Повышение эффективности разработок приборов ночного видения..

Повышение эффективности разработок приборов ночного видения..

Повышение эффективности разработок приборов ночного видения.

ВОЛКОВ Виктор Генрихович, кандидат технических наук, доцент

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗРАБОТОК ПРИБОРОВ НОЧНОГО ВИДЕНИЯ

Как известно, приборы ночного видения (ПНВ) широко используются в специальной технике для наблюдения и прицеливания в сумерках и ночью. Однако их отечественная элементная база пока еще отстает по своим параметрам от зарубежной. Поэтому для создания конкурентоспособных ПНВ единственная возможность состоит в разработке оригинальных рациональных схемных решений, которые компенсируют недостатки элементной базы.

В настоящее время существует значительное количество видов ПНВ на базе электронно-оптических преобразователей (ЭОП), активно-импульсные ПНВ, низкоуровневые телевизионные (НТВ) системы, тепловизионные (ТПВ) приборы (фото 1) [1].

а – ПНВ на базе ЭОП;

б – НТВ-система;

в – АИ ПНВ;

г – АИ ТВ ПНВ;

д – ТПВ-прибор;

е – лазерный дальномер
Фото 1. Внешний вид типичных ПНВ:

Для проектирования рациональных схем ПНВ необходимо определить, с каких позиций следует оценивать рациональность построения этих схем. Главным признаком рациональности схемы является прежде всего степень удовлетворения требований заказчика, т.е. основных требований ТЗ на ПНВ. Другим важным признаком является стоимость, которая не должна превышать денежных средств, выделяемых заказчиком. К таким признакам также следует отнести время, необходимое на разработку, подготовку производства и само это производство, степень его готовности к освоению схем ПНВ, возможность создания простой и технологичной конструкции в соответствии с этими схемами, возможность метрологического обеспечения, эксплуатационную надежность, степень удовлетворения эксплуатационным требованиям, эргономичность, ремонтопригодность, обучаемость обслуживающего персонала, степень использования зарубежной элементной базы. К основным требованиям ТЗ следует отнести дальность распознавания (обнаружения) при работе ПНВ в пассивном, активном или активно-импульсном режимах, дальность обнаружения объекта наблюдения по бликам, угол поля зрения в пассивном, активном или активно-импульсном режимах, точность измерения дальности, степень защиты от световых помех, габариты (объем), массу, энергопотребление, время непрерывной работы в различных режимах работы.

В соответствии с изложенным выше степень рациональности схемы (РС) можно определить по формуле

РС = РТЗа x Сб x ВРв x ВППг x ВПд x СГПе x ВТКж x ВМОз x СЭТи x СЭНк x СЭРл x СРМм x СОн x СИЗБо, (1)

где РТЗ – рациональность схемы с точки зрения выполнения требований ТЗ;
С – стоимость;
ВР – время на разработку ПНВ;
ВПП – время на подготовку производства;
ВП – время на производство;
СГП – степень готовности производства к освоению схемы ПНВ;
ВТК – возможность создания технологичной и простой конструкции на основе схемы ПНВ;
ВМО – возможность метрологического обеспечения;
СЭТ – степень удовлетворения эксплуатационных требований по стойкости к механическим, климатическим и специальным воздействиям;
СЭН – степень эксплуатационной надежности;
СЭР – степень эргономичности;
СРМ – степень ремонтопригодности;
СО – степень обучаемости обслуживающего персонала;
СИЗБ – степень использования зарубежной элементной базы.

РТЗ определяется по формуле

РТЗ = ДРПп x ДРАр x ДОПс x ДОАт x ДОБу x УПЗПф x УПЗАх x ТИДц x Пч x Ош x Мщ x Ээ ВПю x ВАя, (2)

где ДРП – дальность распознавания при работе ПНВ в пассивном режиме;
ДРА – дальность распознавания при работе ПНВ в активном (активно-импульсном) режиме;
ДОП – дальность обнаружения при работе ПНВ в пассивном режиме;
ДОА – дальность обнаружения при работе ПНВ в активном (активно-импульсном) режиме;
ДОБ – дальность обнаружения объекта наблюдения по бликам;
УПЗП – угол поля зрения при работе ПНВ в пассивном режиме;
УПЗА – угол поля зрения при работе ПНВ в активном (активно-импульсном) режиме;
ТИД – точность измерения дальности;
П – степень защиты от воздействия световых помех;
О – объем (габариты) АИ ПНВ;
М – масса АИ ПНВ;
Э – энергопотребление АИ ПНВ;
ВП – время непрерывной работы ПНВ в пассивном режиме;
ВА – время непрерывной работы ПНВ в активном (активно-импульсном) режиме.

