ПРИБОР НАБЛЮДЕНИЯ-ПРИЦЕЛ СО ВСТРОЕННЫМ ПАССИВНЫМ ДАЛЬНОМЕРОМ
OBSERVATION DEVICE-SIGHT WITH BUILT-IN PASSIVE RANGEFINDER

Предлагаемое изобретение относится к области оптико-электронной техники и может быть применено в системе управления огнем бронетанковой техники.
Известен прибор наблюдения-прицел со встроенным импульсным лазерным дальномером (патент RU 2526230 С1, опубл. 20.08.2014), содержащий три отдельных вертикально расположенных канала - однократный дневной канал, многократный дневно-ночной канал с переключением визуального наблюдения на электронно-оптический преобразователь, а также излучающий канал лазерного дальномера. Оптическая ось входного зрачка приемного канала лазерного дальномера совмещена с оптической осью входного зрачка дневного однократного канала за счет использования дихроического элемента.
Дневной однократный канал включает в себя защитные стекла, призму-куб, объектив, коллектив, наклонную плоскопараллельную дихроическую пластину, оборачивающую систему, прямоугольную призму, плоскопараллельную пластину и окуляр. Приемный канал лазерного дальномера включает в себя объектив и коллектив однократного канала, дихроическую пластину, установленную между коллективом и оборачивающей системой однократного канала, пропускающую видимый спектральный диапазон и отражающую длину волны 1,54 мкм, согласующую оптическую систему и фотоприемное устройство дальномера.
Многократный дневно-ночной канал включает в себя защитные стекла, вторую призму-куб, объектив, механизм ввода-вывода электронно-оптического преобразователя или согласующего оптического компонента, оборачивающую систему, две прямоугольные призмы, наклонное отражающее зеркало, плоскопараллельную пластину, подвижную и неподвижную сетки и окуляр. Излучающий канал лазерного дальномера содержит два отражающих зеркала, выводящие лазерное излучение через вторую призму-куб, при этом достигается ошибка измерения дальности, равная 10 м на дистанциях от 1000 до 4000 м, типичная для лазерных дальномеров.
Недостатками этого устройства являются сложность исполнения трех раздельных оптико-электронных каналов, в одном из которых осуществляется ручное переключение с согласующего оптического компонента при работе днем на электронно-оптический преобразователь при работе ночью, необходимость применения активной подсветки для электронно-оптического преобразователя при недостаточной освещенности на местности. Излучатель лазерного дальномера требует наличия дополнительных отражающих зеркал в излучающем канале лазерного дальномера, что усложняет оптический тракт излучающего канала. Кроме того, режим работы излучающего канала лазерного дальномера является активным, что не обеспечивает скрытность измерений, легко обнаруживается современными оптико-электронными датчиками с определением точных координат места, откуда было произведено измерение.
Известен прицел-дальномер ТПД-2-49 (Танк «Урал». Техническое описание и инструкция по эксплуатации (172М.ТО). Книга 1. Военное издательство Министерства обороны СССР, Москва, 1975 г., глава 4.6), содержащий две параллельно расположенные телескопические системы: левая - прицельная и правая - дальномерная. Левая телескопическая система состоит из объектива, коллектива, оборачивающей системы, призмы и окуляра. В фокальной плоскости объектива находится сетка с прицельными знаками и диск с дистанционными знаками и индексом.
Правая телескопическая система состоит из объектива, двойной призмы (бипризмы) в фокальной плоскости объектива, оборачивающей системы, призм и окуляра. В верхнюю половину объектива попадает пучок лучей, поступающий через призмы, образующие правую базовую ветвь с внутренней базой 1500 мм, а в нижнюю половину объектива попадает пучок лучей, поступающий через линзы компенсатора, призму и главное зеркало, образующий левую оптическую ветвь. Изображение из фокальной плоскости объектива переносится оборачивающей системой и призмами в фокальную плоскость окуляра. В фокальной плоскости окуляра правой телескопической системы получается изображение, разделенное ребром бипризмы на верхнюю и нижнюю половины, изображения в которых будут смещены друг относительно друга пропорционально дальности до этого изображения. Совмещение изображений осуществляется перемещением линз компенсатора, чем реализуется пассивный метод измерения дальности со срединными ошибками измерения дальности на дистанциях от 1000 до 2000 м - 3%, от 2000 до 3000 м - 4%, от 3000 до 4000 м - 5%.
