ОПРЕДЕЛИТЕЛЬ ПОЛЯРНЫХ КООРДИНАТ ОГНЕВЫХ СРЕДСТВ, ОБНАРУЖИВАЮЩИХ СЕБЯ БЛЕСКОМ ВЫСТРЕЛА Российский патент 2005 года по МПК G02B23/00 

Изобретение относится к области оптического и оптико-электронного приборостроения, а именно к системам определения координат позиций стрелков, снайперов, артиллеристских систем и т.д., обнаруживающих себя пламенем выстрела.

Известны устройства для определения полярных координат цели - внутрибазные оптические дальномеры [1], например, находящийся на вооружении Российской армии стереодальномер ДС-1 [2].

Однако указанное устройство при использовании его для определения координат вспышки практически не обеспечивает измерение расстояния до вспышки выстрела, так как длительность последней мала (не превышает 10 мс) и дальномерщик не в состоянии за это время произвести измерения дальности.

Известно также телевизионное устройство определения дальности [3], состоящее из двух жестко связанных и разнесенных на базовое расстояние телевизионных датчиков и электронной системы обработки телевизионных сигналов.

Его недостатки заключаются в том, что указанное устройство является конструктивно сложным и имеет малое поле зрения. Последнее, как указано в патенте, составляет 30 угл. мин. При таком поле зрения вероятность обнаружения наземной быстроисчезающей цели крайне мала.

Кроме того, известно устройство [4], находящееся на вооружении Российской армии, содержащее два разведтеодолита РТ-2. Разведтеодолит - это бинокулярный перископический углоизмерительный прибор, оптическая схема которого состоит из двух объективов, призменной оборачивающей системы, двух сеток, расположенных в совмещенных фокальных плоскостях объективов и окуляров, и углоизмерительной системы. В левом окуляре находится обычная угломерная сетка, в правом - специальная сетка с ценой деления 0-01 по горизонтали и 0-05 по вертикали. Для определения полярных координат цели по вспышке выстрела два разведтеодолита разносятся на базовое расстояние не менее 100 м, наблюдение постоянно ведется двумя наблюдателями, поддерживающими между собой телефонную или радиосвязь. Направление на цель отсчитывается по углоизмерительным лимбам разведтеодолитов и к ним прибавляются или отнимаются отсчеты по сеткам в зависимости от того, в правой или левой части сетки видна вспышка выстрела; по результатам измерений вычисляется дальность до цели, а измеренные углы определяют направление на цель. При засечке цели ночью необходимо одновременно с отсчетом по сетке производить отсчет по секундомеру. Синхронность засечки цели обоими наблюдателями указывает, что засечена одна и та же цель.

Указанное устройство определения координат цели, обнаруживающей себя блеском выстрела, имеет ряд недостатков: громоздкость, длительность времени развертывания, длительность и трудоемкость определения координат цели, сложность засечки угловых координат вспышки выстрела по сетке из-за кратковременности вспышки, возможность работы только в видимой области спектра излучения вспышки, обслуживание устройства двумя наблюдателями.

Наиболее близким по технической сущности, принятым за прототип, является устройство - бесконтактный измеритель дальности, содержащий двухканальную проекционную систему с базовым расстоянием между объективами каналов, матричные двухкоордицатные фотоприемники, блок электронной обработки сигналов, блок цифровой индикации результатов измерений, блок электропитания [5].

В этом устройстве оптические оси объективов наклонены к оси осветительной системы на угол , где L₀ - среднее значение измерительного диапазона дальности; В - базовое расстояние между оптическими осями объективов.

В указанном устройстве плоскости фотоприемников ПСЗ-матриц располагаются на расстоянии S’ от задней поверхности объективов, определяемом плоскостью изображения объекта, находящегося на расстоянии L от объективов. Таким образом, при измерениях объекта, находящегося на различных расстояниях L, необходимо каждый раз настраивать устройство (параметры β и S’) в зависимости от конкретного расстояния до объекта.

Осветительное устройство состоит из лазерного светодиода, расположенного в фокальной плоскости объектива, и цилиндрической линзы. Осветительное устройство формирует на исследуемом объекте узкую светящуюся полоску. Фактически производятся изменения разностей расстояний между точками объекта, расположенными в створе светящейся полосы Устройство-прототип предназначено для измерения линейных размеров и профилей объектов в машиностроении, приборостроении и в автоматических линиях проката.

