Модернизация приборов ночного видения.АРХУТИК Степан
Трофимович, МОДЕРНИЗАЦИЯ ПРИБОРОВ НОЧНОГО ВИДЕНИЯ Приборы ночного видения (ПНВ)
широко используются в специальной технике для
обеспечения наблюдения и прицеливания в
сумерках и ночью. При этом существует проблема
непрерывного совершенствования их параметров.
Эту проблему можно решать двумя путями: Первый путь позволяет добиться значительных качественных улучшений параметров ПНВ, но он достаточно дорог и требует значительных затрат времени. Второй путь позволяет, на первый взгляд, добиться более скромных результатов, но приводит к решению многих задач при минимальных затратах финансовых средств и времени. Особенно ярко это проявляется в отношении ПНВ для объектов бронетанковой техники (БТТ) [1]. Очень многие серийные объекты БТТ оснащены ПНВ, выполненными на базе электронно-оптических преобразователей (ЭОП) нулевого поколения. К таким ПНВ относится ночной прицел наводчика ТПН-1, установленный на танках Т-55, Т-62, Т-64, Т-72, ночной прицел наводчика ТПН-3 (танки Т-72, Т-80), комбинированный дневно-ночной прицел БПК-2 (боевая машина пехоты БМП-2). ЭОП нулевого поколения с кислородно-серебряно-цинковым фотокатодом допускают работу ПНВ только в активном режиме (с ИК-прожекторным подсветом), а с многощелочным фотокатодом (за исключением малочувствительных фотокатодов) – только в пассивном режиме (без подсвета). Между тем ПНВ должны работать в основном в пассивном режиме и только в особо темные ночи – в активном режиме. ЭОП нулевого поколения имеют достаточно высокую разрешающую способность только в центральной части поля зрения. На краю поля зрения разрешающая способность падает в 4 – 5 раз по отношению к центру [2]. Из-за ограниченности допустимых габаритов для размещения ПНВ во внутренней полости объектов БТТ для указанных выше ПНВ приходится использовать только однокамерные ЭОП, обладающие малым коэффициентом усиления яркости. Это обстоятельство в сочетании с низкой чувствительностью фотокатодов ЭОП нулевого поколения резко ограничивают дальность видения. В связи с этим ПНВ с такими ЭОП обеспечивают видение лишь в течение 40% всего темного времени суток. ЭОП нулевого поколения обладают низкой помехозащищенностью к воздействию излучения световых помех (вспышки выстрелов, взрывов и пр.). Это излучение засвечивает все поле зрения ПНВ. Единственный способ борьбы со световыми помехами – выключение ПНВ на время их воздействия. Яркость экрана ЭОП зависит от уровня естественной ночной освещенности (ЕНО). Габариты ЭОП нулевого поколения сравнительно велики. Единственным их преимуществом по сравнению с ЭОП более старших поколений является самая низкая стоимость. Однако это преимущество не компенсирует всех перечисленных недостатков этих ЭОП. В связи с этим модернизация ПНВ должна быть связана прежде всего с заменой ЭОП нулевого поколения на наиболее совершенные серийные ЭОП поколений II+ и III. Эти ЭОП за счет своей более высокой чувствительности фотокатода и значительному коэффициенту усиления яркости (табл. 1) обеспечивают увеличение дальности видения ПНВ при их работе в пассивном режиме в 1,5 – 2,5 раза при обеспечении этой дальности в течение более 90% темного времени суток. Разрешающая способность этих ЭОП более высока и равномерно распределена по всему полю зрения. За счет высокой чувствительности фотокатода в ИК-области спектра ЭОП допускают работу ПНВ как в пассивном, так и в активном режимах. Встроенная схема автоматической регулировки яркости ЭОП обеспечивает постоянство яркости свечения экрана в широком диапазоне изменения уровня ЕНО. Наличие в ЭОП микроканальных пластин позволяет в известной степени локализовать излучение световых помех в тех участках поля зрения, где они возникают, не вызывая засветки всего поля зрения ПНВ. Это позволяет сохранить непрерывность наблюдения при воздействии ряда световых помех. Габариты этих ЭОП значительно меньше, чем у ЭОП нулевого поколения. Это позволяет с успехом вписаться в габариты серийных ПНВ при замене ЭОП. Сохранение у модернизируемых ПНВ прежних габаритов, присоединительных размеров, узлов установки и механизмов связи базовых серийных ПНВ позволяет производить сравнительно простую модернизацию. Ее стоимость будет составлять 30 – 40% от стоимости разработки новых ПНВ, несмотря на более высокую стоимость ПНВ поколений II+ и III. ЭОП поколения III имеет по сравнению с ЭОП поколения II+ более высокую чувствительность фотокатода, обеспечивающую в условиях особо темных ночей повышение дальности видения на 20%. Однако их стоимость в 3 – 4 раза выше, чем у ЭОП поколения II+. В связи с этим последние получили более широкое применение для модернизации ПНВ. Таблица 1. Сравнительные параметры ЭОП для существующих и модернизируемых ПНВ
Однако модернизация ПНВ не может быть
ограничена простой заменой одного ЭОП на другой.
