Modernización de dispositivos de visión nocturna.

Modernización de los dispositivos de visión nocturna.

ARKHUTIK Stepan Trofimovich,
VOLKOV Viktor Genrikhovich, candidato de ciencias técnicas, profesor asociado,
ZAYTSEVA Elena Ivanovna,
SALIKOV Vyacheslav Lvovich,
EL UCRANIANO Sergey Alekseevich

Los dispositivos de visión nocturna (NVD) se utilizan ampliamente en equipos especiales para proporcionar observación y orientación al anochecer y por la noche. Al mismo tiempo, existe un problema de mejora continua de sus parámetros.

Este problema se puede solucionar de dos maneras:
— desarrollo de nuevos dispositivos de visión nocturna;
— modernización de los NVG en serie existentes.

La primera forma permite mejoras cualitativas significativas en los parámetros de NVG, pero es bastante costosa y requiere una importante inversión de tiempo. La segunda forma permite, a primera vista, lograr resultados más modestos, pero conduce a la solución de muchos problemas con un gasto mínimo de dinero y tiempo.

Esto es especialmente evidente en relación con los NVG para vehículos blindados (BTT) [1]. Muchos objetos BTT en serie están equipados con NVG fabricados a base de convertidores electroópticos (EOC) de generación cero. Estos dispositivos de visión nocturna incluyen la mira nocturna del artillero TPN-1, instalada en los tanques T-55, T-62, T-64,

T-72, la mira nocturna del artillero TPN-3 (tanques T-72, T-80), mira combinada día-noche BPK-2 (vehículo de combate de infantería BMP-2).

Los tubos intensificadores de imagen de generación cero con un fotocátodo de oxígeno, plata y zinc permiten el funcionamiento del NVD solo en modo activo (con iluminación de foco IR) y con un fotocátodo multiálcali (con excepción de los fotocátodos de baja sensibilidad) solo en modo pasivo ( sin iluminación). Mientras tanto, los dispositivos de visión nocturna deberían funcionar principalmente en modo pasivo y sólo en noches especialmente oscuras en modo activo. Los tubos intensificadores de imagen de generación cero tienen una resolución bastante alta sólo en la parte central del campo de visión.

En el borde del campo de visión, la resolución disminuye entre 4 y 5 veces con respecto al centro [2]. Debido a las dimensiones limitadas permitidas para colocar NVD en la cavidad interna de objetos BTT, para los NVD anteriores es necesario utilizar únicamente tubos intensificadores de imagen de una sola cámara con una ganancia de brillo baja.

Esta circunstancia, combinada con la baja sensibilidad de los fotocátodos, los tubos intensificadores de imagen de generación cero limitan drásticamente el rango de visión.

En este sentido, los NVG con este tipo de intensificadores de imagen proporcionan visión sólo durante el 40% del tiempo de oscuridad del día. Los tubos intensificadores de imagen de generación cero tienen una baja inmunidad al ruido ante los efectos de la radiación de interferencia luminosa (destellos de disparos, explosiones, etc.).

Esta radiación ilumina todo el campo de visión del Dispositivos de visión nocturna. La única forma de lidiar con las interferencias de luz es apagar los dispositivos de visión nocturna mientras dure su exposición.

El brillo de la pantalla intensificadora de imágenes depende del nivel de iluminación nocturna natural (NIL). Las dimensiones del tubo intensificador de imágenes de generación cero son relativamente grandes. Su única ventaja en comparación con los tubos intensificadores de imagen de generaciones anteriores es su coste más bajo. Sin embargo, esta ventaja no compensa todas las desventajas enumeradas de estos tubos intensificadores de imagen.

En este sentido, la modernización de los NVG debería asociarse principalmente con la sustitución de los tubos intensificadores de imagen de generación cero. tubos intensificadores con los tubos intensificadores de imágenes en serie más avanzados de las generaciones II+ y III.

Estos tubos intensificadores de imagen, debido a la mayor sensibilidad del fotocátodo y a una importante ganancia de brillo (Tabla 1), proporcionan un aumento en el rango de visión de los NVD cuando funcionan en modo pasivo entre 1,5 y 2,5 veces, al tiempo que garantizan este rango durante más de 90 % del día en que hay oscuridad.

