Комбинированная многоканальная головка самонаведения Российский патент 2019 года по МПК F41G7/00 

Предлагаемое изобретение относится к авиационной технике, в частности, к оптоэлектронным головкам самонаведения (ГСН), используемым в малогабаритных авиационных средствах поражения, запускаемых с беспилотных летательных аппаратов или боевых вертолетов.

Известна комплексная головка самонаведения (варианты) (см. патент РФ на изобретение №2483273, М.кл. F41G 7/22, опубл. 27.05.2013 г.), содержащая по первому варианту оптическую и инфракрасную цифровые фотокамеры, блок порогового пропускания сигнала оптической фотокамеры, блок выключения инфракрасных пикселей, электронный ключ и линию задержки, прибор ночного видения, сигнал с которого поступает на специализированный компьютер системы управления, где с заданной степенью достоверности сравнивается с имеющимися в памяти компьютера всеракурсными изображениями всех известных самолетов, и после идентификации типа самолета компьютер определяет заранее заданное разрешение или запрещение поражения цели, причем на цели выбирается заранее запрограммированное наиболее уязвимое место, и дальнейшее наведение осуществляется в это место по показаниям прибора ночного видения.

При этом прибор ночного видения имеет диапазон автоматической регулировки усиления, позволяющий различать цели и днем.

Компьютер имеет программу сравнения двух или более соседних кадров прибора ночного видения с удалением элементов изображения, не совпадающих на этих кадрах.

В данной ГСН идентификация целей осуществляется только по контуру самолета. Причем если цель не идентифицирована с заданной достоверностью ни с одним из имеющихся в памяти компьютера самолетов, то она поступает в разряд разрешенных к поражению.

Компьютер имеет следующую программу: если цель идентифицируется как свой или гражданский самолет, то компьютером подается команда на изменение направления полета и осуществляется самостоятельный поиск цели путем отклонения головки, или осуществляется перенацеливание на одну из целей, математические модели которых имеются в памяти компьютера.

Кроме того, компьютер имеет следующую программу: если включилось управление по прибору ночного видения, то компьютер отключает систему переноса точки попадания с сопла на фюзеляж (систему опережения), если она имелась на ракете.

По второму варианту комплексная головка самонаведения содержит оптическую и инфракрасную цифровые фотокамеры, блок порогового пропускания сигнала оптической фотокамеры, блок выключения инфракрасных пикселей, электронный ключ и линию задержки, при этом сигнал с инфракрасной камеры поступает на специализированный компьютер системы управления, где с заданной степенью достоверности сравнивается с имеющимися в памяти компьютера всеракурсными изображениями всех известных самолетов, и после идентификации типа самолета компьютер определяет заранее заданное разрешение или запрещение поражения цели, причем на цели выбирается заранее запрограммированное наиболее уязвимое место, и дальнейшее наведение осуществляется в это место по показаниям инфракрасной камеры.

При этом ГСН имеет пассивный или активный радиолокатор.

Используемые в данной ГСН телевизионный (ТВ) и тепловизионный (ТПВ) приемники разнесены друг от друга, поэтому при наблюдении за объектом возникает параллакс, и наложение изображений от ТВ и ТПВ приемников получается некачественным. Кроме того, разнесение ТВ и ТПВ приемников значительно увеличивает габариты ГСН. Помимо этого, используемые приемники неатермальны, что приводит к необходимости принудительной подфокусировки при изменении внешних воздействующих факторов.

Следует отметить также, что в известной ГСН при проведении обнаружения, захвата, автосопровождения и распознавания объекта оптической системой ТВ и ТПВ приемников не удается достичь высокой точности из-за воздействия на нее внешних факторов.

В целом, данная ГСН не обеспечивает получение качественного изображения объекта с достаточной точностью из-за ее незащищенности от воздействия внешних факторов, а конструктивное исполнение ГСН имеет значительные габариты.

