Многоканальные приборы ночного видения наземного применения..

Многоканальные приборы ночного видения наземного применения..

МНОГОКАНАЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ НОЧНОГО ВИДЕНИЯ НАЗЕМНОГО ПРИМЕНЕНИЯ.  

В настоящее время широкое распространение получили приборы ночного видения (ПНВ), предназначенные для наблюдения в сумерках и ночью. А в ряде случаев еще и при пониженной прозрачности атмосферы. Известны ПНВ на базе электронно-оптических преобразователей (ЭОП), низкоуровневые телевизионные системы (НТВС), тепловизионные (ТПВ) приборы. Все они имеют свои недостатки и, соответственно, ограниченные возможности применения. В связи с этим представляется целесообразным создание многоканальных ПНВ (МПНВ), состоящих из отдельных каналов на базе известных типов ПНВ и других приборов таким образом, чтобы недостатки одних каналов компенсировались бы достоинствами других. Это обеспечивает круглосуточную и всепогодную работу МПНВ.

МПНВ применяются для поиска пострадавших во время стихийных бедствий, обеспечения разведки, добычи и транспортировки полезных ископаемых, строительно-монтажных, ремонтных работ и вождения транспорта всех типов в сложных условиях видимости, экологического контроля, обеспечения работы правоохранительных органов, наблюдения, прицеливания и пр.

МПНВ делятся на комплексированные, комбинированные и интегрированные.

Комплексированные системы состоят из двух или нескольких каналов, работающих в различных спектральных диапазонах и объединенных в единой конструкции. Эти каналы имеют одно общее или несколько различных входных окон для разных областей спектра. При этом каждый канал может работать самостоятельно в соответствии с его принципиальными возможностями. Изображения выводятся на отдельные дисплеи соответственно каждому каналу или на единый дисплей при условии переключения каналов. Совместная обработка информации от отдельных каналов отсутствует. МПНВ может быть смонтирован в нескольких корпусах, но установленных на едином носителе и имеющих функциональные связи (механические, электрические и пр.).

Комбинированные состоят из двух или нескольких каналов, работающих в различных спектральных диапазонах и объединенных как конструктивно, так и на основе совмещения оптических осей (полного или частичного). В МПНВ имеется общее входное окно, а информация представляется либо на различных, либо на общем дисплее. Система смонтирована в едином корпусе. Отдельные каналы могут работать совместно или автономно.

В интегрированных МПНВ отдельные каналы объединены на основе общей оптической системы, а также системы обработки и представления на единый дисплей интегрированного изображения. Последнее формируется на основе анализа специфических признаков – сигналов с различных каналов, обработки сигналов в реальном масштабе времени в микро-ЭВМ и представления в оптимизированном виде на едином дисплее. Эти приборы пока еще находятся в стадии разработки.

МПНВ обладают всепогодностью и круглосуточностью работы, причем при воздействии оптических и пыледымовых помех. За счет своей повышенной эффективности они позволяют решить проблему автоматизации поиска, обнаружения, опознавания и прицеливания, исключив вмешательство оператора.

В качестве отдельных каналов могут быть использованы пассивно-активные ПНВ на основе ЭОП, НТВС, ТПВ-приборы, теплообнаружители (ТПО), дневные ТВ-системы (ДТВС) или дневные оптические приборы (ДОП), активно-импульсные (АИ) ПНВ и радиолокационные станции (РЛС).

Пассивно-активные ПНВ на основе ЭОП сравнительно просты и дешевы, обеспечивают видимость как объекта наблюдения, так и окружающего его фона (местности) независимо от температурных контрастов объекта и фона. Но эти приборы не могут работать при пониженном уровне естественной ночной освещенности (ЕНО) в пассивном режиме (при этом используется активный режим – подсвет объекта излучением встроенного в ПНВ инфракрасного (ИК) осветителя, что демаскирует прибор ночного видения), при ухудшенной прозрачности атмосферы (дымка, туман, дождь, снегопад и пр.), при воздействии световых помех и при низких светотехнических природных контрастах объекта с фоном. К тому же эти ПНВ не могут точно измерять дальность до объекта.

Дневные оптические приборы имеют более высокое качество изображения, передают естественный цвет, просты, дешевы, но неработоспособны ночью и имеют те же недостатки, что и ПНВ на базе ЭОП. Для точного измерения дальности их используют в качестве визира лазерного дальномера (ЛД).

