Оптико-электронный пассивный дальномер
OPTOELECTRONIC PASSIVE RANGE FINDER

Предлагаемое изобретение относится к области оптико-электронной техники и может быть использовано для пассивного измерения расстояний до предметов с индикацией его величины при ориентации на местности, для ведения прицельной стрельбы по измеренной дальности и в других областях применения.
Известен оптико-электронный стереоскопический дальномер (патент RU 2579532 С2, опубл. 10.04.2016), содержащий захватное устройство в виде двух цифровых камер, разнесенных в пространстве по горизонтали на известном расстоянии, и вычислительный блок, осуществляющий определение дальности до объектов путем определения сдвига между изображениями при сканировании полученных изображений по положению максимального значения двухмерной нормированной корреляционной функции в субпиксельном диапазоне, при этом левая и правая камеры установлены на внутренних рамах своих кардановых подвесов, каждый из которых содержит внешнюю и внутреннюю рамы, на осях которых установлены датчики угла поворота рам подвеса.
Недостатком этого дальномера является сложность конструктивного исполнения с наличием подвижных узлов и механизмов, снижающих надежность при практическом использовании в условиях механических воздействий, и значительные габаритные размеры, обусловленные необходимостью создания внутренней базы (расстояния между двумя камерами) для обеспечения точного измерения дальности с минимальной ошибкой определения дальности, что затрудняет применение, например, при использовании на оружии типа СВД.
Известен оптический дальномер фокусирующего типа (патент RU 2117973 С1, опубл. 20.08.1998), использующий мультискан для измерения линейного перемещения объектива визирного канала, необходимого для фокусирования на удаленную цель, и блок управления с цифроиндикаторами, осуществляющий пересчет подвижки объектива в дальность до цели, на которую фокусируется объектив.
Недостатком этого дальномера является невозможность точного (менее 10%) измерения на дальностях, превышающих ~ 100 м из-за ошибки наводки при фокусировании на цель, обусловленной низкой абсолютной и относительной точностью наводки, вызванной малой апертурной чувствительностью человеческого глаза, необходимостью наличия человека-оператора для осуществления сложного алгоритма определения положения с наиболее резким изображением, субъективные ошибки оператора и низкая скорость наведения. Для повышения точности измерения на дальностях точной стрельбы оружия типа СВД (400-500 м) требуется большое значение фокусного расстояния объектива (более 600 мм), а это, в свою очередь, требует увеличения внутренней базы - входного зрачка объектива (до значения порядка 150 мм), при этом возрастают габаритные размеры и вес, а также затрудняются измерения при ручном фокусировании на цель.
Известны дальномеры двойного изображения, в которых для определения расстояния используется фокусирование пучков лучей, вырезанных из общего пучка, падающего на объектив, при помощи диафрагмы с двумя отверстиями, разнесенными на величину действующего входного зрачка объектива (Грэйм И.А. Оптические дальномеры и высотомеры геометрического типа. М.: Недра, 1983, рис. 7.), и вычисление измеряемого расстояния через взаимосвязь размера между отверстиями диафрагмы с дальностью и параллактическим углом с учетом формулы Ньютона.
Недостатком этого дальномера является необходимость в увеличении внутренней базы - действующего входного зрачка объектива и его относительного отверстия для повышения точности измерений, а также малая угловая чувствительность человеческого глаза, необходимость наличия человека-оператора для осуществления сложного алгоритма осуществления двух действий - фокусирования и совмещения двух изображений при субъективных ошибках оператора с низкой скоростью наведения. При этом возрастают габаритные размеры и вес, а также затрудняются измерения при ручном фокусировании на цель.
Наиболее близким по технической сущности является способ измерения расстояний на цифровой фотокамере (патент RU 2485443 С1, опубл. 20.06.2013), включающий получение двух цифровых изображений объекта с использованием двух фотокамер, разнесенных по горизонтали на известное расстояние, где дальность до объекта определяется по сдвигу между изображениями по горизонтальной оси, а сдвиг между изображениями определяют по положению максимального значения двухмерной нормированной корреляционной функции с уточнением положения максимума корреляционной функции в субпиксельном диапазоне и осуществлением локализации максимума с наибольшим значением корреляционной функции. В этом случае полностью отсутствуют подвижные узлы и механизмы.
Недостатком этого дальномера являются значительные габаритные размеры и массовые параметры, обусловленные наличием внутренней базы (расстояния между оптическими осями двух камер), обеспечивающей измерение дальности с минимальной ошибкой определения дальности, а также необходимость в наличии двух достаточно габаритных объективов, что затрудняет применение, например, при использовании на оружии типа СВД.
