krzysztofik mgr in. Adam Rozenau Politechnika witokrzyska
BADANIA EKSPERYMENTALNE MODULATORA OPTYCZNEGO
W pracy zaprezentowano nowy wzór modulatora optycznego stosowanego w gowicach samonaprowadzajcych si pocisków rakietowych. Przedstawiono wyniki pomiarów uzyskane z bada eksperymentalnych oraz wypywajce z nich wnioski i uwagi kocowe.EXPERIMENTAL RESEARCH OF OPTICAL MODULATOR
The paper presents a new pattern of optical modulator. It can be applied in the heads of self-guided missiles. There are results of experimental research and conclusions.
1. WPROWADZENIE
Historia ukadów oraz urzdze do wykrywania i okrelania pooenia celu stosowanych obecnie w gowicach samonaprowadzajcych si pocisków rakietowych siga lat dwudziestych XX wieku. Inspiracj do pierwszych prac w tym kierunku byo urzdzenie opatentowane przez J. Gardnera w roku 1909 suce do wykrywania róde fal dwikowych w rodowisku wodnym – protoplasta dzisiejszego sonaru (rys. 1).
Rys. 1. Patent US 913372 Rys. 2. Patent US 1388932
W 1916 r. H. Centervall prezentuje ukad analizy sygnau „torpedy lotniczej”(rys. 2). W roku 1932 H. W. Lord przedstawi koowy sterownik wiata, co byo pocztkiem rozwoju znanych obecnie modulatorów optycznych (rys. 3).
Rys. 3. Patent US 1971191 Rys. 4. Patent US 2237193
I tak w 1938 r. E.G.H. Mobsby zaprojektowa pierwszy ukad detekcji obiektów przy wykorzystaniu ju promieniowania elektromagnetycznego (rys. 4) a w roku 1941 P.M.G. Tulon przedstawi zoony system orientacji (rys. 5).
Rys. 5. Patent US 2369622 Rys. 6. Patent US 2513367
W latach nastpnych pojawiy si: optyczne urzdzenie do modulowania sygnau L. Cranberg’a z roku 1945 [patent US 2,468,042], ukad sterowania bomby lotniczej W. Shockley’a z roku 1948 [patent US 2,884,540] oraz ukad ledzenia L.B. Scott’a z roku 1948 (rys. 6). Na szczególn uwag zasuguje patent H.J. Eckweiler’a z roku 1949, w którym to zaprezentowano ukad ledzenia celu razem z przykadowymi wzorami tarcz modulacyjnych (rys. 7a, b).
a) b) Rys. 7. Patent US 2713134
Rozwój optycznych ukadów wykrywania i lokalizacji róda promieniowania stosowanych w samonaprowadzajcych si pociskach rakietowych nastpi po drugiej wojnie wiatowej. Pocztkiem by wynalazek Wiliama McLean’a z 1956 r. a by to giroskopowy ukad wyszukiwania celu (rys. 8a, b). Nowe ulepszone wzory modulatorów pojawiay si: po pierwsze wraz z rozwojem elektroniki, który umoliwia zastosowanie coraz bardziej wyrafinowanych metod przetwarzania sygnau, po drugie, aby eliminowa wpyw zakóce zewntrznych na dokadno wyznaczania pooenia celu.
a) b)
Rys. 8. Patent US 4093154
W pracy prezentujemy nowy wzór modulatora, który wykazuje dobr odporno na rónego rodzaju zakócenia sygnau a przede wszystkim umoliwia równoczesne okrelenie pooenia wielu róde promieniowania znajdujcych si w polu widzenia gowicy pocisku rakietowego.
2. OPIS MODULATORA
Konstrukcj wzoru modulatora wyjania rys. 9. rodkowy „listek” przepuszczajcy promieniowanie jest wycinkiem koa o kcie wierzchokowym 2G1. Dwa boczne „listki” tworzce wzór symetryczny ograniczone s spiralami Archimedesa o równaniach:
linia a ra R
MG
/D
linia b rb R
MG
/D
Modulator moe mie w rodku przepuszczajce promieniowanie koo o promieniu r . 0 Sposób modulacji zaley od doboru parametrów G ,,G1 D oraz r0/R.
Rys. 9. Rys. 10.
