СПОСОБ ПАССИВНОГО ОБНАРУЖЕНИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ МАЛОГАБАРИТНЫХ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ Российский патент 2016 года по МПК G01S17/06 

Изобретение относится к области обнаружения, распознавания и определения координат малогабаритных беспилотных летательных аппаратов (МБЛА) и прицеливания по ним и может быть использовано в военной технике.

Известны различные способы и технические решения для обнаружения летательных аппаратов с использованием способа кругового обзора матричным фотоприемным устройством и устройство для его осуществления (патент РФ №2445644), оптическим локатором кругового обзора (патент РФ №2352957) [1,2]. Недостатками являются сложность конструкции, большие размеры, большая мощность двигателя для вращения камеры (кругового обзора) и соответственно ошибки в снятии результата.

Способы визуально-оптического контроля лазерного сканирования атмосферы и автоматизированного определения координат беспилотных летательных аппаратов (патенты РФ №№2489732, 2523446) [3,4]. Основным недостатком является демаскирующая составляющая данных способов, связанная с использования лазерного излучения, что снижает эффективность использования приведенных способов по обнаружению и определению пространственных координат МБЛА.

Способ обнаружения объектов (патент РФ №2331084 прототип) заключается в селекции объекта на удаленном фоне, заключающийся в приеме и формировании двух изображений в двух пространственно разнесенных точках, а также одновременной регистрации сформированных цифровых изображений, отличающийся тем, что опорное и сравниваемое цифровые изображения регистрируют одномоментно для каждого фрагмента (пикселя) изображений двумя идентичными видеосистемами на основе многоэлементных высокоскоростных фотоприемников, например CMOS-матриц с объективами, которые предварительно фиксируют на небольшом, по сравнению с удалением от предполагаемого места появления объекта, расстоянии между собой параллельно друг другу в направлении на контролируемое пространство, а анализ изображений проводят при помощи определения величин смещения Δ характерных фрагментов сравниваемого изображения с аналогичными фрагментами опорного при максимально возможном их совпадении в направлении параллактического смещения и последующего выявления селектируемого и фоновых объектов из полученных смещений Δ и т.д. [5].

Известный способ имеет следующие недостатки: невозможно обнаружить МБЛА на 360° по горизонтали и на 90° по вертикали, так как он позволяет обнаружить объект в направлении на контролируемое пространство в переделах работы видеосистем на основе многоэлементных высокоскоростных фотоприемников, например CMOS-матриц с объективами, невозможностью определения пространственных координат МБЛА и определения их дальнейшего направления движения.

Задачей, стоящей перед настоящим изобретением, является повышение возможности обнаружения МБЛА на 360° по горизонтали и на 90° по вертикали, определение пространственных координат МБЛА и его дальнейшего направления движения, с целью последующей борьбы с ними.

Поставленная задача решается следующим образом.

В способе пассивного обнаружения и определения координат МБЛА, заключающемся в приеме и формировании двух изображений в трех точках 1 с двумя равными базами 2, размещенными на Г-образной платформе с углом 90° посередине и с четырьмя стереопарами, состоящими из восьми телевизионных датчиков 3 с одинаковыми характеристиками, размещенными под углами 45° выше линии горизонта, при этом в средней точке размещены четыре телевизионных датчика 3, расположенных по горизонтали через каждые 90° (фиг. 1), тем самым в сумме создавая обзор пространства на 360° и возможностью обнаруживать МБЛА в пространстве. В двух остальных точках комплекта телевизионные датчики размещены по горизонтали через 180 друг от друга (фиг. 1), тем самым образуя стереопары с четырьмя телевизионными датчиками центральной точки. Такое построение стереопар предназначено для определения дальности до МБЛА 6 в пассивном режиме на 360 по горизонтали и на 90° по вертикали. Все телевизионные датчики жестко закреплены и строго отъюстированы между собой по парам и имеют выходы соответственно соединенные с входами ЭВМ 4 (фиг. 2). Соединение между телевизионными датчиками 3 и ЭВМ осуществляется проводами, проложенными внутри платформы 2 и кабель-канала 5. Питание всех элементов устройства производится от аккумуляторной батареи ЭВМ 4 (фиг. 3).

Управление работой и обработкой полученной информации осуществляется программным обеспечением ЭВМ 4, в которое вводятся исходные данные: координаты Г-образной платформы (X_пл,Y_пл,Z_пл) и величины ориентирования ее по направлению в пространстве. Данные вводятся в автоматическом режиме с помощью датчика топопривязки и навигации 7 [6].

