ТЕЛЕВИЗИОННО-ЛАЗЕРНЫЙ ВИЗИР-ДАЛЬНОМЕР Российский патент 2014 года по МПК G01C3/08 

Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к устройствам, в том числе автоматического обнаружения и сопровождения объектов средствами технического зрения, например, телевизионными (ТВ) устройствами, с измерением дальности до сопровождаемого объекта.

Высокая точность измерения дальности до объекта обеспечивается лазерными дальномерами (ЛД), угол раствора излучения которых и соответствующее ему поле зрения приемного канала ЛД составляют 2-3 угловые минуты. Такая точность для надежного измерения дальности до объекта без пропусков требует наведения оптической оси ЛД на объект с точностью не хуже 1-1,5 угловой минуты. Следовательно, с не меньшей точностью должна обеспечиваться параллельность оптических осей ЛД и устройств наведения на объекты, что является достаточно сложной технической задачей, т.к. устройства подвергаются механическим нагрузкам, ударам и вибрации, которые расстраивают параллельность оптических осей. Подвижные элементы конструкции на пути оптических осей визирного и приемного каналов также вносят дополнительные погрешности. Кроме того, на параллельность оптических осей сильно влияют температурные деформации конструкции прибора.

Конструктивно принимаются всевозможные меры снижения погрешности параллельности оптических осей, исключения источников погрешностей. Так, например, применяют один и тот же объектив для визирного и приемного каналов, вводятся оптические компенсаторы, системы выверки параллельности оптических осей.

Известно оптическое устройство для ночного/дневного наблюдения и прицеливания (патент RU №2187138 от 27.07.2000 г.), которое содержит головной объектив, являющийся общим как для каналов наблюдения с матричными фотоприемными устройствами, так и для приемного канала ЛД.

Недостаток известного устройства состоит в отсутствии контроля параллельности оптических осей визирных каналов и ЛД в процессе их эксплуатации. Рассогласование визирного и дальномерного каналов в процессе эксплуатации устройства может составить несколько угловых минут и превысить поле зрения ЛД, что при отсутствии контроля за параллельностью оптических осей ведет к промаху при замере дальности до цели. Кроме того, наличие поворотного переключающего зеркала в устройстве тоже может увеличить расхождение оптических осей на десятки угловых секунд.

В устройстве (патент RU №2307322 от 09.08.2005 г.), содержащем передающий канал и визирно-приемный канал, также применен один объектив для визирного и дальномерного каналов. Кроме того, дополнительно введено устройство выверки параллельности оптических осей. Устройство выверки содержит тест-объект с подсветкой, спектроделитель, расположенный под углом к оптической оси приемного канала дальномера, и световозвращатель, установленный перед объективом с возможностью его ввода в зону входного зрачка. Для оперативного согласования визирного и приемного каналов устройство выверки может быть снабжено компенсатором.

Недостаток этого устройства состоит в возможности углового смещения спектроделителя, что ведет к смещению изображения тест-объекта (причем на двойной угол), а это ведет к погрешности параллельности оптических осей дальномерного и визирного каналов. Механическое перемещение при выверке световозвращателя в зону объектива визирно-приемного канала, ввод узла оптического компенсатора с возможностью его перемещения усложняет конструкцию и уменьшает световой ноток, поступающий в устройство наблюдения.

Наиболее близким аналогом является визир-дальномер (патент RU №2444701 от 25.05.2010 г.), содержащий входной объектив, общий для лазерного дальномера и визирного канала, излучатель дальномера, фотоприемное устройство (ФНУ) дальномера с проекционным объективом, спектроделитель, телекамеру (ТК). Спектроделитель выполнен в виде призмы с диагональной спектроделительной поверхностью. На одной грани призмы нанесены полевая диафрагма приемного канала дальномера и опорная марка, на другой грани призмы приклеено сферическое зеркало, которое обеспечивает оптическое сопряжение полевой диафрагмы и опорной марки. Опорная марка подсвечивается источником света.

Недостатки этого устройства состоят в том, что, во-первых, не учитываются систематические и технологические погрешности, вызванные неточностью изготовления деталей и сборки узлов; во-вторых, не учитывается погрешность совмещения изображения опорной и прицельной марок при их совмещении оператором, отсутствует автоматический режим выверки. Суммарная величина погрешностей может превышать единицы угловых минут.

Известен также способ выверки параллельности визирных осей мультиспектральных комплексов (RU №2443988 от 28.05.2010 г.), по которому в качестве опорной марки используется полевая диафрагма приемного канала лазерного дальномера.

Целями настоящего изобретения являются: повышение точности выставки и поддержания параллельности оптических осей приемного канала ЛД и ТК; автоматизация и за счет этого уменьшение времени процесса выверки телевизионно-лазерного визира-дальномера (ТЛВД), а также повышение технологичности и надежности работы ТЛВД.

Поставленные цели достигаются тем, что в ТЛВД введены блок определения центра изображения полевой диафрагмы фотоприемного канала ЛД относительно центра поля зрения телекамеры, вычислительный блок с запоминающими устройствами, формирующий систему координат с центром, совпадающим с центром изображения полевой диафрагмы, и блок формирования прицельной марки, формирующий прицельную марку с центром, совмещенным с центром изображения полевой диафрагмы.

Жесткое размещение элементов устройства выверки на спектроделительной призме и применение полевой диафрагмы ЛД в качестве опорной марки обеспечивают нерасстраиваемость и стабильность, в том числе температурную, параллельности оптических осей ЛД и ТК, а электронные блоки для автоматического определения положения центра изображения диафрагмы повышают точность и сокращают время проведения выверки, снижают конструктивные требования к юстировке оптических элементов, повышают технологичность изготовления ТЛВД, делают его работу более точной и надежной.

