ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЙ МОДУЛЬ БОЛЬШОЙ ДАЛЬНОСТИ "ФОКУС-Д" Российский патент 2011 года по МПК G01S17/66 

Изобретение относится к радиоэлектронным устройствам и представляет собой пассивную комбинированную систему скрытого круглосуточного наблюдения за наземной и/или надводной обстановкой на дальности до 20 км в пределах прямой видимости, в том числе обнаружения и распознавания объектов наблюдения с удаленного рабочего места оператора.

Известен наземный транспортный комплекс для обнаружения и распознавания объектов, включающий два радиоэлектронных датчика, один из которых объединяет в себе тепловизор, видеокамеру и лазерный дальномер (RU 67529, кл. B60R 27/00, опубликован 24.07.2007).

Известный комплекс характеризуется сравнительно небольшой дальностью распознавания целей, а именно для цели типа «человек» для него характерна дальность 3,3-5 км.

Над датчиками известного комплекса закреплены крышки, предназначенные для закрывания люков в крыше кузова автомобиля в нерабочем положении комплекса и служащие для защиты датчиков от непогоды в рабочем (выдвинутом за пределы крыши кузова автомобиля) положении комплекса. Поскольку аппаратура комплекса преимущественно размещается внутри кузова автомобиля, к нему не предъявляются специальные требования, связанные с защитой аппаратуры от низких температур окружающей среды.

Технический результат изобретения состоит в повышении дальности распознавания целей как при наличии, так и при отсутствии оптической видимости, т.е. как днем, так и ночью, при этом дальность распознавания, например, человека составляет 7,5 км, т.е. по сравнению с аналогом она увеличена в 1,5-2 раза.

Кроме того, предложенный оптико-электронный модуль, в отличие от аналога, предназначен для установки на открытых площадках, на высотах, обеспечивающих дальность прямой видимости до объектов наблюдения. В связи с этим возникла необходимость его защиты от пагубных воздействий окружающей среды, в частности при температуре окружающей среды до минус 40°С.

Названный технический результат достигнут в изобретении с помощью следующей совокупности признаков.

Оптико-электронный модуль (ОЭМ) содержит приборный блок (ПБ), установленный на платформе, закрепленной на опорно-поворотном устройстве (ОПУ), выполненном с возможностью вращения в двух плоскостях: азимутальной и угломестной. В корпусе ПБ расположены охлаждаемый тепловизор для обнаружения и распознавания объектов ночью и цветная видеокамера для обнаружения и распознавания объектов днем. ОПУ соединено с ПБ посредством кабеля и включает связанные с контроллером азимутальный и угломестный приводы.

Большая дальность действия тепловизора достигается за счет применения охлаждаемого матричного детектора с высокой чувствительностью (0,025К) и узкопольной оптики (узкое поле зрения 0,45×0,6 градуса).

ОЭМ выполнен с обеспечением возможности вращения подвижной части опорно-поворотного устройства по азимуту - вкруговую, по углу места - в диапазоне ±35 градусов со скоростями до 60 градусов в секунду.

Охлаждаемый тепловизор и цветная видеокамера установлены на опорной площадке, под которой может быть расположен нагревательный элемент.

ОЭМ выполнен с возможностью работы в режиме непрерывного кругового обзора.

Корпус ПБ снабжен защитным козырьком.

Модуль выполнен с возможностью подключения по меньшей мере к одному процессорному блоку, имеющему на входе устройство преобразования аналогового видеосигнала в цифровой.

Сочетание в одной системе оптико-электронных средств (тепловизора и видеокамеры), работающих в различных диапазонах спектра, позволяет обнаруживать и распознавать объекты (цели) как днем, так и ночью.

