PROXIMITY FUSES FOR MORTAR AMMUNITION

Transkrypt

1 mjr dr inż. Rafał BAZELA dr inż. Piotr BRZOZOWSKI mgr inż. Józef JARZEMSKI ppłk dr inż. Mariusz MAGIER Wojskowy Instytut Techniczny Uzbrojenia ZAPALNIKI ZBLIŻENIOWE DO POCISKÓW MOŹDZIERZOWYCH Streszczenie: W pracy przedstawiono ogólne koncepcje zapalników zbliżeniowych do amunicji moździerzowej, których konstrukcje wykonano i przebadano w Zakładzie Uzbrojenia Artyleryjskiego w ramach realizacji projektu badawczego rozwojowego nr R PROXIMITY FUSES FOR MORTAR AMMUNITION Abstract: In this paper we present the conception of the proximity fuzes for mortar ammunition which was invented in MIAT during realization of the project No R financially supported by Polish Ministry of Science and High Education. 1. Ogólna charakterystyka zapalników zbliżeniowych Zapalniki zbliżeniowe stanowią jedną z podgrup zapalników moździerzowych (patrz rys. 1). Dotychczas spotykane rozwiązania zapalników zbliżeniowych to urządzenia aktywne i posługujące się wybranym medium do oceny odległości pocisku od celu. Typowym medium są tutaj fale radiowe lub fale elektromagnetyczne z zakresu światła widzialnego lub podczerwieni. Stworzenie pasywnego sensora zbliżeniowego jest potencjalnie możliwe, ale wymagałoby zastosowania zaawansowanej analizy obrazu, niedostępnej w obecnej chwili dla tak małych urządzeń jak zapalniki. Ze względu na tematykę projektu, w niniejszym opracowaniu, skupiono się tylko na pociskach z zapalnikami zbliżeniowymi aktywnymi. Wszystkie liczące się na świecie armie mają obecnie na swoim wyposażeniu zapalniki zbliżeniowe do moździerzy. Aktualnie stosowane zapalniki tego typu zebrano w poniższej tabeli (patrz tabela 1). Widoczny w niej jest duży rozrzut parametrów zarówno odległości zadziałania, masy i wymiarów zapalników. Można natomiast wyróżnić dwa główne typy stosowanego zasilania pokładowego w postaci turbiny oraz baterii. W turbinie wiatrowej ruch pocisku powoduje, że przez otwór w części przedniej zapalnika wlatuje strumień powietrza, który napiera na łopatki turbiny i wprawia je w ruch. Ruch obrotowy łopatek przenoszony jest na prądnicę, która zamienia ruch obrotowy wirnika na prąd elektryczny. Zaletą turbiny jest pozbycie się klasycznych źródeł bateryjnych. Wadą jest natomiast opóźnienie włączenia zasilania po wystrzale pocisku (z racji bezwładności turbina musi mieć czas na osiągnięcie prędkości roboczej) oraz fakt wytwarzania napięcia zmiennego wymagającego konwersji (praktycznie wszystkie układy zasilane są napięciem stałym). W tabeli zwraca również uwagę zdecydowana dominacja zapalników zbliżeniowych wykorzystujących do pracy metody radiolokacyjne nad zapalnikami zbliżeniowymi innych typów. 7

