专利名称：一种抛射体初速度的测定装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种初速度的测定装置和方法，具体地说，涉及一种根据权利要求1所述的抛射体初速度的测定方法和一种根据权利要求15所述的抛射体初速度的测定方法。
背景技术：
本申请享有2003年5月28日提交的瑞士专利申请号2003 0961/03的优先权。
一种抛射体的初速度在射击学中一般以V0表示，也称为V0速度。这是从一管状武器中发射的抛射体经枪管弹道离开该武器的枪管时的速度。
在本说明书的范围内，术语“武器枪管”应理解为包含大炮和火箭发射管子。术语“抛射体”应理解为可由一武器枪管射出的所有发射物诸如弹道抛射体与至少部分自身推进的抛射体。弹道抛射体应理解为诸如一般经撞击引爆的炮弹以及在飞行中引爆的可定位和/或编程的炮弹。所述抛射体可以是自旋稳定和/或翼稳定，它们可以用作，例如，尾翼稳定脱壳穿甲弹引导多个子弹的子母弹或具有一核心与外壳的演习炮弹。
此外，飞行的持续时间、射击距离和撞击点的位置是V0速度的函数。然而，对初速度V0的准确认知对于可编程的抛射体特别重要，因为要达到武器要求效果把一程序码传输至一抛射体的时点是初速度V0的函数。初速度V0也是装药量和温度的函数。
如果已知所有有关武器和/或武器枪管和待发射的抛射体的数据，便可用计算机计算一理论上的初速度V0(theor)。实际上，所述初速度V0往往偏离所述理论上计算的初速度V0(theor)，其中因为武器和/或武器枪管和抛射体并不与计算所基于的数据精确相对应。特别是由于武器枪管的磨损而使所述V0速度减低。因此，必需在每一次射击中测量实际的初速度，以便可能修正武器枪管相对于待打击目标的方位角和射角和/或编程抛射体或至少恰当地追踪的抛射体。
众所周知，测定所述实际的V0速度有不同的装置和方法。V0速度的测定常常基于一种阻挡原理。这样一种V0测量已在EP-0 108 979-A1中公开。在这种情况下，采用两个线圈，使两者位于一已知的共同距离，并在武器枪管出口截面后面观察飞行方向。这样两个线圈和/或它们的共同距离形成一测量基线。该线圈通常位于至少近似地与该武器的枪管的纵轴同轴和线圈的内径则稍微大于所述武器枪管的口径。一电源施加在所述线圈上，以致于每一线圈产生一磁场并在该抛射体通过时读出感应电压。当抛射体通过该线圈区域时，磁场被干扰和所述可读出的电压则为该抛射体相对该线圈的位置的函数。
这种已知的双线圈V0测定装置具有以下一些缺点，其中最重要的缺点简述如下。该装置由于配置两线圈，故而重量较重和体积大。因为配置两个线圈，分析信道对每一线圈又是必需的，所以额外的装置的费用较大。此外，该装置一定要有特定的长度以便精确测量V0，因为线圈的距离是由待射击的抛射体的长度确定。因此，如果由一武器枪管待射击是长的抛射体，例如，次口径炮弹，所述线圈要互相分开更远，所述第二线圈更要特别远离该武器枪管的枪口。该线圈在任何情况下均容易受到损坏并且所述线圈离开该武器的枪管越远则该线圈损坏的危险性越大。如果有人想要射击次口径的弹药，复杂的推定措施必须采取以防止所述线圈在射击后立刻由实际抛射体脱落受到软壳组件损坏。如果只需射击短的抛射体，这样就不一定需要长的测量基线和所述线圈可位于相互相距较少的距离。然而，在这种情况下，出现的危险是线圈区域因电磁效应而互相影响并由此阻碍精确测量V0或使所述测量需要更复杂的仪器。
GB-2200215公开了一种V0的测量装置，其中只采用一个线圈而不用两个线圈。所述线圈直接配置在枪口截面前面。因此，它围绕和/或在该武器枪管上并施加一电流在其上，以使一磁场出现在所述线圈区域。如上述双线圈装置中所述，当抛射体通过线圈时，读出一随时间变化的感应电压。采用这样的单线圈装置，其可避免一些双线圈的缺点，特别是它的较大的尺寸和重量、几乎排除损坏的危险、防止多线圈的相互影响和只需要一分析信道。然而，这样的装置也具有缺点，即该抛射体通过的磁场时受到武器枪管的干扰。此外，现代武器中的武器枪管可出现高达600℃。在武器枪管的配置中不可能采用具有最好用铜制作的绕组线圈，因为其只可在最高约250℃下使用。所述配置的另一缺点是线圈的磁场受所述武器枪管干扰和抑制。这样的配置使敏感度降低。感应电压具有一较少的振幅和这样“小”的信号的分析是不精确的。
