eng
Выпуск #4/2020
А. В. Медведев, А. В. Гринкевич, С. Н. Князева
Пассивные дальномеры: от оптических к оптико-электронным системам
Пассивные дальномеры: от оптических к оптико-электронным системам
Просмотры: 3506
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2020.14.4.344.358
Пассивные оптические дальномеры обладают скрытностью, но не обеспечивают высокой точности измерения дальности в сравнении с лазерными дальномерами. Предложены новые оптические решения на основе комбинации цифровых методов и оригинальных оптических решений. Комбинация обеспечивает разнообразные варианты малогабаритных пассивных прицелов-дальномеров с высокой точностью измерения дальности до цели при скрытности измерений.
Пассивные оптические дальномеры обладают скрытностью, но не обеспечивают высокой точности измерения дальности в сравнении с лазерными дальномерами. Предложены новые оптические решения на основе комбинации цифровых методов и оригинальных оптических решений. Комбинация обеспечивает разнообразные варианты малогабаритных пассивных прицелов-дальномеров с высокой точностью измерения дальности до цели при скрытности измерений.
Теги: defocusing image splitting normalized correlation function axisymmetric apertures passive optoelectronic rangefinder subpixel interpolation нормированная корреляционная функция осесимметричные апертуры пассивный оптико-электронный дальномер раздвоение изображения расфокусировка субпикселная интерполяция
Пассивные дальномеры: от оптических систем к оптико-электронным
А. В. Медведев1, А. В. Гринкевич2, С. Н. Князева3
1 ОАО «Ростовский оптико-механический завод, Ростов Великий, Ярославская обл., Россия
2 ЗАО «ЭВС», Москва, Россия
3 ОКБ ОАО «Ростовский оптико-механический завод», Ростов Великий, Ярославская обл., Россия
Пассивные оптические дальномеры обладают скрытностью, но не обеспечивают высокой точности измерения дальности в сравнении с лазерными дальномерами. Предложены новые оптические решения на основе комбинации цифровых методов и оригинальных оптических решений. Комбинация обеспечивает разнообразные варианты малогабаритных пассивных прицелов-дальномеров с высокой точностью измерения дальности до цели при скрытности измерений.
Статья получена: 06.03.2020
Принята к публикации: 27.03.2020
Большинство современных прицелов с высокоточными дальномерами основаны на активном способе измерения дальности. Он заключается в посылке на дистанцию лазерного импульса, но не обеспечивает скрытность измерений. Причина в том, что оптические датчики, установленные на цели, позволяют легко выявить факт измерения и определить направление и координаты точки, откуда это измерение было произведено [1].
Например, в современной армии США пехотинец оснащается датчиками, расположенными на шлеме, разработанном по результатам боевого применения в Афганистане, когда участились случаи «дружественного огня» по своим подразделениям (рис. 1).
Система может засечь облучение лазерами с длиной волны 1,064 и 1,55 мкм, которые используются в лазерных дальномерах на различных платформах, а также PRF‑кодированные лазерные маркеры для управляемых бомб. Сигнал пехотинцу при облучении лазерным лучом подается системой в виде «тактильных сигналов» (вибрации), после чего нужно быстро поменять позицию, в крайнем случае – бегом в ближайшее укрытие. Кроме того, такое устройство на шлеме может засечь и отраженное лазерное излучение.
В военной технике сегодня практически на каждом объекте устанавливается система оповещения о лазерном облучении, при срабатывании которой вступает в действие система подавления цели. Иными словами, современные оптико-электронные средства легко обнаруживают любое действие с применением активного лазерного режима. В результате рассекречивания объекта происходит его уничтожение соответствующими средствами.
Пассивные оптические дальномеры отличаются от активных и обладают скрытностью. Но при этом они не обеспечивают высокой точности измерения дальности в сравнении с лазерными дальномерами.
В работе [2] были рассмотрены два метода пассивного измерения дальности. Первый из них основан на измерении величины подвижки объектива при фокусировке на цель (метод фокусирования). Второй – на измерении параллактического угла при совмещении двух изображений, формируемых двумя каналами, разнесенными на величину внутренней базы (внутрибазный метод).
Пассивные методы позволяют решить задачу измерения дальности до цели, находящейся на удалении до 500 м, с ошибкой приемлемой величины (приблизительно 2–4 м). Но эти условия сохраняются при использовании длиннофокусных объективов с фокусом (Fоб) не менее 600 мм или при размере внутренней базы прибора не менее 300 мм. Согласитесь, что применять понятия малогабаритности и практичности к таким приборным решениям достаточно сомнительное занятие.
Низкая абсолютная и относительная точность измерения дальности до цели в пассивных оптических дальномерах связана с малой угловой чувствительностью человеческого глаза и влиянием субъективного фактора системы «человек-дальномер» Этот фактор проявляется при реализации сложного алгоритма фокусировки или совмещения двух изображений. К ним присоединяются дополнительные субъективные ошибки оператора и низкая скорость измерений.
На современном уровне развития цифровой техники пассивные способы измерения дальности могут быть решены на новом техническом уровне. В его основе лежит компьютерный анализ изображений объектов, полученных в результате видеозаписи. Например, пассивный метод определения дальности до цели может быть реализован на цифровых видеокамерах [3–5], разнесенных на известное расстояние друг от друга (рис. 2).
Здесь два цифровых изображения измеряемого объекта 1 формируются объективами 2 на фотокамерах 3 и 4. Затем процессор 5 вычисляет оценочную функцию между двумя изображениями «x1» и «x2» объекта 1. По минимальному значению двумерной нормированной корреляционной функции определяется сдвиг между изображениями объекта 1. Положение максимума корреляционной функции уточняется в субпикселном диапазоне, после чего осуществляется локализация максимума с наибольшим значением корреляционной функции.
Таким образом, сдвиг между изображениями на фотоприемных матрицах 3 и 4 может быть определен с точностью до десятых долей размера одного пиксела фотоприемника 3 или 4. Дальность «D» до объекта 1 оценивается по сдвигу «Δx» между изображениями «x1» и «x2». При этом необходимо знать расстояние «Б» между видеокамерами 3 и 4, а также фокусное расстояние «f» объективов 2 камер.
