ОПТИЧЕСКИЙ ПРИЦЕЛ СО СЛЕДЯЩИМ ДАЛЬНОМЕРОМ
OPTICAL SIGHT WITH TRACKING RANGE FINDER

Изобретение относится к оптическим прицелам систем наведения управляемых объектов и может быть использовано в системах управления огнем противовоздушной обороны.
Для обеспечения эффективного поражения цели необходимо измерение дальности до цели. Особенно это важно при поражении скоростных воздушных целей, которые способны маневрировать. В последнем случае необходимо измерять текущее значение дальности.
Оптический прицел в своем составе содержит, как минимум, два канала - визирный и дальномерный. Визирный канал современных прицелов, как правило, содержит телевизионную или(и) тепловизионную системы (ТС), включающие в свой состав соответствующий видеодатчик (ВД) и монитор для наблюдения фоноцелевой обстановки. Использование в составе прицела ТС обеспечивает совместимость прицела с автоматом сопровождения цели (патент РФ №2224206, опубликовано 22.07.2002 г., МПК:7 F41G 7/26). При измерении дальности наводчик совмещает прицельную марку (перекрестье) визирного канала оптического прицела с целью и включает дальномерный канал. Задача измерения дальности просто решается при неподвижной цели и неподвижным носителем прицела. При движении носителя прицела, и особенно при измерении дальности по движущейся и маневрирующей цели, появляется угловая ошибка наведения прицельной марки визирного канала на цель.
Так, например, для зенитной самоходной установки «Гепард» (Германия) ошибки наведения при стрельбе составляют 3-4 мрад. Для боевых машин комплексов «Тунгуска», где введены более сложные алгоритмы формирования сигналов управления приводами, эта ошибка зависит от квалификации наводчика и составляет при средней квалификации наводчика 0,4-0,6 мрад и 0,2-0,3 мрад при высокой квалификации (патент РФ №2217681, опубликовано 19.07.2001 г., МПК:7 F41G 7/20).
Отметим, что в ряде современных оптических прицелов систем управления с видеодатчиками визирного канала используются автоматы сопровождения цели (АСЦ), в которых, после обнаружения цели наводчиком на мониторе, на цель накладывается строб сопровождения, и АСЦ автоматически по заданному алгоритму сопровождает стробом цель и вырабатывает сигналы рассогласования - координаты цели относительно линии визирования (В.В.Молебный. Оптико-локационные системы. М.: «Машиностроение», 1981 г., глава 4). Выходные сигналы АСЦ подаются на приводы оптического прицела, которые разворачивают оптический прицел до уменьшения сигналов рассогласования, и таким образом осуществляется автоматическое слежение за целью.
Такие автоматизированные системы сопровождения цели также имеют угловую ошибку слежения, связанную с угловой ошибкой приводов при сопровождении цели, особенно в условиях слежения за движущейся маневрирующей целью и при работе в движении. Величина этой ошибки, в зависимости от конструкции прицела и условий применения, может составлять 0,3-1,5 мрад.
Для повышения дальности измерения цели дальномер должен иметь малую угловую расходимость лазерного излучения. Ряд современных дальномеров имеет угловую расходимость лазерного излучения около 0,6 мрад.
Поэтому, в ряде случаев, ошибки слежения за целью превышают угловую расходимость лазерного излучения дальномеров, и измерение текущей дальности до цели в реальном времени невозможно.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является обеспечение измерения текущей дальности до цели в режиме сопровождения, особенно быстролетящих и маневрирующих целей.
