Инфракрасные лазерные прожекторы.

Инфракрасные лазерные прожекторы.

АРХУТИК Степан Трофимович,
ВОЛКОВ Виктор Генрихович, кандидат технических наук, доцент
КОЗЛОВ Константин Валерьевич
САЛИКОВ Вячеслав Львович
УКРАИНСКИЙ Сергей Алексеевич

ИНФРАКРАСНЫЕ ЛАЗЕРНЫЕ ПРОЖЕКТОРЫ

Прибор ночного видения (ПНВ) должен работать не только в пассивном режиме, но и в активном режиме с прожекторным подсветом для обеспечения требуемой дальности действия в условиях особо темных ночей.

Предлагаемая замена прожекторов инфракрасного (ИК) излучения на лампах накаливания и газоразрядных лампах на унифицированный малогабаритный прожектор (типа ПЛ-1) на основе эффективного импульсного лазерного полупроводникового излучателя (ИЛПИ), позволяет не только увеличить дальность видимости в активном режиме работы, но и повысить помехоустойчивость и эффективность работы комплекса в целом в условиях эксплуатации.

Преимуществом применения прожектора ПЛ-1 является и возможность реализации режима активно-импульсного режима работы ПНВ [1].

Прожектор ПЛ-1 представляет собой основанное на базе ИЛПИ новое поколение источников ИК-подсвета. Он содержит единый блок, функционально объединяющий ИЛПИ, блок питания (блок накачки ИЛПИ) и формирующую оптическую систему, а также систему обогрева защитного стекла.

Прожектор ПЛ-1 формирует удобное для оператора пятно излучения прямоугольной формы с однородным распределением энергетической яркости излучения, в то время как ламповые прожектора формируют колоколообразное распределение (рис. 1).

Прожектор ПЛ-1 характеризуется меньшим энергопотреблением и повышенным ресурсом работы по сравнению с существующими аналогами, имеет меньшую массу и габариты [2]. В частности, прожектор ПЛ-1 имеет массу 7,0 кг, габариты 246х174х177 мм, энергопотребление 50 Вт, в то время как ламповый прожектор Л4 имеет аналогичные параметры соответственно 20,5 кг, Ж300х280 мм, 400 Вт.

При этом исключаются такие дефекты ламповых прожекторов, как взрыв лампы, незажигание, нестабильность яркости, разрушение отражателя и светофильтра при взрыве лампы и др. Основные параметры лазерных прожекторов на базе ИЛПИ приведены в табл. 1.

Рис. 1. Распределение интенсивности и форма пятна
подсвета излучения ИК-прожектора

В результате натурных испытаний ПНВ на базе ЭОП поколения II+ и III, имеющего объектив с фокусным расстоянием 150 мм и относительное отверстие 1:1,7, установлено, что дальность распознавания цели ночью, при коэффициенте прозрачности атмосферы на 1 км не менее 0,8 и уровне естественной ночной освещенности местности (3 – 5)x10-3лк соответствовала: 1100 м – 1200 м в пассивном режиме и 1200 м – 1300 м в активном режиме с прожектором ПЛ-1. Это не хуже, чем в случае применения ИК-лампового прожектора Л4.

Следует также отметить хорошее спектральное согласование лазерного прожектора ПЛ-1 с фотокатодом ЭОП поколения II+ и III. В то же время, из-за снижения контраста в изображении вследствие влияния эффекта обратного рассеяния излучения подсвета необходимо применение в ПНВ активно-импульсного режима работы.

Кроме увеличения дальности распознавания до 2 км, наличие активно-импульсного режима позволяет повысить степень защиты от локальных световых помех, обеспечить наблюдение при пониженной прозрачности атмосферы и точное измерение дальности до объекта наблюдения.

Прожектор ПЛ-1 работает в импульсном режиме, соотвестсвующем требованию к реализации активно-импульсного режима работы ПНВ. Требуется незначительная доработка прожектора для обеспечения синхронизации с блоком стробирования ПНВ.

Прожектор выполнен на базе ИЛПИ типа ИЛПИ-114 со следующими параметрами: средняя мощность излучения 0,2 Вт (на выходе оптики осветителя – 0,15 Вт) в конусе с углом при вершине 400, рабочая длина волны – 850 нм, рабочая максимальная частота следования импульсов подсвета – 5,2 кГц, длительность импульса излучения – 130 нс, рабочий ток накачки в импульсе – 50 А на сопротивлении 3,2 Ом.