, (1)
где: f – фокусное расстояние объективов 2 видеокамер 3 и 4;
Б – расстояние между объективами 2 видеокамер 3 и 4;
∆x – измеренный сдвиг между изображениями «x1» и «x2».
Методика субпикселной интерполяции направлена на повышение точности определения сдвига между изображениями. Процедура включает в себя вычисление двухмерной корреляционной функции и ее нормировку. Тем самым устраняется влияние различия в яркости и контрастности обоих изображений на точность измерения.
Однако такое конструктивное исполнение дальномера требует применения двух одинаковых телевизионных каналов с двумя объективами и двумя фотоприемниками, а также применения системы автоматической фокусировки объективов на выбранную цель. Это затрудняет создание простой и малогабаритной конструкции дальномера с небольшим весом.
Использование цифровых методов в сочетании с новыми оригинальными оптическими решениями позволяет создавать разнообразные варианты малогабаритных пассивных прицелов-дальномеров с высокой точностью измерения дальности до цели при скрытности измерений.
Предложения новых оптических решений базируются на комбинации обоих методов: метода фокусирования на цель и внутрибазного метода [2]. Одним из вариантов решения реализует принцип использования одного объектива с выделением из его большой апертуры двух малых апертур, разнесенных на некоторую величину. Эта величина является внутренней базой. Такой принцип используется в так называемых оптических «дальномерах двойного изображения» [6].
При его реализации появляется возможность резкого увеличения угла апертуры (по крайним лучам от разнесенных апертур), определяемого внутренней базой прибора и фокусным расстоянием выделенных апертур – фокусным расстоянием собственно дальномерного объектива. Фотоприемное устройство помещено в фокальной плоскости дальномерного объектива. Такое схемное решение пассивного оптико-электронного дальномера назовем методом фокусирования с выделенными апертурами (рис. 3).
В конструкции центральную часть дальномерного объектива (не участвующую в построении изображения) можно исключить, а в этой зоне разместить канал наведения на цель – прицельный телевизионный канал.
Конструктивное решение схемы заключается в том, что в фокальной плоскости дальномерного объектива неподвижно устанавливается фотоприемник, на котором изображение цели, находящейся на удалении «бесконечность», будет резким. В этом случае воспользуемся формулой Ньютона [7]. Она описывает геометрические зависимости между положениями и размерами предмета и его изображения в идеальной оптической системе.
Тогда при наведении прицела на цель, находящуюся на дальности D от передней линзы, изображение цели будет сдвигаться относительно фокальной плоскости дальномерного объектива (относительно плоскости неподвижного фотоприемника) на некоторую величину «x′»:
, (2)
где x – расстояние, измеряемое от переднего фокуса объектива до наблюдаемого объекта и принимаемое как D при условии, что D намного больше, чем удаление переднего фокуса от первой линзы объектива;
FД – фокусное расстояние дальномерного объектива.
Основная цель такого совмещенного метода – многократно уменьшить глубину резкости за счет создания внутренней базой «Б» некоей «эквивалентной» апертуры дальномерного объектива, равной «Б / FД», и добиться раздвоения изображения объекта, находящегося ближе «бесконечности».
Причем раздвоение изображения будет тем большим, чем ближе объект и чем больше «эквивалентная» апертура, что важно для повышения точности измерения величины раздвоения при вычислении двухмерной корреляционной функции.
Если принять «эквивалентную» апертуру дальномерного объектива равной единице (когда Б = FД), то в этом случае величина «x′» становится равной величине раздвоения изображений, подлежащей измерению. Тогда конечная формула вычисления дальности до цели будет иметь вид:
, (3)
Используя минимальное значение двумерной нормированной корреляционной функции, можно определить расстояние между изображениями объекта с точностью до десятых долей размера одного пиксела фотоприемника дальномерного канала «dПКС».
Очевидно, что ошибка измерения дальности в этом случае будет определяться ошибкой измерения величины раздвоения изображения «Δx′». Принимая точность измерения, равной Δx′ = 0,2 · dПКС, получаем:
, (4)
В схеме дальномера: объектив с фокусным расстоянием FД = 200 мм при значении Б = 200 мм; телевизионная камера VAA‑136-USB с минимальной рабочей освещенностью 0,005 лк и частотой 25 Гц (разработка ООО «ЭВС», Москва) на базе КМОП фотоприемник (тип MT9M034, формат 1 280 × 960 элементов, размер пиксела 3,75 × 3,75 мкм, частота Найквиста ~130 штр / мм), размер чувствительной площадки 4,8 × 3,6 мм (диагональ DТВ = 6,0 мм). При использовании в схеме дальномерного такого комплекта деталей ошибка Δx′ = 0,2 · dПКС составит величину 0,75 мкм. Результаты расчетов величины теоретических ошибок измерения дальности представлены в табл. 1.
Визирный телевизионный канал можно построить на телевизионной камере VAA‑136-USB и малогабаритном объективе с фокусным расстоянием FОБ = 18,2 мм, а в качестве окулярного канала использовать окуляр с фокусным расстоянием fОК = 15,67 мм и микродисплей SXGA060 формата 1 280 × 1 024 с размером пиксела 9,3 × 9,3 мкм и размерами активной области 11,941 × 9,56 мм (диагональ DМД = 15,296 мм).
Угловое поле зрения такого визирного канала составит ~15,0° × 11,2° (диагональ 18,7°), а увеличение телевизионного канала вычислится по формуле:
. (5)
После подстановки соответствующих числовых значений полученное значение увеличения телевизионного канала составит Г ≈ 3 крат.
Телевизионный визирный канал будет достаточно малогабаритным и его объективную часть можно легко разместить внутри прибора в центральной свободной зоне, а окулярный канал – в задней свободной зоне прибора.