Известна пассивная двухспектральная ГСН для зенитных управляемых ракет (см. патент РФ на полезную модель №127889, М.кл. F41G 7/26, опубл. 10.05.2013 г.), содержащая гирокоординатор, имеющий оптическую систему и модулирующие растры инфракрасного и фотоконтрастного каналов, установленные на роторе гироскопа, фотоприемники каналов, установленные на внутренней рамке карданова подвеса гироскопа, усилители сигналов, ключ переключения каналов оператором, узел селекции цели и формирования сигнала коррекции оси гироскопа, включающий цепь обработки видеосигнала от цели, содержащую последовательно соединенные управляемый делитель видеосигнала, усилитель несущей частоты, блок стробирования видеосигнала от цели, детектор, ограничитель и усилитель огибающей, выход которого подключен к катушке коррекции положения оси гироскопа, размещенной на гирокоординаторе, цепь формирования сигналов для стробирования видеосигнала от цели в зависимости от фазы вращения ротора гироскопа и пеленга его оси относительно оси ракеты, подключенную ко второму входу блока стробирования видеосигнала от цели и включающую датчики фазы вращения ротора гироскопа и пеленга его оси относительно оси ракеты, установленные на корпусе ГСН, и подключенные к первому и второму входам блока формирования сигнала для стробирования видеосигнала от цели данной цепи, при этом в составе узла селекции цели и формирования сигнала коррекции оси гироскопа имеется цепь формирования сигнала для стробирования видеосигнала от цели в зависимости от наличия организованных помех, выполненная в виде последовательно включенных усилителя, вход которого подключен к выходу фотоприемника оптического канала, детектора, блока формирования сигнала для стробирования видеосигнала от цели в зависимости от наличия организованных помех, выход которого через второй ключ оператора подключен к третьему входу блока стробирования видеосигнала от цели, при этом третий вход блока формирования сигнала для стробирования видеосигнала в зависимости от фазы вращения ротора и пеленга его оси относительно оси ракеты подключен к блоку формирования сигнала о типе организованных помех, а его выход подключен к блоку стробирования видеосигнала от цели через третий ключ оператора, кроме того, вторые входы управляемого делителя и ограничителя огибающей цепи обработки видеосигнала от цели подсоединены к блоку формирования коэффициента ослабления видеосигнала в функции измеряемой дальности до цели.

В данной ГСН, в отличие от предыдущего аналога, имеется гирокоординатор с оптической системой и модулирующими растрами инфракрасного и оптического каналов, что позволяет удерживать линии визирования инфракрасного и оптического каналов. Однако стабильность удержания невысока из-за того, что селекция и формирование сигнала коррекции производится с помощью последовательно соединенных аналоговых блоков, что значительно увеличивает уровень суммарной ошибки и снижает точность обработки, быстродействие ГСН также невелико. ГСН по данному патенту выбрана в качестве прототипа.

Достигаемым техническим результатом предлагаемой ГСН является повышение точности и быстродействия ГСН путем расположения ТВ и ТПВ приемников на гиростабилизированной платформе с системой стабилизации линий визирования приемников в узких угловых пределах и использования цифровой обработки видеоизображений.

Достижение указанного технического результата обеспечивается в предлагаемой комбинированной многоканальной головке самонаведения, содержащей гирокоординатор, внутри наружного карданового подвеса которого установлен оптический блок, содержащий связанные между собой приемники телевизионного (ТВ) и тепловизионного (ТПВ) каналов и объектив, систему стабилизации осей гирокоординатора, блок обработки видеосигнала от цели, отличающейся тем, что гирокоординатор представляет собой гиростабилизированную платформу (ГСП), карданов подвес которой выполнен двухосным, позволяющим с помощью системы стабилизации стабилизировать изображение по курсу и тангажу, для чего система стабилизации осей гирокоординатора (СС) содержит связанные между собой датчики угла, датчики угловой скорости, двигатели стабилизации и электронную плату стабилизации, при этом в оптическом блоке ТВ и ТПВ приемники расположены на одной оптической оси комбинированного объектива, а электронная плата обработки изображения от цели выполнена с возможностью распознавания как стационарных целей путем сравнения их контурных и текстурных признаков, так и малоразмерных целей путем анализа вектора признаков цели, полученных в оптическом и инфракрасном диапазонах, а также с возможностью сопровождения цели с одновременным отслеживанием ее масштаба во времени.

