автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Исследование и разработка оптических прицелов для стрельбы в условиях дефицита времени

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ _ГЕОДЕЗИИ И КАРТОГРАФИИ_

! I о С Д

На правах рукописи

О 1 нюн 1997

УДК 681.7

ГАВРИЛОВ АНДРЕЙ ЮРЬЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ОПТИЧЕСКИХ ПРИЦЕЛОВ ДЛЯ СТРЕЛЬБЫ В УСЛОВИЯХ ДЕФИЦИТА ВРЕМЕНИ

05.11.07 - Оптические и оптико-электронные приборы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА 1997

Работа выполнена на кафедре Прикладной опти) Московского государственного университета геодезии картографии.

Научный руководитель -Официальные оппоненты -

Ведущая организация -

кандидат технических нау* доцент М.И. СЕДОВ

доктор технических наук профессор Г.М. МОСЯГИН кандидат технических наук доцент В.А. ИЛЮХИН

Всероссийский научно

исследовательский институ1 оптико-физических измерений

Защита состойся ■ ^_1997г. в ' ^ час, н

заседании специализированного Совета К.063.01.04 в Московско; государственном университете геодезии и картографии по адрес] 103064, Москва, К-64, Гороховский пер., 4 (ауд. 321).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИИГАиК

Автореферат разослан:

1997г.

Ученый секретарь

диссертационного

Совета

СОЛОМАТИН В.А.

- о -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Переход от глобальных конфликтов к локальным, при которых основной для одной стороны становится партизанская тактика, позволяющая навязывать неожиданные краткосрочные бои. обуславливает необходимость переоснащения армии новыми прицельными устройствами, допускающими возможность, сохраняя высокую кучность и меткость, вести огонь при использовании маскирующих средств, при любой освещенности, при плохих атмосферных условиях, при отсутствии возможности подготовиться к отражению огня; т.е. устройствами с автоматическим управлением потоком информации от цели, пространственной структурой и энергетическими параметрами прицельного знака, а также с автоматическим введением поправок на дальность до цели и скорость ее движения.

По настоящее время при разработке прицела добиваются лишь конструктивного обеспечения точности и совмещения выхода с входным зрачком глаза (в случае оптических прицелов). Столь узкий подход к проблеме построения прицельной техник» не позволяет эффективно применять существующие прицельные устройства при ведении стрельбы по сложноорганизованной цели, имеющей случайные параметры. Поэтому разработка аппаратных средств, согласованных с конечной системой, воспринимающей и обрабатывающей зрительную информацию, актуальна и своевременна.

Цель работы.

Разработка прицелов к стрелковому оружию, обеспечивающих высокую кучность и меткость оперативной стрельбы при любом уровне освещенности, а также при любых дальностях до цели и параметрах ее движения.

Для достижения цели работы решались следующие задачи.

1. Исследование существующих прицелов.

2. Разработка и исследование оптических систем, адаптированных как к глазу человека, так и к наблюдательным приборам.

3. Разработка и исследование прицелов с активной обратной связью.

4. Исследование влияния на обнаружение цели и на прицеливание временнь1Х и пространственных характеристик прицельного знака.

5. Исследование методов пространственной модуляции прицельного знака.

6. Разработка и апробация методик прицеливания ночью.

Методы исследований.

При исследовании разрабатываемых устройств проводилось математическое и физическое моделирование.

При синтезе оптических систем использовался метод Русинова.

При расчете оптических систем использовался метод прямой оптимизации.

При исследовании влияния характеристик прицельного знака на стрелка использовались методы дискретного математического программирования.

При пространственной модуляции прицельного знака использовались методы физической оптики.

При обработке результатов испытаний использовался аппарат математической статистики и теории случайных процессов.

При анализе результатов испытаний применялся итерационно-интерполяционный метод Эйткена.

Научная новизна.

1. Разработаны основы теории синтеза оптических каналов прнцельных устройств с активной обратной связью.

2. Разработаны основы теории использования параллакса в прицельны устройствах для минимизации среднеквадратической ошибки прицеливания автоматического введения поправок при стрельбе.

3. Проведены исследования влияния пространственных и временны характеристик визуально воспринимаемого изображения прицельного знака н процесс прицеливания при различных внешних условиях.

Практические результаты работы.

1. Результаты работы могут быть использованы при разработке прицельны комплексов, предназначенных для решения тактических задач, связанных наблюдением и прицеливанием на дистанции до 2000 м.

2. На основании исследований существующих прицелов выработаны принцип построения универсального дневно-ночного прицельного комплекса.

