ВОЛКОВ Виктор Генрихович, кандидат технических наук, доцент
ТЕПЛОВИЗИОННЫЕ ПРИБОРЫ СРЕДНЕЙ ДАЛЬНОСТИ ДЕЙСТВИЯ
Тепловизионные (ТПВ) приборы широко используются в специальной технике для наблюдения, прицеливания, вождения транспортных средств ночью и при ограниченных условиях видимости (дымка, туман, дождь, снегопад, пыль, дым, наличие световых помех и пр.) [1 – 5].
| Возможно будут интересны статьи: |
Условно ТПВ-приборы в зависимости от их дальности действия можно разбить на три группы:
- ТПВ-приборы малой дальности действия: до 0,7 – 1 км по ростовой фигуре человека и до 1,5 – 2 км по автомашине,
- ТПВ-приборы средней дальности действия: соответственно 1,2 – 1,5 и 2 – 4 км, а также до 8 км по самолету,
- ТПВ-приборы повышенной дальности действия, превышающей значения, указанные в п.2.
К ТПВ-приборам первой группы относятся ТПВ-приборы для легкого стрелкового оружия [2], наголовные [3] и удерживаемые в руках [5] ТПВ-приборы наблюдения.
К ТПВ-приборам второй группы относятся ТПВ-прицелы для переносных ракетных комплексов, удерживаемые в руках и переносные ТПВ-приборы наблюдения.
К ТПВ-приборам третьей группы относятся возимые [4], а также корабельные и авиационные приборы наблюдения и прицеливания. В данной статье рассматриваются ТПВ-приборы второй группы.
Выпускаемые в настоящее время ТПВ-приборы относятся ко II и III поколениям.
ТПВ-приборы II поколения имеют фотоприемное устройство (ФПУ), выполненное на базе многоэлементных линеек фоточувствительных ИК-детекторов. Эти приборы содержат сканирующую систему, обеспечивающую развертку изображения. В случае одной линейки ФПУ-развертка осуществляется плоским зеркалом либо зеркальным уголком.
Различают последовательный, параллельный и последовательно-параллельный способы развертки изображения [8].
При последовательном сканировании каждая точка изображения сканируется каждым элементарным детектором при их линейном расположении.
Линия задержки обеспечивает фазовое интегрирование сигналов всех детекторов линейки ФПУ.
При параллельном сканировании изображение “просматривается” вертикальным рядом детекторов. Это обеспечивает высокую температурную чувствительность при некоторой потере информации в изображении. Четкость последнего определяется числом строк, равным числу детекторов линейки ФПУ.
При малой величине постоянной времени детекторов и высокой скорости развертки может быть использован так называемый “интерлейсинг” (расположение детекторов через равные промежутки), улучшающий качество изображения.
Сканирование может осуществляться как прямой, так и обратной разверткой. В последнем случае короткий период возврата может быть использован для подачи контрольных команд. В результате пропуски в воспроизведении тепловой картины при ее развертке и обработке отсутствуют. Усиленные сигналы с выхода балансного усилителя поступают на линейку светодиодов. Последние под действием этих сигналов излучают видимый свет.
Яркость распределения излучения по линейке соответствует распределению энергетической яркости в ИК-изображении на линейке ФПУ.
Объектив коллиматора передает излучение светодиодов на обратную сторону сканирующего зеркала, где изображение, полученное в плоскости расположения линейки светодиодов, развертывается в растр. Это изображение наблюдается через электронно-оптический преобразователь (ЭОП) и окуляр либо непосредственно через окуляр.
Преимущество параллельного сканирования – более высокая температурная чувствительность, использование сравнительно простой оптики и блока развертки.
К недостаткам метода относятся большее требуемое число детекторов ФПУ, соответственно более сложная электроника, а также наличие неравномерности яркости изображения. Неравномерность возникает из-за различия параметров детекторов линейки ФПУ и их каналов усиления, а также из-за возникновения межстрочной разности уровней постоянных составляющих сигнала.
Наконец, возможно последовательно-параллельное сканирование, являющееся комбинацией двух указанных выше методов. Оно предусматривает наличие как вертикально, так и горизонтально расположенных детекторов в составе ФПУ.
