Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ методов и средств линейно-угловых измерений для целеуказания 10
1.1 Методы линейно-угловых измерений для целеуказания 10
1.1.1 Целеуказание как основная задача топографии 10
1.1.2 Методы линейно-угловых измерений для целеуказания с использованием оптических приборов 11
1.1.3 Ввод углов прицеливания в оптических прицелах как метод линейно-угловых измерений для целеуказания 15
1.1.4 Методы линейно-угловых измерений для целеуказания с использованием радиолокационных станций (РЛС) 16
1.1.5 Методы линейно-угловых измерений для целеуказания с использованием спутниковых систем навигации 19
1.2 Оптико-электронные средства линейно-угловых измерений для целеуказания 20
1.2.1 Классические и современные оптические и оптико-электронные средства линейно-угловых измерений для целеуказания 20
1.2.2 Оптические и оптико-электронные прицелы как средства целеуказания 23
1.2.3 Использование систем видеонаблюдения для решения задач целеуказания 25
1.2.4 Современные разработки в области компьютеризации средств целеуказания и систем видеонаблюдения 27
1.3 Выводы по главе 1 29
Глава 2. Разработка и исследование методов линейно-угловых измерения для целеуказания в системах видеонаблюдения (СВН) 31
2.1 Разработка концептуальной модели СВН с МУО. Разработка методов линейно-угловых измерения для целеуказания в СВН. 31
2.2 Разработка трехкоординатного оптико-электронного целеуказателя 35
2.3 Обоснование выбора используемых систем координат 37
2.4 Разработка математической модели МУО в СВН с выработкой целеуказаний 39
2.5 Исследование математической модели МУО в СВН с выработкой целеуказаний. Разработка методики расчета поля зрения визира СВН 47
2.6 Разработка функциональной схемы СВН с МУО 50
2.7 Выводы по главе 2 53
Глава 3. Разработка методики проектирования модуля упреждения опасности (МУО) 54
3.1 Введение к главе 3 54
3.2 Разработка инженерной методики расчета механизма наведения (МН) МУО
3.2.1 Обоснование тактико-технических характеристик МН МУО 54
3.2.2 Разработка функциональной и кинематической схем МН АСК. Кинематический расчет МН АСК 56
3.2.3 Расчет допустимой погрешности функционирования МН МУО 61
3.2.4 Точностные расчеты МН МУО 62
3.2.5 Выбор элементной базы и 3D-моделирование МН МУО 67
3.3 Проектирование тепловизионного (ТПВ) канала МУО.
Выбор элементной базы 72
3.3.1 Габаритный расчет ТПВ канала МУО. Выбор
объектива и приемника излучения 72
3.3.2 Сравнение методик расчета дальности обнаружения на примере ТПВ канала МУО 75
3.3.3 Энергетический расчет ТПВ канала МУО 79
3.3.4 Расчет отношения сигнал-шум ТПВ канала МУО 82
3.4 Проектирование дневного канала МУО 84
3.4.1 Габаритный расчет дневного канала МУО. Выбор объектива и приемника излучения 84
3.4.2 Светотехнический расчет дневного канала МУО 3.5 Расчет увеличения наблюдательных каналов МУО 88
3.6 Выбор элементной базы дальномерного канала МУО 89
3.7 Исследование возможности автоматизированного ввода метеорологических поправок в МУО. Выбор элементной базы 92
3.8 Исследование погрешностей визиров наблюдательных каналов МУО 96
3.9 Выводы по главе 3 105
Глава 4. Исследование демаскирующих признаков МУО 107
4.1 Определение доминирующих демаскирующих признаков МУО107
4.2 Разработка метода измерения показателя световозвращения (ПСВ) МУО 112
4.3 Разработка методики измерения ПСВ 115
4.4 Разработка стенда для измерения ПСВ 116
4.5 Результаты исследования ПСВ 119
4.6 Определение дальности обнаружения МУО по ПСВ 121
4.7 Выводы по главе 4 124
Заключение 126
Список сокращений и условных обозначений
- Классические и современные оптические и оптико-электронные средства линейно-угловых измерений для целеуказания
- Разработка трехкоординатного оптико-электронного целеуказателя
- Обоснование тактико-технических характеристик МН МУО
- Разработка методики измерения ПСВ
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Существующие системы видеонаблюдения находят в настоящее время широкое применение - от охраны территории и обеспечения безопасности людей до проведения разведывательных операций. Развитие таких систем предусматривает создание универсальных приборов, работающих в различных спектральных диапазонах и пригодных для использования в разное время суток и в сложных погодных условиях, а также реализацию возможности удаленного управления такими приборами, что обеспечивается за счет использования новых технологий, современной элементной базы и конструктивных решений.