Недостатками этого устройства являются наличие большой внутренней базы (1500 мм), что обусловлено свойствами глаза и является естественным методом уменьшения субъективных ошибок оператора при совмещении изображений. Для совмещения изображений используются подвижные оптические элементы, что снижает надежность и усложняет конструкцию, а для работы ночью требуется применение второго тепловизионного или телевизионного прицела при недостаточной освещенности на местности.
Известен пассивный дальномер Ковалева (Ковалев С.В., Шаповалов Д.А. Пассивный дальномер Ковалева. Геодезия и картография, №3, 2021), содержащий две призмы АР-90, объектив с фокусирующей линзой, плоскую диафрагму и один фотоприемник, при этом одна из призм перекрывает нижнюю половину светового диаметра объектива, вторая - верхнюю половину, верхняя призма сдвинута вдоль оси объектива относительно нижней призмы, формируя внутреннюю базу величиной 25 мм, а плоская диафрагма установлена на оптической оси между фокусирующей линзой объектива и фотоприемником, разделяя его на две части и отделяя изображения от верхней и нижней половин светового диаметра объектива. Плоская диафрагма создает на одном фотоприемнике видимую границу между двумя частями изображения вертикального объекта - верхним и нижним, а дальность до объекта определяется по сдвигу между верхним и нижним частями изображениями по горизонтальной оси с использованием программных методов для координатных измерений. Дальномер обладает малой внутренней базой (25 мм) при отсутствии подвижных элементов, а теоретическая ошибка измерения дальности составляет величину 1,67 м на дистанции 1000 м.
Недостатками этого дальномера являются перпендикулярное расположение осей визирования относительно оси объектива, что затрудняет практическое применение, а также две постоянно смещенных (пропорционально дальности) части изображения предмета в поле зрения на фотоприемнике - одна в верхней половине поля зрения, другая - в нижней половине, что не позволяет осуществлять через него эффективное наблюдение и прицеливание и требует введения второго прицельного канала при практическом использовании. Также здесь отсутствует телевизионный и тепловизионный каналы для работы ночью, что требует применения дополнительного прицела при недостаточной освещенности на местности.
Наиболее близким по технической сущности является прибор наблюдения-прицел с совмещенными оптическими осями входных зрачков рабочих каналов и со встроенным импульсным лазерным дальномером (патент RU 2706391 С1, опубл. 18.11.2019), содержащий головную часть, состоящую из защитного стекла и зеркального элемента для вертикального наведения, визуальный оптический канал, содержащий объектив, оборачивающую систему, плоскопараллельную пластину, корректирующую линзу, подвижную и неподвижную сетки и окуляр, микродисплей и второй окуляр, три дихроических элемента, первый из которых установлен после головной части, отражая видимый диапазон и коротковолновую часть ближнего ИК излучения и пропуская длинноволновую часть ближнего ИК излучения и тепловой диапазон ИК излучения. В отраженном от первого дихроического элемента направлении расположен визуальный оптический канал, оборачивающая система которого содержит полупентапризму БУ-45°, зеркальная плоскость которой выполнена в виде второго дихроического элемента и склеена с оптическим клином, отражая видимую часть спектра и пропуская коротковолновую часть ближнего ИК излучения. В отраженном направлении последовательно установлены призма Шмидта с крышей БкР-45°, плоскопараллельная пластинка, корректирующий компонент, подвижная и неподвижная сетки и окуляр, а в прошедшем направлении расположен телевизионный канал, содержащий последовательно установленные объектив и матричный телевизионный фотоприемник, при этом в прошедшем через первый дихроический элемент направлении расположен третий дихроический элемент, отражающий длинноволновую часть ближнего ИК излучения и пропускающий тепловой диапазон ИК излучения. В отраженном от третьего дихроического элемента направлении расположен приемный канал лазерного дальномера, состоящий из линзы и фотоприемного устройства, а в прошедшем через третий дихроический элемент направлении расположен тепловизионный канал, содержащий последовательно установленные объектив и матричный тепловизионный фотоприемник. Оптическая ось излучателя лазерного дальномера размещена под отражающей поверхностью элемента вертикального наведения головной части, при этом достигается ошибка измерения дальности, равная 10 м на дистанциях от 1000 до 4000 м.
