Тепловизионные приборы (ТПВ)
— это приборы, позволяющие наблюдать объекты за
счет наличия у них радиационного контраста с фоном.
ТПВ имеют следующие преимущества по сравнению с ПНВ: дальность действия ТПВ
не зависит от уровня ЕНО, они работоспособны в условиях пониженной
прозрачности атмосферы, при постановке штатных дымовых завес и в условиях
засветок интенсивными источниками света, обнаруживают замаскированные цели.
Tребуемая помехозащищенность обеспечибается за счет разнесения по спектру чувствительности ТПВ (3,5— 5,5 мкм) и
излучения трассера (0,8—1,1 мкм). Комбинированные и комплексированные приборы ночного
видения
Для обеспечения всепогодности, круглосуточности, высокой помехозащищенности,
а также повышения вероятности обнаружения и опознавания потребовалось
создание нового поколения приборов, включающих один или несколько независимых
оптико-электронных каналов. Такие приборы называются комбинированными, комплексированными
или интегрированными. Ни один из самостоятельных низкоуровневых каналов
визуализации изображения не обеспечивает всей совокупности требований,
стоящих перед приборами видения ночью. Обеспечение выполнения этих требований
возможно при использовании комплекса приборов, включающих различные
дополняющие друг друга каналы, то есть путем комбинирования и
комплексирования.
Под комбинированными ПНВ понимают систему, состоящую из нескольких каналов,
работающих в различных областях спектра, имеющую единый вход и
интегрированную систему обработки сигнала.
Под комплексированными ПНВ понимают систему, состоящую из отдельных
самостоятельных каналов, имеющих отдельные входные отверстия и совмещенные
или раздельные индикаторы. К комплексированным приборам относится также и
набор приборов, расположенных на одном носителе, например, комплекс приборов
для ПРП: «Пособие» (тепловизор)+ «Печенег» (активно-импульсный прибор).
Анализ отдельных каналов визуализации изображений показал, что классические
приборы на ЭОП имеют высокое разрешение, высокие коэффициенты усиления
яркости, привычные для восприятия контрасты изображения, но сильную
зависимость дальности действия и качества изображения от освещенности,
прозрачности атмосферы, контрастов; активно-импульсный канал имеет высокую
помехозащищенность, однако демаскирует себя, имеет относительно узкое поле
зрения, крайне затруднительный поиск цели; тепловизионные приборы
обеспечивают большие поля зрения, большие дальности обнаружения, высокую
помехозащищенность, но непривычный для восприятия вид изображения. Кроме
этого, при высокой влажности, отсутствии заметных изменений температуры
видимость цели в тепловизор резко ухудшается. В тепловизоры часто не видна
линия горизонта, они имеют высокую стоимость.
Низкоуровневые телевизионные системы позволяют выводить изображение на
монитор, осуществлять обработку изображения в реальном масштабе времени, но
они обладают всеми известными недостатками ПНВ.
Наиболее эффективным является сочетание каналов, работающих на различных
принципах или в различных спектральных диапазонах. Это увеличивает
эффективность системы, особенно в условиях использования маскировки целей и
активного противодействия оптико-электронным средствам, так как создать
помехи в широкой области спектра и обеспечить эффективную маскировку крайне
сложно.
Были разработаны научно-технические основы построения таких приборов,
принципы наиболее эффективного комбинирования каналов, установлены
вероятностные характеристики и определены их преимущества по сравнению с
традиционными приборами.
Исследование внешних условий работы приборов ночного
видения
Дальность действия приборов видения ночью в значительной мере зависит от
внешних условий, наиболее важными из которых являются освещенность,
обусловленная излучением ночного неба, светом звезд, Луны, оптико-физические
характеристики фонов и целей, прозрачность атмосферы, яркость атмосферной
дымки. Оптико-физические характеристики фонов и целей определяют истинный
контраст, величина которого существенно изменяется слоем атмосферы между
прибором и наблюдаемой целью; уровень освещенности характеризует уровень
наблюдаемой яркости.