Задачей настоящего изобретения является уменьшение габаритных размеров менее размера внутренней базы прибора и соответственное уменьшение веса при обеспечении приемлемой ошибки пассивного измерения дальности не хуже (1,0÷1,5)% от измеряемой дальности на основных дистанциях точной стрельбы оружия типа СВД (~500 м).
Технический результат, обусловленный поставленной задачей, достигается тем, что в оптико-электронном пассивном дальномере, содержащем два цифровых канала, где дальность до цели определяется по сдвигу изображения, а сдвиг изображения определяют по положению максимального значения двухмерной нормированной корреляционной функции с уточнением положения максимума корреляционной функции в субпиксельном диапазоне и осуществлением локализации максимума с наибольшим значением корреляционной функции, в отличие от известного, первый цифровой канал является визирным, содержащим короткофокусный объектив и матричный фотоприемник, сопряженный с дисплеем окулярного канала, содержащим дисплей и окуляр, второй цифровой канал является дальномерным, содержащим фрагмент длиннофокусного объектива, входной зрачок которого ограничен отверстием диафрагмы, смещенной с оптической оси к краю входного зрачка длиннофокусного объектива, при этом первый компонент объектива дальномерного канала является фрагментом положительной выпукло-плоской линзы, второй - фрагментом вогнутого зеркала, третий - фрагментом отрицательной двояковогнутой линзы, четвертый - фрагментом положительной вогнутовыпуклой линзы, пятый - фрагментом положительной выпукло-плоской линзы, а оптическая ось визирного канала расположена между отверстием смещенной диафрагмы и оптической осью длиннофокусного объектива дальномерного канала, при этом плоскость фотоприемника дальномерного канала имеет наклон относительно оптической оси длиннофокусного объектива дальномерного канала и выполняются следующие соотношения:
0°≤α≤15°;
диафр
об
D=(0,05÷0,4)⋅D;
виз
об
F=(0,05÷0,5)⋅F,
где: α - угол между оптической осью длиннофокусного объектива дальномерного канала и плоскостью фотоприемника дальномерного канала;
об
D - диаметр входного зрачка длиннофокусного объектива дальномерного канала;
диафр
D - диаметр смещенной диафрагмы длиннофокусного объектива дальномерного канала;
oб
F - фокусное расстояние длиннофокусного объектива дальномерного канала;
виз
F - фокусное расстояние короткофокусного объектива визирного канала,
а дальность до цели определяют в дальномерном канале по сдвигу центра области резкого изображения цели относительно опорного пикселя фотоприемника дальномерного канала, соответствующего дальности до цели на «бесконечности» и соответствующего пикселю прицельной метки для наведения на цель в визирном канале, из выражения:
Ц
где: D - дальность до наблюдаемой цели;
ф
х' - измеренная величина смещения центра области резкого изображения наблюдаемой цели в плоскости фотоприемника дальномерного канала относительно пикселя фотоприемника, соответствующего изображению цели на «бесконечности».
Схема оптико-электронного пассивного дальномера показана видом сверху на чертеже фиг. 1.
Оптико-электронный пассивный дальномер состоит из дальномерного канала 1-6, визирного цифрового канала 7-8 и окулярного канала 9-11. Здесь 1-5 - фрагмент зеркально-линзового объектива дальномерного канала, 6 - матричный фотоприемник дальномерного канала. Фрагмент зеркально-линзового объектива дальномерного канала содержит: 1 - фрагмент первой положительной выпукло-плоской линзы; 2 - фрагмент отражающего вогнутого зеркала; 3, 4 и 5 - фрагменты линзового компенсатора, где 3 - фрагмент отрицательной двояковыпуклой линзы компенсатора, 4 - фрагмент положительной вогнуто-выпуклой линзы компенсатора, 5 - фрагмент положительной выпукло-плоской линзы компенсатора.
Визирный канал содержит: 7 - короткофокусный объектив визирного канала; 8 - фотоприемник визирного канала.
Окулярный канал содержит: 9 - дисплей окулярного канала; 10 - окуляр окулярного канала; 11 - выходной зрачок окулярного канала.
Конструктивные параметры варианта исполнения длиннофокусного зеркально-линзового объектива дальномерного канала оптико-электронного пассивного дальномера приведены в таблице 1.
