Лазерные осветители и целеуказатели для приборов ночного видения..

Лазерные осветители и целеуказатели для приборов ночного видения..

ЛАЗЕРНЫЕ ОСВЕТИТЕЛИ И ЦЕЛЕУКАЗАТЕЛИ ДЛЯ ПРИБОРОВ НОЧНОГО ВИДЕНИЯ

В настоящее время для обеспечения видения ночью и при пониженной прозрачности атмосферы получили широкое распространение приборы ночного видения (ПНВ), выполненные на базе электронно-оптических преобразователей [1, 2]. Однако при снижении уровня естественной освещенности дальность действия ПНВ падает, а в условиях полной темноты данные приборы и вовсе становятся неработоспособными. В связи с этим ПНВ очень часто комплектуются инфракрасными осветителями, предназначенными именно для работы в неблагоприятных условиях. Кроме того, для ночных прицелов необходимы целеуказатели, создающие на цели малогабаритное (“точечное”) пятно подсвета. Указанные осветители и целеуказатели весьма целесообразно выполнять на основе инжекционных полупроводниковых лазерных излучателей, выгодно отличающихся от других источников света малыми размерами тела свечения и высокой габаритной его яркостью, низкими массой, габаритами и энергопотреблением, значительным сроком службы и высокими эксплуатационными характеристиками. Рассмотрим основные типы, параметры, возможности и перспективы развития лазерных осветителей и целеуказателей для ПНВ.

Лазерные осветители делятся на приборы, работающие в импульсном и в непрерывном режиме. Импульсные лазерные осветители используются в составе активно-импульсных ПНВ [2]. Их принцип действия основан на подсвете наблюдаемого объекта излучением импульсного лазерного осветителя и синхронизированным с ним импульсным управлением (стробированием) электронно-оптического преобразователя, установленного в приемной части прибора. Это позволяет добиться, по сравнению с традиционными пассивными и активными ПНВ, значительных дальностей действия, обеспечить их точное измерение, непрерывность наблюдения при воздействии интенсивных световых помех, а также при пониженной прозрачности атмосферы (дымка, туман, дождь, снегопад и пр.). Осветитель состоит из оптики формирования излучения, импульсного лазерного полупроводникового излучателя и блока накачки. Последний выполнен на основе транзисторной или тиристорной схем, которые достаточно подробно описаны в работе [3]. Вопросы создания оптики формирования излучения таких осветителей изложены в работе [2]. Осветитель может быть выполнен либо по схеме моноизлучателя, либо по схеме группового излучателя [2]. В первом случае осветитель имеет схему, показанную на рис. 1, где (1) – элементарные лазерные излучатели или их решетки, (2) стекловолоконный коллектор, (3) – интегратор, (4) объектив формирования излучения. Здесь для получения высокой средней мощности излучения отдельные одноэлементные излучатели или их решетки (1) с помощью гибких жгутов стекловолоконного коллектора (2) объединяются в единое тело свечения. Поперечное сечение жгута имеет форму прямоугольника с размерами сторон, соответствующим габаритным размерам тела свечения излучателя. На выходе коллектора (2) монтируется интегратор (3) – отрезок световода, служащий для перемешивания излучения от отдельных излучателей и создания на его выходном торце равномерного распределения энергетической яркости. Форма и размеры пятна подсвета определяются формой и размерами выходного торца интегратора, который проектируется на местность с помощью объектива (4) формирования излучения. Внешний вид осветителя, построенного по такой схеме, представлен на фото 1. Осветитель может содержать многоэлементный излучатель в виде решетки лазерных диодов, отдельные излучатели которой могут и не лежать в одной плоскости. На ее выходе также монтируется интегратор, на выходной торец которого сфокусирован объектив формирования излучения. По такой схеме выполнен осветитель LS-410 фирмы LDL (США) [4] (фото 2). Для увеличения мощности излучения необходимо увеличивать количество элементарных излучателей. Но при этом габаритные размеры выходного торца интегратора неизбежно возрастают. Для сохранения неизменного угла подсвета приходится увеличивать фокусное расстояние объектива. Это влечет за собой резкое увеличение продольных габаритов и массы осветителя.