Указанное устройство при использовании его для определения полярных координат цели, обнаруживаемой себя блеском выстрела, имеет ряд недостатков:

- осветительное устройство является излишним, так как измерения производятся до самосветящего объекта;

- устройство для установки объективов под углом ±β к оси осветителя и установки ПЗС-матриц в требуемое положение, определяемого значениями измерительного диапазона дальностей, также не требуется, так как измеряемые дальности в сотни раз больше фокусных расстояний объективов и плоскости фотоприемников матриц постоянно должны находиться в фокальных плоскостях объективов, а визирные оси обеих ветвей должны быть строго параллельны. Следовательно, при изменении измеряемого расстояния от 100 до 3000 м перенастройки устройства не требуется;

- устройство работает только в видимой области спектра, что уменьшает вероятность обнаружения пламени выстрела, так как, с одной стороны, могут быть предприняты специальные меры для уменьшения интенсивности излучения в видимом диапазоне, с другой, - максимум спектральной характеристики излучения пламени приходится на инфракрасный диапазон. Исследования показали, что для обеспечения максимальной вероятности обнаружения вспышки выстрела необходимо фиксировать ее в видимой, ближней и средней инфракрасной областях спектра.

Задачей предлагаемого изобретения является создание компактного устройства определения полярных координат огневых средств, обнаруживающих себя блеском выстрела, обеспечение его быстрого развертывания, максимальной вероятности обнаружения и пеленгации вспышки выстрела, автоматического определения полярных координат огневых средств, обнаруживающих себя блеском выстрела, простоты обслуживания при минимальном количестве обслуживающего персонала, обеспечение выверки устройства по дальности в полевых условиях, то есть исключение влияния температуры, температурных и механических деформаций конструктивных элементов устройства на точность измерения дальности,

Поставленная задача достигается тем, что в определителе полярных координат огневых средств, обнаруживающих себя блеском выстрела, содержащем двухканальную проекционную систему с базовым расстоянием между объективами каналов, матричные двухкоординатные фотоприемники, блок электронной обработки сигналов, блок цифровой индикации результатов измерений, блок электропитания, согласно изобретению в едином корпусе закреплены две пары объективов, каждая пара объективов имеет общую оптическую ось, причем оптические оси пар объективов разнесены на базовое расстояние и параллельны между собой, Один объектив каждой пары работает в видимой и ближней инфракрасной областях спектра, а второй - в средней инфракрасной области спектра, за объективами под углом к оптической оси каждой пары объективов расположено по зеркалу, пропускающему излучение видимой и ближней инфракрасной областей и отражающему излучение средней инфракрасной области, за зеркалами в фокальной плоскости каждого объектива находятся матричные двухкоординатные фотоприемники, имеющие максимальную спектральную чувствительность в той же области спектра, в которой работают соответствующие объективы.

Кроме того, поставленная задача достигается тем, что в определитель полярных координат огневых средств введен включающийся выверитель для выверки по дальности в полевых условиях, содержащий два теплоустойчивых концевых отражателя и биаксиальный коллиматор, состоящий из двух одинаковых объективов, в главных плоскостях которых нанесены непрозрачные покрытия, имеющие по небольшому прозрачному отверстию в главных точках объективов, двух приклеенных к объективам призм и двух светодиодов для подсветки отверстий, причем плоскость левого отверстия совмещена с фокальной плоскостью правого объектива, а плоскость правого отверстия - с фокальной плоскостью левого объектива.

Заявителю не известны аналогичные технические решения. В предлагаемом техническом решении устройство достаточно компактно, обеспечивается быстрое его развертывание и автоматическое определение полярных координат огневых средств, обнаруживающих себя блеском выстрела, простота обслуживания при минимальном количестве обслуживающего его персонала, максимальная вероятность обнаружения вспышки выстрела, выверка устройства по дальности в полевых условиях.

Как показали предварительные расчеты, точность определения полярных координат достаточно высока. Благодаря тому, что полярные координаты цели получаются в цифровой форме, возможно сопряжение устройства с механизмами наведения оружия на цель и стрельбы на поражение.

