ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАЛЬНОМЕР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЙ ДО ОБЪЕКТА ЗАКРЫТОГО ОТ НАБЛЮДАТЕЛЯ НЕПРОЗРАЧНЫМ ПРЕПЯТСТВИЕМ

Изобретение предназначено для наблюдения объектов, закрытых от наблюдателя непрозрачным препятствием, и определения расстояния до них.
Известны оптические и оптоэлектронные дальномеры (см. например патенты РФ №2307322, МПК G01C 3/00, №2299402, МПК G02B 23/12, №2117973, МПК G03B 13/20).
Известен монокулярный дальномер, который устроен таким образом, что изображение объекта (цели) видно в окуляре, составленным из двух половин, разделенных горизонтальной линией; разные половины изображения построены лучами, прошедшими различные оптические системы дальномера ().
Известен стереоскопический дальномер с постоянной базой, который представляет собой двойную зрительную трубу с двумя окулярами. Действие дальномера основано на стереоскопическом эффекте: рассматриваемые отдельно каждым глазом изображения сливаются в одно объемное, в котором ощущается разница в расположении предметов по глубине. Для определения расстояния до объекта (цели) изображение объекта совмещают с изображением специальные метки ("марки"), находящейся в фокальной плоскости дальномера. Объект и "марка" должны как бы находиться на одинаковом расстоянии от наблюдателя. Смещение оптического компенсатора, требуемое для совмещения "марки" и цели, пропорционально определяемому расстоянию. Точность стереоскопического дальномера, особенно с базой в несколько метров, на порядок выше точности монокулярных дальномеров (http:/bse.studentport.su/page2/0727.shtml#ДАЛЬHOMEP).
Известен оптический дальномер, принцип действия которого основан на решении прямоугольного или равнобедренного треугольника по известной длине базы и измеренному противоположному углу (см. geodesy_ep/4_3_2.html).
Однако недостатком перечисленных выше дальномеров является невозможность определения расстояния до объекта, закрытого препятствием
Задача настоящего изобретения заключается в получении изображения и измерения расстояний до объекта, закрытого от наблюдателя непрозрачным препятствием.
Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей за счет обеспечения возможности измерения расстояний до объекта, закрытого от наблюдателя непрозрачным препятствием.
Поставленная задача достигается тем, что электронно-оптический дальномер для измерения расстояний до объекта, закрытого от наблюдателя непрозрачным препятствием, характеризуется наличием телевизионной системы с дистанционным управлением и видеокамерой, соединенной интерфейсом для передачи изображения объекта и данных с портативной быстродействующей микропроцессорной системой с дисплеем, датчиков углового положения камеры и микропроцессорной системы, при этом камера снабжена средством для измерения расстояния от телевизионной системы до объекта.
Изобретение поясняется чертежами, на фиг.1 представлена блок-схема предлагаемого устройство, на фиг.2 приведено геометрическое построение, используемое при практической реализации устройства, на фиг.3 приведены изображения объекта, зафиксированные видеокамерой на расстоянии равного удаления, причем на рисунке 36 видеокамера фиксирует изображение под углом приблизительно 30°, фиг.4 иллюстрирует поворот плоского изображения объекта на 30° средствами библиотеки OpenGL, на фиг.5 изображена сетка оптического прицела, где
1. телевизионная система;
2. двунаправленный интерфейс;
3. микропроцессорная система;
4. цветной дисплей;
5. датчики горизонтального углового положения;
6. датчики вертикального углового положения;
7. средство для измерения расстояния;
8. объект наблюдения;
9. непрозрачное препятствие;
10. точка наблюдения;
11. шкала углов наведения;
12. риски шкалы углов наведения (горизонтальные риски);
13. риски шкалы углов наведения (вертикальные риски);
14. угольники дальности;
15. дальномерная шкала.
Электронно-оптический дальномер (на фиг.1) для измерения расстояний до объекта, закрытого от наблюдателя непрозрачным препятствием, содержит телевизионную систему 1, включающую в себя видеокамеру и блок дистанционного управления, соединенную двунаправленным интерфейсом 2 для передачи сигналов управления, изображения объекта и данных с портативной быстродействующей микропроцессорной системой 3, снабженной цветным дисплеем 4, а также датчиками горизонтального 5 и вертикального 6 углового положения камеры и микропроцессорной системы, при этом камера снабжена средством для измерения расстояния от телевизионной системы до объекта 7.
Связь с помощью интерфейса 2 может осуществляться по проводному, радио или оптическому каналу. Микропроцессорная система 3 осуществляет обработку изображения, полученного от видеокамеры, данных о расстоянии до объекта, сигналов с датчиков 5,6 и вырабатывает команды управления.