2 8

3 9

4 10

5 11

6 12

7 13

8 14

9 Rys. 1 Kategorie zapalników (podział zaproponowany przez autorów). 15

10 Tabela 1 Zestawienie obecnie produkowanych i użytkowanych zbliżeniowych zapalników moździerzowych na świecie. (Źródło: katalog Jane s 2009) firma kraj typ Arcus Co AR787 Yugoimport-SDPR Charterm Electronic Industries Fuchs Electronics /F B Bortletti KM Fuze Engineering Ltd. Jugo. BU 120 M80 przeznaczenie 60mm, 81mm, 120mm przewiew * odległość bezpieczna zasilanie 16 długość masa średnica wysokość zadziałania warunek uzbrojenia odległość uzbrajania temperatura pracy m/s m mm gram mm m ºC ºC Turbina 95, mm Turbina m (+3,5-2,5) przy 60º Sing. EF , m RPA FB 391A FB 391B M25A M25B Min 171 m/s 150 m 380g/ 1 ms, 60 ms/ 3 s 60, 81, 120 mm Turbina m 700 g, przy 50 m/s 3 s lotu 81, 120, 160 mm Turbina 155,5 500 g 5 m Fuchs Electronics RPA M m Reshef Technologies 500 g przez 1 ms, 2 s lotu, V 0=80m/s USA M532 - Bateria termiczna 157,2/101,1 0,581 g 550 g USA Izrael M734A1 Dopller M787 Alpha 60 i 81 mm 120 mm turbina (2-3 s na rozruch) 94,3/66,2 0,227g 3 m 6 m Turbina ,2 2,4 m (0,5 m) Fuchs Electronics M do 160 mm Turbina m 4 s Fuchs Electronics M do 160 mm Turbina m 4 s Fuchs Electronics RPA M mm Turbina 390 Diehl GmbH Kongsberg Gruppen AS Kongsberg Gruppen AS Kintex Niemc y M-DN 14 optyczne 17 m P-p 50 m D i 600m O 400g /1ms min. Pręd. 30m/s 120mm - Bateria termiczna m 450 g PPD i 81 mm Turbina ,2 3 m PPD mm ,2 5 m RV-1 Dopller 120 mm 157/ s 700g 400g-bezp 700g 400g-bezp 60 m 60m Nast.mec h/ 6,5 s/el 200m 100m Max 250m 100m Max 250m temperatura przechow

11 2. Koncepcje zapalników zbliżeniowych Opracowanie koncepcji modułów zbliżeniowych do zapalników poprzedzone zostało wnikliwą analizą potrzeb wojska oraz możliwości wykonania modułu zbliżeniowego przy ograniczonych środkach. Na wstępie określono, jakie konstrukcje są obecnie używane na świecie oraz rozważono ich zalety i wady. Na tej podstawie wytypowano dwa możliwe do realizacji rozwiązania. Pierwszym z nich jest moduł zbliżeniowy radiowy, w którym nośnikiem informacji o odległości są fale radiowe z zakresu mikrofal (ok. 24GHz). Wybór takiego medium podyktowany jest bardzo dobrą przenikalnością mikrofal przez przeszkody w postaci naturalnych zjawisk meteorologicznych (opady deszczu, śniegu, mgły), różnego rodzaju zawiesin cząstek stałych w powietrzu (pyły, zanieczyszczenia lub dymy) oraz niewrażliwość na nasłonecznienie i temperaturę. Wysoka częstotliwość ma również istotne znaczenie ze względu na możliwość uzyskania wysokiej dokładności pomiarów w krótkim czasie pomiaru (pocisk moździerzowy przemieszcza się z dużą prędkością). Drugim rozwiązaniem jest moduł zbliżeniowy laserowy, w którym nośnikiem informacji o odległości są krótkie impulsy laserowe (promieniowanie z zakresu bliskiej podczerwieni, ok. 1µm). W tym przypadku mamy do czynienia z bardziej wymagającym medium. Wybór promieniowania podczerwonego ogranicza wpływ promieniowania widzialnego na pomiary. Propagacji podczerwienie w atmosferze jest dobra. Absorpcja przez cząsteczki wody jest wystarczająco niska, aby naturalnie występująca para wodna nie wpływała na pomiary. Niedogodnością jest występowanie silnego promieniowania podczerwonego w obszarach silnie nasłonecznionych oraz jego zmienność w zależności od aktualnych warunków meteorologicznych oraz od cyklu dobowego. Zwraca uwagę potencjalnie duża kierunkowość pomiarów z wykorzystaniem przyrządów optycznych w porównaniu do metody radiolokacyjnej. Cechę tę należy potraktować jako zaletę gdyż ogranicza to wpływ zakłóceń z otoczenia na wyniki. 2.1 Koncepcja laserowego zapalnika zbliżeniowego Zasadnicza idea pracy laserowego sensora zbliżeniowego jest prosta. Należy wytworzyć krótki impuls laserowy i skierować go na wybrany cel. Impuls dociera do celu i ulega częściowemu odbiciu od niego, po czym wraca do elementu fotoczułego umieszczonego w pobliżu lasera. Czas, jaki upłynie od momentu wytworzenia impulsu do momentu detekcji jego odbicia, jest wprost proporcjonalny do odległości sensora od celu. W uproszczeniu cały proces pomiarowy przebiega jak na rysunku 2. Odległość od celu (w tym przypadku ziemi) jest wyrażona prostym wzorem: l = 2tc (1) gdzie l - odległość od celu w osi optyki, t czas potrzebny impulsowi laserowemu na dotarcie do celu, c prędkość światła. Wzór ten uzyskano przy założeniu, że pomiar odległości odbywa się poprzez pomiar czasu przelotu impulsu laserowego do celu i z powrotem. W realnych warunkach pocisk upada w zakresie od ok. 45 do 90 (w stosunku do ziemi), co oznacza, że w rzeczywistości odległość od ziemi powinna być opisana wzorem: gdzie α - kąt upadku pocisku. l = 2tcsinα (2) 17

