eng
Выпуск #2/2023
А. В. Медведев, А. В. Гринкевич, С. Н. Князева
Оптико-электронные системы наблюдения и кругового обзора
Оптико-электронные системы наблюдения и кругового обзора
Просмотры: 766
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2023.17.2.146.166
В статье рассмотрен особый класс оптико-электронных приборов – телевизионные панорамные приборы кругового обзора, предназначенные для мгновенного обзора в угле 360°. Приведены различные варианты исполнения панорамных приборов, особое внимание уделено телевизионному панорамному прибору кругового обзора с верхней полусферой. Он обеспечивает возможность наблюдения верхней полусферы без «мертвых» зон при применении 4‑х телевизионных каналов и решает задачу обнаружения и противодействия БПЛА в зенитной области.
В статье рассмотрен особый класс оптико-электронных приборов – телевизионные панорамные приборы кругового обзора, предназначенные для мгновенного обзора в угле 360°. Приведены различные варианты исполнения панорамных приборов, особое внимание уделено телевизионному панорамному прибору кругового обзора с верхней полусферой. Он обеспечивает возможность наблюдения верхней полусферы без «мертвых» зон при применении 4‑х телевизионных каналов и решает задачу обнаружения и противодействия БПЛА в зенитной области.
Теги: all-round view anti-aircraft area instantaneous view area panoramic device uav detection зенитная область круговой обзор область мгновенного обзора обнаружение бпла панорамный прибор
Оптико-электронные системы наблюдения и кругового обзора
А. В. Медведев1, А. В. Гринкевич2, С. Н. Князева1
ОАО «РОМЗ», г. Ростов, Ярославская обл., Россия
ЗАО «ЭВС», Москва, Россия
В статье рассмотрен особый класс оптико-электронных приборов – телевизионные панорамные приборы кругового обзора, предназначенные для мгновенного обзора в угле 360°. Приведены различные варианты исполнения панорамных приборов, особое внимание уделено телевизионному панорамному прибору кругового обзора с верхней полусферой. Он обеспечивает возможность наблюдения верхней полусферы без «мертвых» зон при применении 4‑х телевизионных каналов и решает задачу обнаружения и противодействия БПЛА в зенитной области.
Ключевые слова: панорамный прибор, круговой обзор, зенитная область, обнаружение БПЛА, область мгновенного обзора
Статья получена: 28.08.2022
Статья принята: 23.11.2022
Практически всем оптическим и оптико-электронным системам специализированных транспортных машин присущ общий недостаток – ограниченность обзора. При эксплуатации таких специализированных машин в городских условиях возникает еще и психологический аспект – у операторов при работе в замкнутом пространстве с закрытыми дверями и люками в отсутствии оперативной информации о событиях, происходящих снаружи, возникают не самые комфортные ощущения.
Одним из путей решения этой проблемы является установка телевизионной панорамы, удачный пример реализации которой представлен на украинском бронетранспортере БТР‑4 «Ладья». Примененное устройство «Панорама‑2П», кроме кругового обзора, имеет дополнительную возможность подъема телевизионной камеры на высоту до 0,5 м над башней (рис. 1).
Телевизионная камера панорамного прибора установлена на башне боевого модуля на пластине подъемно-поворотного механизма, который размещается внутри башни. Возможность осуществления кругового обзора, кроме всего прочего, используется командиром для целеуказания наводчику.
Военные конфликты последних лет показывают, что сам факт наличия танковых панорам не исправляет ситуацию с обзорностью, так как у такого класса приборов круговой обзор достигается за счет подъема и поворота головки, а мгновенное поле зрения невелико. Конструктивное исполнение таких панорам сложное, а трудоемкость устройства высокая. Кроме того, у них отсутствует возможность наблюдения в верхней полусфере, что в современных условиях является необходимым и обязательным для противодействия беспилотным летательным аппаратам (БПЛА).
По результатам анализа применения приборов типа «Панорама‑2П» проведение работ в развитие этого направления в КБ ПАО «Ростовский оптико-механический завод» изначально было признано нецелесообразным.
На предприятии целенаправленно проводился поиск приемлемого принципа построения прибора телевизионного типа для кругового обзора с мгновенным горизонтальным полем зрения 360°. Работы проводились по нескольким конструктивным направлениям: в варианте панорамы со сферической насадкой, в варианте со сверхширокоугольной оптикой и в варианте с телевизионными каналами на специализированном фотоприемнике.
Вариант панорамы
со сферической насадкой
На начальном этапе работ рассматривался телевизионный вариант прибора с мегапиксельной телевизионной камерой и панорамной оптической головкой, в котором трансформирование кругового изображения в привычный формат наблюдения осуществлялось программными методами.
Известные конструкции [1] предполагали применение специальной панорамной зеркально-линзовой оптической системы, формирующей кольцевое изображение и представляющей собой один оптический компонент, имеющий четыре рабочих поверхности и апертурную диафрагму (рис. 2). Первая рабочая поверхность является выпуклой сферической преломляющей поверхностью, вторая – вогнутой сферической отражающей поверхностью, третья – выпуклой сферической отражающей, четвертая – плоской преломляющей поверхностью, совмещенной с апертурной диафрагмой.
Так как такая оптическая система является достаточно сложной для серийного оптического производства, то в результате конструкторской проработки был найден простой и наиболее пригодный для существующего серийного производства вариант оптической части панорамного прибора [2]. Система состояла из телевизионного объектива, установленного входным зрачком вертикально вверх, и сферической насадки, размещенной над входным зрачком объектива и представляющей собой выпуклую сферическую поверхность с зеркальным покрытием, отражающим окружающую панораму 360° в некотором вертикальном секторе «αВН».
Отрабатывался вариант, в котором в качестве сферической насадки могла быть применена любая линза с выпуклой полированной поверхностью радиуса (Rзер), на которую требовалось нанести зеркальное отражающее покрытие (рис. 3а).
Вариант был опробован на макетном образце, в котором воздушный промежуток между зеркальной сферой и телевизионным объективом закрыт от внешних атмосферных воздействий круговым защитным стеклом
(рис. 3b). Юстировка панорамного прибора в таком варианте исполнения является простой операцией и заключается в определении необходимой подвижки телевизионного объектива для настройки панорамного телевизионного канала на резкое изображение окружающего пространства с учетом кругового отражения от участка зеркальной сферы.
Необходимая величина подвижки «x» [3], осуществляющей компенсацию расходимости оптических лучей с оптической силой Фзер, определяется формулой:
,
где Fоб – фокусное расстояние телевизионного объектива; Фзер – оптическая сила выпуклой зеркальной отражающей поверхности в диоптриях, определяемая ее фокусным расстоянием и зависящая в конечном итоге от радиуса зеркальной поверхности Rзер[4]:
.
Таким образом, конечная формула для вычисления подвижки имеет вид:
.
Сектор вертикального поля зрения панорамного прибора определяется расчетом хода лучей при оптимальном выборе Rзер и Fоб.
После сформированного таким образом кольцевого панорамного изображения необходимо осуществить геометрическую развертку – преобразование кольцевого панорамного изображения в обычное прямоугольное любым из применяемых методов [5] для возможности наблюдения панорамного изображения на широкоформатном мониторе. В качестве фотоприемного устройства в макете использовалась 3‑х мегапикселная телевизионная камера типа VЕI‑335-USB формата 1/2" с разрешением 2 048 × 1 536 элементов КМОП разработки и производства предприятия ООО «ЭВС» (Санкт-Петербург).
Светочувствительным элементом камеры является КМОП-матрица OV3620 производства фирмы Omni Vision. Напряжения, необходимые для работы матрицы, генерирует синхрогенератор, встроенный в кристалл фотоприемника. Он же обеспечивает необходимые напряжения для усилителя. Встроенный усилитель осуществляет обработку сигналов, поступающих с фоточувствительного массива матрицы.
Применение системы автоматической регулировки усиления (АРУ) совместно с системой автоматического регулирования времени накопления (АРВН) позволяет работать в широком диапазоне освещенностей объектов наблюдения. Телевизионная камера выдает на выходе USB-сигнал в стандарте RAW RGB Data (24 бит).