此外，JP-05 164 760公开了一种也只用单线圈的V0测量装置。该线圈照常是同轴地安置在该武器的枪管，但它是位于武器枪管本身中，当朝着该武器枪管的纵轴方向看时，该线圈靠近该抛射体的出口的截面。该线圈的内径大于该武器枪管的内径，以致于该武器枪管的连续的圆柱内面在所述线圈的位置上间断一空隙。待射击的抛射体的圆周有一铁磁环。该空隙和/或该铁磁环的轴向长度形成该测量基线。测量所述线圈的磁场变化的曲线。当所述铁磁环通过该线圈的区域和/或该空隙时，短路产生磁路，磁场强度增加和因此可检测到一脉冲状的电流变化。由于该测量基线和/或该铁磁环在轴向只有一小尺寸，所述脉冲状变化很短暂。使这种V0的测量装置结合在枪管上和用其进行测量的方法只可在采用特定抛射体，特别是具有铁磁环的抛射体实现。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种V0的测量装置和方法并采用其可避免众所周知的单线圈与双线圈的缺点。
根据本发明，其目的可通过以权利要求1为特征的装置和以权利要求15为特征的方法实现。最佳的改进和有利的组件则由具体的从属权利要求限定。
所述新装置与上述众所周知的双线圈装置的最明显不同特征是只需单线圈。在并不形成阻挡的该新装置中，只有单线圈的信号可采用，所以新方法也用于分析该线圈提供的数据。
该线圈并不紧贴在所述武器枪管的外面，但在朝向抛射体的移动方向看处于武器枪管的截面后面。那里的温度这样低，以致于可采用铜绕组的线圈。该线圈配置在枪口截面后面还有一优点是磁场不受枪管影响。因此，相应信号的频率较小并获得更好的分析结果。
只有单线圈的新装置大大短于已知的双线圈装置，相应也较轻。与有关的技术比较，可以减少其他装置的费用，因为只需要分析一分析信道。由于线圈并不必处于离所述武器枪管枪口较大的距离，可大大减少线圈受到损坏的危险。
所述新方法不需在该装置上设置测量基线。由此，该装置非常适合较长的抛射体，例如，次口径炮弹。
由于所有的零件都具有相当高的制造精度，所述新方法对任何实际应用都是足够的。在产生的磁场不完全恒定以及抛射体的部分V0测量参数相互往往有些不同的情况下，可能出现一些可忽略的误差。一枪口制退器在所述抛射体离开该枪管后起作用，由此出现未知的极小移动并引起所述提供的测量信号的重叠。
以下，将结合附图并基于以下的实施例对本发明的细节及优点作详细叙述。
图1所示为具有本发明的装置的一武器枪管的简化示意图；图2的左半部所示为三幅分图，每幅图表示有一抛射体以三种不同的位置和/或按三个顺序的时点离开该武器的枪管，而图2的右半部所示为电压对所述抛射体通过本发明的装置的线圈的路径的时间的曲线；图3所示为本发明的装置的一第一实施例，该线圈提供的变量分析是按图中电路图所示的模拟方式进行，以及图4所示为本发明的装置的一第二实施例，该线圈提供的变量分析是按与图3相同的电路以数字方式进行。
具体实施例本发明的一实施例和本发明的方法的功效将参照图1进行叙述。图1所示为一装置10，其测量一抛射体1离开一武器的枪管11的V0速度。该装置10包括一具有绕组的线圈12，其安置在所述武器枪管11的出口区的纵向轴11.1周围。所述线圈12的绕组可包含一圈或多圈，取决于实施例。设有一电源装置15以把一恒定电流I施加在所述线圈12上。流过该线圈12的绕组的电流I产生一包围该线圈12的磁场H。当抛射体1通过线圈12时，磁场H受到干扰，从而被改变。正如从以下将推导的那样，采用一合适的分析，从磁场H的干扰和/或变化可以得出对V0速度的精确而可靠的表达。
抛射体1通过线圈12时，使该线圈12的绕组感应一电压U(t)。该感应电压U(t)由以下公式求出U(t)=-NdΦdt=-NdΦdxdxdt=-NdΦdxV0---(1)]]>式中N所述线圈12的绕组的圈数[-]；x所述炮弹在射击方向上的射程[m]；V0初速度，亦称为V0速度[m/s]；Φ磁通量[volt sec.].