Зарубежные разработки в области компьютеризации и автоматизации систем видеонаблюдения позволяют использовать их в качестве элементов дистанционного управления и наведения оружия. В целях противодействия возникающим в этой связи опасностям могут быть предложены охранные системы видеонаблюдения. Уровень развития современной элементной базы в этой области и её совершенствование дают основание дополнить их модулями упреждения опасности в составе оптико-электронных систем целеуказания, визиров (прицелов), устройств наведения и средств устранения возникающих опасностей. Их задачей является обнаружение объектов (типа «мишень»), измерение координат устройствами целеукзания, а также наведение визиров систем видеонаблюдения по установленным координатам для распознавания и идентификации.
Существующие методы комплексных (линейно-угловых) измерений не способны обеспечить оперативность, необходимую для целеуказания в системах видеонаблюдения. Поэтому становится актуальной разработка и исследование методов линейно-угловых измерений для целеуказания в системах видеонаблюдения с модулями упреждения опасности. Одной из главных проблем при этом является анализ возможности согласования координат объектов, измеренных при помощи устройств целеуказания в локальных системах координат между собой и с глобальными системами координат.
Специфика использования модуля упреждения опасности требует маскировки, поэтому возникает задача определения доминирующего демаскирующего признака, с целью дальнейшего его анализа для определения дальности обнаружения модуля упреждения опасности.
Разработка модулей упреждения опасности позволит создавать новые системы охранного видеонаблюдения для дальней, ближней и средней зон охраны, площади которых определяются техническими характеристиками этих модулей. Одно из практических значений системы видеонаблюдения с модулями упреждения опасности обретает в сфере защиты режимных объектов, территорий, государственных границ.
Цель и задачи диссертационной работы. Цель настоящей работы состоит в разработке и исследовании методов линейно-угловых измерений для целеуказания в системах видеонаблюдения с модулем упреждения опасности для ближней зоны охраны, состоящим из визира, стрелкового оружия с
механизмом наведения - автоматизированного снайперского комплекса и устройств целеуказания, а также в определении доминирующего демаскирующего признака модуля упреждения опасности и разработке метода его контроля.
Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:
-
Провести анализ и классификацию существующих методов линейно-угловых измерений для целеуказания, выполнить обзор оптико-электронных приборов для их реализации в модулях упреждения опасности.
-
Разработать методы линейно-угловых измерений для оперативного целеуказания в системах видеонаблюдения. Разработать концептуальную модель системы видеонаблюдения с модулем упреждения опасности, реализующую эти методы.
-
Разработать средство измерения - целеуказатель для реализации разработанных методов.
-
Обосновать выбор систем координат для целеуказания в системе видеонаблюдения с модулем упреждения опасности.
-
Для проверки концептуальной модели системы видеонаблюдения с модулем упреждения опасности и оценки точностных характеристик модуля разработать и исследовать его математическую модель.
-
Разработать функциональную схему системы видеонаблюдения с модулем упреждения опасности, реализующую предложенные методы линейно-угловых измерений для целеуказания.
7) Разработать методики проектирования визиров с механизмами
наведения для исследования возможности практической реализации модуля
упреждения опасности на современной элементной базе.
8) Определить доминирующий демаскирующий признак модуля
упреждения опасности. Разработать метод его измерения и методику
определения дальности обнаружения модуля упреждения опасности по его
доминирующему демаскирующему признаку.
Научная новизна:
1) Предложены методы линейно-угловых измерений для дистанционного
целеуказания в системах видеонаблюдения, учитывающие, что смещение
визирной линии наблюдательного канала, вызванное погрешностями измерения
координат мишени, их преобразования и наведения по ним, согласовано с
полем зрения визира модуля упреждения опасности.