3. Разаработанный метод формирования прицельного знака вне облает экранирования окуляром может применяться в любом оптическом приборе, в то числе не предназначенном для работы с человеком.

4. Разработанные методы автоматического управления качеством и количество потоков информации о цели и о направлении оружия могут использоваться пр решении задач прицеливания с помощью любых прицельных устройств, имеющ! разделенные каналы, по которым в систему принятия решения о правильно наведении раздельно поступает информация о цели и о направлении прицеливания

5. Разработанные принципы синтеза прицельного знака и методы и пространственной модуляции помимо прицелов могут использоваться в инь системах наведения и снятия отсчетов. Разработанная установка д: пространственной модуляции прицельного знака может использоваться для задаш тест-сигналов при определении качества систем, передающих и обрабатывают! оптическую информацию.

6. Разработанные методики ведения стрельбы по слабоконтрастным объекта позволяют расширить области применения стрелкового оружия.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы обсуждались на Всесоюзнс конференции по математическому и машинному моделированию. Воронеж. 1991 ] на 9-ой научно-технической конференции "Фотометрия и ее метрологически обеспечение ", Москва 1992 г.; на научно-технических семинарах лаборатории В ВНИИОФИ и кафедры Прикладной оптики МИИГАиК - 1989 .. 1997 гг.

Результаты диссертации докладывались руководящему составу воинских част 3485. 3499. 6684. 7488 и 74819 при проведении боевых действий на территор! Чеченской республики.

По материалам диссертации проведены многочисленные совещания руководством СВ МО и ВВ МВД России.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и спис: литературы, включающего 78 наименований. Общий объем составляет 169 страни Диссертация содержит 5 приложений, 25 рисунков и 28 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе рассматриваются вопросы, связанные с использование существующих прицелов различных типов с точки зрения обстоятельств препятствующих их применению в боевой обстановке, а именно: демаскнровь неестественных условий работы глаз, жестких требований при экспуатац! необходимости переустрановки на оружии при смене тактических задач.

Основное внимание в первой главе уделено постановке задачи диссертационной >аботы - техническим требованиям к новому прицельному устройству, свободному >т недостатков, присущих прицелам существующих типов.

Дополнительно в первой главе отмечается следующее.

Экспериментальные данные, полученные автором, показывают, что границы фименимости конкретных аппаратных средств при стрельбе по слабоконтрастным объектам в целом совпадают с установившимися (см. Табл. 1).

В заключении первой главы приведено краткое обобщенное сравнительное описание существующих прицельных устройств и определено предназначение разрабатываемого; рассмотрены вопросы, связанные со сменой тактических задач, с управлением качеством и количеством потоков информации о цели и о направлении прицеливания, а также с введением поправок при прицеливании.

Краткие выводы по первой главе.

1. Существующие прицельные устройства не удовлетворяют требованиям, выдвигаемым при работе в боевых условиях.

2. В основном каждому типу существующих прицельных устройств присущи индивидуальные недостатки.

Время суток Дистанция, м 400

День 600

1600

Ночь 200

600

Табл. 1

Дополнительные к целеуказателю аппаратные средства

4х телескопическая система 16х телескопическая система

оптико-электронная система

Во второй главе рассматриваются вопросы синтеза оптического канала прицельных устройств, обеспечивающих активную обратную связь системы прицел -зрительный анализатор, что позволяет автоматически управлять количеством и качеством потоков информации о цели и о направлении прицеливания.

Основное внимание во второй главе уделено обоснованию необходимости перехода от существующих типов прицелов к базирующимся на принципе вынесенного маркера, основные теоретические предпосылки появления которого сводятся к следующему:

1. Реакция на появление в любой части поля зрения стрелка потенциальной цели не обязательно должна сопровождаться актом внимания.

2. Цветное зрение играет важную роль при различении и опознании объектов.

3. Зрительная система наиболее эффективно работает с объектами, на которые произошло обучение.

4. Нелинейные оптические преобразования сцены препятствуют работе зрительного анализатора с ней.

5. Механизм избирательного внимания может действовать и тогда, когда информация поступает только на периферию сетчатки.

6. Мышечная система поддерживает стабилизацию поля зрения при случайных относительных перемещениях человека и объекта его внимания.

7. Входной зрачок глаза является суммирующим информацию об окружающем пространстве элементом, для которого безразлична ее предыстория.