Устройство работает следующим образом (фиг.2). Объект наблюдения 8 с центром в точке А для простоты рассуждения равноудален от микропроцессорной системы 3, расположенной в точке наблюдения 10 (в точке В), и видеокамеры телевизионной системы 1, расположенной в точке С, причем от точки наблюдения 8 он загорожен непрозрачным препятствием 9. Расстояние L от точки наблюдения 10 до объекта 8 и расстояние D от видеокамеры до объекта 8 в рассматриваемом частном случае равны. Расстояние d от точки наблюдения В до точки расположения видеокамеры С известно, поскольку доступно для измерения непосредственно, либо с помощью лазерного или оптического дальномера. Углы между направлением на объект из точки наблюдения α и из точки расположения видеокамеры β и прямой ВС определяются датчиками угловых положений. В случае если наблюдаемый объект находится в фокусе видеокамеры, расстояние D от объекта до камеры может быть определено методами лазерной или оптической дальнометрии, что позволяет определить расстояние от точки наблюдения до объекта из известных соотношений для углов и сторон треугольника (в рассматриваемом частном случае - равностороннего).
Задача формирования реалистичного изображения в точке наблюдения в этом случае сводится к повороту с учетом перспективы изображения объекта, наблюдаемого в плоскости видеокамеры на угол γ, определяемый как (180° - α) и представляющий собой, по сути, угол поворота плоскости камеры относительно плоскости наблюдения. В общем случае, когда точка наблюдения и точка расположения камеры не равноудалены от объекта, геометрические соотношения для треугольника ABC, образованного точками расположения объекта, точки наблюдения и камеры, и соответствующих углов на плоскости остаются справедливыми, но кроме операции поворота на рассчитанный угол, следует выполнить тернарную операцию увеличения или уменьшения изображения объекта пропорционально рассчитанному из известных условий соотношению сторон L=[AB] и D=[AC].
Таким образом, обрабатывая показания датчиков 5, 6 угловых положений оси наблюдения и оптической оси видеокамеры, а также данные дальномеров с помощью микропроцессорной системы 3 и выдавая необходимые сигналы управления положением и фокусировкой камеры, получим устройство, позволяющее в реальном масштабе времени "обозревать" закрытые непрозрачным препятствием объекты на дисплее устройства, а также определять расстояние от точки наблюдения до них.
Пример 1. Апробация предложенного технического решения на платформе IBM PC.
В распространенных микропроцессорных операционных системах функции геометрического преобразования плоских и трехмерных объектов сведены в библиотеку OpenGL, код которой является открытым и в силу этого легко переносим между микропроцессорными платформами. На фиг.3 приведены два изображения объекта, зафиксированные видеокамерой на расстоянии равного удаления, причем на фиг.3а приведено изображение объекта в фас, а на фиг.3б видеокамера фиксирует изображение того же объекта под углом приблизительно 30°. Наблюдаемый объект в обоих случаях находится в фокусе видеокамеры.
Фиг.4б иллюстрирует поворот плоского изображения объекта средствами библиотеки OpenGL, аналогичный изображению, наблюдаемому под углом приблизительно 30°.
Сравнивая приведенные изображения можно отметить, что поворот изображения объекта средствами библиотеки OpenGL создает весьма реалистичное изображение объекта, зафиксированного видеокамерой при съемке под углом 30°. Естественно, что преобразование не добавляет объекту объем, поскольку исходное изображение (фиг.4а) заведомо плоское.
Пример 2. Определение расстояние до удаленного объекта оптическими методами.
При необходимости определения расстояния до наблюдаемого объекта в конструкцию оптических приборов вводится специальная сетка (фиг.4), представляющая собой плоскопараллельную пластину, на которой со стороны окуляра нанесены шкала углов наведения 1 и дальномерная шкала 6.
Шкала углов наведения 11 выполнена в виде горизонтальных рисок 12, пересекающих общую вертикальную линию с оцифровкой через 40 м цифрами 0, 4, 8, 12, 16, 20 и через 50 м цифрами 25, 30, 35, 40, 45. Размер горизонтальных рисок 12 на общей вертикальной линии соответствует ширине предмета в 1 м на соответствующих расстояниях до него. Цена деления между рисками соответствует 8 м на расстояниях от 80 до 200 м и 10 м на расстояниях от 200 до 250 м.
Вертикальные риски 13, расположенные влево и вправо от горизонтальных рисок 12 углов наведения, предназначены для введения поправок при боковом ветре скоростью 10 м/с на соответствующих расстояниях. Расстояние между угольниками 14 соответствует высоте предмета в 1,5 м на расстоянии 200 м. В правой части сетки расположена дальномерная шкала 15, служащая для определения дальности до предмета высотой 1,5 м по угловым размерам высоты предмета.
Пределы дальномерной шкалы от 0 до 450 м. Цена деления шкалы 20 м при дальности до цели до 200 м и цена деления шкалы 25 м при дальности до объекта свыше 200 м.