Способ пассивного обнаружения и определения координат малогабаритных беспилотных летательных аппаратов работает следующим образом: электромагнитное излучение от МБЛА 6 поступает на два телевизионных датчика, в данном случае стереопара: 3.1.2 и 3.2.2 (фиг. 3). Обнаружение МБЛА 6 происходит на основе сравнения кадров видеопоследовательности и определения геометрических и цветовых изменений сформированных изображений телевизионным датчиком 3.2.2 [5]. ЭВМ 4 автоматически выбирает основной телевизионный датчик для определения дальности до МБЛА, в данном случае - 3.1.2 и для определения угла γ телевизионный датчик - 3.2.2 (фиг. 4).

Дальность D до МБЛА определяется по величине параллактического угла γ и по величине базы прибора Б (стереоскопический базовый метод измерения дальности) [6], определяемой положением точки проецирования МБЛА на матрице ПЗС 8 (фиг. 5)

В приборе угол γ определяется исходя из величины линейного параллакса P, измеренного по прибору как

где f - фокусное расстояние объективов прибора.

Анализ изображений проводится с помощью ЭВМ 4 и определяется величина смещения точки пикселя оптической оси P_3.1.2 (телевизионный датчик 3.1.2), которая является точкой луча для определения дальности D₁ 9 и точкой пикселя, параллельной оптической оси стереопары (телевизионный датчик 3.2.2), относительно ее определяется Р_3.2..2 10 и соответственно γ (фиг. 5). Телевизионные датчики жестко закреплены, отъюстированы и скоординированы их матрицы ПЗС, поэтому ошибка определения расстояния до МБЛА не большая.

Дальность D₁ до МБЛА определяется по формулам (1) и (2) с учетом величин параллактического угла γ=P_3.2.2/f и базы между телевизионными датчиками Б (фиг. 6). Используя координаты Г-образной платформы и углы направления ε_МБЛА, α_МБЛА, ЭВМ 4 рассчитывает пространственные координаты МБЛА в оптическом диапазоне электромагнитных волн. Анализируя изменяющиеся пространственные координаты МБЛА 6, ЭВМ 4 определяет скорость и направление движения, что позволяет производить сопровождение МБЛА.

Информация о координатах Г-образной платформы рассчитывается в автоматическом режиме и поступает с датчика топопривязки и навигации 7 или введенных данных в ручном режиме, полученных с топографических карт (например, X_пл, Y_пл, Z_пл), поступает в ЭВМ 4. В ЭВМ 4 полученные данные о расстоянии между Г-образной платформой и МБЛА, равном D1, горизонтальном угле α_МБЛА и вертикальном угле ε_МБЛА (телевизионного датчика), в данном случае ε_МБЛА=45°-ε_тд, с Г-образной платформы на МБЛА 6, обрабатываются и рассчитываются пространственные координаты МБЛА по формулам (фиг. 6), где угол по горизонтали - βМБЛА рассчитывается формуле (Pα величина приращения параллактического смещения Ρ_3.1.2 по оси X ПЗС - матрицы телевизионного датчика), а угол по вертикали ε_тд рассчитывается по формуле , (P ε_тд величина приращения параллактического смещения Р_3.1.2 по оси Υ ПЗС - матрицы телевизионного датчика) (фиг. 5) [4].

На основе постоянной корректировки местоположения МБЛА на мониторе ЭВМ 4 оператору выдается информация текущих координат и расстояния до цели, а также вырисовывается направление его движения для прицеливания средства борьбы с МБЛА.

Таким образом, способ пассивного обнаружения и определения координат малогабаритных беспилотных летательных аппаратов, имея малые габариты, энергопотребление и стоимость, позволяет обнаруживать МБЛА на 360° по горизонтали и на 90° по вертикали, в оптическом диапазоне электромагнитных волн, определяя пространственные координаты МБЛА в пассивном режиме, с целью последующей борьбы с ними.

Источники информации

1. Броун Φ.М., Волков Р.И., Филатов М.И., Хазов A.M. Способ кругового обзора матричным фотоприемным устройством и устройство для его осуществления. - ФИПС. Патент на изобретение №2445644, 20.03.2012 г.

2. Архипов В.Г., Чжан Ю.В. Оптический локатор кругового обзора. - ФИПС. Патент на изобретение №2352957, 20.04.2009 г.

3. Попсуй С.П., Таурин В.Э., Швецов И.В., Швецова С.А. Способ визуально-оптического контроля лазерного сканирования атмосферы. - ФИПС. Патент на изобретение №2489732, 10.08.2013 г.