Дополнительно во второй главе отмечается следующее. Единственная физически осуществимая реализация прицельного устройства, удовлетворяющего всем требованиям, сформулированным в первой главе, может быть построена только на принципе вынесенного маркера (рис. 1), который обеспечивает такие условия наблюдения, что отсутствуют: ослабление светового потока от сцены; искажение спектральной информации о цели; смещение зрительных осей глаз.

В заключении второй главы приведено описание базового модуля дневно-ночного комплекса - целеуказателя с вынесенным маркером и представлены примеры его использования в комбинациях с другими оптическими устройствами: снайперскими очками (рис. 2), телескопической насадкой (рис. 3), ночными очками (рис. 4), ночной насадкой (рис. 5).

Краткие выводы по второй главе.

1. Основу прицельной техники нового поколения должны составлять целеуказатели с вынесенным маркером.

2. Возможно комбинированное использование таких целеуказателей совместно с любыми наблюдательными приборами.

Пучок отобъекта

Рис. 1. Прицеливание по принципу вынесенного маркера - справа -

и поле зрения при этом - слева.

Компоненты системы

\Целэуказатель с_

вынесенным маркером

Рис. 2. Использование снайперских очков - справа ■ и поле зрения при этом - слева.

Система Кеплера

Жестко установлен на оружии

Рис. 3. Использование снайперской насадки - справа -и поле зрения при этом - слева.

Рис. 4. Использование ночных очков - справа -и поле зрения при этом - слева.

Рис. 5. Использование ночной насадки - справа -и поле зрения при этом - слева.

В третьей главе рассматриваются вопросы, связанные с использованием параллакса для автоматического введения поправок при прицеливании на дальность до цели и скорость ее перемещения за счет активной обратной связи.

Основное внимание в третьей главе уделено обсуждению а) существующих методов введения поправок с точки зрения присущих им недостатков, связанных с необходимостью переключать внимание как на манипуляции с органами управления механизма выверки, так и на поиск фрагмента прицельного знака, который следует наводить на цель; б) непригодности лазерных дальномеров для построения прицелов к стрелковому оружию с автоматическим введением поправок на дальность; в) теоретических предпосылок перехода к новому способу корректировки направления прицеливания, заключающихся в том, что темп стрельбы в основном определяется скоростью срабатывания следующих механизмов: первого - включающегося непосредственно при прицеливании и позволяющего осуществить точное наведение оружия на цель (за счет установления требуемых пространственных соотношений между ней и прицельным знаком), длительность работы которого зависит от количества процедур необходимых для взаимной ориентации изображений прицельного знака и цели, и второго -работающего непрерывно и обеспечивающего точную предварительную ориентацию оружия благодоря сегментации поля зрения, длительность работы которого определяется степенью различия текстур трех основных информационных сегментов - шкалы параметров цели, поражаемого участка и пространства объектов прицеливания.

Дополнительно в третьей главе отмечается следующее.

1. Для изучения возможности автоматического введения поправок были разработаны и апробированы окуляры (рис. 6) с устранеными аберрациями, в которых параллакс вводился путем дефокусировки (синяя кривая на рис. 7).

2. Для построения прицелов, позволяющих минимизировать среднюю ошибку прицеливания при заданном диапазоне дистанций, были разработаны и апробированны окуляры, в которых параллакс вводился при помощи комы (зеленая кривая на рис. 7), что (благодоря наличию "вертикальных" участков кривой) позволило повысить точность стрельбы на конкретных дистанциях.

3. Для прицелов с автоматическим введением поправок были разработаны окуляры (рис. 8), в которых параллакс вводился при помощи сферической аберрации (красная кривая на рис. 7), что, как видно из рисунка, в отличие от приведенных выше случаев позволяет существенно снизить оптическое рассогласование при использовании дополнительных наблюдательных систем.

В заключении третьей главы приведен вариант конструктивного исполнения фронтальной части окуляра (рис. 9), предназначенного для использования в прицелах с автоматическим введением поправок на параметры цели.

Краткие выводы по третьей главе.

1. Переход к предлагаемому способу введения поправок на параметры цели целесообразен, во-первых, всвязи с повышением тактических возможностей стрелка, во-вторых, с точки зрения физиологии зрения и, в-третьих, ввиду исключения случайных ошибок, связанных с люфтами механизмов выверки и остаточными аберрациями и дефокусировками оптики прицелов.

2. Предлагаемый способ может быть использован в любых прицелах, но для его реализации оптимален целеуказатель с вынесенным маркером (см. рис. 9).

3. Конструктивную реализацию данного способа отличает чрезвычайная простота и надежность (см. рис. 8).