Дальномерный объектив целесообразно построить по зеркально-линзовой схеме, так как она обеспечивает достаточно простое решение с минимальным количеством оптических деталей, а также позволяет достичь достаточно больших значений относительного отверстия при высоком качестве изображения, определяемого размером пиксела фотоприемника для частоты Найквиста, равной ~130 штр / мм.
Тогда вариант конструктивного исполнения пассивного оптико-электронного прицела-дальномера с зеркально-линзовым объективом, состоящим из входной линзы, главного зеркала и трехлинзового компенсатора аберраций, включающего в себя одну отрицательную линзу и две положительные линзы, может быть выполнен по схеме, приведенной на рис. 4. Рабочими зонами дальномерного объектива являются зоны дальномерных каналов № 1 и № 2.
Предполагаемая реализация принципа измерения дальности по величине раздвоения изображения от разнесенных осесимметричных апертур предусматривает неподвижную установку всех элементов во всех каналах прицела. При этом процесс измерения дальности аналогичен измерению с лазерным дальномером – центральная марка визирного канала наводится на объект и нажатием кнопки измерения запускается вычисление дальности в соответствии с расчетной формулой (4). Значение измеренной дальности высвечивается на экране микродисплея окулярного канала. При этом основную вычислительную нагрузку несет на себе процессор прибора.
Сложность анализа изображения, снятого с фотоприемника дальномерного канала, и процесса дальнейших вычислений для такой схемы заключается в том, что цель на конечных дистанциях (например, 500 м и 50 м) наблюдается не только раздвоенной, но и расфокусированной. Раздвоение изображения от точечного объекта в плоскости неподвижно установленного фотоприемника и соответствующее увеличение расфокусировки этого изображения показано ходом лучей на рис. 5.
Согласно данным, приведенным в табл. 1, теоретическая ошибка измерения дальности относительно невелика – менее 1% на 500 м, а быстрота измерения (доли секунды) позволяет уверенно применять такой прибор в качестве универсального. Однако практическое использование все же будет иметь некоторые ограничения из-за значительного поперечного размера, определяемого выбранной базой.
Длина прицела, реализованного по схеме рис. 4, составляет ~258 мм, высота ~50 мм. Такие габариты прибора сопоставимы с соответствующими размерами штатных прицелов типа ПСО‑1. Ширина прибора определяется выбранной базой (Б = 200 мм) и составляет величину порядка 205 мм.
Для сравнения размеров на рис. 6 изображен пример установки компоновочной схемы элементов с базой, равной Б = 200 мм, на снайперской винтовке Драгунова. Суммарный вес оптической части прицела-дальномера составляет ~614 г, что позволяет выполнить прибор в общем весе менее 2 кг.
Очевидно, что необходимо искать пути снижения массы, для чего целесообразно уменьшить поперечный размер прибора.
Кроме того, для расфокусированного изображения точность определения расстояния методом вычисления двухмерной корреляционной функции между двумя изображениями на одном фотоприемнике дальномерного канала будет снижаться по мере расфокусировки – по мере уменьшения дальности до цели. При этом величину снижения точности необходимо будет определять практическим путем и компенсировать введением соответствующей поправки.
В целях снижения габаритных размеров и веса проработан второй вариант пассивного оптико-электронного прицела-дальномера. Для этого рассмотрена возможность кардинального уменьшения поперечного размера прибора, а также возможность сохранения резкой зоны изображения цели. Кардинальное уменьшение поперечного размера получено за счет оригинального компоновочного решения (рис. 7).
Учитывая, что доля дальномерной части с телевизионной камерой VAI‑136-USB составляет ~369 г из 614 г, решено исключить один из дальномерных каналов, изображенных на рис. 4. В этом случае собственно дальномерный канал будет представлять собой комбинацию «половинок» осесимметричных оптических элементов, построенных по аналогичной зеркально-линзовой схеме, т. е. формирование изображения будет осуществляться только одним оптическим каналом, который строит изображение объекта на неподвижно установленном фотоприемнике. Центр изображения объекта, расположенного на «бесконечности», «строится» оптической системой в центре фотоприемника дальномерного канала, с этим центром совмещен и центр визирного канала наведения.
Возможность сохранения резкой зоны изображения цели обеспечивается некоторым наклоном плоскости фотоприемника относительно оптической оси дальномерного объектива. Тогда при изменении дистанции до цели центр изображения цели на фотоприемнике будет смещаться относительно точки наведения (центра фотоприемника) соответственно изменению дальности до объекта, оставаясь резким. При такой схеме центр цели будет виден резким и смещенным относительно центра фотоприемника для соответствующей дальности. Но справа и слева от центра цели будет присутствовать расфокусировка из-за наклона плоскости фотоприемника, т. е. участок резкого изображения цели будет узким и смещающимся по наклонной плоскости фотоприемника обратно пропорционально уменьшению дальности до цели. Соответствующий ход лучей в плоскости фотоприемника дальномерного канала показан на рис. 8.
Вспомогательные величины, необходимые для вывода конечной формулы, по которой осуществляется вычисление дальности до цели обозначены на рисунке буквами «h», «x′1» и «x′2».
Дальность до цели определяется по измеренному сдвигу «x′ф» центра области резкого изображения цели относительно опорного пиксела фотоприемника дальномерного канала, соответствующего дальности до цели на «бесконечности», а также пикселу прицельной метки для наведения на цель в визирном канале.
Анализируя геометрические соотношения, иллюстрируемые рис. 8 и используя формулу Ньютона (2), можно получить конечное соотношение для использования в вычислителе прибора:
, (6)
где: α – угол между оптической осью объектива дальномерного канала и плоскостью фотоприемника дальномерного канала;
x′ф – измеренная величина смещения центра области резкого изображения наблюдаемой цели в плоскости фотоприемника дальномерного канала относительно пиксела фотоприемника, соответствующего изображению цели на «бесконечности».
Характерно, что ширина участка с резким изображением цели будет определяться углом «α» наклона фотоприемника относительно оптической оси дальномерного объектива.