Недостатками этого устройства являются сложность исполнения трех раздельных оптико-электронных каналов, содержащих три дихроических элемента, один из которых обеспечивает работоспособность приемного канала лазерного дальномера. Также отсутствует цифровой канал с увеличением более, чем 5 крат, что снижает возможности обнаружения. Кроме того, режим работы излучающего канала лазерного дальномера является активным, что не обеспечивает скрытность измерений, легко обнаруживается современными оптико-электронными датчиками с определением точных координат места, откуда было произведено измерение.
Задачей настоящего изобретения является исключение активного режима при измерении дальности, упрощение оптического тракта с обеспечением пассивного оптико-электронного дальнометрирования, уменьшение внутренней базы дальномера с сохранением габаритных размеров головного зеркала и с обеспечением точности измерения дальности менее 10 м на дистанции 1000 м и менее 4% на дистанции 4000 м, обеспечение для дальномерного канала визирного телевизионного режима с увеличением более 8 крат, сохранение одновременной работы всех каналов без механических переключений.
Технический результат, обусловленный поставленной задачей, достигается тем, что в приборе наблюдения-прицеле со встроенным пассивным дальномером, содержащем головную часть, состоящую из защитного стекла и зеркального элемента для вертикального наведения, визуальный оптический канал, содержащий объектив, оборачивающую систему, содержащую полупентапризму БУ-45 и призму Шмидта с крышей БкР-45, плоскопараллельную пластину, корректирующий компонент, подвижную и неподвижную сетки и окуляр, микродисплей и второй окуляр, два дихроических элемента, первый из которых установлен после головной части, отражая видимый диапазон и коротковолновую часть ближнего ИК излучения и пропуская тепловой диапазон ИК излучения на тепловизионный канал, содержащий объектив и тепловизионный фотоприемник, второй - нанесен на зеркальную поверхность полупентапризмы БУ-45, отражая видимый диапазон и пропуская коротковолновую часть ближнего ИК излучения на телевизионный канал, содержащий оптический клин, объектив и телевизионный фотоприемник, в отличие от известного, содержится дальномерный канал, расположенный под головной частью прибора и содержащий процессорный блок, объектив дальномера, плоскую диафрагму, матричный фотоприемник, две призмы АР-90, два светофильтра, при этом входные грани призм АР-90 расположены по ходу луча перед одной половиной светового диаметра объектива дальномера, оптические оси призм совпадают, гипотенузные грани призм АР-90 параллельны между собой, плоская диафрагма расположена между объективом дальномера и матричным фотоприемником, при этом выполняются следующие соотношения:
виз.об.
пр
зерк.
D≤B≤0,9⋅Н
пр
где: В - расстояние между входными оптическими осями призм АР-90;
виз.об.
D - диаметр входного зрачка объектива визуального канала;
зерк.
H - ширина зеркального элемента головной части прибора;
диафр
L - длина плоской диафрагмы;
- задний вершинный отрезок объектива дальномера,
а дальность до цели определяется в процессорном блоке по сдвигу одной из частей изображения на матричном фотоприемнике, причем дальномерный канал является визирным при формировании в процессорном блоке на микродисплее второго окуляра изображения с обратным программным сдвигом до совпадения обеих частей изображения в реальном времени.