Показатели степени при всех компонентах формул (1, 2) назначаются в балльной системе по результатам анализа требований заказчика и обработки статистических данных экспертного опроса. В зависимости от характера применения ПНВ отдельные компоненты формул (1, 2) могут быть объединены или опущены.

Из возможности создания и применения рационально построенной схемы ПНВ логически вытекает и возможность рационального создания и применения основной элементной базы ПНВ. При этом степень рациональности применяемой в АИ ПНВ элементной базы может быть оценена по формуле

РЭ = ФДа x ФВЭб x ОДв x ВОг x ВЗд x ОТе x ВУж x ВРз x СХТи x Вк x Эл x СЭм, (3)

где ФД – физическая доступность элементной базы;
ФВЭ – фактическая возможность ее эксплуатации в режимах, разрешенных ТУ;
ОД – отсутствие дефицитных элементов и материалов;
ВО – возможность использования отечественной элементной базы;
ВЗ – возможность быстрой замены отработавшей элементной базы;
ОТ – отсутствие токсичности, ведущей к усложнению технологии изготовления и монтажа, настройки, эксплуатации, хранения и утилизации;
ВУ – возможность простой утилизации отработавших элементов;
СХТ – сложность хранения и транспортировки;
В – возможность исключения опасности хищения и вандализма;
Э – эстетичность и эргономичность;
СЭ – стоимость элементной базы.

Показатели степени при компонентах формулы назначаются по балльной системе на основе результата анализа рациональной схемы ПНВ и статистики экспертного опроса.

Однако для обеспечения круглосуточной и всепогодной работы и многофункциональности возможностей одного ПНВ недостаточно. В связи с этим требуется создание многоканальных ПНВ. Они позволят решать задачи повышенной сложности в разнообразных внешних условиях, где возможности одноканальных ПНВ ограничены, а в многоканальных ПНВ недостатки одного канала компенсируются достоинствами другого [1]. Рассмотрим вначале возможности одноканальных ПНВ.

Пассивные и пассивно-активные ПНВ на базе ЭОП и низкоуровневые ТВ-системы достаточно просты, сравнительно дешевы, но неспособны работать при пониженном уровне естественной ночной освещенности (ЕНО), ухудшенной прозрачности атмосферы и при воздействии световых помех, не обеспечивают точного измерения дальности до объекта.

Низкоуровневые телевизионные (НТВ) системы обеспечивают дистанционную передачу изображения и его дублирование, допускают цифровую обработку изображения в реальном масштабе времени, введение текстовой, символьной и цифровой информации в электронном канале, обеспечивают удобство наблюдения, но имеют меньшую дальность действия, чем ПНВ на базе ЭОП, и обладают всеми их недостатками.

Активно-импульсные ПНВ (АИ ПНВ) лишены указанных недостатков, обеспечивают помехозащищенность и точное измерение дальности, могут включать в свой состав ТВ-канал, но работают не во всех туманах, неработоспособны в дымах, имеют ограниченное поле зрения в активно-импульсном режиме, не обеспечивают в нем поиска и демаскируют расположение ПНВ, более дороги, чем пассивные ПНВ- и НТВ-системы.

Тепловизионные (ТПВ) приборы работают при любом уровне ЕНО, при пониженной прозрачности атмосферы, в дыму и в присутствии многих световых помех, но функционируют не во всех туманах и защищены не от всех помех, не обеспечивают точного измерения дальности, их возможности зависят от уровня природных температурных контрастов, приборы более сложны и дороги, чем все перечисленные выше приборы, зачастую требуют криогенного охлаждения.

