УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАБЛЮДЕНИЯ И ПРИЦЕЛИВАНИЯ

Полезная модель относится к области оптико-электронного приборостроения, более конкретно - к телевизионным устройствам для наблюдения и прицеливания, работающим в дневное время суток и используемым преимущественно в объектах бронетанковой техники.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является телевизионное устройство для наблюдения и прицеливания [1], содержащее установленные последовательно на одной оси объектив и расположенный в его фокальной плоскости матричный приемник оптического излучения на основе ПЗС-матрицы с электронным устройством формирования видеосигнала, выход которого подключен к монитору.
Основными недостатками известного устройства для наблюдения и прицеливания являются малая дальность обнаружения и распознавания цели, если фокусное расстояние первого объектива недостаточно велико, либо увеличенное время поиска цели, если фокусное расстояние объектива достаточно велико, но при этом недостаточно большое поле зрения устройства для наблюдения и прицеливания, а также невозможность дистанционного управления устройством для наблюдения и прицеливания одним или несколькими операторами.
Задачами полезной модели являются увеличение дальности обнаружения и распознавания цели в реальных условиях эксплуатации устройства для наблюдения и прицеливания при сохранении малого времени поиска цели, а также обеспечение возможности дистанционного управления устройством для наблюдения и прицеливания одним или несколькими операторами.
Для решения указанных задач устройство для наблюдения и прицеливания, содержащее установленные последовательно на одной оси
первый объектив, матричный приемник оптического излучения с электронным устройством формирования видеосигнала, расположенный в фокальной плоскости первого объектива, и монитор, снабжено вторым объективом, фокусное расстояние которого отличается от фокусного расстояния первого объектива и оптическая ось которого параллельна оптической оси первого объектива, вторым матричным приемником оптического излучения с электронным устройством формирования видеосигнала, расположенным на оптической оси второго объектива в его фокальной плоскости, электронным устройством обработки видеоизображения и коммутации, и, по меньшей мере, одним пультом управления, при этом электронное устройство обработки видеоизображения и коммутации имеет первый и второй входы, подключенные к выходам устройств формирования видеосигнала первого и второго матричных приемников оптического излучения соответственно, по меньшей мере, третий вход, подключенный к выходу пульта управления, и, по меньшей мере, один выход, подключенный к монитору.
В устройство для наблюдения и прицеливания между первым объективом и первым матричным приемником оптического излучения может быть введен оптический компенсатор, который, в частности, может быть выполнен в виде линзы или группы линз и установлен с возможностью перемещения вдоль оптической оси объектива, например, с помощью электропривода, вход которого подключен к дополнительному выходу электронного устройства обработки видеоизображения и коммутации.
Введение в устройство для наблюдения и прицеливания второго объектива, фокусное расстояние которого отличается от фокусного расстояния первого объектива и оптическая ось которого параллельна оптической оси первого объектива, второго матричного приемника оптического излучения с электронным устройством формирования видеосигнала, расположенного на оптической оси второго объектива в его фокальной плоскости, обеспечивает увеличение дальности обнаружения и распознавания цели в реальных условиях эксплуатации устройства для наблюдения и прицеливания при сохранении
малого времени поиска цели, так как оперативный поиск цели может выполняться при увеличенном поле зрения с помощью второго объектива и второго матричного приемника оптического излучения, а распознавание - при большем увеличении с помощью первого объектива и первого матричного приемника оптического излучения.
Введение в устройство для наблюдения и прицеливания, по меньшей мере, одного пульта управления и электронного устройства обработки видеоизображения и коммутации, которое имеет первый и второй входы, подключенные к выходам устройств формирования видеосигнала первого и второго матричных приемников оптического излучения соответственно, по меньшей мере, третий вход, подключенный к выходу пульта управления, и, по меньшей мере, один выход, подключенный к монитору, обеспечивает возможность дистанционного управления устройством для наблюдения и прицеливания одним или несколькими операторами.
Оптический компенсатор, установленный между первым объективом и первым матричным приемником оптического излучения с возможностью перемещения вдоль оптической оси с помощью электропривода, подключенного к электронному устройству обработки видеоизображения и коммутации, необходим для фокусировки на резкое изображение наблюдаемых объектов.
На фиг.1 изображена принципиальная схема устройства для наблюдения и прицеливания; на фиг.2 и фиг.3 показаны примеры наблюдаемой картины на экране монитора при различных случаях использования устройства для наблюдения и прицеливания; на фиг.4 показан один из возможных вариантов структурной схемы электронного устройства обработки видеоизображения и коммутации.