Поле зрения - одна из основных характеристик ОЭМ. Оно характеризует угловые размеры того участка местности, в пределах которого одновременно можно наблюдать цели, не перестраивая изделие и не вращая его модуль. Чем меньше поле зрения, тем больше дальность обнаружения и распознавания целей (при других аналогичных характеристиках прибора). Увеличенная по сравнению с аналогом дальность обнаружения объектов достигнута применением в тепловизоре узкопольной оптики (поле зрения до 0,45×0,6 градуса) совместно с высокочувствительным матричным детектором.

ОЭМ позволяет осуществлять автономную работу при подключении его к процессорным блокам (компьютерам), имеющим на входе устройства преобразования аналогового видеосигнала в цифровой при помощи загруженного в него программного средства «АРМ Фаворит ОЭМ» версии 1.2.

Программное обеспечение ОЭМ позволяет осуществлять совокупность следующих режимов работы:

- управление в ручном режиме с помощью стандартных органов управления компьютера (клавиатура, манипулятор «Мышь», манипулятор «трек-бол», манипулятор «джойстик»);

- режим автоматизированного создания панорамных изображений с 10 контрольными точками и работы в данном режиме по контрольным точкам;

- режим программного сканирования местности по заранее задаваемым оператором траекториям;

- режим детектора движения с выдачей сигнала тревоги при появлении движущегося объекта либо во всем поле зрения модуля, либо в нескольких (до пяти) специальных зонах повышенного внимания;

- режим автоматического или ручного документирования обстановки в виде записей одиночных стоп-кадров или непрерывных видеороликов;

- режим подстройки тепловизора под температурные особенности наблюдаемой местности;

- режим автоматического сопровождения движущихся объектов по видеоизображению.

Конструктивно и электрически модуль может сопрягаться с другими средствами наблюдения, например радиолокационными станциями, и осуществлять совместную работу с ними путем приема по сети Ethernet команд целеуказания.

Нормальное функционирование ОЭМ возможно в пределах прямой видимости. Наиболее эффективное применение указанного модуля обеспечивается на открытой, преимущественно равнинной местности (на суше) или на морском побережье. Чем сложнее рельеф местности, тем меньше величина такого параметра, как коэффициент вскрытия обстановки, и менее эффективным становится применение модуля.

Предложенный модуль имеет следующие дальности обнаружения и распознавания объектов в нормальной прозрачности атмосферы:

- обнаружение цели типа «человек» днем и ночью - 5-7,5 км;

- обнаружение цели типа «автомобиль» днем и ночью - 6-9 км;

дальность распознавания больших целей (строения, крупные корабли, самолеты) - не менее 20 км.

Примечание. Под нормальной прозрачностью атмосферы понимается воздушная среда, состояние которой на уровне моря характеризуется давлением 1,033 кг/см², плотностью 0,125 кг × с²/м⁴, температурой 15°С и средним коэффициентом прозрачности, равным 0,85, определенным по методу Бугера.

ОПУ модуля позволяет изменять положение оптической оси в пределах:

- по азимуту - круговое (n × 360°) или секторное, задаваемое программным путем;

- по углу места ±35 градусов.

Точность сопряжения оптических осей приборов модуля составляет не хуже 0,1 градуса.

Аппаратура ОЭМ потребляет мощность не более 100 W при напряжении питания 24 V при положительных температурах окружающей среды и не более 350 W при отрицательных температурах (с учетом работы системы подогрева).

Масса модуля (без кабеля снижения) - не более 45 кг.

Время подготовки к работе при положительных температурах окружающей среды:

- для наблюдения днем с помощью видеокамеры - не более 1 мин;

- для наблюдения ночью с помощью тепловизора - не более 8 мин.

Время непрерывной работы модуля «Фокус-Д» не ограничено.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 схематично изображен оптико-электронный модуль (общий вид); на фиг.2 - опорно-поворотное устройство модуля на фиг.1.

