Univerzita obrany Katedra zbraňových systémů
Ročníkový projekt Návrh nočního zaměřovače pro odstřelovací pušky
Zpracoval: prap. Pacas Vít Datum: 28.1.2005
Učební skupina: 25-S-ZM-ŘPV
1. Zadání ročníkového projektu
Analyzujte požadavky na konstrukční parametry zaměřovače určeného pro odstřelovací pušku. V analýze se zaměřte zejména na požadované optické i mechanické vlastnosti nočního zaměřovače. Zaměřovač musí umožňovat činnost za snížených světelných podmínek. V práci si pak zvolte jednu konkrétní zbraň a na základě jejích vlastností stanovte výchozí konstrukční parametry pro zvolenou odstřelovací pušku.
2. Úvod
Noční zaměřovače Jak název napovídá, jsou tyto přístroje určeny k zaměřování zbraní a k pozorování bojiště v noci. Podle principu využívajícího ke své činnosti je noční zaměřovače možné rozdělit na: •
aktivní,
•
pasivní.
Aktivní zaměřovače využívají blízkou infračervenou oblast, která je pro lidské oko neviditelná. Ke své činnosti potřebují infračervený reflektor, kterým je ozařována pozorovaná scéna. Infračervené záření odražené od pozorovaných objektů je v přístroji zesíleno a převedeno do viditelné oblasti.
Pasivní noční pozorovací přístroje se dělí na: •
pasivní přístroje se zesilovačem jasu obrazu (ZJO),
•
termokamera.
Pasivní zaměřovače se ZJO ke své činnosti využívají spektrální oblast na přelomu viditelné a blízké infračervené oblasti. Pro jejich funkci se využívá toho jevu, že při pozorování v noci se v přírodě vždy nacházejí nějaké zdroje záření. Záření těchto zdrojů, i když velmi malé ozařuje pozorovanou scénu. Záření odražené od pozorovaných objektů je pak zesíleno a zobrazeno.
Termokamery jsou založeny na principu detekce infračerveného záření, jehož zdrojem jsou sami pozorované objekty.Termokamery nejčastěji využívají spektrální oblasti 3 – 5 µm a 8 – 12 µm.
Soudobé noctovizory, pracující při nízkých úrovních osvětlení, mají i při ideálních vnějších meteorologických podmínkách omezenou rozlišovací schopnost. Při velmi nízkých úrovních osvětlení rozlišení detailů pozorovaných předmětů je omezeno kvantovou povahou světla. Při vysokých úrovních osvětlení je rozlišení detailů omezeno možnostmi zesilovačů jasu obrazu (ZJO). Pro zjištění , rozpoznání nebo identifikaci cíle jsou důležité takové parametry jako kontrast mezi cílem a okolím, tvar cíle a linearita přenosu jasu objektu. Analýzy ukazují, že zrakový orgán člověka při zjišťování cíle reaguje hlavně na jeho úhlovou velikost. Tato okolnost dovoluje ve většině případů ohodnotit pravděpodobnost zjištění cíle při jeho různých vzdálenostech od noctovizoru. Principiálně se dají pasivní noční zaměřovače charakterizovat jako Keplerův dalekohled doplněný o zesilovač jasu obrazu (ZJO).
Obrázek 1 Schéma pasivního nočního zaměřovače
V této práci se budu zabývat návrhem pasivního nočního zaměřovače pro 7,62 mm odstřelovací pušku Dragunov, pro kterou je v současné době určen noční zaměřovač NSPU (viz. Příloha 3), a to v těchto jednotlivých bodech: •
přesnost zamíření dalekohledových zaměřovačů a volba zvětšení
•
analýza pravděpodobnosti zásahu,
•
určení zesílení ZJO,
•
určení velikosti výstupní pupily.
3. Přesnost zamíření dalekohledových zaměřovačů
Přesnost zamíření zaměřovačem závisí na hlavně na těchto okolnostech: • tvar záměrné značky, • tvar cíle, • kontrast cíle vůči pozadí, • osvětlení cíle, • zvětšení dalekohledu a jeho paralaxa, • rozlišovací schopnost soustavy oko - zaměřovač.