 
Рис. 1. Схема построения лазерного осветителя

Фото 1. Внешний вид осветителя выполненного по схеме моноизлучателя

Фото 2. Осветитель LS-410 фирмы LDL, США

Поэтому более целесообразным решением при значительных мощностях излучения является схема группового модуля. Осветитель, выполненный по этой схеме, состоит из ряда стандартных модулей со взаимно параллельными оптическими осями. Каждый модуль имеет объектив и излучатель, содержащий решетку лазерных диодов с интегратором или даже без него. Излучение всех модулей суммируется в едином угле подсвета, равном углу подсвета одного модуля. Такая схема осветителя обеспечивает его минимальные продольные габариты, простую схему объектива формирования излучения. Схема удобна также высокой ремонтопригодностью, так как при выходе из строя одного модуля, он легко может быть заменен на другой. Модули могут быть пространственно разнесены, что создает более широкие возможности их компоновки на объекте, например, на автомашине, вертолете или судне. В качестве объективов формирования излучения используются обычно двух или трехлинзовые объективы, растровая оптика (фото 3 – осветитель НИИ “Полюс”), однолинзовые объективы с одной асферической или киноформной поверхностью, градиентные объективы [4] или пластмассовые линзы Френеля [5]. На фото 4 показан двухмодульный осветитель от серийного активно-импульсного прибора 1ПН61 [6], выполненный на базе лазерного излучателя ИЛПИ-110. Габариты осветителя – 287х210х120 мм. На базе излучателя ИЛПИ-114 выполнен осветитель ПЛ-1 с габаритами 250х170х150 (фото 5). На фото 6 показан десятимодульный осветитель на базе импульсных лазерных излучателей ЛПИ-14, на фото 7 – шестимодульный осветитель О-245/6.

Фото 3. Импульсный лазерный осветитель с растровой оптикой, НИИ “Полюс”, Россия

Фото 4. Двухмодульный осветитель прибора 1ПН61

Фото 5. Осветитель ПЛ-1 ЦКБ “Пеленг”, Беларусь

Фото 6. Десятимодульный осветитель
на базе импульсных лазерных излучателей ЛПИ-14

Фото 7. Шестимодульный осветитель О-245/6

В качестве импульсных лазерных осветителей могут быть использованы импульсные полупроводниковые лазеры с электронной накачкой (ИПЛЭН) [4, 8, 9]. Хотя они и имеют меньший КПД по сравнению с полупроводниковыми инжекционными лазерами, но обладают значительной мощностью в импульсе – от 4х106 до 3х108 Вт при длительности импульса 3 – 5 нс [8, 9]. В сочетании с низкой рабочей частотой, измеряемой десятками Гц, это позволяет получить высокую скважность работы активно-импульсного ПНВ и малую глубину просматриваемого пространства. Это дает возможность резко повысить дальность действия ПНВ, точность ее измерения и степень защиты от световых помех. Впервые ИПЛЭН были разработаны для таких целей и использованы в ГУП “НПО Орион” [4]. В настоящее время ИПЛЭН успешно занимается НИИ “Платан” [8, 9]. В зависимости от типа полупроводниковой мишени лазера, бомбардируемой электронным пучком, лазер может работать на дискретных длинах волн в диапазоне от 0,38 до 1,7 мкм: 0,395, 0,471, 0,51, 0,53, 0,58, 0,61, 0,66, 0,89, 1,3, 1,7 мкм. Габаритные размеры излучателя составляют O160х500 мм, блока питания – 310х310х120 мм, энергопотребление 50 – 100 Вт, общая масса 22 кг [8, 9]. Внешний вид излучающей головки ИПЛЭН представлен на фото 8.

Фото 8. Внешний вид излучающей головки ИПЛЭН

Основные параметры импульсных лазерных осветителей приведены в табл. 1.

Таблица 1. Основные параметры импульсных лазерных осветителей для активно-импульсных ПНВ

Примечание:
1. Рср. – средняя мощность излучения.
2. tи – длительность импульса излучения.
3. F – рабочая частота.
4. l – длина волны.
5. q – угол подсвета.
6. m – масса.
7. Рэ – энергопотребление.

