Оптико-электронное устройство для обнаружения малогабаритных беспилотных летательных аппаратов

Полезная модель относится к области обнаружения и распознавания малогабаритных беспилотных летательных аппаратов (МБЛА) и может быть использована в военной технике.

Цель изобретения - разработка устройства обнаружения и определения пространственных координат МБЛА, с использованием телевизионных датчиков, работающих в оптическом диапазоне электромагнитных волн.

Данная цель достигается применением восьми телевизионных датчиков, размещенных в трех синхронизированных комплектах с защитным стеклом на платформе Г-образного вида с углом 90° посередине, один состоит из четырех телевизионных датчиков, размещенных под углом 45° по вертикали и по горизонтали через 90° друг от друга, тем самым в сумме создавая обзор пространства на 360°, что позволяет на основе использования программного обеспечения ЭВМ обнаружить МБЛА в пространстве, два других комплекта телевизионных датчиков с защитным стеклом, размещенные на платформе Г-образного вида по краям с базой в один метр от центрального, которые состоят из двух телевизионных датчиков, размещенных под углом 45° по вертикали и по горизонтали через 180° друг от друга, тем самым образуя стереопары с четырьмя телевизионными датчиками центрального комплекта для определения дальности до МБЛА в пассивном режиме и тем самым определения их пространственных координат.

Полезная модель относится к области обнаружения малогабаритных беспилотных летательных аппаратов (МБЛА) и может быть использована в военной технике.

Известны различные методы и технические решения для обнаружения летательных аппаратов с использованием способа кругового обзора матричным фотоприемным устройством и устройство для его осуществления (патент РФ 2445644), оптическим локатором кругового обзора (патент РФ 2352957) [1, 2]. Недостатками являются сложность конструкции, большие размеры, большая мощность двигателя для вращения камеры (кругового обзора) и соответственно ошибки в снятии результата.

Устройство пеленгации и определения координат беспилотных летательных аппаратов (патент РФ 126846) заключается в использовании нескольких камер кругового обзора, работающих в оптическом диапазоне электромагнитных волн днем и ночью, блока для определения направления на БЛА, блока управления подвижной головкой, состоящей из излучателя и приемника излучения, при этом блок управления осуществляет наведение излучателя подвижной головки на БЛА для измерения дальности до него, отличающееся тем, что появление БЛА фиксируется автоматически как помеха, возникающая на кадре видеопоследовательности относительно предыдущего и используя эталонные координаты устройства пеленгации (Х ₁, У₁, Z₁), горизонтальный угол ₁, вертикальный угол ₂ (измеренные на ориентированном в пространстве мониторе) с помощью применения сверхчувствительных электродвигателей направляют подвижную головку, которая, используя лазерное излучение, измеряет дальность до БЛА D, определяя точное местоположение БЛА в пространстве (Х₂, У₂, Z₂ ) и рассчитываются на ЭВМ, при этом автоматизированная система обработки информации определяет направление движения БЛА и отображает ее на мониторе ЭВМ [3].

Известное устройство пеленгации и определения координат беспилотных летательных аппаратов имеет следующие недостатки: использования лазерного излучения не эффективно использовать для обнаружения МБЛА по причине того, что оно демаскирует скрытые позиции средств разведки, тем самым ограничивая использование средств борьбы с МБЛА.

Ближайший аналог - телевизионный дальномер (патент РФ 126846 прототип) [4], состоящий из двух телевизионных датчиков, генератора разверки, двух рабочих селекторов, двух контрольных селекторов, измерительного устройства и вычитателя, где первый и второй выходы генератора развертки соединены с первыми и вторыми входами первого и второго телевизионных датчиков, жестко связанных между собой и имеющих выходы, соответственно соединенные с входами первого рабочего селектора и первого контрольного селектора и с входами второго рабочего селектора и второго контрольного селектора, отличающийся тем, что используются в телевизионных датчиках вертикальные маркерные метки и вводятся два анализатора краев объектов, второе и третье измерительное устройство, блок элементов И-ИЛИ и сумматор, при этом выходы первого и второго рабочих селекторов через первый и второй анализаторы краев объектов соединены с первыми входами первого и второго измерительных устройств и соответственно с первым и вторым входами блока элементов И-ИЛИ, имеющего группу входов и группу выходов, соответственно соединенные с группой выходов третьего измерительного устройства и с первой группой входов сумматора, имеющего группу выходов и вторую группу входов, соответственно соединенные с группой входов индикатора дальности и группой выходов вычитателя, первая и вторая группы входов которого соответственно соединены с группами выходов первого и второго измерительного устройства, вторые входы которых соответственно соединены с выходами первого и второго контрольных селекторов, соединенных также с первым и вторым входами третьего измерительного устройства.