随着时间的过去变化的通量dΦ/dx与磁场强度dH(x)/dx的变化成正比，其通过Biot和Savart的定律，可近似地以如下求出dΦdx=DG2·π4μ0·μrdH(x)dx---(2)]]>式中DG该抛射体1的直径[m]；μ0感应常数[H/m＝Vs/Am]；μr磁导率；H磁场强度[A/m]；对于H(x)，该Biot-Savart定律得到H(x)=I·D2·N8·[x2+[D2]2]3/2---(3)]]>式中D该线圈12的直径[m]I通过该线圈的电流[A]如果要求出所述公式(3)对于x的微分，磁场强度变化是x的函数dH(x)dx=I·D2·N8x·3[x2+[D2]2]-5/2---(4)]]>表示当所述抛射体1通过线圈12时的感应电压U(t)的关系的以下的表达式由公式(1)、(2)和(4)导出
U(t)=VKDG2π4μ0·μrID2N28x·3[x2+[D2]2]-5/2---(5)]]>式中K电压降低由于涡流出现在抛射体1的外壳以上导出的公式的意义则参照图2解释。所述公式(4)对解释该电压曲线U(t)是特别明确的如果x＝0以移动方向看，抛射体1则定位在所述线圈12的中间和/或以移动方向看，抛射体1的中央截面则位于所述线圈12的中央截面和在该线圈12的感应电压U(t)为零。这种情况是在t＝ta时。
如果x＜0以移动方向看，抛射体1则定位在所述线圈12中间的左边并以速度V0冲进该线圈12。随x增大感应电压U(t)也持续地增大并达到一最大值。然后，所述电压U(t)再降低并在该抛射体1位于该线圈12的中间时，其在x＝0时过零点。
如果x＞0所述抛射体1位于该线圈12中间的右边和该感应电压U(t)随x增大而持续地降低并达到一最小值。如果该抛射体1进一步离开该线圈12，该感应电压U(t)再增大并在x成为大数值时接近0V。
所述感应电压U(t)的曲线可采用公式(5)近似地计算。上述的观察中，并未考虑当所述抛射体1通过线圈12时，在所述抛射体1的外罩形成的涡流和产生一逆磁场。该逆磁场削弱原来的磁场并降低所述线圈12中的感应电压U(t)的振幅。这一电压降低则在公式(5)中通过变数K加以考虑。所述变数K和/或本文所述的因数K均称之一相关变量并根据本发明可以用实验和/或采用计算机测定。每一种抛射体均有一不同的特有的相关变量K，换句话说，该相关变量K成为所述抛射体的种类的特性。如果预先知道将要射击的抛射体的类型，则可基于该感应电压U(t)对该抛射体的V0速度作陈述。以下说明所述V0速度的推导。
为了计算V0速度，由图2所示的始点P1开始，在该点上感应电压U(t)的振幅等于+U1，测定滞后时程TZ的长度。一旦所述感应电压U(t)达到-U1的数值，则停止时间测定。
因此，以下两条公式(6)和(7)用作求出x1与x2。
V0·K·DG2·π4μ0·μrI·D2·N28·x1·3[x12+[D2]2]-5/2-U1=0---(6)]]>V0·K·DG2·π4μ0·μrI·D2·N28·x2·3[x22+[D2]2]-5/2-U1=0---(7)]]>另外V0=x2-x1TZ---(8)]]>所述V0、x1和x2的要求数值则由三条公式(6)、(7)与(8)的公式的体系中得出。
这种理论上的推导将应用在图1和2的实施例。
如图2中所示，当所述抛射体1通过该线圈12的磁场H，感应一电压脉冲U(t)。所述电压脉冲U(t)的持续时间与所述抛射体1的V0速度和长度L相关。设置一分析装置16，其读出所述绕组的电压脉冲U(t)。为了现在就能对V0速度作出陈述，预定两个电压脉冲U(t)的点P1，P2并测定由点P1至点P2的时程TZ。该抛射体1的V0速度由时程TZ计算。在这一计算中，要考虑对射击的抛射体的类型特有的相关变量K。
