Відеоелектронний комплекс для високошвидкісної зйомки балістичних процесів

Реферат: Відеоелектронний комплекс для високошвидкісної зйомки балістичних процесів містить балістичний комп'ютер, який з'єднаний з пристроєм первинної обробки балістичних процесів за допомогою волоконно-оптичної лінії зв'язку, який має в своєму складі: волоконно-оптичний трансивер, до якого підключена волоконно-оптична лінія зв'язку; основний процесор, до якого підключений волоконно-оптичний трансівер; цифровий модуль вводу та оцифрування зображення, який з'єднаний з основним процесором; електронно-оптичні багатооб'єктивні стереопари відеокамер (К1Кn), інфрачервоні датчики та імпульсні освітлювачі, які під'єднані до формувача імпульсів синхронізації; електронно-оптичні багатооб'єктивні стереопари відеокамер (К1Кn), формувач імпульсів синхронізації, GPS, магнітний компас, які підключені до цифрового модуля вводу та оцифрування зображення; програмований формувач тимчасових інтервалів UA 122889 U (12) UA 122889 U затримки, який з'єднаний з цифровим модулем вводу та оцифрування зображення; модуль формування тривалості імпульсу затвору, який з'єднаний з програмованим формувачем тимчасових інтервалів затримки та електронно-оптичними багатооб'єктивними стереопарами відеокамер (К1Кn) та джерела живлення, яке живить пристрій первинної обробки балістичних процесів, причому для проведення орієнтації комплексу в глобальній системі координат додатково додано магнітний компас, що показує тривимірний вектор магнітної індукції навколишнього магнітного поля та GPS пристрій. UA 122889 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до області виміру початкової швидкості снаряду, а саме до засобів оптико-електронного спостереження високо швидкісних об'єктів. Сучасні артилерійські боєприпаси, наприклад бронебійні снаряди, бойові частини та міни спеціального призначення при їх розробці з метою постановки на озброєння, або з метою модернізації на етапі полігонних випробувань вимагають експериментального супроводу. Одним з компонентів зовні балістичних випробувань на полігоні являється візуальний супровід боєприпасу на відомій ділянці траєкторії за допомогою високошвидкісних оптичних пристроїв. Швидкість руху боєприпасу висока, тому процес його відеореєстрації дуже динамічний і короткочасний. Оптичний супровід боєприпасів реалізується за допомогою високошвидкісних відеокамер, що входять в стереопари з базою, що регулюється. Відеоелектронний комплекс призначений для збільшення покриття спостережуваної області або спостереження за балістичною траєкторією польоту міни, снаряду за допомогою високошвидкісної зйомки балістичних процесів. Основою комплексу є пристрій первинної обробки балістичних процесів, який конструктивно виконаний у вигляді декількох стереоканалів з вертикальними та горизонтальними полями зору. Одна стереопара відеокамер здійснює спостереження в горизонтальній площині, наступна стереопара відеокамер із заздалегідь визначеним кутом та базою здійснюють спостереження у вертикальній площині. При цьому усі стереопари працюють в єдиному реальному часі, пов'язаному з часом рухи боєприпаси, що досліджується, а оптична вісь відеокамер стерео пари повинна супроводжувати боєприпаси як матеріальну точку за заздалегідь відомими законами, структура і вид яких залежать від координат розташування камери відносно точки пострілу і площини стрільби та від кінематики руху боєприпаси по траєкторії. Одним з поширених способів обробки даних з таких камер є приведення усіх знімків до єдиного кадру, еквівалентного камері з одним полем зору. Найбільш близьким аналогом є комплекс Відеоболід (videoscan.ru/store_files/files/VideoBolid.pdf) Комплекс пристроїв "Відеоболід" призначений для високоточного виміру параметрів руху, отримання зображень швидко літаючих об'єктів, у тому числі для отримання зображення усієї поверхні швидко літаючих об'єктів з високим розділенням та в широкому діапазоні калібрів і швидкостей. Реалізація проекту Відеоболід дозволить: 1. вирішити задачу суцільного контролю з архівації результатів балістичних експериментів, у тому числі при стрільбі чергою; 2. отримувати 3d зображень швидко літаючих об'єктів і супроводжуючих елементів; 3. отримувати зображення усієї поверхні об'єкта у польоті; 4. отримувати дані про геометричні розміри об'єкта у фазі польоту; 5. отримувати зображення ударних хвиль в натурних експериментах; 6. з високою точністю вимірювати параметри руху