La resolución de estos tubos intensificadores de imagen es mayor y se distribuye uniformemente en todo el campo de visión.

Debido a la alta sensibilidad del fotocátodo en la región IR del espectro, los tubos intensificadores de imagen permiten el funcionamiento NVD tanto en modo pasivo como activo.

El circuito incorporado para ajustar automáticamente el brillo del intensificador de imágenes garantiza un brillo constante de la pantalla en una amplia gama de cambios en el nivel de ENO.

La presencia de placas de microcanales en el intensificador de imágenes permite, hasta cierto punto, localizar la emisión de interferencias luminosas en aquellas zonas del campo de visión donde se producen sin provocar la iluminación de todo el campo de visión del NVG.

Esto le permite mantener la continuidad de la observación cuando se expone a una serie de interferencias de luz.

Las dimensiones de estos intensificadores de imágenes son significativamente menores que las del intensificador de imágenes de generación cero.

Esto le permite adaptarse con éxito a las dimensiones de los NVG en serie al reemplazar el intensificador de imágenes.

Preservación de las mismas dimensiones, dimensiones de conexión, unidades de instalación y mecanismos de comunicación de los NVG en serie básicos en el Los NVG modernizados permiten una modernización relativamente simple.

Su costo será del 30% al 40% del costo de desarrollar nuevos NVG, a pesar del mayor costo de los NVG de generaciones II+ y III.

El tubo intensificador de imágenes de generación III tiene, en comparación con el tubo intensificador de imágenes de generación II+, una mayor sensibilidad del fotocátodo, lo que proporciona un aumento del 20% en el rango de visión en condiciones nocturnas particularmente oscuras. Sin embargo, su coste es entre 3 y 4 veces mayor que el de los tubos intensificadores de imagen de generación II+.

En este sentido, estos últimos se han utilizado más ampliamente para modernizar los NVG.

Tabla 1. Parámetros comparativos del intensificador de imágenes para dispositivos de visión nocturna existentes y modernizados

<

Sin embargo, la modernización de los dispositivos de visión nocturna no puede limitarse sencilla sustitución de un intensificador de imagen por otro.

Dado que los tubos intensificadores de imagen de las generaciones II+ y III tienen un campo de visión mayor y, en el futuro, una resolución muy alta, que alcanzará 64 – 82 líneas/mm en las mejores muestras extranjeras [2, 3], es necesario modernizar el Óptica NVD. Para lograr esto, se desarrolló una nueva lente Sirius-N”.

La lente opera en un amplio rango espectral l = 540 — 900 nm, tiene una distancia focal de 173,6 mm, una apertura relativa de 1: 1,7.

Su pupila de entrada con un diámetro de 100 mm coincide con la primera superficie de la lente.

El diagrama de la lente se muestra en la Fig. 1.

Los valores calculados de los coeficientes de transferencia de modulación en un punto del eje a una frecuencia espacial de 50 mm-1 de la nueva lente Sirius-N son aproximadamente un 50% más altos que los de las lentes de serie Helios-PA y Sirius-PA. .

Esto cumple con los mayores requisitos para la lente de entrada NVD. La lente contiene siete componentes ópticos, y el séptimo componente tiene forma de menisco, desplazado una cantidad específica con respecto al bloque de lente principal.

Esto hizo posible aumentar el campo de visión de la lente a 2w = 80 debido a la alta corrección de la curvatura del campo de visión y las amplias aberraciones de los haces inclinados.

La curvatura del campo de visión no supera los 0,017 mm para el borde del campo de visión.

Este grado de corrección de la aberración permitió obtener coeficientes de transferencia de modulación en la región espectral de 540 — 900 nm de al menos:

— 0,75 para un punto en el eje para la frecuencia N = 30 mm-1;
— 0,58 para un punto en el eje para la frecuencia N = 60 mm-1;
— 0,55 para w = 40 para frecuencia N = 30 mm-1;
— 0,28 para w = 40 para frecuencia N = 60 mm-1.

Fig. 1. Esquema de la lente Sirius-N

Los valores altos de los coeficientes de transferencia de modulación para todo el campo de visión proporcionan un mayor contraste de la imagen de los objetos de observación en comparación con las lentes Helios-PA y Sirius-PA de serie.