Изображенный на фиг.1 оптико-электронный модуль (ОЭМ) состоит из приборного блока (ПБ) 1, имеющего защитный козырек 2. На передней панели корпуса ПБ 1 расположен объектив 3 тепловизора и объектив 4 видеокамеры. Сами эти устройства размещены внутри корпуса упомянутого блока. ПБ 1 установлен на платформе 5 (фиг.2), жестко связанной с опорно-поворотным устройством (ОПУ) 6, при этом корпус 7 последнего имеет основание 8 для крепления ОПУ на внешних устройствах, снабженное выходным разъемом 9. На корпусе ОПУ выполнены разъемы 10 и 11 для подключения тепловизора и видеокамеры соответственно. ПБ 1 соединен с ОПУ 6 кабелем.

ПБ 1, размещенный на ОПУ 6, имеет возможность вращаться в двух плоскостях (азимутальной и угломестной) в пределах допустимых углов поворота. В результате вращения оптические оси приборов наблюдения перемещаются в пространстве и имеют возможность занимать положение, требуемое для обнаружения или распознавания целей. Поворот в азимутальной и угломестной плоскостях осуществляется путем автоматического управления приводом ОПУ 6 с рабочего места оператора.

Точность съема показаний датчиков угла ОПУ - 0,1°.

Работа ОЭМ в интервале температур от минус 32°С до минус 40°С обеспечивается системой подогрева.

Конструкция обеспечивает вращение подвижной части ОПУ по азимуту - вкруговую, по углу места - в диапазоне ±35 градусов со скоростями до 60 градусов в секунду. Рабочие значения секторов вращения и скорости могут устанавливаться программным путем.

Управление ОПУ и оптико-электронными приборами ОЭМ осуществляется по кабелю. ОЭМ может комплектоваться кабелями: длиной 5 метров (для работы в непосредственной близости от рабочего места) или длиной 50 метров (для работы при размещении на вышках). При необходимости длина кабеля может быть увеличена до 100 метров.

Описание и работа составных частей изделия

1. Опорно-поворотное устройство (ОПУ)

В корпусе ОПУ 6 размещена плата контроллера, соединенная с угломестным и азимутальным приводами.

Технические характеристики ОПУ приведены в таблице 1.

Таблица 1 Наименование характеристики Значение Пределы сектора вращения по азимуту, град 360 Пределы сектора вращения по углу места, град ±35 Диапазон скоростей вращения по азимуту, °/с 0,03…65 Диапазон скоростей вращения по углу места, °/с 0,03…30 Собственная масса, кг, не более 14,0 Грузоподъемность, кг 36,0 Интерфейс управления Ethernet 10Mbit, TCP/IP Интерфейсы управления приборами, 1xRS232; 1xRS232/485; размещаемыми на ОПУ 3xRS232/422 Точность отсчета азимутального угла, град 0,1 Напряжение питания, V 24,0   (19…28) Диапазон рабочих температур (без включения от минус 32 системы подогрева), °С до плюс 55 Диапазон предельных температур, °С от минус 40   до плюс 70 Степень защиты корпуса IP 65 Стойкость к воздействию влаги MIL-STD 810 F   тест 507.4   (+20°С/+60°С, 95%) Стойкость к воздействию вибрации MIL-STD 810 С   тест 514.5-VIII   ускорение 1.5 g   частота 5-80 Hz Ударопрочность MIL-STD 810 F   тест 516.5-I   ускорение 20 g   длительность 11 ms Электромагнитная совместимость MIL-STD-461E   (тесты СЕ102); CS101   (30Hz÷50kHz); CS114   (10kHz÷30MHz); RE102   (2MHz÷18GHz); RS103   (30MHz÷4,2GHz) Наличие видеомультиплексора (входы/выходы) 2 входа × 2 выхода

2. Приборный блок (ПБ)

ПБ 1 представляет собой герметичный корпус с защитным козырьком 2. В корпусе блока 1 размещены: дневная видеокамера на основе ПЗС-матрицы, охлаждаемый тепловизор 3-го поколения, нагревательный элемент системы подогрева и кабельная сеть.

Приборы наблюдения - тепловизор и видеокамера расположены и закреплены на опорной площадке (не показана).