2) Впервые разработана концептуальная модель системы
видеонаблюдения с выработкой целеуказаний и модулем упреждения
опасности для автоматизированного снайперского комплекса.
3) Разработана оригинальная математическая модель модуля упреждения
опасности, учитывающая, что на основе выбранных систем координат для
выработки целеуказаний и их связи между собой, определено влияние методов
измерения координат мишеней на возможность успешного наведения на них.
Разработана функциональная схема системы видеонаблюдения с модулем
упреждения опасности, реализующая предложенные методы.
4) Разработан метод измерения показателя световозвращения наблюдательных каналов модуля упреждения опасности, отличающийся от существующего относительного метода выведенным аналитическим выражением для его определения. Разработана методика определения дальности обнаружения модуля упреждения опасности по показателю ев етов озвр ащения.
Практическая значимость работы. Результаты, изложенные в диссертации, могут быть использованы для разработки модулей упреждения опасности в системах видеонаблюдения с выработкой целеукзаний.
Предложенные инженерные методики проектирования визиров (прицелов) и механизмов наведения модуля упреждения опасности показывают практическую возможность его реализации с современной элементной базой на примере автоматизированного снайперского комплекса. Реализация модулей упреждения опасности возможна также для средней (артиллерия) и дальней (ракетное вооружение) зон охраны.
Разработанный метод измерения показателя световозвращения позволяет объективно оценивать световозвращение визиров систем видеонаблюдения в составе модуля упреждения опасности. Метод и соответствующая методика могут быть представлены как рекомендации для разработки стандарта измерения, наряду с уже существующими относительными методами измерения показателя световозвращения.
Положения, выносимые на защиту:
1) Методы линейно-угловых измерений для дистанционного
целеуказания в системах видеонаблюдения с модулем упреждения опасности,
позволившие согласовать смещение визирной линии наблюдательного канала
из-за погрешностей измерения координат мишени, их преобразования и
наведения по ним, с полем зрения визира модуля упреждения опасности.
2) Концептуальная модель системы видеонаблюдения с выработкой
целеуказаний и модулем упреждения опасности, позволяющая выполнять
оперативное дистанционное наведение автоматизированного снайперского
комплекса на мишень.
3) Оригинальная математическая модель модуля упреждения опасности,
определяющая связь методов измерения координат мишеней, их
преобразования с возможностью успешного наведения автоматизированного
снайперского комплекса.
-
Функциональная схема системы видеонаблюдения с модулем упреждения опасности, позволившая реализовать разработанные методы линейно-угловых измерений для целеуказания.
-
Методики проектирования визиров наблюдательных каналов и механизмов наведения модуля упреждения опасности, показавшие практическую возможность его реализации на современной элементной базе.
6) Метод измерения показателя световозвращения, как доминирующего
демаскирующего признака модуля упреждения опасности, определяющего
дальность его обнаружения.
Степень достоверности и апробация результатов. Основные результаты диссертации докладывались на следующих конференциях: X Международная конференция «Прикладная оптика-2012», XI Международная конференция «Прикладная оптика-2014», III, IV, V Всероссийские конгрессы молодых ученых (НИУ ИТМО, 2014, 2015, 2016), XLI, XLII, XLIII, XLIV, XLV научные и учебно-методические конференции Университета ИТМО (2012, 2013,2014,2015,2016).
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 13 работах, из них 4 статьи в журналах из перечня ВАК, 2 статьи в сборниках трудов международных конференций и 7 - другие издания.
Личный вклад автора. Содержание диссертации и основные положения, выносимые на защиту, отражают персональный вклад автора в опубликованные работы. Подготовка к публикации полученных результатов проводилась совместно с соавторами, причем вклад диссертанта был определяющим. Все представленные в диссертации результаты получены лично автором.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений, списка использованных источников. Общий объем диссертации 138 страниц, включая 64 рисунка и 15 таблиц. Список использованных источников содержит 115 наименований на 10 страницах.