12 Pożądana wysokość rozprysku znajduje się w zakresie od 2 do 6m (optymalna wysokość jest zależna od rodzaju pocisku moździerzowego i przenoszonego przez niego ładunku). Biorąc pod uwagę wartość maksymalną 6m oraz kąt 45, uzyskujemy minimalną wymaganą odległość tj. ok. 8.5m (liczoną wzdłuż osi optyki), którą musi być w stanie zmierzyć układ zbliżeniowy. Z tej odległości wynika, że maksymalny rejestrowany czas przelotu impulsu wyniesie: l 2t = csinα (3) Rys. 2 Idea pomiaru odległości przy pomocy lasera. Z powyższego wzoru otrzymujemy czas 2t = 40ns. Oznacza to, że dalmierz laserowy musi być w stanie mierzyć czasy, co najmniej w zakresie 0 do 40ns. W rzeczywistości korzystne jest, aby zakres ten był kilkukrotnie szerszy. Kolejnym parametrem, którego wartość powinna być znana przed zaprojektowaniem dalmierza jest maksymalny odstęp czasu między pomiarami. Przyjmując, że sensownym jest aby dalmierz wykonywał pomiar nie rzadziej niż jeden raz na metr drogi przebytej przez pocisk oraz wiedząc, że maksymalna prędkość upadku pocisku moździerzowego wynosi około 200m/s, otrzymujemy interwał pomiarów równy 5ms. Możliwość fizycznej rejestracji odbitych impulsów laserowych wymaga aby charakterystyki widmowe były dopasowane do siebie. Zwykle projektowanie toru nadawczo-odbiorczego rozpoczyna się od wyboru diody laserowej. Najistotniejszymi cechami są tutaj moc świetlna diody laserowej oraz długość emitowanej fali elekromagnetycznej. Moc świetlna wpływa w sposób oczywisty bezpośrednio na moc impulsu odbitego. Drugim parametrem jest widmo emisyjne diody laserowej. Obszar dostępnych długości w komercyjnie dostępnych elementach jest dość szeroki i obejmuje widmo nadfioletu poprzez widmo widzialne do zakresu średniej i dalekiej podczerwieni. Korzystnie wypada w rozważanym projekcie widmo bliskiej podczerwieni. Zaletami tego zakresu widma jest dobra propagacja promieniowania podczerwonego w atmosferze (względnie niskie tłumienie) oraz brak wpływu widma widzialnego (a stąd ograniczony wpływ cyklu dobowego na szumy tła). Wybór diody laserowej wytycza wymagania stawiane elementowi światłoczułemu. Fotodioda jest elementem przetwarzającym energię padających na półprzewodnikową strukturę elementu fotonów na prąd/napięcie. Dla dalmierza laserowego korzystne jest zastosowanie elementu o dużym sygnale wyjściowym 18