С уменьшением угла наклона плоскости фотоприемника «α» ширина участка с резким изображением цели будет уменьшаться, так как плоскость резкого изображения цели, построенного дальномерным объективом, перпендикулярна оптической оси объектива.
Оптические расчеты однозначно показывают наличие эффекта изменения резкости изображения и могут быть наглядно продемонстрированы ходом лучей в плоскости фотоприемника дальномерного канала.
Для зеркально-линзовой оптической схемы, изображенной на рисунке 7, ход лучей при наклоне плоскости фотоприемника дальномерного канала, составляющем α ≈ 5° от оптической оси дальномерного объектива, представлен на рис. 9.
На рис. 9 также показан размер изображения цели по крайним пучкам лучей для каждой дальности ходом лучей одного цвета: синим – цель на «бесконечности», зеленым – цель на дистанции 500 м, красным – цель на дистанции 50 м.
Для оптимизации кружков рассеяния дальномерного объектива и сохранения качества изображения центра поля зрения для разных дальностей наклон плоскости фотоприемника относительно оптической оси объектива целесообразно осуществлять в диапазоне углов:
0° ≤ α ≤ 15°, (7)
Собственно поле зрения дальномерного канала также обусловлено в том числе и величиной наклона плоскости фотоприемника и составляет 1,0° по вертикали и 0,6° по горизонту.
Если размеры цели велики, и она перекрывает все поле зрения дальномерного канала, то все поле зрения дальномерного канала соответствует одной дальности до цели. Тогда узкая область резкого изображения цели будет располагаться вертикально на плоскости фотоприемника (рис. 10).
В этом случае возможно вычисление положения максимального значения двухмерной нормированной корреляционной функции в субпикселном диапазоне при использовании всей площади фотоприемника.
Ситуация усложняется, когда цель занимает участок меньший, чем поле зрения дальномерного канала. При этом, кроме цели, в поле зрения дальномерного канала будут попадать участки местности на дальностях, отличающихся от дальности до цели.
Тогда узкая область резкого изображения цели будет иметь сложный, отличный от вертикали профиль, в котором собственно цель будет занимать участок резкого изображения, смещенный относительно точки наведения на цель по горизонтальной линии, проходящей через точку наведения на цель (рис. 11). Остальные предметы могут быть дальше, чем цель (верхний участок на рисунке), или ближе, чем цель (нижний участок на рисунке).
В этом случае наиболее целесообразным будет вычисление положения максимального значения двухмерной нормированной корреляционной функции в субпикселном диапазоне с использованием меньшего участка площади фотоприемника, но близкого к центральной горизонтальной линии, проходящей через точку наведения на цель (на рисунке – область для вычислений, отмечена пунктиром).
Для величины дальности до цели теоретическая ошибка определяется выражением:
, (8)
Для определения сдвига центра области резкого изображения цели используем вычисляемое положение максимального значения двухмерной нормированной корреляционной функции в субпикселном диапазоне. Тогда можно обеспечить измерение величины «x′ф» с точностью не хуже 0,2 от размера пиксела фотоприемника дальномерного канала.
При размере пиксела фотоприемника 0,00375 мм ошибка измерения смещения составит Δx′ф = 0,00075 мм, а теоретические ошибки измерения дальности до цели примут значения для разных значений дальности (табл. 2). Расчеты проведены для FД = 200 мм, Б = 200 мм, α = 5°, размера пиксела 3,75 мкм, ошибка измерения смещения 0,2 от размера пиксела.
Как видно из расчетов, вариант оптико-электронного пассивного дальномера 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%.
Здесь без ограничений могут быть использованы возможности метода вычисления двухмерной корреляционной функции для определения сдвига изображения, так как для анализа используется область резкого изображения цели на фотоприемнике дальномерного канала.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Такое конструктивное исполнение по габаритным и массовым характеристикам вполне приемлемо для практического использования, так как поперечный размер прибора составляет величину порядка ~110 мм вместо 205 мм, полученных на первом варианте исполнения (рис. 12) за счет использования фрагмента объектива дальномерного канала и наклона плоскости фотоприемника дальномерного канала относительно оптической оси дальномерного объектива.
Суммарный вес оптический части варианта прицела-дальномера составляет ~428 г. Это дает возможность реализовать пассивный оптико-электронный прицел-дальномер в весе не более 1 кг в малогабаритном исполнении. В табл. 2 указаны расчетные значения теоретических ошибок метода измерений.
REFERENCES
Сватеев В. А. Плюсы и минусы прицела. Армейский сборник. 2013;12(234): 22.
Svateev V. A. Plyusy i minusy pricela. Armejskij sbornik. 2013;12(234): 22.
Medvedev A. V., Grinkevich A. V., Knyazeva S. N. The Trends of Improving of Passive Type Optical Range Finding device. Photonics Russia. 2017; № 8(68): 30–37. DOI: 10.22184 / 1993–7296.2017.68.8.30.37.
Patent RU2485443 С1. Method to Measure Distances in Digital Camera / Kozlov V. L.
Patent RU2579532 С2. Optical Electronic Stereoscopic Rangefinder / Zubar A. V., Kaykov K. V., Alferov S. V., Nurpeisov S. Zh.
Patent RU2 626 051 C2. Method for Determining Distances to Objects Using Images from Digital Video Cameras / Zubar A. V., Kaykov K. V., Alferov S. V., Pivovarov V. P., Gejntse E. A., Pozdeev A. N., Afanasev A. A.
Грейм И. А. Оптические дальномеры и высотомеры геометрического типа. – М.: Недра. 1983. URL: https://search.rsl.ru/ru/record/01007256995.
Grejm I. A. Opticheskie dal’nomery i vysotomery geometricheskogo tipa. – M.: Nedra. 1983. URL: https://search.rsl.ru/ru/record/01007256995.
Заказнов Н. П., Кирюшин С. И., Кузичев В. Н. Теория оптических систем. 3-е изд. – М.: Машиностроение. 1992; 30–31. ISBN5-217-01995-6.