Тепловизионный канал образован главным эллиптическим зеркалом, вторичным зеркалом со спектроделительной гиперболической поверхностью, линзовым компенсатором аберраций, состоящим из трех линз - отрицательного мениска, двояковыпуклой линзы и положительного мениска, выполненных из германия, и упомянутым приемником тепловизионного канала в виде матричного фотоприемника, работающего в диапазоне 8-12,5 мкм..

Телевизионный канал образован главным эллиптическим зеркалом, четырехлинзовым компенсатором аберраций, состоящим из вторичного зеркала, выполненного в виде менисковой линзы со спектроделительной гиперболической поверхностью, менисковой положительной линзы, отрицательного мениска и двояковыпуклой линзы, и упомянутым приемником телевизионного канала в виде матричного фотоприемника, работающего в диапазоне 0,55-0,9 мкм.

Выполнение в предлагаемой комбинированной многоканальной головке самонаведения (ГСН) гирокоординатора в виде гиростабилизированной платформы с системой стабилизации осей по курсу и тангажу, включающей датчики угла, малогабаритные датчики угловой скорости и электронную плату стабилизации, которая с высоким быстродействием управляет двигателями стабилизации и позволяет удерживать линии визирования ТВ и ТПВ каналов в очень узких угловых пределах - до 4 угл. сек., обеспечивает высокую точность ГСН.

При этом расположение в оптическом блоке ТВ и ТПВ приемников на одной оптической оси комбинированного объектива реализует оптическую схему ГСН с единым входным зрачком, что позволяет убрать параллакс при наблюдении за объектом и тем самым повысить точность получаемого изображения.

Электронная плата обработки видеоизображений от цели с возможностью распознавания как стационарных целей путем сравнения их камера 6, ТПВ камера 8 и объектив 9. Двигатели 3 стабилизации, датчики 4 угла и датчики 7 угловой скорости, соединенные с электронной платой 2 стабилизации и обработки видеоизображений.

В ГСН также имеются вторичные источники питания, связанные с соответствующими узлами ГСН.

На оптической принципиальной схеме оптического блока (фиг. 2) показаны:

10 - защитное стекло в виде концентрической сферической линзы с центром кривизны поверхностей, совпадающим с точкой А прокачки оптической системы и двух каналов (ТВ и ТПВ);

11 - главное эллиптическое зеркало;

12 - вторичное зеркало;

13 - спектроделительная гиперболическая поверхность вторичного зеркала 13;

14 - отрицательный мениск линзового компенсатора аберраций;

15 - двояковыпуклая линза линзового компенсатора аберраций;

16 - положительный мениск линзового компенсатора аберраций;

17 - матричный фотоприемник;

18 - менисковая положительная линза линзового компенсатора аберраций;

19 - отрицательный мениск линзового компенсатора аберраций;

20 - двояковыпуклая линза линзового компенсатора аберраций;

21 - матричный фотоприемник. ТПВ - канал образуют:

- главное эллиптическое зеркало 11, вторичное зеркало 12 со спектроделительной поверхностью 13, отражающей излучение спектрального диапазона Δλ₁=8-12,5 мкм, линзовый компенсатор аберраций, состоящий из трех линз: отрицательного мениска 14, двояковыпуклой линзы 15 и положительного мениска 16, выполненных из германия и матричный фотоприемник 17, работающий в диапазоне Δλ₁=8-12,5 мкм. контурных и текстурных признаков, так и малоразмерных целей путем анализа вектора признаков цели, полученных в оптическом и инфракрасном диапазонах, а также с возможностью сопровождения цели с одновременным отслеживанием ее масштаба во времени, реализует операции захвата, автосопровождения, распознавания цели в цифровом виде с помощью разработанных алгоритмов обработки видеоизображений. Цифровая обработка по разработанным алгоритмам обеспечивает высокую точность и быстродействие предлагаемой ГСН.