Устройство для наблюдения и прицеливания включает (фиг.1) установленные последовательно на одной оси первый объектив 1, имеющий фокусное расстояние 150 мм, оптический компенсатор 2, выполненный в виде линзы или группы линз и установленный с возможностью перемещения вдоль оптической оси первого объектива 1, и первый матричный приемник 3
оптического излучения с электронным устройством 4 формирования видеосигнала, расположенный в фокальной плоскости первого объектива 1, второй объектив 5, имеющий фокусное расстояние 50 мм, оптическая ось которого параллельна оптической оси первого объектива 1, второй матричный приемник 6 оптического излучения с электронным устройством 7 формирования видеосигнала, расположенный на оптической оси второго объектива в его фокальной плоскости, электронное устройство 8 обработки видеоизображения и коммутации, два монитора 9 и 10, два пульта управления 11 и 12, а также электропривод 13 для перемещения оптического компенсатора 2.
Электронное устройство 8 обработки видеоизображения и коммутации имеет первый и второй входы, подключенные к выходам устройств 4 и 7 формирования видеосигнала первого и второго матричных приемников 3 и 6 оптического излучения соответственно, третий и четвертый входы, подключенные к выходам пультов управления 11 и 12 соответственно, первый и второй выходы, подключенные к мониторам 9 и 10 соответственно, а также третий выход, подключенный к входу электропривода 13.
На фиг.2 показаны электронная прицельная марка 14 и изображение 15 цели, наблюдаемые на экране монитора при подключении электронного устройства 8 обработки видеоизображения и коммутации к выходу устройства 4 формирования видеосигнала матричного приемника 3 оптического излучения.
На фиг.3 показаны электронная рамка 16, ограничивающая узкое поле зрения матричного приемника 3 оптического излучения, и изображение 17 цели, наблюдаемые на экране монитора при подключении электронного устройства 8 обработки видеоизображения и коммутации к выходу устройства 7 формирования видеосигнала матричного приемника 6 оптического излучения.
На фиг.4 показано возможное выполнение электронного устройства 8 обработки видеоизображения и коммутации, включающее устройство управления 18, электрически связанное с устройством коммутации 19. Устройство управления 18 имеет первый и второй входы, подключенные к выходам устройств 4 и 7 формирования видеосигнала первого 3 и второго 6
матричных приемников оптического излучения соответственно. Устройство коммутации 19 имеет первый и второй выходы, подключенные к мониторам 9 и 10 соответственно, и третий выход, подключенный к входу электропривода 13 для перемещения оптического компенсатора 2, а также первый и второй входы, подключенные к пультам управления 11 и 12 соответственно.
Электронные устройства 4 и 7 формирования видеосигнала включают в себя: матричный приемник 3 и 6 оптического излучения соответственно, например, ПЗС-матрицу; аналого-цифровой преобразователь (АЦП), вход которого соединен с аналоговым выходом ПЗС-матрицы; сериалайзер, цифровой вход которого соединен с выходом АЦП; цифровую программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС) и электрически связанный с ней задающий кварцевый генератор; преобразователь уровня, цифровые входы которого электрически связаны с ПЛИС, а выходы - с управляющими входами ПЗС-матрицы. Пять (зависит от конкретной микросхемы сериалайзера) цифровых дифференциальных LVDS-выхода сериалайзера являются цифровым видеовыходом электронного устройства формирования видеосигнала.
Устройство управления 18 содержит цифровую ПЛИС на основе статической памяти (FPGA серии SPARTAN-3, Xilinx Inc., США) и электрически связанные с ней: задающий кварцевый генератор; синхронную динамическую оперативную память (SDRAM); двухканальный АЦП с раздельными тактовыми входами (частотой дискретизации до 40 МГц) и несимметричными аналоговыми входами с входным сопротивлением 75 Ом по каждому каналу, которые могут быть использованы в случае реализации устройств 4 и 7 формирования видеосигнала с аналоговыми видеовыходами; цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) с выходным дифференциальным видеоусилителем; приемопередатчик последовательного канала связи стандарта EIA RS-422 (или EIA RS-432) для обмена данными с устройством коммутации 19.
В цифровой ПЛИС устройства управления 18 программным способом реализуются следующие устройства: мультиплексор-десериалайзер; видеопроцессор; контроллер SDRAM, управляющий непосредственно SDRAM; контроллер прямого доступа в память (DMA); 2-х канальный мультиплексор, один цифровой вход которого соединен с выходом АЦП, второй вход - с выходом десериалайзера, а выход - с контроллером DMA; универсальный асинхронный порт ввода-вывода (UART), электрически связанный с приемопередатчиком последовательного канала связи стандарта EIA RS-422. Контроллер DMA электрически связан с видеопроцессором, контроллером SDRAM и ЦАП.
Устройство коммутации 19 функционально содержит электрически связанные источник питания и контроллер.