Для ПНВ обычного типа используются лазерные осветители, работающие в непрерывном режиме. По сравнению с импульсными излучателями непрерывные излучатели имеют существенно меньшие размеры тела свечения, значительный срок службы и более высокий КПД. Благодаря этому непрерывные” осветители имеют меньшие габариты, массу и энергопотребление. С их помощью можно получить и меньшие углы подсвета, достигающие единиц минут. Осветители обладают также и более простой схемой накачки. Основные параметры “непрерывных” осветителей приведены в табл. 2.

Таблица 2. Осветители на базе полупроводниковых лазеров для ПНВ

Примечание:

U – напряжение питания.
Р – мощность излучения.
Все остальные обозначения – см. примечание к табл. 1.

На фото 9 представлен осветитель RT-5А [7], в котором изменение угла подсвета достигается с помощью перефокусировки объектива с переменным фокусным расстоянием. Оригинальное решение предложил Ростовский оптико-механический завод (РОМЗ), создавший целую серию осветителей, встраиваемых в рукоятку ПНВ. Примером может служить ПНВ НЗТ-1 (фото 10). Однако в общем случае более целесообразно создавать осветители в виде независимых модулей в отдельном корпусе и с автономным первичным источником питания. Такие модули стыкуются с ПНВ с помощью унифицированных узлов крепления. При необходимости они могут быть легко отделены и заменены на осветители с другими параметрами.

Фото 9. Осветитель RT-5А

Фото 10. Прибор ночного видения НТЗ-1
со встроенным в рукоятку осветителем, РОМЗ, Россия

В технике ночного видения используются также малогабаритные лазерные целеуказатели на базе непрерывных лазерных излучателей. Их основные параметры приведены в табл. 3.

Целеуказатели применяются в прицельных комплексах, состоящих из очков ночного видения для наблюдения в ночных условиях и лазерного целеуказателя, устанавливаемого на оружии и создающего световое “точечное” пятно подсвета на цели. И цель, и пятно на ней наблюдаются через очки ночного видения. Целеуказатель устанавливается параллельно стволу оружия и пристреливается совместно с ним. При этом положение целеуказателя регулируется с помощью системы выверки. Благодаря этому пули точно попадают в цель, на которую наведено пятно подсвета. Такой прицельный комплекс исключает необходимость в прицеливании – достаточно лишь придать оружию положение, при котором пятно подсвета совместится с целью. Прицельная стрельба может осуществляться из любого положения оружия, в том числе и при движении. Такие прицельные комплексы используются при стрельбе из пистолетов, автоматов, гранатометов, охотничьего и спортивного оружия любых типов. Первоначально в целеуказателях использовались полупроводниковые лазеры, работающие на длине волны 0,82 – 85 мкм для того, чтобы подсвет осуществлялся скрытно, а излучение на таких длинах волн наблюдалось бы только в очки ночного видения. На практике такое излучение, во-первых, все равно видно со стороны цели в виде красной точки, во вторых, это обстоятельство даже полезно, так как производит на противника сильное психологическое воздействие. Кроме того, работа на указанных длинах волн исключает применение комплекса в дневных условиях, если при этом не используются очки ночного видения с диафрагмированными объективами. Поэтому за последние годы широкое распространение получили целеуказатели на базе лазерных излучателей, работающих на длинах волн 0,635 – 0,67 мкм. Для прицельного комплекса с таким излучателем можно наблюдать пятно подсвета на цели днем невооруженным глазом, а ночью – в очки ночного видения на еще большей дальности, чем для случая применения целеуказателей с длиной волны 0,82 – 0,85 мкм, так как чувствительность фотокатода электронно-оптического преобразователя очков ночного видения в области спектра 0,635 – 0,67 мкм в 1,5 – 2 раза выше, чем в области 0,82 – 0,85 мкм.

Целеуказатель может монтироваться как на стволе, так и под стволом оружия. Внешний вид типичного лазерного целеуказателя (1) и очков ночного видения (2) представлен на фото 11, целеуказателя PL-1 – на фото 12, REM 007 – на фото 13, ЦЛ-05 – на фото 14, TSL-10 – на фото 15, “Корсак-3” – на фото 16. Один из возможных вариантов конструктивного исполнения целеуказателя приведен на рис. 2. Здесь пунктиром показано крепление корпуса целеуказателя к оружию. Выверка целеуказателя по отношению к оружию обеспечивается с помощью эксцентриковой оправы. На фото 17 показан лазерный целеуказатель АСР-2, монтируемый на пальце оператора и служащий для обеспечения ночной посадки вертолетов [10]. Угол подсвета этого целеуказателя может регулироваться в пределах от 0,5 мрад до 100.