Пример кольцевого панорамного изображения, полученного при помощи описанного макетного образца, показан на рис. 4.
Кроме геометрической развертки горизонтальная панорама может быть получена проецированием полусферического изображения на цилиндрическую поверхность, окружающую зеркало, т. е. путем преобразования полусферического изображения из системы полярных координат в систему прямоугольных координат так называемым методом быстрой развертки [6].
Особенностью варианта конструкции панорамы со сферической насадкой является его одноканальность, определяющая его простоту и технологичность, не требующая новых технологий и готовая к реализации практически на любом производстве. Панорама может быть установлена на любом типе транспортного средства, проста в установке и монтаже и решает большинство задач кругового обзора.
Современные реалии поставили новые задачи перед системами кругового обзора – самой насущной является задача по обнаружению и противодействию БПЛА, что требует обеспечения возможности наблюдения в зенитной области.
Так как центральная часть кольцевого изображения не передает изображения в верхней полусфере, была продолжена работа в направлении создания универсального прибора кругового обзора, способного к одновременному обзору наземной обстановки и воздушного пространства без «мертвых» зон при наблюдении.
Вариант панорамы со сверхширокоугольной оптикой
Специалистам известны разработки БПЛА разного назначения. Однако существует класс БПЛА военного назначения, несущий большую опасность, – индивидуально убивающие беспилотники: каждой человеческой мишени – свой БПЛА, несущий необходимые 200 г взрывчатого вещества. Такой беспилотник может быть использован для разведки и наблюдения, но конечное его назначение – летать в качестве барражирующего боеприпаса.
Развитие такого класса БПЛА является серьезной угрозой для человека и любой боевой техники. Необходимость противодействия БПЛА стала важнейшей целью, главное содержание которой – обнаружение летающей малоразмерной цели. Эту задачу можно решить с помощью панорамного прибора с обзором не только местности, прилегающей к наблюдателю, но и всей верхней полусферы.
Для создания такого панорамного прибора наблюдения, обеспечивающего круговой обзор не только наземной обстановки, но и верхней полусферы радиуса (1–1,5) км, была использована комбинация направленного вверх сверхширокоугольного объектива, мегапикселного фотоприемника и специализированного программного обеспечения, разворачивающего полученное круговое поле 360° × 180° в привычную прямоугольную картинку на широкоформатном мониторе [7].
Опытный образец телевизионного канала содержал пятимегапикселную телевизионную камеру типа VЕС‑555-IР разработки и производства предприятия ООО «ЭВС» и объектив типа «рыбий глаз» – сверхширокоугольный объектив Fujinon FЕ185С046НА‑1, обеспечивающий необходимое качество изображения для 5‑ти мегапикселных матриц. Канал ориентирован вертикально, может быть установлен в любом удобном месте и закрыт оптически прозрачным колпаком.
Образец варианта такой конструкции показан на рис. 5. пятимегапикселная цветная телевизионная камера VЕС‑555-IР позволяет получить изображения максимальной четкости в режиме 2 592 × 1 920 элементов при минимальном уровне шума. В сочетании с объективом типа «рыбий глаз» телевизионный канал может обеспечить видимость верхней полусферы 185°, захватывая также и наземную часть изображения.
Примененная телевизионная камера, помимо изменений формата и компрессии, позволяет осуществлять управление другими параметрами, такими как яркость, контрастность, четкость, насыщенность, баланс белого, включение режима компенсации встречных засветок (ВLС) и режимов работы: автоматической регулировки усиления, автоматической экспозиции, подавителя шума, ночного режима, бининга, скипинга, оконного режима, подавления мерцаний и др.
Параметры сверхширокоугольного объектива Fujinon FЕ185С046НА‑1 полностью совместимы с параметрами телевизионной камеры типа VEC‑555-IP. Габаритные размеры и технические характеристики объектива Fujinon FЕ185С046НА‑1 приведены на рис. 6.
Объективы типа «рыбий глаз» обычно содержат два отрицательных мениска, позволяющих захватить и направить в объектив наклонные пучки лучей света и линзовые компоненты с апертурной диафрагмой [2]. Отсутствие подвижных частей и высокая светосила объектива Fujinon FЕ185С046НА‑1 (1 : 1,8) гарантируют высокую надежность панорамного прибора в эксплуатации и как нельзя лучше решают задачи кругового обзора больших пространств.
Вариант возможного вида поля зрения, наблюдаемого через панорамный телевизионный канал кругового обзора с верхней полусферой при использовании сверхширокоугольного объектива типа «рыбий глаз», показан на рис. 7.
В поле зрения канала наблюдается Солнце, что красноречиво демонстрирует возможности и динамический диапазон телевизионного канала, а также некий объект типа БПЛА, замаскированный под птицу, различные типы которого разрабатывают сегодня наши военные «партнеры».
Разрешающая способность канала может быть оценена по длинной стороне кадра (~2 500 пикселов), которая занимает угол ~180°. Один пиксел телевизионной камеры будет соответствовать углу 180 / 2 500 ≈ 0,072° ≈ 4,32 угловых минуты или ~1,2 тысячных в малых делениях угломера, что соответствует 1,2 м на дистанции 1 км.
Это говорит о том, что одним пикселом фотоприемника телевизионной камеры может обнаруживаться БПЛА размером (1,2–1,5) м на дистанции в 1 км. Спектр применения аппаратов такого размера в военных действиях достаточно широк. Один из вариантов БПЛА американского производства, стилизованный под птицу, можно оценить по образцу, сбитому в Пакистане в 2011 году (рис. 8).
Вычислительная система панорамного прибора кругового обзора с верхней полусферой в составе программно-алгоритмического обеспечения и штатных вычислительных средств решает следующие задачи: обнаружение и целеуказание беспилотника, распознавание и идентификация класса беспилотника, автосопровождение и измерение координат обнаруженной цели.
В качестве единственного устойчивого признака для обнаружения цели (атакующий БПЛА) может быть принят лишь кинематический признак движения БПЛА (вектор скорости) по направлению к объекту защиты комплекса анти-БПЛА. Другие возможные для измерений физически отличимые признаки малогабаритных маскируемых БПЛА: спектрально-энергетический контраст яркости цели и фона; топологические и геометрические признаки (форма, размер объекта и др.) в условиях естественных и организованных помех при сверхмалых размерах микро- и мини-БПЛА и ограниченной чувствительности и разрешающей способности телевизионного канала, могут быть аппаратурно и алгоритмически однозначно невыделимыми из-за наличия иных (ложных) подвижных объектов (облака, птицы и т.д).
Соответственно правильное решение задачи выделения цели на этапе обнаружения по единственному ее показателю – движению, не может быть выше вероятности Ро ≤ 0,5, т. е. выделенный объект может быть целью, но может и не быть таковой. Таким образом, реальные дальности опознавания малоразмерного объекта рассмотренным вариантом панорамного прибора кругового обзора с верхней полусферой составит порядка ~100–200 м, что в принципе достаточно для обеспечения срабатывания современных систем противодействия.
Как и предыдущий рассмотренный вариант панорамного прибора, телевизионная панорама со сверхширокоугольной оптикой является одноканальной системой, поэтому обладает такой же простотой и технологичностью, решая при этом задачи кругового обзора с верхней полусферой с дальностями опознавания до 1 км при наблюдении крупных БПЛА с размерами порядка ~10 м.
Однако быстрое развитие класса миниатюрных БПЛА ставит новые задачи перед системами панорамного наблюдения с сохранением дальностей опознавания малоразмерных целей. На первый план вышла необходимость повышения пространственной разрешающей способности панорамного прибора кругового обзора с верхней полусферой, обеспечивающей дальности опознавания, требуемые для своевременного реагирования и подключения систем противодействия.
Вариант панорамы с телевизионными каналами на специализированном фотоприемнике
Современные конструктивные решения систем панорамного наблюдения базируются на комбинации нескольких телевизионных каналов, размещаемых вокруг машины или вокруг шасси, если машина имеет башню. Такой многоканальный принцип построения панорамной системы позволяет реализовать одновременно круговое поле обзора и высокое угловое разрешение по всему полю [8].
