Ночные приборы наблюдения.
ВОЛКОВ Виктор Генрихович, кандидат технических наук, доцент
В современной спецтехнике широко используются ночные приборы наблюдения для работы в сумерках и ночью.
К ним относятся приборы ночного видения на базе электронно-оптических преобразователей (ЭОП), низкоуровневые телевизионные (ТВ) приборы наблюдения, активно-импульсные приборы ночного видения, тепловизионные и комбинированные приборы наблюдения [1].
Приборы ночного видения на базе ЭОП могут быть выполнены в виде:
1. очков ночного видения;
2. наголовных монокуляров;
3. ночных монокуляров;
4. ночных бино-, псевдо- и биокуляров.
Приборы первых двух направлений были подробно рассмотрены в работе [2]. В связи с этим в данной статье речь пойдет только о 3-м и 4-м направлениях.
Основные параметры ночных монокуляров представлены в табл. 1. Они могут быть выполнены в виде удерживаемых в руках носимых (фото 1) либо монтируемых на треноге переносных (фото 2) приборов.
Эти приборы могут иметь дальномерную шкалу [3] позволяющую грубо оценивать дальность до объекта наблюдения (рис. 1) либо могут быть выполнены по схеме прибора-дальномера [4 – 6].
В частности, прибор FORMS (Forward Observers Ranging and Marking Scope) (модель 30 для гражданского применения) [4] представляет сочетание ночного монокуляра с лазерным дальномером на базе полупроводникового лазерного излучателя.
Масса прибора 570 г, дальность обнаружения фигуры человека 180 м при уровне естественной ночной освещенности 10-3 лк, угол поля зрения 400, увеличение 1х.
Время непрерывной работы прибора достигает 30 часов при напряжении питания 3 В.
Лазерно-дальномерный канал обеспечивает измерение дальности до 5 км с точностью до ±5 м.
Лазерный излучатель имеет угол расходимости излучения в режиме дальнометрирования 0,5 мрад, а в режиме подсвета – 300.
Данные о дальности в цифровом виде отображаются в красном цвете на фоне зеленого цвета свечения экрана ЭОП.
Ночной бинокулярный прибор наблюдения-дальномер N/CROS MK II со встроенным компасом фирмы International Technologies (Lasers) Ltd. (Израиль) [4] (табл. 2) (фото 3) содержит лазерно-дальномерный канал на основе полупроводникового лазера с длиной волны 0,904 мкм, мощностью излучения 4 Вт и угловой расходимостью излучения 1,5 мрад.
Этот канал измеряет дальность от 20 до 2000 м с точностью ±1 м (до 200 м), ±2,5 м (200-500 м), ±5 м (свыше 500 м) при времени измерения до 0,5 с.
Встроенный цифровой компас дает возможность определять направление с точностью до ±0,50 в пределах ±350.
Ночной псевдобинокулярный прибор N/BIS-3 той же фирмы так же имеет цифровой компас, который при той же точности позволяет определить направление в пределах ±180.
а) ЗЕНИТ НВ-пьезо
(РФ, ОАО “Красногорский завод им. С.А. Зверева”);
б) ПН 6 (Республика Беларусь, Беломо);
в) 5,6х60 N (Германия, Carl Zeiss);
г) NS-B 4-80 (Австрия, Swarovski Optik KG);
д) Sonic 2,5×42 26-0300 (Bushnell, США)
Фото 1. Носимые монокуляры:
а) ЗЕНИТ НВ-1000 (РФ, ОАО “Красногорский завод им.С.А. Зверева);
б) W401 (Великобритания, Hall and Watts Ltd.);
в) EAGLE (Великобритания, Pilkington PE Ltd.)
Фото 2. Переносные ночные приборы наблюдения.
Рис. 1. Внешний вид дальномерной
шкалы ночного прибора наблюдения
Фото 3. Ночной бинокулярный прибор наблюдения –
дальномер N/CROS MK II фирмы
International Technologies (Lasers) Ltd. (Израиль)
Таблица 1. Основные параметры ночных монокулярных приборов наблюдения (по данным проспектов фирм)
Фирма Bushnell (США) [20] разработала оригинальный ночной монокуляр первого поколения Sonic 2,5×42 26-0300 (фото 1д) со встроенным микрофоном, который позволяет обнаружить объекты по звуку на дальности до 82 м.