Необходимость в систематических, широкомасштабных исследованиях характеристик
внешних условий работы приборов ночного видения в темное время суток возникла
в середине 60-х годов, когда приоритетным стало развитие приборов, работающих
в пассивном режиме без искусственной подсветки. Необходимых сведений для
разработчиков ПНВ по излучению ночного неба и естественной ночной
освещенности практически не было. Результаты проведенных исследований, , отражали отдельные стороны
излучения ночного неба, не давая общих представлений о закономерностях
изменения спектрального состава, статистических характеристик освещенности
для различных географических точек земного шара, временных изменений
освещенности в темное время суток, влияния на характеристики светового
климата состояния подстилающей поверхности и атмосферы.
Работы велись по трем самостоятельным направлениям: исследование
спектрального состава излучения ночного неба для установления оптимального
диапазона работы ПНВ и области коррекции объектива и разработки перспективных
фотокатодов; статистические исследования характеристик светового климата в
различных географических точках для определения эффективности использования
разрабатываемых приборов на различных театрах военных действий; исследование
влияния характеристик внешних условий на основной параметр ПНВ — дальность
действия с целью уточнения методов расчета и оптимизации ПНВ.
В результате многолетних исследований была разработана модель спектрального
состава освещенности и динамика его изменения, статистические широтные
зависимости продолжительности темного времени суток и обеспеченности
горизонтальной естественной ночной освещенности, а также материалы по отражательным
свойствам природных образований и характеристики атмосферы, определяющие
видимость объектов наблюдения. Разработанная модель позволяет оценить
состояние светового климата, характеризуемого кривыми обеспеченности
освещенности в различных районах территории земного шара в темное время
суток. Определены типовые (нормированные) характеристики внешних условий,
закладываемые в расчет ПНВ, отработаны методы расчета и оптимизации приборов
визуализации изображения и внедрены на всех предприятиях отрасли.
Дальнейшая перспектива состоит в разработке
последующих поколений ПНВ с использованием исключительно матричных и
твердотельных преобразователей изображения, в создании интегрированных
многоспектральных комплексов на их основе и, в конечном счете — автоматизированных
приборов обнаружения и распознавания для роботизированных систем.
Перспективы развития ПНВ
Общие тенденции развития ПНВ и возможности оптимизации их отдельных
направлений.
Развитие техники
ночного видения должно идти следующими путями: совершенствование элементов в
канале визуализации изображения; разработка новых схемно-конструктивных
решений с учетом критерия «эффективность/стоимость» и расширение области
применения приборов на основе их конверсионных возможностей; технологическая
отработка конструкций.
Дальнейшее продвижение по указанным направлениям связано с решением целого
ряда научно-технических проблем, а именно:
— повышение характеристик ЭОП, в первую очередь увеличение
чувствительности фотокатода, его диаметра с 18 до 25, 40 мм и разрешающей
способности;
— создание ЭОП, чувствительных в ИК области спектра до 1,5— 1,7 мкм, для
работы при ЕНО и в области 3—5 мкм для визуализации теплового изображения;
— создание твердотельных преобразователей изображения (ТПИ) — аналогов
ЭОП для видимого и ИК диапазонов спектра;
— разработка и реализация в ТПВ-приборах фокально-плоскостных матриц
(ФПМ), не требующих глубокого охлаждения;
— разработка и реализация методов оптимальной обработки пороговых
оптических изображений в присутствии световых помех;
— развитие методов расчета нетрадиционных оптических систем (киноформных,
внеосевых, голографических) для применения в портативных и наголовных
приборах;
— реализация новейших оптических технологий полимерной, киноформной,
градиентной оптики, специальных просветляющих, защитных, небликующих и
дихроичных покрытий;
— внедрение полимерных и композиционных конструктивных материалов,
прогрессивных методов формообразования;
— микроминиатюризация электронных схем, включая и высоковольтные
источники питания;
— внедрение микропроцессорной техники и современного программного
обеспечения;
— создание миниатюрных встраиваемых в ПНВ модулей осветителей на основе
ИК полупроводниковых лазеров и светодиодов;
— разработка систем автоматической фокусировки и регулировки рабочего
режима приборов.
Естественно, что решение этих проблем должно опираться на новейшие достижения
опто- и микроэлектроники, ТВ техники, информационных технологий и других
смежных областей.