Известный телевизионный дальномер имеет следующие недостатки: сложность конструкции с применением большого количества блоков, что делает весьма весомым это устройство, которое можно применять на стационарных и больших подвижных объектах; необходимо достаточно большое потребление электроэнергии; устройство не решает задачу пространственного обнаружения МБЛА и определения их координат, так как работает в узком секторе определения дальности и только.

Задачей, стоящей перед настоящим устройством, является обнаружение МБЛА на 360° по горизонтали и на 90° по вертикали, работе в оптическом диапазоне электромагнитных волн, определения дальности до МБЛА в пассивном режиме работы.

Оптико-электронное устройство (ОЭУ) обнаружения состоит из следующих элементов: три синхронизированных комплекта телевизионных датчиков с защитным стеклом 1 размещены на платформе 2 Г-образного вида с углом 90° посередине (фиг. 1). В середине ОЭУ, в центре угла платформы 2, размещен комплект телевизионных датчиков с защитным стеклом 1, который состоит из четырех телевизионных датчиков 3, размещенных под углами 45° по вертикалb (фиг. 1) и по горизонтали через 90° друг от друга, тем самым в сумме создавая обзор пространства на 360° и возможностью обнаруживать МБЛА в пространстве (фиг. 2). Два остальных комплекта телевизионных датчиков с защитным стеклом 1 размещены на платформе 2 Г-образного вида по краям с базой в один метр от центрального. Данные комплекты предназначены для определения дальности до МБЛА в пассивном режиме и состоят из двух телевизионных датчика, размещенных под углами 45° по вертикале (фиг. 1) и по горизонтали через 180° друг от друга (фиг. 2), тем самым образуя стереопары с четырьмя телевизионными датчиками центрального комплекта. Все телевизионные датчики жестко закреплены и строго отъюстированы между собой по парам: 3.1.1-3.2.1; 3.1.2-3.2.2; 3.1.3-3.2.3; 3.1.4-3.2.4 и имеют выходы соответственно соединенные с входами ЭВМ 4 (фиг. 3). Соединение между телевизионными датчиками 3 и ЭВМ осуществляется проводами, проложенными внутри платформы 2 и кабель канала 5. Питание всех элементов устройства производится от аккумуляторной батареи ЭВМ 4 (фиг. 3).

Управление работой и обработкой полученной информации осуществляется программным обеспечением ЭВМ 4, работа которого заключается в селекции объекта на удаленном фоне, приеме и формировании изображений в пространственно разнесенных точках, а также одновременной регистрации сформированных цифровых изображений, высокоскоростными фотоприемниками телевизионных датчиков, анализ изображений, проводят при помощи определения величин смещения характерных фрагментов сравниваемого изображения с аналогичными фрагментами опорного (фиг. 3) [5]·

Телевизионные датчики 3 ОЭУ, могут соответствовать следующим значениям: широкоугольные, сверхчувствительные камеры день-ночь с ПЗС-матрицами 1/2 Progressive CMOS и разрешающей способностью 600 ТВЛ (телевизионных линий).

Перед началом работы ОЭУ в ЭВМ вводятся исходные данные: координат ОЭУ (Х_ОЭУ, У_ОЭУ , Z_ОЭУ) и величины ориентирования ОЭУ по направлению в пространстве, которые зависят от рельефа местности и объекта, на котором планируем размещение ОЭУ. Данные вводятся в ручном или автоматическом режиме от датчика топопривязки и навигации 7. Если ОЭУ устанавливается на подвижном объекте, то информация от датчика топопривязки и навигации 7 обновляется в автоматическом режиме с согласованием по времени [6].