Именно для применения в специальных системах телевизионного наблюдения предприятием ООО «ЭВС» разработан специализированный телевизионный модуль, тип 742, обеспечивающий работу в диапазоне рабочих освещенностей от 0,003 до 30000 лк, на основе которого предприятием ОАО «ЛЗОС» создана специализированная универсальная телевизионная камера ТВКТ‑95Н для телевизионной системы наружного кругового наблюдения. Вариант системы кругового обзора с использованием камер ТВКТ‑95Н практически реализован в виде прибора для командира танка Т‑90М/МС [7]. Проектировщики машины впервые пересмотрели подход к организации системы обзора танка, реализовав полностью телевизионный вариант системы. Параметры телевизионных камер приведены в табл. 1.
Система наружного наблюдения обеспечивает командиру и наводчику круговой обзор местности, прилегающей к танку. На крыше вращающегося боевого отделения установлена антенная мачта с датчиками метеоусловий, на которой размещены три телевизионные камеры, обеспечивающие почти круговой обзор, передавая изображения на мониторы командира и наводчика. Четвертая камера находится на правой стороне башни, так как в случае размещения ее на датчике ветра дистанционная пулеметная установка на крыше башни перекрывает обзор (рис. 9).
Для наблюдения за полем боя в боевом отделении имеется пульт управления и 10‑дюймовый монитор, связанный с видеокамерами кругового обзора, на который выводится картинка с 4‑х видеокамер. Дополнительно для наблюдения за обстановкой на задней части машины, а также для удобства движения задним ходом механиком-водителем используется отдельная телевизионная камера заднего обзора.
Разрешающая способность системы может быть оценена по длинной стороне кадра (752 пиксела), которая занимает угол ~95°. Один пиксель телевизионной камеры будет соответствовать углу 95 / 752 ≈ 0,126° ≈ 7,5 угловых минуты или ~2,1 тысячных в малых делениях угломера (а это 2,1 м на дистанции 1 км). Эти параметры более чем достаточны для вождения машины, ориентировки на местности и оценки угроз в ближней и средней области дистанций. Для систем дальнего действия на машине имеется отдельный прибор.
Для увеличения дальности в ряде разработок наблюдается тенденция к увеличению числа телевизионных каналов. Одной из таких систем является система видеонаблюдения и целеуказания «Панорама», разработанная белорусским ОАО «Конструкторское бюро «Дисплей».
В состав «Панорамы» входит модуль на штанге (рис. 10, левое фото), оснащенный шестью видеокамерами, установленными с шагом 60° в горизонтальной плоскости, вычислительный модуль и сенсорный жидкокристаллический монитор с диагональю 15 дюймов.
На экране рабочего места командира в режиме «Панорама» сформированы три строки и три столбца (рис. 10, правое фото). В верхней строке размещаются изображения от трех видеокамер переднего плана, в нижней строке размещаются зеркальные изображения от видеокамер заднего плана. В центре экрана (вторая строка, второй столбец) размещено изображение от отдельной видеокамеры дальнего действия. Вторая строка, первый столбец используются для отображения панели «Управление экраном». Вторая строка, третий столбец используются для отображения панели «Состояние комплекса «АДУНОК».
Угол поля зрения видеокамер в горизонтальной плоскости составляет 62°. Разрешающая способность камеры, оценка которой проведена по вышеизложенной методике по длинной стороне кадра (752 пиксела), занимающей угол ~62°, составляет величину порядка 1,3-тысячных в малых делениях угломера или 1,3 м на дистанции 1 км. Этот показатель позволяет не только осуществлять ориентировку на местности и оценку угроз в средней области дистанций, но и обеспечить приемлемую точность целеуказания. Система «Панорама» разработана для комплекса «Адунок», но может применяться и как самостоятельное изделие на легких небронированных или слабо бронированных автомобилях и других подвижных и неподвижных объектах.
Многоканальными системами кругового обзора можно решить практически все задачи, в том числе и задачу обеспечения возможности наблюдения в верхней полусфере. Однако это требует дополнительного числа каналов, что увеличивает трудоемкость изготовления самой панорамной системы, сложность ее установки на объекте и эксплуатации в реальных условиях.
Попытку кардинального улучшения качества панорамного изображения увеличением числа каналов предприняло Министерство обороны Тайваня, которое представило систему камер внешнего наблюдения, предназначенную для бронетранспортера CM‑32 8×8 Cloud Leopard. Система кругового обзора, разработанная 209‑м военным заводом, представляет собой одно из последних достижений тайваньской технологии, показанное на выставке TADTE (Taipei Aerospace & Defense Technology Exhibition 2015), прошедшей в Тайбее (рис. 11).
Панорамная система состоит из 16‑ти камер высокого разрешения, обеспечивающих наблюдение даже при низкой освещенности. Три камеры установлены впереди, по три камеры по бортам, две камеры в корме и по одной на зеркалах заднего вида. Этим обеспечивается круговой обзор вокруг машины на 360°. Три дополнительные камеры установлены на люке водителя с целью наблюдения за обстановкой при вождении с закрытыми люками. Изображения с 16‑ти камер объединяются в составное изображение, на котором наблюдается окружающий ландшафт, но при желании можно выводить на экран изображения с каждой отдельной камеры.
Система обработки сигналов автоматически распознает движения пикселей на выводимых изображениях, используя сложные алгоритмы. Осознавая существующую вероятность ложных срабатываний в зашумленном пространстве, инженеры запрограммировали систему так, чтобы она игнорировала подвижные объекты определенного размера, например, птиц и небольших животных. По данным некоторых производителей, проблема разработки таких систем сосредоточена на точном размещении комплекса камер, а также на слиянии отдельных потоков изображений с целью представления понятной и точной информации об обстановке вокруг машины.
Следует отметить, что сложность восприятия и анализа информации возрастает с увеличением числа каналов, а при использовании 16‑ти видеокамер это требует дополнительного изучения и всесторонней оценки в эксплуатации, особенно для различных ситуаций в боевой обстановке (рис. 12).
Специалистами предприятия ПАО «РОМЗ» был рассмотрен другой путь повышения параметров за счет реализации варианта панорамного прибора с фотоприемниками нестандартного формата. Целью разработки было кардинальное (в несколько раз) повышение разрешающей способности при круговом наблюдении окружающей местности и при видимости всей верхней полусферы без «мертвых» зон при применении только 4‑х телевизионных каналов.
Возможность создания всеракурсной панорамной системы с высокими параметрами по разрешающей способности базируется на применении фотоприемника GMAX2518 производства компании Gpixel, который представляет собой 18‑мегапиксельный сенсор нестандартного формата с соотношением сторон ~11 : 10. Пиксел размером 2,5 мкм обеспечивает максимальный динамический диапазон в пределах 66 дБ. Благодаря технологии, объединяющей применение микролинз и световодов, квантовая эффективность (QE) датчика достигает 65%. Матрица использует 32 пары sub-LVDS-каналов, каждый из которых работает на максимальной скорости 960 МГц и поддерживает получение изображений с частотой кадров до 64 Гц в 12‑битном режиме и 150 Гц в 10‑битном режиме при полном разрешении.
Основные технические параметры фотоприемника GMAX2518 приведены в табл. 2.
На рис. 13 представлена структурная схема телевизионного канала на основе 18-мегапикселной КМОП-матрицы. В качестве основного ядра обработки видео служит микросхема Artix 7 серии UltraScale+ производства кампании Xilinx, являющаяся программируемой логической интегральной схемой, на которую поступают данные от видео сенсора с частотой 960 МГц. Микросхема производит первичную обработку поступающего сигнала и подготавливает данные на видеовыход для последующей интеллектуальной обработки изображения, а также определяет области интереса видеокадра.
Ядро обработки видео осуществляет управление видео сенсора, настраивая параметры матрицы для максимального качества получаемого сигнала.