Предлагаемая комбинированная многоканальная ГСН поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведена структурная схема предлагаемой комбинированной многоканальной ГСН, на фиг. 2 приведена принципиальная оптическая схема оптического блока предлагаемой ГСН, на фиг. 3, 4, 5 приведены блок-схемы алгоритмов обработки видеоизображений, реализуемых в электронной плате обработки видеосигнала: на фиг. 3 - двухпроходного алгоритма распознавания стационарных целей; на фиг. 4 - алгоритма автоматического обнаружения малоразмерных целей; на фиг. 5 - алгоритма сопровождения целей.

В соответствии с фиг. 1 предлагаемая ГСН содержит:

1 - карданов подвес;

2 - электронную плату стабилизации и обработки изображения;

3 - двигатели стабилизации (ДС);

4 - датчик угла (ДУ);

5 - гиростабилизированную платформу;

6 - ТВ - камеру;

7 - датчик угловой скорости;

8 - ТПВ - камеру;

9 - объектив.

При этом внутри наружного двухосного карданова подвеса 1 гиростабилизированной платформы 5 установлены оптически связанные ТВ ТВ - канал образуют:

- главное эллиптическое зеркало 11, четырехлинзовый компенсатор аберраций, состоящий из вторичного зеркала 12, менисковой положительной линзы 18, отрицательного мениска 19, и двояковыпуклой линзы 20, матричный фотоприемник 21, работающий в диапазоне Δλ₂=0,55-0,9 мкм.

Рассмотрим работу предлагаемой комбинированной многоканальной ГСН.

Комбинированный объектив 9 ГСН, работающий одновременно в видимом и ИК областях спектра, формирует на входе в электронную плату 2 стабилизации и обработки изображения одновременно два сигнала: от тепловизионной камеры 8 и от телевизионной камеры 6. На выходе электронная плата 2 стабилизации и обработки изображения формирует информацию о нахождении объекта в кадре относительно его центра.

Выполнение электронной платой 2 стабилизации и обработки изображения от цели распознавания как стационарных целей путем сравнения их контурных и текстурных признаков, так и малоразмерных целей путем анализа вектора признаков цели, полученных в оптическом и инфракрасном диапазонах, а также сопровождения цели с одновременным отслеживанием ее масштаба во времени, реализует операции захвата, автосопровождения, распознавания цели в цифровом виде путем разработанных алгоритмов обработки видеоизображений.

ГСН, работает в следующих режимах:

- в режиме стабилизации;

- управляемого разворота гиростабилизированной платформы 5 в режиме внешнего целеуказания;

- управляемого разворота гиростабилизированной платформы 5 в режиме автоматического сопровождения (АС) цели.

Каждый тракт (курс и тангаж) системы стабилизации осей гирокоординатора в режиме стабилизации работает следующим образом.

Чувствительным элементом системы стабилизации тракта является датчик 7 угловой скорости (ДУС), установленный на ГСП 5. При отклонении платформы 5 от заданного положения под действием на нее возмущающих моментов, ДУС 7 передает скорость этого отклонения в цифровом виде в заданном масштабе в электронную плату 2 стабилизации и обработки изображения. В плате 2 стабилизации и обработки изображения путем интегрирования скорости, рассчитывается угол отклонения ГСП 5 от заданного положения, осуществляется усиление сигнала рассогласования и формируется коррекция этого сигнала с обеспечением устойчивости тракта при его высокой добротности. Сигнал рассогласования в плате 2 стабилизации и обработки изображения соответствующего тракта преобразуется в напряжение, обеспечивающее необходимую мощность и создает токи в обмотках двигателя 3 стабилизации (ДС), пропорционально которым ДС 3 развивает стабилизирующий момент и парирует возмущающий момент по соответствующей оси.