Zakaznov N. P., Kiryushin S. I., Kuzichev V. N. Teoriya opticheskih sistem. 3-e izd. – M.: Mashinostroenie. 1992; 30–31. ISBN5-217-01995-6.
АВТОРЫ
Медведев Александр Владимирович, design@romz.ru, генеральный конструктор, ОАО «Ростовский оптико-механический завод, (ОАО «РОМЗ»), Ростов Великий, Ярославская область, Россия.
Гринкевич Александр Васильевич, lyu1455@yandex.ru, ЗАО «ЭВС», Москва, Россия.
Князева Светлана Николаевна, ksn61@yandex.ru, инженер-конструктор, ОКБ ОАО «Ростовский оптико-механический завод, (ОАО «РОМЗ»), Ростов Великий, Ярославская область, Россия.
А. В. Медведев1, А. В. Гринкевич2, С. Н. Князева3
1 ОАО «Ростовский оптико-механический завод, Ростов Великий, Ярославская обл., Россия
2 ЗАО «ЭВС», Москва, Россия
3 ОКБ ОАО «Ростовский оптико-механический завод», Ростов Великий, Ярославская обл., Россия
Пассивные оптические дальномеры обладают скрытностью, но не обеспечивают высокой точности измерения дальности в сравнении с лазерными дальномерами. Предложены новые оптические решения на основе комбинации цифровых методов и оригинальных оптических решений. Комбинация обеспечивает разнообразные варианты малогабаритных пассивных прицелов-дальномеров с высокой точностью измерения дальности до цели при скрытности измерений.
Статья получена: 06.03.2020
Принята к публикации: 27.03.2020
Большинство современных прицелов с высокоточными дальномерами основаны на активном способе измерения дальности. Он заключается в посылке на дистанцию лазерного импульса, но не обеспечивает скрытность измерений. Причина в том, что оптические датчики, установленные на цели, позволяют легко выявить факт измерения и определить направление и координаты точки, откуда это измерение было произведено [1].
Например, в современной армии США пехотинец оснащается датчиками, расположенными на шлеме, разработанном по результатам боевого применения в Афганистане, когда участились случаи «дружественного огня» по своим подразделениям (рис. 1).
Система может засечь облучение лазерами с длиной волны 1,064 и 1,55 мкм, которые используются в лазерных дальномерах на различных платформах, а также PRF‑кодированные лазерные маркеры для управляемых бомб. Сигнал пехотинцу при облучении лазерным лучом подается системой в виде «тактильных сигналов» (вибрации), после чего нужно быстро поменять позицию, в крайнем случае – бегом в ближайшее укрытие. Кроме того, такое устройство на шлеме может засечь и отраженное лазерное излучение.
В военной технике сегодня практически на каждом объекте устанавливается система оповещения о лазерном облучении, при срабатывании которой вступает в действие система подавления цели. Иными словами, современные оптико-электронные средства легко обнаруживают любое действие с применением активного лазерного режима. В результате рассекречивания объекта происходит его уничтожение соответствующими средствами.
Пассивные оптические дальномеры отличаются от активных и обладают скрытностью. Но при этом они не обеспечивают высокой точности измерения дальности в сравнении с лазерными дальномерами.
В работе [2] были рассмотрены два метода пассивного измерения дальности. Первый из них основан на измерении величины подвижки объектива при фокусировке на цель (метод фокусирования). Второй – на измерении параллактического угла при совмещении двух изображений, формируемых двумя каналами, разнесенными на величину внутренней базы (внутрибазный метод).
Пассивные методы позволяют решить задачу измерения дальности до цели, находящейся на удалении до 500 м, с ошибкой приемлемой величины (приблизительно 2–4 м). Но эти условия сохраняются при использовании длиннофокусных объективов с фокусом (Fоб) не менее 600 мм или при размере внутренней базы прибора не менее 300 мм. Согласитесь, что применять понятия малогабаритности и практичности к таким приборным решениям достаточно сомнительное занятие.
Низкая абсолютная и относительная точность измерения дальности до цели в пассивных оптических дальномерах связана с малой угловой чувствительностью человеческого глаза и влиянием субъективного фактора системы «человек-дальномер» Этот фактор проявляется при реализации сложного алгоритма фокусировки или совмещения двух изображений. К ним присоединяются дополнительные субъективные ошибки оператора и низкая скорость измерений.
На современном уровне развития цифровой техники пассивные способы измерения дальности могут быть решены на новом техническом уровне. В его основе лежит компьютерный анализ изображений объектов, полученных в результате видеозаписи. Например, пассивный метод определения дальности до цели может быть реализован на цифровых видеокамерах [3–5], разнесенных на известное расстояние друг от друга (рис. 2).
Здесь два цифровых изображения измеряемого объекта 1 формируются объективами 2 на фотокамерах 3 и 4. Затем процессор 5 вычисляет оценочную функцию между двумя изображениями «x1» и «x2» объекта 1. По минимальному значению двумерной нормированной корреляционной функции определяется сдвиг между изображениями объекта 1. Положение максимума корреляционной функции уточняется в субпикселном диапазоне, после чего осуществляется локализация максимума с наибольшим значением корреляционной функции.
Таким образом, сдвиг между изображениями на фотоприемных матрицах 3 и 4 может быть определен с точностью до десятых долей размера одного пиксела фотоприемника 3 или 4. Дальность «D» до объекта 1 оценивается по сдвигу «Δx» между изображениями «x1» и «x2». При этом необходимо знать расстояние «Б» между видеокамерами 3 и 4, а также фокусное расстояние «f» объективов 2 камер.
, (1)
где: f – фокусное расстояние объективов 2 видеокамер 3 и 4;
Б – расстояние между объективами 2 видеокамер 3 и 4;
∆x – измеренный сдвиг между изображениями «x1» и «x2».
Методика субпикселной интерполяции направлена на повышение точности определения сдвига между изображениями. Процедура включает в себя вычисление двухмерной корреляционной функции и ее нормировку. Тем самым устраняется влияние различия в яркости и контрастности обоих изображений на точность измерения.