* ■

2фш: т/г ' — 1 ип-=в,5

--ж

г, = г2 = гв = г7;

Рис. 6. Окуляры с исправленным параллаксом.

Рис. 7. Параллакс в разработанных прицельных устройствах.

Рис. 8. Окуляры прицелов с автоматическим введением поправок на параметры цели, слева для штурмового оружия, а справа - универсальный.

I

.■ Т~ ~--Г л..") ч ¿¿г —

Рис. 9. Вариант конструктивног о исполнения окуляра прицела с автоматическим введением поправок на параметры цели (фигуры вокруг апертуры) и возможные положения изображения прицельного знака (Т - образные перекрестия).

В четвертой главе рассматриваются вопросы, связанные с влиянием временных и пространственных характеристик прицельного знака на прицеливание.

Основное внимание в четвертой главе уделено теоретическому и экспериментальному обоснованию необходимости синтеза нового прицельного знака, предназначенного для работы в оперативных условиях и/или при пониженной освещенности. Представлены результаты исследований и возможные реализации прицельных знаков (рис. 10. 11).

¡.Основные предпосылки синтеза нового прицельного знака (здесь далее -Знака), вытекающие из теоретических сведений следующие:

1.1. Время восприятия высокочастотного Знака ныше. нежели низкочастотного.

1.2. При высокочастотном характере Знака может произойти ассимиляция либо его изображения, либо изображения цели.

1.3. Промодулированный во времени низкочастотный Знак повышает обнаружительную способность стрелка.

1.4. Фронты временной модулирующей функции оказывают влияние на способность стрелка различать и отслеживать малоразмерные и сложноорганизованные объекты.

2. Полученные автором экспериментальные данные, подтверждающие необходимость перехода к низкочастотному и промодулированному во времени прицельному знаку, таковы:

2.1. Относительная кучность боя при стрельбе в оперативных условиях зависит от размера изображения прицельного знака (табл. 2).

2.2. Относительное время прицеливания и относительная кучность боя при стрельбе ночью зависят от частоты временной модуляции (табл. 3).

Дополнительно в четвертой главе отмечается следующее.

1. Принцип вынесенного маркера позволяет построить прицел с автоматическим согласованием параметров прицельного знака с параметрами цели за счет активной обратной связи (рис. 12), что является окончательно полным дополнением к описанным во второй и третьей главах механизмам автоматического управления количеством и качеством (рис. 13) информации о цели и направлении прицеливания и автоматического введения поправок на параметры цели.

2. Используемая при выполнении работы установка для получения пространственного синусоидального сигнала благодоря заложенной в нее возможности управления его чатотой, контрастом и отношением сигнал/шум позволила провести дополнительные исследования (см. табл. 4).

В заключении четвертой главы приведены результаты испытаний (рис. 14) созданных прицельных устройств (кривые 3 и 4) в сравнении с их ближайшими аналогами - коллиматорными (кривая 2) и механическими (кривая 1) прицелами при стрельбе из автомата АК74 из неустойчивого положения в условиях дефицита времени на дистанции 100 м по слабоконтрастным целям.

Краткие выводы по четвертой главе.

1. Пространственные характеристики прицельного знака должны носить низкочастотный характер и должны быть согласованы с основным параметром цели - ее характерным визуально воспринимаемым угловым размером (для человека это 500/Ь [рад], где Ь - дистанция до цели в мм).

2. Необходима временная модуляция свечения прицельного знака синусоидальным сигналом с частотой, лежащей в диапазоне от 2 до 18 Гц.

3. Разработанный метод автоматического согласования параметров прицельного знака с параметрами цели может быть использован в любом прицельном устройстве, однако оптимальный результат может быть получен только при его использовании в прицелах с вынесенным маркером.

1Г(Х)

ю

а) 5-

S 4-

r(i»> 5ехр(-12.5П)2)

^ (г)

ехр(-Р,02х2)

Ю 12 14 16 х,

угл.мин.

А Г (X)

6)

^ (О

16

Рис. 10. Профили симметричных прицельных знаков оптимальных для стрельбы на дистанции 100 м по: а) подвижным целям, б) неподвижным.

5--

а)

Рис. 11. Визуально воспринимаемые изображения прицельных знаков, полученные а) при остаточной недополировке фронтальной поверхности объектива и б) при нанесении на нее скрещенных дифракционных решеток.

