2. Средства оперативного наблюдения в ночное время

Для проведения спецопераций необходимы эффектив­ные приборы ночного видения (ПНВ). Значение ПНВ: Они обеспечивают наблюдение в сумерках, ночью, а в ряде случаев — также и при пониженной прозрачности атмосферы (дымка, ту­ман, дождь, снегопад).

2.1.Теоретические основы построения приборов ночного видения

Принцип действия классического ПНВ основан на пре­образовании ИК-излучения, создаваемого на наблюдаемом объекте свечением ночного неба, звездами и луной, в ви­димый свет.

Функциональная блок-схема оптического тракта совре­менного ПНВ представлена на рис. 6.2.:

1. Объект наблюдения.

2. Корпус ПНВ.

3. Объектив.

4. Электронно-опти­ческий преобразова­тель.

5. Окуляр.

6. Элементы питания.

7. ИК-подсветка (прожектор).

Рис. 6.2. Функциональная блок-схема оптического тракта современного ПНВ

- Пучок параллельных ИК-лучей от прожектора(7) освеща­ет объект(1).

- Изображение наблюдаемого объекта через объектив (3) про­ецируется в перевернутом виде на входное стекло элект­ронно-оптического преобразователя (ЭОП) (4), представляющего со­бой «высоковакуумную лампу» с двумя плоскими торца­ми, входным и выходным окнами соответственно. - На внут­ренней стороне входного окна нанесен тонкий полупроз­рачный слой светочувствительного материала (фотокатод), испускающий электроны при поглощении квантов света. – На внутренней стороне входного окна находится слой лю­минофор - материала, излучающего свет при попадании на него электрона (экран), Перенос электронов, эмитиро­ванных фотокатодом, обеспечивается электростатическим полем, для чего к фотокатоду и экрану приложено напря­жение в несколько кВ.

- Под воздействием светового излучения на фотокатоде возникает эмиссия электронов, число которых в каждой точке фотокатода пропорционально облученности. Проис­ходит первичное преобразование световой энергии в элек­трическую.

- Ускоряющим электрическим полем электроны разгоня­ются и приобретают энергию, достаточную для возникно­вения свечения материала, из которого изготовлен экран. - В момент выхода из фотокатода электроны направлены равномерно во все стороны, но электронно-оптическая фокусирующая система, предусмотренная в ЭОП, стягива­ет их в узкий пучок и формирует на люминесцентном эк­ране изображение фотокатода. Таким образом, В плоскости экрана проис­ходит преобразование электрической энергии в оптичес­кую при помощи люминесцирующего вещества, которое светится видимым светом. - С экрана изображение с помо­щью лупы воспринимается глазом человека или фотопри­емным устройством.

В современных конструкциях ЭОП для усиления изоб­ражения используется вторично-эмиссионный усилитель или микроканальная пластина (МКП), устанавливаемая между фотокатодом и экраном. МКП позволяет получить усиление в десятки тысяч раз,, а в некоторых ЭОП специального назначения — до 107 раз, что достаточно для ре­гистрации единичных фотонов.

Входное и выходное окна ЭОП выполняются на плоском стекле или на волоконно-оптической пластине (ВОП). Для оборота изображения на 180° в качестве выходной ВОП используется волоконно-оптический оборачивающий элемент (ВОЭ), он же твистер. В более сложных конструкциях для оборота изображения используется бинокулярный окуляр или дополнительный линзовый оборачивающий элемент.

Несмотря на простоту конструкции и минимальное ко­личество узлов, к каждому элементу ПНВ предъявляются довольно высокие и часто противоречивые требования. Очевидно, наиболее сложным и ответственным узлом ПНВ, определяющим как его предельные параметры, так и цену, является ЭОП. Историю рождения и совершенствования этого узла следует считать показательной для технокра­тической эпохи.

Электронно-оптические преобразователи

ЭОП представляет собой электровакуумную колбу, внутри которой размещены фотокатод, люминесцентный экран, фокусирующая и ускоряющая электронно-оптические сис­темы. Характеристики и параметры ЭОП зависят от ис­пользуемых в ЭОП фотокатода и люминесцирующего ве­щества.