Классические и современные оптические и оптико-электронные средства линейно-угловых измерений для целеуказания
В методе линейно-угловых измерений, представленном на рисунке 1.4, оружие О установлено вне прямой видимости цели Ц. Разведчик Б визуально или при помощи оптического инструмента (например, бинокля с угломерной сеткой или артиллерийской буссоли) определяет
местоположение цели Ц на местности относительно ориентира Т. При использовании артиллерийской буссоли измеряются углы (Зт и (Зц , а затем определяются дальности /ц и /т по формулам: где /ц.и., т.и. – измеренные наклонные дальности по буссоли; єц,єт -измеренные углы места цели и ориентира соответственно.
Полученные разведчиком координаты цели передаются по линиям передачи информации в командно-наблюдательный пункт (КНП), где вычисляется дальность от точки стояния орудия до цели: В качестве информационных каналов могут использоваться: телефонная, сотовая каналы связи, линии радиосвязи, спутниковые линии связи. По полученной дальности D и баллистическим таблицам определяется угол прицеливания а в вертикальной плоскости, а также вычисляется угол прицеливания в в горизонтальной плоскости: который уточняется поправкой на деривацию. В случаях, представленных на рисунке 1.3 (а, б), измерение координат цели производится относительно местоположения самого разведчика, а именно: дальность D, азимут цели Л, угол места є цели. В КНП координаты цели наносятся на топографические карты района боевых действий. Разумеется, что сами топографические карты, выполненные в прямоугольной системе координат, должны быть подготовлены заранее до начала проведения военных действий. В топографических картах основное направление ориентировано относительно линии север–юг. Такие карты становятся основой для вычисления координат нанесенных на нее целей (в прямоугольной системе координат) и последующего их пересчета в данные, производимые в сферической системе (дальность от оружия до цели ц, азимут ц, угол места ц цели) требуемые для наводки оружия.
Рассчитанные при помощи карт прицельные данные (ц, ц, угол возвышения = + ц) передаются голосом наводчику орудийного расчета, который и вводит их в оружие так же, как и при прямой наводке.
Анализ схемы стрельбы по целям, находящихся на закрытых позициях, показывает, что расчет координат целей и последующее их поражение невозможно без наличия топографических карт, предварительно подготовленных особым образом. Поэтому топография у военных – это основа успешной прицельной стрельбы.
При стрельбе по мишени из спортивной винтовки возникает явление деривации, поэтому в оптическом прицеле перекрестие сетки смещается не только в вертикальном направлении для ввода угла прицеливания , но и в горизонтальном для ввода угла прицеливания .
Траектория полета пули «Т» и её проекции на вертикальную «В» и горизонтальную «Г» плоскости; 0 – точка выстрела; где М – мишень; D – дальность до мишени; и - углы прицеливания в вертикальной и горизонтальной плоскостях; 0, 0,, 0,Г – начальная скорость и её проекции Направление угла прицеливания в (рисунок 1.5) зависит от направления вращения пули. При его изменении на противоположное проекция «Г» траектории сместится в область положительных значений у. Реальная траектория полета пули «Т» сложная, поэтому для приближенных расчетов обычно принимают параболическое приближение. Примем Vo VQ B Й,г, тогда искомые углы прицеливания: а = 0, 5arcsin(D Q/VQ) (1.4) в = —0, 5arcsin(D CL/VQ) Ввод углов прицеливания по известной дальности до цели представляет собой метод линейно-угловых измерений для целеуказания, поэтому к оптическим и оптико-электронным прицелам предъявляются такие же требования как и к средствам измерения.
В радиолокационных системах (РЛС) для определения местоположения объекта (цели) применяются передающие и приемные антенны с хорошо выраженной направленностью излучения и приема, а измерение дальности до него и его скорости осуществляются путем измерения времени прохождения электромагнитных волн от РЛС до объекта [9]. На дальность действия РЛС влияют многие факторы: отражательная способность объектов, технические данные антенн, гидрометеорологические условия. В общем случае она составляет несколько десятков миль [10].