Управление положением ГСП 5 в инерциальном пространстве в режимах управляемого разворота или автосопровождения цели осуществляется путем принятия платой 2 стабилизации и обработки изображения управляющих кодов разворота ГСП 5. Заданные управляющие коды сравниваются с текущими кодами угловых скоростей, поступающими от ДУС 7, сигнал рассогласования формирует токи в обмотках ДС 3. Платформа 5 под воздействием момента ДС 3 разворачивается до момента, когда коды угловых скоростей, заданные и измеренные ДУС 7 сравняются, после чего происходит снятие кода управления.

Управление положением ГСП в инерциальном пространстве в режиме внешнего целеуказания осуществляется по информации об угловом положении цели, рассчитанной в базовой системе координат изделия. В плате 2 стабилизации и обработки изображения осуществляется сравнение текущих углов, с заданными при этом задается код скорости разворота по данной оси, до отработки рассогласования.

Рассмотрим пример реализации предлагаемой комбинированной многоканальной ГСН.

Плата 2 стабилизации и обработки видеоизображений построена на основе микроконтроллера STM32F429 с процессорным ядром ARM Cortex М4 и системы-на-кристалле Altera Arria V SoC 5ASXMB3E4F31, содержащую 2-ядерный блок ЦПУ ARM Cortex А9 с частотой 1050 МГц. При этом вычислители вместе с периферийными и интерфейсными узлами и 1Гб DDR3 памятью размещаются на единой печатной плате в габаритах 120×120 мм.

Для удовлетворения требований, предъявляемых к системе гиростабилизации МКТТ ГСН, в качестве двигателя 3 стабилизации, датчика 4 угла и датчика 7 угловой скорости могут быть использованы прецизионные двигатель, датчик угла и датчик угловой скорости.

В прецизионных устройствах углового позиционирования, каким является ГСП, становятся особенно заметными эффекты, связанные с наличием системы механической передачи, такие как уменьшение полосы пропускания, возникновение шумов и т.п. Применение двигателя с прямой передачей момента вращения (моментного двигателя) в качестве двигателя стабилизации позволяет исключить вышеназванные недостатки в работе привода. Двигатель с прямой передачей момента вращения развивает высокий момент, обеспечивают быстрое ускорение, неизменность скорости вращения и прецизионность управления. Поскольку нагрузка передается непосредственно на двигатель, система стабилизации с применением моментного двигателя обладает высокой механической жесткостью.

Применение моментного двигателя в системе стабилизации дает значительные преимущества, однако предъявляет и более высокие требования к системе управления перемещением, в частности, к датчику 4 угла. Магнитный датчик угла поворота AS5048A (Austria Microsystems), работая в паре с моментным двигателем ДБ-055, позволяют создавать высокоточные СС. Система измерения угла поворота представляет собой однокристальную микросхему AS5048A с размерами корпуса 5,3×6,2 мм и поворотный магнит, размещенный напротив микросхемы. В силу того, что определение угла происходит бесконтактно, такая конструкция имеет повышенную надежность за счет исключения трущихся частей, и идеально подходит для применения в неблагоприятных условиях эксплуатации, обеспечивая при этом высокую точность измерения.

В качестве чувствительного элемента системы стабилизации ГСН предполагается использование датчика угловой скорости - ADIS16362. ADIS16362 - функционально законченный инерциальный датчик с 3 степенями свободы, он включает в себя трехосевой гироскоп с возможностью выбора диапазона ±75, ±150 или ±300% и температурный датчик. На выходе прибор выдает 14-разрядные данные, соответствующие угловым скоростям и ускорению по всем трем осям, и 12-разрядные данные, соответствующие температуре. Датчик представляет собой модуль размером 23×23×23 мм с 24-выводным разъемом. Рассчитан на температурный диапазон -40… +105°С.

Основными параметрами, определяющими характеристики оптического блока ГСН, являются:

1. Габаритные размеры: световой диаметр не более 100 мм, продольная длина не более 220 мм, включая приемник (длина приемника ТПВ - 39÷42 мм, приемника ТВ - менее 50 мм).

