eng
Ночные операции всегда составляют часть военных действий, а в Афганистане, по сообщениям информационных агентств, вооруженные силы союзников действовали в основном ночью. Установленная на их самолетах и вертолетах ИК-аппаратура переднего обзора (FLIR) позволяла не только “видеть” в ночных условиях наземные цели, но и обнаруживать замаскированные объекты по их излучению в ИК-области электромагнитного спектра. Однако при проведении наземных, а также некоторых воздушных операций использовались и различные приборы ночного видения. В отличие от аппаратуры FLIR, которая работает в дальнем участке ИК-спектра, где энергия излучается в виде тепла, приборы ночного видения усиливают отраженный свет, т. е. для их функционирования необходимо хотя бы слабое освещение объектов. Стоимость таких приборов гораздо ниже стоимости FLIR, поэтому они получили более широкое распространение.
Как известно, все объекты, температура которых выше абсолютного нуля, излучают электромагнитную энергию. Чем выше температура объекта, тем короче средняя длина волны такого излучения. Аппаратура FLIR работает по собственному излучению объектов в дальнем участке ИК-спектра (от 30 до 100 мкм), поэтому ее работа возможна в полной темноте. Приборы же ночного видения улавливают отраженную объектами энергию оптического диапазана. Поскольку глаз человека чувствителен лишь в видимой части спектра (0,4–0,75 мкм), для восприятия им улавливаемой датчиками электромагнитной энергии необходимо использование преобразователей изображения. Поэтому основу приборов ночного видения (ПНВ) составляет усилитель яркости изображения, или усилитель света.
В этом устройстве падающий на него световой поток преобразуется с помощью фотокатода в электрический сигнал, который усиливается, а затем электроны проходят обратное преобразование в фотоны, создающие изображение сцены, воспринимаемое глазом. Это означает, что в современном ПНВ по существу осуществляется наблюдение не за объектом, а за видеоизображением сцены с объектом. Все ПНВ монохроматические, они воспроизводят сцену с использованием оттенков зеленого цвета, к которому глаз человека наиболее чувствителен.
ПНВ выпускаются в виде телевизионных систем для низких уровней освещенности, нашлемных устройств ночного видения для водителей грузовых автомобилей и танков, прицелов ночного видения, очков ночного видения для экипажа летательных аппаратов и пехотинцев. Согласно классификации, введенной управлением по приборам ночного видения и электронным датчикам МО США NVESD, ПНВ подразделяются на аппаратуру нескольких поколений в зависимости от типа используемого преобразователя изображения.
Поколение 0. К этому поколению относятся первые ПНВ, которые применялись еще во время второй мировой войны. В типовом ПНВ использовались фотокатод с максимальной чувствительностью в сине-зеленом участке спектра, электростатическая инверсия изображения, а для усиления – ускорение электронов. Чувствительность была низкой, а коэффициент усиления – небольшим. Для работы необходимы были полнолуние или устройства ИК-подсветки размером с прожектор. Аппаратура выполнялась на электровакуумных приборах, была громоздкой, устанавливалась на грузовом автомобиле или на корабле.
Поколение 1. Аппаратура этого поколения, появившаяся в 1960-е годы, представляет собой пассивную систему, способную усиливать свет, отражаемый объектами, освещенными звездным светом. В типовом приборе используется фотокатод с чувствительностью 180–200 мА/лм. Падающий свет приводит к эмиссии электронов в электродах со специальным покрытием (динодах) (рис.1). Электроны под действием высокого напряжения ускоряются в вакууме и фокусируются магнитным полем. При попадании на люминесцентный экран ускоренные электроны снова преобразуются в фотоны. Коэффициент усиления такой аппаратуры составляет около 1000, а чувствительность 0,01 лк. Несмотря на высокую чувствительность, этим ПНВ свойственны такие недостатки, как большие габариты и масса, а также геометрические искажения. Но аппаратура этого поколения все еще широко представлена на рынке.