Местоположение цели характеризуется положением её центра в некоторой опорной системе координат. Наиболее часто применяют локальную сферическую систему координат, начало которой находится в точке размещения антенны, а одна из осей координатной системы совпадает с северным направлением меридиана, проходящего через позицию антенны РЛС. Местоположение цели определяется по результатам измерения наклонной дальности D, азимута А (или пеленга /3) и
Разработка трехкоординатного оптико-электронного целеуказателя
Зарубежные разработки в области компьютеризации и автоматизации систем видеонаблюдения [31–33] позволяют использовать их в качестве элементов дистанционного управления и наведения оружия. В целях противодействия возникающим в этой связи опасностям могут быть предложены охранные СВН. Уровень развития современной элементной базы в этой области и её совершенствование дают основание дополнить их модулями упреждения опасности в составе оптико-электронных систем целеуказания, визиров, устройств наведения и средств устранения возникающих опасностей. Их задачей является обнаружение объектов (типа «мишень»), измерение координат устройствами целеукзания, а также наведение визиров систем видеонаблюдения по установленным координатам для распознавания и идентификации. Реализация модулей упреждения опасности возможна как для ближней зоны охраны (стрелковое оружие), так и для средней (артиллерия) и дальней (ракетное вооружение) зон охраны. МУО ближней зоны охраны представляет собой автоматизированный снайперский комплекс (АСК) с устройствами целеуказания. Первым шагом в создании такой системы является разработка её концептуальной модели.
В основе концепции СВН с МУО лежит автоматизация ведения огня при удалении оператора от линии огня. Оператор находится в укрытии, вне прямой видимости цели, и при наличии специального оборудования, управляет огнем дистанционно. Для таких целей у оператора должен быть монитор (или планшетный компьютер), соединенный (посредством проводной или беспроводной связи) с АСК с известными координатами (широта 1, долгота 1, высота 1) и выдающий визуальную информацию с прицела оружия. Для определения глобальных координат положения оператора и АСК используется ГЛОНАСС-спутник и навигатор [35]. Чтобы найти мишень в поле зрения прицела, оператору необходимо знать её координаты. Существующие методы линейно-угловых измерений для целеуказания не обладают оперативностью необходимой для определения координат мишени и наведения СВН по ним. Поэтому были разработаны методы линейно-угловых измерений для целеукзания с использованием целеуказателя (ЦУ) в полевых условиях и в условиях его воздушного базирования на борту беспилотного дистанционно пилотируемого летательного аппарата (БПЛА).
В случае использования ЦУ в полевых условиях, разведчик измеряет координаты мишени в локальной системе координат (ЛСК), а именно цу, азимут цу, угол места цу над уровнем горизонта. Зная местоположения разведчика с ЦУ в глобальной системе координат (широта цу, долгота цу, высота над уровнем моря цу), координаты мишени переводятся в глобальные (м, м, м) и передаются оператору. Схема предложенного метода измерения представлена на рисунке 2.1.
В случае использования БПЛА, необходимо обеспечить возможность фото- или видеосъемки местности, с возможностью определения координат объектов (типа ”мишень”) в автоматическом режиме, посредством специальных алгоритмов, заложенных в программу летательного аппарата. Результаты такой разведки должны быть сохранены в памяти прибора, и извлечены по его возвращении на базу, либо переданы по беспроводной сети. При этом необходимо обеспечить разрешающую способность объектива и ПЗС-матрицы оптической системы БПЛА достаточную для обнаружения, распознавания и идентификации мишеней [30]. Управление летательным аппаратом осуществляется оператором посредством специального оборудования, работающего на основе данных ГЛОНАСС-спутников. Оператор задает маршрут БПЛА до начала разведки (3, 3, 3). При этом обеспечивается передача данных о местоположении БПЛА (3, 3, 3), при отклонении от заданного маршрута корректировка курса (3, 3, 3), осуществляется посредством ГЛОНСАСС-спутника. Определение координат цели возможно как оптико-электронным оборудованием [36] (в том числе и ЦУ), так и при помощи компактных радиолокационных модулей [37]. При этом оператор дает необходимую команду на пульт управления БПЛА по измерению координат мишени. Необходимо учитывать, что погрешность определения координат местоположения БПЛА влияет на погрешность измерения координат мишени.