Sposób wyznaczania pooenia róda promieniowania (celu) wyjaniony zostanie na przykadzie punktowego róda promieniowania o staym nateniu, przy staym równomiernym promieniowaniu ta. Na rys. 10 pokazany jest schematycznie modulator w pooeniu odniesienia z zaznaczonym pooeniem celu i kierunkiem obrotu modulatora a na rys. 11 sygna otrzymany z detektora S oraz sygna znacznika pooeniad Sz. Niski poziom sygnau S odpowiada promieniowaniu ta a wysoki poziom tym pooeniomd modulatora, kiedy promieniowanie od celu C pada na przepuszczajce promieniowanie listki modulatora.
Rys. 11.
Wspórzdne biegunowe pooenia celu wzgldem pooenia odniesienia modulatora s nastpujce:
2 1
c E E
E , rc RE2/D (1)
Przy staej prdkoci ktowej modulatora zachodz zalenoci:
m 1
1 t Z
E , E2 (t2 t1)Zm (2)
wic mona te wyznaczy wspórzdne pooenia celu ze wzorów:
m 2
c t Z
E , rc RZm
t2 t1
/D
Pooenie celu mona wic okreli albo mierzc kty obrotu modulatora E1, E2 albo przez pomiar czasów t1, t2 mierzonych od pooenia odniesienia modulatora.
Jeli ródo promieniowania bdzie miao wymiary skoczone, nieregularny ksztat i zmieniajce si w czasie natenie promieniowania wtedy z detektora otrzymamy zamiast trzech jednakowych impulsów prostoktnych, jakie wystpoway przy ródle punktowym, sygna zawierajcy w kadym okresie trzy „garby” o rónym ksztacie jak to jest pokazane na rys. 12. Wystpi trzy lokalne maksima E1, E2i E w chwilach czasu 3 t1, t2 i t . 3
Rys. 12.
W takim przypadku korzystanie ze wzorów (1) lub (2) prowadzi do wyznaczania wspórzdnych pewnego punktu nalecego do celu, którego pooenie zaley od wzoru modulatora, ksztatu powierzchni emitujcej promieniowanie oraz rozkadu natenia promieniowania z tej powierzchni a take zmian w czasie tego natenia.
Do wyznaczania tak rozumianego „pooenia celu” mona te zastosowa wzory:
m 1 3 c 2 t t Z E , 2 t t R rc m 3 1 D Z (3) Gdy w polu widzenia koordynatora znajduje si wicej ni jeden cel, w kadym okresie
sygnau pojawi si 3n maksimów lokalnych (n – liczba celów). Aby trzy maksima pochodziy od tego samego celu punktowego musi by speniony warunek:
t2 t1
t3 t2
0 czyli 0 t t t 2 2 1 3 (4)
W warunkach rzeczywistych, gdy cel ma skoczone wymiary, porusza si, emituje zmienne w funkcji czasu promieniowanie, pewnymi bdami obarczone jest okrelenie czasów, w których wystpuje maksimum lokalne i warunek (4) naley zmodyfikowa do postaci:
gr 3 1 2 t t t 2 d' ' (5)
gdzie 'gr jest wielkoci okrelon dowiadczalnie zalen od wyej wspomnianych czynników.
Jeeli w polu widzenia koordynatora jest n róde promieniowania to w sygnale pojawi si
n 3
nE maksimów lokalnych w kadym okresie. W celu dobranie trzech maksimów odpowiadajcych kademu z celów trzeba sprawdzi warunek (5) dla 3
E n
C kombinacji bez powtórze. Na przykad dla trzech celów bdzie to (nE 9):
9 3
! 84 ! 3 ! 9 C39 kombinacji.
W praktyce, po znalezieniu pierwszej trójki czasów speniajcych warunek (5) pozostanie do sprawdzenia liczba kombinacji:
20 ! 3 ! 3 ! 6 C36
pomniejszona o ilo kombinacji sprawdzonych wczeniej przy poszukiwaniu pierwszej trójki.