Такой прибор наблюдения-прицел со встроенным пассивным дальномером обеспечивает исключение активного режима при измерении дальности, упрощает оптический тракт с обеспечением пассивного оптико-электронного дальнометрирования, уменьшает внутреннюю базу дальномера с сохранением габаритных размеров головного зеркала и точности измерения менее 10 м на дистанции 1000 м и менее 4% на дистанции 4000 м, обеспечивает для дальномерного канала визирный телевизионный режим с увеличением более 8 крат, сохраняет одновременную работу всех каналов без механических переключений.
Схема прибора наблюдения-прицела со встроенным пассивным дальномером показана на фигурах 1, 2 и 3.
Прибор наблюдения-прицел со встроенным пассивным дальномером содержит защитное стекло 1, зеркальный элемент для вертикального наведения 2, первый дихроический элемент 3, объектив оптического канала 4, полупентапризму 5 с дихроической зеркальной поверхностью (второй дихроический элемент), оптический клин 9, призму Шмидта с крышей 6, оптические элементы 7 (плоскопараллельная пластинка, корректирующая линза, подвижная и неподвижная сетки), первый окуляр 8, объектив телевизионного канала 10, телевизионный фотоприемник 11, тепловизионный объектив 12, тепловизионный фотоприемник 13, объектив дальномера 14, плоскую диафрагму 15, матричный фотоприемник 16, призмы АР-90 17 и 18, светофильтры 19 и 20, процессорный блок 21, микродисплей 22 и второй окуляр 23.
Вариант применения матричного фотоприемника 16 имеет обозначение IMX327LQR, обладает форматом 1920×1080 пикселей с размерами чувствительной области по ВН=5,63 мм, по ГН=3,167 мм, с диагональю 6,46 мм, с размером пикселя 2,932 мкм.
Конструктивные параметры варианта объектива дальномера 14 прибора наблюдения-прицела со встроенным пассивным дальномером приведены в таблице 1.
Качество изображения объектива дальномера исправлено на уровне, близком к дифракционному - коэффициент передачи контраста для осевой точки на частоте Найквиста, равной 170 штр/мм (размер пикселя 2,932 мкм), составляет ~0,35 при дифракционном уровне ~0,37.
Принцип действия прибора наблюдения-прицела со встроенным пассивным дальномером заключается в следующем.
Излучение от предмета проходит через защитное стекло 1 и зеркальный элемент для вертикального наведения - головное зеркало 2, формируя оптическую ось «I». Первый дихроический элемент 3 осуществляет разделение светового потока по оптической оси «I» по спектру, отражая видимый диапазон и коротковолновую часть ближнего ИК излучения и пропуская тепловой диапазон ИК излучения.
В отраженном от первого дихроического элемента 3 направлении расположен визуальный оптический канал, объектив 4 которого строит перевернутое изображение предмета в плоскости сеток. Оборачивающая система содержит полупентапризму БУ-45° поз.5, зеркальная плоскость которой выполнена в виде второго дихроического элемента и склеена с оптическим клином 9, отражая видимую часть спектра и пропуская коротковолновую часть ближнего ИК излучения. Визуальный канал продолжается по ходу луча в отраженном направлении, где последовательно установлены призма Шмидта с крышей БкР-45° поз.6, оптические элементы 7 (плоскопараллельная пластинка, корректирующая линза, подвижная и неподвижная сетки) и первый окуляр 8.
В прошедшем через второй дихроический элемент направлении расположен телевизионный канал, содержащий последовательно установленные объектив 10, фокусирующий изображение предмета в коротковолновой части ближнего ИК диапазона спектра на телевизионный фотоприемник 11.
В прошедшем через первый дихроический элемент 3 направлении расположен тепловизионный канал, содержащий последовательно установленные объектив 12, фокусирующий изображение предмета в тепловом диапазоне ИК спектра на тепловизионный фотоприемник 13.
Применение двух дихроических элементов 3 и 5 в приборе наблюдения-прицеле со встроенным пассивным дальномером упрощает оптический тракт прибора, позволяет совместить оптические оси входных зрачков визуального канала 4-8, телевизионного канала 10-11 и тепловизионного канала 12-13 на одной оптической оси «I». Оптические оси «II» и «III» пассивного дальномера расположены параллельно оси «I» непосредственно под отражающей поверхностью элемента 2 вертикального наведения головной части, чем обеспечивается одновременная работа всех каналов.