НТВС и ДТВС по сравнению с приборами на базе ЭОП и дневными оптическими приборами обеспечивают дублирование и дистанционную передачу изображения, его обработку в реальном масштабе времени, простое представление буквенно-цифровой и символьной информации, до определенного предела – подавление световых помех и точное измерение координат. Но все главные недостатки приборов ночного видения на базе ЭОП и ДОП характерны для низкоуровневых и дневных телевизионных систем соответственно. Кроме того, качество изображение в НТВС и ДТВС несколько ниже, чем соответственно в приборах ночного видения и дневных оптических приборах с окулярным выводом изображения.

Тепловизионные приборы могут работать во многих случаях при пониженной прозрачности атмосферы, в пыли и в дыму и при воздействии световых помех, если их спектр не совпадает со спектральным диапазоном работы ТПВ-прибора. Последний функционирует независимо от уровня естественной ночной освещенности и светотехнических контрастов объекта и фона, способен обнаруживать даже скрытые объекты по их тепловому излучению. Но по сравнению с низкоуровневыми телевизионными системами ТПВ-приборы имеют слабую детализацию изображения и специфический его характер. Качество изображения сильно зависит от температурных контрастов объекта и фона. Тепловизионные приборы не могут работать в некоторых видах туманов. В них трудно увидеть линию горизонта, а иногда и фон. Приборы сложны, дороги, в ряде случаев используют низкотемпературное (криогенное) охлаждение до 77 80 К, не способны точно измерять дальность до объекта.

Теплообнаружители, в отличие от ТПВ-приборов, используются не для получения полноценного изображения, а лишь отметки о наличии в поле зрения теплоизлучающего объекта. ТПО проще, дешевле тепловизионных приборов, не требуют охлаждения, но в остальном имеют те же недостатки.

Принцип действия активно-импульсных ПНВ основан на импульсном лазерном подсвете объектов наблюдения и синхронизированном с ним импульсным управлением (стробированием) ЭОП в приемной части ПНВ. Активно-импульсные приборы ночного видения обеспечивают рекордные дальности опознавания объектов независимо от уровня ЕНО и светотехнических контрастов объектов и фонов, работают при воздействии световых помех независимо от их спектра, при пониженной прозрачности атмосферы и обеспечивают измерение дальности до объектов с точностью не хуже, чем у современных лазерных дальномеров. Они могут быть выполнены и в виде АИ НТВС со всеми характерными для них преимуществами. Но активно-импульсные ПНВ бессильны в дымах и в некоторых видах туманов. При работе в активно-импульсном режиме (АИ ПНВ могут работать и в пассивном режиме, как обычные ПНВ) видно только изображение объекта, а фон отсекается. Однако повышенная дальность действия, ее точное измерение и помехозащищенность обеспечивается только в АИ-режиме. Малое поле зрение, определяемое узким углом подсвета лазерного осветителя, препятствует поиску объектов в АИ-режиме. Поиск необходимо осуществлять в пассивном режиме работы. Но здесь приходится столкнуться со всеми недостатками пассивного режима ПНВ на базе ЭОП и с невозможностью достигнуть в этом режиме дальности обнаружения объекта, сопоставимой с дальностью опознавания в АИ-режиме.

РЛС могут работать практически в любых условиях дня и ночи, при наличии световых и пыледымовых помех, независимо от уровня естественной ночной освещенности, светотехнических и температурных контрастов, при пониженной прозрачности атмосферы. РЛС точно измеряют дальность до объекта и его координаты. Однако РЛС подвержены воздействию радиотехнических помех, не всегда могут обеспечить опознавание элементов местности и объектов. С РЛС сложно работать по неподвижному объекту.

Таким образом, ни одно из перечисленных средств не работает во всем диапазоне изменения внешних условий, поэтому отдельные приборы в виде каналов объединяются в МПНВ. При этом наиболее перспективны следующие комбинации каналов:

1. ПНВ на базе ЭОП + ДОП (ЛД).
2. ТПО + ПНВ на базе ЭОП.
3. НТВС + ТПВ-прибор (+ ЛД).
4. ДТВС + ТПВ-прибор (+ЛД).
5. АИ ПНВ (АИ НТВС) + ТПВ-прибор.
6. РЛС + ТПВ-прибор + АИ ПНВ (АИ НТВС).

Из всех этих сочетаний наиболее удачным является МПНВ на базе комбинации 5. Оно гарантирует круглосуточную и всепогодную работу при наличии световых и пыледымовых помех, точное измерение дальности и координат в сочетании со сравнительно низкими массой, габаритами и энергопотреблением. Здесь реализуется высокая адаптивность, модульный принцип построения и автоматизированный контроль параметров МПНВ. Вывод изображений АИ- и ТПВ-каналов на единый телевизионный монитор позволяет перейти к интегрированному МПНВ, а применение встроенной микро-ЭВМ – автоматизировать систему. Применение комбинации 6 еще больше повысит эффективность МПНВ, но это приведет к резкому увеличению массы, габаритов и энергопотребления.