Los resultados del cálculo de la lente Sirius-N se simularon sintetizando la imagen del objeto (mundo de tres durmientes) en el programa OPAL, así como analizando la imagen del objeto observado obtenida mediante el programa VOB, ubicado en una situación real del terreno a varias distancias del dispositivo de visión nocturna.

El modelado por computadora ha demostrado que debido a una mayor distancia focal (y, en consecuencia, una mayor escala de imagen), así como Debido al mayor contraste de la imagen en comparación con las lentes de serie, el uso de la lente Sirius-N permite aumentar el rango de reconocimiento de objetos en observaciones NVG en un 20%.

En los NVG modernizados de las generaciones II+ y III, para alcanzar sus dimensiones mínimas y una alta calidad de imagen, utilizan la transferencia directa del fotocátodo a la pantalla sin girar 180°.

En los NVG en serie, se utilizaron intensificadores de imagen inversores de generación cero, en los que la imagen se giraba 180°. En este sentido, en los NVG modernizados, en lugar de un ocular, se utiliza un sistema de ocular con envoltura de imagen (Fig. 2).

La longitud de onda de diseño del sistema ocular es de 546 nm con un rango de acromatización de 530.560 nm, campo de visión lineal de 18 mm, aumento de 0,5c, apertura numérica del espacio del objeto Sin U = 0,136, distancia ocular de 20 mm con un diámetro de 7 mm.

En dicho sistema hay un plano de imagen adicional, que se puede utilizar para ingresar imágenes de la escala de puntería, indicador LED de rango y otra información de servicio en el sistema ocular.

En la mira TPN-3, se utilizó un tubo intensificador de imagen con un fotocátodo multialcalino para el funcionamiento en modo pasivo, y un tubo intensificador de imagen con un fotocátodo de oxígeno, plata y zinc para funcionamiento en modo activo.

Para pasar de un modo a otro se sustituía el correspondiente intensificador de imágenes, girando en el tambor con posterior fijación.

En la mira TPN-3 modernizada, en lugar de dos tubos intensificadores de imagen, se utiliza un tubo intensificador de imagen para operar en ambos modos, por lo tanto, en el espacio libre en el tambor giratorio, en lugar del tubo intensificador de imagen, se instala una óptica envolvente; está instalado un sistema (Fig. 3), que, junto con la lente NVG y el ocular del sistema ocular para El intensificador de imagen forma el canal de observación y orientación diurna.

Así, cuando Al cambiar las posiciones del tambor, es posible garantizar el funcionamiento de los canales nocturno o diurno.

Arroz. 2. Diagrama del sistema ocular de los NVG modernizados TPN-1, TPN-3, BPK-2: 1 – intensificador de imagen; 2 – sistema de envoltura (óptica de transferencia), 3 – ocular

Fig. 3. Diagrama del sistema de envoltura óptica del canal diurno del NVG TPN-3 modernizado: 1 plano de objeto; 2 – plano de la imagen

Propuesta simultáneamente con la modernización de los dispositivos de visión nocturna, la sustitución de los focos de radiación infrarroja (IR) basados ​​en lámparas incandescentes y lámparas de descarga de gas por un foco unificado de pequeño tamaño basado en un eficaz láser semiconductor permite no sólo aumentar el rango de visibilidad en el modo de funcionamiento activo, sino también aumentar la inmunidad al ruido y la eficiencia del complejo en su conjunto en condiciones de funcionamiento, especialmente desde que en 1991 se interrumpió la producción de lámparas de xenón en la Planta de Lámparas Eléctricas de Riga.

El foco PL-1 [1] (foto 1) contiene una única unidad que combina funcionalmente un emisor láser, una fuente de alimentación y un sistema óptico de formación, así como un sistema de calefacción para el cristal protector.

Conexión eléctrica del objeto con El proyector PL-1 se suministra con un cable del kit de instalación. Utilizando el kit de instalación incluido en el foco, es posible sustituir focos de lámpara fabricados antes

1991 por el foco PL-1 directamente en las instalaciones de BTT sin modificaciones en los elementos estructurales de la instalación. .

Foto 1. Foco láser PL-1

El foco forma un punto de radiación de forma rectangular con una distribución uniforme de la intensidad de la radiación, lo cual es conveniente para el operador, mientras que los focos de las lámparas forman un punto con una forma de campana, no uniforme. distribución.