Табл. 2

Отношение размера цели к размеру визуально воспринимаемого 30 15 7,5 1,5 0,83 0,58 0,44 0,38 изображения прицельного знака

Относительная кучность боя

1,4 1,4 1,4 1,3 1,0 1,3 2,0 6,6

Табл. 3

Отношение оптимальной частоты 10 5 2,5 1 0,63 0,46 0,36 0,29 0,25 модуляции к текущей

Относительное время прицеливания 3,3 2,4 1,4 1 1,3 1,9 2

Относительная кучность боя

2 2,1

1,3 1,1 1,1 1 1,1 1,1 1,3 1,2 1,3

Г-ПП-, 1«

- •■ЗИП* -

-I-

а а ф а а

Рис. 12. Автоматическое согласование пространственных характеристик свечения прицельного знака с параметрами цели.

Рис. 13. Управление качеством информации, а) От цели поступает больше света, а от целеуказателя - меньше, чем на рис. б).

Отношение оптимальной пространстенной частоты функции, модулирующей свечение прицельного знака, к текущей

Относительная кучность

Относительная степень отклонения функции, модулирующей свечение прицельного знака, от гармонического сигнала

Относительная кучность боя

Относительная степень загрязнения Фурье-спектра изображения прицельного знака высокочастотными компонентами

Относительная кучность боя

1.1 1

1 12.5

0.5

1.1

10 50

1,3

100

1.3

Табл. 4 0.25

1.25

Табл. 5 100

1.5 Табл. 6 150

1.8

Вероятность поражения Р, %

7'5

50

25

200 ЗОО

Размер мишени D, мм

Рис.14. Зависимость вероятности поражения от размеров цели.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Рассмотрены известные прицельные устройства для стрелкового оружия. Показано, что с тактико-экономической точки зрения предпочтительны прицелы с вынесенным маркером. Разработаны новые методики ведения стрельбы по слабоконтрастным объектам прицеливания в условиях пониженной освещенности при помощи целеуказателей, построенных по принципу вынесенного маркера.

2. Разработаны основы теории синтеза оптических каналов прицельных устройств с активной обратной связью. Разработаны способы автоматического управления качеством и количеством потоков информации о цели и о направлении оружия. Разработаны и исследованы оригинальные прицельные устройства дтя ведения стрельбы как в условиях дефицита времени, так и при наличии неограниченного времени на прицеливание. Показана возможность совмещения дневного и ночного наблюдательных приборов со снайперской и ночной насадками.

3. Разработаны и испытаны специализированные оптические системы целеуказателей, позволяющие применять прицельные устройства в условиях дефицита времени и обеспечивающие минимизацию среднеквадратической ошибки прицеливания и автоматическое введение поправок при стрельбе. Рассчитанные оптические схемы отличаются компактностью и высоким качеством изображения.

4. Проведены исследования влияния пространственных и временных характеристик визуально воспринимаемого изображения прицельного знака на процесс прицеливания при различных внешних условиях. На основе проведенных исследований разработана методика синтеза прицельного знака дтя стрелкового оружия, адаптирующая аппаратные средства к особенностям физиологии зрения человека.

5. Разработана и внедрена установка для получения пространственного синусоидального сигнала с плавно изменяющимися частотой и контрастом, которая помимо модуляции распределения освещенности прицельного знака может быть использована и для измерений в ряде других прикладных приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1.Гаврилов А.Ю. Машинная программа определения функции передачи модуляции ЭОП, 20 стр. Всесоюзная научно-техническая конференция по математическому и машинному моделированию. Тезисы доклада. Воронеж, 1991 г.

2. Гаврилов А.Ю. Определение пространственных характеристик качества приемников и преобразователей оптических сигналов, 25 стр., 9-я Всероссийская научно-техническая конференция "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение". Тезисы доклада. М., ВНИИОФИ, 1992 г.

3. Гаврилов А.Ю. и др. "Оптический прицел", 1993 г., заявка № 93054842 , по которой выдан Патент.

4. Гаврилов А.Ю. "Коллимирующий объектив", 1994 г., заявка № 94-014943, по которой получено положительное решение о выдаче патента.

5. Гаврилов А.Ю. " Оптический прицел ", 1994 г., заявка № 94-027471, по которой получено положительное решение о выдаче патента.

6. Гаврилов А.Ю. "ЗОА45-2", 1993 г., паспорт с инструкцией по эксплуатации.

7. Гаврилов А.Ю. " \^СА-50", 1994 г., паспорт с инструкцией по эксплуатации.

8. Гаврилов А.Ю. "Ночной штурмовой прицел ВГА-50М", 1996 г., паспорт с инструкцией по эксплуатации.

- 15-ДЛЯ ЗАМЕТОК