Опорная площадка с приборами (после отключения кабелей, доступ к которым обеспечивается при снятой задней панели) выдвигается вперед вместе с передней панелью блока 1, обеспечивая легкий доступ к этим приборам.

Кабельная сеть обеспечивает электрическое соединение приборов с проходным разъемом, расположенным на задней панели корпуса приборного блока.

Все приборы установлены разъемами к задней панели приборного блока.

Нагревательный элемент системы подогрева мощностью 120 W (не показан) закреплен на нижней поверхности опорной площадки.

Нижняя и верхняя панели ПБ - съемные и крепятся к его корпусу с помощью резьбового соединения (винтами).

3. Видеокамера

Видеокамера служит для наблюдения объектов днем. Видеокамера формирует цветной аналоговый видеосигнал стандарта PAL и выдает его через видеомультиплексор на выходной разъем ОПУ, который является выходом ОЭМ.

Технические характеристики видеокамеры приведены в таблице 2.

Таблица 2 Наименование характеристики Значение Матрица 1/4" Super HAD Стандарт видеосигнала PAL Количество пикселей 800000 Минимальная рабочая освещенность, 1х 2,0 Соотношение сигнал/шум, dB 50 Амплитуда выходного сигнала на нагрузку 75 Ω, V 1,0 Фокусное расстояние, mm 3,5…91 Максимальный угол зрения, ° 42 Минимальный угол зрения, ° 1,6 Интерфейс управления RS 232 Напряжение питания, V 12 постоянного тока Потребляемый ток, мА 250 Диапазон рабочих температур (без включения системы подогрева), °С минус 32…+50 Диапазон предельных температур, °С минус 40…+60 Степень защиты IP 65 Влагостойкость, % 98 без конденсата

4. Тепловизор

Тепловизионный прибор (тепловизор) служит для обнаружения и распознавания объектов в отсутствии оптической видимости ночью, а также в сложных метеоусловиях. В ОЭМ применен один из самых современных охлаждаемых тепловизионных приборов 3-го поколения на основе матричного МСТ-детектора, обладающий высокой температурной чувствительностью и узким полем зрения, позволяющим обеспечить дальности распознавания цели типа «человек» более 5 км. Технические характеристики тепловизора приведены в таблице 3.

Таблица 3 Наименование характеристики Значение Размер матрицы, пиксели: 640×512 Поля зрения, град 0,95×1,2   3,8×4,7   12,5×15,3 Степень защиты корпуса IP 66 Диапазон рабочих температур без включения системы подогрева, °С минус 32…плюс 55 Ударопрочность 30 g, 11 ms Виброустойчивость MIL STD 1810F
метод 514.5 Наличие и кратность цифрового ZOOM Есть, кратность=2 Диапазон, µm 3,7…4,8 Стандарт выходного видеосигнала PAL, NTSC Тип детектора МСТ Температурная чувствительность, К 0,025 Интерфейс обмена RS 232 Система охлаждения Стирлинг Габаритные размеры, мм 205 х 206 х 458 Масса, кг 12,5

Тепловизор оснащен трехфокальной оптической системой, формирующей три поля зрения, которые при включении цифрового увеличения достигают значений в широком поле 7,7×6,3, в среднем 2,4×1,9 и узком 0,6×0,45 градуса.

Дальности обнаружения и распознавания цели типа «человек» ночью, указанные выше, получены при минимальном значении поля зрения, коэффициенте прозрачности атмосферы - 0,82, температурном контрасте цели относительно фона - 2К и размере цели 1,8×0,5 м.