Источник питания включает в себя: преобразователи напряжения (DC/DC-конверторы), которые формируют вторичные напряжения питания, необходимые для работы устройства для наблюдения и прицеливания в целом (для устройств 4 и 7 формирования видеосигнала матричных приемников 3 и 6 соответственно, контроллера устройства коммутации 19, устройства управления 18); коммутатор пультов управления, который представляет собой в простейшем случае электромеханическое реле, коммутирующее пульты управления 11 и 12 на физическом уровне их приемопередатчиков последовательных каналов связи стандарта EIA RS-422.
Контроллер устройства коммутации 19 включает в себя, по меньшей мере, одну цифровую ПЛИС на основе статической памяти (FPGA до 40000 вентилей) и электрически связанные с ней: статическую оперативную память (SRAM, 32Кх8, с временем выборки адреса не более 50 нс), в которой хранится электронная прицельная марка 14 (электронная рамка 16 для широкого поля зрения устройства для наблюдения прицеливания) и алфавитно-цифровая информация, формируемая на изображении; микропроцессор; два приемопередатчика последовательного канала связи стандарта EIA RS-422 для обмена данными с устройством управления 18 и коммутатором пультов
управления источника питания; задающий кварцевый генератор. Контроллер также содержит: дифференциальный аналоговый видеоусилитель, дифференциальный вход которого подключен к выходному дифференциальному видеоусилителю ЦАП устройства управления 18; аналоговый видеоусилитель со схемой восстановления постоянной составляющей видеосигнала, вход которого соединен с выходом дифференциального аналогового видеоусилителя; селектор синхроимпульсов, вход которого подключен к выходу того же дифференциального аналогового видеоусилителя, а цифровые выходы - к ПЛИС, обеспечивающий выделение из аналогового видеосигнала устройства управления 18 строчных и кадровых синхроимпульсов, необходимых для синхронизации вводимого в видеосигнал изображения электронной прицельной марки 14 (электронной рамки 16) и алфавитно-цифровой информации; 4-х канальный аналоговый мультиплексор, осуществляющий ввод в аналоговый видеосигнал с восстановленной постоянной составляющей электронной прицельной марки 14 (электронной рамки 16) и алфавитно-цифровой информации и обеспечивающий передачу видеосигнала параллельно на мониторы 9 и 10; ЦАП, задающий уровень яркости, формируемой на изображении электронной прицельной марки 14 (электронной рамки 16) и алфавитно-цифровой информации, цифровые входы которого соединены с ПЛИС, а аналоговый выход подключен ко второму аналоговому входу 4-х канального аналогового мультиплексора. Первый аналоговый вход 4-х канального аналогового мультиплексора соединен с выходом аналогового видеоусилителя со схемой восстановления постоянной составляющей видеосигнала, а его третий и четвертый аналоговые входы подключены к общему сигнальному проводнику с нулевым потенциалом контроллера.
Устройство для наблюдения и прицеливания работает следующим образом.
Оптическое излучение от цели проходит объектив 1, оптический компенсатор 2, объектив 5 и формирует в чувствительной плоскости матричных приемников 3 и 6 оптического излучения изображения цели.
Электронное устройство 4 и 7 формирования видеосигнала, управляя ПЗС-матрицей, осуществляет преобразование ее выходного аналогового сигнала, соответствующего оптическому излучению, падающему на ее чувствительную площадку, в цифровой сигнал с помощью АЦП.
Сигнал с выхода АЦП в виде цифрового параллельного кода, поступает на сериалайзер, в котором параллельный код преобразуется в последовательный и распределяется в нем на четыре цифровые дифференциальные LVDS-выхода. На пятый цифровой дифференциальный LVDS-выход сериалайзера с его тактового входа передается частота дискретизации АЦП, согласованная по фазе с данными, передаваемыми по четырем цифровым дифференциальным LVDS-выходам сериалайзера.
Управление ПЗС-матрицей, АЦП и сериалайзером электронных устройств 4 и 7 формирования видеосигнала осуществляется цифровой ПЛИС, которая формирует из частоты задающего кварцевого генератора тактовые частоты для АЦП и сериалайзера, а также необходимые для работы ПЗС-матрицы управляющие сигналы, которые с помощью преобразователя уровня согласуются по напряжению с управляющими входами ПЗС-матрицы.
Цифровые видеосигналы с выхода каждого устройства 4 и 7 формирования видеосигнала передаются пятью цифровыми дифференциальными LVDS-линиями на первый и второй цифровые входы мультиплексора-десериалайзера устройства управления 18 соответственно.
Мультиплексор-десериалайзер по команде переключения полей зрения, поступающей от устройства коммутации 19 по последовательному каналу связи стандарта EIA RS-422, осуществляет коммутацию поступающих на его первый и второй входы цифровых видеосигналов от электронных устройств 4 и 7 формирования видеосигнала соответственно и преобразование выбранного цифрового видеосигнала из последовательного кода, передаваемого пятью
цифровыми дифференциальными LVDS-линиями, в параллельный цифровой код, который записывается в SDRAM.