За счет двухкоординатной развертки сканируется все поле зрения. При этом просматриваются точки поля всеми площадками соответствующего ряда детекторов ФПУ, сигналы с которых после временнoй задержки суммируются. При таком методе развертки используется ФПУ с меньшим числом детекторов, а характерная для параллельного метода развертки неравномерность в яркости изображения устраняется за счет суммирования сигналов от различных детекторов ФПУ.
Недостатком метода является необходимость использования высокоскоростных двухкоординатных блоков развертки.
Дальнейшее развитие метод последовательно-параллельной развертки получил в связи с разработкой фотоприемника SPRITE (Signal Processing In The Element). Иногда его называют по имени изобретателя – TED (Tom Elliot Detector).
В ФПУ SPRITE задержка и суммирование принимаемых сигналов происходит внутри самого чувствительного элемента. Это исключает необходимость в электронных схемах, обычно применяемых в линейных системах ФПУ. Это упрощает процесс обработки сигналов. По сравнению с традиционными ФПУ SPRITE-детектор имеет малое количество проводников на входе и выходе. Это упрощает систему охлаждения.
Кроме того, SPRITE-детектор характеризуется упрощенной схемой задержки и суммирования сигналов. Однако SPRITE-детектор требует специфического блока развертки изображения. В нем используется сканирующая зеркальная призма, грани которой выполнены под определенным углом к оси ее вращения.
Погрешность углового положения, замеряемого непрерывно, вводится в корректирующее электронное устройство.
Горизонтальная развертка осуществляется зеркалами, расположенными через равные промежутки. Например, если их отношение составляет 6:1, то это создает 120 строк ИК-изображения.
Вертикальная развертка осуществляется зеркалом, сканирующим под воздействием электромагнитного поля двигателя.
Сигнал от блока развертки поступает на светодиодный индикатор. При этом для воспроизведения сигнала используется грань призмы, смещенная на 120 гр. Это позволяет устранить необходимость в точном определении положения призмы и синхронизации ее вращения, а также дает возможность свести к минимуму геометрические искажения.
Для снижения сложности и стоимости ТПВ-приборов была проведена большая работа по их стандартизации и унификации. Это привело к созданию ТПВ-приборов модульного типа.
В настоящее время производство ТПВ-приборов в значительной степени осуществляется по системе общих модулей” (Common Modules) [8]. Такая система, конечно, не в состоянии охватить всю совокупность требуемых исполнений ТПВ-приборов. Кроме того, стандартные модули оказываются слишком громоздкими для ряда применений. Поэтому создание ТПВ-приборов на базе общих модулей не исключает оригинальных разработок, элементная база которых тоже подвержена унификации.
В США в ТПВ-приборах, выполненных на базе общих модулей, используется параллельное сканирование, при котором преобразование поступающих от ФПУ сигналов преобразуется в ТВ-формат.
В ТПВ-приборах Великобритании и Франции использовалось последовательно-параллельное сканирование с выдачей результирующего сигнала непосредственно в ТВ-формате. Поскольку все возможные варианты ТПВ-приборов для различных применений невозможно выполнить с помощью одних и тех же модулей, то во всех указанных странах было решено разбить ТПВ-приборы на три класса в зависимости от назначения приборов.
Модули ТПВ приборов первого класса (приборы прямого видения) служат для портативных и переносных приборов с автономными источниками питания. Выходное изображение наблюдалось через окуляр.
В состав приборов входят следующие модули: блок развертки ФПУ, предусилители, оконечные преобразователи, электронные блоки управления и обработки сигналов, светодиодные индикаторы, преобразователь напряжения и элементы блока охлаждения.
В типовом ТПВ- приборе используются 4 5 базовых модуля и блоки оригинальной конструкции, обеспечивающие пригодность прибора для конкретного применения.
Модули ТПВ- приборов второго класса (приборы косвенного видения) предназначались для систем со средней дальностью действия в переносном или возимом исполнении. В них использовался ТВ-индикатор, который мог быть удален от прибора.
