ПРИБОРЫ НОЧНОГО ВИДЕНИЯ
Содержание
Типы ПНВ
Варианты применения
Устройство ПНВ
История
Приборы с регистрацией инфракрасного (теплового) излучения
Приборы с регистрацией ультрафиолетового излучения
Прибор ночного видения (ПНВ) — вакуумный фотоэлектронный прибор для преобразования невидимого глазом изображения объекта (в инфракрасном, ультрафиолетовом или рентгеновском спектре) в видимое либо для усиления яркости видимого изображения.
Типы ПНВ
ПНВ делятся на:
пассивные (работают в условиях естественной ночной освещённости);
активные (работают с подсветкой, обычно в ближнем ИК-диапазоне);
активно-импульсные (работают с подсветкой в стробирующем режиме работы фотокатода).
а также на:
усиливающие (усиление яркости видимого изображения);
преобразующие (преобразование ИК, УФ излучения в видимое).
Варианты применения
Современные ПНВ выпускаются в нескольких основных форм-факторах. Наиболее простым является ночной монокуляр — удерживаемая в руке оператора зрительная труба обычно невысокой кратности. Бинокли ночного видения имеют два ЭОП и выводят увеличенное стереоскопическое изображение. Очки ночного видения — закрепляются на голове, имеют широкое поле зрения и не увеличивают изображение (либо имеют переменное увеличение от 1х до более высокого значения, что позволяет использовать их как бинокль). Очки могут иметь два ЭОП либо быть псевдобинокулярными, когда изображение с одного ЭОП поступает на оба окуляра. Монокуляр кратности 1х, закрепленный на оголовье, может использоваться как дешевая альтернатива очкам. Прицелы ночного видения закрепляются на оружии, как правило увеличивают изображение и имеют прицельную сетку. Существуют также приставки ночного видения к дневным оптическим прицелам. Эти приборы должны выдерживать отдачу оружия, не все прицелы могут применяться на стрелковом оружии высокой мощности. Альтернативным вариантом прицеливания через ПНВ является использование закрепленного на оружии инфракрасного лазерного целеуказателя, невидимый глазу луч которого наблюдается через очки ночного видения. Приборы ночного видения также устанавливаются на боевую технику, где они интегрированы в прицельные комплексы.
Устройство ПНВ
Наблюдательный ПНВ состоит из следующих основных частей: объектива, приёмника излучения, усилителя, устройства отображения изображения. Во многих современных ПНВ роль приёмника излучения, усилителя средства отображения усиленного изображения выполняет электронно-оптический преобразователь (ЭОП). Оператор рассматривает изображение на экране ЭОП через окуляр. В качестве приёмника может использоваться ПЗС-матрица. В этом случае оператор наблюдает изображение на экране монитора.
История
М.В. Ломоносов создал прибор «для сгущения света», названный им «ночезрительной трубой», предназначенный для рассмотрения на море удалённых предметов в ночное время или, как говорится в его статье «Физическая задача о ночезрительной трубе» (1758) — служившую возможности «различать в ночное время скалы и корабли».
Активные ПНВ нулевого поколения
Разработаны в Германии во время Второй мировой войны. Применение союзниками по антигитлеровской коалиции во всех возрастающих объемах авиации для борьбы с немецкими танками (особенно после открытия второго фронта в Европе) свело возможность передвижения танковых частей днем практически к нулю. Остро встал вопрос об оснащении танков приборами ночного видения, работа над которыми велась фирмой AEG с 1936 года. Такие устройства требовали активной подсветки инфракрасными прожекторами. Основной фотоэлемент — электронно-оптический преобразователь с фотокатодом, который позволял изображать обстановку, подсвеченную ИК-светом, в окуляре в видимом спектре. Недостатком являлись отсутствие защиты от яркого света (защиты от вспышки) и демаскировка ИК-прожекторами.
Итогом этих разработок стали монтируемые на командирской башенке «Пантеры» инфракрасные прожектора-осветители мощностью 200 Вт плюс приборы наблюдения, которые позволял осматривать при движении местность с дистанции 200 метров. При этом водитель такого прибора не имел и управлял машиной, руководствуясь указаниями командира. В ноябре 1944 года панцерваффе получили 63 «Пантеры», оснащенные первыми в мире серийными активными приборами ночного видения Sperber FG 1250. Фирмой Zeiss-Jena разрабатывался ещё более мощный прибор, позволявший «видеть» на расстоянии 4 км, однако из-за больших размеров осветителя — диаметр 600 мм — применения на «Пантерах» он не нашел.[1].
Но чтобы вести ночью и огонь, требовался более мощный осветитель. Для этого на полугусеничном бронетранспортере Sd Kfz 250/20 был установлен инфракрасный прожектор Uhu мощностью 6 кВт, обеспечивавший работу прибора ночного видения на дистанции 700 метров. Испытания его прошли удачно, и фирма Leitz-Wetzlar изготовила 800 комплектов оптики для ночных приборов. Данная техника использовалась для ночных атак на советские позиции во время наступления на Балатоне (март 1945).