Поскольку ЭОП поколений II+ и III имеют
большее поле зрения, а в перспективе – и весьма
высокую разрешающую способность, доходящую у
лучших зарубежных образцов до 64 – 82 штр/мм [2, 3], то
необходима модернизация оптики ПНВ. В целях ее
проведения был разработан новый объектив
Сириус-Н”. Объектив работает в широком
спектральном диапазоне l = 540 - 900 нм, имеет
фокусное расстояние 173,6 мм, относительное
отверстие 1:1.7. Его входной зрачок диаметром 100 мм
совпадает с первой поверхностью объектива. Схема
объектива дана на рис. 1. Расчетные значения
коэффициентов передачи модуляции в точке на оси
на пространственной частоте 50 мм-1 нового
объектива “Сириус-Н” приблизительно на 50% выше,
чем у серийных объективов “Гелиос-ПА”,
Сириус-ПА”. Это соответствует возросшим
требованиям к входному объективу ПНВ. Объектив
содержит семь оптических компонентов, причем
седьмой компонент выполнен в форме мениска,
смещенного на заданную величину относительно
основного блока линз. Это позволило увеличить
поле зрения объектива до 2w = 80
за счет высокой коррекции кривизны поля зрения и
аберраций широких наклонных пучков. Кривизна
поля зрения не превышает 0,017 мм для края поля
зрения. Такая степень коррекции аберраций
позволила получить коэффициенты передачи
модуляции в области спектра 540 – 900 нм не менее:
Высокие значения коэффициентов передачи модуляции для всего поля зрения обеспечивают более высокую контрастность изображения объектов наблюдения по сравнению с серийными объективами “Гелиос-ПА” и Сириус-ПА”. Результаты расчета объектива Сириус-Н” были промоделированы путем синтеза изображения объекта (трехшпальной миры) в программе OPAL, а также анализом получаемого с помощью программы VOB изображения наблюдаемого объекта, находящегося в реальной обстановке местности на различных расстояниях от ПНВ. Проведенное компьютерное моделирование показало, что за счет большего фокусного расстояния (и соответственно большего масштаба изображения), а также за счет большей контрастности изображения по сравнению с серийными объективами применение объектива Сириус-Н” позволяет увеличить дальность распознавания в ПНВ объектов наблюдения на 20%. B модернизированных ПНВ ЭОП поколений II+ и III в целях достижения их минимальных габаритов и высокого качества изображения используют прямой его перенос с фотокатода на экран без оборачивания на 180?. В серийных ПНВ использовались инверторные ЭОП нулевого поколения, в которых изображение оборачивалось на 180?. В связи с этим в модернизируемых ПНВ вместо окуляра используется окулярная система с оборачиванием изображения (рис. 2). Расчетная длина волны окулярной системы составляет 546 нм при диапазоне ахроматизации 530 560 нм, линейное поле зрения 18 мм, увеличение 0,5c, числовая апертура в пространстве предметов Sin U = 0,136, удаление выходного зрачка составляет 20 мм при его диаметре 7 мм. В такой системе имеется дополнительная плоскость изображения, которую можно использовать для ввода в окулярную систему изображения прицельной шкалы, светодиодного индикатора дальности и прочей служебной информации. В прицеле ТПН-3 для работы в пассивном режиме использовался ЭОП с многощелочным фотокатодом, а для работы в активном режиме – ЭОП с кислородно-серебряно-цинковым фотокатодом. Для перехода от одного режима к другому происходила замена соответствующего ЭОП, поворачивающегося в барабане с последующей фиксацией. В модернизированном прицеле ТПН-3 вместо двух ЭОП для работы в обоих режимах используется один ЭОП, в связи с этим в освободившееся место во вращающемся барабане вместо ЭОП установлена оборачивающая оптическая система (рис. 3), которая вместе с объективом ПНВ и окуляром окулярной системы для ЭОП образует дневной канал ориентации и наблюдения. Таким образом, при переключении позиций барабана возможно обеспечить работу либо ночного, либо дневного каналов.