13 a jednocześnie bardzo wysokiej częstotliwości pracy. Obie cechy są charakterystyczne dla fotodiody lawinowej (ang. APD avalanche photodiode). Elementy tego typu cechuje fakt wewnętrznego wzmocnienia sygnału optycznego już w jego strukturze, co istotnie poprawia stosunek sygnału do szumu. Sygnał optyczny padający na fotodiodę lawinową generuje w jej strukturze pary elektron-dziura, które rozdzielane są pod wpływem wysokiego napięcia polaryzacji fotodiody i unoszone w przeciwnych kierunkach. Nośniki rozpędzane są do szybkości, przy których ich energia jest wystarczająca do wybijania kolejnych nośników w wyniku zjawiska jonizacji zderzeniowej. Efektem tego jest powielanie lawinowe optycznie wygenerowanych nośników. Zmiana sygnału optycznego padającego na strukturę silnie wpływa na zmiany prądu płynącego przez fotodiodę. Wysokie napięcie wsteczne przyłożone do struktury fotodiody, poza przyspieszaniem optycznie generowanych nośników, usuwa z obszaru zubożonego nośniki. Wynikiem tego jest bardzo niska pojemność fotodiody a co za tym idzie częstotliwość pracy tego elementu jest bardzo wysoka (setki megaherców). Widmo czułości fotodiody lawinowej nie jest dyskretne. Szerokość przerwy energetycznej struktury fotodiody wyznacza wprawdzie długość fali, przy której czułość jest największa, ale efekt fotogeneracji nośników występuje również przy innych długościach fali. Parując ze sobą diodę laserową i fotodiodę konieczne jest dopasowanie charakterystyk widmowych obu elementów. Schemat blokowy zaproponowanego optoelektronicznego dalmierza laserowego przedstawiono na rysunku 3. Dalmierz laserowy składa się z kilku bloków funkcjonalnych. Centralnym układem zapalnika jest mikrokontroler, który zarządza pozostałymi układami/blokami. Cała energia potrzebna do pracy dalmierza/zapalnika pobierana jest z baterii litowojonowej. Napięcie tej baterii jest zbyt niskie, aby bezpośrednio zasilać wszystkie układy dalmierza, dlatego za baterią znajduje się przetwornica napięcia 6V. Przed przetwornicą umieszczono układ klucza załączającego przetwornicę. Przetwornica włączana jest z zewnątrz przez załączenie interfejsu szeregowego do komunikacji PC-dalmierz. Aby zapobiec wyłączeniu przetwornicy po odłączeniu złącza portu szeregowego, mikrokontroler ma możliwość samodzielnego podtrzymania sygnału włączającego przetwornicę. Niezależnie od tego mikrokontroler ma możliwość bezpośredniego sterowania wyłączaniem przetwornicy (wyjaśnienie potrzeby takiego rozwiązania w dalszej części sprawozdania). Blok głowicy optycznej składa się diody laserowej i kolimatora oraz fotodiody i toru optycznego formowania sygnału odbitego złożonego z soczewek dopasowanych do fotodiody. Zadaniem głowicy jest zapewnienie możliwości wysłania impulsu laserowego oraz odbiór impulsu odbitego, bez zakłócania toru odbiorczego, przy zachowaniu możliwie dużej wydajności optycznej. Do pomiaru odległości konieczne jest wytworzenie impulsu laserowego o zadanej mocy i długości jego trwania. Odpowiedzialny jest za to blok formowania impulsu. Jego zadaniem jest zamiana zgrubnego impulsu wystawionego przez mikrokontroler na impuls o dobrze zdefiniowanych czasach narastania i opadania zboczy i czasie trwania impulsu. Standardowy mikrokontroler nie jest w stanie wytwarzać impulsów o czasie trwania rzędu 10ns, stąd konieczność zastosowania układu formującego. Układ złożony jest z bardzo szybkich układów logicznych. Na jego wejściu znajduje się bramka Schmitta formująca bardzo strome zbocza (poniżej 2ns). Za regulację długości trwania impulsu odpowiada cyfrowa linia opóźniająca oraz układ bramek logicznych. Dzięki temu, niezależnie od czasu trwania impulsu wejściowego z mikrokontrolera oraz temperatury otoczenia, otrzymujemy dobrze zdefiniowany sygnał wyjściowy. Zaproponowane rozwiązanie układowe jest elastyczne gdyż umożliwia wytwarzanie impulsu o czasie trwania od 5 do 75ns. Impuls wychodzący z układu formującego ma napięcie zgodne ze standardem CMOS. Dalej sygnał trafia do bloku zasilającego/sterującego laserem. 19