На фиг.1 схематично изображен ТЛВД с ходом лучей в его оптической схеме, на фиг.2 представлена функциональная схема электронного блока ТЛВД.

ТЛВД (фиг.1) содержит лазерный излучатель 1, телекамеру (ТК) 2, общий для приемного канала ЛД и ТК входной объектив 3, фотоприемное устройство (ФПУ) 4, проекционный объектив 5, спектроделительную призму 6. Призма 6 имеет спектроделительную поверхность 7, которая отражает лазерное излучение и пропускает весь остальной световой поток. На одной грани призмы 6 нанесена полевая диафрагма 8 приемного канала ЛД, на противоположной грани призмы 6 приклеено сферическое зеркало 9. Центр полевой диафрагмы 8 материализует визирную ось ЛД. Положение зеркала 9 и его радиус обеспечивают перенос оптического изображения полевой диафрагмы 8 в плоскость матрицы ТК 2. Световой поток от источника света 10, отражаясь от боковой матовой поверхности оптической пластины 11 и дихроичной поверхности линзы 12 проекционного объектива 5, подсвечивает полевую диафрагму 8. Дихроичная поверхность линзы 12 пропускает отраженное от объекта лазерное излучение и отражает остальной световой поток.

Электронный блок 13 ТЛВД содержит (фиг.2) блок определения центра изображения диафрагмы (БОЦД) 14, соединенный своим входом с выходом ТК 2, а выходом с входом вычислительного блока (БВ) 15, второй вход которого подключен к выходу постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) 16. Выход БВ 15 соединен с входом перепрограммируемого запоминающего устройства (ППЗУ) 18, с которого координаты оптической оси ЛД передаются на внешние устройства (на фиг.2 не показаны).

Для визуализации процесса выверки и возможности ручного наведения оптической оси дальномера на объект в электронный блок 13 дополнительно введены блок формирования прицельной марки (БФПМ) 17 и сумматор видеосигналов (СВС) 19. Выходы ТК 2 и БФПМ 17 подключены к входам СВС 19, видеосигнал с которого передается на внешние устройства (на фиг.2 не показаны).

ТЛВД в режиме выверки работает следующим образом (фиг.1 и фиг.2). Включают источник света 10, подсвечивающий полевую диафрагму 8 приемного канала ЛД. При этом на выходе ТК 2 формируется видеосигнал с изображением полевой диафрагмы 8. В БОЦД 14 видеосигнал обрабатывается, и определяются координаты центра изображения диафрагмы 8 относительно центра матрицы ТК 2.

В ПЗУ 16 записана систематическая погрешность конкретного ТЛВД между оптической осью приемного канала ЛД и центром изображения диафрагмы 8, выявленная при производстве ТЛВД. В БВ 15 координаты центра изображения полевой диафрагмы 8 алгебраически суммируются с соответствующими значениями погрешности, записанными в ПЗУ 16. При этом на выходе БВ 15 формируются координаты оптической оси ЛД относительно центра матрицы ТК 2. Эти координаты записываются в ППЗУ 18. В БФПМ 17 формируется прицельная марка, центр которой должен быть расположен с учетом полученных координат оптической оси ЛД.

Видеосигналы ТК 2 и БФПМ 17 суммируются в СВС 19, суммарный видеосигнал с изображением окружающего пространства и прицельной марки, а также координаты оптической оси ЛД выдаются па внешние устройства (на фиг.2 не показаны) для дальнейшего использования.

Автоматический контроль и устранение непараллельности оптических осей ЛД и ТК позволяют устранить погрешность оператора наведения ЛД на цель, уменьшает время выверки, снижает требования к установке и юстировке элементов оптической схемы. Все вышеописанное повышает точность, надежность и технологичность изделия.

В телевизионно-лазерном визире-дальномере установлена спектроделительная призма, на одной грани которой нанесена полевая диафрагма приемного канала лазерного дальномера, которая используется в качестве опорной марки, а на другой грани приклеено сферическое зеркало, проектирующее диафрагму в телекамеру визирного канала. В электронном блоке определяются координаты центра изображения диафрагмы относительно поля зрения визирного канала и строится телевизионное изображение прицельной марки в соответствии с полученными координатами. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Телевизионно-лазерный визир-дальномер, содержащий дальномер с излучающим и приемным каналами, визирный канал с телекамерой, входной объектив, общий для приемного канала дальномера и телекамеры, спектроделительную призму, разделяющую лазерный и визирный световые потоки, полевую диафрагму с подсветкой и сферическое зеркало, формирующее изображение полевой диафрагмы на телекамере визирного канала, отличающийся тем, что в него введены блок определения положения центра изображения полевой диафрагмы относительно центра телекамеры, постоянное запоминающее устройство, вычислительный блок, перепрограммируемое запоминающее устройство, причем блок определения положения центра изображения полевой диафрагмы подключен своим входом к выходу телекамеры, а выходом - к входу вычислительного блока, второй вход которого подключен к выходу постоянного запоминающего устройства, а выход соединен с входом перепрограммируемого запоминающего устройства.

2. Телевизионно-лазерный визир-дальномер по п.1, отличающийся тем, что в него дополнительно введены блок формирования прицельной марки и сумматор видеосигналов, причем вход формирования прицельной марки соединен с выходом перепрограммируемого запоминающего устройства, а выходы - с первым входом сумматора видеосигналов, второй вход которого подключен к выходу телекамеры.