об'єкта: величини і напрями вектора швидкості; швидкості обертання об'єкта; кути і швидкості нутації; координати і час проходження об'єктом ділянок траєкторії; 7. досліджувати і вимірювати параметри запреградних явищ, у тому числі визначати кількість і розміри осколків, напряму і швидкості їх розльоту; 8. реєструвати поле і напрям руху мікро осколків. Орієнтований на рішення завдань балістичних експериментів комплекс Відеоболід дозволяє: вирішити комплекс завдань, пов'язаних з отриманням зображень і високоточному виміру параметрів руху швидко літаючих об'єктів в широкому діапазоні швидкостей і калібрів; Суть способу, який закладений у роботі відомого пристрою, полягає в об'єднанні властивостей, використовуваних пристроїв і матеріалів, а саме ефективне використання енергії випромінювання облаштувань підсвічування. Для високошвидкісної зйомки балістичних траєкторій польоту об'єктів конструктивно застосовуються набор реєструвальних пристроїв, облаштувань синхронізації, підсвічування і управління збором даних, що утворюють функціонально-закінчене сімейство Відеотраса. У даний час, в сімейство Відеотраса входять наступні пристрої: тіньовий імпульсний реєстратор - ВІДЕОТИР; тіньовий однорядковий реєстратор - ВІДЕОТОР; щілинний реєстратор - Видеостринг; лазерний однорядковий регистратор- ВИДЕОЛОР; камера швидкісної відеозйомки - Відеоспринт; облаштування підсвічування об'єктів зйомки - Відеосвітло; облаштування наведення/контролю наведення ствола - Відеоприціл; 1 UA 122889 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 облаштування синхронізації зйомки - Відеостарт; облаштування тимчасової прив'язки хроно графірующих пристроїв - ВидеоХрон. Склад реєстру вальних облаштувань комплексу може бути доповнений електроннооптичними камерами серії НАНОГЕЙТ. Вадою відомого пристрою є: 1. Велика кількість допоміжних пристроїв, що входять до складу комплексу, значно збільшують його вартість. 2. Неможливість спостереження за балістичною траєкторією польоту міни. 3. Неможливість одночасного спостереження у вертикальній та горизонтальній площині. 4. Реєстратор ВИДЕОЛОР і облаштування підсвічування Відеосвітло комплексу Відеоболід дозволяють отримувати хронограми швидко літаючих об'єктів у відбитому світлі. При цьому присутні темні горизонтальні смуги, що є наслідком нерівномірності випромінювання лазерного діода, і вимагають додаткового усунення. 5. Кількість камер в комплексі може варіюватися до 9, що значно збільшує вартість комплексу, а наявність великої кількості допоміжних пристроїв, що входять до складу комплексу значно знижують його мобільність та ефективність застосування в екстремальних умовах. Задачею корисної моделі є застосування комплексу багатооб'єктивних швидкісних стереопар відеокамер із заздалегідь визначеним кутом та базою, які здійснюють спостереження у вертикальній та горизонтальній площині з метою збільшення покриття спостережуваної області, або спостереження за балістичною траєкторією польоту міни, снаряду в широкому діапазоні калібрів і швидкостей з високим їх розділенням. Поставлена задача вирішується повністю тим, що у відеоелектронному комплексі для високошвидкісної зйомки балістичних процесів, який містить балістичний комп'ютер, який з'єднаний з пристроєм первинної обробки балістичних процесів за допомогою волоконнооптична лінії зв'язку, який має в своєму складі: волоконно-оптичний трансивер, до якого підключена волоконно-оптична лінія зв'язку; основний процесор, до якого підключений волоконно-оптичний трансивер; цифровий модуль вводу та оцифрування зображення, який з'єднаний з основним процесором; електронно-оптичні багатооб'єктивні стереопари відеокамер (К1Кn), інфрачервоні датчики та імпульсні освітлювачі, які під'єднані до формувача імпульсів синхронізації; електронно-оптичні багатооб'єктивні стереопари відеокамер (К1Кn), формувач імпульсів синхронізації, GPS, магнітний компас, які підключені до цифрового модуля вводу та оцифрування зображення; програмований формувач тимчасових інтервалів затримки, який з'єднаний з цифровим модулем вводу та оцифрування зображення; модуль формування тривалості імпульсу затвору, який з'єднаний з програмованим формувачем тимчасових інтервалів затримки та електронно-оптичними багатооб'єктивними стереопарами відеокамер (К1Кn) та джерела живлення, яке живить пристрій первинної обробки балістичних процесів, згідно з корисною моделлю, для проведення орієнтації комплексу в глобальній системі