Предлагаемая одновременно с модернизацией ПНВ замена прожекторов инфракрасного (ИК) излучения на лампах накаливания и газоразрядных лампах на унифицированный малогабаритный прожектор на основе эффективного полупроводникового лазера позволяет не только увеличить дальность видимости в активном режиме работы, но и повысить помехоустойчивость и эффективность работы комплекса в целом в условиях эксплуатации, тем более что производство ксеноновых ламп на Рижском электроламповом заводе прекращено в 1991 году. Прожектор ПЛ-1 [1] (фото 1) содержит единый блок, функционально объединяющий лазерный излучатель, блок питания и формирующую оптическую систему, а также систему обогрева защитного стекла. Электрическая связь объекта с прожектором ПЛ-1 обеспечивается кабелем из комплекта объекта. Используя монтажный комплект из состава прожектора имеется возможность замены ламповых прожекторов, изготовленных до 1991 года, на прожектор ПЛ-1 непосредственно на объектах БТТ без доработок конструктивных элементов объекта.
Прожектор формирует удобное для оператора пятно излучения прямоугольной формы с однородным распределением интенсивности излучения, в то время как ламповые прожектора формируют пятно с колокообразным неоднородным распределением. Преимуществами прожектора ПЛ-1 также являются меньшие габариты и масса (табл. 2), что значительно снижает его уязвимость. Прожектор ПЛ-1 характеризуется меньшим энергопотреблением и повышенным ресурсом работы по сравнению с существующими аналогами. При этом исключаются такие дефекты ламповых прожекторов, как взрыв лампы, незажигание, нестабильность яркости, разрушение отражателя и светофильтра при взрыве лампы и др. Следует также отметить хорошее спектральное согласование лазерного прожектора ПЛ-1 с фотокатодом ЭОП поколений II+ и III. Вопрос модернизации ПНВ, связанный с применением лазерного прожектора, заслуживает отдельного рассмотрения, поэтому здесь мы ограничились лишь главными соображениями, существенными с точки зрения модернизации. Таблица 2. Сравнительные параметры ИК-ламповых и лазерного прожекторов
В табл. 3 представлены сравнительные параметры серийных и модернизированных ПНВ (фото 2 – 4). Преимущество последних очевидно. Таблица 3. Сравнительные параметры существующих и модернизированных ПНВ
Наличие в окулярной системе ПНВ дополнительной плоскости изображения позволяет выполнить следующий шаг модернизации – ввести в состав ПНВ телевизионный (ТВ-канал). Для этого следует из
окулярной системы удалить окуляр, а вместо него
ввести ТВ-камеру на базе матрицы ПЗС. Плоскость
изображения окулярной системы при этом
совпадает со светочувствительным элементом
ТВ-камеры (рис. 4). В качестве последней может быть
использована, к примеру, модель WAT-902H фирмы Watec,
Япония (фото 5) [4]. Эта ТВ-камера формата 1/2 дюйма
имеет чувствительность 3х10-4 лк,
разрешающую способность 570 ТВ-линий, отношение
сигнал/шум 50 дБ, ток питания 170 мА при напряжении
постоянного тока 12 В, массу 90 г, габариты 34х34х58 мм.