14 20

15 Blok sterownika lasera składa się z szybkiego, wysokoprądowego sterownika, bloku kondensatorów oraz zasilacza. Do poprawnej pracy diody laserowej konieczne jest utrzymanie w trakcie impulsu napięcia przewodzenia diody ok. 4V oraz prądu rzędu 2 do 7A. Aby spełnić takie warunki pracy impulsowej konieczne jest zastosowanie zestawu kondensatorów oraz klucza prądowego. Do ładowania kondensatorów wykorzystano podwajacz napięcia pokładowego. Dzięki temu uzyskano zapas napięcia niezbędny dla utrzymania wysokiego prądu diody laserowej. Klucz prądowy musiał spełniać trzy warunki. Po pierwsze musi być wystarczająco szybki, aby przenieść krótkie impulsy z bloku formowania impulsów (krótkie czasy włączania i wyłączania klucza). Po drugie jego rezystancja w stanie włączenia musi być wystarczająco niska, aby spadek napięcia na kluczu nie spowodował spadku napięcia na diodzie laserowej poniżej 4V. Wydajność prądowa zasilacza bloku sterowania laserem musi zapewnić stałe utrzymanie akceptowalnego napięcia na kondensatorach (rzędu 10 12V) przy założonej maksymalnej częstotliwości pracy diody laserowej wynoszącej ok. 2kHz. Kolejną częścią schematu jest blok zasilania i regulacji napięcia polaryzacji fotodiody. Uzyskanie wysokiej czułości wymaga użycia fotodiody lawinowej. Niestety, diody takie uzyskują wymagane parametry pracy dopiero przy polaryzacji wstecznej napięciem rzędu V, co gorsza ich parametry zmieniają się silnie w funkcji temperatury otoczenia. Stąd bierze się konieczność zastosowania rozbudowanego bloku polaryzacji fotodiody. Blok ten składa się ze sterowanego stabilizatora napięcia 5V, liniowej przetwornicy napięcia 300V, układu regulacji i sterowania napięcia fotodiody. Sterowany stabilizator napięcia 5V pozwala na quasi-płynne ustalenie napięcia wyjściowego w zakresie 0 5V. Stabilizator sterowany jest układem regulacji wyposażonym w interfejs I2C, dzięki czemu można w sposób powtarzalny ustalać warunki pracy stabilizatora wprost z mikrokontrolera. Napięcie ze stabilizatora wchodzi na wejście liniowej przetwornicy napięcia 300V. Przetwornica przekształca proporcjonalnie napięcie z zakresu 0 5V na napięcie 0 300V. Wspomniana wyżej silna zależność temperaturowa fotodiody wymaga uwzględnienia tego zjawiska w procesie kompensacji napięcia polaryzacji. Proces kompensacji zachodzi w układzie regulacji, w którym na bieżąco rejestrowana jest temperatura fotodiody. Wydajność prądowa przetwornicy wysokiego napięcia nie musi być duża (1 2mA), gdyż pobór prądu przez fotodiodę jest znikomy. Jednak duże przełożenie napięcia odbywa się kosztem dużego poboru prądu na wejściu przetwornicy 300V i jest głównym czynnikiem wyznaczającym całkowity pobór prądu z baterii przez układ elektroniczny całego zapalnika/dalmierza. Prąd płynący przez fotodiodę lawinową, mimo dużego wewnętrznego wzmocnienia, jest zbyt mały, aby móc bezpośrednio dokonać jego pomiaru i analizy, dlatego konieczny jest zespół wzmacniaczy. Sygnał prądowy fotodiody jest wzmacniany przez wejściowy szerokopasmowy wzmacniacz trans impedancyjny. W kolejnym kroku sygnał napięciowy wzmacniany jest przez drugi wzmacniacz. Uformowany sygnał z fotodiody rozdzielany jest na dwa tory. Jeden z nich trafia do układu uśredniającego celem uzyskania poziomu odniesienia dla komparatora. Śledzenie poziomu konieczne jest ze względu na dynamiczne warunki optyczne w jakich pracuje dalmierz (różny poziom nasłonecznienia a stąd różny poziom promieniowania podczerwonego). Oba sygnały trafiają do szerokopasmowego komparatora. Jego celem jest wykrywanie impulsów pojawiających się na fotodiodzie i formowanie impulsów dla układu pomiarowego. Dodatkowo w bloku wzmacniaczy (opcjonalnie) znajduje się układ próbkowania maksymalnego napięcia impulsu. Pomiar czasu powrotu impulsu laserowego do dalmierza realizowany jest w bloku pomiarowym. Sygnał początku pomiaru czasu pobierany jest z bloku formowania impulsów dla diody laserowej. Sygnał powrotny pobierany jest natomiast wprost z komparatora w bloku wzmacniaczy. Różnica czasu między tymi zdarzeniami jest wprost proporcjonalna do czasu 21