M
Технический результат достигается за счет того, что оптический прицел содержит оптико-электронный модуль (ОЭМ), в котором размещены оптически сопряженные видеодатчик визирного канала и дальномерный канал. Дальномерный канал состоит из передающего устройства, включающего последовательно соединенные лазерный излучатель и выходную оптическую систему, и приемного устройства, включающего последовательно соединенные приемную оптическую систему, фотоприемное устройство и вычислитель дальности до цели. А также оптический прицел содержит привод наведения и стабилизации, блок преобразования сигналов управления, автомат сопровождения цели, датчики команд управления приводами и АСЦ и монитор. Причем выход видеодатчика визирного канала соединен с первым входом автомата сопровождения цели, второй вход которого соединен с выходом вычислителя дальности до цели, видеовыход видеодатчика визирного канала соединен с входом монитора, а цифровой выход сигналов угловых ошибок слежения за целью соединен с первым входом блока преобразования сигналов управления, выход которого соединен с входами привода наведения и стабилизации, выходы которого механически соединены с оптико-электронным модулем. Выходы датчиков команд управления приводами и АСЦ соединены со вторым входом блока преобразования сигналов управления, третьим входом управления автомата сопровождения цели и входом управления лазерного излучателя дальномерного канала. При этом в состав оптического прицела введены последовательно соединенные блок масштабирования и блок управления акустооптическим дефлектором, включающий последовательно соединенные блок термокомпенсации, сумматор, двухканальный синтезатор частот, а также двухкоординатный акустооптический дефлектор, установленный между оптически сопряженными лазерным излучателем и выходной оптической системой передающего устройства дальномерного канала, при этом вход двухкоординатного акустооптического дефлектора соединен с выходом лазерного излучателя, а выход двухкоординатного акустооптического дефлектора соединен с входом выходной оптической системы. Цифровой выход сигналов угловых ошибок автомата сопровождения цели соединен с входом блока масштабирования. Выходы блока управления дефлектором соединены с входами двухкоординатного акустооптического дефлектора. Причем диаметр d чувствительной площадки фотодиода фотоприемного устройства дальномерного канала удовлетворяет условию: d≥2F·Ω,
где F - фокусное расстояние приемной оптической системы дальномерного канала;
M
Ω - максимальная угловая ошибка сопровождения цели оптическим прицелом.
м
м
Введение последовательно соединенных блока масштабирования и блока управления акустооптическим дефлектором, а также двухкоординатного акустооптического дефлектора, установленного между оптически сопряженными лазерным излучателем и выходной оптической системой передающего устройства дальномерного канала, соединение цифрового выхода сигналов угловых ошибок автомата сопровождения цели с входом блока масштабирования, соединение выходов блока управления дефлектором с входами двухкоординатного акустооптического дефлектора и выбор диаметра d чувствительной площадки фотодиода фотоприемного устройства дальномерного канала из условия d≥2F·φ, где F - фокусное расстояние приемной оптической системы дальномерного канала, φ - максимальная угловая ошибка сопровождения цели оптическим прицелом, позволило обеспечить измерение текущей дальности до цели в режиме сопровождения цели за счет того, что в прицел введена малоинерционная система отклонения лазерного излучения дальномерного канала, устраняющая угловое рассогласование между направлением на цель и направлением лазерного излучения. Выбор диаметра чувствительной площадки фотодиода фотоприемного устройства дальномерного канала в соответствии с вновь введенным условием позволил увеличить поле зрения приемного устройства дальномерного канала, обеспечивающее нахождение цели в его поле зрения при всех возможных угловых ошибках слежения цели.
Заявителю не известны оптические прицелы, в которых бы поставленная цель достигалась подобным образом.
На чертеже приведена блок-схема оптического прицела со следящим дальномером, где
1 - оптико-электронный модуль (ОЭМ);
2 - видеодатчик визирного канала;
3 - дальномерный канал;
4 - передающее устройство;
5 - приемное устройство;
6 - привод наведения и стабилизации ОЭМ;
7 - блок преобразования сигналов управления;
8 - автомат сопровождения цели (АСЦ);
9 - датчики команд управления приводами и АСЦ;
10 - монитор;
11 - блок масштабирования;
12 - блок электронный управления акустооптическим дефлектором;
13 - двухканальный синтезатор частот;
14 - сумматор;
15 - блок термокомпенсации;
16 - лазерный излучатель;
17 - двухкоординатный акустооптический дефлектор;
18 - выходная оптическая система;
19 - вычислитель дальности до цели;
20 - фотоприемное устройство;
21 - приемная оптическая система;
22 - наводчик.
Оптический прицел со следящим дальномером содержит оптико-электронный модуль (ОЭМ) 1, в котором размещены оптически сопряженные видеодатчик визирного канала 2 и дальномерный канал 3, включающий передающее устройство 4 и приемное устройство 5, привод наведения и стабилизации ОЭМ 6, блок преобразования сигналов управления 7, автомат сопровождения цели (АСЦ) 8, датчики команд управления (ДКУ) приводами и АСЦ 9, монитор (видео-контрольное устройство) 10, блок масштабирования (БМ) 11, блок электронный управления акустооптическим дефлектором 12.
Передающее устройство 4 дальномерного канала 3 состоит из последовательно соединенных лазерного излучателя 16, двухкоординатного акустооптического дефлектора 17 и выходной оптической системы 18.
Приемное устройство 5 дальномерного канала 3 состоит из последовательно соединенных приемной оптической системы 21, фотоприемного устройства 20 и вычислителя дальности до цели 19.