Применяемые фотоприемники 6 и 8: формат 1280×960 элементов, размер пикселя 3,75×3,75 мкм (частота Найквиста ~ 130 штр/мм), размер чувствительной площадки 4,8×3,6 мм, диагональ 6,0 мм.
Параметры варианта исполнения длиннофокусного объектива дальномерного канала:
- расчетная длина волны
0,7 мкм;
- рабочий спектральный диапазон
(0,5÷0,9) мкм;
- фокусное расстояние
200 мм;
- диаметр входного зрачка
200 мм;
- линейное поле зрения
6,0 мм;
- угловое поле зрения
- по вертикали
~1,0;
- по горизонту
~0,6;
- относительное отверстие объектива
дальномерного канала
1: 1
- относительное отверстие действующего фрагмента
объектива дальномерного канала
1:4,2
Для визирного цифрового канала 7-8 возможно использование короткофокусного объектива 7 со светосилой ~ 1:1÷1:1,5 и с фокусным расстоянием ~ 18 мм, при этом поле зрения по вертикали составит 11,4°, поле зрения по горизонту составит 15,2°, диагональное угловое поле зрения - 18,9°.
В окулярном канале возможно применение окуляра с фокусным расстоянием 15,6 мм и дисплея формата 1280×1024 элементов с размером пикселя 9,3×9,3 мкм (наименование SXGA060) с размерами активной области 11,941×9,56 мм (диагональ = 15,296 мм).
Принцип действия оптико-электронного пассивного дальномера заключается в следующем (фиг. 1).
Визирный цифровой канал 7-8 служит для поиска цели и наведения на нее прицельной метки. Визирная линия, формируемая прицельной меткой, соответствует опорному пикселю фотоприемника 6 дальномерного канала 1-6, совпадающего с оптической осью длиннофокусного зеркально-линзового объектива 1-5 дальномерного канала и соответствующего резкому изображению центра цели при ее удалении на «бесконечность».
Второй цифровой канал 1-6 служит для измерительных целей и является дальномерным, при этом необходимо выполнить соотношение:
виз
oб
F=(0,05÷0,5)⋅F,
об
где: F - фокусное расстояние длиннофокусного объектива 1-5 дальномерного канала;
виз
F - фокусное расстояние короткофокусного объектива 7 визирного канала.
Таким образом, короткофокусный объектив 7 визирного канала имеет малый габаритный размер в сравнении с длиннофокусным объективом 1-5 дальномерного канала, что позволяет разместить его внутри длиннофокусного объектива 1-5, т.е. оптическая ось визирного канала может быть расположена между отверстием смещенной диафрагмы и оптической осью длиннофокусного объектива 1-5 дальномерного канала.
oб
диафр
об
диафр
об
Дальномерный канал 1-6 содержит фрагмент длиннофокусного зеркально-линзового объектива 1-5, входной зрачок которого «D» ограничен отверстием диафрагмы «D», смещенной с оптической оси объектива к краю входного зрачка «D» длиннофокусного объектива дальномерного канала, при этом первый компонент длиннофокусного объектива дальномерного канала 1 является фрагментом положительной выпукло-плоской линзы, второй компонент 2 - фрагментом вогнутого зеркала, третий компонент 3 - фрагментом отрицательной двояковогнутой линзы, четвертый компонент 4 - фрагментом положительной вогнуто выпуклой линзы, пятый компонент 5 - фрагментом положительной выпукло-плоской линзы. Такое построение дальномерного канала обуславливает наклонный ход лучей в плоскости изображений только с одной стороны от оптической оси дальномерного канала, а углы наклона будут максимальными при смещении ограничивающей диафрагмы «D» к краю входного зрачка «D» длиннофокусного объектива дальномерного канала, при этом необходимо выполнить соотношение:
диафр
oб
D=(0,05÷0,4)⋅D,
об
где: D - диаметр входного зрачка длиннофокусного объектива 1-5 дальномерного канала;
диафр
D - диаметр смещенной диафрагмы длиннофокусного объектива 1-5 дальномерного канала.
об
диафр
Наклонный ход лучей позволяет расположить плоскость фотоприемника 6 вдоль оптической оси длиннофокусного объектива 1-5 дальномерного канала для фиксации смещения центра резкого изображения цели при изменении дальности до цели и уменьшить габаритные размеры дальномерного канала в 2 раза по сравнению с внутренней базой (диаметром входного зрачка «D» длиннофокусного объектива дальномерного канала), за счет использования фрагмента длиннофокусного объектива, ограниченного смещенной диафрагмой «D».