Предложенное изобретение иллюстрируется следующими графическими материалами.

Фиг.1 - принципиальная схема устройства;

Фиг.2 - принципиальная конструктивная схема устройства;

Фиг.3 - конструкция выверителя во включенном положении.

На фиг.1 приведена принципиальная схема предлагаемого устройства. Принципиальная схема содержит: О₁, О₂ - объективы; ФПУ₁, ФПУ₂ - фотоприемные матричные устройства.

На схеме приняты следующие обозначения:

Ц - точка нахождения цели;

D - дальность до цели;

В - база устройства;

а - шаг элементов матрицы;

n₁, n₂ - номера элементов матриц от оптической оси объектива, на которые сфокусировано излучение;

а·n₁; а·n₂ - расстояние от оптической оси до точки фокусировки излучения объективами в плоскости фотоматриц;

α - угол направления на цель.

Устройство работает следующим образом. Излучение выстрела проецируется объективам O₁ и О₂ в плоскости ФПУ₁ и ФПУ₂ соответственно. Далее обработка сигналов осуществляется в блоке электронной обработки, включающем в себя блок первичной обработки информации и блок математической обработки. Блок первичной обработки информации регистрирует номер элемента ФПУ, считая от оптической оси объектива, на который сфокусировано излучение, и, следовательно, возникает электрический сигнал. Блок математической обработки определяет дальность до цели из соотношения

где f’ - заднее фокусное расстояние объективов, а угол направления на цель -

Величина относительной теоретической погрешности измерения дальности ΔD/D прямо пропорциональна измеряемому расстоянию D и обратно пропорциональна произведению BN схемных параметров системы:

где N - число элементов в строке ФПУ:

α - угловая координата цели.

Например, относительная погрешность 1% при дальности до объекта 1000 м может быть получена в устройстве со следующими схемными параметрами: угловое поле 2ω=10°; BN=17500 м^-1 (например, В=2 м, N=8750).

Погрешность определения угловой координаты объекта определяется угловым размером единичного элемента приемника и легко обеспечивается менее 1’, что является вполне приемлемым для задач определения координат огневых целей. В частности, для указанных выше значений ω и N погрешность определения угловой координаты объекта получается 0,07’.

На фиг.2 схематично приведена конструкция устройства. Предлагаемое устройство содержит следующие элементы:

1 - корпус;

2, 3 - объективы, фокусирующие излучение выстрела в видимой и ближней инфракрасной областях спектра;

4, 5 - объективы, фокусирующие излучение выстрела в средней инфракрасной области спектра;

6, 7 - зеркала, пропускающие излучение в видимой и ближней инфракрасной области спектра и отражающие излучение в средней инфракрасной области;

8, 9 - фотоприемные матричные устройства со спектральной чувствительностью в видимой и ближней инфракрасной областях спектра;

10, 11 - фотоприемные матричные устройства со спектральной чувствительностью в средней инфракрасной области спектра;

12 - блок первичной обработки электронной информации;

13 - блок электронной математической обработки сигналов;

14 - блок цифровой индикации;

15 - блок питания.

В корпусе 1 закреплены объективы 2, 4 и 3, 5. Каждая пара объективов имеет общую оптическую ось. Оптические оси пар объективов разнесены на базовое расстояние В и строго параллельны между собой. За объективами под углом к их оптическим осям расположены зеркала 6, 7. В плоскостях изображения объективов 2, 3, работающих в видимой и ближней инфракрасной области спектра, находятся фотоприрмные матричные устройства 8, 9, имеющие максимальную спектральную чувствительность в видимой и ближней инфракрасной области спектра, а в плоскостях изображения объективов 4, 5, работающих в средней инфракрасной области спектра, расположены фотоприемные матричные устройства, имеющие максимальную чувствительность в той же области спектра.

Как показали исследования 3 ЦНИИ МО РФ, наличие двух информационных каналов в указанных выше спектральных диапазонах обеспечивает максимальную вероятность обнаружения вспышки выстрела.

В конструкции имеется блок 12 первичной обработки информации, фиксирующей сигналы засвеченных элементов матричного фотоприемника и координаты этих элементов, блок 13 электронной математической обработки производит вычисление дальности и направление до вспышки выстрела.