В многоканальных ПНВ, в отличие от одноканальных, должны быть преодолены или сведены к минимуму основные недостатки последних. Благодаря этому многоканальные ПНВ должны обеспечить повышенные дальности действия (обнаружения и распознавания) при наличии угла поля зрения, приемлемого для эффективного поиска и обнаружения, всепогодность и круглосуточность работы, функционирование в условиях воздействия световых и пыледымовых помех, измерение дальности, координат, скорости перемещения объекта наблюдения. Построение многоканального ПНВ должно быть модульным, предусматривать его адаптивность с точки зрения возможности работы в широком диапазоне изменения внешних условий.

Конечной целью разработки таких ПНВ является создание полностью интегрированной системы, в которой изображение синтезируется на основе анализа сигналов с различных каналов. Это является основой для создания полностью автоматизированной системы как составной части роботизированного комплекса.

Основные методы разработки многоканальных ПНВ можно свести к следующему.

1. Количество отдельных каналов, входящих в состав многоканальной системы, должно быть минимальным, их число и тип определяются конкретными требованиями к системе.

2. Каналы должны быть подобраны по своему физическому принципу построения таким образом, чтобы недостатки одного канала компенсировались бы достоинствами другого.

3. Схема построения многоканальной системы должна допускать автономную работу отдельных каналов.

4. Процесс формирования изображения должен осуществляться в реальном масштабе времени.

5. Отдельные каналы не должны создавать друг другу электрических, электромагнитных, механических, оптических или акустических помех, а также взаимные конструктивные неудобства.

6. Оконечное изображение с вывода всех каналов, а также буквенно-цифровая информация и символы должны быть выведены на единый индикатор и представлены в удобной с точки зрения эргономики форме; в случае необходимости должно быть предусмотрено дублирование информации.

7. В интересах обеспечения высокого качества изображения входная оптика разнородных по области спектра каналов должна быть по возможности раздельной (за исключением входного защитного стекла и головного зеркала); если это невозможно, то многоспектральная оптическая система, общая для этих каналов, не должна снижать качество изображения до уровня, при котором не выполняются технические требования к системе.

8. Необходимо тщательное согласование оптических осей (в большинстве случаев с точностью не ниже 0,1 мрад), углов полей зрения и увеличений отдельных каналов.

9. Если каналы работают попеременно, то их переключение должно осуществляться быстро и не должно вносить каких-либо помех работе системы; время выхода на режим системы и ее отдельных каналов определяется конкретными техническими требованиями к системе и может быть сокращено за счет работы отдельных узлов в дежурном режиме (например, систем охлаждения фотоприемного устройства ТПВ-канала).

10. Работы по созданию многоканальных ПНВ должны вестись в направлении автоматизации процесса поиска, обнаружения и распознавания объектов.

11. Преимущество конкретной схемы многоканальной системы по сравнению с прототипом или с альтернативным техническим решением устанавливается по результатам расчета его вероятностных характеристик и отношения эффективность/стоимость; при этом стоимость должна определяться для сопоставимых стадий освоения образца и уровня его производства. Критерием эффективности многоканальной системы является повышение информативности изображения, приводящее к увеличению дальности действия при сохранении требуемой вероятности обнаружения и распознавания, либо повышение указанных вероятностей, либо уменьшение времени решения задачи с помощью данной системы при сохранении требуемых вероятностей и дальности действия.

Обобщенной характеристикой любой системы является вероятность визуализации объекта РS [2]:

РS = Рор Роб Рр, (4)

где Рор, Роб, Рр вероятность ориентирования, обнаружения и распознавания объекта соответственно.

Рор = Рор1 (Е, t, П) + Рор2 (DT, t, П) — Рор1,2, (5)
Роб = Роб1 (D, Е, t, t, П) + Роб2 (DT, D, t, t, П) — Роб1,2,
Рр = Рр1 (D, Е, t, t, П) + Рр2 (DT, D, t, t, П) — Рр1,2,

где Рор1, Рор2 – вероятность ориентирования на местности для коротковолнового (1) канала (например, канала на ЭОП, низкоуровневого ТВ, АИ ТВ и пр.) и соответственно (2) – длинноволнового канала (например, ТПВ). В большинстве случаев каналы работают независимо, а потому:

Р1,2 = Р1Р2. (6)

Вероятность Рор зависит от совокупности параметров ПНВ П, уровня ЕНО Е, прозрачности атмосферы t, времени t на решение конкретной задачи, сектора поиска, характеристик фонов и других факторов. Для длинноволновых каналов энергетической характеристикой является температурный контраст DТ.