Для наблюдения ТВ-изображения может быть
использован жидкокристаллический ТВ-монитор КБ
Дисплей”, специально разработанный для
объектов БТТ [5]. ТВ-монитор МДЦ 066 (фото 6) имеет
размеры экрана 18,4х13,8 см, яркость экрана до 800 кд,
разрешающую способность 600х600 пикселей,
энергопотребление 40 Вт при питании от бортсети =27
В, массу 2,5 кг, габариты 196х192х90 мм, диапазон
предельных рабочих температур (-60) – (85)0 С.
[5]. За счет потери качества изображения в
ТВ-канале дальность видения ПНВ сократится на 20%.
Однако этот недостаток компенсируется многими
преимуществами ТВ ПНВ:
Следующий шаг модернизации заключается во введении активно-импульсного (АИ) режима работы ПНВ. Сущность АИ-режима сводится к следующему [6]. Объект наблюдения освещается короткими световыми импульсами, длительность которых значительно меньше времени распространения света до объекта и обратно. При этом объект наблюдается в ПНВ, снабженный быстродействующим затвором, открывающимся в такт с посылкой световых импульсов на определенное время. В том случае, когда временная задержка между моментом излучения импульса и моментом открывания затвора равна удвоенному времени, необходимому для прохождения светом расстояния до объекта и обратно, наблюдатель будет видеть только сам объект и участок пространства, непосредственно его окружающий. Глубина этого пространства определяется как временем открытого состояния затвора, так и длительностью светового импульса. В качестве быстродействующего затвора используется ЭОП поколений II+ и III, в качестве источника коротких световых импульсов – импульсный лазерный осветитель ПЛ-1. Импульсное управление (стробирование ЭОП) и синхронизированная с ним импульсная работа лазерного осветителя осуществляется с помощью специального блока стробирования. Преимущества АИ-режима:
АИ режим имеет два недостатка: В связи с этим при нормируемом уровне ЕНО поиск следует осуществлять в пассивном режиме. Дальность обнаружения объектов в этом режиме обычно в 1,3 – 1,5 раза превышает дальность распознавания. Поэтому при обнаружении объекта в пассивном режиме распознают его и измеряют до него дальность в АИ-режиме; при пониженном уровне ЕНО поиск ведут в активно-непрерывном режиме. Прожектор ПЛ-1 работает в необходимом для реализации АИ ПНВ импульсном режиме (его рабочая частота составляет 5,2 кГц при длительности импульса подсвета 130 нс); требуется его незначительная доработка для обеспечения синхронизации с ПНВ. Блок стробирования, измеритель временных интервалов и индикатор дальности могут быть заимствованы из прибора Сож” [1]; потребуется только его конструктивная адаптация к ПНВ. Следует особо остановиться на вопросе наблюдения объектов при взаимном перемещении по глубине объекта наблюдения и объекта БТТ – носителя АИ ПНВ. В процессе этого перемещения оператор должен непрерывно изменять задержку с тем, чтобы изображение объекта наблюдения не вышло за пределы строба. Однако это отвлечет оператора от его прямых функций. Поэтому возможны два варианта решения этой проблемы.
Дальнейшие перспективы связаны с применением вместо ЭОП поколений II+ и III взаимозаменяемых с ними ЭОП поколений III+ и IV [3]. В них реализуется как дальнейшее повышение чувствительности фотокатода, так и смещение длинноволновой границы чувствительности в область спектра 1,0 – 1,55 мкм. Одновременно в лазерном прожекторе должен быть заменен лазерный полупроводниковый излучатель с длиной волны 0,85 мкм на излучатель с длиной волны 1,55 мкм. Это позволит резко повысить контраст в изображении, улучшить видимость при неблагоприятных ее условиях, в т.ч. и в тактических дымах [3]. При этом излучение на длине волны 1,55 мкм незаметно для глаза и безопасно для него. Таким образом, существуют многообразные перспективы дальнейшей модернизации ПНВ. Литература 1. Волков В.Г. Приборы ночного видения
для бронемашин./Специальная техника, 2004, №5, с. 2
13; №6, с. 2 – 10. |