При создании таких приборов использовались 12 модулей: ИК-объектив, сменные афокальные насадки, блок развертки, блок управления его работой, ФПУ, блок предусилителей, элементы системы охлаждения, блок электронной обработки сигналов, блок управления и регулировки, преобразователь сигналов в ТВ-стандарт, ТВ-индикатор, преобразователь напряжения.
Особенность ТПВ-приборов второго класса состоит в автоматическом регулировании чувствительности и уровня серого, а также выравнивании усилений различных каналов.
Модули третьего класса предназначались для приборов с повышенными массо-габаритными характеристиками, большой дальностью действия, значительной сложностью и стоимостью – главным образом для вертолетов, самолетов и кораблей.
Диаметры входных зрачков объективов в приборах третьего класса увеличиваются на 50% по сравнению с ТПВ-приборами второго класса. ТПВ-приборы третьего класса обладают большей чувствительностью, лучшим разрешением. Однако приведенное разделение на классы довольно условно, т.к. разработчики при создании конкретных приборов могут использовать модули всех трех классов.
В Германии была также принята система Common Modules США, но с учетом особенностей национальных разработок.
a)
б)
в)
г)
д)
е)
Фото 1. ТПВ-прицелы Мулат-115 (а), Мулат (б), 1ПН-79 (в), 1ПН-86-ВИ (г), типичное расположение прицела 1ПН-79 на ракетных комплексах Корнет-Э (д), Конкурс-М и Фагот (е)
а)
б)
в)
г)
д)
Фото 2. ТПВ-прицел AN/TAS-4 (a), его положение на ПТУР TOW (б), ТПВ-прицел AN/TAS-5 (в), ТПВ-прицел AN/PAS13: Heavy TWS (г), Medium TWS (д)
а)
б)
Фото 3. ТПВ-прицел MIRA для ПТУР MILAN: а – внешний вид, б – положение на ракетном комплексе
Рис. 1. Схема ТПВ-прицела MIRA для ПТУР MILAN: 1 входная оптика, 2 – блок сканирования, 3 – ФПУ, 4 блок обработки сигнала, 5 – светодиодный индикатор, 6 – баллон со сжатым воздухом, 7 дневной прицел ПТУР, 8 – прокачивающееся зеркало, сопрягающее ТПВ и дневной визуальный каналы прицела, 9 – фильтр
а)
б)
Фото 4. ТПВ-прицел OPAL: а – вид спереди, б – вид сзади
а)
б)
в)
Фото 5. ТПВ-прицел Bill Night Sight (BNS) (а), ТПВ-прицел для ПТУР AC3G (Trigat) (б), ТПВ-прицел TS-M (в)
Рис. 2. Схема ТПВ-прицела Bill Night Sight (BNS): 1 ИК-объектив, 2 – его сменные компоненты, 3 сканирующий зеркальный барабан, 4 – ФПУ, 5 – блок его охлаждения, 6 – светодиодный индикатор, 7 проекционная система, 8 – фильтр, 9 – ЭОП с окуляром
а)
б)
Фото 6. Типичный вид изображения в ТПВ-прицел: а изображение автомобиля “Лэндровер”, наблюдаемое в ТПВ-прицел AN/TAS-4; б – изображение танка, наблюдаемое в ТПВ-прицел 1ПН-79
В настоящее время пока еще доминирующую роль играют ТПВ-приборы II поколения на базе обычных линеек ФПУ или SPRITE-детекторов. Однако за последние годы все большую роль играют ТПВ-приборы III поколения, не требующие блоков развертки.
В двухкоординатных фокально-плоскостных матрицах (ФПМ) детекторов их ФПУ-считывание осуществляется с использованием интегральных микросхем и схем временнoй задержки.
Для повышения разрешающей способности и увеличения отношения сигнал/шум может быть использовано микросканирование [7].
Наиболее распространенные ФПУ могут быть выполнены на базе соединений кадмий-ртуть-теллур (КРТ), InSb, PbS, PbSe, GaAs (QWIP-фотодетекторы на основе “квантовых ям”), микроболометрических или пироэлектрических ФПМ [3].
В качестве оптики используются ИК-объективы со сменными афокальными насадками, допускающими ступенчатое изменение фокусного расстояния объектива и соответственно увеличение ТПВ-прибора и его поля зрения.