Блок электропитания вырабатывает все необходимые напряжения питания для микросхем телевизионного канала от входного напряжения 12–30 В.
Для кругового наблюдения фотоприемник в каждом из каналов ориентируется по горизонтали короткой стороной, на которой объектив обеспечивает угол поля зрения 92°, т. е. четыре канала перекрывают 360° горизонтального обзора. Соответственно вертикальный угол поля зрения составляет 101°, что позволяет каждому каналу вести наблюдение в зените и в наземной части поля зрения с охватом всей верхней полусферы без «мертвых» зон и без больших дисторсионных искажений. При этом диагональное поле зрения составляет ~136°.
Разработанное конструктивное решение телевизионного панорамного прибора кругового обзора с верхней полусферой базируется на размещении 4‑х 16‑мегапиксельных каналов, неподвижно установленных в едином корпусе под углом 90° друг к другу и с наклоном каждого канала в 45° к горизонтальной плоскости (рис. 14).
Следует отметить, что современные оптические решения способны обеспечить и одноканальный вариант, аналогичный варианту панорамы со сверхширокоугольным объективом. Например, компания Theia Technologies представила в 2014 году вариант объектива Theia SY185F с углом поля зрения до 190°, рассчитанный на использование с одноматричными фотоприемниками формата до 20‑ти мегапикселей [9]. Объектив способен работать с размером пикселя от 1,2 мкм, в его конструкции использованы асферические оптические элементы из стекла со сверхнизкой степенью рассеяния света (ELD-glass). Свойственная сверхширокоугольным объективам неравномерность оптических свойств выражается у нового продукта в том, что в центральной зоне его оптическое разрешение составляет 400 штр / мм, а при отклонении от неё на 85° – 200 штр / мм.
Однако 4‑канальный вариант обеспечивает в разы большую разрешающую способность панорамного прибора, а следовательно, и большие дальности обнаружения.
В новой конструкции панорамного прибора объектив для телевизионной панорамы должен иметь поле зрения ~136°, что позволяет увеличить фокусное расстояние объектива и минимизировать дисторсию, применяя достаточно типовые схемные оптические решения при проектировании конструкции объектива. Взаимосвязь параметров у таких объективов может определяться не по классической формуле [3]:
,
а, например, по формуле:
,
где: y′ – половина линейного поля зрения по диагонали; Fоб – фокусное расстояние объектива;
β – угловое диагональное поле зрения объектива.
При линейном поле зрения по диагонали, равном 15,2 мм (см. данные в табл. 2), и в случае углового диагонального поля зрения, равного β = 136°, значение фокусного расстояния объектива может составлять величину порядка Fоб = 8 мм.
Угол поля зрения видеокамер в горизонтальной плоскости составляет 92°. Разрешающая способность канала, оценка которой также проведена по короткой стороне кадра (4 096 пикселов), которая занимает угол ~92°, составляет ~0,37 тысячных в малых делениях угломера или 0,37 м на дистанции 1 км. Для обеспечения такого углового разрешения достаточно применения объектива с фокусным расстоянием не менее величины порядка Fоб = 6,5 мм.
Разрешающая способность при 4‑х телевизионных каналах дает наиболее высокие показатели панорамного прибора, что позволяет не только осуществлять ориентировку на местности и оценку угроз в средней и дальней области дистанций, но и применить методы электронного увеличения с программной обработкой изображения, обеспечивающие рабочие дальности более 1 км по малоразмерным БПЛА и до нескольких километров по наземным целям. Вывод информации может осуществляться отработанными решениями на монитор, связанный с видеокамерами кругового обзора, на который выводится картинка с 4‑х видеокамер (аналогично рис. 9, нижнее фото).
Конструктивное решение панорамного прибора также предусматривает установку детекторов лазерного излучения в верхней части корпуса (рис. 15).
Детекторы лазерного излучения должны быть согласованы с телевизионными каналами по направлению, а для зенитной области установлен дополнительный детектор. При облучении с любого направления средствами наведения противника с квантовыми приборами дальнометрирования или подсветки панорамный прибор регистрирует факт облучения объекта, определяет тип излучателя (дальномер или подсветчик) и координаты источника излучения и выдает информацию, на основании которой как вариант запускается один из режимов управления системой противодействия.
Особенностью варианта конструкции 4‑х канальной панорамы является оптимальное сочетание полей зрения по вертикали и по горизонту, позволяющее реализовать высокоразрешающий круговой обзор с верхней полусферой без «мертвых» зон при наблюдении. При необходимости панорама может устанавливаться на выдвижной или фиксированной штанге, высота которой определяется конкретным типом машины. Вариант панорамы прост и технологичен, предназначен для реализации в условиях серийного производства, характеризуется простотой установки на любом типе транспортного средства, удобством в эксплуатации и позволяет решать задачи мгновенного обзора с предоставлением информации в формате, привычном для оператора.
Таким образом, показано, как разные варианты исполнения панорамных приборов позволяют вести наблюдения верхней полусферы без «мертвых» зон при применении 4‑х телевизионных каналов и решить задачу обнаружения и противодействия БПЛА в зенитной области.
REFERENCES
Solomatin V. A. Panoramic video camera. Photonics Russia. 2009;4: 26–28. (In Russ)
Соломатин В. А. Панорамная видеокамера. Фотоника. 2009;4: 26–28.
Medvedev A. V., Grinkevich A. V., Knyazeva S. N. Perspektivnye napravleniya razvitiya v optiko-elektronnoj tekhnike i tekhnike nochnogo videniya, part 3. – Rostov: OAO «Rostovskij optiko-mekhanicheskij zavod», OAO «YAroslavskij poligrafkombinat». 2012.(In Russ)
Медведев А. В., Гринкевич А. В., Князева С. Н. Перспективные направления развития в оптико-электронной технике и технике ночного видения, часть 3. – Ростов: ОАО «Ростовский оптико-механический завод», ОАО «Ярославский полиграфкомбинат», 2012.
Sakin I. L. Inzhenernaya optika. – L: Mashinostroenie.1976. 288 pp. (In Russ)
Сакин И. Л. Инженерная оптика. – Л.: Машиностроение. 1976. 288 стр.
Begunov B. N., Zakaznov N. P., Kiryushin S. I., Kuzichev V. I. Teoriya opticheskih sistem. – M., Mashinostroenie.1981. 432 pp. (In Russ)
Б. Н. Бегунов, Н. П. Заказнов, С. И. Кирюшин, В. И. Кузичев. Теория оптических систем. – М.: Машиностроение. 1981. 432 стр.
Smelkov V. M. K voprosu postroeniya televizionnoj kamery dlya panoramnogo nablyudeniya. Spectekhnika i svyaz’. 2008;1. (In Russ)
Смелков В. М. К вопросу построения телевизионной камеры для панорамного наблюдения. Спецтехника и связь. 2008; № 1.
Makareckij E., Ovchinnikov A., Hoa F. CH. D. Polusfericheskie kamery prikladnyh televizionnyh sistem: Poluchenie i preobrazovanie polusfericheskih izobrazhenij. Komponenty i tekhnologii. 2010;9: 30–32. (In Russ)
Макарецкий Е., Овчинников А., Хоа Ф. Ч. Д. Полусферические камеры прикладных телевизионных систем: Получение и преобразование полусферических изображений. Компоненты и технологии. 2010; 9: 30–32.
Medvedev A. V., Grinkevich A. V., Knyazeva S. N. Praktika konstruktora optiko-elektronnoj tekhniki, part 5. – Rostov: OAO «Rostovskij optiko-mekhanicheskij zavod». 2015. (In Russ)
Медведев А. В., Гринкевич А. В., Князева С. Н. Практика конструктора оптико-электронной техники, часть 5. – Ростов: ОАО «Ростовский оптико-механический завод». 2015.
Prudnikov N. V., SHlishevskij V. B. Panoramnye optiko-elektronnye ustrojstva krugovogo i sektornogo. Vestnik SGUGiT. 2016; 1 (33). (In Russ)
Прудников Н. В., Шлишевский В. Б. Панорамные оптико-электронные устройства кругового и секторного обзора. Вестник СГУГиТ. 2016; 1 (33).