В зависимости от аппаратной части БПЛА могут быть получены различные координаты мишени относительно беспилотного аппарата. Например, широта м, долгота м, высота над уровнем моря м или наклонная дальность до мишени БПЛА, угол места БПЛА и азимут БПЛА. В первом случае, координаты могут быть сразу переданы оператору для наведения на мишень, во втором – координаты до передачи должны быть преобразованы в глобальные (м, м, м). Схема предложенного метода измерения представлена на рисунке 2.2.
Концептуальная модель СВН с использованием двух разработанных методов линейно-угловых измерений для целеуказания представлена на рисунке 2.3.
После наведения на мишень определяются метеорологические условия стрельбы (давление, температура, влажность, скорость ветра). Эти данные
После получения координат цели оператор вводит данные в терминал (ПК), обеспечивающий вывод поля зрения прицела на экран. Далее необходимо последовательно обнаружить, распознать и идентифицировать мишень. Процессы являются вероятностными, и их успешная реализация зависит от ряда случайных факторов (например, яркость или контрастность изображения на мониторе). В связи с тем, что наведение на мишень осуществляется с помощью СВН, имеет смысл ввести термин ”видеонаведение” - наведение на мишень оператором СВН. В случае невозможности обнаружения мишени, в СВН используется функция обработки изображения с целью выделения объекта типа «мишень».
Обоснование тактико-технических характеристик МН МУО
Кинематические схемы МГН и МВН (рисунок 3.5, а, б) составлены в соответствии с ГОСТ 2.703-2011 «ЕСКД. Правила выполнения кинематических схем» и ГОСТ 2.770-68 ЕСКД. «Обозначения условные графические на схемах. Элементы кинематики»
В соответствии с данными о современных двигателях, примем максимальную частоту вращения вала двигателя пдв.тоаж = 3000 об/мин. Исходя из ТТХ, максимальная скорость вращения и качения винтовки составляет 60 /c, тогда максимальная частота вращения станины составит Пст.тах 1/6 об/сек. Требуемое передаточное отношение редуктора МГН определим по формуле (3.5): Пдв.шах 3000 %т = = = 300. (3.5) Пст.шах 60 1/6 60 Распределим нагрузку на двигатель по трем ступеням редуктора: 1 - зубчатая передача; 2 - червячная передача; 3 - конечная передача с зубчатой шестерней.
Распределим передаточное отношение на пары: щ = 3 (1-й ряд по ГОСТ 2185-66); щ = 20 (1-й ряд по ГОСТ 2144-76); щ = 5 (1-й ряд по ГОСТ 2185-66). Силовая нагрузка в кинематической цепи от двигателя к ведущей шестерне возрастает, поэтому модуль на каждой последующей паре увеличивается: гп\ = 2 (1-й ряд по ГОСТ 9563-80); Ш2 = 4 (1-й ряд по ГОСТ 19672-74); тз = 5 (1-й ряд по ГОСТ 9563-80).
В таблице 3.1 представлены параметры звеньев кинематической цепи МГН: і - номер звена на кинематической схеме; Z{ - числа зубьев; гщ - модуль зацепления; d{ = Z{ гщ - диаметр делительной окружности; dai = di =h 2гщ - диаметр окружности вершин; dfi = d{ =F 2, Ъгщ - диаметр окружности впадин; – допуск на кинематическую погрешность звена, определяемого по ГОСТ 1643-81 (для зубчатых колес 1,2,5,6) и ГОСТ 3675-81 (для червячного колеса 4).
Выполним аналогичный расчет для МВН. Требуемое передаточное отношение редуктора МВН определим по (3.5): іт = 3000/(1/6 60) = = 300. Распределим нагрузку на двигатель по двум ступеням редуктора: 1 - червячная передача; 2 - зубчатая передача (зубчатый сектор). Распределим передаточное отношение на пары: щ = 40 (1-й ряд по ГОСТ 2144-76); U2 = 7,5 (ряд R40 по ГОСТ 8032-84). Силовая нагрузка в кинематической цепи от двигателя к станку возрастает, поэтому модуль на каждой последующей паре увеличивается: гп\ = 2; Ш2 = 2,5 (1-й ряд по ГОСТ 9563-80). Поскольку мвн = (2 А)/(І s) = (40 240)/(l 32) = = 300 = T, то параметры звеньев кинематической цепи МВН (таблица 3.2) выбраны верно.