Блок цифровой индикации 14 представляет результаты измерения в цифровом виде. Блок питания 15 служит для электрического питания всей электронной схемы.

Устройство работает следующим образом. В момент выстрела возникает вспышка (видимый и ближний инфракрасный спектральный диапазон излучения), которая фокусируется объективами 2, 3 на матричные фотоприемные устройства 8 и 9; если стрельба ведется с замаскированных и укрытых позиций, то обнаружение и пеленгация вспышки производится в средней инфракрасной области спектра, это излучение фокусируется объективами 4, 5 на матричные фотоприемные устройства 10 и 11.

Лучи, фокусируемые объективами 2, 3, проходят к фотоприемным устройствам 8,9 через зеркала 6, 7, а лучи, фокусируемые объективами 4, 5, отражаются от зеркал 6, 7 и фокусируются на фотоприемных устройствах 10, 11.

На фиг.2 пунктирными линиями показан ход осевого пучка лучей через объективы 2, 3, и сплошными линиями через объективы 4, 5. Электрические сигналы с засвеченных элементов матричных фотоприемных устройств и координаты этих элементов, считая от оптических осей объективов, фиксируются в блоке 12 первичной обработки информации, и затем в блоке 13 электронной математической обработки производятся вычисления направления и дальности до вспышки. Результаты вычисления в цифровом виде визуализируются на цифровом блоке 14. Питание всей электронной схемы осуществляется от блока питания 15.

Таким образом, устройство является компактным, обеспечивается быстрое развертывание (для этого нужно снять чехол и включить электропитание), не требуется предварительная настройка; определение полярных координат огневых средств, обнаруживающих себя блеском выстрела, производится автоматически, без всяких вычислений; обслуживание устройства производится одним человеком и не требует его квалификации; благодаря работе устройства в двух спектральных диапазонах обеспечивается максимальная вероятность обнаружения и пеленгации вспышки выстрела.

Так как полярные координаты выдаются в цифровой форме, то устройство может быть сопряжено с приводами наведения оружия для автоматического его наведения на цель и открытия огня на поражение обнаруженной цели.

В процессе эксплуатации устройства в боевых условиях целесообразно периодически производить его выверку до дальности для исключения влияния температуры, температурных и механических деформаций конструктивных элементов на точность измерения дальности. Для этой цели в устройстве имеется включающийся выверитель. На фиг.3 схематично представлена конструкция выверителя во включенном положении: его выходные окна установлены на оптических осях объективов. В корпусе 16 выверителя расположены теплоустойчивые концевые отражатели и нерастраиваемый биаксиальный коллиматор.

Каждый отражатель состоит из двух зеркал 17, расположенных под углом 45° друг к другу. Зеркала приклеены к кварцевому основанию, чем обеспечивается неизменность угла 45° и, следовательно, постоянство угла 90° между падающими и отраженными световыми лучами при значительных изменениях окружающей температуры.

Нерастраиваемый биаксиальный коллиматор выверителя содержит два одинаковых объектива 19, в главных плоскостях которых нанесено непрозрачное покрытие, имеющее небольшое отверстие в главных точках объективов, причем плоскость отверстия в непрозрачном покрытии левого объектива совмещена с фокальной плоскостью правого объектива, а плоскость правого отверстия - с фокальной плоскостью левого объектива. К объективам приклеены прямоугольные призмы 18, через которые осуществляется подсветка отверстий от светодиодов 20. Защитные стекла 21 служат для герметизации выверителя. Для выверки определителя координат выверитель устанавливается так, что его выходные окна располагаются перед объективами измерителя полярных координат. При включении светодиодов из объективов биаксиального коллиматора выходят параллельные друг другу световые пучки, направляемые концевыми отражателями в объективы измерителя. Таким образом имитируется ход лучей от бесконечно удаленного точечного источника света, при этом на блоке цифровой индикации должно быть показание значения дальности “бесконечность”. Если показание другое, то поворотом рукоятки блока электронной математической обработки сигналов устанавливают на блоке цифровой индикации значение “бесконечность”. Таким образом компенсируются погрешности измерений дальности, которые могли бы возникнуть в процессе боевого применения измерителя полярных координат. После выверки выверитель выводится из кода лучей измерителя.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет создать компактное устройства определения полярных координат огневых средств, обнаруживающих себя блеском выстрела, обеспечить его быстрое развертывание, максимальную вероятность обнаружения и пеленгации вспышки выстрела, автоматическое определение полярных координат огневых средств, обнаруживающих себя блеском выстрела, требует простого обслуживания при минимальном количестве обслуживающего персонала, позволяет осуществлять выверку устройства по дальности в полевых условиях.