Оптическая схема прожектора представлена на рис. 2. ИЛПИ 1 создает поток излучения. Фильтр 2 предназначен для коррекции спектра излучения ИЛПИ 1 с целью уменьшения демаскировки работающего прожектора.

Дальность видения излучения ИК-прожектора невооруженным глазом не превышает 200 м.

Линза 3 служит для формирования пятна подсвета требуемых размеров. Она имеет фокусное расстояние 114,5 мм при относительном отверстии 1:1,4.

Прямоугольная форма пятна подсвета определяется формой тела свечения ИЛПИ 1.

Рис. 2. Оптическая схема ИК-прожектора ПЛ-1:
1 – импульсный лазерный полупроводниковый излучатель;
2 – фильтр;
3 – линза;
4 – защитное стекло

Особо следует рассмотреть вопрос об оптике формирования излучения лазерного прожектора [2]. В простейшем случае в качестве такой оптики может быть использована указанная выше линза, рассчитанная на минимум сферической аберрации (рис. 2).

Такая оптика проста, но из-за значительных аберраций излучение сильно рассеивается вне заданного угла подсвета, что приводит к энергетическим потерям, доходящим до 25 – 30 %.

Для снижения аберраций и повышения к.п.д. оптики могут быть рекомендованы линзы с одной асферической поверхностью (рис. 3) [2]. Но для еще большего снижения массы линзы одна из оптических поверхностей может быть выполнена киноформной (рис. 4). Эти линзы имеют фокусное расстояние 115 мм (рис.4а) и 245 мм (рис.4б) и относительное отверстие 1:1,25 (рис. 4а) и 1:1,4 (рис. 4б) Максимальный диаметр кружка рассеяния составляет для линзы по рис. 3а 0,25 мм, по рис.3б – 0,17 мм, по рис. 4а – 0,1 мм, рис.4б 0,2 мм.

В случае применения линз с киноформной поверхностью достигается минимальная масса при минимальных аберрациях. Конкретно для линзы по рис. 4а масса в стекле составляет 0,446 кг, а по рис. 4б – 1,2 кг. Кроме того, линзы по рис. 4 изготавливаются из недефицитного стекла марки К8.

Потери энергии излучения за счет аберраций не превышают 10%. Для работы на различных дальностях целесообразно соответственно изменять и угол подсвета, который можно функционально связать с соответствующим изменением временной задержки в АИ ПНВ.

Для этого может быть использован вместо линзы вариообъектив с плавно изменяемым фокусным расстоянием (рис. 5) [2].

Его фокусное расстояние изменяется в пределах от 60 мм до 240 мм при относительном отверстии 1:1,4.

Угол подсвета соответственно изменяется от 6х30 до 1,5х0,750. Масса объектива в стекле составляет 3,2 кг, габариты Ж180х354,5 мм.

Рис. 3. Асферические линзы для формирования излучения ИК-прожектора:
а – линза с одной параболической поверхностью;
б – линза с одной гиперболической поверхностью

Рис. 4. Линза для формирования излучения ИК-прожектора с одной киноформной поверхностью: с фокусным расстоянием 115 мм (а) и 245 мм (б); К-киноформная поверхность

Рис. 5. Схема вариобъектива

Функциональная схема прожектора ПЛ-1 представлена на рис. 6. Фильтр низкочастотных помех предназначен для подавления помех по цепи питании при работе блока питания ИЛПИ. Фильтр снижает уровень помех до значений, не влияющих на нормальную работу радиостанции и переговорного устройства объекта установки прожектора.

Блок питания ИЛПИ предназначен для формирования импульсов тока накачки ИЛПИ. В блоке питания предусмотрена система управления амплитудой импульсов тока накачки в зависимости от температуры окружающей среды. Амплитуда настраивается индивидуально для каждого конкретного ИЛПИ в соответствии с его температурной характеристикой.

Конструкция прожектора дана на рис. 7. Его основными узлами являются корпус 1, задняя 2 и защитная 3 крышки.

В корпусе прожектора установлены ИЛПИ 4, светофильтр 5 в оправе, линза 6 в оправе, блок питания 7 ИЛПИ, влагопоглотитель 10 и терморегулятор 12. Передняя часть корпуса закрыта защитным стеклом 8 в оправе.

Для предохранения стекла 8 от запотевания и заиндевения используется терморегулятор в сочетании с нагревательным элементом токопроводящим покрытием, нанесенным на внутреннюю поверхность стекла 8.