В таблице 1 приведены основные параметры переносных МПНВ наблюдения для работы с треноги. На фото 1 – 6 показан внешний вид этих систем.

Таблица 1. Основные параметры переносных МПНВ, устанавливаемых на треноге.

Фото 1.

Фото 2. “Беркут-1”, Россия

Фото 3. “Циклон – OL/TV”, Россия

Фото 4. Insight 80 Series, США

Фото 5. “Беркут-2”, Россия

Фото 6. SNORE, Голландия

Тепловизионные каналы всех этих МПНВ работают в области спектра 8 – 14 мкм (наиболее эффективной в наземных условиях), за исключением системы на рис. 2, работающей в области 3 – 5 мкм. В АИ-каналах всех изображенных систем установлен ЭОП поколения 2+ и осветители на базе мощных импульсных лазерных полупроводниковых излучателей.

На фото 7 представлен установленный на треноге МПНВ ALATS фирмы Litton Laser Systems (США). Он включает тепловизор (или НТВС), лазерный дальномер (длина волны 1,55 мкм), микро-ЭВМ, блок измерения углов по горизонту и вертикали, приемник сигналов РЛС, треногу с лимбом. Дальность обнаружения объектов 10 км, их опознавания – 5 км [19].

Фото 7. МПНВ ALATS, США

Кроме переносных систем, используются удерживаемые в руках комбинированные МПНВ на основе комбинации 2. Их основные параметры приведены в таблице 2, а внешний вид – на фото 8 10. Теплообнаружитель выполнен на базе неохлаждаемого пироэлектрического фотоприемника и работает в области спектра 8 – 14 мкм. Эти МПНВ нужны для поиска пострадавших во время стихийных бедствий, в шахтах и пр.

Таблица 2.

Малогабаритные МПНВ (ПНВ на базе ЭОП + ТПО)

Фото 8. Портативный прибор ночного видения с теплообнаружителем “Изумруд”, Россия

Фото 9. Очки ночного видения с теплообнаружителем Александрит”, Россия

Фото 10. ПНВ Thermopoint+AN/PVS-4, США

Однако наибольшее распространение получили комбинированные системы с комбинацией 3 5. При их реализации возникает проблема оптимального совмещения изображений тепловизионного и низкоуровнего телевизионного каналов. Трудность связана с разными законами развертки изображения по кадру, различными ее скоростями и форматами кадра. При этом возможно полное совмещение ТПВ- и ТВ-изображений, их приведение к единому телевизионному стандарту с последующим отображением на едином ТВ-мониторе путем суммирования видеосигналов. Но более рациональный способ совмещения изображений вытеснение части ТВ-изображения ТПВ-изображением. При этом в центральной части телевизионного растра формируется прямоугольное “окно”, в котором представляется ТПВ-изображение. При использовании цветного телевизионного монитора изображение НТВС (ДТВС) канала обычно представляется с преобладанием зеленого, а тепловизионного канала – красного цвета. Подробно проблема совмещения ТПВ- и ТВ-изображений раскрыта в работе /10/.

На рис. 1 представлен внешний вид наголовного комбинированного МПНВ с дистанционной передачей изображения.

Рис. 1. Внешний вид наголовного комбинированного МПНВ с дистанционной передачей изображения

1 – объектив дневного канала;
2 – объектив тепловизионного канала;
3 – дихроичные зеркала;
4 – объектив импульсного лазерного осветителя;
5 – ТВ-монитор;
6 – выдвижная приемо-передающая антенна;
7 – электронный блок обработки изображения;
8 – наголовное крепление;
9 – микро-ЭВМ;
10 – индикатор уровня освещенности;
11, 12 – кнопки включения ТПВ- и АИ НТВС-каналов;
13 – объектив лазерного дальномера;
14 – объектив приемной части АИ НТВС-канала.

В такой системе с помощью микро-ЭВМ (9) интегрируются изображения ТПВ- и АИ НТВС-каналов. При высоком уровне освещенности работает дневной канал. Дихроичные зеркала (3) имеют покрытия, отражающие излучение в области спектра свечения экрана ТВ-монитора в глаз оператора и пропускающие излучение в остальной части видимого спектра. Такое “сквозное” видение обеспечивает одновременное наблюдение оператором изображения с экрана и окружающей местности. Это позволяет при вождении транспорта избежать засветки НТВС-канала при его работе в пассивном режиме избыточным излучением светящихся приборов пульта управления. Лазерный дальномер с безопасной для зрения длиной волны 1,55 мкм работает днем, а ночью – дальномер АИ НТВС-канала. Индикатор (10) определяет уровень естественной освещенности для автоматической регулировки яркости АИ НТВС-канала при его работе в пассивном режиме. Блок (7) обеспечивает обработку изображений в реальном масштабе времени (вычитание шумов, повышение контраста и пр.), преобразование тепловизионного изображения в телевизионный стандарт и введение в МПНВ служебной информации. С помощью спутниковой системы связи в систему заводятся навигационные данные. Для МПНВ с большей дальностью действия возможна его компоновка за плечами оператора в ранце (рис. 2).