Блок электронный управления акустооптическим дефлектором 12, в общем случае, состоит из двухканального синтезатора частот 13, сумматора 14 и блока термокомпенсации 15.
На чертеже условно представлен наводчик 22.
Выход видеодатчика визирного канала 2 соединен с входом АСЦ 8. Видеовыход АСЦ 8 соединен с входом монитора 10, а цифровой выход АСЦ 8 соединен с первым входом блока преобразования сигналов управления 7 и входом блока масштабирования 11. Выходы датчиков команд управления приводами и АСЦ 9 соединены с входом управления АСЦ 8, входом управления дальномерным каналом 3 и вторым входом блока преобразования сигналов управления 7. Выходы блока преобразования сигналов управления 7 соединены с входами приводов наведения и стабилизации ОЭМ 6, выходы которого механически связаны с ОЭМ 1. Выходы блока масштабирования 11 через блок электронный управления 12 соединены с входами управления двухкоординатного акустооптического дефлектора 17.
Оптический прицел со следящим дальномером работает следующим образом.
Наводчик 22, обнаружив изображение цели на экране монитора 10, перемещая кнюпель управления приводами ДКУ 9, задает скорость наведения ОЭМ по угловым координатам и, управляя приводами ОЭМ 1, старается совместить перекрестье на экране монитора 10 с целью. На экране монитора имеется изображение строба захвата цели, которое в исходном состоянии, без автосопровождения цели, периодически меняет яркость. При вводе изображения цели внутрь строба слежения наводчик нажимает кнопку «Захват» ДКУ 9, и прицел переходит в режим автоматического слежения за целью, стараясь совместить перекрестье прицела (линию визирования) с целью. В режиме автосопровождения изображение строба захвата цели на экране монитора яркость не меняет. Цель находится внутри строба сопровождения, но из-за ошибок приводов она смещена относительно линии прицеливания на некоторый угол. Цифровые коды угловых координат цели от АСЦ поступают на первый вход блока преобразования сигналов управления 7, а также поступают на вход БМ 11. Блок преобразования сигналов управления 7 преобразует их в сигналы команд управления приводом наведения и стабилизации ОЭМ 6, обеспечивая тем самым удержание цели внутри строба захвата цели.
При переходе прицела в режим автоматического слежения за целью возможно измерение текущей дальности до цели. Наводчик нажимает кнопку «Текущая дальность» ДКУ 9, при этом лазерный излучатель 16 передающего устройства 4 дальномерного канала 3 формирует лазерные импульсы с заданной частотой повторения. Цифровые коды сигналов угловых координат цели от АСЦ, поступившие на вход блока масштабирования 11, преобразуются последним, с учетом требуемых для работы коэффициентов преобразования, в цифровые коды управления дефлекторами и поступают на входы блока электронного управления дефлекторами 12. В нем входные цифровые коды управления дефлекторами преобразуются в высокочастотные сигналы управления fz и fy, которые подаются на двухкоординатный акустооптический дефлектор 17 передающего устройства 4 дальномерного канала 3, вызывая угловое смещение лазерного пучка на величину, пропорциональную величине измеренных угловых координат цели. Тем самым, несмотря на угловое смещение цели относительно оптической оси прицела, лазерный пучок передающего устройства 4 дальномерного канала 3 направлен на цель.
Отраженное от цели лазерное излучение попадает на входной зрачок приемной оптической системы 21 приемного устройства 5 дальномерного канала 3 и фокусируется на фотодиоде фотоприемного устройства 20, вызывая появление на его выходе электрического импульса, задержанного относительно излученного лазерного импульса на время, пропорциональное дальности до цели. Вычислитель дальности до цели 19 приемного устройства 5 дальномерного канала 3 измеряет этот временной интервал и формирует цифровой код дальности, который может АСЦ преобразоваться в видеосигнал и высвечиваться на мониторе в виде цифровой надписи. Цифровой код дальности может поступать в вычислитель системы управления огнем для принятия соответствующих решений.
Блок масштабирования 11 обеспечивает сопряжение измеренных угловых координат цели и величин цифровых кодов управления дефлекторами, чтобы обеспечить равенство углового смещения лазерного излучения дальномерного канала и величины измеренных угловых координат цели. Пусть величина вектора угловых координат цели относительно перекрестья прицела, измеренная АСЦ, равна . Его проекции на координатные оси x и y в ТС равны φx и φy.
