Приборы ночного видения

     Основными недостатки каскадных ЭОП — малая разрешающая способность и сравнительно высокий темновой фон, ухудшающие качество изображения. Эти недостатки устраняют, применяя волоконно-оптической пластины, состоящие из световодов диаметром 10—20 мкм и ЭОП с микроканальным усилителем. В ЭОП этого типа на пути фотоэлектронов вместо электронной фокусирующей системы располагается стеклянная пластина, пронизанная множеством каналов диаметром 15—25 мкм, внутренняя поверхность которых покрыта материалом с большим коэффициентом вторичной электронной эмиссии. Каждый канал является по существу фотоэлектронным умножителем, усиливающим фототок элемента изображения в 105—106 раз. Электроны от каждого канала попадают в соответствующую точку экрана, формируя видимое изображение. В микроканальных ЭОП отпадает необходимость применения электронной фокусировки.

     В некоторых типах ЭОП изображение регистрируется матрицей из электроночувствительных элементов (в количестве 10 — 100), установленной вместо люминесцентного экрана.

     ЭОП применяются в ИК технике, спектроскопии, медицине, яд. физике, астрономии, телевидении, для преобразования УЗ изображения в видимое. Современные многокамерные ЭОП позволяют регистрировать на фотоэмульсии световые вспышки (сцинтилляции) от одного электрона, испускаемого входным фотокатодом. 

     4. Особенности модернизации  приборов ночного  видения 

     Приборы ночного видения (ПНВ) широко используются в специальной технике для обеспечения наблюдения и прицеливания в сумерках и ночью. При этом существует проблема непрерывного совершенствования их параметров. Эту проблему можно решать двумя путями:

     - разработкой новых ПНВ;

     - модернизацией уже существующих  серийных ПНВ.⁷

     Первый  путь позволяет добиться значительных качественных улучшений параметров ПНВ, но он достаточно дорог и требует  значительных затрат времени. Второй путь позволяет, на первый взгляд, добиться более скромных результатов, но приводит к решению многих задач при минимальных затратах финансовых средств и времени.

     Особенно  ярко это проявляется в отношении  ПНВ для объектов бронетанковой  техники (БТТ)⁸. Очень многие серийные объекты БТТ оснащены ПНВ, выполненными на базе электронно-оптических преобразователей (ЭОП) нулевого поколения. К таким ПНВ относится ночной прицел наводчика ТПН-1, установленный на танках Т-55, Т-62, Т-64,

     Т-72, ночной прицел наводчика ТПН-3 (танки  Т-72, Т-80), комбинированный дневно-ночной прицел БПК-2 (боевая машина пехоты БМП-2).

     ЭОП нулевого поколения с кислородно-серебряно-цинковым фотокатодом допускают работу ПНВ  только в активном режиме (с ИК-прожекторным подсветом), а с многощелочным  фотокатодом (за исключением малочувствительных фотокатодов) – только в пассивном режиме (без подсвета). Между тем ПНВ должны работать в основном в пассивном режиме и только в особо темные ночи – в активном режиме. ЭОП нулевого поколения имеют достаточно высокую разрешающую способность только в центральной части поля зрения. На краю поля зрения разрешающая способность падает в 4 – 5 раз по отношению к центру⁹. Из-за ограниченности допустимых габаритов для размещения ПНВ во внутренней полости объектов БТТ для указанных выше ПНВ приходится использовать только однокамерные ЭОП, обладающие малым коэффициентом усиления яркости. Это обстоятельство в сочетании с низкой чувствительностью фотокатодов ЭОП нулевого поколения резко ограничивают дальность видения. В связи с этим ПНВ с такими ЭОП обеспечивают видение лишь в течение 40% всего темного времени суток. ЭОП нулевого поколения обладают низкой помехозащищенностью к воздействию излучения световых помех (вспышки выстрелов, взрывов и пр.). Это излучение засвечивает все поле зрения ПНВ. Единственный способ борьбы со световыми помехами – выключение ПНВ на время их воздействия. Яркость экрана ЭОП зависит от уровня естественной ночной освещенности (ЕНО). Габариты ЭОП нулевого поколения сравнительно велики. Единственным их преимуществом по сравнению с ЭОП более старших поколений является самая низкая стоимость. Однако это преимущество не компенсирует всех перечисленных недостатков этих ЭОП.