Видеопроцессор устройства управления 18 осуществляет цифровую обработку (автоматическая/ручная регулировка яркости и контрастности изображения, электронное увеличение изображения в канале узкого поля зрения, накопление сигнала для работы в условиях низких освещенностей, реверс изображения по горизонтали и вертикали и т.д.) изображения, хранящегося в SDRAM, в соответствии с командами, поступающими от устройства коммутации 19 по последовательному каналу связи стандарта EIA RS-422.
В процессе цифровой обработки доступ к SDRAM десериалайзера, ЦАП, видеопроцессора обеспечивается с помощью контроллера DMA устройства управления 18.
Цифровое изображение, хранящееся в SDRAM, после цифровой обработки поступает на ЦАП с выходным дифференциальным видеоусилителем устройства управления 18, в котором преобразуется в аналоговый дифференциальный монохромный видеосигнал формата CCIR (625 строк, 50 Гц).
С выхода устройства управления 18 аналоговый дифференциальный видеосигнал поступает на дифференциальный вход дифференциального аналогового видеоусилителя, находящегося в контроллере устройства коммутации 19.
Контроллер устройства коммутации 19, в соответствии с командами, поступающими по его первому последовательному асинхронному каналу связи стандарта EIA RS-422 от пульта управления 11 или 12 через коммутатор пультов управления источника питания устройства коммутации 19: вводит в аналоговый видеосигнал устройства управления 18, предварительно восстановив в нем постоянную составляющую, электронную прицельную марку 14 для узкого поля зрения матричного приемника 3, электронную рамку 16 для широкого поля зрения матричного приемника 6, ограничивающую узкое поле зрения матричного приемника 3, алфавитно-цифровую информацию
(служебную информацию от объекта применения устройства для наблюдения и прицеливания и сервисную информацию, сопровождающую команды пульта управления 11 или 12) для обоих полей зрения устройства для наблюдения и прицеливания; формирует команды управления по своему второму последовательному асинхронному каналу связи стандарта EIA RS-422 для устройства управления 18.
Видеосигнал, с введенной в него электронной прицельной маркой 14 (электронной рамкой 16) и алфавитно-цифровой информацией, с выхода контроллера устройства коммутации 19 поступает параллельно на мониторы 9 и 10.
По команде фокусировки, поступающей с пульта управления 11 или 12, по первому последовательному каналу связи стандарта EIA RS-422 контроллера устройства коммутации 19, последний формирует управляющие сигналы для электропривода 13 перемещения оптического компенсатора 2.
Используя один из пультов управления 11 или 12, оператор осуществляет поиск цели в широком угле поля зрения, обеспечивая вывод на экраны мониторов 9, 10 видеосигнала от матричного приемника 6 оптического излучения. На экранах мониторов 9, 10 при этом наблюдается (фиг.3) изображение 17 цели и электронная рамка 16, ограничивающая узкое поле зрения матричного приемника 3 устройства для наблюдения и прицеливания.
Наблюдая изображение 17 цели в пределах электронной рамки 16, оператор, соответствующей командой пульта управления 11 или 12, переключает поле зрения устройства для наблюдения и прицеливания и наблюдает цель с увеличенными размерами вместе с изображением электронной прицельной марки 14 в узком поле зрения (фиг.2), обеспечивая вывод на мониторы 9, 10 видеосигнала от матричного приемника 3 оптического излучения.
Наблюдая изображение 15 цели в узком поле зрения, оператор, соответствующей командой пульта управления 11 или 12, осуществляет перемещение оптического компенсатора 2, добиваясь резкого изображения цели
на экране монитора 9 или 10. Оператор с помощью соответствующих команд пульта управления 11 или 12 также может осуществлять электронное увеличение изображения 15 цели в узком поле зрения, регулировать яркость и контрастность изображения, изменять режим накопления видеосигнала при работе в условиях низкой освещенности, добиваясь наилучшего изображения цели на экране монитора 9 или 10 для ее распознавания.
Управление устройством для наблюдения и прицеливания может осуществляться любым из пультов управления 11 или 12, расположенным в различных местах нахождения операторов, а вывод видеоизображения осуществляется на мониторы 9 и 10, соответствующие пультам управления.
Таким образом, предлагаемое устройство для наблюдения и прицеливания обеспечивает не только увеличение дальности обнаружения и распознавания цели в реальных условиях его эксплуатации при сохранении малого времени поиска цели, но и возможность дистанционного управления устройством для наблюдения и прицеливания одним или несколькими операторами.
Источники информации
1. Телевизионные камеры. Каталог фирмы ЭВС. Санкт-Петербург, 2004 г., с.8 - прототип.