Модуль вектора угловых координат цели может быть записан в виде:
,
где ho - величина смещения цели в фокальной плоскости входного объектива видеодатчика визирного канала, имеющего фокусное расстояние Fo. Иначе, связывая величину углового смещения цели в фокальной плоскости входного объектива видеодатчика визирного канала и величину цифрового кода угловых координат цели на выходе АСЦ, можно написать: φц·Ко=Dц,
где Ко - коэффициент пропорциональности АСЦ,
Dц - числовой код положения цели, смещенной на угол φц относительно линии прицеливания. Код Dц формируется на выходе АСЦ и, следовательно, он равен
Блок электронный управления акустооптическим дефлектором 12, в простейшем случае, состоит из двухканального синтезатора частот 13. При выполнении двухкоординатного акустооптического дефлектора 17 из монокристалла парателлурита угол сканирования дефлектора может составлять 3 градуса при изменении высокочастотных сигналов управления fz и fy в частотном диапазоне 64-96 МГц. Центральная частота высокочастотных сигналов равна 80 МГц. При этой частоте направление лазерного пучка на выходе дальномерного канала 3 коллинеарно оптической оси прицела. Время переключения дефлектором лазерного пучка из одного углового положения в произвольное другое составляет не более 20 мкс.
Блок электронный управления акустооптическим дефлектором 12 может быть реализован, например, на двух цифровых микросхемах синтезатора частот AD9851. При использовании 13-разрядного входа управления по каждому каналу синтезатора дефлектор обеспечивает угловое смещение лазерного пучка на своем выходе, равное 1,35 угловых секунды на единицу команды управления, подаваемой на вход блока управления.
Угол отклонения γд лазерного пучка на выходе передающего устройства 4 дальномерного канала 3 можно представить выражением:
γд=Кд·Da·Гп, где
Кд - совместный коэффициент пропорциональности для синтезатора частот и акустооптического дефлектора;
Гп - угловое увеличение выходной оптической системы 18;
Da - величина кода управления, поданная на вход синтезатора частот.
В предлагаемом изобретении угловое увеличение выходной оптической системы может составлять величину от 1/2 до 1/8 в зависимости от решаемых задач. Для обеспечения равенства углового смещения лазерного излучения дальномерного канала и величины измеренных угловых координат цели, т.е. φц=γд, определим коэффициент передачи блока масштабирования 11 в виде: Кбм=Da/Dц=1/(Кд·Ко·Гп).
Зависимость угла отклонения γд лазерного пучка на выходе передающего устройства 4 дальномерного канала 3 более полно, с учетом рабочей температуры Тт оптического прицела, можно представить выражением: γд=Кд·Dа·Гп+Кт·ΔТ·Гп,
-3
где Кт - температурный коэффициент, равный ориентировочно 10;
ΔТ=(Тт-25°C).
При работе прицела в широком температурном диапазоне, особенно с очень узконаправленным лазерным пучком дальномерного канала, влияние температуры следует учитывать.
Т
Блок электронный управления акустооптическим дефлектором 12 состоит в этом случае из двухканального синтезатора частот 13, сумматора 14 и блока термокомпенсации 15. Блок термокомпенсации 15 должен формировать на выходе цифровой сигнал D=-Кт·ΔT·Гп. После сложения в сумматоре 14 сигналов Dт и Da влияние температуры на угол сканирования устраняется. Реализация функции суммирования кодов и формирования сигнала Dт легко реализуется на основе современных микропроцессоров и датчиков температуры, например AD22100 ST.
М
В предлагаемом изобретении диаметр d чувствительной площадки фотодиода фотоприемного устройства дальномерного канала должен быть увеличен до величины d≥2F·φ,
где F - фокусное расстояние приемной оптической системы дальномерного канала,
М
φ - максимальная угловая ошибка сопровождения цели оптическим прицелом.
М
Это необходимо для приема отраженных от цели лазерных импульсов при угловом смещении цели относительно оптической оси прицела. Оценим диаметр фотодиода для следующих условий: F=200 мм, φ=5 угл. мин. Диаметр фотодиода равен 0,58 мм. Реально выпускаемые промышленностью фотодиоды, предназначенные для приема коротких лазерных импульсов, например фирмы HAMAMATSU, имеют целый ряд диаметров фоточувствительных площадок, в том числе 0,5 и 1,0 мм.
Использование новых элементов и связей выгодно отличает предлагаемый оптический прицел, так как обеспечивается измерение текущей дальности до цели в режиме сопровождения, особенно быстролетящих и маневрирующих целей, и при движении носителя прицела за счет компенсации в дальномерном канале угловых ошибок сопровождения цели.