     В связи с этим модернизация ПНВ  должна быть связана прежде всего  с заменой ЭОП нулевого поколения  на наиболее совершенные серийные ЭОП  поколений II⁺ и III. Эти ЭОП за счет своей более высокой чувствительности фотокатода и значительному коэффициенту усиления яркости (табл. 1) обеспечивают увеличение дальности видения ПНВ при их работе в пассивном режиме в 1,5 – 2,5 раза при обеспечении этой дальности в течение более 90% темного времени суток. Разрешающая способность этих ЭОП более высока и равномерно распределена по всему полю зрения. За счет высокой чувствительности фотокатода в ИК-области спектра ЭОП допускают работу ПНВ как в пассивном, так и в активном режимах. Встроенная схема автоматической регулировки яркости ЭОП обеспечивает постоянство яркости свечения экрана в широком диапазоне изменения уровня ЕНО. Наличие в ЭОП микроканальных пластин позволяет в известной степени локализовать излучение световых помех в тех участках поля зрения, где они возникают, не вызывая засветки всего поля зрения ПНВ. Это позволяет сохранить непрерывность наблюдения при воздействии ряда световых помех.¹⁰ Габариты этих ЭОП значительно меньше, чем у ЭОП нулевого поколения. Это позволяет с успехом вписаться в габариты серийных ПНВ при замене ЭОП. Сохранение у модернизируемых ПНВ прежних габаритов, присоединительных размеров, узлов установки и механизмов связи базовых серийных ПНВ позволяет производить сравнительно простую модернизацию. Ее стоимость будет составлять 30 – 40% от стоимости разработки новых ПНВ, несмотря на более высокую стоимость ПНВ поколений II⁺ и III. ЭОП поколения III имеет по сравнению с ЭОП поколения II⁺ более высокую чувствительность фотокатода, обеспечивающую в условиях особо темных ночей повышение дальности видения на 20%. Однако их стоимость в 3 – 4 раза выше, чем у ЭОП поколения II⁺. В связи с этим последние получили более широкое применение для модернизации ПНВ.

     Однако модернизация ПНВ не может быть ограничена простой заменой одного ЭОП на другой. Поскольку ЭОП поколений II⁺ и III имеют большее поле зрения, а в перспективе – и весьма высокую разрешающую способность, доходящую у лучших зарубежных образцов до 64 – 82 штр/мм¹¹, то необходима модернизация оптики ПНВ. В целях ее проведения был разработан новый объектив “Сириус-Н”. Объектив работает в широком спектральном диапазоне l = 540 - 900 нм, имеет фокусное расстояние 173,6 мм, относительное отверстие 1:1.7. Его входной зрачок диаметром 100 мм совпадает с первой поверхностью объектива. Схема объектива дана на рис. 1. Расчетные значения коэффициентов передачи модуляции в точке на оси на пространственной частоте 50 мм нового объектива “Сириус-Н” приблизительно на 50% выше, чем у серийных объективов “Гелиос-ПА”, “Сириус-ПА”. Это соответствует возросшим требованиям к входному объективу ПНВ. Объектив содержит семь оптических компонентов, причем седьмой компонент выполнен в форме мениска, смещенного на заданную величину относительно основного блока линз. Это позволило увеличить поле зрения объектива до 2w = 8⁰ за счет высокой коррекции кривизны поля зрения и аберраций широких наклонных пучков. Кривизна поля зрения не превышает 0,017 мм для края поля зрения. Такая степень коррекции аберраций позволила получить коэффициенты передачи модуляции в области спектра 540 – 900 нм не менее:

     - 0,75 для точки на оси для частоты  N = 30 мм^-1;

     - 0,58 для точки на оси для частоты  N = 60 мм^-1;

     - 0,55 для w = 4⁰ для частоты N = 30 мм^-1;

     - 0,28 для w = 4⁰ для частоты N = 60 мм^-1.¹²

     B модернизированных ПНВ ЭОП поколений  II⁺ и III в целях достижения их минимальных габаритов и высокого качества изображения используют прямой его перенос с фотокатода на экран без оборачивания на 180?. В серийных ПНВ использовались инверторные ЭОП нулевого поколения, в которых изображение оборачивалось на 180?. В связи с этим в модернизируемых ПНВ вместо окуляра используется окулярная система с оборачиванием изображения (рис. 2). Расчетная длина волны окулярной системы составляет 546 нм при диапазоне ахроматизации 530 – 560 нм, линейное поле зрения 18 мм, увеличение 0,5^c, числовая апертура в пространстве предметов Sin U = 0,136, удаление выходного зрачка составляет 20 мм при его диаметре 7 мм. В такой системе имеется дополнительная плоскость изображения, которую можно использовать для ввода в окулярную систему изображения прицельной шкалы, светодиодного индикатора дальности и прочей служебной информации. В прицеле ТПН-3 для работы в пассивном режиме использовался ЭОП с многощелочным фотокатодом, а для работы в активном режиме – ЭОП с кислородно-серебряно-цинковым фотокатодом. Для перехода от одного режима к другому происходила замена соответствующего ЭОП, поворачивающегося в барабане с последующей фиксацией. В модернизированном прицеле ТПН-3 вместо двух ЭОП для работы в обоих режимах используется один ЭОП, в связи с этим в освободившееся место во вращающемся барабане вместо ЭОП установлена оборачивающая оптическая система (рис. 3), которая вместе с объективом ПНВ и окуляром окулярной системы для ЭОП образует дневной канал ориентации и наблюдения. Таким образом, при переключении позиций барабана возможно обеспечить работу либо ночного, либо дневного каналов.