Оптико-электронное устройство для обнаружения МБЛА работает следующим образом: электромагнитное излучение от МБЛА 6 поступает на два телевизионных датчика, в данном случае стереопара: 3.1.2 и 3.2.2 (фиг. 4: а - вид сбоку, б - вид сверху оптико-электронного устройства). Обнаружение МБЛА 6 происходит на основе сравнения кадров видеопоследовательности и определения геометрических и цветовых изменений, сформированных изображений телевизионным датчиком 3.2.2 [5]. ЭВМ 4 автоматически выбирает основной телевизионный датчик для определения дальности до МБЛА, в данном случае - 3.1.2, и для определения угла телевизионный датчик - 3.2.2 (фиг. 5).

Дальность D до МБЛА определяется по величине параллактического угла и по величине базы прибора Б (стереоскопический базовый метод измерения дальности) [6], определяемой положением точки проецирования МБЛА на матрице ПЗС 8 (фиг. 5)

.

В приборе угол определяется исходя из величины линейного параллакса Р, измеренного по прибору как

,

где f - фокусное расстояние объективов прибора.

Анализ изображений проводится на ЭВМ 4 и определяется величина смещения P_3.1.2 (телевизионный датчик 3.1.2), которая является точкой луча параллельного дальности D₁ 9 (телевизионный датчик 3.2.2), относительно ее определяется P_3.2..2 10 и соответственно (фиг. 6). Телевизионные датчики жестко закреплены, отъюстированы и скоординированы их матрицы ПЗС, поэтому ошибка определения расстояния до МБЛА небольшая.

Дальность D ₁ до МБЛА определяется по величине параллактического угла определяемой выражением =P_3.2.2/f и по величине базы между датчиками Б (фиг. 7). Используя определенные координаты Г-образной платформы и углы направления, _МБЛА, _МБЛА, ЭВМ 4 рассчитывает пространственные координаты МБЛА в оптическом диапазоне электромагнитных волн. Определяя постоянно пространственные координаты МБЛА, ЭВМ 4 определяет скорость и направление движения, что позволяет производить сопровождение МБЛА.

Информация о координатах ОЭУ определяется в автоматическом режиме и поступает с датчика топопривязки и навигации 7 или введенных данных в ручном режиме, полученных с топографических карт (например, Х_ОЭУ, У_ОЭУ , Z_ОЭУ) и поступает в ЭВМ 4. В ЭВМ 4 полученные данные о расстояниях между ОЭУ и МБЛА, равного D1, горизонтальном угле _МБЛА и вертикальном угле _МБЛА (телевизионного датчика), в данном случае _МБЛА=45°-_тд, с ОЭУ на МБЛА 6, обрабатываются и рассчитываются пространственные координаты МБЛА по формулам: Х_МБЛА =Х_ОЭУ+Х=Х_ОЭУ+Д cos (_МБЛА); У_МБЛА=У_ОЭУ+У=У_ОЭУ+Д sin (_МБЛА); Z_МБЛА=Z_ОЭУ+Z=Z_ОЭУ+Д sin (_МБЛА) (фиг. 7), где угол по горизонтали - _МБЛА рассчитывается формуле _МБЛА=P/ f (Р величина приращения параллактического смещения _3.1.2 по оси X ПЗС - матрицы телевизионного датчика), а угол по вертикали _тд рассчитывается по формуле , (P_тд величина приращения параллактического смещения _3.1.2 по оси Y ПЗС - матрицы телевизионного датчика) (фиг. 6) [4].

На основе постоянной корректировки местоположения МБЛА на мониторе ЭВМ 4, оператору выдается информация текущих координат и расстояния до цели, а также вырисовывается направление его движения для прицеливания средства борьбы с МБЛА.

Таким образом, ОЭУ, имея малые габариты, энергопотребление и стоимость, позволяет обнаруживать МБЛА на 360° по горизонтали и на 90° по вертикали, в оптическом диапазоне электромагнитных волн, определяя дальность до МБЛА и соответственно пространственные координаты в пассивном режиме, с целью последующей борьбы с ними.

Источники информации

1. Броун .М., Волков Р.И., Филатов М.И., Хазов A.M. Способ кругового обзора матричным фотоприемным устройством и устройство для его осуществления. - ФИПС. Патент на изобретение 2445644, 20.03.2012 г.

