ПАССИВНАЯ ГОЛОВКА САМОНАВЕДЕНИЯ ДЛЯ ЗЕНИТНЫХ УПРАВЛЯЕМЫХ РАКЕТ

Полезная модель относится к головкам самонаведения (далее ГСН), используемым для формирования сигналов управления в зенитных ракетных комплексах.
Полезная модель может обеспечивать расширение диапазона надежного функционирования ГСН в условиях неравномерных фоновых образований, то есть при одновременном приеме сигналов и от цели и от облаков, морских бликов, лесного массива и др.
При этом в головке самонаведения селекция полезных сигналов не требует увеличения энергетических и весогабаритных характеристик, что может позволить расширить номенклатуру выпускаемой продукции и даст возможность осуществить модернизацию комплексов.
Известна головка самонаведения для формирования верного сигнала управления в условиях наличия ложного сигнала цели в поле зрения ГСН (RU 2476815 C1, 2011 г.). Устройство включает в себя гирокоординатор с гироскопом и с блоками систем управления и коррекции.
Известно также решение задачи ограничения сигналов приемного устройства в головке самонаведения, включающей в себя гироскоп, фотоприемное устройство (RU 2478909 C2, 2006 г.), а также решение задачи повышения надежности работы в связи с наличием климатических условий в головке самонаведения комплекса для наземных и надводных целей (RU 2197709 C2, 2001 г.).
Прототипом предложенной пассивной головки самонаведения для зенитных управляемых ракет является устройство по патенту №127889 U1 от 15.08.2012 г., которое является наиболее близким по выполняемой функции и достигаемому результату.
Устройство позволяет за счет особенностей конструкции ГСН расширить диапазон боевого применения ракеты путем уменьшения зависимости точности ее наведения от метеоусловий, используя инфракрасное и световое излучения цели для выработки сигнала управления.
В известной ГСН имеется гирокоординатор с катушкой коррекции и катушкой пеленга и размещенной на карданном подвесе оптической фотоприемной системой для приема оптических сигналов и преобразования их в электрические сигналы. Имеются также блоки систем управления и коррекции, включающие в себя узел предварительной обработки и оцифровки видеосигнала с блоком предварительной обработки видеосигнала, с аналого-цифровым преобразователем, с блоком настройки усиления и смещения, с блоком управления рамкой, с первым блоком кадровой памяти и с блоком медианной фильтрации, с блоком селекции на основе байесовского, структурного и корреляционного классификаторов. Кроме того, в устройстве имеются блок установки типа цели и дальности и блок принятия решения и формирования сигнала коррекции.
Недостатком как аналогов, так и прототипа является недостаточно высокая надежность выделения цели головкой самонаведения для получения верного сигнала зенитной управляемой ракете за счет того, что отсутствует возможность исключить при наведении головки фоновые образования, например: блики моря, лесной массив, низко плывущие облака, умышленно организованные противником оптические помехи, которые влияют на оптическую фотоприемную систему. В описанных технических решениях повышение надежности приема сигнала от цели и передача управляемой ракете сигнала сопровождается усложнением конструкции, повышением ее материалоемкости, трудностями в регулировке и обслуживании. Указанные технические решения не позволяют обеспечить повышение надежности определения истинной цели для поступления сигнала на пуск ракеты именно по отношению к этой, а не иной, верно выбранной цели. В известных технических решениях не представляется возможным их реализация без увеличения габаритов, массы, энергоемкости и т.п.
Задачей, на решение которой направлена данная полезная модель, является создание условий для поступления сигнала на пуск ракеты именно по отношению к верно выбранной цели за счет обработки и разделения интегрированно принимаемых сигналов головкой самонаведения на ложные сигналы и сигнал цели.
Техническим результатом при реализации предлагаемой полезной модели является повышение надежности и улучшение точности поражения цели ракетой; выделение сигнала цели из всей массы принимаемых сигналов головкой самонаведения и распознавание ложных сигналов. Также к техническим результатам следует отнести упрощение конструкции, уменьшение ее материалоемкости, снижение массы и энергоемкости. Кроме того, техническим результатом является исключение проблем, связанных с увеличением габаритов. При этом к техническому результату можно отнести то, что отсутствуют значительные трудности в регулировке ГСН. Следует также отметить неприхотливость в обслуживании головки самонаведения.