Ц
При совпадении плоскости фотоприемника 6 с оптической осью длиннофокусного объектива 1-5 дальномерного канала, изображение цели, находящейся на дальности «D» от передней линзы объектива 1, смещается вдоль оптической оси объектива 1-5 согласно формуле Ньютона (Бегунов Б.Н., Заказнов Н.П. Теория оптических систем (учебное пособие для втузов). М., «Машиностроение», 1973, формула 213) на величину:
где х' - смещение изображения цели вдоль оптической оси длиннофокусного объектива 1-5 от заднего фокуса объектива (от положения изображения этой цели, когда цель находится на «бесконечности»);
Ц
Ц
x - расстояние, измеряемое от переднего фокуса объектива 1-5 до наблюдаемой цели и принимаемое как дальность до цели «D» при условии, что «D» намного больше, чем удаление переднего фокуса от первой линзы объектива 1-5.
Таким образом, резкое изображение пространства предметов, находящееся в плоскости, перпендикулярной оптической оси дальномерного канала 1-6, сдвигается по оптической оси длиннофокусного объектива 1-5 дальномерного канала соответственно уменьшению дальности до цели. На фиг. 2 показано положение плоскости резкого изображения цели, находящейся на дальностях «бесконечность», 500 м и 100 м, смещение центра которой можно измерить как «x'», если расположить плоскость фотоприемника 6 вдоль оптической оси длиннофокусного объектива 1-5 дальномерного канала.
Для оптимизации кружков рассеяния длиннофокусного объектива 1-5 и улучшения качества изображения центра поля зрения целесообразно придать плоскости фотоприемника 6 наклон относительно оптической оси длиннофокусного объектива 1-5 дальномерного канала на некоторый угол:
0°≤α≤15°,
где: α - угол между оптической осью длиннофокусного объектива 1-5 дальномерного канала и плоскостью фотоприемника 6 дальномерного канала.
1
2
ф
Тогда измеренное смещение центра резкого изображения цели определяется ходом лучей согласно фиг. 3, где через вспомогательные величины «h», «х'» и «х'» определяется смещение центра области резкого изображения цели «x'» на фотоприемнике 6 дальномерного канала с учетом угла наклона «α» фотоприемника 6. Тогда дальность до цели определяется из выражения:
ф
где: х' - измеренная величина смещения центра области резкого изображения наблюдаемой цели в плоскости фотоприемника 6 дальномерного канала 1-6 относительно пикселя фотоприемника 6, соответствующего изображению цели на «бесконечности».
Теоретическая ошибка определения дальности здесь может быть определена по формуле:
ф
где: Δх' - ошибка измерения смещения центра области резкого изображения наблюдаемой цели в плоскости фотоприемника 6 дальномерного канала 1-6 относительно пикселя фотоприемника 6, соответствующего изображению цели на «бесконечности».
ф
Если для определения сдвига центра области резкого изображения цели использовать вычисление положения максимального значения двухмерной нормированной корреляционной функции в субпиксельном диапазоне, то можно обеспечить измерение величины «х'» с точностью не хуже 0,2 от размера пикселя фотоприемника 6 дальномерного канала.
ф
При размере пикселя фотоприемника 6, равном 0,00375 мм, ошибка измерения смещения составит Δх'=0,00075 мм, а теоретические ошибки измерения дальности до цели для различных значений дальности будут иметь величины, приведенные в таблице 2.
oб
диафр
Как видно из расчетов, оптико-электронный пассивный дальномер обеспечивает приемлемую погрешность пассивного измерения дальности на основных дистанциях точной стрельбы оружия типа СВД (~500 м) с теоретической ошибкой ~ 1,1%, а также позволяет вести стрельбу на дальности ~ 1 км с теоретической ошибкой измерения дальности ~ 2,25%, при этом обеспечивается малогабаритность исполнения с уменьшением поперечных размеров (в 2 раза меньше, чем внутренняя база - диаметр входного зрачка «D» длиннофокусного объектива 1-5) за счет использования фрагмента длиннофокусного объектива 1-5 дальномерного канала, ограниченного размером смещенной диафрагмы «D» и наклона плоскости фотоприемника 6 дальномерного канала 1-6 относительно оптической оси длиннофокусного объектива 1-5 дальномерного канала.
диафр
Короткофокусный объектив 7 визирного канала при малом фокусном расстоянии имеет малый габаритный размер, что позволяет разместить его внутри длиннофокусного объектива 1-5 между отверстием смещенной диафрагмы «D» и оптической осью длиннофокусного объектива 1-5.