Фото 11. Типичный лазерный целеуказатель с ночками ночного видения

Фото 12. Целеуказатель PL-1, ВОМЗ, Россия

Фото 13. REM 007 фирмы Wild Heerbrugg, Швейцария

Фото 14. Лазерный целеуказатель ЦЛ-05, БЕЛОМО, Беларусь

Фото 15. Целеуказатель TSL-10, БЕЛОМО, Беларусь

Фото 16. Целеуказатель “Корсак-3”, БЕЛОМО, Беларусь

Рис. 2. Схема конструктивного исполнения целеуказателя

Фото 17. Миниатюрный целеуказатель
ACP-2 фирмы Night Vision Equipment Inc., США

Малые масса, габариты и расходимость излучения лазерного целеуказателя в сочетании с простотой модуляции его излучения по току накачки позволяет превратить целеуказатель в портативный встроенный в ПНВ дальномер. В частности, в РОМЗ разработан осветитель-дальномер, который может в широком угле подсвета обеспечивать наблюдение, а в узком измерение дальности до объекта при создании на нем “точечного” пятна подсвета [11]. Такое устройство согласуется с любым ПНВ, имеющим стандартное штекерное гнездо 1/4 дюйма. Питание осветителя-дальномера обеспечивается от встроенных аккумуляторов типа 10Д-0,26С с общим напряжением 12 В. Масса – 0,9 кг (без элементов питания), габаритные размеры 220х180х50 мм. Диапазон измеряемых дальностей – 5 – 150 м при погрешности измерения 1 – 2 м. Зарубежные ПНВ имеют портативные встраиваемые лазерные дальномеры на базе полупроводниковых лазеров. Например, наблюдательный ПНВ МС31 фирмы Litton (США) имеет дальномер, обеспечивающий измерение дальности до 1000 м с точностью ±5 м [4]. При этом масса всего ПНВ вместе с дальномером не превышает 1,3 кг, а его габариты составляют 170х140х70 мм. Портативный ПНВ фирмы Night Vision Equipment (США) имеет также встроенный дальномер, измеряющий дальность до 5000 м [4].

Дальнейшее развитие осветителей и целеуказателей связано с созданием новых ПНВ, работающих в области спектра 1 – 1,8 мкм [13]. По сравнению с традиционной областью спектра 0,4 – 0,9 мкм область спектра 1 – 1,8 мкм характеризуется большим пропусканием атмосферы за счет меньшего рассеяния излучения, выше уровень естественной ночной освещенности и природных контрастов, большая стабильность последних. Для этой области спектра возможно применение осветителей и целеуказателей на базе полупроводниковых лазеров, работающих на длинах волн 1,25 – 1,3, 1,55 мкм [4]. Их масса и габариты не превышают аналогичные параметры традиционных осветителей, работающих на длинах волн 0,82 – 0,85 мкм. Их мощность излучения может составлять 0,1 – 1 Вт [4]. Возможно также применение осветителя на базе твердотельного лазера на основе эрбия с длиной волны 1,54 мкм и на основе гольмия с длиной волны 1,7 мкм. В частности, модель ЕАД-500Д и ЕАД-1000Д [12], генерирующие мощность излучения 0,5 и 1 Вт соответственно на длинах волн 1,58 и 1,57 мкм с накачкой от полупроводникового лазера с длиной волны 0,95 – 0,97 мкм и с волоконным выводом излучения имеет массу 5 кг и габариты 250х100х325 мм. Лазерное излучение на длинах волн 1,3 – 1,7 мкм невидимо для глаза и безопасно для зрения [14].