Las ventajas del reflector PL-1 son también sus menores dimensiones y peso (Tabla 2), lo que reduce significativamente su vulnerabilidad. El foco PL-1 se caracteriza por un menor consumo de energía y una mayor vida útil en comparación con sus análogos existentes.

Esto elimina defectos de los focos de lámpara como explosión de la lámpara, falta de encendido e inestabilidad del brillo. , destrucción del reflector y del filtro de luz al explotar una lámpara, etc.

También cabe destacar la buena correspondencia espectral del foco láser PL-1 con el fotocátodo del intensificador de imagen. tubo de generaciones II+ y III.

La cuestión de la modernización de los NVD asociados con el uso de un foco láser merece una consideración aparte, por lo que aquí nos hemos limitado a las consideraciones principales que son importantes desde el punto de vista de la modernización.

Tabla 2. Parámetros comparativos de lámparas de infrarrojos y focos láser

En la mesa. La Figura 3 muestra los parámetros comparativos de los NVG en serie y modernizados (fotos 2 a 4). La ventaja de este último es obvia.

Tabla 3. Parámetros comparativos de dispositivos de visión nocturna existentes y modernizados

Foto 2. Dispositivo de visión nocturna TPN-1 actualizado y su posición en el tanque

Foto 3. NVG TPN-3 actualizado y su posición en el tanque

Foto 4. NVD BPK-2 modernizado y su posición en el BMP-2

La presencia de un plano de imagen adicional en el sistema ocular NVD permite completar el siguiente paso de modernización: introducir un televisor (canal de televisión) en el sistema NVG.

Para ello, retire el ocular del sistema de oculares e inserte en su lugar una cámara de televisión basada en una matriz CCD.

El plano de imagen del sistema de oculares coincide con el elemento fotosensible del Cámara de TV (Fig. 4 ).

Esta última se puede utilizar, por ejemplo, el modelo WAT-902H de Watec, Japón (foto 5) [4].

Esta cámara de TV de 1/2 pulgada tiene una sensibilidad de 3×10-4 lux, una resolución de 570 líneas de TV, una relación señal-ruido de 50 dB, una corriente de alimentación de 170 mA con un voltaje CC de 12 V, una peso de 90 g, y dimensiones de 34x34x58 mm.

Para observar la imagen del televisor se puede utilizar el monitor de TV de cristal líquido KB Display, especialmente diseñado para instalaciones BTT [5]. El monitor de TV MDC 066 (foto 6) tiene un tamaño de pantalla de 18,4×13,8 cm, brillo de pantalla de hasta 800 cd, resolución de 600×600 píxeles, consumo de energía de 40 W cuando se alimenta con una fuente de alimentación de 27 V CC, peso 2,5 kg, dimensiones 196x192x90 mm, rango de temperaturas máximas de funcionamiento (-60) – (85)0 C. [5]. Debido a la pérdida de calidad de imagen en el canal de televisión, el rango de visión de los NVG se reducirá en un 20%.

Sin embargo, esta desventaja se compensa con muchas ventajas de la televisión. NVG:

    — duplicar la imagen para el artillero y comandante del objeto BTT;
— posibilidad de transmisión remota de imágenes;
— introducción de la escala de puntería, así como cualquier información alfanumérica y simbólica en el canal electrónico de la cámara de televisión;
— supresión adicional de interferencias luminosas en el canal de televisión;
— corrección automática de la calidad de la imagen en tiempo real;
— ajustando el contraste y el brillo de la imagen.

Foto 5. Cámara de TV WAT-902H

Fig. 4. Un ejemplo de acoplamiento óptico de una cámara de TV WAT-902H con un intensificador de imagen: 1 – tubo intensificador de imagen, 2 – sistema de envoltura del sistema de ocular, 3 – cámara de TV

Foto 6. Monitor de TV MDC 066

El siguiente paso de la modernización es la introducción de un modo operativo de pulso activo (AP) de los NVD.

La esencia del modo IA se reduce a lo siguiente [6]. El objeto observado se ilumina mediante breves pulsos de luz, cuya duración es significativamente menor que el tiempo de propagación de la luz hacia el objeto y viceversa.

En este caso, el objeto se observa en un dispositivo de visión nocturna equipado con un obturador de alta velocidad que se abre al tiempo que envía pulsos de luz a un tiempo determinado.