Прибор имеет дальность видения 183 м, угол поля зрения 15° , увеличение 2,5х, питание =3 В, массу 482 г, габариты 170х95х70 мм.
Однако наличие дополнительного дальномерного канала усложняет прибор и увеличивает его стоимость. В связи с этим был разработан ночной прибор-дальномер, в котором нет фотоприемного устройства, характерного для лазерно-дальномерного канала.
Кроме того, прибор обеспечивает защиту от световых помех.
Схема такого прибора дана на рис. 2. Для защиты от световых помех используется цепь элементов 9 12.
При воздействии на прибор световой помехи в цепи ЭОП 2 возникает сигнал, который проходит через разделительную емкость 9 на вход ФНЧ 10.
Емкость 9 нужна для отсечения постоянного напряжения, подаваемого на экран 5 от ВИП 8, а ФНЧ 10, настроенный на указанный сигнал, подавляет все остальные помехи.
Далее сигнал усиливается в ИУ 11 и поступает на коммутатор 12, который сбрасывает напряжение с МКП 4, запирая ее на время действия помехи.
По сравнению с обычным ночным прибором такое устройство имеет степень защиты от световых помех выше, чем в 100 раз.
Для измерения дальности включается ЗГИ 13.
Он запускает БН 14, который возбуждает импульсами тока ИЛПИ 15.
Последний генерирует импульсы излучения, которые коллимируются с помощью ОФИ 16 и направляются на объект наблюдения, создавая в пределах его контура пятно подсвета.
Излучение ИЛПИ, отраженное от объекта, поступает в объектив 1, который создает изображение пятна, наложенное на изображение объекта.
Одновременно при воздействии отраженного от объекта импульса подсвета на ЭОП 2 в его цепи возникает импульсный электрический сигнал, который проходит через емкость 9 на вход ФНЧ 10.
Последний отсекает все посторонние помехи, а полезный сигнал проходит через него, усиливается в ИУ 11 и поступает на вход ИВИ 17.
На другой его вход в момент запуска БН 14 от ЗГИ 13 приходит импульсный сигнал.
В ИВИ 17 происходит измерение интервала между этими двумя сигналами, который соответствует дальности до объекта.
ИВИ 17 представляет этот интервал в цифровой форме и передает его на ИД 18, на светодиодном индикаторе которого высвечивается значение дальности в метрах.
Прибор имеет угол поля зрения 480, дальность распознавания фигуры человека 200 м при уровне естественной ночной освещенности 10-3 лк, увеличение 1х, массу 350 г, точность измерения дальности ±1 м на расстоянии до 5 км.
Расходимость лазерного излучения в режиме дальнометрирования составляет 1,30, а в режиме подсвета – от нескольких градусов до 400 [5, 6].
Рис. 2. Схема построения ночного прибора наблюдения-дальномера:
1 – объектив, 2 – ЭОП, 3 – фотокатод, 4 микроканальная пластина (МКП), 5 – экран, 6 окуляр, 7 – источник первичного питания (ИПП), 8 высоковольтный источник питания (ВИП), 9 разделительная емкость, 10 – фильтр нижних частот (ФНЧ), 11 – импульсный усилитель (ИУ), 12 коммутатор, 13 – задающий генератор импульсов (ЗГИ), 14 – блок накачки (БН), 15 – ИЛПИ, 16 – объектив формирования излучения (ОФИ), 17 – измеритель временных интервалов (ИВИ), 18 – индикатор дальности (ИД), 19 – делитель частоты (ДЧ)
Для приборов, устанавливаемых на треноге, есть возможность измерения углов в вертикальной и в горизонтальной плоскости по шкалам лимба треноги с точностью до 0-01.
Оригинальным техническим решением явилось применение в монокулярах в качестве источника питания встроенного пьезоэлектрического преобразователя, позволяющего эксплуатировать прибор без обычных элементов питания например, приборы Зенит НВ-320 (пьезо) (фото 1а), Cyclop P (табл. 1).