Решение указанных проблем должно существенно улучшить параметры приборов: в
1,5—2 раза повысить их дальность действия; обеспечить работу при ЕНО до 10-4
лк, то есть для 90% всего темного времени суток; уменьшить массу наголовных
ПНВ до 0,4—0,5 кг, а носимых — до 0,7—0,8 кг. Кардинальное решение многих
задач ночного видения могли бы обеспечить приборы ТПВ на базе ФПМ и
твердотельных индикаторов, однако, принимая во внимание реально существующие
производственно-технологические проблемы, нет оснований полагать, что эти ТПВ
приборы вытеснят ПНВ в обозримом будущем.
Теоретические и экспериментальные исследования показывают, что разработка ПНВ
должна осуществляться в направлении создания адаптивных систем, работающих
круглосуточно в широком диапазоне изменения внешних условий, в соответствии с
которыми приборы должны оптимизировать свою работу. Поскольку решить задачу в
полном объеме с использованием одноканальных приборов достаточно сложно,
необходимо разрабатывать многоканальные (многоспектральные) системы и, в конечном
счете, полностью интегрированные приборы, в которых изображения отдельных
каналов обрабатываются в реальном масштабе времени и формируется
высококачественное интегрирование изображения. При этом необходим модульный
принцип построения приборов, допускающий как создание их унифицированного
ряда, так и применение модулей для многоканальной системы.
В настоящее время начаты работы по
созданию ПНВ 4-го поколения. Они основаны на разработке принципиально новой
компоновки ПНВ с «развязанным индикатором». В этих ПНВ входное устройство
связано с индикатором за счет гибкой проводной или радиорелейной связи.
Первый способ построения прибора предполагает применение сочленения ЭОП с ПЗС
матрицей или самостоятельное использование высокочувствительной ПЗС матрицы,
подключаемой к плоскому ТВ-индикатору. Второй способ связан с применением
ТПИ, чувствительного в области до 1,5—2 мкм, подключенного к плоскому
индикатору. Уже созданы НТВ ПНВ на базе ПЗС для работы при ЕНО = 10-2 лк. Для
функционирования при ЕНО = 10-3 лк в настоящее время разработаны НТВ ПНВ на
базе гибридно-модульных преобразователей (ГМП), в которых ПЗС- матрица стыкуется
с помощью оптики переноса или фокона с экраном ЭОП. При этом возникают потери
по энергетике и по разрешению. Более рациональный вариант – разработка ПЗС
матриц, освещаемых с обратной стороны, что позволяет повысить квантовый выход
с 30 до 90 %. В сочетании с применением малошумящих интегрированных
усилителей это обеспечивает эквивалентную чувствительность ПЗС матрицы,
достаточную для работы при ЕНО = 10-4 лк без необходимости стыковки ПЗС с
ЭОП. Если же использовать такой ПЗС вместо анода (экрана) бипланарного ЭОП
без МКП, то при возбуждении ПЗС потоком электронов с фотокатода появляется
дополнительное усиление, при котором данный ГМП может работать при
освещенности фотокатода 10-7— 10-2 лк. В итоге на основе такого прибора
вместо традиционных ПНВ может быть получен микроминиатюрный
сверхчувствительный НТВ ПНВ. Антиблюминговое устройство ПЗС- матрицы
обеспечивает при этом эффективную локализацию и ограничение влияния световых
помех. Возможность конструктивного разделения собственно НТВ камеры и ТВ индикатора,
дистанционной передачи изображения, его дублирование и синхронная цифровая
обработка открывают новые конструктивные возможности перед этим поколением
ПНВ. Через его электронный канал в поле зрения индикатора может быть введена
любая оперативно изменяемая информация в виде цифр или символов. Исполнение
индикатора на базе жидкокристаллической (ЖК) матрицы позволяет резко
уменьшить габариты, массу при одновременном повышении качества изображения.