Однако такое конструктивное исполнение дальномера требует применения двух одинаковых телевизионных каналов с двумя объективами и двумя фотоприемниками, а также применения системы автоматической фокусировки объективов на выбранную цель. Это затрудняет создание простой и малогабаритной конструкции дальномера с небольшим весом.
Использование цифровых методов в сочетании с новыми оригинальными оптическими решениями позволяет создавать разнообразные варианты малогабаритных пассивных прицелов-дальномеров с высокой точностью измерения дальности до цели при скрытности измерений.
Предложения новых оптических решений базируются на комбинации обоих методов: метода фокусирования на цель и внутрибазного метода [2]. Одним из вариантов решения реализует принцип использования одного объектива с выделением из его большой апертуры двух малых апертур, разнесенных на некоторую величину. Эта величина является внутренней базой. Такой принцип используется в так называемых оптических «дальномерах двойного изображения» [6].
При его реализации появляется возможность резкого увеличения угла апертуры (по крайним лучам от разнесенных апертур), определяемого внутренней базой прибора и фокусным расстоянием выделенных апертур – фокусным расстоянием собственно дальномерного объектива. Фотоприемное устройство помещено в фокальной плоскости дальномерного объектива. Такое схемное решение пассивного оптико-электронного дальномера назовем методом фокусирования с выделенными апертурами (рис. 3).
В конструкции центральную часть дальномерного объектива (не участвующую в построении изображения) можно исключить, а в этой зоне разместить канал наведения на цель – прицельный телевизионный канал.
Конструктивное решение схемы заключается в том, что в фокальной плоскости дальномерного объектива неподвижно устанавливается фотоприемник, на котором изображение цели, находящейся на удалении «бесконечность», будет резким. В этом случае воспользуемся формулой Ньютона [7]. Она описывает геометрические зависимости между положениями и размерами предмета и его изображения в идеальной оптической системе.
Тогда при наведении прицела на цель, находящуюся на дальности D от передней линзы, изображение цели будет сдвигаться относительно фокальной плоскости дальномерного объектива (относительно плоскости неподвижного фотоприемника) на некоторую величину «x′»:
, (2)
где x – расстояние, измеряемое от переднего фокуса объектива до наблюдаемого объекта и принимаемое как D при условии, что D намного больше, чем удаление переднего фокуса от первой линзы объектива;
FД – фокусное расстояние дальномерного объектива.
Основная цель такого совмещенного метода – многократно уменьшить глубину резкости за счет создания внутренней базой «Б» некоей «эквивалентной» апертуры дальномерного объектива, равной «Б / FД», и добиться раздвоения изображения объекта, находящегося ближе «бесконечности».
Причем раздвоение изображения будет тем большим, чем ближе объект и чем больше «эквивалентная» апертура, что важно для повышения точности измерения величины раздвоения при вычислении двухмерной корреляционной функции.
Если принять «эквивалентную» апертуру дальномерного объектива равной единице (когда Б = FД), то в этом случае величина «x′» становится равной величине раздвоения изображений, подлежащей измерению. Тогда конечная формула вычисления дальности до цели будет иметь вид:
, (3)
Используя минимальное значение двумерной нормированной корреляционной функции, можно определить расстояние между изображениями объекта с точностью до десятых долей размера одного пиксела фотоприемника дальномерного канала «dПКС».
Очевидно, что ошибка измерения дальности в этом случае будет определяться ошибкой измерения величины раздвоения изображения «Δx′». Принимая точность измерения, равной Δx′ = 0,2 · dПКС, получаем:
, (4)
В схеме дальномера: объектив с фокусным расстоянием FД = 200 мм при значении Б = 200 мм; телевизионная камера VAA‑136-USB с минимальной рабочей освещенностью 0,005 лк и частотой 25 Гц (разработка ООО «ЭВС», Москва) на базе КМОП фотоприемник (тип MT9M034, формат 1 280 × 960 элементов, размер пиксела 3,75 × 3,75 мкм, частота Найквиста ~130 штр / мм), размер чувствительной площадки 4,8 × 3,6 мм (диагональ DТВ = 6,0 мм). При использовании в схеме дальномерного такого комплекта деталей ошибка Δx′ = 0,2 · dПКС составит величину 0,75 мкм. Результаты расчетов величины теоретических ошибок измерения дальности представлены в табл. 1.
Визирный телевизионный канал можно построить на телевизионной камере VAA‑136-USB и малогабаритном объективе с фокусным расстоянием FОБ = 18,2 мм, а в качестве окулярного канала использовать окуляр с фокусным расстоянием fОК = 15,67 мм и микродисплей SXGA060 формата 1 280 × 1 024 с размером пиксела 9,3 × 9,3 мкм и размерами активной области 11,941 × 9,56 мм (диагональ DМД = 15,296 мм).
Угловое поле зрения такого визирного канала составит ~15,0° × 11,2° (диагональ 18,7°), а увеличение телевизионного канала вычислится по формуле:
. (5)
После подстановки соответствующих числовых значений полученное значение увеличения телевизионного канала составит Г ≈ 3 крат.
Телевизионный визирный канал будет достаточно малогабаритным и его объективную часть можно легко разместить внутри прибора в центральной свободной зоне, а окулярный канал – в задней свободной зоне прибора.
Дальномерный объектив целесообразно построить по зеркально-линзовой схеме, так как она обеспечивает достаточно простое решение с минимальным количеством оптических деталей, а также позволяет достичь достаточно больших значений относительного отверстия при высоком качестве изображения, определяемого размером пиксела фотоприемника для частоты Найквиста, равной ~130 штр / мм.
Тогда вариант конструктивного исполнения пассивного оптико-электронного прицела-дальномера с зеркально-линзовым объективом, состоящим из входной линзы, главного зеркала и трехлинзового компенсатора аберраций, включающего в себя одну отрицательную линзу и две положительные линзы, может быть выполнен по схеме, приведенной на рис. 4. Рабочими зонами дальномерного объектива являются зоны дальномерных каналов № 1 и № 2.