Для достижения высоких вероятностей опознавания в широком диапазоне изменения внешних условий необходимо применение многоканальных ПНВ [15]. В связи с этим целесообразно создание многоцветных осветителей, работающих в широкой области спектра на дискретных длинах волн (рис. 3). Здесь за счет использования зеркала (2) с дихроичным покрытием происходит суммирование излучения полупроводниковых лазерных излучателей (1) и (3), генерирующих в различных областях спектра 0,85 и 1,55 мкм. Зеркало (2) пропускает излучение излучателя (3), но отражает излучение излучателя (1). Объектив (4), сфокусированный на оба излучателя, суммирует их излучение и коллимирует его. Суммарные потери в зеркале (2) не превышают 10 15%.

Рис. 3. Схема построения лазерного осветителя
с использованием двух лазерных излучателей

Можно также изготовить многоэлементную решетку, состоящую из элементарных полупроводниковых лазеров с разными длинами волн. Такие компактные излучатели могут управляться программируемой логической схемой, обеспечивающей в зависимости от необходимости одновременную или раздельную работу элементарных излучателей. Перспективы развития осветителей связаны также с созданием накачки в интегральном исполнении с лазерным излучателем по типу модели [16]. При этом режим работы схемы накачки меняется во времени в соответствии с заданной программой. Осветитель управляется непосредственно или дистанционно. Последнее необходимо для создания роботизированных комплексов. Для оптимизации оптики формирования излучения она может быть выращена непосредственно на лазерных излучателях в интегральном исполнении с ними [17]. На основе достижения микроэлектроники в ближайшие годы ожидается создание полностью интегрированных осветителей, которые могут выполнять также и роль целеуказателей дальномеров. Лазерные целеуказатели-дальномеры могут быть функционально объединены с микропроцессорными устройствами управления, меняющими параметры этого лазерного прибора в зависимости от внешних условий и обеспечивающими их встроенный контроль.

Литература

Саликов В.Л. Эпоха ночной войны.//Специальная техника, 2000, № 5, с.21 – 32.

Гейхман И.Л., Волков В.Г. Основы улучшения видимости в сложных условиях. М., Недра-Бизнесцентр”, 1999.

Легкий В.Н., Мищенко И.Д., Галун В.В. Малогабаритные генераторы накачки полупроводниковых лазеров. Томск, Радио и связь, 1990.

Волков В.Г. Осветители и целеуказатели для приборов ночного видения. Обзор № 5590, М., НТЦ Информтехника, 1999.

Волков В.Г. Применение линз Френеля в качестве объективов формирования излучения лазерных осветителей, используемых в технике ночного видения. Вопросы оборонной техники, серия 11, 1996, вып.1 – 2 (148 – 149), с. 33 – 36.

Кощавцев Н.Ф., Эдельштейн Ю.Г., Волков В.Г., Толмачев А.А., Федотова С.Ф., Кирчевская Т.К. Приборы ночного видения (СКБ ТНВ). Прикладная физика, 2001, № 6, с. 145 – 164.

Illuminator RT-5A. Проспект фирмы ITT, США, 1994.

Олихов И. ИПЛЭН. Новое поколение приборов квантовой электроники. Электроника: наука, Технология, Бизнес. 1998, № 3 – 4, с. 25 – 29.

ОЛИМП. Осветитель лазерный импульсный монохроматический полупроводниковый. Проспект НИИ “Платан”, г.Фрязино Моск. обл., 2002.

AIR Commander’s Pointer-Infrared Model ACP-2. Проспект фирмы Night Vision Equipment Company (NVEC) Inc., США, 1994.

Лазерный осветитель-дальномер для приборов ночного видения. Проспект РОМЗ, Ростов Великий, 1994. Электронная промышленность, 1994, № 6.

Armada International, 1994, Vol.18, No. 1, p. 52.

Волков В.Г. Приборы ночного видения новых поколений.//Специальная техника, 2001, № 5, с. 2 – 8.

Волков В.Г. Портативные лазерные дальномеры.//Специальная техника, 2001, № 6, с. 2 – 13.

Волков В.Г. Многоканальные приборы ночного видения.//Специальная техника, 2001, № 2, с. 13 – 20.

Лазерный осветитель с формирующей оптикой. Проспект ГП Восход. РФ. Калуга, 1993.

Laser Focus World, 1993, Vol.29, No.3, pp.97-100.

Mini laser diode. Photonics Spectra, 1993, No.3, p.158.