В 1944 году была выпущена опытная партия из 300 инфракрасных прицелов Zielgerat 1229 (ZG.1229) «Vampir», которые устанавливались на автоматыМР-44/1. Комплект состоял собственно из прицела весом 2,25 кг, батареи в деревянном корпусе (13,5 кг), питающей ИК-прожектор, и небольшой батареи питания прицела, помещённой в противогазную сумку. Батареи подвешивались за спиной солдата на разгрузке. Вес прицела вместе с аккумуляторами достигал 35 кг, дальность не превышала ста метров, время работы — двадцать минут. Тем не менее немцы активно использовали эти приборы во время ночных боёв.
Первое поколение
Основа технологии — фотоумножители, поставленные между фотокатодом и окуляром, что позволяло добиться многократного усиления видимого ИК света с переводом последнего в видимый диапазон.
Второе поколение
Применена микроканальная технология, что позволило избавиться от паразитной засветки. Яркая точка на изображении оставалась точкой и не засвечивала соседние каналы.
Третье поколение
Применены фотокатоды на арсениде галлия, что позволило ещё больше увеличить коэффициент усиления света и уменьшить габариты приборов.
|
Вид через прибор ночного видения на американского пулеметчика 25-й пехотной дивизии(на пулемете (M249 Para) — оптический прицел Elcan, ПНВ бойца закреплен на шлеме и откинут вверх). |
|
ПНВ Советского производства ПН-1А. |
Приборы с регистрацией инфракрасного (теплового) излучения
Тепловизор – это прибор, измеряющий тепло людей или техники и фиксирующий эти измерения в виде инфракрасных изображений различного цвета. Портативный тепловизор по комплектации чем-то напоминает телевизионную камеру. Он состоит из объектива, матрицы и блока обработки сигнала. Спектр применения тепловизоров весьма широк. Они используются в медецине и ветеринарии, органами правопорядка и охранными предприятиями, в различных отраслях промышленности. Особое место занимает обследование строительных объектов, техники и оборудования. Некоторые тепловизоры оснащены специальными линейками камер для инженерии и строительства. Также тепловизионные монокуляры применяются при реставрации картин и объектов архитектуры.
С помощью данного прибора можно выявить наличие дефектов в нефтяных и газопроводах, электрических соединениях, теплотрассах и водопроводах, что позволит своевременно предотвратить возможные аварии на предприятиях и заводах.
Портативный тепловизор применяется на вокзалах и в аэропортах в качестве прибора для измерения температуры человека с целью выявления больных пассажиров. В отличие от рентгена он совершенно безопасен для человека, так как не излучает инфракрасное излучение, а только принимает его.
Купить тепловизор на российском рынке можно по цене от 3000 до 100000 долларов. На стоимость такие характеристики, как: диапазон измеряемых температур, размер матрицы, точность измерения температуры, объектив и т.д.
Тепловизор поставляется с программным обеспечением, которое необходимо для хранения инфракрасных изображений и их анализа. Программное обеспечение позволяет изменять параметры изображения: цветовую палитру, компенсацию отраженного тепла и т.д. Благодаря этому обследование с помощью тепловизора является не только удобным и достоверным, но и не требует повторного сканирования одного и того же объекта.
Наиболее приемлемый по цене тепловизор в России производится фирмой СОТ. Купить тепловизор OTIS-10можно как в личных, так и коммерческих целях. С его помощью можно вести круглосуточное наблюдение за объектами в любых погодных условиях. Это делает его популярным в среде любителей охоты. С помощью тепловизионного монокуляра OTIS-10 легко ориентироваться в темное время суток, во время тумана или дождя. Эти же преимущества привлекают покупателей, приобретающих тепловизоры для координации военных действий. В комплекте с монокуляром поставляются два кабеля («видео» и «USB»), с помощью которых можно подключиться к внешним устройствам: компьютеру, видеоаппаратуре и источникам питания.
Об этих приборах ходит множество небылиц. Передаваемые из уст в уста байки грешат как преувеличением возможностей технологий, так и недооценкой. Связь между тепловизорами и свиным гриппом тоже может показаться забавной, но как раз здесь все очень и очень серьезно...
Тепловизор, упрощенно говоря, видит тепло и способен отличать друг от друга объекты с разной температурой. Следовательно, в толпе здоровых людей с температурой 36,6 относительно легко можно выявить тех, у кого она поднялась, скажем, до 37,5. Именно такой порог установлен для тепловизора, который начали использовать в международном аэропорту «Шереметьево»: пассажиров, испытывающих недомогание, планируется передавать в ласковые руки медиков, а уж те должны поставить диагноз. Случаев выявления свиного гриппа с помощью "шереметьевского тепловизора" пока не было. Напротив, те больные, о которых сообщалось как раз спокойно проследовали мимо, а почувствовали себя плохо уже после возвращения домой. В этом смысле тепловизор, конечно, не панацея, да и мало одного прибора на весь аэропорт.