Модуль «Фокус-Д» имеет в своем составе комплект программного обеспечения, которое позволяет осуществлять, в частности, цифровую стабилизацию видео- или тепловизионных изображений. Этот режим позволяет удерживать стабильное изображение на экране монитора при медленных угловых колебаниях опоры, на которой может быть размещен модуль. Также программное обеспечение ОЭМ позволяет управлять положением приборного блока и соответственно положением оптических осей тепловизора и видеокамеры, позволяя наводить их поле зрения в необходимую точку пространства. Кроме того, ОЭМ позволяет при работе с видеокамерой или тепловизором создавать и отображать на специальном поле в верхней части экрана монитора панорамные изображения, которые затем могут использоваться как вспомогательная информация для быстрого наведения ОЭМ на отдельные контрольные точки панорамы.

После развертывания оптико-электронный модуль «Фокус-Д» по умолчанию устанавливается в режим работы с видеокамерой. Для перехода в режим работы с тепловизором необходимо щелкнуть по соответствующей электронной клавише.

Для обеспечения максимальной эффективности использования ОЭМ он устанавливается на открытых площадках на высотах, обеспечивающих наибольшую дальность прямой видимости до объектов.

Для обнаружения целей высотой не менее 1 метра дальности прямой видимости составляют:

- при высоте установки модуля 5 метров - не менее 13 км;

- при высоте установки модуля 10 метров - не менее 17 км;

- при высоте установки модуля 15 метров - не менее 20 км.

Установка модуля на высотах больше указанных к увеличению тактических характеристик не приводит.

ОЭМ закрепляют с помощью болтового соединения ОПУ к прочному металлическому основанию опоры, выбранной пользователем для установки ОЭМ.

Крепление модуля осуществляется с помощью четырех болтов диаметром М8, расположенных под углом 90° на диаметре 110 мм.

После закрепления модуля к нижнему выходному разъему 9 (фиг.2) ОПУ подключают внешний кабель.

Ответная часть кабеля должна быть подключена в соответствии с маркировкой, нанесенной на кабеле:

- к устройству видеозахвата;

- к входу Ethernet компьютера (процессорного блока);

- к источнику электропитания постоянного тока напряжением 24V и мощностью не менее 300 W.

Оптико-электронный модуль содержит приборный блок, установленный на платформе. Платформа закреплена на опорно-поворотном устройстве, выполненном с возможностью вращения в азимутальной и угломестной плоскостях. В корпусе приборного блока расположены охлаждаемый тепловизор большой дальности действия и цветная видеокамера. Тепловизор имеет чувствительность 0,025К и узкое поле зрения 0,45x0,6 градуса. Опорно-поворотное устройство соединено с приборным блоком посредством кабеля и включает связанные с контроллером азимутальный и угломестный приводы. Технический результат - повышение дальности распознавания целей. 5 з.п. ф-лы, 3 табл., 2 ил.

1. Оптико-электронный модуль, содержащий приборный блок, установленный на платформе, закрепленной на опорно-поворотном устройстве, выполненном с возможностью вращения в двух плоскостях: азимутальной и угломестной, при этом в корпусе приборного блока расположены охлаждаемый тепловизор большой дальности действия с чувствительностью 0,025К и узким полем зрения 0,45×0,6 градуса и цветная видеокамера, а опорно-поворотное устройство соединено с приборным блоком посредством кабеля и включает связанные с контроллером азимутальный и угломестный приводы.

2. Модуль по п.1, отличающийся тем, что он выполнен с обеспечением возможности вращения подвижной части опорно-поворотного устройства по азимуту - вкруговую, по углу места - в диапазоне ±35 градусов со скоростями до 60 градусов в секунду.

3. Модуль по п.1, отличающийся тем, что охлаждаемый тепловизор и цветная видеокамера установлены на опорной площадке, под которой расположен нагревательный элемент.

4. Модуль по п.1, отличающийся тем, что выполнен с возможностью работы в режиме непрерывного кругового обзора.

5. Модуль по п.1, отличающийся тем, что корпус приборного блока снабжен защитным козырьком.

6. Модуль по п.1, отличающийся тем, что он выполнен с возможностью подключения по меньшей мере к одному процессорному блоку, имеющему на входе устройство преобразования аналогового видеосигнала в цифровой.