所述时程TZ是以下其中具有影响性的变量的函数-抛射体1的长度；-抛射体1的直径DG；-抛射体1的材料和组成件(诸如磁导率μr)；-线圈电流I；-线圈12的构造；
-线圈12相对于武器枪管11的配置。
图3所示为一适合的分析装置16的第一实施例。该图所示为一示意方块图。该方块图的细节，例如，具体构件的选择和尺寸，均是本发明选择的实施例的函数。在所示的实施例中，当作一恒流电源的电源装置15为所述线圈12供电(另外以L并采用一恒流电流I来表示)。为此，将一电源电压V1施加在电源装置和/或恒流电源15。在所述线圈绕组的一边12.1采用一恰当的去耦合装置13读出感应电压U(t)。所述去耦合装置13可由，例如，具有由不同部分构件构成的网络电阻器R和/或一线圈L1形成。把电压U(t)供给一用作测定信号制备的装置16.1，其包括，例如，一阻抗变换器和/或一放大器。这里还可以提供更多构件，例如，为了过滤所述信号U(t)。该测定信号制备装置的输出信号u(t)供给图中所示实施例中的两个比较器16.2和16.3。该第一比较器16.2比较所述电压u(t)与一第一基准电压U1和该第二比较器16.3比较所述电压u(t)与一第二基准雷压-U1。在这一例子中，所述基准电压相对该轴U＝0对称地配置。然而，该基准电压还可以具有不同的数值(例如，+U1和-U2)。
两个与时程TZ相关的TTL脉冲或其他的变量可通过一连接线17供应给，例如，一分析和/或电路逻辑18(例如一FPGA；现场可编程阵列)。在模拟或数字分析时，基于所述时程TZ和该相关变量K确定该速度V0。
在图2的右边，给出一简化的电压U(t)对于时间t的曲线。该电压曲线在正电压范围具有一第一曲线部分k1、一在t＝ta时的过零点和一在负电压范围中的第二曲线部分k2。所述抛射体穿入所述线圈12的磁�。虻缪褂�0V向上增大。然后，该电压U(t)达到最高值并随后再降至过零点为止。所述过零点的时间用t＝ta表示。由时间t＝ta开始，该电压进一步降低并达到最低值。当所述抛射体1离开该线圈12的磁场时，该感应电压U(t)再次降为0V。所述感应电压U(t)再次达到所述量值0的时间用tb表示。
图2所示的曲线U(t)对一特定的抛射体类型是特有的，应当认为，这是一强的示意曲线。所述两点P1和P2被固定和在所示的例子中，在所述第一曲线部分K1的上升曲线中固定P1点而在所述第二曲线部分K2的上升曲线中固定P2点。在这例子中，两点P1和P2相对所述感应电压即U(P1)＝-U(P2)对称地配置。
所述点P1和P2最好以这样一种方式固定，即该两点处于该曲线U(t)上最大增加的区域内。所述的点可通过导出该曲线U(t)的二次导数找出和由此寻找该斜率的最大值。特别是如果在该曲线U(t)的陡的区域选择所述的点P1和P2，则可以比两点处于曲线仅有一稍微倾斜的曲线U(t)区域中准确的方式确定时程TZ。