2. Архипов В.Г., Чжан Ю.В. Оптический локатор кругового обзора. - ФИПС. Патент на изобретение 2352957, 20.04.2009 г.

3. Шишков С.В. Устройство пеленгации и определения координат беспилотных летательных аппаратов. - ФИПС. Патент на полезную модель 126846, 10.04.2013 г.

4. Часовской А.А. Телевизионный дальномер. - ФИПС. Патент на полезную модель 2310887, 20.11.2007 г.

5. Шишков С.В., Музаи К., Устинов Е.М., Пархоменко А.В., Чернов Е.М., Щербаков А.С. Программа определения геометрических изменений на кадрах видеопоследовательности для обнаружения ДПЛА. - ФИПС. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ 2013611694, 31.01.13.

6. Пархоменко А.В. Артиллерийская разведка. В 2 ч. Ч.I. Приборы артиллерийской разведки. - Пенза: ПАИИ, 2010. - 422 с.: ил.

1. Оптико-электронное устройство для обнаружения малогабаритных беспилотных летательных аппаратов (МБЛА), состоящее из телевизионных датчиков, жестко связанных между собой и имеющих выходы, соответственно соединенные с входами ЭВМ с программным обеспечением, работа которого заключается в селекции объекта на удаленном фоне, в приеме и формировании изображений в пространственно разнесенных точках, а также одновременной регистрации сформированных цифровых изображений, высокоскоростными фотоприемниками телевизионных датчиков, анализ изображений проводят при помощи определения величин смещения характерных фрагментов сравниваемого изображения с аналогичными фрагментами опорного, отличающееся тем, что в приеме и формировании изображений используются восемь телевизионных датчиков, размещенных в трех синхронизированных комплектах с защитным стеклом на платформе Г-образного вида с углом 90° посередине, где размещен первый комплект телевизионных датчиков с защитным стеклом, который состоит из четырех телевизионных датчиков, размещенных под углами 45° по вертикали и по горизонтали через 90° друг от друга, тем самым в сумме создавая обзор пространства на 360°, что позволяет на основе использования программного обеспечения ЭВМ обнаружить МБЛА в пространстве.

2. Оптико-электронное устройство для обнаружения МБЛА по п. 1, отличающееся тем, что два остальных комплекта телевизионных датчиков с защитным стеклом, размещенные на платформе Г-образного вида по краям с базой в один метр от центрального, состоят из двух телевизионных датчиков, размещенных под углами 45° по вертикали и по горизонтали через 180° друг от друга, тем самым образуя стереопары с четырьмя телевизионными датчиками центрального комплекта для определения дальности до МБЛА в пассивном режиме.

3. Оптико-электронное устройство для обнаружения МБЛА по п. 1, отличающееся тем, что и определения пространственных координат Х_МБЛА, У_МБЛА, Z_МБЛА , заключается в расчете ЭАМ по формулам: Х_МБЛА=Х _ОЭУ+Х=Х_ОЭУ+Д cos (_МБЛА); У_МБЛА=У_ОЭУ+У=У_ОЭУ+Д sin (_МБЛА); Z_МБЛА=Z_ОЭУ+Z=Z_ОЭУ+Д sin (_МБЛА), где _МБЛА - угол по горизонтали, рассчитывается по величине приращения параллактического смещения точки пикселя по оси Х ПЗС - матрицы телевизионного датчика, _МБЛА - угол по высоте, рассчитывается по формуле _МБЛА=45°±_тд, где _тд рассчитывается по величине приращения параллактического смещения точки пикселя по оси ПЗС - матрицы телевизионного датчика, при этом информация о пространственных координатах ОЭУ Х_ОЭУ, У_ОЭУ , Z_ОЭУ вводится в ЭВМ в ручном режиме или в автоматическом режиме с датчика топопривязки и навигации.

4. Оптико-электронное устройство для обнаружения МБЛА по п. 1, отличающееся тем, что питание телевизионных датчиков осуществляется аккумуляторной батареей ЭВМ проводами, проложенными внутри платформы и по кабель-каналу, соединяющему платформу с телевизионными датчиками и ЭВМ, а также использующееся для получения информации, ее обработки на ЭВМ и выдачи оператору на монитор.