16 przelotu impulsu laserowego do ziemi i z powrotem. Układ wykonujący pomiary zapewnia uzyskanie bardzo precyzyjnych pomiarów czasu niezbędnych do precyzyjnego określenia odległości. Sterowanie układem pomiarowym odbywa się z poziomu mikrokontrolera za pomocą interfejsu szeregowego SPI. Poza pomiarem czasu, mikrokontroler zajmuje się również odczytem i przetwarzaniem napięcia szczytowe impulsu. Blok inicjacji/pobudzania spłonki reprezentuje sobą układy odpowiedzialne za ładowanie kondensatorów strzałowych oraz klucz zwierający kondensatory ze spłonką. Ładowanie i inicjacja spłonki odbywa się na polecenie mikrokontrolera. Opcjonalnie zamieszczono układ akcelerometru. Jego zadaniem jest pomiar przyspieszeń, w trzech osiach, oddziaływujących na zapalnik w trakcie jego lotu. Za rejestrację wyników pomiarów odpowiedzialny jest mikrokontroler a komunikacja odbywa za pomocą interfejsu I 2 C. 2.2 Koncepcja radiowego (radarowego) zapalnika zbliżeniowego Zgodnie z harmonogramem pracy, po przeglądzie dostępnych informacji na dotyczących systemów sensorów zbliżeniowych, dostępnej bazy podzespołów, dysponowaną objętością i ograniczoną powierzchnią czołową sensora, przyjęto, że opracowywany system powinien spełniać poniższe wymagania: częstotliwość pracy pasmo K szczytowa moc promieniowana do 40 mw system antenowy: - antena nadawcza 85 -antena odbiorcza 85 zasięg wykrywania ziemi o powierzchni skutecznej odbicia 0,001 m 2 10m zakres prędkości zbliżania m/s zasilanie z własnej baterii 4V warunki pracy sensora: - temperatura -40 C +50 C - wilgotność względna 95% przy temp. +30 C system sensora zbliżeniowego powinien gwarantować pomiar odległości do ziemi w każdych warunkach atmosferycznych dla różnego rodzaju powierzchni; system sensora zbliżeniowego powinien wytwarzać sygnał inicjujący detonację na wysokości do 8 m. Kalkulacja zasięgu wykrywania Przekształcając podstawowy wzór radiolokacji na zasięg wykrywania; gdzie; P n G n G o σ λ R = 4 P G G σ λ L n n o 3 ( π ) ( s ) 4 k T B n - moc nadawanego sygnału; - zysk anteny nadawczej; - zysk anteny odbiorczej; - skuteczna powierzchnia rozproszenia; - długość fali nadawanego sygnału; 2 (4) 22