Поколение 2. В начале 1970-х годов была разработана микроканальная пластина – стеклянная пластинка с миллионами отверстий (каналов). Диаметр канала всего 10–12 мкм, шаг 12 мкм. Внутренняя поверхность каналов покрыта материалом, обеспечивающим высокую эмиссию вторичных электронов (иодидом цезия или иодидом меди). Такую пластину можно представить в виде решетки параллельных умножителей электронов. Объединение микроканальной пластины с фотокатодом высокой чувствительности в диапазоне излучения красного света (свыше 240 мА/лм) и позволяет получить ПНВ поколения 2. Аппаратура обеспечивает получение удовлетворительных характеристик при низких уровнях освещения и низкий уровень искажения. Для достижения необходимого усиления используется комбинация электровакуумного прибора и микроканальной пластины, при этом последняя устанавливается непосредственно за фотокатодом в усилителе изображения (рис.2). Электроны, испускаемые фотокатодом, многократно ударяются о стенки каналов пластины и выбивают вторичные электроны, причем на каждый первичный электрон создается примерно 3.104 вторичных. Вторичные электроны ускоряются и фокусируются на люминесцентном экране, из которого выбиваются фотоны, т. е. осуществляется обратное преобразование в изображение, пригодное для просмотра. Коэффициент усиления ПНВ второго поколения составляет примерно 20 000, чувствительность 0,001 лк, а срок службы достигает 2,5 тыс. ч. По сравнению с ПНВ первого поколения усилитель изображения обеспечивает более высокую разрешающую способность и более высокую яркость.
Иногда встречаются ссылки на аппаратуру поколения 2+, которая по сравнению с ПНВ поколения 2 обеспечивает изображение более высокого качества, что достигается за счет модификации конструкции и технологии. В частности, используются модифицированные покрытия фотокатода для обеспечения максимальной чувствительности в области ближнего ИК-участка (для военной аппаратуры) или в сине-зеленом участке видимого света для научной аппаратуры.
Поколение 3. В ПНВ третьего поколения все усиление достигается в микроканальных пластинах, причем каналы, диаметр которых понижен до 6 мкм, располагаются под некоторым углом к направлению движения электронов, что гарантирует столкновение первичных электронов с их внутренней поверхностью (рис.3). Использование в фотокатодах поверхности из арсенида галлия и более совершенная конструкция позволили повысить коэффициент усиления до 50 000, а срок службы прибора – до 10 тыс. ч. Такой ПНВ оказывается чувствительным в ближнем участке ИК-диапазона (0,8–3 мкм), а также в видимом диапазоне (рис.4). Высокая чувствительность в ИК-диапазоне позволяет обнаруживать объекты, освещенные ночным небом. ПНВ третьего поколения может работать при уровнях освещенности объектов 10 мклк.
Поскольку арсенидгаллиевое покрытие фотокатода чувствительно к воздействию ионов, обратно рассеиваемых от микроканальной пластины, для предотвращения разрушения такого покрытия и, следовательно, повышения срока службы прибора микроканальная пластина покрывается защитной противоинной металлооксидной пленкой. Это, однако, снижает коэффициент усиления и общую квантовую эффективность примерно на 30%.
Бесспорно, приборы третьего поколения – лучшие из всех ПНВ, однако их стоимость почти в десять раз выше, чем у ПНВ второго поколения. Несколько тысяч долларов – это только возможный минимум.
Примером ПНВ третьего поколения могут служить очки ночного видения AN/PVS-7B американской компании Aspect Technology & Equipment. Эти приборы широко используются в войсках, правоохранительными органами, таможенными службами, пограничными дозорами, службами противодействия незаконному обороту наркотиков, при выполнении ночных операций поиска и спасения, при обнаружении очагов возгорания в лесу, для передвижения в ночных условиях. Высокие коэффициент усиления изображения и разрешающая способность обеспечивают видимость при освещении звездным небом. Возможно использование как при закреплении на голове, так и в носимом портативном варианте. Очки снабжены автоматическим регулятором коэффициента усиления в соответствии с освещенностью сцены, имеют встроенный индикатор степени разряда батареек электропитания, а также встроенное устройство ИК-подсветки. Технические характеристики:
Материал фотокатода арсенид галлия
Разрешающая способность 45 пар строк/мм
Фоточувствительность 1200 мА/лм
Коэффициент усиления изображения 35000
Регулировка диоптрий от -6 до +2
Диаметр объектива 27 мм
Поле зрения 40°
Фокусное расстояние от 3 м до бесконечности
Сигнал/шум 18
Коэффициент усиления системы 3200
Материал экрана люминофор P-20
Электропитание батареи типа АА
Срок службы батареи электропитания 20 ч
Диапазон рабочих температур -51...+46°С
Габариты 149х149х91 мм
Масса 680 г
Поколение 4. Недавно появились сообщения о разработке электронно-оптических усилителей изображений для ПНВ четвертого поколения (компания Litton Electro-Optical Systems, США). В таких усилителях использованы новые технологические достижения и конструкция, обеспечивающие более высокую квантовую эффективность в большей части видимого участка и ближнего ИК-участка электромагнитного спектра и позволившие отказаться от противоионной защитной пленки. В ПНВ американской компании Roger это стало возможным в результате существенного снижения количества абсорбированных газов во внешних слоях стеклянной подложки ПНВ (такие газы, а это в основном водород и кислород, и создают ионы, повреждающие фотокатод). Благодаря новому усилителю без противоинной пленки в очках ночного видения удалось значительно повысить дальность обнаружения объектов и разрешающую способность, особенно при очень низких уровнях освещенности. В ПНВ четвертого поколения применены микроканальные пластины с отверстиями диаметром 6 мкм.