В ряде случаев используются ИК-объективы со сменными оптическими компонентами или вариобъективы с плавно изменяемым фокусным расстоянием. При этом время переключения полей зрения обычно не превышает 1 с.
Системы охлаждения ФПУ бывают трех типов: разомкнутого типа газобаллонные (ГБС), замкнутого типа в виде газовой холодильной машины (ГХМ) типа Сплит-Стирлинг и термоэлектрические системы охлаждения (ТЭО). ГБС и ГХМ используются для криогенного охлаждения ФПУ (до температуры 75 – 80 К) [9, 10].
ГБС обладает предельной простотой, малыми массой, габаритами и энергопотреблением, но требует применения сменных баллонов со сжатым газом. Одного такого баллона хватает не более чем на 4 часа непрерывной работы.
ГХМ лишена этого недостатка, но обладает более высоким энергопотреблением.
ТЭО [11] используется для сравнительно неглубокого охлаждения (125 К) ФПУ на базе PbS, PbSe, а также ФПМ на базе микроболометров и пироэлектриков. Для указанных ФПМ ТЭО чаще всего используется для термостабилизации.
Индикаторы изображения ТПВ-приборов могут быть выполнены на базе ТВ-мониторов или светодиодных матриц зеленого либо красного цвета свечения.
В электронном канале ТПВ-приборов происходит обработка сигнала в реальном масштабе времени, повышение контрастности, фильтрация шумов, электронное масштабирование с увеличением до Г = 4х, приведение сигнала к ТВ-стандарту для представления изображения на экране ТВ-монитора.
В табл. 1 приведены данные по ТПВ-прицелам для переносных противотанковых ракетных комплексов, внешний вид приборов – на фото 1 – 5, схемы – на рис. 1 и 2, а характер изображения представлен на фото 6. ТПВ-прицел может быть выполнен в виде самостоятельного устройства, но может быть сопряжен своим индикатором с дневным прицелом, через который и наблюдается изображение (фото 1).
Для противотанковой управляемой ракеты (ПТУР) Trigat (совместная разработка Великобритании. Франции, Германии, Бельгии, Дании) был создан ТПВ-прицел III поколения SATEL Tiger с использованием ФПУ на основе ФПМ (48?4 элементов) с дальностью действия 2 – 2,4 км, углами поля зрения 8×40 и 3×1,50, массой 6,5 кг [17].
Фото 7. ТПВ-прицел для ЗУР “Стрела” на ракетном комплексе
а)
б)
в)
г)
Фото 8. ТПВ-прицел AN/PAS-18 (WASP) (а) для ЗУР Stinger и его рабочее положение (б), характер наблюдаемого изображения вертолета (в) и самолета (г), летящих на малой высоте
Рис. 3. Типичный вид переносного ТПВ-прибора наблюдения II поколения LWTI: 1 – входной зрачок ИК-объектива, 2 – баллон со сжатым воздухом, 3 маховичок фокусировки, 4 – рукоятка смены полей зрения, 5 – маховичок включения охлаждения, 6 включение прибора, 7 – окуляр, 8 – батарейный отсек, 9 – ручка переноски, 10 – маховичок включения датчика температуры, 11 – маховичок включения индикатора температуры
Рис. 4. Типичный вид переносного ТПВ-прибора наблюдения II поколения IR18 Mark II: 1 –в сборе, 2 ИК-объектив, 3 – блок сканирования с ФПУ, 4 электронный блок и источник питания, 5 – сменные афокальные насадки
а)
б)
в)
г)
д)
е)
ж)
з)
и)
Фото 9. Типичный вид переносных ТПВ-приборов наблюдения II поколения: ТПН-1 (а), Model 800LS (б), Catherine FC (в), Catherine GP (г), Escort (д), AN/TAS-6 (е), SIRENE (ж), FORTIS (з), PTC-10 (е)
Фото 10. ТПВ-прибор III поколения HD-1003 в сборе
Рис. 5. Отдельные узлы HD-1003: 1 – бленда, 2 – передняя стенка корпуса, 3 – ИК-объектив, 4 – источник питания, 5 – ФПУ (ФПМ), 6 – электронный блок ФПУ, 7 интерфейс, 8 – блок электронной обработки, 9 блок памяти, 10 – корпус
а)
б)
в)