Расчет допустимой погрешности МН выполняется исходя из допуска на погрешность ввода углов прицеливания s = 3,6 т.е. 00-01 т.д. Суммарную погрешность горизонтирования стрелкового блока определим по (3.7): где /\xyCT = 1 допуск на погрешность горизонтирования станины; Л АхуСБ = 1 допуск на параллельность горизонтальной плоскости стрелкового блока плоскости станины. Погрешность датчика угловых перемещений (энкодера) для определения углов прицеливания по ГОСТ 26242-90 составит энк = 15 = 0,25 (класс точности 4). Будем полагать, что погрешность датчика ШК и суммарная погрешность горизонтирования стрелкового блока Ажу = v 1 + 1 = 1,4 распределяются по нормальному закону. Тогда погрешность функционирования МН вычисляется по формуле (3.8): коэффициенты относительного рассеяния, характеризующие степень отклонения действительных законов от распределения соответствующих величин от закона Гаусса.
В результате расчетов допустимая погрешность функционирования МН АСК составила м = (1/1, 22) у (о, 6/1, 2І)2 — 0, 252 — 1,42 = 2, 2 . Следующим этапом необходимо проверить, превышает ли кинематическая погрешность МН допустимую погрешность функционирования МН. 3.2.4 Точностные расчеты МН МУО
Проведем предварительный точностной расчет МН для определения требований к элементам его звеньев и оценки технологичности конструкции. Для этого рассчитаем укрупненные показатели точности звеньев кинематической цепи. Приведенный допуск на перемещение звена определим по (3.9):
Полученные значения предельных допусков: oi = (100/2) 660 х х 0, 291 = 9599 мкм; о2 = (300/2) 660 0, 291 = 28798 мкм; QS = = (64/2) 220 0, 291 = 2048 мкм; SQF = (160/2) 220 0, 291 = 5120 мкм; 5oFz, = (200/2)-11-0, 291 = 320 мкм; SQFQ = (1000/2)-11-0, 291 = 1600 мкм. Вычислим коэффициенты влияния Л, характеризующие степень влияния погрешностей звеньев на точность работы механизма на экономическом уровне точности:
Согласно [53, 54], экономическому уровню точности соответствует 8-я степень точности изготовления зубчатого колеса (техпроцесс -фрезерование обкаткой). Значение допусков на кинематическую погрешность представлены в таблице 3.1. Полученные значения коэффициентов влияния: ЛЭ1 = 9599/77 = 124,6; ЛЭ2 = 28798/143 = = 201,4; Лэз = 2048/72 = 28,4; ЛЭ4 = 5120/72 = 71,1; ЛЭ5 = 320/112 = 2, 9; Лэб = 1600/240 = 6, 7.
Разработка методики измерения ПСВ
Критическим называется такой размер объекта, вдоль которого ведется анализ его изображения для выявления его характерных геометрических признаков. Часто за критический принимают минимальный видимый размер объекта. Например, критическим размером для автомобиля, наблюдаемого с земли, может быть его высота, а наблюдаемого с воздуха - ширина или длина. Критический размер объекта определяется по формуле [68]: =, (3.24) где – разрешающая способность оптического прибора, штр/мм. Методика предусматривает сравнение предельного разрешения штриховой миры с наблюдаемым минимальным размером объекта по порогу обнаружения. В таблице 3.7 представлено соотношение между предельным разрешением по штриховой мире со степенью восприятия объекта типа ”человеческая фигура” [69, 70]. Также возможен вариант, когда в качестве пространственной частоты берут не число периодов штриховой миры, а число пикселей приемной матрицы [67].
Как видно из (3.25), одним из главных факторов, влияющих на критический размер распознаваемого объекта, является разрешающая способность оптического прибора. В общем случае она рассчитывается, исходя из соотношения: -і n -і где Ri - разрешающая способность оптической системы (объектива, окуляра, оборачивающей системы и т.д.) По формуле (3.25) получим следующие значения дальности обнаружения, распознавания и идентификации соответственно: D0 = (50 20 1,7)/2 = 850 м; Dp = (50 20 1,7)/4 = 425 м; DH = (50 -20-1, 7)/б = 283 м.