Предлагаемый определитель полярных координат огневых средств, обнаруживающих себя блеском выстрела, может быть использован в комплексах по обнаружению и подавлению позиций огневых средств противника. Потребность в таких устройствах обусловлена необходимостью повышения защищенности и уменьшения потерь боевой силы и техники в ходе ведения боевых действий и проведения контртеррористических мероприятий.

Предлагаемое устройство в силу достигнутого уровня развития элементной базы обладает промышленной применимостью и может быть технически реализовано на предприятиях оптико-электронной промышленности.

Источники информации

1. Оптика в военном деле. Под редакцией С.И.Вавилова и М.В.Севастьяновой, том II, издательство Академии наук СССР, М. - Л., 1948 г.

2. Стереоскопический дальномер ДС-1. Техническое описание.

3. Часовской А.А. Телевизионное устройство определения дальности, Патент RU 208144 С1, 22.09.94.

4. Разведывательный теодолит PT-2. Руководство службы. Воениздат МО СССР, М., 1956.

5. Дукаревич Ю.Е., Дукаревич М.Ю. Бесконтактный измеритель расстояний. Патент RU 2124700.

Определитель полярных координат огневых средств, обнаруживающих себя блеском выстрела, содержит двухканальную систему, матричные двухкоординатные фотоприемники, блок электронной обработки сигналов, блок цифровой индикации результатов измерений и блок электропитания. В едином корпусе закреплены две пары объективов, каждая пара объективов имеет общую оптическую ось, причем оптические оси пар объективов разнесены на базовое расстояние и параллельны между собой. Один объектив каждой пары работает в видимой и ближней инфракрасной областях спектра, а второй - в средней инфракрасной области спектра. За объективами под углом к оптической оси расположено по зеркалу, пропускающему излучение видимой и ближней инфракрасной областей и отражающему излучение средней инфракрасной области, а за зеркалами в фокальной плоскости каждого объектива находятся матричные двухкоординатные фотоприемники. Обеспечивается создание компактного устройства, обеспечение его быстрого развертывания, максимальной вероятности обнаружения и пеленгации вспышки выстрела, простота обслуживания, выверка устройства по дальности в полевых условиях. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Определитель полярных координат огневых средств, обнаруживающих себя блеском выстрела, содержащий двухканальную проекционную систему с базовым расстоянием между объективами каналов, матричные двухкоординатные фотоприемники, блок электронной обработки сигналов, блок цифровой индикации результатов измерений, блок электропитания, отличающийся тем, что в едином корпусе закреплены две пары объективов, каждая пара объективов имеет общую оптическую ось, причем оптические оси пар объективов разнесены на базовое расстояние и параллельны между собой, один объектив каждой пары работает в видимой и ближней инфракрасной областях спектра, а второй - в средней инфракрасной области спектра, за объективами под углом к оптической оси каждой пары объективов расположено по зеркалу, пропускающему излучение видимой и ближней инфракрасной областей и отражающему излучение средней инфракрасной области, за зеркалами в фокальной плоскости каждого объектива находятся матричные двухкоординатные фотоприемники, имеющие максимальную спектральную чувствительность в той же области спектра, в которой работают соответствующие объективы.2. Определитель полярных координат огневых средств по п.1, отличающийся тем, что в него введен включающийся выверитель для выверки по дальности в полевых условиях, содержащий два теплоустойчивых концевых отражателя и биаксиальный коллиматор, состоящий из двух одинаковых объективов, в главных плоскостях которых нанесены непрозрачные покрытия, имеющие по небольшому прозрачному отверстию в главных точках объективов, двух приклеенных к объективам призм и двух светодиодов для подсветки отверстий, причем плоскость левого отверстия совмещена с фокальной плоскостью правого объектива, а плоскость правого отверстия - с фокальной плоскостью левого объектива.