URL: http://www.secnews.ru/foreign/20637.htm#ixzz3GDWNfAkj.
АВТОРЫ
Медведев Александр Владимирович, генеральный конструктор, ОАО «Ростовский оптико-механический завод (ОАО «РОМЗ»), Ростов Великий, Ярославская область, Россия.
Гринкевич Александр Васильевич, ЗАО «ЭВС», Москва, Россия.
Князева Светлана Николаевна, инженер-конструктор, ОКБ ОАО «Ростовский оптико-механический завод (ОАО «РОМЗ»), Ростов Великий, Ярославская область, Россия.
Конфликт интересов
Авторы подтверждают отсутствие конфликта интересов.
А. В. Медведев1, А. В. Гринкевич2, С. Н. Князева1
ОАО «РОМЗ», г. Ростов, Ярославская обл., Россия
ЗАО «ЭВС», Москва, Россия
В статье рассмотрен особый класс оптико-электронных приборов – телевизионные панорамные приборы кругового обзора, предназначенные для мгновенного обзора в угле 360°. Приведены различные варианты исполнения панорамных приборов, особое внимание уделено телевизионному панорамному прибору кругового обзора с верхней полусферой. Он обеспечивает возможность наблюдения верхней полусферы без «мертвых» зон при применении 4‑х телевизионных каналов и решает задачу обнаружения и противодействия БПЛА в зенитной области.
Ключевые слова: панорамный прибор, круговой обзор, зенитная область, обнаружение БПЛА, область мгновенного обзора
Статья получена: 28.08.2022
Статья принята: 23.11.2022
Практически всем оптическим и оптико-электронным системам специализированных транспортных машин присущ общий недостаток – ограниченность обзора. При эксплуатации таких специализированных машин в городских условиях возникает еще и психологический аспект – у операторов при работе в замкнутом пространстве с закрытыми дверями и люками в отсутствии оперативной информации о событиях, происходящих снаружи, возникают не самые комфортные ощущения.
Одним из путей решения этой проблемы является установка телевизионной панорамы, удачный пример реализации которой представлен на украинском бронетранспортере БТР‑4 «Ладья». Примененное устройство «Панорама‑2П», кроме кругового обзора, имеет дополнительную возможность подъема телевизионной камеры на высоту до 0,5 м над башней (рис. 1).
Телевизионная камера панорамного прибора установлена на башне боевого модуля на пластине подъемно-поворотного механизма, который размещается внутри башни. Возможность осуществления кругового обзора, кроме всего прочего, используется командиром для целеуказания наводчику.
Военные конфликты последних лет показывают, что сам факт наличия танковых панорам не исправляет ситуацию с обзорностью, так как у такого класса приборов круговой обзор достигается за счет подъема и поворота головки, а мгновенное поле зрения невелико. Конструктивное исполнение таких панорам сложное, а трудоемкость устройства высокая. Кроме того, у них отсутствует возможность наблюдения в верхней полусфере, что в современных условиях является необходимым и обязательным для противодействия беспилотным летательным аппаратам (БПЛА).
По результатам анализа применения приборов типа «Панорама‑2П» проведение работ в развитие этого направления в КБ ПАО «Ростовский оптико-механический завод» изначально было признано нецелесообразным.
На предприятии целенаправленно проводился поиск приемлемого принципа построения прибора телевизионного типа для кругового обзора с мгновенным горизонтальным полем зрения 360°. Работы проводились по нескольким конструктивным направлениям: в варианте панорамы со сферической насадкой, в варианте со сверхширокоугольной оптикой и в варианте с телевизионными каналами на специализированном фотоприемнике.
Вариант панорамы
со сферической насадкой
На начальном этапе работ рассматривался телевизионный вариант прибора с мегапиксельной телевизионной камерой и панорамной оптической головкой, в котором трансформирование кругового изображения в привычный формат наблюдения осуществлялось программными методами.
Известные конструкции [1] предполагали применение специальной панорамной зеркально-линзовой оптической системы, формирующей кольцевое изображение и представляющей собой один оптический компонент, имеющий четыре рабочих поверхности и апертурную диафрагму (рис. 2). Первая рабочая поверхность является выпуклой сферической преломляющей поверхностью, вторая – вогнутой сферической отражающей поверхностью, третья – выпуклой сферической отражающей, четвертая – плоской преломляющей поверхностью, совмещенной с апертурной диафрагмой.
Так как такая оптическая система является достаточно сложной для серийного оптического производства, то в результате конструкторской проработки был найден простой и наиболее пригодный для существующего серийного производства вариант оптической части панорамного прибора [2]. Система состояла из телевизионного объектива, установленного входным зрачком вертикально вверх, и сферической насадки, размещенной над входным зрачком объектива и представляющей собой выпуклую сферическую поверхность с зеркальным покрытием, отражающим окружающую панораму 360° в некотором вертикальном секторе «αВН».
Отрабатывался вариант, в котором в качестве сферической насадки могла быть применена любая линза с выпуклой полированной поверхностью радиуса (Rзер), на которую требовалось нанести зеркальное отражающее покрытие (рис. 3а).
Вариант был опробован на макетном образце, в котором воздушный промежуток между зеркальной сферой и телевизионным объективом закрыт от внешних атмосферных воздействий круговым защитным стеклом
(рис. 3b). Юстировка панорамного прибора в таком варианте исполнения является простой операцией и заключается в определении необходимой подвижки телевизионного объектива для настройки панорамного телевизионного канала на резкое изображение окружающего пространства с учетом кругового отражения от участка зеркальной сферы.
Необходимая величина подвижки «x» [3], осуществляющей компенсацию расходимости оптических лучей с оптической силой Фзер, определяется формулой:
,
где Fоб – фокусное расстояние телевизионного объектива; Фзер – оптическая сила выпуклой зеркальной отражающей поверхности в диоптриях, определяемая ее фокусным расстоянием и зависящая в конечном итоге от радиуса зеркальной поверхности Rзер[4]:
.
Таким образом, конечная формула для вычисления подвижки имеет вид:
.
Сектор вертикального поля зрения панорамного прибора определяется расчетом хода лучей при оптимальном выборе Rзер и Fоб.
После сформированного таким образом кольцевого панорамного изображения необходимо осуществить геометрическую развертку – преобразование кольцевого панорамного изображения в обычное прямоугольное любым из применяемых методов [5] для возможности наблюдения панорамного изображения на широкоформатном мониторе. В качестве фотоприемного устройства в макете использовалась 3‑х мегапикселная телевизионная камера типа VЕI‑335-USB формата 1/2" с разрешением 2 048 × 1 536 элементов КМОП разработки и производства предприятия ООО «ЭВС» (Санкт-Петербург).
Светочувствительным элементом камеры является КМОП-матрица OV3620 производства фирмы Omni Vision. Напряжения, необходимые для работы матрицы, генерирует синхрогенератор, встроенный в кристалл фотоприемника. Он же обеспечивает необходимые напряжения для усилителя. Встроенный усилитель осуществляет обработку сигналов, поступающих с фоточувствительного массива матрицы.
Применение системы автоматической регулировки усиления (АРУ) совместно с системой автоматического регулирования времени накопления (АРВН) позволяет работать в широком диапазоне освещенностей объектов наблюдения. Телевизионная камера выдает на выходе USB-сигнал в стандарте RAW RGB Data (24 бит).
Пример кольцевого панорамного изображения, полученного при помощи описанного макетного образца, показан на рис. 4.
Кроме геометрической развертки горизонтальная панорама может быть получена проецированием полусферического изображения на цилиндрическую поверхность, окружающую зеркало, т. е. путем преобразования полусферического изображения из системы полярных координат в систему прямоугольных координат так называемым методом быстрой развертки [6].
Особенностью варианта конструкции панорамы со сферической насадкой является его одноканальность, определяющая его простоту и технологичность, не требующая новых технологий и готовая к реализации практически на любом производстве. Панорама может быть установлена на любом типе транспортного средства, проста в установке и монтаже и решает большинство задач кругового обзора.
