СИСТЕМА НАБЛЮДЕНИЯ И ПРИЦЕЛИВАНИЯ Российский патент 2002 года по МПК G02B23/12 F41G1/40 

Изобретение относится к области приборостроения, в частности, к средствам обнаружения, наблюдения, определения координат движущихся на значительном расстоянии объектов и прицеливания.

Известна система наблюдения и прицеливания, содержащая гелий-неоновый лазер и визирную трубу, установленную на основании с возможностью углового поворота вокруг вертикальной и горизонтальной осей [1].

Недостатком известной системы является невысокая точность измерения координат объектов, движущихся на значительном (5...10 км) расстоянии, и невысокая надежность работы системы.

Эти недостатки не могут быть устранены по следующим причинам:
- в системе не используется светосильная оптика, а сама система рассчитана на измерение в пределах 1...3 км;
- в системе отсутствуют фотоэлектрические и другие регистрирующие устройства, что не позволяет получать дистанционный съем информации и автоматизировать процесс измерения в целом, вследствие чего надежность системы невысока.

Наиболее близкой к заявленному техническому решению является система наблюдения и прицеливания [2]. Она представляет собой перископическое устройство панорамного типа, содержащее последовательно расположенные сканирующее устройство с приводом, формирующее оптическое устройство, поворотное оптическое устройство и устройство визуального наблюдения.

Сканирующее устройство известного технического решения выполнено в виде призмы-куба, установленной в оправе с возможностью углового поворота посредством червячно-зубчатых передач. Сканирующее устройство может работать как от электрического, так и от ручного привода. Формирующее оптическое устройство включает трубу Галилея и объектив, а поворотное оптическое устройство выполнено в виде призмы, установленной за объективом формирующего оптического устройства, коллективной линзы, оборачивающей системы, призмы Дове, светофильтра и призмы Шмидта. Устройство визуального наблюдения известного технического решения выполнено в виде электролампы, рефлектора, сетки, призмы, объектива сетки, разделительной призмы, оборачивающего устройства, призмы Шмидта и окуляра и является фактически дневным информационным каналом системы.

Недостатком известного технического решения является невысокая точность измерения координат движущихся на значительном расстоянии объектов и невысокая надежность работы.

Повышение точности измерений с помощью известного технического решения не может быть достигнуто в связи с отсутствием в известной системе фоторегистрирующих устройств, что не позволяет обеспечивать дистанционный съем информации о местонахождении наблюдаемого объекта и автоматизировать процесс измерения в целом. По этим причинам надежность известной системы наблюдения и прицеливания невысока.

Задачей настоящего изобретения является повышение точности измерения координат движущихся на значительном расстоянии объектов, надежности работы системы и расширение ее функциональных возможностей.

Это достигается тем, что в системе наблюдения и прицеливания, содержащей последовательно расположенные и оптически сопряженные сканирующее устройство, формирующее оптическое устройство, поворотное оптическое устройство и устройство визуального наблюдения, в отличие от прототипа, сканирующее устройство содержит зеркальную оптическую головку, механически сопряженную с устройством привода и стабилизации поля зрения, которое электрически связано с блоком управления зеркальной оптической головкой, устройство визуального наблюдения включает дневной видеоканал, содержащий дневную видеокамеру с установленным перед ней сменным объективом, ночной видеоканал, содержащий ночную видеокамеру, видеопроцессорное устройство, электрически сопряженное с дневной видеокамерой и ночной видеокамерой, устройство преобразования сигналов, электрически сопряженное с видеопроцессорным устройством, и видеомонитор, электрически сопряженный с устройством преобразования сигналов, кроме того, в систему наблюдения и прицеливания дополнительно введены лазерный дальномер, оптически сопряженный с зеркальной оптической головкой, формирующим оптическим устройством и поворотным оптическим устройством и электрически сопряженный с видеопроцессорным устройством, устройство выверки, расположенное между зеркальной оптической головкой и формирующим оптическим устройством и оптически сопряженное с лазерным дальномером, зеркальной оптической головкой и формирующим оптическим устройством, и пульт управления, электрически сопряженный с видеопроцессорным устройством, устройством преобразования сигналов и блоком управления зеркальной оптической головкой.

В системе наблюдения и прицеливания устройство выверки состоит из двух пар оптических клиньев, установленных с возможностью вращения вокруг оптической оси лазерного дальномера, и оптической призмы, оптически сопряженной с двумя парами оптических клиньев и установленной на входе формирующего оптического устройства с возможностью поворота в плоскости, перпендикулярной оптической оси формирующего оптического устройства.