图4所示为一合适的分析装置的另一实施例。一恒流电源15以一恒定线圈电流I供给所述线圈12。为此，把一电源电压V2施加在所述恒流电源15上。读出该感应电压U(t)。把该电压U(t)供给一用作测定信号制备的装置，其包括图中所示的实施例的一放大器16.1和/或—阻抗变换器。为了例如过滤所述信号u(t)，这里还可以提供更多构件。该放大器16.1提供一放大信号u(t)，其通过模拟—数字变换器16.4转换为数字信号。该数字信号通过一总线17供给处理装置16.7，例如，一计算机。该处理装置16.7由一存储器16.5或由一寄存器和/或表格获得该已射击抛射体1的类型的有关资料。该资料通过一连接线16.6提供。现行射击的抛射体的类型所用的曲线U(t)的形状和所述点P1和P2的位置可传输至，例如，处理装置16.7。所述相关变量K也可以通过该连接线16.6提供。然后，所述处理装置16.7测定所述时程TZ以及采用相关变量K，再由该资料测定该抛射体1的初速度V0。
所述处理装置16.7可以接收有关由一主计算机或一测量装置传输的待射击的抛射体的类型的资料。
根据本发明，抛射体本身用作测量基线。因此，分开的线圈已不再需要，该线圈处于互相相隔一段距离上和由此形成一测量基线。抛射体一个接一个地飞过线圈以根据阻挡原理作一起停时间的测量。
本发明的优点是不再有两个会互相影响的线圈。根据本发明，如上所述，因为只用一个线圈工作，故而所述V0测量装置的长度大大地短于先有技术。
正如上面还指出的那样，本发明的另一优点是仅具有一个线圈的装置不太易于损坏。在于人们设法只用一测量信道就可作所述V0的测量。
权利要求
1.一种抛射体(1)离开一武器枪管(11)时的初速度(V0)的测量装置(10)，其具有- 一线圈12，其处于枪口前区域并围绕在武器枪管(11)的纵轴(11.1)上；- 一电源装置(15)，用于把一电流(I)施加在所述线圈(12)上，以产生一磁场(H)；- 一分析装置(16)，其i.读出抛射体(1)通过所述线圈(12)的磁场的路径中在线圈(12)感应的电压脉冲(U(t))及其与初速度(V0)和该抛射体(1)的长度(L)相关的持续时间；ii.测出所述电压脉冲(U(t))的两个预定的点(P1，P2)；iii.确定两点(P1，P2)之间的时程(TZ)；以及iv.计算由所述时程(TZ)得出的该抛射体(1)的初速度(V0)。
2.根据权利要求1所述的装置(10)，其特征在于所述分析装置(16)包括一比较电路(16.2，16.3)，其基于两个预定点(P1，P2)的一第一点(P1)的检测输出一第一脉冲和基于两个预定点(P1，P2)的第二点(P2)的检测输出一第二脉冲，所述时程(TZ)相当于该第一脉冲与该第二脉冲之间的持续时间和所述脉冲最好是TTL信号。
3.根据权利要求2所述的装置(10)，其特征在于所述比较电路(16.2，16.3)基于两个预定点(P1，P2)的第一点(P1)的检测进行与第一阈值(U1)的电压振幅比较和基于两个预定点(P1，P2)的第二点(P2)的检测进行与第二阈值(-U1)的电压振幅比较。
4.根据权利要求1或2所述的装置(10)，其特征在于所述电源装置(15)包括一恒流电源。
5.根据权利要求1所述的装置(10)，其特征在于所述分析装置(16)包括一模拟-数字变换器(16.7)，以便抽样查电压脉冲(U(t))并使它变换成数字值。
6.根据权利要求4所述的装置(10)，其特征在于所述分析装置(16)包括一数字处理装置(16.7)，其通过比较已存储的预定值来分析相应数字值检测所述电压脉冲(U(t))的两个预定点(P1，P2)。
7. 根据权利要求1所述的装置(10)，其特征在于所述分析装置(16)包括一时间测量器(16.7)，以使能够测定所述两点(P1，P2)之间的时程(TZ)。
8.根据权利要求1至7中任何一项所述的装置(10)，其特征在于所述电压脉冲(U(t))的曲线与所述预定点(P1，P2)的位置是所述抛射体(1)的类型的函数和最好在一存储器(16.5)、一寄存器或一表格中预定。