Для «Шереметьево» и других российских аэропортов введение дополнительного контроля — своего рода ноу-хау, хотя ничего нового в подобном применении тепловизоров нет. Многие аэропорты мира взяли эту технологию на вооружение еще несколько лет назад, когда миру угрожала эпидемия атипичной пневмонии. Россияне же. как всегда, долго запрягали...
В ближайшие недели лететь я никуда не собирался, но взглянуть на высокотехнологичные «градусники» можно было там, откуда их в «Шереметьево» привезли, — в компании «Пергам-Инжиниринг», представляющей в России интересы шведского производителя тепловизоров FLIR. Оказалось, что в аэропортах и на вокзалах недостаточно лишь функции определения температуры объекта. Необходимо учитывать, что человек может попасть в помещение с улицы, где бывает и холодно, и жарко, и дождливо. Температура кожи здорового человека при этом меняется в широких пределах, а потому на практике снимаются несколько заведомо здоровых людей, а потом тепловизор сравнивает с этим «эталоном» всех остальных. Особенно всматриваться в экран прибора оператору не надо: во-первых, тепловизор настроен так, что на картинке подсвечиваются все участки, температура которых выше заданной величины, а во-вторых, при обнаружении аномалии подается звуковой сигнал. Так что если в аэропорту возле вас что-то зазвенело, дело может быть и не в забытых в кармане ключах.
Путь к матрице
Прежде чем появиться в аэропортах, прописаться в представительских автомобилях и попасть в руки охотников, тепловизоры поработали на военных и ученых: и те и другие видят много пользы в том, что температуру объектов можно определять на расстоянии. Есть наблюдательные и измерительные тепловизоры. Первые просто делают изображение в инфракрасных лучах видимым: излучение, попадающее на матрицу, преобразуется в аналоговый сигнал, оцифровывается и с помощью той или иной цветовой шкалы выводится на экран. Измерительные тепловизоры. кроме того, присваивают значению цифрового сигнала каждого пиксела соответствующую ему температуру, в результате него мы получаем картину распределения температур. Впрочем, матрицы появились сравнительно недавно.
В первых приборах, предназначенных для удаленного измерения температуры был всего один чувствительный элемент (приемник), который замерял среднюю температуру всего, что попадало в поле зрения оптики. Такие простые приборы — пирометры — выпускаются и сейчас.
Со временем, с помощью систем развертки на единственном сенсоре, научились по очереди фокусировать различные участки поля зрения прибора. На выходе такого прибора — термографа — получалась термограмма, состоящая из некоторого количества точек с измеренной температурой. Затем пришла очередь линеек сенсоров, и температуру стали замерять не поточечно, а по линиям, как в обычном оптическом сканере. Одним из первых таких приборов стал бортовой тепловизор американской фирмы Barnes, разработанный в 1954 году и устанавливавшийся на летательных аппаратах. В них осуществлялась только строчная развертка сцены, а кадры строились за счет перемещения самолета.
Создание матричных сенсоров сделало возможным появление современных тепловизоров. Идея в них заложена та же, что и в цифровом фотоаппарате: полупроводниковые элементы улавливают фотоны. Материал для сенсоров, конечно, другой, ведь фиксируется не видимое, а инфракрасное излучение. Чтобы полупроводниковая матрица в тепловизоре сохраняла достаточную чувствительность, ее температура должна быть намного ниже температуры измеряемого объекта — это своего рода борьба с шумностью изображения. Полупроводниковые матрицы охлаждают различными способами, к примеру, жидким азотом или при помощи холодильника Стирлинга. Самые лучшие тепловизоры с охлаждаемыми датчиками могут работать на частоте до 20 кГц и измерять температуру с точностью до 0.018°, что позволяет детально рассмотреть даже очень скоротечные процессы — например, взрывы или образование трещин. Необходимость охлаждения делает тепловизоры дорогими, громоздкими и не всегда безопасными, тем самым сильно сужая область их применения, поэтому широкое распространение получили аппараты с совершенно другим типом матриц (и, увы, с меньшей производительностью) — на микроболометрах. Болометр — прибор, позволяющий измерить энергию излучения за счет поглощения излучения чувствительным элементом — тонкой проводящей ток пластинкой. Поглощая излучение, пластина разогревается, ее электрическое сопротивление растет, и эти изменения фиксируются. В современных матрицах для тепловизоров болометр имеет размер 25 мкм, а главное достоинство такой матрицы в том, что ее не нужно охлаждать. Первый коммерческий тепловизор серии Thermovision 500, в котором приемник излучения работал при комнатной температуре, был выпущен шведской фирмой AGEMA Infrared Systems.
Тепловизоры работают в разных диапазонах длин волн, но два основных соответствуют окнам прозрачности земной атмосферы для инфракрасного излучения: 2,5-5 и 7-14 мкм. Большинство неохлаждаемых тепловизоров показывают хорошие результаты именно во втором диапазоне, где их точность достигает 0,045° при рабочей частоте болометрической матрицы до 100 Гц. На этом участке спектра и атмосфера более прозрачна на значительных расстояниях, и энергии больше излучается, и посторонних засветок меньше.