Нашлемная система целеуказания и индикации

 

Изобретение относится к военной технике, в частности к системам наведения и целеуказания. Реализация изобретения обеспечивает повышение точности и быстродействие наведения вооружения. Сущность изобретения заключается в том, что каналы индикации и целеуказания оптически объединены, а спектрально разъединены. В канале индикации устройство формирования телевизионного изображения оптически связано с глазом пилота посредством первого объектива, первого зеркала, спектрально непрозрачного в видимом диапазоне спектра, и второго зеркала, непрозрачного во всем диапазоне спектра. В канале целеуказания телевизионная камера оптически связана с глазом пилота посредством второго объектива, совмещенного с устройством инфракрасной (ИК) подсветки, третьего зеркала, непрозрачного в ИК-диапазоне спектра, и второго зеркала. Оптические оси обоих каналов совмещены в пространстве. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области телевидения, а в ней - к системам целеуказания.

Существует много модификаций оптических и оптико-электронных систем, предназначенных для выполнения функций целеуказания.

Известна система целеуказания [1]. В этой системе, принятой за аналог, перед глазом пилота помещается перекрестье прицела, которое крепится к шлему пилота. Пилот совмещает перекрестье прицела с целью, затем автоматически определяется ориентация шлема в пространстве носителя и вычисляется пространственное положение оптической оси глаза пилота.

Наиболее близкой по техническому воплощению системой, принятой за прототип, является нашлемная система DASH 3, выпускаемая в настоящее время фирмой Elbit [3, 4] . Она представляет собой оптико-электронную систему с угловым полем зрения 22^o, расположенную на шлеме пилота, и при помощи малогабаритного кинескопа, на котором формируется изображение пространства, наблюдаемого пилотом, можно осуществлять целеуказание. Точность определения пространственной ориентации оптической оси оптико-электронной системы равна 20 угл. мин. Ошибка целеуказания зависит от точности определения пространственной ориентации оптической оси системы целеуказания и от точности совмещения этой оптической оси с целью.

К недостаткам прототипа следует отнести небольшую точность целеуказания, определяемую точностью наведения перекрестья прицела на цель при помощи поворота головы. Следует отметить также, что невозможно получить высокую точность целеуказания, определяя ориентацию шлема пилота в пространстве, так как человек в условиях управления летательным аппаратом не может физиологически контролировать положение головы с точностью несколько угловых минут. Кроме того, необходимость одновременности процессов целеуказания и визуального контроля показаний устройств индикации приборной доски приводит к повышенной утомляемости пилота.

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности целеуказания и уменьшение утомляемости пилота в процессе целеуказания. Поставленная цель достигается за счет изменения алгоритма целеуказания.

Человек в обыденной жизни привык к следующему алгоритму целеуказания: - поворот головы в сторону цели; - поворот глазного яблока для точного совмещения оптической оси глаза с целью.

Кроме того, необходимо отметить еще одну характерную черту вышеуказанного алгоритма - при вибрациях, когда голова человека совершает пространственные колебания, человек автоматически удерживает оптическую ось глаза на цели. Следует отметить также, что совместить перекрестье прицела с целью при помощи поворота головы для человека намного труднее, чем просто посмотреть на цель, т. е. совместить оптическую ось глаза с целью. Все вышеизложенное приводит к алгоритму процесса целеуказания, повторяющего оптимальный для человека процесс наведения оптической оси глаза на цель: - определение координат и ориентации шлема пилота в системе координат летательного аппарата (ЛА); - определение координат и ориентации оптической оси глаза пилота в системе координат шлема пилота; - пересчет координат и ориентации оптической оси глаза пилота в систему координат ЛА.

Известен также способ определения ориентации оптической оси глаза в пространстве [2] . Этот способ заключается в автоматическом определении пространственного положения оптической оси глаза по телевизионному изображению глазного яблока.

Исходя из вышеизложенного, а также с целью обеспечения требуемой точности определения координат и ориентации оптической оси глаза в пространстве и уменьшения утомляемости пилота целесообразно объединение системы индикации и системы целеуказания в одну общую систему целеуказания и индикации (НСЦИ). Поставленная цель решается за счет того, что каналы целеуказания и индикации оптически объединены, а спектрально разъединены, причем в канале индикации устройство формирования телевизионного изображения оптически связано с глазом пилота посредством первого объектива, первого зеркала, спектрально-непрозрачного в видимом диапазоне спектра, и второго зеркала, непрозрачного во всем диапазоне спектра, а в канале целеуказания телевизионная камера оптически связана с глазом пилота посредством второго объектива, совмещенного с устройством инфракрасной (ИК) подсветки, третьего зеркала, непрозрачного в ИК- диапазоне спектра, и второго зеркала, при этом оптические оси обоих каналов совмещены в пространстве.