Однако приборы такого типа не нашли широкого распространения.
Ночные монокуляры имеют минимальную массу и габариты, но неудобны с точки зрения длительного наблюдения.
Более эффективны ночные бинокуляры, в которых наблюдение осуществляется одновременно двумя глазами.
При этом различают приборы бинокулярные (табл. 2, фото 4), псевдобинокулярные (табл. 3, фото 5) и биокулярные (табл. 4, фото 5).
В бинокулярных приборах имеются два идентичных ночных канала под правый и левый глаз наблюдателя.
В псевдобинокулярных приборах имеется один объектив, один ЭОП и псевдобинокулярная оптическая система, обеспечивающая разводку изображения с экрана ЭОП на оба глаза.
В биокулярных приборах также имеется один объектив, один ЭОП и один окуляр биокулярная лупа, которая имеет такой большой диаметр выходного зрачка, что он охватывает оба глаза наблюдателя.
Как и ночные монокуляры, бинокуляры могут удерживаться в руках (фото 4) или устанавливаться на треноге с возможностью измерения дальности до объекта, его координат и ориентации так, как это описывалось выше.
Основные параметры бинокулярных приборов даны в табл. 2.
а) АН-1 с зеркально-линзовыми объективами) (РФ, ГУП ПО НПЗ);
б) LUNA-TRON Type 904 (Infrarot-Technik Gmbh., Германия)
Фото 4. Ночные бинокулярные приборы наблюдения:
а) BIF2-6B (Швейцария, Wild Heebrugg Ltd.);
б) F5010 (США, ITT);
в) Байгыш 25 (Татарстан, ОАО КОМЗ)
г) Байгыш 6у (Татарстан, ОАО КОМЗ);
д) Д-3М (Беларусь, НПФ “Диполь”);
е) ЗЕНИТ НВ БН-10
(РФ, ОАО Красногорский завод им. С.А. Зверева)
Фото 5. Приборы наблюдения: псевдобинокулярные и биокулярные.
Таблица 2. Основные параметры ночных бинокулярных приборов наблюдения (по данным проспектов фирм)
Таблица 3. Основные параметры ночных псевдобинокулярных приборов наблюдения (по данным проспектов фирм)
Таблица 4. Основные параметры ночных биокулярных приборов наблюдения (по данным проспектов фирм)
Возможно применение как монокуляров, так и бинокуляров класса “день/ночь” [2] (фото 6).
В частности, ночной монокулярный прибор Зенит НВ-500 (РФ, ОАО “Красногорский завод им. С.А. Зверева”) (фото 6а) содержит дневной и ночной каналы наблюдения. Для режима “день” и “ночь соответственно увеличение равно 5,7х и 5,7х, угол поля зрения – 100 и 6,60, разрешающая способность – 10,5″ и 75″.
Дальность распознавания ростовой фигуры человека в ночной канал, оснащенный зеркально-линзовым объективом, при уровне естественной ночной освещенности составляет 750 м, масса – 3 кг, габариты – 282х222х155 мм.
Бинокль “день/ночь” БДН (РФ, ОАО ЗОМЗ) (фото 6б) имеет для режимов “день” и “ночь соответственно увеличение 7 и 2х, угол поля зрения 6,5 и 8,80, разрешающую способность 8 и 100′, массу 1,33 кг и габариты 175х204х75 мм.
а) ЗЕНИТ НВ-500
(РФ, ОАО Красногорский завод им. С.А. Зверева);
б) – БДН (РФ, ОАО ЗОМЗ)
Фото 6. Приборы наблюдения “день/ночь”.
Приборы ночного видения могут работать при естественной ночной освещенности на местности от 10-3 (ясная звездная ночь) до сумерек (десятые доли лк).
Для работы в очень темные ночи (облачная звездная ночь либо горные ущелья) а также в полной темноте приборы могут быть укомплектованы инфракрасными (ИК) осветителями.
Их типичные параметры даны в табл. 5, а внешний вид – на фото 7 [7].
Общим недостатком всех этих приборов является невозможность дистанционной передачи изображения, а также необходимость тесного контакта глаз оператора с прибором, что вызывает его утомляемость.