Для повышения динамического диапазона и разрешающей способности коэффициент усиления изображения должен быстро изменяться в соответствии с изменением освещенности сцены. Это возможно путем быстрого стробирования включения усилителя, при котором отношение периодов включенного и выключенного состояний обратно пропорционально освещенности объекта. Стробирование осуществляется переключением полярности напряжения смещения, подводимого к фотокатоду, – при отрицательном смещении электроны поступают на микроканальную пластину, а при положительном – нет.
Однако даже такое совершенствование приборов не помогает обнаруживать объекты в полной темноте и при равенстве значений температуры объекта и окружающей среды. В таких случаях приходится прибегать к активным устройствам подсветки. Эти устройства выполняются в виде целеуказателей, прожекторов, осветительных ракет или гранат, световой поток которых находится в основном вне видимой части оптического диапазона. Задача состоит в освещении цели при одновременном сохранении скрытности источника облучения.
К другим особенностям ПНВ, которые могут повлиять на выбор системы, относится режим обзора – без сканирования или со сканированием. К преимуществам решеток без сканирования, называемых также фокальными решетками, относятся минимальное число движущихся деталей (или их полное отсутствие) и непрерывное перекрытие зоны обзора. В такой оптической системе матрица детекторных элементов размещается в фокальной плоскости и обеспечивает мгновенное перекрытие всей сцены.
В приборе со сканированием оптическая система для просмотра большой зоны обзора использует фокусирование изображения на одном детекторе или на узкой линейке детекторов. Зеркала сканирования в горизонтальной и вертикальной плоскостях создают проекцию детектора в предметном пространстве. Поскольку для системы требуется лишь относительно небольшое число детекторов, не возникает проблем, связанных с выходом годных детекторных матриц, равномерностью рабочих характеристик детекторов в пределах матрицы, а также с высокой стоимостью. В системах со сканированием сцена просматривается последовательно во времени, поэтому принятие решений должно основываться на меньшем числе принимаемых импульсов.
В таблице представлены сведения почти о 30 различных ПНВ, в том числе телевизионных (ТВ), с преобразователями изображения, усилителями изображения, а также тепловизорами. (Использованы следующие сокращения: ФР – фокальная решетка; БИК – ближний ИК-участок спектра; ПЗС – прибор с зарядовой связью.)
Laser Focus World, 2001, October.
Journal of Electronic Defense, 2000, 23, №1; 2001, 24, № 7 и 9.
www.micro.magnet.fsu.edu/primer/java/photomicrography/
www.micro.magnet.fsu.edu/primer/photomicrography/concepts/
Материал компании Aspect Technology & Equipment.
www.tasco.com.au/night.htm
www.eriflescopes.com/Terminologe.html
В этом устройстве падающий на него световой поток преобразуется с помощью фотокатода в электрический сигнал, который усиливается, а затем электроны проходят обратное преобразование в фотоны, создающие изображение сцены, воспринимаемое глазом. Это означает, что в современном ПНВ по существу осуществляется наблюдение не за объектом, а за видеоизображением сцены с объектом. Все ПНВ монохроматические, они воспроизводят сцену с использованием оттенков зеленого цвета, к которому глаз человека наиболее чувствителен.
ПНВ выпускаются в виде телевизионных систем для низких уровней освещенности, нашлемных устройств ночного видения для водителей грузовых автомобилей и танков, прицелов ночного видения, очков ночного видения для экипажа летательных аппаратов и пехотинцев. Согласно классификации, введенной управлением по приборам ночного видения и электронным датчикам МО США NVESD, ПНВ подразделяются на аппаратуру нескольких поколений в зависимости от типа используемого преобразователя изображения.
Поколение 0. К этому поколению относятся первые ПНВ, которые применялись еще во время второй мировой войны. В типовом ПНВ использовались фотокатод с максимальной чувствительностью в сине-зеленом участке спектра, электростатическая инверсия изображения, а для усиления – ускорение электронов. Чувствительность была низкой, а коэффициент усиления – небольшим. Для работы необходимы были полнолуние или устройства ИК-подсветки размером с прожектор. Аппаратура выполнялась на электровакуумных приборах, была громоздкой, устанавливалась на грузовом автомобиле или на корабле.