Střední kvadratická chyba zamíření ∆Ψ při úvaze konstantně působících faktorů soustavy zaměřovacího dalekohledu a oka je dána vztahem [1]: :
∆Ψ = ϕ 2 + α 2 + δ 2 ,
kde:
ϕ [rad] je rozlišovací schopnost soustavy oko - dalekohled, α [rad] je úhlová paralaxa záměrného obrazu,
δ [rad] je úhlový rozměr šířky čáry záměrného obrazce. Při tom:
(1)
ϕ=
ϕoka
=
Γ
δ = arctg
60′′ 0,291mrad , = Γ Γ
(2)
t , f obj ′
(3)
kde: t [mm] tloušťka čáry záměrného obrazce, f obj ′ [mm] je předmětová ohnisková vzdálenost objektivu zaměřovacího dalekohledu.
Tloušťka čáry záměrné osnovy se volí tak, aby se střelci jevila pod úhlem
(15 , ÷ 2) ⋅ ϕoka . Tato hodnota je volena vzhledem k tomu, že se předpokládá i zaměřování za zhoršených světelných podmínek. Za těchto podmínek můžeme vztah pro střední kvadratickou chybu přepsat do tvaru:
∆Ψ =
2 ϕoka
Γ2
+α2 +
2 2 4 ⋅ ϕoka 5 ⋅ ϕoka = +α2 . Γ2 Γ2
(4)
Když budeme uvažovat dalekohledový zaměřovač bez paralaxy, tak střední chyby zamíření dalekohledového zaměřovače jsou uvedený v následující tabulce:
Γ ∆Ψ [´´] ∆Ψ [mrad]
1 134 0,65
2 67 0,325
3 45 0,217
4 33 0,163
6 22 0,108
10 13 0,065
σ [mrad]
0,217
0,108
0,072
0,054
0,036
0,022
Tabulka 1 Střední chyby zamíření dalekohledového zaměřovače podle zvětšení
Volba zvětšení: Zvětšení zaměřovače Γ zvolíme 4x a ne vetší, protože paralaxa optického zaměřovače roste se čtvercem zvětšení a velikost zorného pole je zvětšení nepřímo úměrná.
s
α
θc
ym
xm
t
v
W
uv
σv
us
σs
[m]
[°]
[°]
[m]
[m]
[s]
[m/s]
[J]
[m]
[m]
[m]
[m]
100
0 05
0 03
0,02
51
0,13
755
2736
0.018
0.0267
0.018
0.0267
200
0 07
0 06
0,09
103
0,27
685
2245
0.036
0.0534
0.036
0.0534
300
0 10
0 10
0,22
157
0,42
618
1838
0.054
0.0801
0.054
0.0801
400
0 14
0 16
0,43
213
0,59
554
1470
0.072
0.1067
0.072
0.1067
500
0 18
0 24
0,75
271
0,78
495
1176
0.094
0.1394
0.094
0.1394
600
0 23
0 35
1,2
331
0,99
441
932
0.12
0.1779
0.12
0.1779
700
0 29
0 48
1,9
394
1,23
392
735
0.15
0.2224
0.14
0.2076
800
0 36
1 05
2,8
459
1,50
350
588
0.18
0.2669
0.16
0.2372
900
0 45
1 26
4,0
525
1,80
320
490
0.22
0.3262
0.19
0.2817
1000
0 55
1 50
5,7
591
2,12
302
441
0.28
0.4151
0.24
0.3558
1100
1 07
2 17
7,8
656
2,46
286
392
0.35
0.5189
0.30
0.4448
1200
1 21
2 47
10,5
719
2,82
272
353
0.42
0.6227
0.37
0.5486
1300
1 36
3 20
13,5
779
3,20
259
324
0.5
0.7413
0.45
0.6672
Střelba s zaměřovačem PSO – 1 vleže s oporou nebo vstoje z okopu Střela s ocelovým jádrem m = 9,6 g, počáteční rychlost střely 840 m/s, úsťová energie střely 3304 J Tabulka 2 Tabulka střelby 7,62 mm odstřelovací pušky Dragunov doplněná o hodnoty σv a σs [2]
Efektivní činnost vojenského odstřelovače předpokládáme na vzdálenost přibližně do 600 m. V následující tabulce jsou uvedeny hodnoty chyby zamíření a celkové chyby na 600 m podle rozlišovací schopnosti oka. Celková chyba lze definovat jako součet čtverců chyby zamíření a technického rozptylu pod odmocninou.