Таблица 5. Основные параметры инфракрасных осветителей для приборов ночного видения (по данным проспектов фирм)
а) DI-2 для прибора ЗЕНИТ НВ-пьезо
(РФ ОАО “Красногорский завод им. С.А.Зверева”);
б) CSI-IR (Канада, CANTRONIC Systems Inc.);
в) тот же осветитель совместно с низкоуровневой ТВ-системой
Фото 7. Инфракрасные осветители для ночных приборов наблюдения.
От этого недостатка свободны телевизионные (ТВ) приборы наблюдения, которые обеспечивают круглосуточную работу, дистанционную передачу изображения, возможность его дублирования для нескольких операторов одновременно, наблюдения с экрана ТВ-монитора [8].
Последний может быть удален от лица оператора на значительное расстояние, что снижает утомляемость в процессе длительного наблюдения.
Основные параметры ТВ-приборов наблюдения даны в табл. 6, а внешний вид – на фото 8.
Из-за наличия ЭОП на входе ТВ-приборов качество изображения ниже, чем у рассмотренных выше приборов ночного видения.
При условии применения сверхвысокочувствительных ТВ-камер создалась реальная возможность отказаться от ЭОП и благодаря этому преодолеть этот недостаток [8].
В частности, ТВ-камеры SCC-B2003P и SCC-B2303P фирмы Samsung (Япония) формата 1/3 дюйма при разрешающей способности 480 ТВ-линий могут работать при освещенности 0,004 лк (цветной режим) или 0,001 лк (черно-белый режим) [19]. За последние годы появились ТВ-приборы, работающие в области спектра 1 – 2,2 мкм вместо традиционных областей 0,4 0,9 или 0,4 – 1,1 мкм [9].
Сравнительные параметры таких приборов даны в табл. 7, а внешний вид на фото 9.
Благодаря новой рабочей области спектра эти приборы имеют ряд преимуществ перед традиционными ТВ-приборами и приборами ночного видения [9]: возможность работы как при нормальной, так и при пониженной прозрачности атмосферы, демаскировки малоконтрастных объектов, при воздействии световых помех.
а) Цербер-13 (РФ, СКБ МКЭ СО РАН);
б) Photon (Великобритания, EEV);
Фото 8. Ночные телевизионные приборы наблюдения с использованием на входе телевизионной камеры электронно-оптического преобразователя (ЭОП).
в) VNC-702 (РФ, ЭВС) [8];
г) SCC-B2003P (Япония, Samsung) [19]
Фото 8. Ночные телевизионные приборы наблюдения без ЭОП на входе.
Фото 9. Телевизионный прибор наблюдения для области спектра 1 – 2,2 мкм
Таблица 6. Низкоуровневые телевизионные камеры (по данным проспектов фирм)
Таблица 7. Основные параметры телевизионных систем, работающих в области спектра 0,9 – 2,0 мкм (по данным проспектов фирм)
Такими же свойствами обладают активно-импульсные приборы ночного видения, которые могут иметь окулярный либо ТВ-вывод изображения и обеспечивают также точное измерение дальности до объекта наблюдения.
Принцип действия таких приборов, их возможности и основные параметры типичных образцов описаны в работах [1, 10].
Примером таких приборов может служить модель “Аргус-АИ” (фото 10) [11].
Дальность его действия в пассивном режиме составляет 350 м, в активно-импульсном режиме – до 500 м, угол поля зрения в пассивном режиме составляет 100 , в активно-импульсном режиме 30.
Лазерный осветитель генерировал среднюю мощность излучения 35 мВт на длине волны 820 – 850 нм при частоте 50 – 5000 Гц.
Напряжение питания прибора составляло =12 В при энергопотреблении около 7 Вт.
Глубина просматриваемой по глубине зоны составляла 25, 75 м при предельной электронной зоне видения до 995 м.
Фото 10. Активно-импульсный ночной прибор наблюдения “Аргус-АИ”
Тепловизионные приборы работают в широком диапазоне изменения внешних условий. Эти приборы описаны в работе [12].
Здесь ограничимся описанием тех образцов приборов, которые используются для наблюдения.
Их основные параметры сведены в табл. 8, а внешний вид дан на фото 11.