En el caso de que el retraso entre el momento en que se emite el pulso y el momento en que se abre el obturador sea igual al doble del tiempo necesario para que la luz recorra la distancia hasta el objeto y regrese, el observador verá solo el objeto en sí y el área del espacio que lo rodea inmediatamente.

La profundidad de este espacio está determinada tanto por el tiempo que el obturador está abierto como por la duración del pulso de luz.

El tubo intensificador de imagen de generaciones II+ y III se utiliza como obturador de alta velocidad y el iluminador láser pulsado PL-1 se utiliza como fuente de pulsos de luz cortos. El control de pulso (estroboscópico del tubo intensificador de imagen) y el funcionamiento pulsado del iluminador láser sincronizado con él se lleva a cabo mediante una unidad de activación especial.

Ventajas de la IA modo:

• Aumentar el contraste en la imagen del objeto observado y, por lo tanto, el alcance de los NVG (en los NVG considerados hasta 1800 — 2000 m) debido a:
  • cortar por retardo la radiación de retrodispersión, que en los dispositivos de visión nocturna activa convencionales se superpone a la imagen del objeto observado y reduce el contraste de su imagen incluso en condiciones de transparencia atmosférica normal o ligeramente degradada; al mismo tiempo, el modo AI es más efectivo en aquellas brumas, nieblas, etc., donde los dispositivos de imágenes térmicas son menos efectivos;
  • atenuación igual al ciclo de trabajo del dispositivo, radiación dispersa en la atmósfera, determinada por el nivel de iluminación natural;
  • cortar la imagen de fondo.
• La introducción del modo AI le permite medir la distancia al objeto observado: dado que la imagen del objeto observado aparece solo con un cierto valor de retraso correspondiente a la distancia al objeto, entonces, según el valor de retraso, es posible medir la distancia al objeto con una precisión de ± 10 my superior; a diferencia de los telémetros láser convencionales, esto elimina la posibilidad de emitir un valor de alcance falso debido a la reacción del telémetro a objetos aleatorios ubicados entre el objetivo y los dispositivos de visión nocturna; ya que en AI NVD estas señales falsas son cortadas por un retraso.
• La introducción del modo AI permite aumentar la inmunidad al ruido de los NVD en 1000 veces debido a la supresión de la interferencia de la luz en un número de veces igual al ciclo de trabajo de los NVG, así como gracias a la selección espectral asociada. con la instalación de un filtro de banda estrecha delante del fotocátodo del intensificador de imagen con una banda de paso correspondiente al espectro de radiación del iluminador láser.

El modo AI tiene dos desventajas:
— desenmascaramiento asociado al modo de funcionamiento activo;
— la imposibilidad práctica de buscar en modo IA, porque la búsqueda debe realizarse no sólo a través del campo, sino también con una luz estroboscópica estrecha en profundidad.

En este sentido, a un nivel ENO normalizado, la búsqueda debe realizarse en modo pasivo. El rango de detección de objetos en este modo suele ser entre 1,3 y 1,5 veces mayor que el rango de reconocimiento.

Por lo tanto, cuando se detecta un objeto en modo pasivo, se reconoce y se mide la distancia a la que se encuentra. se mide en modo AI; cuando se reduce el nivel de ENO, la búsqueda se realiza en modo activo-continuo.

El reflector PL-1 funciona en el modo de pulso necesario para la implementación de AI NVD (su frecuencia de operación es de 5,2 kHz con una duración del pulso de retroiluminación de 130 ns); requiere modificaciones menores para garantizar la sincronización con los dispositivos de visión nocturna.

El bloque de activación, el medidor de intervalo de tiempo y el indicador de alcance se pueden tomar prestados del dispositivo Sozh” [1]; sólo será necesaria su adaptación constructiva a dispositivos de visión nocturna.

Se debe prestar especial atención a la cuestión de la observación de objetos durante el movimiento mutuo en profundidad del objeto de observación y el objeto BTT, el portador del AI NVD.

Durante este movimiento, el operador debe cambiar continuamente el retraso para que la imagen del objeto de observación no vaya más allá de la luz estroboscópica. Sin embargo, esto distraerá al operador de sus funciones directas.

Por lo tanto, existen dos posibles soluciones a este problema.