Достоинства использования ЭОП в приборах ночного видения:

— позволяют видеть в полной темноте и при малых яркостях объектов;

— удается применять объективы, апертура которых зна­чительно больше апертуры (зрачка) адаптированно­го к темноте глаза человека, без снижения углового поля зрения;

— материалы фотокатодов обладают более высокой кван­товой эффективностью (0,20) для белого света, чем квантовая эффективность глаза человека (0,05);

— свет на выходе ЭОП имеет достаточную интенсив­ность для того, чтобы можно было использовать высокую разрешающую способность, свойственную глазу, адаптированному к дневному свету;

— позволяют исследовать быстропротекающие про­цессы.

2. Фотокатоды ЭОП

Фотокатод наносится на прозрачную стеклянную под­ложку. В качестве фотокатодов применяются тонкие по­лупрозрачные слои полупроводников сложной структуры с малым квантовым выходом. Свойства и возможности фотокатодов принято оценивать с помощью ряда параметров и характеристик, из которых основными являются : - спектральная и интегральная чувствительности, - кванто­вый выход, - частотная и световая характеристики. Основные требования к фотокатодам ЭОП:

— поглощение света должно быть максимальным, что­бы достичь высокого квантового выхода, поэтому ме­таллы с высоким коэффициентом отражения в каче­стве фотокатодов не применяются;

— работа выхода фотоэлектронной эмиссии должна быть минимальной для того, чтобы продлить спектраль­ную чувствительность в длинноволновую область спектра; —термоэлектронная работа выхода должна быть мак­симальна, чтобы влияние шумов на качество изображения было незначительным, так как этот шум и шум автоэлектронной эмиссии ухудшает пороговую чувствительность аппаратуры и уменьшает контраст изображения.

3. Экраны ЭОП

Для преобразования энергии электронов в световую энер­гию служат люминесцирующие экраны. Электронный луч, попадая на такой экран, отдает целиком или частично свою энергию зернам люминофора, которые возбуждают­ся. Такой вид люминесценции называется катодолюминесценцией. Люминесценция, независимо от способа воз­буждения, делится на флюоресценцию и фосфоресценцию:

- Флюоресценция исчезает немедленно после снятия возбуж­дения, - в то время как фосфоресценция продолжает суще­ствовать и после прекращения возбуждения.

Различают тонкоструктурные порошковые катодолюминесцирующие экраны, а также бесструктурные экраны, состоящие из однородного люминесцирующего слоя, на­пример, сублимат-экраны, монокристаллы (вольфрамит кальция), катодолюминесцирующие стекла. Порошковые экраны получают осаждением жидкого люминофора на стек­лянную подложку. Сам люминофор состоит из основного материала, флюса, активатора и отравителя.

Основной материал, имеющий неизменную структуру кристалла, обычно бесцветен и является полупроводни­ком с электронной структурой. В качестве основного ма­териала эффективны сульфиды и селениды цинка, кадмия, кальция, стронция. В качестве флюса используют соли натрия, калия, лития. Они нужны только для кристалли­зации, после чего их большая часть удаляется. Активато­рами являются такие металлы, как мель, серебро, цинк, марганец, хром. Они позволяют управлять спектральной характеристикой экрана. Отравители, наоборот, ухудша­ют оптические свойства люминофора, однако позволяют управлять длительность послесвечения.

Приборы ночного видения делятся на две группы: при­боры активного действия и приборы пассивного действия.

В приборах активного действия для получения изобра­жения используется искусственная подсветка объектов све­том ИК-прожектора,

Дальность действия пассивной аппаратуры зависит от величины естественной ночной освещенности, прозрачно­сти атмосферы, контраста объекта я фона и при благопри­ятных условиях составляет 800 м,( в пассивных приборах искусственной подсветки нет?)

Для достижения оптимальных условий наблюдения в ночных приборах предусматривается автоматическая ста­билизация яркости свечения экрана при вариациях ноч­ной освещенности. Стабилизация обеспечивается электрон­ной схемой управления, предусмотренной в ПН

Для повышения помехоустойчивости ночных приборов иногда прибегают к подсветке объектов в режиме стробирования.