Выполнение сканирующего устройства в виде зеркальной оптической головки, механически сопряженной с устройством привода и стабилизации поля зрения, которое электрически связано с блоком управления зеркальной оптической головкой, позволяет повысить надежность работы системы наблюдения и прицеливания за счет автоматического обеспечения постоянства и стабильности оптической связи между объектом наблюдения (целью) и системой наблюдения и прицеливания.

Введение в устройство визуального наблюдения дневного видеоканала, содержащего дневную видеокамеру с установленным перед ней сменным объективом, и ночного видеоканала, содержащего ночную видеокамеру, обеспечивает возможность наблюдения и прицеливания соответственно в дневное и ночное время, что повышает надежность работы системы в целом. Установка перед дневной видеокамерой сменного объектива позволяет регулировать увеличение при наблюдении за объектами, движущимися с различными скоростями и на различных расстояниях от места наблюдения, что расширяет, в свою очередь, функциональные возможности предлагаемого устройства и повышает надежность его работы.

Введение видеопроцессорного устройства, электрически сопряженного с дневной видеокамерой и ночной видеокамерой, устройства преобразования сигналов, электрически сопряженного с видеопроцессорным устройством, и видеомонитора, электрически сопряженного с устройством преобразования сигналов, обеспечивает повышение надежности работы системы за счет автоматизации измерительного процесса с одновременным наблюдением цели на мониторе.

Введение в систему наблюдения и прицеливания лазерного дальномера, оптически сопряженного с зеркальной оптической головкой, формирующим оптическим устройством и поворотным оптическим устройством и электрически сопряженного с видеопроцессорным устройством, обеспечивает возможность повышения точности измерения дальности до движущихся объектов, находящихся на больших расстояниях от места наблюдения (не менее чем в 15 раз по сравнению с использованием для тех же целей известного технического решения).

Введение в систему наблюдения и прицеливания пульта управления, электрически сопряженного с видеопроцессорным устройством, устройством преобразования сигналов и блоком управления зеркальной оптической головкой, обеспечивает возможность формирования и выдачи электрических сигналов на блок управления зеркальной оптической головкой, видеопроцессорное устройство, а также связь системы с внешними устройствами (радиолокационной станцией РЛС, цифровой вычислительной системой ЦВС). Это позволяет автоматизировать измерительный цикл и повышает надежность работы системы наблюдения и прицеливания.

Дополнительное введение в систему наблюдения и прицеливания устройства выверки, оптически сопряженного с лазерным дальномером, зеркальной оптической головкой и формирующим оптическим устройством, обеспечивает возможность предварительной оптической настройки системы наблюдения и прицеливания (точной установки параллельности оптических осей всех трех информационных каналов: дневного видеоканала, ночного видеоканала и лазерного дальномера). Это расширяет функциональные возможности системы, так как позволяет осуществлять не только процесс точного измерения, но и выверку системы без введения дополнительных юстировочных приспособлений.

Выполнение устройства выверки в виде двух пар оптических клиньев и оптической призмы позволяет оперативно совмещать оптические оси дневного видеоканала, ночного видеоканала и лазерного дальномера, обеспечивая тем самым повышение точности наблюдения и прицеливания.

На фиг. 1 показана блок-схема предлагаемой системы наблюдения и прицеливания; на фиг.2 - ее оптическая схема.

Система наблюдения и прицеливания (см. фиг.1) содержит последовательно расположенные и оптически сопряженные сканирующее устройство 1, формирующее оптическое устройство (ФОУ) 2, выполненное в виде объектива, поворотное оптическое устройство (ПОУ) 3 и устройство визуального наблюдения.

Сканирующее устройство 1 включает в себя зеркальную оптическую головку (ЗОГ) 4, механически сопряженную с устройством привода и стабилизации поля зрения (УПСПЗ) 5, которое электрически сопряжено с блоком управления зеркальной оптической головкой (БУЗОГ) 6.

Устройство привода и стабилизации поля зрения (УПСПЗ) 5 выполнено (см. фиг. 2) в виде электрического модуля, механически сопряженного со сканирующими зеркалами 7 и 8, плоскости отражения которых наклонены под углом 45^o к их осям вращения. При этом оси вращения механически сопряжены с исполнительными электродвигателями и датчиками углов поворота (не показаны). В состав УПСПЗ 5 входит также двухкоординатный гироскоп (не показан).

Блок управления зеркальной оптической головкой (БУЗОГ) 6 выполнен в виде электронного модуля и предназначен для выработки сигналов управления, подаваемых на УПСПЗ 5.