координат додатково додано магнітний компас, що показує тривимірний вектор магнітної індукції навколишнього магнітного поля та GPS пристрій. Також, згідно з корисною моделлю, для збільшення покриття спостережуваної області або спостереження за балістичною траєкторією польоту міни, снаряду конструктивно застосовуються багатооб'єктивні швидкісні стереопари відеокамер із заздалегідь визначеними кутами та базою і оптичний супровід боєприпасів реалізується за допомогою відеокамер, що входять в стереопари з базою, що регулюється, де одна стереопара відеокамер здійснює спостереження в горизонтальній площині, наступна стереопара відеокамер із заздалегідь визначеним кутом та базою здійснюють спостереження у вертикальній площині. Суть корисної моделі пояснюється структурною схемою пристрою, яка представлена на Фіг. 1, 2, 3. На Фіг. 2 зображена схема стереопари відеокамер. На Фіг. 3 зображено взаємне розміщення стереопари відеокамер. Даний пристрій включає: балістичний комп'ютер 1, який з'єднаний з пристроєм первинної обробки балістичних процесів 2 за допомогою волоконно-оптичної лінії зв'язку 8, який має в своєму складі: волоконно-оптичний трансивер 12, до якого підключена волоконно-оптична лінія зв'язку 8; основний процесор 11, до якого підключений волоконно-оптичний трансивер 12; цифровий модуль вводу та оцифрування зображення 10, який з'єднаний з основним процесором 11; електронно-оптичні багатооб'єктивні стереопари відеокамер (К1Кn) 9, інфрачервоні датчики та імпульсні освітлювачі 3, які під'єднані до формувача імпульсів синхронізації 4; електронно-оптичні багатооб'єктивні стереопари відеокамер (К1Кn) 9, формувач імпульсів синхронізації 4, GPS 5, магнітний компас 6 підключені до цифрового модуля вводу та оцифрування зображення 10 програмований формувач тимчасових інтервалів затримки 14, 2 UA 122889 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 який з'єднаний з цифровим модулем вводу та оцифрування зображення 10 модуль формування тривалості імпульсу затвору 13, який з'єднаний з програмованим формувачем тимчасових інтервалів затримки 14 та електронно-оптичними багатооб'єктивними стереопарами відеокамер (К1Кn) 9, джерело живлення 7, яке живить пристрій первинної обробки балістичних процесів 2 Балістичний комп'ютер 1 зі встановленим програмним забезпеченням (БК) виконує функції керування пристроєм первинної обробки балістичних процесів 2, установкою його параметрів та прийому даних зареєстрованих зображень. Волоконно-оптична лінія зв'язку 8 призначена для передачі інформації у оптичному (як правило - ближньому інфрачервоному) діапазоні. Волоконно-оптичний трансивер 12 призначений для перетворення оптичних сигналів, що передаються по волоконно-оптичній лінії зв'язку 8, в електричні сигнали, що підключені до роз'ємів USB балістичного комп'ютера 1. Основний процесор 11 призначений для масштабування бази даних GIS, здатну швидко записувати, архівувати і витягувати оброблені і необроблені відеодані і рівні відеоданих для детального аналізу зображень та їх дослідження. Цифровий модуль вводу та оцифрування зображення 10, який за допомогою сучасного блока IP-адресного сервера, здатний одночасно отримувати не оброблені дані від декількох електронно-оптичних камер, інфрачервоних датчиків та імпульсних освітлювачей 3 GPS 5, магнітного комплексу 6 та інших джерел в режимі реального часу. Електронно-оптичні багатооб'єктивні стереопари відеокамер (К1Кn) 9 призначені для спостереження за балістичною траєкторією польоту міни, снаряду у вертикальній та горизонтальній площині. Інфрачервоні датчики та імпульсні освітлювачі 3 призначені для формування сигналу запуску камер при появі об'єкта в зоні реєстрації. Формувач імпульсів синхронізації 4 призначений для формування сигналів, що запускають стереопари відеокамер і імпульсні освітлювачі. при появі об'єкта в зоні їх реєстрації. GPS 5 та магнітний компас 6 призначені для проведення орієнтації пристрою в глобальній системі координат. Програмований формувач тимчасових інтервалів затримки 14 через модуль формування тривалості імпульсу затвору 13 призначені для установки параметрів відеокамер (тривалість затвору відеокамери, затримка його спрацьовування, коефіцієнт посилення відеокамери). Джерело живлення 7 призначене для живлення пристрою первинної обробки балістичних процесів 2 Пристрій працює у такий спосіб. Для збільшення покриття спостережуваної області або спостереження за балістичною траєкторією польоту міни, снаряду в комплексі конструктивно застосовуються багатооб'єктивні швидкісні стереопари відеокамер із заздалегідь визначеним кутом та базою, які здійснюють спостереження у вертикальній та горизонтальній площині.