(пропускание отраженного светового импульса от прожектора и освещаемого им объекта лишь на короткое время), что предотвращает попадание в ПНВ(ЭОП), рассеянного излучения частиц пыли и аэрозолей воздуха. Для этого в ПНВ используется затвор, кот открывается на короткое время, чтобы пропустить отраженный свет. импульс от объекта и не пропускать рассеянное излучение от воздуха

Благодаря этому устраняется влияние обратного рассеянного излучения аэрозолями и частицами пыли, находящимися в атмосфере. Сущность метода поясняется рис. 6.3.

Рассеивающая среда среда

Объект

Затвор ЭОП

Рис. 6.3. Принципиальная схема действия ПНВ со стробированием света прожектора

Пояснение стробирования:

- Объект освещается короткими световыми вспышками лазера, длительность которых меньше времени распрост­ранения световой волны до объекта и обратно. ЭОП в ноч­ном приборе оборудован быстродействующим электронным затвором. Затвор открывается только в тот момент време­ни, когда отраженный короткий световой импульс (строб) подойдет к ЭОП. В это время наблюдатель видит изобра­жение объекта и часть пространства в соответствии со све­товым стробом (импульсом). Глубина просматриваемого пространства зависит от времени открытого состояния зат­вора и длительности светового импульса. Так при дли­тельности импульса 1 икс. глубина освещаемого простран­ства достигает 150 м. В столь малом воздушном слое эф­фект рассеяния незначителен. Так как прибор закрыт в течение всего времени прохождения световой волны до объекта и обратно, то в него не поступает свет, отраженный атмосферой. Задавая различное время задержки вклю­чения затвора ЭОП после посылки светового строба, удается последовательно прозондировать все пространство в пределах дальности действия ПНВ (около 1200 м). Прин­ципиально этим же приемом удается оценить дальность до объекта.

Увеличение наблюдательных ночных приборов обычно не превосходит 8, поля зрения у них достигают 15°. Пита­ние к ним подается от аккумуляторов или бортовой сети. Дальность действия активных ночных приборов в зависи­мости от мощности прожектора находится в пределах 0,3— 1,5 км. Огни сигнальных ламп, разогретые авиационные двигатели видны на дистанциях 8-10 км.

Классификация и устройство приборов ночного видения

Широкий спектр задач, решаемых при помощи ЭОП, одна из основных функций приборов электронно-оптичес­кой техники связана непосредственно с наблюдением объек­тов при малых уровнях оптического сигнала в том или ином участке оптического спектра. Поэтому такие элект­ронно-оптические приборы в отечественной практике по­лучили специфическое название, приборы ночного виде­ния. Работа прибора ночного видения связана не только с параметрами ЭОП и его оптических элементов, она непос­редственно должна увязываться с параметрами и характе­ристиками глаза наблюдателя. Глаз наблюдателя, кото­рый получает информацию, следует рассматривать как конечный элемент в общей системе «объект — прибор на­блюдения - глаз».

При этом возможно исполнение ПНВ в следующем виде:

— очков ночного видения;

— низкоуровневой телевизионной системы (НТВС);

— тепловизионного прибора;

— нашлемного комбинированного прибора.

Особенности, достоинства и недостатки, область применения

- Очки ночного видения

в качестве ПНВ исторически по­явились раньше всего. Различают бинокуляр­ные и псевдобинокулярные очки ночного видения.

Бино­кулярные очки состоят из двух идентичных ночных каналов под правый и левый глаз опе­ратора.

Псевдобинокулярные очки- имеют один канал( соответственно один дорогостоящий ЭОП), но раздвоен на два глаза

Недостатками бинокулярных очков являются их срав­нительно большая масса и стоимость.