Фото 11. Типичный вид переносных ТПВ-приборов наблюдения III поколения: ThermoVision SENTRY (а), ThermoVision SENTRY POD SYSTEM (б), ThermoVision 2000 (в)
а)
б)
Фото 12. Типичный вид удерживаемого в руках ТПВ-прибора наблюдения II поколения FALCON (а), он же в рабочем положении (б)
а)
б)
в)
г)
д)
Фото 13. Типичный вид удерживаемого в руках ТПВ-прибора наблюдения III поколения.JIM MR 90 (а), MAG 2400 (б), SOPHIE MF (в), RUBY (г), NESTOR (д)
а)
б)
в), г), д),е)
ж)
з)
Фото 14. Характер наблюдения в ТПВ-приборы различного типа: а – изображение в дневной канал прибора NESTOR, б – то же изображение в ТПВ-канал прибора NESTOR; изображение в ТПВ-прибор ThermoVision 2000: в поле зрения 250, г – поле зрения 60, д поле зрения 0,980, е – на дальности 2,3 км, ж дополнительное увеличение Г = 4х в электронном канале прибора позволяет видеть фигуру человека более детально; з автоматическое увеличение контраста изображения в приборе ThermoVision SENTRY POD SYSTEM: исходное и скорректированное изображения (по направлению стрелки)
Параметры ТПВ-прицелов для зенитных ракетных комплексов представлены в табл. 2, их внешний вид – на фото 7, 8. Их отличительной особенностью является непереключаемое широкое поле зрения (порядка 20×120) и малая масса (2,5 3,2 кг).
Наибольшее распространение получили ТПВ-приборы наблюдения.
Их основные параметры даны в табл. 3, внешний вид представлен на рис. 3, 4 и фото 9 – 13, а характер наблюдаемого изображения – на фото 14.
Эти ТПВ-приборы в процессе работы либо удерживаются в руках, либо устанавливаются на треноге. Очень часто для одних и тех же приборов используются оба эти способа работы.
Часто ТПВ-приборы используются в сочетании с лазерным дальномером, цифровым компасом, дневным визуальным или ТВ-каналом, глобальной системой позиционирования GPS (Global Positioning System). Конкретным примером такого ТПВ-прибора является система NESTOR [28] (табл. 3).
В корпусе прибора содержится безопасный для зрения лазерный дальномер с длиной волны 1,5 мкм, обеспечивающий измерение дальности до 10 км, дневной визуальный канал с увеличением Г = 7х и диаметром входного зрачка объектива 42 мм, цифровой магнитный компас, обеспечивающий ориентирование по странам света по горизонту в пределах 3600 с точностью 0,50 и по вертикали в пределах ± 450 с точностью 0,20, встроенная GPS (с возможностью применения и внешней GPS).
В приборе имеется дисплей с изображением карты местности с тактическими символами, имеется интерфейс для дистанционной передачи изображения по радиоканалу, а также интерфейс для подключения к гирокомпасу.
При установке приборов на треноге могут быть использованы ручные или автоматические поворотные устройства для перемещения оптической оси прибора по горизонту и по вертикали.
Скорость автоматического перемещения по горизонту может достигать 120 град/с, а по вертикали – 60 град/с. Пределы фокусировки могут составлять от (30 – 50) м до µ.
Лазерный дальномер обеспечивает измерение дальности до 10 км с точностью ± 5 м.
При наличии на выходе индикатора окуляра возможна его диоптрийная регулировка в пределах ± (4 – 5) диоптрий.
Диаметр выходного зрачка окуляра может составлять 5 мм при удалении выходного зрачка 22 мм. ТВ-мониторы, используемые в качестве индикатора, могут иметь диагональ до 5 дюймов.
На фото 14 наглядно показано, насколько изображение в ТПВ-канале отличается от визуального (фото 14 а, б), какие результаты дает изменение масштаба изображения с помощью оптики (фото 14 в – е), с помощью электронного масштабирования (фото 14 ж) и в какой степени может быть повышена контрастность изображения (фото 14 з).