Поколение 1. Аппаратура этого поколения, появившаяся в 1960-е годы, представляет собой пассивную систему, способную усиливать свет, отражаемый объектами, освещенными звездным светом. В типовом приборе используется фотокатод с чувствительностью 180–200 мА/лм. Падающий свет приводит к эмиссии электронов в электродах со специальным покрытием (динодах) (рис.1). Электроны под действием высокого напряжения ускоряются в вакууме и фокусируются магнитным полем. При попадании на люминесцентный экран ускоренные электроны снова преобразуются в фотоны. Коэффициент усиления такой аппаратуры составляет около 1000, а чувствительность 0,01 лк. Несмотря на высокую чувствительность, этим ПНВ свойственны такие недостатки, как большие габариты и масса, а также геометрические искажения. Но аппаратура этого поколения все еще широко представлена на рынке.
Поколение 2. В начале 1970-х годов была разработана микроканальная пластина – стеклянная пластинка с миллионами отверстий (каналов). Диаметр канала всего 10–12 мкм, шаг 12 мкм. Внутренняя поверхность каналов покрыта материалом, обеспечивающим высокую эмиссию вторичных электронов (иодидом цезия или иодидом меди). Такую пластину можно представить в виде решетки параллельных умножителей электронов. Объединение микроканальной пластины с фотокатодом высокой чувствительности в диапазоне излучения красного света (свыше 240 мА/лм) и позволяет получить ПНВ поколения 2. Аппаратура обеспечивает получение удовлетворительных характеристик при низких уровнях освещения и низкий уровень искажения. Для достижения необходимого усиления используется комбинация электровакуумного прибора и микроканальной пластины, при этом последняя устанавливается непосредственно за фотокатодом в усилителе изображения (рис.2). Электроны, испускаемые фотокатодом, многократно ударяются о стенки каналов пластины и выбивают вторичные электроны, причем на каждый первичный электрон создается примерно 3.104 вторичных. Вторичные электроны ускоряются и фокусируются на люминесцентном экране, из которого выбиваются фотоны, т. е. осуществляется обратное преобразование в изображение, пригодное для просмотра. Коэффициент усиления ПНВ второго поколения составляет примерно 20 000, чувствительность 0,001 лк, а срок службы достигает 2,5 тыс. ч. По сравнению с ПНВ первого поколения усилитель изображения обеспечивает более высокую разрешающую способность и более высокую яркость.
Иногда встречаются ссылки на аппаратуру поколения 2+, которая по сравнению с ПНВ поколения 2 обеспечивает изображение более высокого качества, что достигается за счет модификации конструкции и технологии. В частности, используются модифицированные покрытия фотокатода для обеспечения максимальной чувствительности в области ближнего ИК-участка (для военной аппаратуры) или в сине-зеленом участке видимого света для научной аппаратуры.
Поколение 3. В ПНВ третьего поколения все усиление достигается в микроканальных пластинах, причем каналы, диаметр которых понижен до 6 мкм, располагаются под некоторым углом к направлению движения электронов, что гарантирует столкновение первичных электронов с их внутренней поверхностью (рис.3). Использование в фотокатодах поверхности из арсенида галлия и более совершенная конструкция позволили повысить коэффициент усиления до 50 000, а срок службы прибора – до 10 тыс. ч. Такой ПНВ оказывается чувствительным в ближнем участке ИК-диапазона (0,8–3 мкм), а также в видимом диапазоне (рис.4). Высокая чувствительность в ИК-диапазоне позволяет обнаруживать объекты, освещенные ночным небом. ПНВ третьего поколения может работать при уровнях освещенности объектов 10 мклк.
Поскольку арсенидгаллиевое покрытие фотокатода чувствительно к воздействию ионов, обратно рассеиваемых от микроканальной пластины, для предотвращения разрушения такого покрытия и, следовательно, повышения срока службы прибора микроканальная пластина покрывается защитной противоинной металлооксидной пленкой. Это, однако, снижает коэффициент усиления и общую квантовую эффективность примерно на 30%.
Бесспорно, приборы третьего поколения – лучшие из всех ПНВ, однако их стоимость почти в десять раз выше, чем у ПНВ второго поколения. Несколько тысяч долларов – это только возможный минимум.