• Se introduce un retraso constante que corta la parte cercana del espacio frente al AI NVD, lo que contribuye en gran medida a la cantidad de retrodispersión de la radiación de iluminación y, en consecuencia, a la reducción del contraste de la imagen; Esta es la solución más sencilla, pero conducirá a la imposibilidad de medir la distancia al objeto de observación y a una disminución del grado de protección contra las interferencias luminosas.
• Se inserta un fotodetector en la parte ocular del AI NVD (o frente a la cámara de TV, si el AI NVD contiene un canal de TV); Simultáneamente, la unidad de activación, además de la luz estroboscópica principal, genera dos luces estroboscópicas auxiliares antes y después de la luz estroboscópica principal, respectivamente, con una frecuencia diferente de la frecuencia de la luz estroboscópica principal y despreciablemente pequeña para que el operador no reaccione a las imágenes dentro. estas luces estroboscópicas [7]. Supongamos que una de las luces estroboscópicas auxiliares tiene una frecuencia de 10 Hz y la otra tiene una frecuencia de 15 Hz. Si el objeto de observación va más allá de la luz estroboscópica principal y cae dentro de la luz estroboscópica con una frecuencia de 10 Hz, aparecerá una señal eléctrica con esta frecuencia en el circuito del fotodetector. En este caso, aparecerá una señal diferencial en el comparador de la unidad de activación, que cambiará el retardo hasta que desaparezca la señal con una frecuencia de 10 Hz, es decir. hasta que el objeto vuelva a estar dentro de la luz estroboscópica principal. Cuando un objeto cae dentro de los límites de otra luz estroboscópica auxiliar, aparecerá una señal con una frecuencia de 15 Hz. Luego aparecerá una señal de diferencia, cambiando el retardo hasta que desaparezca la señal de 15 Hz, es decir. hasta que el objeto vuelva a estar dentro de la luz estroboscópica principal. Esto ajustará automáticamente el retraso, asegurando una visibilidad constante del objeto de observación durante el movimiento mutuo de éste y del objeto BTT.

Otras perspectivas están asociadas con el uso de la generación II+ y III en lugar de tubos intensificadores de imagen, intercambiables con ellos. Tubos intensificadores de imagen de generaciones III+ y IV [3].

Estos implementan tanto un aumento adicional en la sensibilidad del fotocátodo como un desplazamiento en el límite de sensibilidad de longitud de onda larga a la región espectral de 1,0 — 1,55 micrones.

Al mismo tiempo, el emisor láser semiconductor con una longitud de onda de 0,85 micrones debe sustituirse en el foco láser por un emisor con una longitud de onda de 1,55 micrones.

Esto aumentará drásticamente el contraste en la imagen y mejorar la visibilidad cuando sus condiciones desfavorables, incl. y en humo táctico [3].

En este caso, la radiación a una longitud de onda de 1,55 micrones es invisible para el ojo y segura para él.

Por lo tanto, existen diversas perspectivas para una mayor modernización de los dispositivos de visión nocturna.

Literatura

1. Volkov V.G. Dispositivos de visión nocturna para vehículos blindados./Equipos especiales, 2004, nº 5, p. 2 13; Núm. 6, pág. 2 – 10.
2. Volkov V.G. Convertidores electroópticos. Revista nº 5592, M.: STC Informtekhnika, 2002, 143 págs.
3. Volkov V.G. Dispositivos de visión nocturna de nuevas generaciones./Equipos especiales, 2001, nº 5, p. 2 – 8.
4. Volkov V.G. Sistemas de televisión de ultraalta sensibilidad./Equipos especiales, 2002, 4, p. 2 – 11.
5. Catálogo de KB “Display”. Desarrollo y producción de productos para uso en duras condiciones de funcionamiento: monitores de vídeo sobre paneles planos, monitores de vídeo sobre tubos de rayos catódicos, ordenadores de panel. Bielorrusia, Vitebsk, 2004.
6. Volkov V.G. Dispositivos de visión nocturna de pulso activo./Equipos especiales, 2003, núm. 2, p. 2 – 14.
7. Volkov V.G. Dispositivos de visión nocturna de pulso activo para la observación simultánea de objetos cercanos, lejanos y en movimiento. Complejo de defensa: progreso científico y tecnológico de Rusia, 2001, núm. 1, págs. 89 — 95.