На достижение указанного технического результата оказывают влияние следующие существенные признаки. В пассивной головке самонаведения для зенитных управляемых ракет, включающей в себя гирокоординатор с карданным подвесом, катушкой пеленга, катушкой коррекции и оптической системой, узел предварительной обработки и оцифровки видеосигнала, блок селекции на основе байесовского, структурного и корреляционных классификаторов, блок принятия решения и формирования сигнала коррекции, блок установки типа цели и дальности, причем узел предварительной обработки и оцифровки видеосигнала включает в себя блок предварительной обработки видеосигнала, аналого-цифровой преобразователь, первый блок кадровой памяти, блок медианной фильтрации, блок настройки усиления и смещения и блок управления рамкой, при этом вход катушки пеленга соединен с карданным подвесом гирокоординатора, а выход катушки коррекции соединен с карданным подвесом гирокоординатора, в узле предварительной обработки и оцифровки видеосигнала выход блока предварительной обработки видеосигнала соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выход аналого-цифрового преобразователя соединен с первым входом первого блока кадровой памяти, выход первого блока кадровой памяти соединен с входом блока медианной фильтрации, выход блока медианной фильтрации соединен с входом блока настройки усиления и смещения и с первым входом блока селекции на основе байесовского, структурного и корреляционных классификаторов, выход блока настройки усиления и смещения соединен с первым входом блока предварительной обработки видеосигнала, первый выход блока селекции соединен с первым входом блока управления рамкой узла предварительной обработки и оцифровки видеосигнала, второй выход блока селекции соединен с первым входом блока принятия решения и формирования сигнала коррекции, первый выход блока установки типа цели и дальности соединен со вторым входом блока управления рамкой узла предварительной обработки и оцифровки видеосигнала, второй выход блока установки типа цели и дальности соединен со вторым входом блока селекции, выход блока управления рамкой соединен со вторым входом первого блока кадровой памяти, выход катушки пеленга гирокоординатора соединен со вторым входом блока принятия решения и формирования сигнала коррекции, выход блока принятия решения и формирования сигнала коррекции соединен с входом катушки коррекции гирокоординатора, при этом пассивная головка самонаведения снабжена узлом выделения движущихся объектов, гирокоординатор головки самонаведения снабжен матричным фотоприемным устройством, причем узел выделения движущихся объектов включает в себя второй блок кадровой памяти, третий блок кадровой памяти, блок сравнения кадров изображения, блок формирования матрицы векторов движения и блок выделения движущихся объектов, при этом выход второго блока кадровой памяти соединен с первым входом блока сравнения кадров изображения, выход третьего блока кадровой памяти соединен со вторым входом блока сравнения кадров изображения, выход блока сравнения кадров изображения соединен с входом блока формирования матрицы векторов движения, выход блока формирования матрицы векторов движения соединен с входом блока выделения движущихся объектов, выход блока выделения движущихся объектов соединен с третьим входом блока принятия решения и формирования сигнала коррекции, а выход аналого-цифрового преобразователя узла предварительной обработки и оцифровки видеосигнала дополнительно соединен с входом второго и с входом третьего блоков кадровой памяти, в гирокоординаторе выход оптической системы соединен с входом матричного фотоприемного устройства, а выход матричного фотоприемного устройства соединен со вторым входом блока предварительной обработки видеосигнала узла предварительной обработки и оцифровки видеосигнала.
Отличительными признаками заявленного технического решения от прототипа является то, что пассивная головка самонаведения снабжена узлом выделения движущихся объектов, гирокоординатор головки снабжен матричным фотоприемным устройством, причем узел выделения движущихся объектов включает в себя второй блок кадровой памяти, третий блок кадровой памяти, блок сравнения кадров изображения, блок формирования матрицы векторов движения и блок выделения движущихся объектов, при этом выход второго блока кадровой памяти соединен с первым входом блока сравнения кадров изображения, выход третьего блока кадровой памяти соединен со вторым входом блока сравнения кадров изображения, выход блока сравнения кадров изображения соединен с входом блока формирования матрицы векторов движения, выход блока формирования матрицы векторов движения соединен с входом блока выделения движущихся объектов, выход блока выделения движущихся объектов соединен с третьим входом блока принятия решения и формирования сигнала коррекции, а выход аналого-цифрового преобразователя узла предварительной обработки и оцифровки видеосигнала дополнительно соединен с входом второго и с входом третьего блоков кадровой памяти, в гирокоординаторе выход оптической системы соединен с входом матричного фотоприемного устройства, а выход матричного фотоприемного устройства соединен со вторым входом блока предварительной обработки видеосигнала узла предварительной обработки и оцифровки видеосигнала.