Таким образом, сущность изобретения заключается в том, что в нашлемной системе целеуказания и индикации, содержащей устройство формирования телевизионного изображения, телевизионную камеру, канал индикации, канал целеуказания, зеркала и объективы, каналы индикации и целеуказания оптически объединены, а спектрально разъединены, причем в канале индикации устройство формирования телевизионного изображения оптически связано с глазом пилота посредством первого объектива, первого зеркала, спектрально-непрозрачного в видимом диапазоне спектра, и второго зеркала, непрозрачного во всем диапазоне спектра, а в канале целеуказания телевизионная камера оптически связана с глазом пилота посредством второго объектива, совмещенного с устройством инфракрасной (ИК) подсветки, третьего зеркала, непрозрачного в ИК-диапазоне спектра, и второго зеркала, при этом оптические оси обоих каналов совмещены в пространстве.

Указанное техническое решение позволяет совмещать телевизионное изображение полетной информации с телевизионным изображением окружающего пространства. Однако для облегчения аппаратуры, размещенной на шлеме пилота, часть аппаратуры целесообразно разместить вне шлема пилота, для чего в каждый упомянутый канал предлагаемой системы дополнительно введены световод и объектив, причем выход объектива каждого канала оптически связан с глазом пилота через дополнительно введенные световод и объектив и соответствующие зеркала. Для обеспечения возможности выключения канала целеуказания и непосредственного наблюдения окружающего пространства с наложенным на него изображением канала индикации второе зеркало снабжено жидкокристаллическим светофильтром с управляемым коэффициентом пропускания для обеспечения получения одинаковой видимой яркости внешних объектов и телевизионного изображения канала индикации.

Система имеет два рабочих канала: - канал целеуказания и - канал индикации.

На фиг. 1, 4, 5 приведены эскизы оптических схем вариантов НСЦИ, а на фиг.2, 3 - спектральные характеристики отражения ρ%) зеркал НСЦИ.

Устройство НСЦИ продемонстрировано на фиг.1. В него входят: глаз 1 пилота, три зеркала 2, 3, 6, два объектива 4, 7, источник 8 ИК-подсветки, формирователь 5 телевизионного изображения (ЖКИ или кинескоп) и телевизионная камера 9. В канал индикации входят позиции 1, 2, 3, 4 и 5. В канал целеуказания входят позиции 1, 2, 6, 7, 8 и 9. Оба канала оптически соосны. Для этого канал целеуказания и канал индикации спектрально разнесены: - канал индикации работает в видимой части спектра (400-650 нм); - канал целеуказания работает в ИК-части спектра (700-1000 нм).

Возможность соосности достигается следующим образом:
- зеркало 2 отражает световую энергию в диапазоне длин волн от 400 до 1000 нм;
- зеркало 3 (фиг.3) отражает световую энергию в диапазоне длин волн от 400 до 650 нм и прозрачно для энергии в диапазоне длин волн от 700 до 1000 нм;
- зеркало 6 отражает световую энергию в диапазоне длин волн от 700 до 1000 нм и поглощает энергию в остальной части спектра.

Работает НСЦИ следующим образом.

Глаз 1 пилота рассматривает мнимое телевизионное изображение, сформированное объективом 4, формирователем 5 телевизионного изображения и переданное при помощи зеркал 3 и 2 в глаз пилота. Источник 8 ИК-подсветки при помощи зеркал 6 и 2 освещает глаз 1 пилота, а объектив 7 формирует изображение глаза на мишени ПЗС-матрицы телевизионной камеры 9.