Предполагаемая реализация принципа измерения дальности по величине раздвоения изображения от разнесенных осесимметричных апертур предусматривает неподвижную установку всех элементов во всех каналах прицела. При этом процесс измерения дальности аналогичен измерению с лазерным дальномером – центральная марка визирного канала наводится на объект и нажатием кнопки измерения запускается вычисление дальности в соответствии с расчетной формулой (4). Значение измеренной дальности высвечивается на экране микродисплея окулярного канала. При этом основную вычислительную нагрузку несет на себе процессор прибора.
Сложность анализа изображения, снятого с фотоприемника дальномерного канала, и процесса дальнейших вычислений для такой схемы заключается в том, что цель на конечных дистанциях (например, 500 м и 50 м) наблюдается не только раздвоенной, но и расфокусированной. Раздвоение изображения от точечного объекта в плоскости неподвижно установленного фотоприемника и соответствующее увеличение расфокусировки этого изображения показано ходом лучей на рис. 5.
Согласно данным, приведенным в табл. 1, теоретическая ошибка измерения дальности относительно невелика – менее 1% на 500 м, а быстрота измерения (доли секунды) позволяет уверенно применять такой прибор в качестве универсального. Однако практическое использование все же будет иметь некоторые ограничения из-за значительного поперечного размера, определяемого выбранной базой.
Длина прицела, реализованного по схеме рис. 4, составляет ~258 мм, высота ~50 мм. Такие габариты прибора сопоставимы с соответствующими размерами штатных прицелов типа ПСО‑1. Ширина прибора определяется выбранной базой (Б = 200 мм) и составляет величину порядка 205 мм.
Для сравнения размеров на рис. 6 изображен пример установки компоновочной схемы элементов с базой, равной Б = 200 мм, на снайперской винтовке Драгунова. Суммарный вес оптической части прицела-дальномера составляет ~614 г, что позволяет выполнить прибор в общем весе менее 2 кг.
Очевидно, что необходимо искать пути снижения массы, для чего целесообразно уменьшить поперечный размер прибора.
Кроме того, для расфокусированного изображения точность определения расстояния методом вычисления двухмерной корреляционной функции между двумя изображениями на одном фотоприемнике дальномерного канала будет снижаться по мере расфокусировки – по мере уменьшения дальности до цели. При этом величину снижения точности необходимо будет определять практическим путем и компенсировать введением соответствующей поправки.
В целях снижения габаритных размеров и веса проработан второй вариант пассивного оптико-электронного прицела-дальномера. Для этого рассмотрена возможность кардинального уменьшения поперечного размера прибора, а также возможность сохранения резкой зоны изображения цели. Кардинальное уменьшение поперечного размера получено за счет оригинального компоновочного решения (рис. 7).
Учитывая, что доля дальномерной части с телевизионной камерой VAI‑136-USB составляет ~369 г из 614 г, решено исключить один из дальномерных каналов, изображенных на рис. 4. В этом случае собственно дальномерный канал будет представлять собой комбинацию «половинок» осесимметричных оптических элементов, построенных по аналогичной зеркально-линзовой схеме, т. е. формирование изображения будет осуществляться только одним оптическим каналом, который строит изображение объекта на неподвижно установленном фотоприемнике. Центр изображения объекта, расположенного на «бесконечности», «строится» оптической системой в центре фотоприемника дальномерного канала, с этим центром совмещен и центр визирного канала наведения.
Возможность сохранения резкой зоны изображения цели обеспечивается некоторым наклоном плоскости фотоприемника относительно оптической оси дальномерного объектива. Тогда при изменении дистанции до цели центр изображения цели на фотоприемнике будет смещаться относительно точки наведения (центра фотоприемника) соответственно изменению дальности до объекта, оставаясь резким. При такой схеме центр цели будет виден резким и смещенным относительно центра фотоприемника для соответствующей дальности. Но справа и слева от центра цели будет присутствовать расфокусировка из-за наклона плоскости фотоприемника, т. е. участок резкого изображения цели будет узким и смещающимся по наклонной плоскости фотоприемника обратно пропорционально уменьшению дальности до цели. Соответствующий ход лучей в плоскости фотоприемника дальномерного канала показан на рис. 8.
Вспомогательные величины, необходимые для вывода конечной формулы, по которой осуществляется вычисление дальности до цели обозначены на рисунке буквами «h», «x′1» и «x′2».
Дальность до цели определяется по измеренному сдвигу «x′ф» центра области резкого изображения цели относительно опорного пиксела фотоприемника дальномерного канала, соответствующего дальности до цели на «бесконечности», а также пикселу прицельной метки для наведения на цель в визирном канале.
Анализируя геометрические соотношения, иллюстрируемые рис. 8 и используя формулу Ньютона (2), можно получить конечное соотношение для использования в вычислителе прибора:
, (6)
где: α – угол между оптической осью объектива дальномерного канала и плоскостью фотоприемника дальномерного канала;
x′ф – измеренная величина смещения центра области резкого изображения наблюдаемой цели в плоскости фотоприемника дальномерного канала относительно пиксела фотоприемника, соответствующего изображению цели на «бесконечности».
Характерно, что ширина участка с резким изображением цели будет определяться углом «α» наклона фотоприемника относительно оптической оси дальномерного объектива.
С уменьшением угла наклона плоскости фотоприемника «α» ширина участка с резким изображением цели будет уменьшаться, так как плоскость резкого изображения цели, построенного дальномерным объективом, перпендикулярна оптической оси объектива.
Оптические расчеты однозначно показывают наличие эффекта изменения резкости изображения и могут быть наглядно продемонстрированы ходом лучей в плоскости фотоприемника дальномерного канала.
Для зеркально-линзовой оптической схемы, изображенной на рисунке 7, ход лучей при наклоне плоскости фотоприемника дальномерного канала, составляющем α ≈ 5° от оптической оси дальномерного объектива, представлен на рис. 9.
На рис. 9 также показан размер изображения цели по крайним пучкам лучей для каждой дальности ходом лучей одного цвета: синим – цель на «бесконечности», зеленым – цель на дистанции 500 м, красным – цель на дистанции 50 м.