Современные реалии поставили новые задачи перед системами кругового обзора – самой насущной является задача по обнаружению и противодействию БПЛА, что требует обеспечения возможности наблюдения в зенитной области.
Так как центральная часть кольцевого изображения не передает изображения в верхней полусфере, была продолжена работа в направлении создания универсального прибора кругового обзора, способного к одновременному обзору наземной обстановки и воздушного пространства без «мертвых» зон при наблюдении.
Вариант панорамы со сверхширокоугольной оптикой
Специалистам известны разработки БПЛА разного назначения. Однако существует класс БПЛА военного назначения, несущий большую опасность, – индивидуально убивающие беспилотники: каждой человеческой мишени – свой БПЛА, несущий необходимые 200 г взрывчатого вещества. Такой беспилотник может быть использован для разведки и наблюдения, но конечное его назначение – летать в качестве барражирующего боеприпаса.
Развитие такого класса БПЛА является серьезной угрозой для человека и любой боевой техники. Необходимость противодействия БПЛА стала важнейшей целью, главное содержание которой – обнаружение летающей малоразмерной цели. Эту задачу можно решить с помощью панорамного прибора с обзором не только местности, прилегающей к наблюдателю, но и всей верхней полусферы.
Для создания такого панорамного прибора наблюдения, обеспечивающего круговой обзор не только наземной обстановки, но и верхней полусферы радиуса (1–1,5) км, была использована комбинация направленного вверх сверхширокоугольного объектива, мегапикселного фотоприемника и специализированного программного обеспечения, разворачивающего полученное круговое поле 360° × 180° в привычную прямоугольную картинку на широкоформатном мониторе [7].
Опытный образец телевизионного канала содержал пятимегапикселную телевизионную камеру типа VЕС‑555-IР разработки и производства предприятия ООО «ЭВС» и объектив типа «рыбий глаз» – сверхширокоугольный объектив Fujinon FЕ185С046НА‑1, обеспечивающий необходимое качество изображения для 5‑ти мегапикселных матриц. Канал ориентирован вертикально, может быть установлен в любом удобном месте и закрыт оптически прозрачным колпаком.
Образец варианта такой конструкции показан на рис. 5. пятимегапикселная цветная телевизионная камера VЕС‑555-IР позволяет получить изображения максимальной четкости в режиме 2 592 × 1 920 элементов при минимальном уровне шума. В сочетании с объективом типа «рыбий глаз» телевизионный канал может обеспечить видимость верхней полусферы 185°, захватывая также и наземную часть изображения.
Примененная телевизионная камера, помимо изменений формата и компрессии, позволяет осуществлять управление другими параметрами, такими как яркость, контрастность, четкость, насыщенность, баланс белого, включение режима компенсации встречных засветок (ВLС) и режимов работы: автоматической регулировки усиления, автоматической экспозиции, подавителя шума, ночного режима, бининга, скипинга, оконного режима, подавления мерцаний и др.
Параметры сверхширокоугольного объектива Fujinon FЕ185С046НА‑1 полностью совместимы с параметрами телевизионной камеры типа VEC‑555-IP. Габаритные размеры и технические характеристики объектива Fujinon FЕ185С046НА‑1 приведены на рис. 6.
Объективы типа «рыбий глаз» обычно содержат два отрицательных мениска, позволяющих захватить и направить в объектив наклонные пучки лучей света и линзовые компоненты с апертурной диафрагмой [2]. Отсутствие подвижных частей и высокая светосила объектива Fujinon FЕ185С046НА‑1 (1 : 1,8) гарантируют высокую надежность панорамного прибора в эксплуатации и как нельзя лучше решают задачи кругового обзора больших пространств.
Вариант возможного вида поля зрения, наблюдаемого через панорамный телевизионный канал кругового обзора с верхней полусферой при использовании сверхширокоугольного объектива типа «рыбий глаз», показан на рис. 7.
В поле зрения канала наблюдается Солнце, что красноречиво демонстрирует возможности и динамический диапазон телевизионного канала, а также некий объект типа БПЛА, замаскированный под птицу, различные типы которого разрабатывают сегодня наши военные «партнеры».
Разрешающая способность канала может быть оценена по длинной стороне кадра (~2 500 пикселов), которая занимает угол ~180°. Один пиксел телевизионной камеры будет соответствовать углу 180 / 2 500 ≈ 0,072° ≈ 4,32 угловых минуты или ~1,2 тысячных в малых делениях угломера, что соответствует 1,2 м на дистанции 1 км.
Это говорит о том, что одним пикселом фотоприемника телевизионной камеры может обнаруживаться БПЛА размером (1,2–1,5) м на дистанции в 1 км. Спектр применения аппаратов такого размера в военных действиях достаточно широк. Один из вариантов БПЛА американского производства, стилизованный под птицу, можно оценить по образцу, сбитому в Пакистане в 2011 году (рис. 8).
Вычислительная система панорамного прибора кругового обзора с верхней полусферой в составе программно-алгоритмического обеспечения и штатных вычислительных средств решает следующие задачи: обнаружение и целеуказание беспилотника, распознавание и идентификация класса беспилотника, автосопровождение и измерение координат обнаруженной цели.
В качестве единственного устойчивого признака для обнаружения цели (атакующий БПЛА) может быть принят лишь кинематический признак движения БПЛА (вектор скорости) по направлению к объекту защиты комплекса анти-БПЛА. Другие возможные для измерений физически отличимые признаки малогабаритных маскируемых БПЛА: спектрально-энергетический контраст яркости цели и фона; топологические и геометрические признаки (форма, размер объекта и др.) в условиях естественных и организованных помех при сверхмалых размерах микро- и мини-БПЛА и ограниченной чувствительности и разрешающей способности телевизионного канала, могут быть аппаратурно и алгоритмически однозначно невыделимыми из-за наличия иных (ложных) подвижных объектов (облака, птицы и т.д).
Соответственно правильное решение задачи выделения цели на этапе обнаружения по единственному ее показателю – движению, не может быть выше вероятности Ро ≤ 0,5, т. е. выделенный объект может быть целью, но может и не быть таковой. Таким образом, реальные дальности опознавания малоразмерного объекта рассмотренным вариантом панорамного прибора кругового обзора с верхней полусферой составит порядка ~100–200 м, что в принципе достаточно для обеспечения срабатывания современных систем противодействия.
Как и предыдущий рассмотренный вариант панорамного прибора, телевизионная панорама со сверхширокоугольной оптикой является одноканальной системой, поэтому обладает такой же простотой и технологичностью, решая при этом задачи кругового обзора с верхней полусферой с дальностями опознавания до 1 км при наблюдении крупных БПЛА с размерами порядка ~10 м.
Однако быстрое развитие класса миниатюрных БПЛА ставит новые задачи перед системами панорамного наблюдения с сохранением дальностей опознавания малоразмерных целей. На первый план вышла необходимость повышения пространственной разрешающей способности панорамного прибора кругового обзора с верхней полусферой, обеспечивающей дальности опознавания, требуемые для своевременного реагирования и подключения систем противодействия.
Вариант панорамы с телевизионными каналами на специализированном фотоприемнике
Современные конструктивные решения систем панорамного наблюдения базируются на комбинации нескольких телевизионных каналов, размещаемых вокруг машины или вокруг шасси, если машина имеет башню. Такой многоканальный принцип построения панорамной системы позволяет реализовать одновременно круговое поле обзора и высокое угловое разрешение по всему полю [8].
Именно для применения в специальных системах телевизионного наблюдения предприятием ООО «ЭВС» разработан специализированный телевизионный модуль, тип 742, обеспечивающий работу в диапазоне рабочих освещенностей от 0,003 до 30000 лк, на основе которого предприятием ОАО «ЛЗОС» создана специализированная универсальная телевизионная камера ТВКТ‑95Н для телевизионной системы наружного кругового наблюдения. Вариант системы кругового обзора с использованием камер ТВКТ‑95Н практически реализован в виде прибора для командира танка Т‑90М/МС [7]. Проектировщики машины впервые пересмотрели подход к организации системы обзора танка, реализовав полностью телевизионный вариант системы. Параметры телевизионных камер приведены в табл. 1.