Основою комплексу є пристрій первинної обробки балістичних процесів, який конструктивно виконаний у вигляді декількох стереоканалів з вертикальними та горизонтальними полями зору. Оптичний супровід боєприпасу реалізується за допомогою відеокамер, що входять в стереопари з базою, що регулюється. Одна стереопара відеокамер здійснює спостереження в горизонтальній площині, наступна стереопара відеокамер із заздалегідь визначеним кутом та базою здійснюють спостереження у вертикальній площині. При цьому усі стереопари працюють в єдиному реальному часі, пов'язаному з часом рухи боєприпасу, що досліджується, а оптична вісь відеокамер стереопари повинна супроводжувати боєприпаси як матеріальну точку за заздалегідь відомими законами, структура і вид яких залежать від координат розташування камери відносно точки пострілу і площини стрільби, від кінематики руху боєприпасу по траєкторії. Одним з поширених способів обробки даних з таких камер є приведення усіх знімків до єдиного кадру, еквівалентного камері з одним полем зору. Стереопари відеокамер встановлюються в зоні спостереження, або вдовж траси польоту мін, снарядів за балістичною траєкторією (при виході зі стволу, при польоті до мішені). В залежності від визначених завдань заздалегідь налагоджені за допомогою калібрування стереопари відеокамер розміщуються на відомій відстані одна від одної, з орієнтованими взаємно паралельно, головними оптичними осями, та з базою, що регулюється в горизонтальному, та в вертикальному полі зору. Очевидним шляхом підвищення точності виміру параметрів об'єктів є використання довгофокусних оптичних систем (ОС) зі змінюваною 3 UA 122889 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 фокусною відстанню. Під час використання відеоспостереження для визначення точності вимірів координат і швидкостей об'єктів, основну роль грають параметри відеокамери. Просторовий розподіл в більшості швидкісних камер (виробники Fastec, Photron, Vision Research) складає більше 1 Мпікс. Схема стереопари відеокамер представлена на Фіг. 2. Взаємне розміщення стереопари відеокамер представлено на Фіг. 3. Під час вистрілу міна, снаряд, після виходу зі ствола, послідовно пересікає області дії інфрачервоних датчиків. Інфрачервоні датчики, при появі об'єкта в зоні їх реєстрації за допомогою формувача імпульсів синхронізації формують сигнали, що запускають стереопари відеокамери і імпульсні освітлювачі. Імпульсні освітлювачі, забезпечують достатній енергетичний рівень підсвічування реєстрованого об'єкта за час експозиції камер. Стереопара відеокамер спрацьовує відповідно до встановлених параметрів (затримка, тривалість експозиції і напруги на МКП, що визначає коефіцієнт посилення). Тривалість експозиції камери встановлюється незалежно в діапазоні від 10 не до 20 мкс. Після включення стереопари відеокамер і запуску програми основного процесору за допомогою цифрового модуля вводу та оцифрування зображення та програмованого формувача тимчасових інтервалів затримки через модуль формування тривалості імпульсу затвора проводиться установка параметрів електронно-оптичного каналу (тривалість затвору відеокамери, затримка його спрацьовування, коефіцієнт посилення відеокамери). Імпульсні освітлювачі, забезпечують достатній енергетичний рівень підсвічування реєстрованого об'єкта за час експозиції камер. Реєстроване зображення через вхідний об'єктив фокусується на фотокатоді електронно-оптичного модуля. У момент приходу пускового імпульсу через встановлений час затримки відкривається затвор відеокамери. Одночасно формується імпульс, що переводить ПЗС матрицю в режим накопичення. Електрони, що минулі затвор відеокамери посилюються в мікроканальний пластині (МКП) відеокамери, коефіцієнт посилення якої визначається прикладеною до неї напруги. Через фокон імпульсне і посилене зображення переноситься на фоточутливу поверхню ПЗС матриці. Час накопичення ПЗС матриці встановлено рівним часу після свічення люмінофора модуля відеокамери. Наступна фаза роботи системи, це перетворення електронних зображень і перенесення їх через оптичний інтерфейс в балістичний комп'ютер 1. Поряд з балістичним комп'ютером 1 встановлюються багатоканальні волоконно-оптичні трансивери 12. Багатоканальні