Для оптимизации кружков рассеяния дальномерного объектива и сохранения качества изображения центра поля зрения для разных дальностей наклон плоскости фотоприемника относительно оптической оси объектива целесообразно осуществлять в диапазоне углов:
0° ≤ α ≤ 15°, (7)
Собственно поле зрения дальномерного канала также обусловлено в том числе и величиной наклона плоскости фотоприемника и составляет 1,0° по вертикали и 0,6° по горизонту.
Если размеры цели велики, и она перекрывает все поле зрения дальномерного канала, то все поле зрения дальномерного канала соответствует одной дальности до цели. Тогда узкая область резкого изображения цели будет располагаться вертикально на плоскости фотоприемника (рис. 10).
В этом случае возможно вычисление положения максимального значения двухмерной нормированной корреляционной функции в субпикселном диапазоне при использовании всей площади фотоприемника.
Ситуация усложняется, когда цель занимает участок меньший, чем поле зрения дальномерного канала. При этом, кроме цели, в поле зрения дальномерного канала будут попадать участки местности на дальностях, отличающихся от дальности до цели.
Тогда узкая область резкого изображения цели будет иметь сложный, отличный от вертикали профиль, в котором собственно цель будет занимать участок резкого изображения, смещенный относительно точки наведения на цель по горизонтальной линии, проходящей через точку наведения на цель (рис. 11). Остальные предметы могут быть дальше, чем цель (верхний участок на рисунке), или ближе, чем цель (нижний участок на рисунке).
В этом случае наиболее целесообразным будет вычисление положения максимального значения двухмерной нормированной корреляционной функции в субпикселном диапазоне с использованием меньшего участка площади фотоприемника, но близкого к центральной горизонтальной линии, проходящей через точку наведения на цель (на рисунке – область для вычислений, отмечена пунктиром).
Для величины дальности до цели теоретическая ошибка определяется выражением:
, (8)
Для определения сдвига центра области резкого изображения цели используем вычисляемое положение максимального значения двухмерной нормированной корреляционной функции в субпикселном диапазоне. Тогда можно обеспечить измерение величины «x′ф» с точностью не хуже 0,2 от размера пиксела фотоприемника дальномерного канала.
При размере пиксела фотоприемника 0,00375 мм ошибка измерения смещения составит Δx′ф = 0,00075 мм, а теоретические ошибки измерения дальности до цели примут значения для разных значений дальности (табл. 2). Расчеты проведены для FД = 200 мм, Б = 200 мм, α = 5°, размера пиксела 3,75 мкм, ошибка измерения смещения 0,2 от размера пиксела.
Как видно из расчетов, вариант оптико-электронного пассивного дальномера 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%.
Здесь без ограничений могут быть использованы возможности метода вычисления двухмерной корреляционной функции для определения сдвига изображения, так как для анализа используется область резкого изображения цели на фотоприемнике дальномерного канала.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Такое конструктивное исполнение по габаритным и массовым характеристикам вполне приемлемо для практического использования, так как поперечный размер прибора составляет величину порядка ~110 мм вместо 205 мм, полученных на первом варианте исполнения (рис. 12) за счет использования фрагмента объектива дальномерного канала и наклона плоскости фотоприемника дальномерного канала относительно оптической оси дальномерного объектива.
Суммарный вес оптический части варианта прицела-дальномера составляет ~428 г. Это дает возможность реализовать пассивный оптико-электронный прицел-дальномер в весе не более 1 кг в малогабаритном исполнении. В табл. 2 указаны расчетные значения теоретических ошибок метода измерений.
REFERENCES
Сватеев В. А. Плюсы и минусы прицела. Армейский сборник. 2013;12(234): 22.
Svateev V. A. Plyusy i minusy pricela. Armejskij sbornik. 2013;12(234): 22.
Medvedev A. V., Grinkevich A. V., Knyazeva S. N. The Trends of Improving of Passive Type Optical Range Finding device. Photonics Russia. 2017; № 8(68): 30–37. DOI: 10.22184 / 1993–7296.2017.68.8.30.37.
Patent RU2485443 С1. Method to Measure Distances in Digital Camera / Kozlov V. L.
Patent RU2579532 С2. Optical Electronic Stereoscopic Rangefinder / Zubar A. V., Kaykov K. V., Alferov S. V., Nurpeisov S. Zh.
Patent RU2 626 051 C2. Method for Determining Distances to Objects Using Images from Digital Video Cameras / Zubar A. V., Kaykov K. V., Alferov S. V., Pivovarov V. P., Gejntse E. A., Pozdeev A. N., Afanasev A. A.
Грейм И. А. Оптические дальномеры и высотомеры геометрического типа. – М.: Недра. 1983. URL: https://search.rsl.ru/ru/record/01007256995.
Grejm I. A. Opticheskie dal’nomery i vysotomery geometricheskogo tipa. – M.: Nedra. 1983. URL: https://search.rsl.ru/ru/record/01007256995.
Заказнов Н. П., Кирюшин С. И., Кузичев В. Н. Теория оптических систем. 3-е изд. – М.: Машиностроение. 1992; 30–31. ISBN5-217-01995-6.
Zakaznov N. P., Kiryushin S. I., Kuzichev V. N. Teoriya opticheskih sistem. 3-e izd. – M.: Mashinostroenie. 1992; 30–31. ISBN5-217-01995-6.
АВТОРЫ
Медведев Александр Владимирович, design@romz.ru, генеральный конструктор, ОАО «Ростовский оптико-механический завод, (ОАО «РОМЗ»), Ростов Великий, Ярославская область, Россия.
Гринкевич Александр Васильевич, lyu1455@yandex.ru, ЗАО «ЭВС», Москва, Россия.
Князева Светлана Николаевна, ksn61@yandex.ru, инженер-конструктор, ОКБ ОАО «Ростовский оптико-механический завод, (ОАО «РОМЗ»), Ростов Великий, Ярославская область, Россия.
Отзывы читателей