Примером ПНВ третьего поколения могут служить очки ночного видения AN/PVS-7B американской компании Aspect Technology & Equipment. Эти приборы широко используются в войсках, правоохранительными органами, таможенными службами, пограничными дозорами, службами противодействия незаконному обороту наркотиков, при выполнении ночных операций поиска и спасения, при обнаружении очагов возгорания в лесу, для передвижения в ночных условиях. Высокие коэффициент усиления изображения и разрешающая способность обеспечивают видимость при освещении звездным небом. Возможно использование как при закреплении на голове, так и в носимом портативном варианте. Очки снабжены автоматическим регулятором коэффициента усиления в соответствии с освещенностью сцены, имеют встроенный индикатор степени разряда батареек электропитания, а также встроенное устройство ИК-подсветки. Технические характеристики:
Материал фотокатода арсенид галлия
Разрешающая способность 45 пар строк/мм
Фоточувствительность 1200 мА/лм
Коэффициент усиления изображения 35000
Регулировка диоптрий от -6 до +2
Диаметр объектива 27 мм
Поле зрения 40°
Фокусное расстояние от 3 м до бесконечности
Сигнал/шум 18
Коэффициент усиления системы 3200
Материал экрана люминофор P-20
Электропитание батареи типа АА
Срок службы батареи электропитания 20 ч
Диапазон рабочих температур -51...+46°С
Габариты 149х149х91 мм
Масса 680 г
Поколение 4. Недавно появились сообщения о разработке электронно-оптических усилителей изображений для ПНВ четвертого поколения (компания Litton Electro-Optical Systems, США). В таких усилителях использованы новые технологические достижения и конструкция, обеспечивающие более высокую квантовую эффективность в большей части видимого участка и ближнего ИК-участка электромагнитного спектра и позволившие отказаться от противоионной защитной пленки. В ПНВ американской компании Roger это стало возможным в результате существенного снижения количества абсорбированных газов во внешних слоях стеклянной подложки ПНВ (такие газы, а это в основном водород и кислород, и создают ионы, повреждающие фотокатод). Благодаря новому усилителю без противоинной пленки в очках ночного видения удалось значительно повысить дальность обнаружения объектов и разрешающую способность, особенно при очень низких уровнях освещенности. В ПНВ четвертого поколения применены микроканальные пластины с отверстиями диаметром 6 мкм.
Для повышения динамического диапазона и разрешающей способности коэффициент усиления изображения должен быстро изменяться в соответствии с изменением освещенности сцены. Это возможно путем быстрого стробирования включения усилителя, при котором отношение периодов включенного и выключенного состояний обратно пропорционально освещенности объекта. Стробирование осуществляется переключением полярности напряжения смещения, подводимого к фотокатоду, – при отрицательном смещении электроны поступают на микроканальную пластину, а при положительном – нет.
Однако даже такое совершенствование приборов не помогает обнаруживать объекты в полной темноте и при равенстве значений температуры объекта и окружающей среды. В таких случаях приходится прибегать к активным устройствам подсветки. Эти устройства выполняются в виде целеуказателей, прожекторов, осветительных ракет или гранат, световой поток которых находится в основном вне видимой части оптического диапазона. Задача состоит в освещении цели при одновременном сохранении скрытности источника облучения.
К другим особенностям ПНВ, которые могут повлиять на выбор системы, относится режим обзора – без сканирования или со сканированием. К преимуществам решеток без сканирования, называемых также фокальными решетками, относятся минимальное число движущихся деталей (или их полное отсутствие) и непрерывное перекрытие зоны обзора. В такой оптической системе матрица детекторных элементов размещается в фокальной плоскости и обеспечивает мгновенное перекрытие всей сцены.
В приборе со сканированием оптическая система для просмотра большой зоны обзора использует фокусирование изображения на одном детекторе или на узкой линейке детекторов. Зеркала сканирования в горизонтальной и вертикальной плоскостях создают проекцию детектора в предметном пространстве. Поскольку для системы требуется лишь относительно небольшое число детекторов, не возникает проблем, связанных с выходом годных детекторных матриц, равномерностью рабочих характеристик детекторов в пределах матрицы, а также с высокой стоимостью. В системах со сканированием сцена просматривается последовательно во времени, поэтому принятие решений должно основываться на меньшем числе принимаемых импульсов.
В таблице представлены сведения почти о 30 различных ПНВ, в том числе телевизионных (ТВ), с преобразователями изображения, усилителями изображения, а также тепловизорами. (Использованы следующие сокращения: ФР – фокальная решетка; БИК – ближний ИК-участок спектра; ПЗС – прибор с зарядовой связью.)
Laser Focus World, 2001, October.
Journal of Electronic Defense, 2000, 23, №1; 2001, 24, № 7 и 9.
www.micro.magnet.fsu.edu/primer/java/photomicrography/
www.micro.magnet.fsu.edu/primer/photomicrography/concepts/
Материал компании Aspect Technology & Equipment.
www.tasco.com.au/night.htm
www.eriflescopes.com/Terminologe.html
Отзывы читателей