4. Шишков С.В. Способ автоматизированного определения координат беспилотных летательных аппаратов. - ФИПС. Патент на изобретение №2523446, 26.05.2014 г.

5. Подгорнов В.А. Способ обнаружения объектов. - ФИПС. Патент на изобретение №2331084, 10.08.2008 г.

6. Шишков С.В. Программа определения геометрических изменений на кадрах видеопоследовательности для обнаружения ДПЛА / Музаи К., Устинов Е.М., Пархоменко А.В., Чернов Е.М., Щербаков А.С. / Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2013611694, 31.01.13. Федеральный институт промышленной собственности.

Изобретение относится к области обнаружения, распознавания и определения координат малогабаритных беспилотных летательных аппаратов (МБЛА) и прицеливания по ним и может быть использовано в военной технике. Прием и формирование изображений осуществляют в трех точках, размещенных на Г-образной платформе с двумя равными базами под углом 90°. В средней точке размещены четыре телевизионных датчика, размещенных по горизонтали через каждые 90°, тем самым в сумме создавая обзор пространства на 360° и возможность обнаруживать МБЛА в пассивном режиме. Две другие точки комплекта телевизионных датчиков размещены по горизонтали через 180° друг от друга, тем самым образуя стереопары с четырьмя телевизионными датчиками центральной точки для определения дальности и координат до МБЛА в пассивном режиме. Технический результат - повышение возможности обнаружения МБЛА. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ пассивного обнаружения и определения координат малогабаритных беспилотных летательных аппаратов (МБЛА), заключающийся в селекции объекта на удаленном фоне, приеме и формировании изображений в пространственно разнесенных точках, а также одновременной регистрации сформированных цифровых изображений высокоскоростными фотоприемниками, анализ изображений проводят при помощи определения величин смещения характерных фрагментов сравниваемого изображения с аналогичными фрагментами опорного, отличающийся тем, что в приеме и формировании изображений используются три точки с двумя равными базами, размещенными на Г-образной платформе с углом 90° посередине и с четырьмя стереопарами, состоящими из восьми телевизионных датчиков с одинаковыми характеристиками, размещенных под углами 45° выше линии горизонта, при этом в средней точке размещены четыре телевизионных датчика, размещенных по горизонтали через каждые 90°, тем самым в сумме создавая обзор пространства на 360° и возможность обнаруживать МБЛА в пассивном режиме.

2. Способ пассивного обнаружения и определения координат МБЛА по п. 1, отличающийся тем, что две другие точки комплекта телевизионных датчиков размещены по горизонтали через 180° друг от друга, тем самым образуя стереопары с четырьмя телевизионными датчиками центральной точки для определения дальности до МБЛА в пассивном режиме.

3. Способ пассивного обнаружения и определения координат МБЛА по п. 1, отличающийся тем, что анализ изображений проводится с помощью ЭВМ и определяется величина смещения точки пикселя оптической оси первого телевизионного датчика стереопары, которая является точкой луча для определения дальности до МБЛА и точкой пикселя параллельной оптической оси второго телевизионного датчика стереопары, относительно которой определяется смещение пикселя как величина линейного параллакса Ρ и рассчитывается параллактический угол γ по выражению γ=P/f, где f - фокусное расстояние объективов телевизионных датчиков, дальность до МБЛА рассчитывается по формуле Д=Б/tgγ, где Б - расстояние между стереопарами.

4. Способ пассивного обнаружения и определения координат МБЛА по п. 1, отличающийся тем, что и определения пространственных координат X_МБЛА, У_МБЛА, Z_МБЛА заключается в расчете ЭВМ по формулам X_МБЛА=X_ПЛ+ΔX=X_ПЛ+Дcos (α_МБЛА), У_МБЛА=У_ПЛ+ΔУ=У_ПЛ+Дsin (α_МБЛА), Z_MBЛA=Z_ПЛ+ΔZ=Z_ПЛ+Дsin (ε_МБЛА), где α_МБЛА - угол по горизонтали, который рассчитывается по величине приращения параллактического смещения точки пикселя по оси X ПЗС - матрицы телевизионного датчика, ε_МБЛА - угол по высоте, который рассчитывается по формуле ε_МБЛА=45°±ε_тд, где ε_тд рассчитывается по величине приращения параллактического смещения точки пикселя по оси Y ПЗС - матрицы телевизионного датчика, при этом информация о пространственных координатах Г-образной платформы X_ПЛ, Y_ПЛ, Z_ПЛ вводится в ЭВМ в ручном режиме или в автоматическом режиме с датчика топопривязки и навигации.