В СВН для определения вероятности распознавания объекта на экране используется критерий Джонсона, в котором в качестве числа Джонсона N берется количество телевизионных линий (ТВЛ) по горизонтали или вертикали [71-73]. Разрешающая способность СВН определяется количеством черных и белых линий (черная и белая считаются двумя ТВЛ), укладывающихся по горизонтали или по вертикали [74].
Пересчет разрешающей способности ПЗС-матрицы из пикселей в ТВЛ выполняется по формуле [75, 76]: где ктвл - поправочный коэффициент, учитывающий соотношение сторон матрицы, ка - число пикселей по горизонтали. Для матрицы UL 03 16 2 получим RTBn = 0, 75 384 = 288 ТВЛ. Необходимое для СВН фокусное расстояние объектива [71, 73]: / h D (1 + л/—1п(1 — Р)/0,15) /об = 5 , (3.28) У - ТВЛ где Р - требуемая вероятность распознавания; h - размер приемной площадки ПИ по высоте, м. По (3.28) получим дальность обнаружения: v-R f у ± ЬТВЛ J об и = . (3.29) h (1 + \J—ln(l — Р)/0,15) По формуле (3.29) получим следующее значения дальности обнаружения 0 = 810 м. Теперь исходя из критерия Джонсона получим дальность распознавания и идентификации соответственно: p = 0 / 2 = = 405 м; =0 / 3 = 270 м.
В работах [77, 78] описана связь дальностей обнаружения, распознавания, идентификации ТПВ системы не только с критерием Джонсона, но и с энергетическими характеристиками ФПУ и квалификацией оператора: где о = 0,8- показатель квалификации оператора; = /0ь -значение элементарного поля зрения ТПВ прибора; - коэффициент (3.31), учитывающий энергетические характеристики системы. где Ад = 5 -і- 10 - разность радиационных температур объекта (типа ”человеческая фигура”) и фона; а = 0,5- коэффициент пропускания атмосферы; - число элементов ФПУ, на которое укладывается N периодов эквивалентной миры; A - разность температур, эквивалентная шуму.
По формуле (3.30) получим значения дальности обнаружения, распознавания и идентификации : 0 = 1025 м; p = 513 м; H=342 м.
Расчет дальности действия ТПВ канала по габаритному расчету дает завышенные результаты, а методика на основе критерия Джонсона применительно к СВН - заниженные. Также установлено [77, 78], что методика с учетом параметров ИК-приемника также дает завышенные результаты. Поэтому за наиболее приемлемые результаты можно считать полученные по классическому критерию Джонсона.
Для определения дальности действия ТПВ с известными характеристиками объектива и приемника излучения целесообразно выполнить энергетический расчет по методике лазерной дальнометрии [79].
Микроболометрические приемники работает по тепловому излучению, испускаемому самим объектом. Для объекта с температурой t = 37 О (Т = = 310К) длина волны излучения по закону смещения Вина составит тах = 2898/Т = 2898/310 = 9,35 мкм. Пороговую облученность на входе оптической системы определим по: т-, - е.пор.п Аміор.ос = 0 0 , (3.32) оос/оп где Su = h w = 6, 91 10 5м2 - площадь приемника; Soc = 7rD2/4 = = 1,36 10 3м2 - площадь входного зрачка объектива.
Пороговая облученность микроболометра в спектральном диапазоне АЛ = 8 -т-14 мкм составляет і?е.пор.п = 5 10 6 Вт/см2 (при облученности фона Еф = 2 10 3 Вт/см2). По (3.32) получим пороговую облученность на входе оптической системы І?е.пор.о.с. = 5 10 10/(1,Зб 10 3/б,9 10 5) = = 2,53 Ю-11 Вт/см2. Пороговый поток излучения на входе оптической системы: Фе.пор.ос = е.пор.ос Soc = 2,53-10" -1,36-10" =3,46-10" Вт.