На фото 11е показана, в частности, сверхминиатюрная тепловизионная камера Omega c температурным разрешением не хуже 40 мК [18].
Таблица 8. Основные параметры тепловизионных приборов наблюдения (по данным проспектов фирм)
а) DI-9800 (США, Digital Imaging Infrared Inc.);
б) – MATIS (Франция, SAGEM);
в) CT3G, (Италия, Galileo Avionica);
г) ASIR (Турция, ASELSAN);
д) “РАКУРС” (РФ, [17]);
е) Omega (США, L.O.T. Oriel Ltd.)
Фото 11. Тепловизионные приборы наблюдения.
Следует отметить многофункциональность этих приборов: они могут измерять температуру в изображении наблюдаемых объектов как по отдельным точкам, выбираемым с помощью лазерного маркера, так и в заданных областях этого изображения, либо среднее значение температуры по всему изображению.
Недостатком приборов является их сравнительно высокая стоимость и зависимость качества изображения от уровня температурных контрастов объектов с окружающим фоном.
В связи с этим появились комбинированные приборы наблюдения, совмещающие в себе несколько каналов, различающихся по физическому принципу построения [1, 13, 14].
Приборы могут удерживаться в руках (фото 12а), монтироваться на треноге (фото 12б) либо на подвижном носителе [13].
В любом случае отдельные каналы подобраны так, чтобы недостатки одного канала компенсировались достоинствами другого.
В результате этого прибор может обеспечивать круглосуточное и всепогодное наблюдения, а лазерно-дальномерный канал позволяет с высокой точностью измерять дальность до объекта наблюдения.
Примером такого прибора является модель HURRICANE фирмы OPGAL (Израиль) [14].
Прибор наблюдения, монтируемый на треноге или устанавливаемый на транспортное средство, содержит ТВ-канал и тепловизионный канал.
ТВ-канал выполнен на базе матрицы ПЗС с числом элементов 768х494, работает в области спектра 0,4 – 0,7 мкм, имеет угол поля зрения 5,6х4,20, дальность обнаружения человека свыше 2500 м и дальность его распознавания свыше 1000 м.
Тепловизионный канал выполнен на базе матрицы микроболометров с числом элементов 320х240, работает в области спектра 8 – 12 мкм, имеет такой же угол поля зрения, при температурном контрасте 20 С дальность обнаружения человека составляет свыше 1500 м, дальность его распознавания – свыше 800 м.
Чаще всего приборы наблюдения объединяют с лазерным дальномером (фото 12б).
На фото 12б показан прибор SIMRAD LP8G (Норвегия, Simrad Optronics A/S).
Он объединяет ночной канал KN 200 [2], лазерный дальномер [4] и цифровой гониометр.
Перспективы развития таких приборов связаны с возможностью обработки изображения [15, 16] (фото 13).
Системы “Охотник” и “Бук обеспечивают обработку изображений в реальном масштабе времени без прореживания видеоинформации с целью улучшения видимости телевизионных и тепловизионных изображений в неблагоприятных условиях видимости: дымка, туман, снегопад, дождь, дымовые и световые помехи.
Системы позволяют повысить в 1,3 – 1,7 раз дальность обнаружения и распознавания объектов в таких условиях видимости. Размеры обрабатываемых изображений: по всему кадру 768х576 элементов разложения, по зоне интереса 384х256 элементов разложения.
Обеспечивается повышение глобального и локального контраста, нормирование средней яркости, подчеркивание контуров малоразмерных объектов, снижение флуктуационных и шумовых помех, плавное электронное масштабирование изображений от 1 до 4 раз, наложение графической информации, адаптацию параметров и алгоритмов под тип канала, автоматическую адаптацию под конкретные условия наблюдения.
К перспективным функциям систем относятся комплексирование информации от различных каналов и электронная стабилизация поля зрения.
Возможно автоматическое сопровождение обнаруженных объектов с выдачей их текущих координат и сигналов управления на приводы исполнительного устройства.
В системе Охотник” в окне слежения предусмотрена адаптивная подстройка под размеры объекта в диапазоне от 2х2 до 256х256 элементов разложения.