Устройство визуального наблюдения содержит дневной видеоканал, включающий дневную видеокамеру (ДВК) 9 с установленным перед ней сменным объективом (СО) 10, ночной видеоканал, включающий ночную видеокамеру (НВК) 11, а также видеопроцессорное устройство (ВПУ) 12, электрически сопряженное с дневной видеокамерой 9 и ночной видеокамерой 11, устройство преобразования сигналов (УПС) 13, электрически сопряженное с видеопроцессорным устройством (ВПУ) 12, и видеомонитор (ВМ) 14, электрически сопряженный с устройством преобразования сигналов (УПС) 13.

Ночной видеоканал, помимо ночной видеокамеры 11, включает также размещенные перед ней светофильтры 15 и 16.

Дневной видеоканал, помимо сменного объектива 10 и дневной видеокамеры 9, включает также размещенные перед ней светофильтры 17 и 18. При этом сменный объектив 10 состоит из объективов 19 и 20, установленных с возможностью переключения за счет поворота на 180^o вокруг оси O₁-О₁ и фиксации в требуемом положении. Объектив 19 служит для установки широкого поля зрения, а объектив 20 - для установки узкого поля зрения (в нашем случае соответственно 36^o и 12^o).

Перед сменным объективом 10 установлена регулируемая апертурная диафрагма АП с диапазоном изменения диаметра светового отверстия от 51,5 мм (максимальное значение) до 1,2 мм (минимальное значение).

За светофильтром 15 сформирована плоскость изображения ночного видеоканала П₁, за линзой 21 - промежуточная плоскость изображения П₂, за светофильтром 17 - плоскость изображения дневного видеоканала П₃.

Лазерный дальномер (ЛД) 22 содержит передающий и приемный тракты (на фиг. 1 не показаны). Передающий тракт оптически сопряжен с зеркальной оптической головкой 4. Приемный тракт оптически сопряжен с зеркальной оптической головкой 4, формирующим оптическим устройством 2 и поворотным оптическим устройством 3. Лазерный дальномер 22 также электрически сопряжен с видеопроцессорным устройством 12.

Передающий тракт лазерного дальномера 22 включает (см. фиг.2) лазерный излучатель 23, защитное стекло 24, поворотное зеркало 25, призму 26, сканирующие зеркала 7 и 8, защитное стекло 28.

Приемный тракт лазерного дальномера 22 включает защитное стекло 28, сканирующие зеркала 8 и 7, формирующее оптическое устройство 2, призменный блок 29-30, объектив 31 и фотоприемник 32.

Система наблюдения и прицеливания содержит пульт управления (ПУ) 33, электрически сопряженный с видеопроцессорным устройством (ВПУ) 12, устройством преобразования сигналов (УПС) 13 и блоком управления зеркальной оптической головкой (БУЗОГ) 6.

Устройство преобразования сигналов (УПС) 13 выполнено в виде электрического модуля, обеспечивающего представление информации в требуемом виде на экране видеомонитора (ВМ) 14.

Система наблюдения и прицеливания содержит также (см. фиг.1) устройство выверки (УВ) 34, расположенное между зеркальной оптической головкой 4 и формирующим оптическим устройством 2 и оптически сопряженное с лазерным дальномером 22, зеркальной оптической головкой 4 и формирующим оптическим устройством 2.

Лазерный излучатель 23 лазерного дальномера 22 содержит (см. фиг.2) активный элемент 35, лампу накачки 36, электрооптический затвор 37 и зеркала резонатора 38. В нашем случае используется излучатель импульсно-периодического действия на основе кристалла Y₃Аl₅О₁₂:Nd³⁺ с активной модуляцией добротности резонатора.

По ходу лазерного луча (на фиг.2 показан штриховой линией) установлены защитное стекло 24, линза 39, две пары оптических клиньев 40-41 и 42-43, поворотное зеркало 25, призмы 26 и 44. Оптические клинья 40-41, 42-43 и призма 44 образуют устройство выверки 34. При этом оптические клинья 40-41 и 42-43 установлены с возможностью вращения вокруг оптической оси лазерного излучателя 23, а призма 44 оптически сопряжена с двумя парами оптических клиньев и установлена на входе формирующего оптического устройства 2 с возможностью поворота в плоскости, перпендикулярной его оптической оси.

Поворотное оптическое устройство 3 выполнено в виде призменного блока, состоящего из двух призм 29 и 30, поворотного зеркала 45, установленного с возможностью его вывода из оптического тракта, линзы 21 и поворотного зеркала 46. В плоскости склейки призм 29 и 30 находится отражающее интерференционное покрытие, которое служит для выделения (ответвления) лазерного излучения из общего светового потока, принимаемого системой наблюдения и прицеливания.