3. OPIS EKSPERYMENTU
Na stanowisku [2] uyty zosta modulator pokazany na rys. 13, w którym D 87,5o, o
1 2 5
2G G , 14R/r0 . Zarejestrowane zostay sygnay z detektora oddzielnie dla kadego z trzech róde promieniowania pokazanych na rys. 13 oraz dla wszystkich trzech róde równoczenie. ródo C1 byo ródem prawie punktowym, ródo C2 byo ródem
w postaci niewielkiej plamki o eliptycznym ksztacie natomiast ródo C3 byo plamk
koow o rednicy równej poowie rednicy modulatora i nierównomiernym nateniu promieniowania. Zarejestrowano sygnay z 6 obrotów modulatora. Przykadowe fragmenty sygnaów z jednego okresu pokazano na rys. 15.
Odczytane zostay czasy, przy których wystpoway lokalne maksima sygnaów podczas kadego obrotu modulatora. Wyniki zestawiono w tab. 1. W oparciu o te wyniki ze wzoru 3 okrelone zostay wspórzdne E i c r dla kadego ze róde oddzielnie i wszystkich trzech c cznie. Wyniki zestawiono w tab. 2. Ze wzgldu na niewielk liczb powtórze nie przeprowadzona zostaa ich peniejsza analiza statystyczna. Obliczone zostay jedynie warto rednia (kolumna 6 w tab. 2), warto procentowa najwikszego odchylenia od wartoci redniej (kolumna 7 w tab. 2) oraz wielko ' ze wzoru (5) (tab. 3).
Kolumna 7 w tab. 2 wskazuje, e najmniejszy rozrzut wyników otrzymano dla celu najbardziej zblionego do punktowego (cel 1) a najwikszy dla celu w postaci duej plamy koowej o nierównomiernym nateniu promieniowania (cel 3).
Dla lepszego zilustrowania wyników otrzymanych dla celu 3 przedstawiono je na tle modulatora i celu 3 (wiersze 5 i 6 oraz 11 i 12 z kolumn 1-5 tab. 2). Wida , e wszystkie wyniki wskazuj punkty nalece do celu i wykazuj dobre skupienie na jego powierzchni (rys. 14). Tab. 1. Numer okresu T,s 1 T,s 2 T,s 3 T,s 4 T,s 5 T,s 6 0,0045 0,0045 0,0046 0,0046 0,0045 0,0046 0,0208 0,0208 0,0209 0,0208 0,0208 0,0209 CEL 1 0,02 57 0,0255 0,02 57 0,0256 0,02 57 0,0255 0,02 57 0,0255 0,02 56 0,0256 0,02 57 0,0256 0,0168 0,0167 0,0168 0,0168 0,0168 0,0168 0,0196 0,0195 0,0196 0,0195 0,0195 0,0196 CEL 2 0,02 57 0,0222 0,02 56 0,0222 0,02 57 0,0223 0,02 57 0,0223 0,02 56 0,0222 0,02 57 0,0223 0,0008 0,0009 0,0007 0,0008 0,0007 0,0009 0,0055 0,0055 0,0056 0,0056 0,0055 0,0056 CEL 3 0,02 57 0,0104 0,02 56 0,0098 0,02 57 0,0102 0,02 57 0,0107 0,02 56 0,0098 0,02 57 0,0105 0,0011 0,0011 0,0009 0,0011 0,0009 0,0010 0,0046 0,0046 0,0046 0,0046 0,0046 0,0046 0,0056 0,0056 0,0054 0,0053 0,0058 0,0055 0,0101 0,0100 0,0101 0,0107 0,0100 0,0104 0,0168 0,0168 0,0168 0,0168 0,0168 0,0168 0,0196 0,0196 0,0196 0,0196 0,0195 0,0195 0,0209 0,0209 0,0208 0,0208 0,0208 0,0208 0,0224 0,0223 0,0223 0,0223 0,0223 0,0222 CELE CZNIE 0,02 57 0,0256 0,02 57 0,0256 0,02 57 0,0256 0,02 57 0,0256 0,02 57 0,0256 0,02 57 0,0256
CEL 1 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 0,06 0,07 0,08 0,09 t, s U, V
znacznik pooenia sygna z detektora
CEL 2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 0,05 0,06 0,07 0,08 t, s U, V
znacznik pooenia sygna z detektora
CEL 3 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 0,07 0,08 0,09 0,1 0,11 t, s U, V