ПЗС, чувствительный в области спектра 0,4—1,1 мкм, выгодно отличается от ЭОП,
работающего в области 0,4—0,95 мкм. Вместе с тем известно, что область
спектра 1,5—2 мкм в 5 раз более эффективна по сравнению с областью 0,5—0,95
мкм и в 2—3 раза — по сравнению с 0,9—1,1 мкм. Кроме того, в области спектра
1,5—2 мкм излучение лучше проходит в атмосфере в условиях тумана и даже
некоторых дымов. Поэтому ведутся
работы по применению в ПНВ 4-го поколения ТПИ на основе структуры МДП-ЖК или МДП-электролюминофор. Наряду с разработкой
ТПИ ведутся работы по созданию ЭОП с фотокатодом на основе полупроводниковых
слоев с барьером Шоттки, работающего в области спектра — 0,9—1,65 мкм.
Представляет интерес также разработка ПЗС матриц на базе InGaAs, работающих в
области спектра 0,9— 1,7 мкм (без охлаждения) или 1—3 мкм (с ТЭО).
Развитие ТПВ-систем связано с переходом от приборов 1-го поколения,
выполненных на базе линеек фотоприемных устройств с оптико-механической
системой развертки изображения, к ПНВ на базе ФПМ-ИК ПЗС, не требующих
указанной системы, позволяющих реализовать ТВ-стандарт, повышенную
чувствительность и разрешение, минимальные массу, габариты и
энергопотребление.
Наиболее характерны ФПМ на основе HgCdTe, GaAs/AlGaAs (T=77 K, рабочая
область спектра 8—12 мкм), InSb, PtSi (T = 77 K, 3—5 мкм), PbS, PbSe (Т =
-54oС; 1,0—4,1; 3—5 мкм). Недостатком ТПВ прибора на базе таких ФПМ является
необходимость криогенного охлаждения. В связи с этим ведутся работы по
созданию ТПВ приборов на базе высокочувствительных неохлаждаемых
пироэлектрических ФПМ и в особенности более технологичных болометрических ФПМ
на основе кремния. Эти ФПМ, работающие в области спектра 8— 14 мкм, будут
иметь параметры не хуже, чем у ФПМ на базе HgCdTe, но их стоимость в 5 раз
ниже. Это даст возможность получить сравнительно дешевые портативные
ТПВ-приборы и создавать на их основе как системы с повышенной дальностью
действия, так и прицелы для легкого стрелкового оружия, а также ОНВ, НМ, НБ.
Их качество изображения близко к телевизионному, но в отличие от НТВ ПНВ
тепловизионные приборы работают при пониженной прозрачности атмосферы и в
присутствии световых помех.
Таким образом, развитие приборов всех направлений сводится к стремлению
использовать фотоприемные матрицы, работающие в областях спектра 0,4—1,1;
1—3; 3—5; 8—14 мкм. Естественно объединить каналы на основе таких матриц в
интегрированный прибор с унифицированным ТВ-форматом изображения,
усилителями, схемой цифровой обработки и ТВ-индикатором. Уже сейчас в СКБ ТНВ
созданы сравнительно простые многоспектральные объективы с модульной схемой
построения, охватывающие все указанные области спектра. Интегрированные
малогабаритные приборы могут быть отнесены к 5-му поколению помехозащищенных,
всесуточных и всепогодных приборов с высокой степенью адаптивности. В целях
повышения вероятности обнаружения и распознавания такие ПНВ могут быть
объединены с радиолокационным, акустическим и другими каналами-модулями.
На базе развития этих приборов возможно создание систем 6-го поколения,
отличающихся наличием встроенного микропроцессора, который автоматически
решает задачу обнаружения, распознавания, измерения параметров объекта и
выдачу этой информации в исполнительное устройство управления
роботизированным комплексом.
Особый интерес представляют интегрированные наголовные (нашлемные) приборы.
Они найдут применение как для пилотирования летательных аппаратов и наведения
их оружия в боевых условиях, так и для разведчиков и бойцов
спецподразделений. Такие многоканальные приборы незаменимы для спасателей,
вождения и навигации транспортных средств в сложных условиях. На основе таких
систем могут создаваться роботизированные комплексы, устанавливаемые на
различные носители и решающие задачи разведки, наведения оружия в военной
технике, а в народном хозяйстве — строительства, разведки и добычи полезных
ископаемых, ремонтных и спасательных работ в сложных условиях.
|