Перед началом работы системы наблюдения и прицеливания осуществляют ее выверку, смысл которой состоит в точном пространственном совмещении оптических осей всех трех информационных каналов: дневного видеоканала, ночного видеоканала и лазерного дальномера 22. Выверку системы осуществляют следующим образом.

Выбирают центральный элемент (пиксел) дневной видеокамеры 9, помечают его перекрестием, синтезируемым видеопроцессорным устройством 12, и фиксируют его в памяти видеопроцессорного устройства 12.

Выбирают центральный элемент ночной видеокамеры 11, совпадающий с отмеченным элементом дневной видеокамеры 9, помечают его перекрестием, синтезируемым видеопроцессорным устройством 12, и также фиксируют в памяти видеопроцессорного устройства 12.

Призму 44 (см.фиг.2) вводят в передающий тракт лазерного дальномера 22, обеспечивая тем самым направление лазерного луча вдоль оптической оси формирующего оптического устройства 2. Перемещение призмы 44 осуществляют ее поворотом на 90^o в плоскости, перпендикулярной оптической оси формирующего оптического устройства 2.

Включают лазерный излучатель 23 и световую точку от его излучения, наблюдаемую на экране видеомонитора 14, совмещают с перекрестием путем вращения двух пар оптических клиньев 40-41 и 42-43 устройства выверки 34. При этом каждая пара оптических клиньев 40-41 и 42-43 перемещает лазерный луч в направлении, перпендикулярном оптической оси лазерного излучателя 23, а обе пары клиньев обеспечивают перемещение лазерного луча во взаимно ортогональных направлениях.

После завершения выверки призму 44 выводят из зоны действия лазерного луча угловым поворотом на 90^o в плоскости, перпендикулярной оптической оси формирующего оптического устройства 2.

Система наблюдения и прицеливания работает следующим образом.

Широкополосное излучение от наблюдаемого объекта проходит через защитное стекло 28, отражается от зеркал 8 и 7, проходит через формирующее оптическое устройство 2, через призмы 29 и 30, и в случае введенного в оптический тракт зеркала 45 отражается от него и через фильтры 16, 15 поступает в ночную видеокамеру 11 (в плоскость изображения П₁). При выведенном из оптического тракта зеркале 45 широкополосное излучение проходит линзу 21, которая формирует промежуточную плоскость изображения П₂, обеспечивая тем самым перенос изображения без искажений, зеркало 46, объективы 19 или 20, светофильтры 18, 17, и попадает в плоскость изображения П₃ дневной видеокамеры 9. Видеокамеры 9 или 11 преобразуют изображение объекта в электрический сигнал, поступающий на видеопроцессорное устройство 12 для обработки и представления. На видеомониторе 14 отображается изображение объекта либо от дневного видеоканала, либо от ночного видеоканала.

Устройство привода и стабилизации поля зрения 5 через блок управления зеркальной оптической головкой 6 связано с видеопроцессорным устройством 12. Это позволяет вырабатывать сигналы рассогласования оси визирования с направлением на цель и подавать эти сигналы на блок управления зеркальной оптической головкой 6 для управления приводами УПСПЗ 5 зеркальной оптической головки 4.

Поворот зеркал 7 и 8 в сторону наблюдаемого объекта (цели) осуществляется с помощью блока управления зеркальной оптической головкой 6, выдающего необходимые команды на соответствующие приводы зеркал, входящие в состав устройства привода и стабилизации поля зрения 5. Направления угловых поворотов зеркал 7 и 8 показаны на фиг.2 стрелками.

Для обеспечения работы лазерного дальномера 22 излучатель 23 возбуждают. Полученный лазерный луч, пройдя защитное стекло 24 и отразившись от поворотного зеркала 25 под углом 90^o, попадает на призму 26, а через нее - на сканирующие зеркала 7 и 8, после чего выходит из системы через защитное стекло 28.

После того как лазерный луч достиг цели и отразился от нее, отраженный луч возвращается и снова через защитное стекло 28 попадает на сканирующие зеркала 8 и 7, отражается от них, проходит через формирующее оптическое устройство 2 и попадает на призмы 29 и 30 поворотного оптического устройства 3. При этом узкополосное лазерное излучение отражается от плоскости склейки N-N и с помощью объектива 31 направляется на фотоприемник 32.