Расположение дальномерного канала под головной частью прибора позволяет разместить внутреннюю базу дальномера, при этом выполняется следующее соотношение:
виз.об.
пр
зерк.
D≤B≤0,9⋅Н,
пр
где: В - расстояние между входными оптическими осями призм АР-90;
виз.об.
D - диаметр входного зрачка объектива визуального канала;
зерк.
Н - ширина зеркального элемента головной части прибора.
пр
зерк.
виз.об.
Выполнение этого соотношения позволяет получить внутреннюю базу дальномера «B», равную 76 мм (в варианте исполнения) при ширине «Н» зеркального элемента 2, равной 110 мм и диаметре «D» входного зрачка объектива 4 визуального канала, равном 48 мм.
Прямоугольная призма 17 типа АР-90 имеет размер катета 20 мм (высота призмы 10 мм), ее входная грань расположена перед половиной входного зрачка объектива. Входная грань прямоугольной призмы 18 типа АР-90 имеет размер катета 26 мм (высота призмы 16 мм) и удалена от выходной грани первой призмы на величину 53 мм, оптические оси призм совпадают, гипотенузные грани призм 17 и 18 параллельны между собой. Увеличенный размер призмы 18 обусловлен большим ее удалением от объектива 14, чем исключается виньетирование углового поля зрения.
пр
Одна половина объектива дальномера 14 работает в прямом ходе лучей и строит изображение на одной половине матричного фотоприемника 16, формируя прямую визирную ось «II». Вторая половина объектива дальномера 14 строит изображение на второй половине матричного фотоприемника 16 и работает через две призмы 17 и 18 типа АР-90, формирующие базовую визирную ось «III». Удалением призмы 18 от призмы 17 создается внутренняя база дальномера «B» - расстояние между визирной осью «II», сформированной одной половиной объектива дальномера 14, и визирной осью «III», сформированной призмами 17, 18 и второй половиной объектива дальномера 14.
Между объективом дальномера 14 и фотоприемником 16 установлена плоская диафрагма 15, разделяющая изображения от прямой и базовой визирных осей «II» и «III», создавая на матричном фотоприемнике 16 видимую границу, разделяющую на две части изображение вертикального объекта и препятствуя взаимной засветке частей изображения друг другом, при этом должно выполняться следующее соотношение:
диафр
где: L - длина плоской диафрагмы;
- задний вершинный отрезок объектива дальномера,
Выполнение этого соотношения обеспечивает экранирование частей изображения от взаимных засветок.
Светофильтры 19 и 20 могут быть выполнены из стекол марки КС-10 или КС-11, отсекают коротковолновую часть спектра, улучшая работу дальномерного (визирного) канала при плохих погодных условиях (при наличии дымки, тумана и др.).
Режим повышенного увеличения более 8 крат обеспечивается тем, что дальномерный канал также является и визирным телевизионным за счет того, что после определения сдвига изображения на матричном фотоприемнике 16, микропроцессорный блок 21 определяет дальность до цели по известному сдвигу и осуществляет передачу на микродисплей 22 изображения с обратным программным сдвигом до совпадения изображений в реальном времени (с временем обновления кадра менее времени инерции зрения, например, каждые 20 мс). Увеличение телевизионного дальномерного (визирного) канала может быть определено по известному соотношению:
об
где: F - фокусное расстояние объектива дальномера 14;
экр.
D - размер микродисплея 22 по вертикали;
ф.пр.
D - размер матричного фотоприемника 16 по вертикали;
ок
F - фокусное расстояние окуляра 23.
об
экр.
ф.пр.
ок
При известных данных (F=83,9 мм, D=9,56 мм, D=5,63 мм, F=15,67 мм) увеличение дальномерного (визирного) канала при наблюдении через окуляр 22 составит ~ 9,09 крат. Угловой предел разрешения составит ~7,2'', а полное поле зрения дальномерного (визирного телевизионного) канала составит величину 3,84°×2,16° (ВН×ГН).