Система наружного наблюдения обеспечивает командиру и наводчику круговой обзор местности, прилегающей к танку. На крыше вращающегося боевого отделения установлена антенная мачта с датчиками метеоусловий, на которой размещены три телевизионные камеры, обеспечивающие почти круговой обзор, передавая изображения на мониторы командира и наводчика. Четвертая камера находится на правой стороне башни, так как в случае размещения ее на датчике ветра дистанционная пулеметная установка на крыше башни перекрывает обзор (рис. 9).
Для наблюдения за полем боя в боевом отделении имеется пульт управления и 10‑дюймовый монитор, связанный с видеокамерами кругового обзора, на который выводится картинка с 4‑х видеокамер. Дополнительно для наблюдения за обстановкой на задней части машины, а также для удобства движения задним ходом механиком-водителем используется отдельная телевизионная камера заднего обзора.
Разрешающая способность системы может быть оценена по длинной стороне кадра (752 пиксела), которая занимает угол ~95°. Один пиксель телевизионной камеры будет соответствовать углу 95 / 752 ≈ 0,126° ≈ 7,5 угловых минуты или ~2,1 тысячных в малых делениях угломера (а это 2,1 м на дистанции 1 км). Эти параметры более чем достаточны для вождения машины, ориентировки на местности и оценки угроз в ближней и средней области дистанций. Для систем дальнего действия на машине имеется отдельный прибор.
Для увеличения дальности в ряде разработок наблюдается тенденция к увеличению числа телевизионных каналов. Одной из таких систем является система видеонаблюдения и целеуказания «Панорама», разработанная белорусским ОАО «Конструкторское бюро «Дисплей».
В состав «Панорамы» входит модуль на штанге (рис. 10, левое фото), оснащенный шестью видеокамерами, установленными с шагом 60° в горизонтальной плоскости, вычислительный модуль и сенсорный жидкокристаллический монитор с диагональю 15 дюймов.
На экране рабочего места командира в режиме «Панорама» сформированы три строки и три столбца (рис. 10, правое фото). В верхней строке размещаются изображения от трех видеокамер переднего плана, в нижней строке размещаются зеркальные изображения от видеокамер заднего плана. В центре экрана (вторая строка, второй столбец) размещено изображение от отдельной видеокамеры дальнего действия. Вторая строка, первый столбец используются для отображения панели «Управление экраном». Вторая строка, третий столбец используются для отображения панели «Состояние комплекса «АДУНОК».
Угол поля зрения видеокамер в горизонтальной плоскости составляет 62°. Разрешающая способность камеры, оценка которой проведена по вышеизложенной методике по длинной стороне кадра (752 пиксела), занимающей угол ~62°, составляет величину порядка 1,3-тысячных в малых делениях угломера или 1,3 м на дистанции 1 км. Этот показатель позволяет не только осуществлять ориентировку на местности и оценку угроз в средней области дистанций, но и обеспечить приемлемую точность целеуказания. Система «Панорама» разработана для комплекса «Адунок», но может применяться и как самостоятельное изделие на легких небронированных или слабо бронированных автомобилях и других подвижных и неподвижных объектах.
Многоканальными системами кругового обзора можно решить практически все задачи, в том числе и задачу обеспечения возможности наблюдения в верхней полусфере. Однако это требует дополнительного числа каналов, что увеличивает трудоемкость изготовления самой панорамной системы, сложность ее установки на объекте и эксплуатации в реальных условиях.
Попытку кардинального улучшения качества панорамного изображения увеличением числа каналов предприняло Министерство обороны Тайваня, которое представило систему камер внешнего наблюдения, предназначенную для бронетранспортера CM‑32 8×8 Cloud Leopard. Система кругового обзора, разработанная 209‑м военным заводом, представляет собой одно из последних достижений тайваньской технологии, показанное на выставке TADTE (Taipei Aerospace & Defense Technology Exhibition 2015), прошедшей в Тайбее (рис. 11).
Панорамная система состоит из 16‑ти камер высокого разрешения, обеспечивающих наблюдение даже при низкой освещенности. Три камеры установлены впереди, по три камеры по бортам, две камеры в корме и по одной на зеркалах заднего вида. Этим обеспечивается круговой обзор вокруг машины на 360°. Три дополнительные камеры установлены на люке водителя с целью наблюдения за обстановкой при вождении с закрытыми люками. Изображения с 16‑ти камер объединяются в составное изображение, на котором наблюдается окружающий ландшафт, но при желании можно выводить на экран изображения с каждой отдельной камеры.
Система обработки сигналов автоматически распознает движения пикселей на выводимых изображениях, используя сложные алгоритмы. Осознавая существующую вероятность ложных срабатываний в зашумленном пространстве, инженеры запрограммировали систему так, чтобы она игнорировала подвижные объекты определенного размера, например, птиц и небольших животных. По данным некоторых производителей, проблема разработки таких систем сосредоточена на точном размещении комплекса камер, а также на слиянии отдельных потоков изображений с целью представления понятной и точной информации об обстановке вокруг машины.
Следует отметить, что сложность восприятия и анализа информации возрастает с увеличением числа каналов, а при использовании 16‑ти видеокамер это требует дополнительного изучения и всесторонней оценки в эксплуатации, особенно для различных ситуаций в боевой обстановке (рис. 12).
Специалистами предприятия ПАО «РОМЗ» был рассмотрен другой путь повышения параметров за счет реализации варианта панорамного прибора с фотоприемниками нестандартного формата. Целью разработки было кардинальное (в несколько раз) повышение разрешающей способности при круговом наблюдении окружающей местности и при видимости всей верхней полусферы без «мертвых» зон при применении только 4‑х телевизионных каналов.
Возможность создания всеракурсной панорамной системы с высокими параметрами по разрешающей способности базируется на применении фотоприемника GMAX2518 производства компании Gpixel, который представляет собой 18‑мегапиксельный сенсор нестандартного формата с соотношением сторон ~11 : 10. Пиксел размером 2,5 мкм обеспечивает максимальный динамический диапазон в пределах 66 дБ. Благодаря технологии, объединяющей применение микролинз и световодов, квантовая эффективность (QE) датчика достигает 65%. Матрица использует 32 пары sub-LVDS-каналов, каждый из которых работает на максимальной скорости 960 МГц и поддерживает получение изображений с частотой кадров до 64 Гц в 12‑битном режиме и 150 Гц в 10‑битном режиме при полном разрешении.
Основные технические параметры фотоприемника GMAX2518 приведены в табл. 2.
На рис. 13 представлена структурная схема телевизионного канала на основе 18-мегапикселной КМОП-матрицы. В качестве основного ядра обработки видео служит микросхема Artix 7 серии UltraScale+ производства кампании Xilinx, являющаяся программируемой логической интегральной схемой, на которую поступают данные от видео сенсора с частотой 960 МГц. Микросхема производит первичную обработку поступающего сигнала и подготавливает данные на видеовыход для последующей интеллектуальной обработки изображения, а также определяет области интереса видеокадра.
Ядро обработки видео осуществляет управление видео сенсора, настраивая параметры матрицы для максимального качества получаемого сигнала.
Блок электропитания вырабатывает все необходимые напряжения питания для микросхем телевизионного канала от входного напряжения 12–30 В.
Для кругового наблюдения фотоприемник в каждом из каналов ориентируется по горизонтали короткой стороной, на которой объектив обеспечивает угол поля зрения 92°, т. е. четыре канала перекрывают 360° горизонтального обзора. Соответственно вертикальный угол поля зрения составляет 101°, что позволяет каждому каналу вести наблюдение в зените и в наземной части поля зрения с охватом всей верхней полусферы без «мертвых» зон и без больших дисторсионных искажений. При этом диагональное поле зрения составляет ~136°.
Разработанное конструктивное решение телевизионного панорамного прибора кругового обзора с верхней полусферой базируется на размещении 4‑х 16‑мегапиксельных каналов, неподвижно установленных в едином корпусе под углом 90° друг к другу и с наклоном каждого канала в 45° к горизонтальной плоскости (рис. 14).