σz
σ600
ϕο [mrad] [mrad]
[mrad]
0,29
0,054
0,186
0,5
0,093
0,201
1
0,186
0,257
1,5
0,28
0,332
2
0,373
0,413
Tabulka 3 Celkové chyby pro vzdálenost 600 m
4. Analýza pravděpodobnosti zásahu
Pro analýzu pravděpodobnosti zásahu zvolíme 2 náhradní cíle: •
1,6 x 0,6 m (vpřed běžící figura) viz. Příloha 1
•
0,5 x 0,5 m (ležící střelec) viz. Příloha 2
V přílohách 1 a 2 jsou uvedeny grafy závislosti pravděpodobnosti zásahu P na vzdálenosti cíle d. Červená křivka charakterizuje pravděpodobnost zásahu při uvažování pouze technického rozptylu zbraně, modrá křivka charakterizuje pravděpodobnost zásahu při použití zaměřovače PSO-1. Zelená křivka charakterizuje pravděpodobnost zásahu při uvažování celkových chyb uvedených v tabulce 3.
Za maximální přípustnou chybu považujeme takovou chybu, při které je pravděpodobnost zásahu v uvažované dálce cíle (600 m) minimálně 50%. Z analýzy grafů uvedených v přílohách vyplývá, že zatímco u cíle nahrazujícího vpřed běžící figuru je maximální přípustná chyba 0,5 mrad (graf 1), u cíle nahrazujícího ležícího střelce je již chyba 0,332 mrad nepřípustná(graf 2). Za maximální přípustnou hodnotu chyby budeme tedy uvažovat σ600 = 0,257 mrad.
1 0.9 0.8 0.7
P
0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
d [m]
Graf 1 Závislost pravděpodobnosti zásahu na vzdálenosti cíle o velikosti 0,5 x 0,5 m při celkové chybě 0,5 mrad 1 0.9 0.8 0.7
P
0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
d [m]
Graf 2 Závislost pravděpodobnosti zásahu na vzdálenosti cíle o velikosti 01,6 x 0,6 m při celkové chybě 0,332 mrad
5. Určení zesílení ZJO
Graf 3 Závislost rozlišovací schopnosti oka ϕ na kontrastu K a jasu L cíle
Maximální přípustná chyba určená v předchozí analýze σ600 = 0,257 mrad vzniká při rozlišovací schopnosti oka ϕo = 1 mrad. Předpokládáme-li kontrast vojenských cílů K = 0,2, bude lidské oko schopno cíl rozlišit při jasu minimálně L = 1 cd/m2. Tmavá bezměsíčná noc lze charakterizovat hodnotou jasu L = 10-3 cd/m2. Z toho plyne, že ZJO použitý v nočním zaměřovači pro 7,62 mm odstřelovací pušku Dragunov SVD musí mít zesílení jasu obrazu nejméně 1000x.
6. Určení velikosti výstupní pupily
Průměr pupily oka se mění v závislosti na osvětlení v rozsahu od dvou do osmi milimetrů. Velikost výstupní pupily zaměřovače se volí shodná s pupilou oka. Jasná měsíčná noc lze charakterizovat hodnotou jasu L = 10-2 cd/m2.
Z analýzy grafu 4 je patrno, že hodnotě jasu L = 10-2 cd/m2 odpovídá průměr pupily oka D = 7 mm.
Graf 4 Závislost průměru pupily oka D na jasu L
7. Závěr
Pro noční zaměřovač pro 7,62 mm odstřelovací pušku Dragunov volím tyto parametry: •
zvětšení Γ = 4,
•
zesílení ZJO ≥ 1000x,
•
průměr výstupní pupily D = 7 mm.
Grafy a další podklady byly zpracovány v programu Matlab.
Literatura
[1] T. Baláž: Rozptyl zamíření ručních zbraní [2] Děl 21-27 [3] Optické přístroje 1 a 2 (S-2556/1 a 2), Vojenská akademie, Brno 2004
