Модернизация приборов ночного видения.

Модернизация приборов ночного видения.

АРХУТИК Степан Трофимович,
ВОЛКОВ Виктор Генрихович, кандидат технических наук, доцент,
ЗАЙЦЕВА Елена Ивановна,
САЛИКОВ Вячеслав Львович,
УКРАИНСКИЙ Сергей Алексеевич

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:
— разработкой новых ПНВ;
— модернизацией уже существующих серийных ПНВ.

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:

— 0,75 для точки на оси для частоты N = 30 мм-1;
— 0,58 для точки на оси для частоты N = 60 мм-1;
— 0,55 для w = 40 для частоты N = 30 мм-1;
— 0,28 для w = 40 для частоты N = 60 мм-1.

Рис. 1. Схема объектива “Сириус-Н”

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.

Рис. 2. Схема окулярной системы модернизированных ПНВ ТПН-1, ТПН-3, БПК-2: 1 – ЭОП; 2 – оборачивающая система (оптика переноса), 3 – окуляр

Рис. 3. Схема оптической оборачивающей системы дневного канала модернизированного ПНВ ТПН-3: 1 предметная плоскость; 2 – плоскость изображений

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.

Фото 1. Лазерный прожектор ПЛ-1

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

Фото 2. Модернизированный ПНВ ТПН-1 и его положение на танке

Фото 3. Модернизированный ПНВ ТПН-3 и его положение на танке

Фото 4. Модернизированный ПНВ БПК-2 и его положение на БМП-2

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:

    — дублирование изображения наводчику и командиру объекта БТТ;
— возможность дистанционной передачи изображения;
— введение прицельной шкалы, а также любой буквенно-цифровой и символьной информации в электронный канал ТВ-камеры;
— дополнительное подавление световых помех в ТВ-канале;
— автоматическая коррекция качества изображения в реальном масштабе времени;
— регулировка контрастности и яркости изображения.

Фото 5. ТВ-камера WAT-902H

Рис. 4. Пример оптического сопряжения ТВ-камеры WAT-902H с ЭОП: 1 – ЭОП, 2 – оборачивающая система от окулярной системы, 3 – ТВ-камера

Фото 6. ТВ-монитор МДЦ 066

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:

• Повышение контраста в изображении наблюдаемого объекта, а значит, и дальности действия ПНВ (в рассматриваемых ПНВ до 1800 – 2000 м) за счет:
  • отсечения задержкой излучения обратного рассеяния, которое в обычных активных ПНВ накладывается на изображение наблюдаемого объекта и снижает контраст в его изображении даже в нормальной или при незначительно ухудшенной прозрачности атмосферы; при этом АИ-режим наиболее эффективен в тех дымках, туманах и пр., где наименее эффективны тепловизионные приборы;
  • ослабления, равного скважности работы прибора, рассеянного в атмосфере излучения, определяемого уровнем естественной освещенности;
  • отсечения изображения фона.
• Введение АИ-режима позволяет измерить дальность до наблюдаемого объекта: поскольку изображение объекта наблюдения появляется только при определенной величине задержки, соответствующей дальности до объекта, то по величине задержки можно измерять дальность до объекта с точностью до ± 10 м и выше; в отличие от обычных лазерных дальномеров при этом исключена возможность выдачи ложного значения дальности за счет реакции дальномера на случайные предметы, находящиеся между целью и ПНВ; поскольку в АИ ПНВ эти ложные сигналы отсекаются задержкой.
• Введение АИ-режима позволяет увеличить помехозащищенность ПНВ в 1000 раз за счет подавления световой помехи в число крат, равное скважности работы ПНВ, а также благодаря спектральной селекции, связанной с установкой перед фотокатодом ЭОП узкополосного фильтра с полосой пропускания, соответствующей спектру излучения лазерного осветителя.

АИ режим имеет два недостатка:
— демаскировка, связанная с активным режимом работы;
— практическая невозможность поиска в АИ-режиме, т.к. поиск приходится осуществлять не только по полю, но и узким стробом по глубине.

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.

• Вводится постоянная задержка, отсекающая ближнюю часть пространства перед АИ ПНВ, которая вносит наибольший вклад в величину обратного рассеяния излучения подсвета и соответственно в снижение контраста изображения; это наиболее простое решение, но оно приведет к невозможности измерения дальности до объекта наблюдения и к снижению степени защиты от световых помех.
• В окулярную часть АИ ПНВ (или перед ТВ-камерой, если АИ ПНВ содержит ТВ-канал) вводится фотоприемник; одновременно блок стробирования, помимо основного строба, формирует два вспомогательных строба перед и после основного строба соответственно с частотой, отличной от частоты основного строба и пренебрежимо малой, чтобы оператор на изображения в пределах этих стробов не реагировал [7]. Предположим, что один из вспомогательных стробов имеет частоту 10 Гц, а другой – 15 Гц. Если объект наблюдения выйдет за пределы основного строба и попадет в пределы строба с частотой 10 Гц, то в цепи фотоприемника возникнет электрический сигнал с этой частотой. При этом в компараторе блока стробирования возникнет разностный сигнал, который будет изменять задержку до тех пор, пока сигнал с частотой 10 Гц не исчезнет, т.е. пока объект не окажется снова в пределах основного строба. При попадании объекта в пределы другого вспомогательного строба возникнет сигнал с частотой 15 Гц. Тогда возникнет разностный сигнал, изменяющий задержку до тех пор, пока сигнал с частотой 15 Гц не исчезнет, т.е. пока объект не окажется снова в пределах основного строба. Так будет происходить автоматическая корректировка задержки, обеспечивающая постоянную видимость объекта наблюдения при взаимном перемещении его и объекта БТТ.

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.
2. Волков В.Г. Электронно-оптические преобразователи. Обзор № 5592, М.: НТЦ Информтехника, 2002, 143 с.
3. Волков В.Г. Приборы ночного видения новых поколений./Специальная техника, 2001, №5, с. 2 – 8.
4. Волков В.Г. Сверхвысокочувствительные телевизионные системы./Специальная техника, 2002, 4, с. 2 – 11.
5. Каталог КБ “Дисплей”. Разработка и производства изделий для работы в жестких условиях эксплуатации видеомониторов на плоских панелях, видеомониторов на элекронно-лучевых трубках, панельных ЭВМ. Беларусь, Витебск, 2004.
6. Волков В.Г. Активно-импульсные приборы ночного видения./Специальная техника, 2003, №2, с. 2 – 14.
7. Волков В.Г. Активно-импульсные приборы ночного видения для одновременного наблюдения близких, дальних, а также подвижных объектов. Оборонный комплекс – научно-техническому прогрессу России, 2001, №1, с.89 – 95.