17 L - straty propagacji w przestrzeni i traktach przesyłowych; s/n - stosunek sygnał szum; K - stała Boltzmanna; T - temperatura; B - pasmo sygnału. otrzymujemy wzór umożliwiający obliczenie wymaganej minimalnej mocy nadajnika: P 3 4 ( 4π ) R ( s ) k T B n G G σ λ L n = 2 n o (5) Pomiar odległości przy użyciu radaru impulsowego lub wykorzystującego zmodulowaną falę ciągłą W systemach radarowych realizujących pomiar odległości metodami impulsowymi, określany jest czas pomiędzy wysłanym i odebranym impulsem. W przypadku zasięgów rzędu 10 m konieczne jest stosowanie impulsów o pikosekundowych czasach trwania, ich generacji i detekcji oraz pomiar pikosekundowych odstępów czasu. Technologicznie jest to trudne a podzespoły niezbędne do wykonania takiego radaru trudno dostępne i kosztowne. Znacznie łatwiejsze technologicznie jest wykonanie radaru wykorzystującego zmodulowaną falę ciągłą. Najczęściej stosowaną w radarach z falą ciągłą jest liniowa modulacja częstotliwości (CW/LFM). Może to być modulacja trójkątna lub piłowa. Modulacja trójkątna pozwala na dokonanie w jednym okresie modulacji pomiaru odległości i prędkości radialnej obserwowanego obiektu w wyniku prostych operacji arytmetycznych (wzór 1 i 2). Jednak w przypadku obecności na jednym kierunku wielu ruchomych obiektów lub obiektu o dużych wymiarach, którego elementy znajdują się w różnych odległościach, jednoznaczna interpretacja wyników jest utrudniona. Stosowanie modulacji piłowej, nie pozwala na jednoznaczne bezpośrednie określenie położenia obiektu poruszającego się. Podobnie jak w przypadku modulacji trójkątnej, w sygnale różnicowym zawarta jest jednocześnie informacja o położeniu i prędkości obiektu. Określenie położenia i prędkości możliwe dopiero po obróbce informacji pochodzących z kolejnych okresów modulacji. V = ( f f ) b2 4f b1 0 c (1) R = ( f + f ) b1 8 f m b2 f c (2) Rys. 4 Czasowo częstotliwościowe zależności w radarze CW/FM z modulacją trójkątną. (obiekt ruchomy) 23