Следует отметить, что современные оптические решения способны обеспечить и одноканальный вариант, аналогичный варианту панорамы со сверхширокоугольным объективом. Например, компания Theia Technologies представила в 2014 году вариант объектива Theia SY185F с углом поля зрения до 190°, рассчитанный на использование с одноматричными фотоприемниками формата до 20‑ти мегапикселей [9]. Объектив способен работать с размером пикселя от 1,2 мкм, в его конструкции использованы асферические оптические элементы из стекла со сверхнизкой степенью рассеяния света (ELD-glass). Свойственная сверхширокоугольным объективам неравномерность оптических свойств выражается у нового продукта в том, что в центральной зоне его оптическое разрешение составляет 400 штр / мм, а при отклонении от неё на 85° – 200 штр / мм.
Однако 4‑канальный вариант обеспечивает в разы большую разрешающую способность панорамного прибора, а следовательно, и большие дальности обнаружения.
В новой конструкции панорамного прибора объектив для телевизионной панорамы должен иметь поле зрения ~136°, что позволяет увеличить фокусное расстояние объектива и минимизировать дисторсию, применяя достаточно типовые схемные оптические решения при проектировании конструкции объектива. Взаимосвязь параметров у таких объективов может определяться не по классической формуле [3]:
,
а, например, по формуле:
,
где: y′ – половина линейного поля зрения по диагонали; Fоб – фокусное расстояние объектива;
β – угловое диагональное поле зрения объектива.
При линейном поле зрения по диагонали, равном 15,2 мм (см. данные в табл. 2), и в случае углового диагонального поля зрения, равного β = 136°, значение фокусного расстояния объектива может составлять величину порядка Fоб = 8 мм.
Угол поля зрения видеокамер в горизонтальной плоскости составляет 92°. Разрешающая способность канала, оценка которой также проведена по короткой стороне кадра (4 096 пикселов), которая занимает угол ~92°, составляет ~0,37 тысячных в малых делениях угломера или 0,37 м на дистанции 1 км. Для обеспечения такого углового разрешения достаточно применения объектива с фокусным расстоянием не менее величины порядка Fоб = 6,5 мм.
Разрешающая способность при 4‑х телевизионных каналах дает наиболее высокие показатели панорамного прибора, что позволяет не только осуществлять ориентировку на местности и оценку угроз в средней и дальней области дистанций, но и применить методы электронного увеличения с программной обработкой изображения, обеспечивающие рабочие дальности более 1 км по малоразмерным БПЛА и до нескольких километров по наземным целям. Вывод информации может осуществляться отработанными решениями на монитор, связанный с видеокамерами кругового обзора, на который выводится картинка с 4‑х видеокамер (аналогично рис. 9, нижнее фото).
Конструктивное решение панорамного прибора также предусматривает установку детекторов лазерного излучения в верхней части корпуса (рис. 15).
Детекторы лазерного излучения должны быть согласованы с телевизионными каналами по направлению, а для зенитной области установлен дополнительный детектор. При облучении с любого направления средствами наведения противника с квантовыми приборами дальнометрирования или подсветки панорамный прибор регистрирует факт облучения объекта, определяет тип излучателя (дальномер или подсветчик) и координаты источника излучения и выдает информацию, на основании которой как вариант запускается один из режимов управления системой противодействия.
Особенностью варианта конструкции 4‑х канальной панорамы является оптимальное сочетание полей зрения по вертикали и по горизонту, позволяющее реализовать высокоразрешающий круговой обзор с верхней полусферой без «мертвых» зон при наблюдении. При необходимости панорама может устанавливаться на выдвижной или фиксированной штанге, высота которой определяется конкретным типом машины. Вариант панорамы прост и технологичен, предназначен для реализации в условиях серийного производства, характеризуется простотой установки на любом типе транспортного средства, удобством в эксплуатации и позволяет решать задачи мгновенного обзора с предоставлением информации в формате, привычном для оператора.
Таким образом, показано, как разные варианты исполнения панорамных приборов позволяют вести наблюдения верхней полусферы без «мертвых» зон при применении 4‑х телевизионных каналов и решить задачу обнаружения и противодействия БПЛА в зенитной области.
REFERENCES
Solomatin V. A. Panoramic video camera. Photonics Russia. 2009;4: 26–28. (In Russ)
Соломатин В. А. Панорамная видеокамера. Фотоника. 2009;4: 26–28.
Medvedev A. V., Grinkevich A. V., Knyazeva S. N. Perspektivnye napravleniya razvitiya v optiko-elektronnoj tekhnike i tekhnike nochnogo videniya, part 3. – Rostov: OAO «Rostovskij optiko-mekhanicheskij zavod», OAO «YAroslavskij poligrafkombinat». 2012.(In Russ)
Медведев А. В., Гринкевич А. В., Князева С. Н. Перспективные направления развития в оптико-электронной технике и технике ночного видения, часть 3. – Ростов: ОАО «Ростовский оптико-механический завод», ОАО «Ярославский полиграфкомбинат», 2012.
Sakin I. L. Inzhenernaya optika. – L: Mashinostroenie.1976. 288 pp. (In Russ)
Сакин И. Л. Инженерная оптика. – Л.: Машиностроение. 1976. 288 стр.
Begunov B. N., Zakaznov N. P., Kiryushin S. I., Kuzichev V. I. Teoriya opticheskih sistem. – M., Mashinostroenie.1981. 432 pp. (In Russ)
Б. Н. Бегунов, Н. П. Заказнов, С. И. Кирюшин, В. И. Кузичев. Теория оптических систем. – М.: Машиностроение. 1981. 432 стр.
Smelkov V. M. K voprosu postroeniya televizionnoj kamery dlya panoramnogo nablyudeniya. Spectekhnika i svyaz’. 2008;1. (In Russ)
Смелков В. М. К вопросу построения телевизионной камеры для панорамного наблюдения. Спецтехника и связь. 2008; № 1.
Makareckij E., Ovchinnikov A., Hoa F. CH. D. Polusfericheskie kamery prikladnyh televizionnyh sistem: Poluchenie i preobrazovanie polusfericheskih izobrazhenij. Komponenty i tekhnologii. 2010;9: 30–32. (In Russ)
Макарецкий Е., Овчинников А., Хоа Ф. Ч. Д. Полусферические камеры прикладных телевизионных систем: Получение и преобразование полусферических изображений. Компоненты и технологии. 2010; 9: 30–32.
Medvedev A. V., Grinkevich A. V., Knyazeva S. N. Praktika konstruktora optiko-elektronnoj tekhniki, part 5. – Rostov: OAO «Rostovskij optiko-mekhanicheskij zavod». 2015. (In Russ)
Медведев А. В., Гринкевич А. В., Князева С. Н. Практика конструктора оптико-электронной техники, часть 5. – Ростов: ОАО «Ростовский оптико-механический завод». 2015.
Prudnikov N. V., SHlishevskij V. B. Panoramnye optiko-elektronnye ustrojstva krugovogo i sektornogo. Vestnik SGUGiT. 2016; 1 (33). (In Russ)
Прудников Н. В., Шлишевский В. Б. Панорамные оптико-электронные устройства кругового и секторного обзора. Вестник СГУГиТ. 2016; 1 (33).
URL: http://www.secnews.ru/foreign/20637.htm#ixzz3GDWNfAkj.
АВТОРЫ
Медведев Александр Владимирович, генеральный конструктор, ОАО «Ростовский оптико-механический завод (ОАО «РОМЗ»), Ростов Великий, Ярославская область, Россия.
Гринкевич Александр Васильевич, ЗАО «ЭВС», Москва, Россия.
Князева Светлана Николаевна, инженер-конструктор, ОКБ ОАО «Ростовский оптико-механический завод (ОАО «РОМЗ»), Ростов Великий, Ярославская область, Россия.
Конфликт интересов
Авторы подтверждают отсутствие конфликта интересов.
Отзывы читателей