2. Приемник ТПВ канала (ИК - камера 8): 640×480 пикселей, размер пикселя 17 мкм. Диагональ приемника 13,6 мм.

3. Приемник ТВ канала (ТВ - камера 6) - КМОП-матрица размером 4,8×3,6 мм с размером пикселя 3,75 мкм.

Предлагается совмещенная оптическая система 2-х каналов - ТПВ и ТВ, оптические оси которых пространстве предметов и положение входных зрачков - D совмещены.

Изобретение относится к авиационной технике, в частности к оптоэлектронным головкам самонаведения (ГСН), используемым в малогабаритных авиационных средствах поражения, запускаемых с беспилотных летательных аппаратов или боевых вертолетов. Комбинированная многоканальная головка самонаведения содержит гирокоординатор, внутри наружного карданового подвеса которого установлен оптический блок, содержащий связанные между собой приемники телевизионного (ТВ) и тепловизионного (ТПВ) каналов и объектив, систему стабилизации осей гироскопа, блок обработки видеосигнала от цели. При этом гирокоординатор представляет собой гиростабилизированную платформу, карданов подвес которой выполнен двухосным, позволяющим с помощью системы стабилизации осей гирокоординатора стабилизировать изображение по курсу и тангажу, для чего система стабилизации осей гирокоординатора содержит связанные между собой датчики угла, датчики угловой скорости, двигатели стабилизации и электронную плату стабилизации. При этом в оптическом блоке ТВ и ТПВ приемники расположены на одной оптической оси комбинированного объектива, а электронная плата обработки изображения от цели выполнена с возможностью распознавания как стационарных целей путем сравнения их контурных и текстурных признаков, так и малоразмерных целей путем анализа вектора признаков цели, полученных в оптическом и инфракрасном диапазонах, а также с возможностью сопровождения цели с одновременным отслеживанием ее масштаба во времени. Технический результат – повышение точности и быстродействия многоканальной головки самонаведения. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Комбинированная многоканальная головка самонаведения, содержащая гирокоординатор, внутри наружного карданового подвеса которого установлен оптический блок, содержащий связанные между собой приемники телевизионного (ТВ) и тепловизионного (ТПВ) каналов и объектив, система стабилизации осей гироскопа, блок обработки видеосигнала от цели, отличающаяся тем, что гирокоординатор представляет собой гиростабилизированную платформу (ГСП), карданов подвес которой выполнен двухосным, позволяющим с помощью системы стабилизации осей гирокоординатора стабилизировать изображение по курсу и тангажу, для чего система стабилизации осей гирокоординатора (СС) содержит связанные между собой датчики угла, датчики угловой скорости, двигатели стабилизации и электронную плату стабилизации, при этом в оптическом блоке ТВ и ТПВ приемники расположены на одной оптической оси комбинированного объектива, а электронная плата обработки изображения от цели выполнена с возможностью распознавания как стационарных целей путем сравнения их контурных и текстурных признаков, так и малоразмерных целей путем анализа вектора признаков цели, полученных в оптическом и инфракрасном диапазонах, а также с возможностью сопровождения цели с одновременным отслеживанием ее масштаба во времени.

2. Головка самонаведения по п. 1, отличающаяся тем, что тепловизионный канал образован главным эллиптическим зеркалом, вторичным зеркалом со спектроделительной гиперболической поверхностью, линзовым компенсатором аберраций, состоящим из трех линз - отрицательного мениска, двояковыпуклой линзы и положительного мениска, выполненных из германия, и матричным фотоприемником, работающим в диапазоне 8-12,5 мкм.

3. Головка самонаведения по п. 1, отличающаяся тем, что телевизионный канал образован главным эллиптическим зеркалом, четырехлинзовым компенсатором аберраций, состоящим из вторичного зеркала, выполненного в виде менисковой линзы со спектроделительной гиперболической поверхностью, менисковой положительной линзы, отрицательного мениска и двояковыпуклой линзы, и матричным фотоприемником, работающим в диапазоне 0,55-0,9 мкм.