Рис. 2. Вариант компоновки комбинированного МПНВ за плечами оператора

1 – объектив импульсного лазерного осветителя;
2 – объектив приемной части АИ НТВС-канала;
3 – приемо-передающая антенна;
4, 8 – объективы дневного канала;
5 – дихроичные зеркала;
6 – наголовное крепление;
7 – ТВ-монитор;
9 – корпус МПНВ в ранце.

При использовании МПНВ в автономных роботизированных комплексах необходимо автоматическое распознавание объектов. В настоящее время эта задача решается с помощью встроенной микро-ЭВМ, работающей по определенной программе. Однако с целью повышения быстродействия и привлечения большего числа эталонной информации целесообразно применить когерентно-оптический коррелятор. Его принцип действия основан на голографическом методе опознавания путем сравнения пространственно-частотного спектра анализируемого изображения объектов и голографических согласованных фильтров в памяти опознающего устройства. Свертка Фурье-образов эталонного и анализируемого изображений преобразуется в корреляционный отклик системы на опознавание. При этом одновременно определяются и координаты анализируемого объекта. Объем памяти одного голографического диска позволяет хранить до 5000 эталонных Фурье-образов. Обработка идет в реальном масштабе времени. При этом может одновременно анализироваться несколько изображений. Современные корреляторы имеют исполнение, пригодное для использования в МПНВ /10/.

Кроме переносных и портативных систем, существуют мобильные МПНВ на подвижных носителях. Они располагаются:

1 – непосредственно на подвижном объекте;
2 – на подъемной мачте, монтируемой на этом объекте.

МПНВ первого типа чаще всего используются на танках, БМП, БТР и являются частью системы управления огнем этих боевых машин. Рассмотрение таких МПНВ заслуживает отдельного обзора. Здесь мы ограничимся описанием наиболее типичных систем, например, многоканального стабилизированного прицела HL-60 (рис. 3) танка Leclerc /11/.

Рис. 3. Многоканальный стабилизированный прицел

1 – ТВ-монитор тепловизионного и низкоуровнего телевизионного каналов;
2 – НТВС-канал;
3 – тепловизионный канал;
4 – ЛД-канал;
5 – дневной оптический канал.

Дневной канал наводчика имеет увеличения 2,5 и 10х. ЛД-канал имеет длину волны 1,06 мкм. Низкоуровневый телевизионный канал выполнен на ПЗС-матрице. Тепловизионный канал выполнен на основе общих модулей и имеет углы поля зрения 1,9х2,9° и 5,7х8,6°. Дневной канал командира, в который встроен ночной канал на базе ЭОП и ЛД, имеет те же увеличения, что и дневной канал наводчика и ту же точность стабилизации 0.05 мрад. Командир имеет свой ТВ-монитор, на который выводится изображение от прицела наводчика. Микро-ЭВМ этих приборов выполняет все необходимые расчеты для нормальной работы системы управления огнем танка, в которую заложен опыт создания бортовой электронной системы для самолета Мираж-2000.

Фирма Avimo (Великобритания) создала прицел “день/ночь” NV-3001 для танков и бронемашин. Он содержит дневной, ночной (на базе ЭОП, ТПВ) и ЛД-каналы. Дневной канал и лазерный дальномер имеют увеличение 8х, угол поля зрения 8°. ЛД-канал имеет длину волны 1,06 мкм. Измеряет дальность в пределах 200 – 9995 м с точностью ±5м, канал на ЭОП 2-го поколения имеет увеличение 7х, угол поля зрения 7,5°. Тепловизионный канал имеет увеличение 4,9 и 2х, поле зрения соответственно 2,25х3,8 и 5,6х9,5°, дальность опознавания 1,5 км, обнаружения – 2,5 км. [20].