Псевдобинокулярные очки- дешевле

- низкоуровневые телевизионные системы (НТВС)-

телесистемы с ПНВ ( имеют ЭОП и др)- более высокочувствительны, чем очки. Работают в черно- белом режиме : Днем- цветной, ночью- черный)

— Тепловизионные приборы;

Работают в режиме «день- ночь» как и телевиз системы, но более качественно( используют тепло- днем и холод- ночью

Еще достоинство: работают в переносном и стандартном режиме

— нашлемные комбинированные приборы (стереосистема):

Комбинация очков ночного изображения (в центре очков) и дневного изображения + наголовный дисплей, позволяющий ввести дополнительно тепловизионный канал телевидения или служебную информацию

«+» - лучшая распознаваемость объектов

- повышенная точность оценки взаиморасположения объекта

- возможность применения для вождения авто в ночное время

- лучшее изображение в естественном цвете

Очки крепятся к лицевой маске, которая в свою очередь монтируется на голове с помощью ременного оголовья с регулируемыми размерами. Бинокулярные очки обеспечивают стереоско­пический эффект, что удобно для вождения транспорта.

В настоящее время существуют телевизионные (ТВ) си­стемы, высокая чувствительность которых допускает их работу как днем, так и ночью.

Рис. 6.6.. ТВ-камера «день/ночь»

ТВ-камеры обеспечивают автоматическое переключение из дневного цветного режима в ночной черно-белый ре­жим высокой чувствительности в зависимости от уровня внешней освещенности. Внешний вид такой камеры дан на рис. 6.6. Переключение от «цветного» к «высокочув­ствительному черно-бело­му» режиму происходит при освещенности от 1 до 3 л к, а наоборот — при ос­вещенности около 10 лк. Когда ТВ-камера работает

как цветная, верность цве­топередачи обеспечивается автоматическим включением режекторного ИК-фильтра, который при переходе к черно-белому режиму также автоматически отключается. При использовании дополнительного ИК-осветителя ТВ-ка­мера в этом режиме может работать ив полной темноте.

Режим «день/ночь» обеспечивается и с помощью тепловизионных приборов. Приборы могут быть выполнен в но­симом, переносном, и в возимом исполнении.

Очки ночного видения могут быть использованы в соче­тании с лазерным целеуказателем, монтируемым на ору­жии и создающим «точечное» изображение пятна подсве­та на цели (см. рис. 6.8). Такой прицельный комплекс позволяет вести огонь из любого положения оружия и в движении.

Рис.6.8.Ночной прицельный комплекс: очки ночного видения и лазерный целеуказатель

Унифицированная конструкция монокуляров позволя­ет использовать их в качестве удерживаемых в руках ма­логабаритных ночных приборов наблюдения, стыковать их с фото- и видеокамерами для ночной съемки, приме­нять в качестве ночных прицелов для легкого стрелкового оружия (см. рис. 6.86).

Очки ночного видения также могут быть дополнены ком­пактной системой связи на базе полупроводникового лазе­ра (см. рис. 6.9).

Рис. 6.9. Внешний вид очков ночного видения со встроенной системой связи

Передатчик, встроенный в очки, имеет объектив с переменным фокусным расстоянием для обеспечения ра­боты лазера как с узким пучком (для связи), так и с широким пуч­ком (для подсвета). Дальность связи составляет 1-2 км при на­пряжении питания 9 В и време­ни непрерывной работы системы связи 4 часа.

Стремление обеспечить «сквоз­ное видение» привело также к со­зданию так называемых «голографических» очков ночного ви­дения. Их название связано не со способом создания изображения, а с той же технологией изготовления зеркал. Что и для голографических оптических элементов

Разработанные бинокулярные очки включают объектив, ЭОП, «голографическое» зеркало, окулярную систе­му. Центральную часть оч­ков занимает ночное изоб­ражение с углом поля зре­ния 40°, а периферическую часть — дневное изображе­ние с углом поля зрения до 100р4 Эти очки являются низкопрофильными. Дихроичное покрытие зеркала отра­жает в области спектра свечения экрана ЭОП и пропуска­ет в остальной части видимого спектра. Оператор видит одновременно и изображение сцены через ночные каналы очков, и изображение той же сцены, минуя ЭОП. Это по­зволяет вести непрерывное наблюдение при воздействии световых помех, когда ночной канал становится нерабо­тоспособным. Прибор может быть совмещен с наголовным дисплеем водителя. Благодаря этому в поле зрения может быть введено изображение тепловизионного канала либо служебная информация (см. рис. 6.11).