Изображения, построенные телевизионным, тепловизионным и дальномерным (визирным) каналами, выводятся процессорным блоком 21 на микродисплей 22, расположенный в передней фокальной плоскости второго окуляра 23, в любой последовательности, включая комбинирование изображений. Оптические оси первого и второго окуляров устанавливаются параллельно друг к другу на среднем значении базы глаз взрослого человека, что позволяет вести наблюдение одновременно двумя глазами, рассматривая визуальное и телевизионное/тепловизионное изображения одновременно.
Измерение дальности базируется на измерении сдвига одной из двух частей изображения предмета «х» на матричном фотоприемнике 16 по известным формулам (Ковалев С.В., Шаповалов Д.А. Пассивный дальномер Ковалева. Геодезия и картография, №3, 2021) при известных величинах внутренней базы и фокусного расстояния объектива дальномера 14:
об
где: F - фокусное расстояние объектива дальномера 14;
пр
В - внутренняя база дальномера;
ц
D - дальность до наблюдаемого предмета.
Итоговая формула для вычисления дальности и ошибки измерения дальности будет иметь следующий вид:
где: Δx - ошибка измерения сдвига «х» между частями изображения.
ц
пр
Ошибка измерения дальности «ΔD» и возможность работы с уменьшенной внутренней базой «В» здесь в значительной степени зависит от точности координатных измерений «Δх».
Уровень субпиксельной точности координатных измерений, равный 0,001 от размера пикселя фотоприемника, используется в работе (Ковалев С.В., Шаповалов Д.А. Пассивный дальномер Ковалева. Геодезия и картография, №3, 2021). Для достижения такой точности применяются специальные калибры или же геодезическая рейка с контрастными и четко выраженными границами, как это требуется при проведении геодезических измерений.
Для произвольных изображений реальных сцен достигнуты уровни субпиксельной точности, составляющие 0,01 от размера пикселя фотоприемника при цифровых методах измерения дальности, изложенных в работе (Козлов В.Л., Васильчук А.С. Субпиксельная обработка изображений для измерения дальности на основе цифровой фотокамеры. Приборы и методы измерений. №1(4), 2012). В работе (Козлов В.Л. Оптимизация размера окна сканирования для измерений дальности по цифровым изображениям. Журн. Белорус. гос. ун-та. Физика. №2, 2018) также достигнута ошибка измерения координаты в сотые доли пикселя за счет выполнения двумерной субпиксельной интерполяции.
об
пр
Ошибка измерения дальности пассивным дальномером при известном размере пикселя фотоприемника 2,932 мкм, при F=83,9 мм и внутренней базе В=76 мм может быть оценена при точности измерения смещения изображения, равной 0,01 от размера пикселя для одного измерения. Тогда точность измерения смещения по двум измерениям (смещение двух изображений) составит Δх=0,05864 мкм и будет справедлива следующая таблица расчетных величин.
Проведенные расчеты показывают возможность достижения точности измерения дальности до предмета менее 10 м на дистанции 1000 м и менее 4% на дистанции 4000 м.
Прибор наблюдения-прицел со встроенным пассивным дальномером использует дальномерный канал, который также может являться визирным телевизионным каналом с увеличением более 8 крат при компенсации сдвига частей изображения, при этом технические параметры прибора будут соответствовать приведенным в таблице 3.
Как видно из расчетов, прибор наблюдения-прицел со встроенным пассивным дальномером позволяет исключить активный режим при измерении дальности, упрощает оптический тракт с обеспечением пассивного оптико-электронного дальнометрирования, уменьшает внутреннюю базу дальномера с сохранением габаритных размеров головного зеркала и точности измерения менее 10 м на дистанции 1000 м и менее 4% на дистанции 4000 м, обеспечивает для дальномерного канала визирный телевизионный режим с увеличением более 8 крат, сохраняет одновременную работу всех каналов без механических переключений.