Алгоритмы допускают работу с разноконтрастными, маневрирующими объектами на неоднородных фонах, сопровождение объекта при прерывании оптической связи до 5 секунд с предсказанием на основе фильтра Кальмана, автоматическое обнаружение потери сопровождения и автоматический дозахват объекта, вызванный прерыванием оптической связи.
Масса системы “Охотник” составляет 4 – 6 кг, объем 5 – 7 литров.
Масса системы “Бук” не превышает 2,2 кг, габариты 208х130х74 мм, энергопотребление 30 Вт при питании от =27 В.
Эти системы позволяют максимально снизить психофизические нагрузки на оператора и создают благоприятные предпосылки для автоматизации процесса наблюдения.
а) удерживаемый в руках:
INSIGHT 80 SERIES THERMAL IMAGING CAMERA SYSTEM
(Великобритания, Insight Vision Systems Inc.) [13];
б) устанавливаемый на треноге: SIMRAD LP8G (Норвегия, Simrad Optronics A/S)
Фото 12. Комбинированные ночные приборы наблюдения.
Фото 13. Блоки обработки изображений “Бук”
Литература.
1. Гейхман И.Л., Волков В.Г. Основы улучшения видимости в сложных условиях. М., Недра-Бизнесцентр”, 1999.
2. Волков В.Г. Наголовные приборы ночного видения.//Специальная техника, 2002, №5, с. 2 – 15.
3. Медведев А.В., Гринкевич А.В., Князев С.Н., Морозов С.С. Ночной прибор-дальномер на бипланарном ЭОП прямого переноса. Оптический журнал, 2001, № 10, с. 70 72.
4. Волков В.Г. Портативные лазерные дальномеры.//Специальная техника, 2001, № 6, с. 2 – 13.
5. Веселовский И.А., Волков В.Г., Токарев А.Н., Ассонов А.С. Прибор ночного видения. Свидетельство на полезную модель РФ № 18780 по заявке № 2001101344 с приоритетом от 22.01.2001г.
6. Ассонов А.С., Веселовский И.А., Волков В.Г., Кощавцев Н.Ф., Резцов Д.Н., Токарев А.Н. Приборы ночного видения с функцией измерения дальности. Оборонный комплекс – научно-техническому прогрессу России, 2001, № 4, с. 23 – 27.
7. Волков В.Г. Лазерные осветители и целеуказатели для приборов ночного видения.//Специальная техника, 2002, № 2, с. 2 – 10.
8. Волков В.Г. Сверхвысокочувствительные телевизионные системы.//Специальная техника, 2002 2, с. 2 – 10.
9. Волков В.Г. Приборы ночного видения новых поколений.//Специальная техника, 2001, № 5, с. 2 – 8.
10. Волков В.Г. Активно-импульсные приборы ночного видения.//Специальная техника, 2002, № 5, с. 2 – 12.
11. Каталог приборов. КТИ Прикладной микроэлектроники СО РАН. РФ, Новосибирск, 2003.
12. Волков В.Г., Ковалев А.В., Федчишин В.Г. Тепловизионные приборы нового поколения.//Специальная техника, 2001, № 6, с. 16 – 21, 2002, № 1, с. 18 – 24, 26.
13. Волков В.Г. Многоканальные приборы ночного видения наземного применения.//Специальная техника, 2001, № 2, с. 13 – 20.
14. HURRICANE Integrated Electro-Optical Observation System. Проспект фирмы OPGAL, Израиль, 2002.
15. Система обработки изображений “ОХОТНИК”. Проспект Государственного рязанского приборного завода. РФ, Рязань, 2003.
16. Система улучшения видеоизображений “БУК”. Проспект Государственного рязанского приборного завода. РФ, Рязань, 2003.
17. Низкоуровневые телевизионные камеры. Каталог фирмы ОАО “РУСЭЛЕКТРОНИКА-НВ”. РФ, М., 2002.
18. Тhermal Imaging Camera. EUROPHOTONICS, 2003, Vol.8, No. 2, p. 39.
19. Новые телекамеры от Samsung. CCTV info, 2003, № 0, с. 5.
20. Night Vision Gen 1. Каталог фирмы Bushnell, США, 2003.