     Предлагаемая  одновременно с модернизацией ПНВ  замена прожекторов инфракрасного (ИК) излучения на лампах накаливания и газоразрядных лампах на унифицированный малогабаритный прожектор на основе эффективного полупроводникового лазера позволяет не только увеличить дальность видимости в активном режиме работы, но и повысить помехоустойчивость и эффективность работы комплекса в целом в условиях эксплуатации, тем более что производство ксеноновых ламп на Рижском электроламповом заводе прекращено в 1991 году.

     Прожектор ПЛ-1 содержит единый блок, функционально  объединяющий лазерный излучатель, блок питания и формирующую оптическую систему, а также систему обогрева защитного стекла. Электрическая связь объекта с прожектором ПЛ-1 обеспечивается кабелем из комплекта объекта. Используя монтажный комплект из состава прожектора имеется возможность замены ламповых прожекторов, изготовленных до 1991 года, на прожектор ПЛ-1 непосредственно на объектах БТТ без доработок конструктивных элементов объекта.¹³

     Наличие в окулярной системе ПНВ дополнительной плоскости изображения позволяет  выполнить следующий шаг модернизации – ввести в состав ПНВ телевизионный

     Следующий шаг модернизации заключается во введении активно-импульсного (АИ) режима работы ПНВ. Сущность АИ-режима сводится к следующему¹⁴. Объект наблюдения освещается короткими световыми импульсами, длительность которых значительно меньше времени распространения света до объекта и обратно. При этом объект наблюдается в ПНВ, снабженный быстродействующим затвором, открывающимся в такт с посылкой световых импульсов на определенное время. В том случае, когда временная задержка между моментом излучения импульса и моментом открывания затвора равна удвоенному времени, необходимому для прохождения светом расстояния до объекта и обратно, наблюдатель будет видеть только сам объект и участок пространства, непосредственно его окружающий. Глубина этого пространства определяется как временем открытого состояния затвора, так и длительностью светового импульса. В качестве быстродействующего затвора используется ЭОП поколений II⁺ и III, в качестве источника коротких световых импульсов – импульсный лазерный осветитель ПЛ-1. Импульсное управление (стробирование ЭОП) и синхронизированная с ним импульсная работа лазерного осветителя осуществляется с помощью специального блока стробирования. Преимущества АИ-режима:

     - Повышение контраста в изображении наблюдаемого объекта, а значит, и дальности действия ПНВ (в рассматриваемых ПНВ до 1800 – 2000 м) за счет:

     - отсечения задержкой излучения обратного рассеяния, которое в обычных активных ПНВ накладывается на изображение наблюдаемого объекта и снижает контраст в его изображении даже в нормальной или при незначительно ухудшенной прозрачности атмосферы; при этом АИ-режим наиболее эффективен в тех дымках, туманах и пр., где наименее эффективны тепловизионные приборы;

     - ослабления, равного скважности работы прибора, рассеянного в атмосфере излучения, определяемого уровнем естественной освещенности;

     - отсечения изображения фона.

     - Введение АИ-режима позволяет измерить дальность до наблюдаемого объекта: поскольку изображение объекта наблюдения появляется только при определенной величине задержки, соответствующей дальности до объекта, то по величине задержки можно измерять дальность до объекта с точностью до ± 10 м и выше; в отличие от обычных лазерных дальномеров при этом исключена возможность выдачи ложного значения дальности за счет реакции дальномера на случайные предметы, находящиеся между целью и ПНВ; поскольку в АИ ПНВ эти ложные сигналы отсекаются задержкой.

     - Введение АИ-режима позволяет увеличить помехозащищенность ПНВ в 1000 раз за счет подавления световой помехи в число крат, равное скважности работы ПНВ, а также благодаря спектральной селекции, связанной с установкой перед фотокатодом ЭОП узкополосного фильтра с полосой пропускания, соответствующей спектру излучения лазерного осветителя.

     АИ  режим имеет два недостатка:

     - демаскировка, связанная с активным  режимом работы;

     - практическая невозможность поиска  в АИ-режиме, т.к. поиск приходится  осуществлять не только по  полю, но и узким стробом по  глубине.

     В связи с этим при нормируемом уровне ЕНО поиск следует осуществлять в пассивном режиме. Дальность обнаружения объектов в этом режиме обычно в 1,3 – 1,5 раза превышает дальность распознавания. Поэтому при обнаружении объекта в пассивном режиме распознают его и измеряют до него дальность в АИ-режиме; при пониженном уровне ЕНО поиск ведут в активно-непрерывном режиме.¹⁵

     Прожектор ПЛ-1 работает в необходимом для  реализации АИ ПНВ импульсном режиме (его рабочая частота составляет 5,2 кГц при длительности импульса подсвета 130 нс); требуется его незначительная доработка для обеспечения синхронизации с ПНВ. Блок стробирования, измеритель временных интервалов и индикатор дальности могут быть заимствованы из прибора “Сож”; потребуется только его конструктивная адаптация к ПНВ.