Приведенное на фиг.1 устройство имеет один существенный недостаток: все указанные блоки устройства расположены на шлеме пилота и имеют значительный вес. Этот параметр значительно повышает утомляемость пилота и снижает, таким образом, качественные показатели НСЦИ. Для исключения этого недостатка в каждый канал системы дополнительно введены световод и объектив, причем выход объектива каждого канала оптически связан с глазом пилота через дополнительно введенные световод и объектив и соответствующие зеркала. На фиг.4 приведена модификация НСЦИ, вес которой значительно уменьшен за счет исключения из состава нашлемного оборудования формирователя телевизионного изображения и телевизионной камеры. Для этого в состав каждого канала включены дополнительно световод и объектив. На фиг.4 это соответственно: в канале индикации - объектив 10 и световод 11, а в канале целеуказания - объектив 12 и световод 13. Принцип работы НСЦИ в этом случае такой же, как и в варианте, показанном на фиг. 1, за исключением того, что объектив 4 канала индикации проецирует изображение формирователя 5 телевизионного изображения на срез световода 11, а объектив 10 совместно с глазом 1 пилота создает мнимое изображение объекта. Объектив 12 канала целеуказания проектирует изображение глаза 1 пилота на срез световода 13, а объектив 7 проектирует изображение со среза световода 13 на мишень ПЗС-матрицы телевизионной камеры 9. На шлеме пилота в этом варианте построения НСЦИ устанавливаются только зеркала 2, 3, 6, объективы 10 и 12, а также срезы световодов 11 и 13. Остальные блоки НСЦИ устанавливаются на корпусе кресла пилота.

Для обеспечения дополнительных возможностей используется вариант НСЦИ, приведенный на фиг.5. Этими дополнительными возможностями являются:
- возможность "наложения" изображения канала индикации (например, полетной информации) на изображение окружающего пространства;
- возможность электрического отключения работы канала индикации и перехода на визуальный анализ окружающего пространства (с сохранением работы канала целеуказания или с отключением работы последнего).

Это достигается тем, что зеркало 2 снабжено жидкокристаллическим светофильтром 14 с управляемым коэффициентом пропускания для обеспечения получения одинаковой видимой яркости внешних объектов и телевизионного изображения канала индикации, причем зеркало 2 выполняют полупрозрачным в видимой части спектра.

Спектральная характеристика отражения зеркала 2 выполняется подобной приведенной на фиг.2. При помощи светофильтра 14 представляется возможность выравнивания яркости изображения, создаваемого формирователем 5 телевизионного изображения, и яркости окружающего пространства.

Расчет эффективности использования предлагаемого устройства показывает следующее:
1. Если принять, что для измерения параметров позиционирования и ориентации шлема пилота используется четыре телевизионные камеры, диапазон перемещения шлема 200 мм, расстояние между метками на шлеме - 150 мм, количество меток - 4, разрешение телевизионной камеры - 500 твл и время измерений - 0,12 с, то получим точность измерений ориентации шлема, равную 1,5 угл. мин.

2. При использовании в устройстве канала целеуказания, приняв диапазон перемещения зрачка глаза равным 20 мм, а параметры телевизионной камеры и времени измерений одинаковыми с вариантом определения ориентации шлема, получим точность определения ориентации оптической оси глаза, равную 0,6 угл. мин.

3. Время наведения перекрестья прицела на цель при помощи поворота головы составляет примерно 1 с, а время совмещения оптической оси глаза с объектом составляет около 0,1 с.

Таким образом, при использовании канала целеуказания и оптико-телевизионного прицела получаем требуемую точность и быстродействие наведения вооружения.

Источники информации
1. ЕР 0628780 Bl. Aiming system for aircraft.

2. Enderle. J.D. The Fast Eye Movement Control System. In: The Biomedical Engineering Handbook, ed. J. Bronsino. CRC Press, Inc., Boca Raton, FL, 1995, Chapter 164, pр. 2463-2483.

3. Flug Revue 3, pp. 50-53.

4. Jane's IDR, Aug. 1997, pp.41-47.

Формула изобретения

1. Нашлемная система целеуказания и индикации, содержащая устройство формирования телевизионного изображения, телевизионную камеру, канал индикации, канал целеуказания, зеркала и объективы, отличающаяся тем, что каналы индикации и целеуказания оптически объединены, а спектрально разъединены, причем в канале индикации устройство формирования телевизионного изображения оптически связано с глазом пилота посредством первого объектива, первого зеркала, спектрально непрозрачного в видимом диапазоне спектра, и второго зеркала, непрозрачного во всем диапазоне спектра, а в канале целеуказания телевизионная камера оптически связана с глазом пилота посредством второго объектива, совмещенного с устройством инфракрасной (ИК) подсветки, третьего зеркала, непрозрачного в ИК-диапазоне спектра, и второго зеркала, при этом оптические оси обоих каналов совмещены в пространстве.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что в каждый упомянутый канал системы дополнительно введены световод и объектив, причем выход объектива каждого канала оптически связан с глазом пилота через дополнительно введенные световод и объектив и соответствующие зеркала.

3. Система по п.1, отличающаяся тем, что второе зеркало снабжено жидкокристаллическим светофильтром с управляемым коэффициентом пропускания для обеспечения получения одинаковой видимой яркости внешних объектов и телевизионного изображения канала индикации.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5