В крышке 2 установлен дроссель 9, являющийся фильтром низких частот. Защитная крышка 3 в закрытом и открытом состоянии крепится на корпусе винтом 11.

Все системы прожектора работоспособны при напряжении бортовой сети 27+2-5 В, а также сохраняют работоспособность после воздействия импульсного перенапряжения амплитудой до 70 В длительностью до 3 мс. Снижения напряжения бортсети до 10 В длительностью до 1 мин, а также после воздействия напряжения обратной полярности 30 в длительностью до 1 мин.

Рис. 6. Функциональная схема ИК-прожектора ПЛ-1

Рис. 7. Конструкция ИК-прожектора ПЛ-1:
1 – корпус;
2 – крышка;
3 – защитная крышка;
4 – лазерный излучатель;
5 – фильтр в оправе;
6 – линза в оправе;
7 – блок питания;
8 – защитное стекло;
9 – дроссель;
10 – влагопоглотитель;
11 – винт;
12 – терморегулятор

Дальнейшим развитием схемы прожектора ПЛ-1 следует считать лазерные прожектора ОУ-6 и ОУ-6-01 (табл. 1). Их важным достоинством является возможность слежения за оптической осью ПНВ по горизонту и по вертикали. Это достигается с помощью электромеханического привода. При этом может быть реализовано автоматическое удержание перемещающегося по фронту объекта наблюдения в пределах пятна подсвета за счет формирования вспомогательных пятен подсвета, расположенных по периметру основного пятна. Для этого по периметру основного ИЛПИ следует расположить четыре вспомогательных ИЛПИ. Их рабочая частота должна быть пренебрежимо малой по сравнению с рабочей частотой основного ИЛПИ, чтобы оператор не видел через ПНВ эти пятна подсвета.

Пусть частота вспомогательных ИЛПИ, находящихся слева и справа от основного ИЛПИ, составляет соответственно 3 Гц и 5 Гц, а находящихся сверху и снизу от основного ИЛПИ – соответственно 7 Гц и 9 Гц. При этом на выходе ПНВ установлен фотоприемник для регистрации сигналов с этими частотами. Фотоприемник подключен к компаратору, который через регистр управления связан с приводом перемещения оси прожектора по горизонту и по вертикали.

Предположим, что объект наблюдения сместился вправо от пятна подсвета, формируемого основным ИЛПИ.

Тогда объект попадет в пятно подсвета, формируемого вспомогательным ИЛПИ с рабочей частотой 5 Гц. Фотоприемник воспримет этот сигнал с экрана ЭОП и преобразует его в электрический сигнал, который поступит в компаратор.

Последний выработает разностный сигнал по отношению к частоте основного ИЛПИ и будет через регистр управлять работой привода в направлении устранения сигнала с частотой 5 Гц. Это произойдет тогда, когда объект снова окажется в пределах основного пятна подсвета.

Аналогичным образом осуществляется управление приводом при попадании объекта в другие вспомогательные пятна подсвета. Таким образом, привод осуществляет слежение за объектом наблюдения, обеспечивая его постоянное положение в пределах основного пятна подсвета.

Таблица 1.

Для увеличения мощности прожектора можно пойти двумя путями:

• создание прожектора по принципу группового модуля” [2];
• объединение в одном прожекторе излучения двух ИЛПИ, различающихся по спектру [2].

“Групповой модуль представляет собой два или несколько ИЛПИ с индивидуальным объективом, образующие стандартные модули. Их оптические оси взаимно параллельны, так что излучение модулей суммируется в едином угле подсвета, равном углу подсвета одного модуля. Пример такого двухмодульного прожектора представлен на фото 1. Прожектор был разработан ЦКБ “Точприбор” для активно-импульсного ПНВ 1ПН61 [3].

Фото 1. Двухмодульный ИК лазерный прожектор
для ПНВ 1ПН61 [3]

В данном прожекторе возможно объединение от двух до четырех модулей. При этом габариты, масса и энергопотребление прожектора возрастут пропорционально числу модулей, но не превысят аналогичные параметры прототипа прожектора Л4. Возможно применение в четырехмодульном прожекторе линз с меньшим фокусным расстоянием. Это позволит при сохранении прежней энергетической силы света увеличить угол подсвета прожектора, что улучшит поисковые возможности при обычном подсвете без применения активно-импульсного режима работы ПНВ. В то же время габариты и масса прожектора возрастут незначительно.