Рис. 6.11. Внешний вид поля зрения очков ночного видения:

в центре показано дополнительное изображение от встроенного малогабаритного тепловизионного канала

Разработанные стереосистемы ПНВ дает возможность получения объемного (стерео) изображения с хорошей пе­редачей ощущения глубины сцены и объема наблюдаемых объектов с возможностью регулировки зоны стереовидения и глубинной разрешающей способности. Получение стереоизображения ночной сцены имеет все известные пре­имущества стереоустройств отображения визуальной ин­формации: лучшую и более быструю распознаваемость объектов, повышенную точность оценки взаиморасполо­жения объектов и др.

Система имеет широкий диапазон применений, в том числе, может эффективно использоваться для ночного вож­дения транспортных средств. Объемность изображения дорожного полотна, улучшенное обнаружение малоразмер­ных препятствий позволят повысить скорость ночного вож­дения в 1,4—1,5 раза.

Стереосистема позволяет также получать изображение в естественных цветах при комплектации ее схемой опти­ко-электронной фильтрации. В ночных условиях (при лун­ном освещении) наблюдается почти обычная, «дневная» раскраска наблюдаемой сцены. Помимо чисто художествен­ного аспекта, цветное изображение позволяет повысить скорость обнаружения и распознаваемость объектов. Цвет­ная ночная система видения обеспечивает улучшение ско­рости распознаваемости на 30 % и снижение ошибок в распознавании на 60 %.

В 1998 г. в НПО «Орион» создан переносной наблюда­тельный ТВ ПНВ «Беркут» (см. рис. 6.12) для решения широкого круга оперативных задач. ПНВ «Беркут» имеет встроенный малогабаритный радиопередатчик, обеспечива­ющий дистанционную передачу стандартного черно-белого ТВ-сигнала в дециметровом диапазоне длин волн в любом направлении с помощью штыревой а

Рис. 6.12. Внешний вид ТВ ПНВ «Беркут» с дистанционной передачей изображения

перестает быть переносным. Изображение наблюдается с помощью выносного видеоконтрольного устройства, масса .которого вместе с приемной частью радиопередатчика, пультом управления и батареей питания не превышает 3,1 кг. Масса ПНВ вместе с треногой в рабочем положе­нии не превышает 20 кг.

При эксплуатации ПНВ необходимо учитывать: 1. Влияние световых перегрузок. Приборы ночного ви­дения должны быть защищены от световых перегрузок. Фотокатоды являются примесными полупроводниками и подвержены утомлению под действием ярких вспышек света. Например, при магниевой вспышке света яркое изображе­ние сохраняется дольше одной минуты, поэтому вспышка света, заполняющая поле зрения, будет вызывать высо­кий уровень светового фона в течение длительного проме­жутка времени. Фон обусловлен тепловой эмиссией фото­катода, под действием которой происходит интенсивное свечение экрана. При сильном освещении возможно раз­рушение экранов. Применение в ЭОП позволяет сравни­тельно просто обеспечить автоматическую регулировку усиления яркости, благодаря которой яркость экрана под­держивается на выбранном уровне независимо от величи­ны освещения на местности.

нтенны. При исполь­зовании направленной параболической антенны диаметром 150 мм дальность передачи увеличивается до 2,5 км, а применение такой антенны диаметром 600 мм увеличива­ет эту дальность до 20 км, однако в этом случае ПНВ

2. Влияние радиации. В результате ионизации атомов вещества образуются электроны, что вызывает повыше­ние фона на экране.

3. Влияние температуры. При низких температурах контраст изображения растет, так как снижается темно-вой ток и повышается эффективность люминофора. Требу­ется обогрев наглазника.

4. Влияние электромагнитных полей. При воздействии электромагнитных полей может нарушиться фокусировка электронного изображения, происходит увод изображения с экрана, поэтому ЭОП требуют тщательной экранировки. Простейший способ экранировки — поместить ЭОП в сим­метричный железный кожух, который не должен насы­щаться в электромагнитных полях.

5. Влияние влажности. Для исключения высоковольт­ного пробоя (замыкания) конструкция прибора должна обеспечивать герметизацию внутренней полости и осушку прибора.

6. Воздействие высокого напряжения. Конструкция прибора должна исключать пробой высокого напряжения на тело человека.