волоконнооптичні трансивери 12 перетворять оптичні сигнали, що передаються по волоконно-оптичній лінії зв'язку 8 в електричні сигнали. Робоча програма забезпечує можливість незалежної установки параметрів зйомки індивідуально для кожної камери. Відстань від балістичного комп'ютера 1 до пристрою первинної обробки балістичних процесів 2 визначається тільки можливою довжиною волоконно-оптичних ліній зв'язку. Відеоелектронний комплекс призначений для високошвидкісної зйомки балістичних процесів відрізняється від відомих тим, що 1. Оптичний супровід боєприпасів реалізується за допомогою відеокамер, що входять в стереопари з базою, що регулюється. Одна стереопара відеокамер здійснює спостереження в горизонтальній площині, наступна стереопара відеокамер із заздалегідь визначеним кутом та базою здійснюють спостереження у вертикальній площині. 2. Для проведення орієнтації пристрою в глобальній системі координат до комплексу додатково додано: магнітний компас та GPS пристрій. Перевагами застосування запропонованого відео електронного комплексу високошвидкісної зйомки балістичних процесів є: 1. Збільшення покриття спостережуваної області, або спостереження за балістичною траєкторією польоту міни, снаряду в комплексі конструктивно досягається за рахунок застосування багато об'єктивних швидкісних стереопар відеокамер із заздалегідь визначеними кутами та базою, які здійснюють спостереження у вертикальній та горизонтальній площині. 2. Кількість стереопар відеокамер в комплексі та допоміжних пристрів значно менші ніж у відомих комплексах, що в рази зменшує вартість комплексу, та підвищують його мобільність, та ефективність застосування в екстремальних умовах. Застосування двох стереопар відеокамер для проведення спостереження із заздалегідь визначеним кутом та базою в горизонтальній площині та у вертикальній площині, значне підвищують точність параметрів та координат руху об'єкта, що вимірюється, а саме: величини і напрями вектору швидкості, швидкість обертання об'єкта, кути і швидкість нутації, реєстрація координат об'єкта, що вимірюється на різних ділянках балістичної траєкторії. 60 4 UA 122889 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 15 20 25 1. Відеоелектронний комплекс для високошвидкісної зйомки балістичних процесів, який містить балістичний комп'ютер, який з'єднаний з пристроєм первинної обробки балістичних процесів за допомогою волоконно-оптичної лінії зв'язку, який має в своєму складі: волоконно-оптичний трансивер, до якого підключена волоконно-оптична лінія зв'язку; основний процесор, до якого підключений волоконно-оптичний трансівер; цифровий модуль вводу та оцифрування зображення, який з'єднаний з основним процесором; електронно-оптичні багатооб'єктивні стереопари відеокамер (К1Кn), інфрачервоні датчики та імпульсні освітлювачі, які під'єднані до формувача імпульсів синхронізації; електронно-оптичні багатооб'єктивні стереопари відеокамер (К1Кn), формувач імпульсів синхронізації, GPS, магнітний компас, які підключені до цифрового модуля вводу та оцифрування зображення; програмований формувач тимчасових інтервалів затримки, який з'єднаний з цифровим модулем вводу та оцифрування зображення; модуль формування тривалості імпульсу затвору, який з'єднаний з програмованим формувачем тимчасових інтервалів затримки та електронно-оптичними багатооб'єктивними стереопарами відеокамер (К1Кn) та джерела живлення, яке живить пристрій первинної обробки балістичних процесів, який відрізняється тим, що для проведення орієнтації комплексу в глобальній системі координат додатково додано магнітний компас, що показує тривимірний вектор магнітної індукції навколишнього магнітного поля та GPS пристрій. 2. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що в ньому для збільшення покриття спостережуваної області, або спостереження за балістичною траєкторією польоту міни, снаряду конструктивно застосовуються багатооб'єктивні швидкісні стереопари відеокамер із заздалегідь визначеними кутами та базою. 3. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що оптичний супровід боєприпасів реалізується за допомогою відеокамер, що входять в стереопари з базою, що регулюється, де одна стереопара відеокамер здійснює спостереження в горизонтальній площині, наступна стереопара відеокамер із заздалегідь визначеним кутом та базою здійснюють спостереження у вертикальній площині. 5 UA 122889 U 6 UA 122889 U Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7