Для повышения мощности излучения практически без изменения габаритов прожектора может быть использован второй путь, схема которого показана на рис. 8. Здесь за счет использования зеркала 3 с дихроичным покрытием происходит суммирование излучения обоих ИЛПИ 2 и 4, генерирующих излучение на различных длинах волн. Объектив 1, сфокусированный на оба ИЛПИ, охватывает их излучение и формирует пятно подсвета. Потери в зеркале 3 не превышают 10 – 15%. Спектральная характеристика дихроичного покрытия зеркала 3 дана на рис. 9. Благодаря такой схеме возрастет только энергопотребление прожектора. Поскольку ИЛПИ с длиной волны 820 нм может привести к увеличению данности демаскировки прожектора, то возможно применение ИЛПИ с длиной волны 880 нм. При этом чувствительность фотокатода ЭОП на этой длине волны будет в 1,5 раза меньше, чем для длины волны 850 нм. Поэтому эффективность по мощности излучения такого прожектора будет ниже, если только не будет использован в ПНВ ЭОП поколения III+, у которого спектральная чувствительность простирается до 1,2 мкм и разница в чувствительности на длинах волн 850 и 880 нм будет незначительна [4]. В принципе возможно сочетание обоих предложенных путей, что резко повысит мощность излучения прожектора и угол его подсвета.

Рис. 8. Лазерный осветитель с единым объективом для двух ИЛПИ:
1 – объектив формирования излучения;
2 – ИЛПИ с длиной волны 850±10 нм;
3 – дихроичное зеркало, отражающее в диапазоне длин волн 840 – 920 нм, но пропускающее на длине волны (820-20) нм;
4 – ИЛПИ с длиной волны (820-20) нм

Рис. 9. Спектральная характеристика дихроичного покрытия зеркала:
1 – пропускание покрытия в области спектра 800 – 820 нм;
2 – отражение в области спектра 840 – 900 нм

Следующим шагом повышения эффективности прожектора является сдвиг его спектральной характеристики в более длинноволновую область ИК спектра при условии одновременного использования в ПНВ ЭОП поколения III+ и IV или вместо ЭОП высокочувствительных ТВ-камер на матрицах ПЗС, работающих в области спектра 0,4 – 1,1 мкм или 1,0 1,7 мкм [4]. В этом случае вместо ИЛПИ-114 может быть поставлен ИЛПИ с длиной волны 0,98 мкм, 1,06 мкм или 1,55 мкм. Примером таких ИЛПИ могут служить модели решеток лазерных диодов фирмы Semiconductor Laser Int’I Corp. (США):

— модель SLI-QCW-LD-B1-980-60M-R: средняя мощность излучения 1,2 Вт, длина волны 0,98 мкм, длительность импульса излучения 200 нс, рабочая частота 100 Гц, угол расходимости излучения 10х400, модель SLI-QCW-SM-B10-980-600M-R с теми же параметрами, но со средней мощностью излучения 12 Вт;

— модель SLI-QCW-LD-B1-1060-60M-R со средней мощностью излучения 1,2 Вт и длиной волны 1,06 мкм, модель SLI-QCW-SM-B10-1060-600M-R со средней мощностью излучения 12 Вт и длиной волны 1,06 мкм [5].

Фирма (США) разработала модель одноэлементного ИЛПИ, генерирующего на длине волны 1,55 мкм среднюю мощность излучения 0,01 Вт при рабочей частоте 10 кГц, длительности импульса излучения 100 нс, угловой расходимости излучения 20х400 [5]. В России создан аналогичный излучатель со средней мощностью излучения 0,005 Вт [6].

Литература.

1. Волков В.Г. Приборы ночного видения для бронемашин./Специальная техника, 2004, №5, с. 2 13.
2. Гейхман И.Л., Волков В.Г. Основы улучшения видимости в сложных условиях. М., Недра, 1999, 286 с.
3. Приборы для бронетанковой техники. Проспект ГУП ПО “НПЗ”, РФ, Новосибирск, 2004.
4. Волков В.Г. Приборы ночного видения новых поколений./Специальная техника, 2001, №5, с. 2 – 8.
5. Laser Focus World. The Buyers’ Guide 2002, США, 2001.
6. Лазерные полупроводниковые излучатели. Проспект ФГУП НПП “Инжект”. РФ, Саратов, 2004.