МПНВ на подъемной мачте получили несколько меньшее распространение. Фирма Celsius Tech Е1есtronics (Швеция) разработала комбинированный МПНВ Lemur /12/ на гиростабилизированной платформе, смонтированной на крыше автомашины. Угол обзора по горизонту составляет 360°, по вертикали +35° -20°. В состав системы входит тепловизионный канал, работающий в области спектра 7,5 – 10,5 мкм и имеющий два угла поля зрения: 9х6,75° и 3х2,25°, дневной телевизионный канал с полем зрения 16х12° и лазерный дальномер с длиной волны 1,064 мкм, измеряющий дальность в пределах 200 – 10000 м.

Фирма Radamec Defence Systems (Израиль) разработала систему Radamec System 1000L (фото 11) /13/. Система включает:

• тепловизионный канал фирмы Agema (Швеция), модель Thermovision 1000 для области спектра 8 – 12 мкм с температурным разрешением 0,1 К, углами поля зрения 5/20°, либо 2/8°, массой 7 кг, энергопотреблением 55 Вт при питании от бортовой сети 22 – 35 В;
• низкоуровневый телевизионный канал (модель НК202-004) на базе ПЗС-матрицы с использованием вариообъектива, изменяющего угол поля зрения с 21 х16° до 2,1 х1,6°, и массой 10 кг;
• поворотное устройство на гиростабилизированной платформе, обеспечивающее угол обзора по горизонту ±190°, по вертикали от +60° до -30° при скорости обзора 60°/с. Разрешающая способность системы 0,5 мрад, точность гиростабилизации до 3′, масса 25 кг, энергопотребление 100 Вт, высота подъема телескопической мачты – до 4 м.

Фирма Texas Instruments (США) разработала мачтовую систему разведки HSS (Hunter Sensor Suite), включающую ТПВ-прибор переднего обзора (FLIR) 2-го поколения, ДТВ-канал, лазерный дальномер, акустические датчики. МПНВ устанавливается на автомашине повышенной проходимости HMMWV /14/.

В Германии фирмы Krauss Maffei, Euromissil, MAN, MBB создали противотанковую систему EPLA (Elevirable Platform), предназначенную также и для борьбы с вертолетами. В состав системы входит гиростабилизированный прицел “день/ночь”. Весь комплекс установлен на мачте с высотой подъема до 13 м, монтируемой на армейском грузовике 8х8 LKW. На этой же мачте установлены и ПТУР НОТ. Дальность действия системы 1,9 – 4,5 км, угол обзора по горизонту 360°. Один из вариантов системы предусматривает размещение всего боевого расчета (3 человека) на подъемной платформе вместе с приборным комплексом и оружием, другой размещение боевого расчета в кабине машины. В состав системы входит РЛС, ДТВ, ТПВ-прицел MIRA , широкоугольный ПНВ для обзора местности, ночной перископ кругового обзора со стабилизированной зеркальной головкой для передачи изображения в ТВ-канал со сверхвысоким разрешением 1242 ТВ-линий. В боевое положение платформа переводится за 2 минуты. Подъем платформы на полную высоту осуществляется за 12 с. Характер установки мачты с платформой на грузовике показан на фото 12 [15].

Фото 12. Противотанковая система EPLA, монтируемая на армейском грузовике.

Фирма MCCS (Великобритания) разработала гиростабилизированную систему VISTAR IM 405, установленную на телескопической мачте высотой до 8м, смонтированной на автомобиле Landrover. Система состоит из НТВС и ТПВ-канала, рассчитанного на область спектра 8 – 12 мкм. Угол обзора по горизонту ±170°, по вертикали – ±30° [16].

Фирма АВ Wide (США) создала мачтовую систему ТМ170/4,7-1,0 с массой 45 кг, установленную на автомобиле Landrover. Пределы подъема: 1 – 4,7 м за время 20 с. Системы ТМ170/10-1,9 ТМ170/15-2,7 той же фирмы могут быть подняты на высоту мачты соответственно до 10 и до 15 м, имеют массу 70 и 100 кг, время подъема 40 и 60 с [17].

Фирма Thomson-TRT Defense (Франция) разработала мачтовую систему MOS 2, которая может быть смонтирована на разных гражданских или военных автомашинах для применения в полиции, для спецподразделений и для передовых наблюдателей. Система включает ТПВ-, НТВС- и ЛД-каналы, установленные на гиростабилизированной платформе. Может работать круглосуточно и в любую погоду, обеспечивая наблюдение объектов и измерение дальности до них с точностью до 5 м. Бортовой компьютер обеспечивает автоматическое обнаружение, сопровождение объектов и нанесение их положения на карте. Предусмотрено панорамное наблюдение местности [18].

Описанные выше мачтовые многоканальные системы фактически являются разновидностью вертолетных систем наблюдения и прицеливания, о которых автор надеется рассказать в следующем обзоре.