18 f b c R = (3) 2 f f m Rys. 5 Czasowo częstotliwościowe zależności w radarze CW/FM z modulacją piłową. (obiekt stały). oznaczenia: f 0 częstotliwość nośna radaru; f dewiacja częstotliwości; f b,b1,b2 różnica częstotliwości nadawanej i odbieranej; f m częstotliwość modulacji; c prędkość grupowa fali elektromagnetycznej; V prędkość radialna obiektu; R odległość obiektu od radaru. Za względu na niewielkie możliwości obliczeniowe zastosowanego procesora, w radarze sensora zastosowano piłową modulację częstotliwości. Pomiar prędkości odbywa się w oddzielnym cyklu, w którym generowany jest sygnał bez modulacji. Wykorzystywana jest klasyczna metoda pomiaru częstotliwości dopplerowskiej. Cykl ten uruchamiany jest w momencie aktywacji sensora radarowego. Od tego momentu analizowany jest sygnał przychodzący z toru pomiaru prędkości. Jeżeli zostanie wykryty stabilny, przekraczający przyjęty poziom sygnał dopplerowski, uruchamiany zostaje cykl pomiaru odległości. W tym cyklu generowany jest ciąg sygnałów z piłową modulacją częstotliwości. Odbierane sygnały, po filtracji i wzmocnieniu w module filtrów, dostarczane są do procesora. Na podstawie ciągu pomiarów parametrów sygnałów, ich analizie i spełnieniu ustalonych reguł decyzyjnych zapewniających odpowiedni poziom prawdopodobieństwa poprawnego pomiaru i fałszywej decyzji, wytwarzany jest sygnał sterujący pobudzeniem spłonki zapalnika. W przypadku braku wykrycia, po zadanym czasie od uruchomienia sensora, generowany jest sygnał samolikwidacji. Dla potrzeb badań poligonowych sygnał samolikwidacji został programowo zablokowany. Schemat blokowy realizujący pomiary według powyższego schematu przestawiono na rysunku 4. 24

19 Antena nadawcza Sprzęgacz VCO Generator piły Wzmacniacz / filtr fd Antena odbiorcza Wzmacniacz / mieszacz Wzmacniacz / filtr odległość Procesor zasilanie z baterii Przetwornica zasilająca załączenie z układu czasowego sygnał pobudzenia zapalnika Rys. 3 Schemat blokowy radarowego sensora zbliżeniowego. Przyjęte parametry sensora radarowego Ze względu na prostotę konstrukcji, jako stopień wejściowy zastosowano mieszacz zintegrowany z przedwzmacniaczem o wzmocnieniu rzędu = 20dB i współczynniku szumów ok. 7dB, co przy minimalizacji strat w trakcie przesyłowym, powinno pozwolić na uzyskanie współczynnika szumów odbiornika rzędu F=8dB - w mierze liniowej 6.3. Do obliczeń mocy nadajnika przyjęto szereg założeń: Zyski energetyczne anten G =5dB w mierze liniowej 3.3 Długość fali λ= 12.2mm Dodatkowe straty traktów przesyłowych i propagacji L= 0.5 Progowy stosunek sygnał/szum s/n= 10 Pasmo odbiornika B=60 khz Założenia nie uwzględniają wpływu nieliniowości i niestabilności przestrajania częstotliwości sygnału chirp. Przyjęte pasmo jest pasmem wzmacniacza częstotliwości dopplerowskiej. Obliczenia wykonano dla zasięgu wykrywania ziemi -10m. Do obliczeń przyjęto trzy wartości powierzchni skutecznej rozproszenia ziemi: 0.001, 0.01 i 0.1 m 2. Wyniki obliczeń zamieszczono w poniższej tabeli. 25

20 Tabela 2 Obliczone parametry sensora radarowego Parametr Wielkość parametru R[m] = 10 kt [W/Hz] = 4,00E-21 B[Hz] = F = 6.3 s/n = 10 G n = 3.3 G o = 3.3 λ[m] = 1.22E-2 L = 0.5 σ[m2] = Pn[W] = 1.844E E E-5 Pn 2mW 200µW 20µW W radarze sensora zastosowano układ generacyjny o mocy sygnału wyjściowego 40mW. Nawet z uwzględnieniem strat, moc ta pozwala na wykrywanie sygnałów odbitych od ziemi w najbardziej niekorzystnych warunkach, tj przy powierzchni skutecznej odbicia ziemi rzędu m2, z odległości 20 m. Szczegółowy opis przedstawionych koncepcji zapalników zbliżeniowych i efekty prac badawczo rozwojowych zostaną przedstawione w kolejnych publikacjach. Praca naukowa finansowana ze środków Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego w latach jako projekt badawczy rozwojowy nr R