Величина РS определяется видимостью конкретных объектов на местности (группы деревьев, строения, холмы и т.д.) и линии горизонта. Величина РS рассчитывается по формуле:

РS = Р1 + Р2 > Р1 Р2 (7)

Дифференциальный и интегральный законы распределения дальности распознавания имеют следующий вид [2]:

где D0,5 – дальность, соответствующая вероятности Рр = 0,
sa – среднеквадратическое отклонение углового размера, разрешаемого системой,
a – размер элемента, разрешаемого на наблюдаемой поверхности объекта.

sD = D D0,5sa, (9)

где a – угловой размер тест-объекта, обеспечивающий обнаружение с вероятностью Р = 0,5 при условии наблюдения, соответствующего распознаванию объектов;
sD среднеквадратическое отклонение значения дальности действия системы.

Например, если каждый из каналов имеет D = 900 м при РS = 0,5, то двухканальная система имеет D = 1150 м. При использовании совокупности второстепенных признаков и дополнении одного изображения другими дальность D возрастает не менее чем в 1,5 раза.

Специфика расчета многоканальных систем состоит в выборе углового разрешения отдельных каналов, обеспечивающих меньшее снижение Роб и Рp для каждого канала в отдельности по сравнению с требуемой, если каналы имеют близкие дальности действия. Вероятность ориентирования всегда больше при использовании многоканального ПНВ. Если каналы имеют слишком большую разницу в дальности действия, то между ними перераспределяются функции по величине угла поля зрения. Канал с большей дальностью действия обычно более узкопольный, а канал с меньшей дальностью действия – широкопольный.

Преимущество состоит в упрощении системы в целом, в повышении Роб и Рp, а, следовательно, в уменьшении времени на решение задачи.

Вопрос абсолютного увеличения стоимости многоканальной системы по сравнению со стоимостью отдельных каналов не стоит так уж остро, как кажется на первый взгляд. Например, использование в системе ТПВ-канала, решающего на предельных дальностях действия только задачи поиска и обнаружения, требует применения ФПУ с меньшей чувствительностью и с более грубым разрешением, более простой оптики, менее сложного электронного канала и т.д. Все это снижает стоимость, которая может быть дополнительно уменьшена за счет унификации каналов, модульного принципа их построения, создания специализированных адаптеров, обеспечивающих функциональную связь между отдельными модулями и каналами.

Наиболее удачным сочетанием является использование в многоканальной системе совместно ТПВ- и АИ ТВ-каналов. Такое сочетание обеспечивает круглосуточную и всепогодную работу, продолжающуюся также и при наличии световых и пыледымовых помех, позволяет с высокой точностью измерять дальности до наблюдаемых объектов, а также такие важные их параметры, как скорость движения и координаты. В такой системе сравнительно легко может быть реализована ее адаптивность, возможность автоматизированного контроля ее параметров и модульный принцип построения. Использование изображений НТВ- и ТПВ-каналов с единого ТВ-монитора позволяет перейти к интегрированной системе, а применение дополнительной ЭВМ – и к полностью автоматизированному устройству.

Таким образом, существуют реальные возможности повысить эффективность разработки ПНВ за счет рационального построения их схем.

Фото 2. Типичный многоканальный прибор,
содержащий НТВ-, ТПВ- и лазерно-дальномерный каналы

Литература

1. Гейхман И.Л., Волков В.Г. Основы улучшения видимости в сложных условиях. М.,: Недра, 1999.
2. Алешин Б.С., Бондаренко А.Б., Волков В.Г., Драб Э.С., Цибулькин Л.М. Оптические приборы наблюдения, обработки и распознавания объектов в сложных условиях. М:, ГНИИАС, 1999, 139 с.