За счет наличия узла предварительной обработки видеосигнала обеспечивается наиболее оптимальная реализация динамического диапазона входного сигнала за счет настройки параметров усиления и смещения в усилительном тракте предварительной обработки видеосигнала.
При этом блок селекции на основе байесовского, структурного и корреляционных классификаторов предназначен для измерения характеристик, имеющихся в поле зрения объектов, таких как яркость, геометрические размеры, взаимное расположение, форма, и других, для группирования результатов измерения в некоторые совокупности или образы, сопоставления их с хранящимися в памяти блока, для установления типа цели перед пуском ракеты или при захвате цели на траектории.
Блок установки типа цели и дальности предназначен для регистрации информации перед пуском ракеты о типе цели, ее дальности, которые вводятся оператором и с пусковой установки записываются на пассивную головку самонаведения зенитной управляемой ракеты.
За счет наличия узла выделения движущихся объектов обеспечивается селекция малоразмерных объектов или целей, которые движутся в поле зрения оптической системы относительно окружающего их фона. А блок принятия решения и формирования сигнала коррекции обеспечивает определение комплексированных координат цели по результатам работы блока селекции на основе байесовского, структурного и корреляционных классификаторов и узла выделения движущихся объектов. Катушка пеленга является датчиком положения оси гирокоординатора относительно оси ракеты, а катушка коррекции наводит ЭДС и обеспечивает разворот гирокоординатора в зависимости от фазы и амплитуды поданного сигнала коррекции.
Сущность полезной модели поясняется графическими материалами.
На фиг. 1 представлена функциональная схема пассивной головки самонаведения для зенитных управляемых ракет.
На фиг. 2 - схема узла предварительной обработки и оцифровки видеосигнала.
На фиг. 3 - схема узла выделения движущихся объектов.
На фиг. 4 представлен пример выполнения координатора пассивной головки самонаведения для зенитных управляемых ракет.
Пассивная головка самонаведения для зенитных управляемых ракет состоит из гирокоординатора 1 (ГК), который имеет карданный подвес 2 (КП) и включает в себя оптическую систему 3 (ОС) с матричным фотоприемным устройством 4 (МФПУ), катушку 5 пеленга (КПЕЛ) и катушку 6 коррекции (КК), узла 7 предварительной обработки и оцифровки видеосигнала (УПООВ), узла 8 выделения движущихся объектов (УВДО), блока 9 селекции на основе байесовского, структурного и корреляционных классификаторов (БСОБСКК), блока 10 принятия решения и формирования сигнала коррекции (БПРФСК), а также блока 22 установки типа цели и дальности (БУТД). Узел 7 УПООВ включает в себя блок 11 предварительной обработки видеосигнала (БПОВ), аналого-цифровой преобразователь 12 (АЦП), первый блок 13 кадровой памяти (БКП-1), блок 14 медианной фильтрации (БМФ), блок 15 настройки усиления и смещения (БНУС), блок 16 управления рамкой (БУР). Узел 8 УВДО включает в себя второй блок 17 кадровой памяти (БКП-2), третий блок 18 кадровой памяти (БКП-3), блок 19 сравнения кадров изображения (БСКИ), блок 20 формирования матрицы векторов движения (БФМВД), блок 21 выделения движущихся объектов (БВДО).