Фотоприемник 32 электрически сопряжен с измерителем временных интервалов (не показан) лазерного дальномера 22, что позволяет определять дальность до наблюдаемого объекта. Связь лазерного дальномера 22 с видеопроцессорным устройством 12 обеспечивает представление информации о дальности на видеомониторе 14.

На устройство преобразования сигналов 13 через пульт управления 33 от внешней радиолокационной станции РЛС (не показана) может поступать измерительная информация, которая также отображается на видеомониторе 14.

Использование внешними потребителями информации, полученной с помощью системы наблюдения и прицеливания, обеспечивается за счет связи видеопроцессорного устройства 12 с цифровой вычислительной системой ЦВС (не показана) через пульт управления 33.

Система наблюдения и прицеливания является высокоточным измерительным прибором (погрешность измерения по углам составляет ±1 угл.мин и по дальности ±5 м), позволяющим вести наблюдение за объектами, движущимися на значительных расстояниях от места ее расположения, с максимальной автоматизацией процесса измерения и выдачей на видеомонитор и внешним потребителям полной информации о наблюдаемом объекте.

Экспериментальные исследования показали, что система наблюдения и прицеливания обладает высокой надежностью, может выдерживать значительные нагрузки, удобна в работе и в обслуживании. Кроме того, ввиду использования пассивных видеоканалов, а также лазерного источника излучения, систему наблюдения и прицеливания трудно обнаружить существующими радиотехническими средствами, что повышает скрытность ее использования и безопасность работы на ней обслуживающего персонала.

Источники информации
1. Плотников B.C. Геодезические приборы. М.: Недра, 1987, стр.132.

2. Министерство обороны СССР. ЗСУ-23-4М. Визирное устройство. Техническое описание 1А7-1100.000ТО. Ордена Трудового Красного Знамени Военное издательство Министерства обороны СССР. М., 1981, стр.65-86.

Изобретение относится к области приборостроения, в частности, к средствам обнаружения, наблюдения, определения координат движущихся на значительном расстоянии объектов и прицеливания. Система наблюдения и прицеливания содержит последовательно расположенные и оптически сопряженные сканирующее устройство, формирующее оптическое устройство, поворотное оптическое устройство и устройство визуального наблюдения. Сканирующее устройство содержит зеркальную оптическую головку, устройство привода и стабилизации поля зрения и блок управления зеркальной оптической головкой. Устройство визуального наблюдения включает дневной видеоканал, содержащий дневную видеокамеру со сменным объективом, ночной видеоканал, содержащий ночную видеокамеру, видеопроцессорное устройство, устройство преобразования сигналов и видеомонитор. Кроме того, система наблюдения и прицеливания содержит лазерный дальномер, устройство выверки и пульт управления. Технический результат - повышение точности измерения координат объектов, надежности работы системы и расширение ее функциональных возможностей. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Система наблюдения и прицеливания, содержащая последовательно расположенные и оптически сопряженные сканирующее устройство, формирующее оптическое устройство, поворотное оптическое устройство и устройство визуального наблюдения, отличающаяся тем, что сканирующее устройство содержит зеркальную оптическую головку, механически сопряженную с устройством привода и стабилизации поля зрения, которое электрически связано с блоком управления зеркальной оптической головкой, устройство визуального наблюдения включает дневной видеоканал, содержащий дневную видеокамеру с установленным перед ней сменным объективом, ночной видеоканал, содержащий ночную видеокамеру, видеопроцессорное устройство, электрически сопряженное с дневной и ночной видеокамерами, устройство преобразования сигналов, электрически сопряженное с видеопроцессорным устройством, и видеомонитор, электрически сопряженный с устройством преобразования сигналов, кроме того, в систему наблюдения и прицеливания дополнительно введены лазерный дальномер, оптически сопряженный с зеркальной оптической головкой, формирующим оптическим устройством и поворотным оптическим устройством и электрически сопряженный с видеопроцессорным устройством, устройство выверки, расположенное между зеркальной оптической головкой и формирующим оптическим устройством и оптически сопряженное с лазерным дальномером, зеркальной оптической головкой и формирующим оптическим устройством, и пульт управления, электрически сопряженный с видеопроцессорным устройством, устройством преобразования сигналов и блоком управления зеркальной оптической головкой. 2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что устройство выверки состоит из двух пар оптических клиньев, установленных с возможностью вращения вокруг оптической оси лазерного дальномера, и оптической призмы, оптически сопряженной с двумя парами оптических клиньев и установленной на входе формирующего оптического устройства с возможностью поворота в плоскости, перпендикулярной оптической оси формирующего оптического устройства.