9.根据权利要求8所述的装置(10)，其特征在于所述分析装置(16)接收有关由一主计算机或由一测量装置传输的待射击的抛射体(1)的资料。
10.根据权利要求1至9中任可一项所述的装置(10)，其特征在于所述电压脉冲(U(t))具有一第一曲线部分(K1)、一过零点和一第二曲线部分(K2)，所述过零点与时间(t＝ta)相关，这时该抛射体(1)位于所述线圈(12)的中央。
11.根据权利要求10所述的装置(10)，其特征在于所述两个预定点(P1，P2)的第一点(P1)是在所述第一曲线部分(P1)的区域中和所述两个预定点(P1，P2)的第二点(P2)是在所述第二曲线部分(P2)的区域中。
12.根据权利要求1至11中任何一项所述的装置(10)，其特征在于所述电压脉冲(U(t))具有一曲线，其是线圈直径(D)、抛射体(1)的尺寸(L，DG)、该抛射体(1)的磁导率(μr)和电流(I)的函数。
13.根据权利要求1至12中任何一项所述的装置(10)，其特征在于所述抛射体(1)的初速度与所述两点(P1，P2)的时程(TZ)之间具有一可预定的相关变量(K)，其用作计算初速度(V0)。
14.根据权利要求1至13中任何一项所述的装置(10)，其特征在于所述分析装置(16)包括装置(16.7)，以便能够对每一新的抛射体(1)的类型进行一在初速度(V0)与时程(TZ)之间的平衡计算。
15.一种在一抛射体(1)离开一武器枪管(11)时初速度的测量方法，一线圈(12)围绕在出口区域的所述武器枪管(11)的纵轴(11.1)上，所述方法的步骤如下- 供应一电流(I)给该线圈(12)，以产生一磁场(H)；- 使所述抛射体(1)通过该线圈(12)的磁场(H)移动；- 读出一在所述抛射体(1)通过线圈(12)时感应的电压脉冲(U(t))及其与所述初速度和该抛射体(1)的长度相关的持续时间；- 测定在电压脉冲(U(t))的两点(P1，P2)之间的时程(TZ)，所述点(P1，P2)预先确定；- 提供一对所述抛射体(1)的类型特有的相关变量(K)；- 采用该相关变量(K)与所述时程(TZ)，测定该抛射体(1)的初速度(V0)。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于所述抛射体(1)的类型可自动识别或手动输入。
17.根据权利要求15或16所述的方法，其特征在于在确定时程(TZ)之前，所述电压脉冲(U(t))经过模拟-数字变换。
全文摘要
一种在抛射体(1)离开一武器枪管(11)时的初速度(V0)测量装置和方法。该装置(10)包括一围绕在出口前的区域的武器枪管的纵轴上的线圈(12)和一电源装置(15)施加一电流给所述线圈(12)，以产生一磁场(H)。另外，该装置(10)包括一分析装置(16)，其读出一在所述抛射体(1)通过该线圈(12)磁场(H)时，该线圈(12)感应的电压脉冲。在所述电压脉冲检测两个预定的点，测定所述两点之间的时程并由该时程计算所述抛射体(1)的初速度(V0)。
文档编号G01P3/42GK1573335SQ200410047440
公开日2005年2月2日 申请日期2004年5月27日 优先权日2003年5月28日
发明者A·埃尔布笛, K·姆恩则尔 申请人:厄利康肯特维斯股份公司
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