Связи в предложенном техническом решении выполнены следующим образом. А именно. На вход оптической системы 3 гирокоординатора 1 поступает излучение цели и излучения от неравномерных фоновых помех. Выход оптической системы 3 соединен с входом матричного фотоприемного устройства 4. Вход катушки 5 пеленга соединен с карданным подвесом 2 гирокоординатора 1. Выход матричного фотоприемного устройства 4 соединен со вторым входом блока 11 предварительной обработки видеосигнала узла 7 предварительной обработки и оцифровки видеосигнала. В узле 7 предварительной обработки и оцифровки видеосигнала выход блока предварительной обработки видеосигнала соединен с входом аналого-цифрового преобразователя 12. Выход аналого-цифрового преобразователя 12 соединен с первым входом первого блока 13 кадровой памяти, с входом второго блока 17 и с входом третьего блока 18 кадровой памяти узла 8 выделения движущихся объектов. Выход первого блока 13 кадровой памяти соединен с входом блока 14 медианной фильтрации. Выход блока 14 медианной фильтрации соединен с входом блока 15 настройки усиления и смещения и с первым входом блока 9 селекции на основе байесовского, структурного и корреляционных классификаторов. Первый выход блока 9 БСОБСКК соединен с первым входом блока 10 принятия решения и формирования сигнала коррекции. Первый выход блока 22 установки типа цели и дальности соединен со вторым входом блока 16 управления рамкой узла 7 предварительной обработки и оцифровки видеосигнала. Второй выход блока 22 установки типа цели и дальности соединен со вторым входом блока 9 БСОБСКК. Выход блока 16 управления рамкой соединен со вторым входом первого блока 13 кадровой памяти. Выход второго блока 17 кадровой памяти узла 8 выделения движущихся объектов соединен с первым входом блока 19 сравнения кадров изображения. Выход третьего блока 18 кадровой памяти узла 8 выделения движущихся объектов соединен со вторым входом блока 19 сравнения кадров изображения. Выход блока 19 сравнения кадров изображения соединен с входом блока 20 формирования матрицы векторов движения. Выход блока 20 формирования матрицы векторов движения соединен с входом блока 21 выделения движущихся объектов. Выход блока 21 выделения движущихся объектов узла 8 выделения движущихся объектов соединен с третьим входом блока 10 принятия решения и формирования сигнала коррекции. Выход катушки 5 пеленга гирокоординатора 1 соединен со вторым входом блока 10 принятия решения и формирования сигнала коррекции. Выход блока 10 принятия решения и формирования сигнала коррекции соединен с входом катушки 6 коррекции гирокоординатора 1. Выход катушки 6 коррекции соединен с карданным подвесом 2 гирокоординатора 1.
В примере исполнения (фиг. 4) представлена схема гирокоординатора, в котором соосно с конструкцией 23 карданного подвеса размещены элементы 24, 25, 26 оптической системы и элемент 27 матричного фотоприемного устройства. Схема также включает иные детали, необходимые для разворота гирокоординатора в зависимости от фазы и амплитуды поступающих сигналов. Все используемые блоки ГСН являются известными, либо получены из известных устройств путем их объединения известными методами. Узел 7 предварительной обработки и оцифровки видеосигнала исполнен из цифровых блоков как в патенте 2173881 с помощью логических интегральных микросхем, таких как микросхемы АЦП-1106ВП1, микросхем памяти серии 565, микросхем арифметико-логического устройства, регистров и счетчиков. Узел 8 выделения движущихся объектов, блок 9 селекции на основе байесовского, структурного и корреляционных классификаторов, блок 22 установки типа цели и дальности - цифровые и могут быть реализованы на микросхемах регистров, дешифраторов, счетчиков и оперативных запоминающих устройств. Блок 10 принятия решения и формирования сигнала коррекции в примере исполнения может быть реализован на цифровых микросхемах: регистрах, дешифраторах и счетчиках, а также с применением микросхемы цифро-аналогового преобразователя серии 572.
Пассивная головка самонаведения для зенитных управляемых ракет работает следующим образом.
Через оптическую систему 3 излучение от цели, фокусируется и попадает в матричное фотоприемное устройство 4. Это происходит в результате визуального обнаружения цели, то есть после того, как оператор при развороте пусковой установки ракеты обнаруживает перемещающуюся цель. Оператор совмещает цель с перекрытием прицела, который совмещен с осью ракеты, и нажимает кнопку «захват». Затем сфокусированное излучение преобразуется в электрические сигналы, которые в виде кадра изображения передаются в узел 7 предварительной обработки и оцифровки видеосигналов. При этом катушка 5 пеленга, являющаяся датчиком положения оси гирокоординатора 1 относительно оси ракеты, амплитудой сигнала пеленга характеризует величину отклонения оси ГК 1 от оси ракеты, а фазой напряжения пеленга - направление отклонения. В узле 7 УПООВ блок 11 предварительной обработки видеосигнала принимает электрические сигналы в виде кадра изображения, регистрирует это изображение с заданными коэффициентами усиления и смещения, а затем отформатированный видеосигнал из блока 11 БПОВ выдается в аналого-цифровой преобразователь 12. Далее в АЦП 12 видеосигнал