Все указанные ТПВ-приборы питаются от аккумуляторных батарей с напряжением постоянного тока =12 В, =24 В, = (18 – 32) В (в зависимости от типа прибора).
Перспективы их развития связаны с переходом к приборам III поколения и комбинированием с устройствами других типов для расширения функциональных возможностей.
Литература
1. Гейхман И.Л., Волков В.Г. Основы улучшения видимости в сложных условиях. М.: Недра-Бизнесцентр”, 1999, 286 с.
2. Волков В.Г. Малогабаритные ночные прицелы. / Специальная техника, 2004, № 1, с. 12 – 23.
3. 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.
4. Волков В.Г. Тепловизионные приборы для бронемашин. / Специальная техника, 2005, № 1, с. 2 – 20, 2005, № 2, с. 2 – 5.
5. Волков В.Г. Ночные приборы наблюдения./ Специальная техника, 2004, № 4, с. 2 – 15.
6. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Тенденции развития инфракрасных систем “смотрящего” типа./ Специальная техника, 2004, № 1, с.24 – 37.
7. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Некоторые пути совершенствования тепловизионных систем./ Специальная техника, 2004, 2, с. 11 – 19.
8. Волков В.Г. Современное состояние развития приборов ночного видения. Обзор № 5576, М.: НТЦ ИНФОРМТЕХНИКА”, 1994, часть 1, 98 с., часть 2, 104 с.
9. Газовые криогенные машины СПЛИТ – СТИРЛИНГ. НТК “Криогенная техника”, г. Омск-105, 2000.
10. Грезин А.К., Зиновьев В. С. Микрокриогенная техника. М.: Машиностроение, 1977, 232 с.
11. Thermoelectric Cooling. Каталог RMT Ltd. РФ., М.: 2000, 32 с.
12. МУЛАТ. Тепловизионный прицел для ПТРК Фагот и Конкурс-М. Проспект НПО ГИПО, РФ, Казань, 2003.
13. МУЛАТ-115. Тепловизионный прицел для ПТРК Метис и Метис-М. Проспект НПО ГИПО, РФ, Казань, 2003.
14. 1ПН86-ВИ. Тепловизионный прицел для ПТРК Метис и Метис-М. Проспект НПО ГИПО, РФ, Казань, 2003.
15. 1ПН79. Тепловизионный прицел для ПТРК Корнет-Э, Фагот и Конкурс-М. Проспект НПО ГИПО, РФ, Казань, 2003.
16. МЕТИС-2. Тепловизионный прицел для ПТРК Корнет и Корнет-Э. Проспект НПО ГИПО, РФ, Казань, 2003.
17. Pеngelly R., Hewish M. Missiles put dismounted infantry back on the field. Jane’s International Defence Review, 1999, № 8, рр. 26 – 32.
18. Тепловизионный наблюдательный прибор ТПН-1. Проспект ПО КОМЗ, РФ, Казань, 1999.
19. Jane’ Weapons Systems 2003 – 2004. Thermal Imagers. Справочник. США, 2003.
19. AN/PAS-13 Thermal Weapon Sight. Проспект фирмы Raytheon , США, 2003.
20. 3rd generation uncooled thermal imager SAGEM JIM MR. Проспект фирмы SAGEM, Франция, 2003.
21. HD-1003 STAR TRACKER. Проспект фирмы Raytheon, США, 1999.
22. SOPHIE MF. Проспект фирмы THALES, Великобритания, 2004.
23. MAG 2400 Long – Range Thermal Imager. Проспект фирмы Raytheon, США, 2002.
24. ThermoVision Family. Проспект фирмы FLIR Systems, США, 2004.
25. Тепловизионный прицел для ЗУР. Проспект ГУДП СКБ ТНВ ГУП “НПО “Орион”, РФ, М., 1999.
26. RUBY Light Portable Infrared Imager. Проспект фирмы CEDIP Infrared Systems, Франция, 2004.
27. NESTOR. Проспект фирмы, Германия, 2004.
28. OPAL. Проспект фирмы El-Оp, Израиль, 2004.