znacznik pooenia sygna z detektora
CELE CZNIE 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 0,065 0,075 0,085 0,095 0,105 t, s U, V
znacznik pooenia sygna z detektora
Rys. 15. Tab. 2. Pooenie celu Numer odczytu 1 2 3 4 5 Warto rednia Odchylenie max w % Nr kolumny 1 2 3 4 5 6 7 deg , c E 357,2 357,2 357,2 357,2 358,6 357,48 0,31 CEL1 rc/R 0,752 0,760 0,760 0,752 0,755 0,7558 0,56 deg , c E 273,2 273,5 273,9 273,9 274,2 273,74 0,17 CEL 2 rc/R 0,432 0,442 0,440 0,440 0,434 0,4376 1,28 deg , c E 78,4 75,2 76,3 80,5 73,8 76,84 4,76 CELE OSOBNO CEL 3 rc/R 0,768 0,715 0,760 0,792 0,731 0,7532 5,15 deg , c E 358,6 358,6 357,9 357,9 357,9 358,18 0,12 CEL 1 rc/R 0,752 0,760 0,760 0,760 0,760 0,7584 0,21 deg , c E 274,5 273,9 273,9 273,9 273,9 274,02 0,18 CEL 2 rc/R 0,448 0,440 0,440 0,440 0,440 0,4416 1,45 deg , c E 78,4 77,7 77,0 82,6 76,3 78,40 5,36 CELE CZNIE CEL 3 rc/R 0,720 0,712 0,736 0,768 0,728 0,7328 4,80
Tab. 3. Warto ', s Numer odczytu 1 2 3 4 5 CEL 1 0,0000 0,0002 0,0001 0,0001 0,0002 CEL 2 0,0002 0,0001 0,0001 0,0001 0,0000 CELE OSOBNO CEL 3 0,0002 0,0003 0,0003 0,0003 0,0005 CEL 1 0,0000 0,0000 0,0001 0,0001 0,0001 CEL 2 0,0000 0,0001 0,0001 0,0001 0,0001 CELE CZNIE CEL 3 0,0000 0,0001 0,0002 0,0012 0,0007
4. UWAGI KOCOWE I WNIOSKI
Na podstawie opisanych wstpnych bada modulatora mona stwierdzi , e: zastosowane parametry modulatora (D 87,5o, o
1 2 5
2G G , 14R/r0 ) oraz warunki eksperymentu (próbkowanie z czstotliwoci 10 kHz, rozdzielczo przetwornika A/D 12 bitów, okres T 0,0257s) pozwoliy na wyznaczenie pooenia celów punktowych z bardzo dobr dokadnoci a celu o duych rozmiarach i nierównomiernych promieniowaniu ze swej powierzchni z dokadnoci wystarczajc,
dalsz popraw dokadnoci okrelania pooenia celów mona uzyska (przy pozostaych warunkach eksperymentu nie zmienionych) przez poddanie analizie sygnau z detektora przefiltrowanego filtrem dolnoprzepustowym usuwajcym szybkozmienne zakócenia, które miay najwikszy wpyw na bd w wyznaczeniu pooenia celu 3,
zastosowana w eksperymencie czstotliwo próbkowania wydaje si wystarczajca – 257 próbek na jeden obrót modulatora czyli próbkowanie co 1,4deg obrotu modulatora co daje 3,6 próbki na impuls od celu punktowego,
12-bitowa rozdzielczo przetwornika A/D wydaje si zupenie wystarczajca,
w celu okrelenia miarodajnej wartoci 'gr, która mogaby by podstaw zastosowania w peni zautomatyzowanego systemu wyznaczania pooenia celów w czasie rzeczywistym przez komputer naley przeanalizowa dusze rekordy sygnaów – przeprowadzone przez autorów wczeniej badania [3] wskazuj, e statystyczne parametry sygnaów (warto rednia, wariancja, itp.) stabilizuj si po ok. 20 okresach.
5. LITERATURA
1. Koruba Z., Osiecki J.: Budowa, dynamika i nawigacja pocisków rakietowych bliskiego zasigu. Skrypt Pk Nr 348, Kielce 1999.
2. Krzysztofik I., Rozenau A.: Ukad pomiarowy do wyznaczania pooenia punktowego róda wiata. Pomiary Automatyka Robotyka 2/2008, Warszawa 2008, s. 773-782. 3. Krzysztofik I., Rozenau A.: A preliminary analysis of resistance to external