преобразуется в цифровой код с квантованием по уровню яркости в каждой точке, множество которых образует кадр цифрового изображения. По информации из блока 22 установки типа цели и дальности и текущей информации о размерах изображения цели от блока 16 управления рамкой формируется окно анализа. Сигналы с выхода аналого-цифрового преобразователя 12 и с выхода блока 16 управления рамкой поступают в первый блок 13 кадровой памяти, где окно анализа в каждом кадре позиционируется относительно прогнозируемого положения цели. Информация в пределах этого окна хранится в течение длительности кадра. Эта информация поступает в блок 14 медианной фильтрации, где производится масштабирование и фильтрация изображения медианным фильтром. С выхода блока 14 медианной фильтрации отфильтрованный видеосигнал поступает в блок 15 настройки усиления и смещения, где определяется новый коэффициент усиления и новый коэффициент смещения, которые передаются для управления параметрами на блок 11 БПОВ. Далее результаты обработки из узла 7 предварительной обработки и оцифровки видеосигналов передаются по одной связи в блок 9 селекции на основе байесовского, структурного и корреляционных классификаторов, по второй связи в узел 8 выделения движущихся объектов. В УВДО 8 селекция движущихся малоразмерных объектов или целей производится следующим образом. Во втором блоке 17 кадровой памяти запоминается кадр изображения поля зрения, при этом следующий кадр изображения запоминается в третьем блоке 18 кадровой памяти по информации из узла 7 предварительной обработки и оцифровки видеосигналов. Так как положение целей или иных малоразмерных объектов в текущем кадре изображения следует ожидать в некоторой окрестности по отношению к положению объекта в предыдущем кадре, то есть в некоторой зоне, где может быть объект, то для определения нового положения объекта необходимо просмотреть всю зону, где он мажет быть, то есть всю зону анализа. Для этого в кадровой памяти 2 (БКП-2) блока 17 каждый объект накрывают квадратами (одним или несколькими) размерами, например, (8×8) пикселей, так чтобы объект был накрыт полностью. Затем в блоке 19 сравнения изображений (БСИ) для каждого квадрата из блока 17 определяют его новое положение путем нахождения квадрата наиболее похожего из зоны анализа выбранного объекта из изображения в блоке 18 (БКП-3). Далее в блоке 20 формирования матрицы векторов движения (БФМВД) по координатам объектов из блока 17 и соответствующим координатам из блока 15 определяют величину и направление перемещения соответствующего квадрата и составляют матрицу векторов движения. Затем в блоке 21 выделения движущихся объектов (БВДО) производится анализ полученной матрицы, при этом исходят из того, что элементы фона движутся в одном направлении и с одинаковой относительной скоростью, а объекты (цели, организованные оптические помехи или другие малоразмерные объекты) движутся в направлениях и со относительными скоростями, отличными от параметров движения фона. С блока 21 БВДО информация о движущихся объектах, поступает на блок 10 БПРФСК для принятия решения. Блок 9 селекции на основе байесовского, структурного и корреляционных классификаторов измеряет характеристики объектов, находящихся в поле зрения ГСН: яркость, геометрические размеры, взаимное расположение, форму. Далее в блоке 9 результаты измерения группируют в совокупности или образы, сопоставляют их с «эталонными» образами, хранящимися в памяти блока, откуда они вызываются и активируются по сигналу о типе цели из блока 22 БУТД перед пуском ракеты или перед началом работы ГСН при захвате цели на траектории. Далее результаты работы блока 9 селекции на основе байесовского, структурного и корреляционных классификаторов (БСОБСКК) пересылаются в блок 10 БПРФСК, где координаты объектов сопоставляются с координатами из узла 8 выделения движущихся объектов (УВДО) и определяются комплексные координаты цели. При этом, если блок 9 БСОБСКК работает устойчиво, то далее используются координаты отселектированной цели, если блок 9 БСОБСКК работает неустойчиво, тогда далее используются прогнозные координаты цели. Полученные комплексные координаты цели далее используются для формирования сигнала коррекции гирокоординатора 1. Этот сигнал коррекции с выхода блока 10 БПРФСК подается на катушку 6 коррекции. При этом катушка 6 коррекции обеспечивает разворот гирокоординатора 1 в зависимости от фазы и амплитуды поданного сигнала коррекции.
Таким образом, заявленное техническое решение обеспечивает повышение надежности поражения цели ракетой, улучшает точность выбора направления движения, обеспечивает выделение сигнала цели из всей массы принимаемых сигналов головкой самонаведения и распознавание ложных сигналов. За счет обработки и разделения интегрирование принимаемых сигналов головкой самонаведения на ложные сигналы и сигнал цели создаются условия для управления ракетой именно по отношению к верно выбранной цели. Заявленное техническое решение позволяет упростить конструкцию, уменьшить ее материалоемкость, снизить массу, понизить энергоемкость. Она неприхотлива в обслуживании, уменьшаются трудности регулировки и настройки в процессе эксплуатации. При этом отсутствует проблема увеличения габаритов.