Многоканальные приборы ночного видения наземного применения.Волков Виктор Генрихович, кандидат технических наук, доцент МНОГОКАНАЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ НОЧНОГО ВИДЕНИЯ НАЗЕМНОГО ПРИМЕНЕНИЯ. В настоящее время широкое распространение получили приборы ночного видения (ПНВ), предназначенные для наблюдения в сумерках и ночью. А в ряде случаев еще и при пониженной прозрачности атмосферы. Известны ПНВ на базе электронно-оптических преобразователей (ЭОП), низкоуровневые телевизионные системы (НТВС), тепловизионные (ТПВ) приборы. Все они имеют свои недостатки и, соответственно, ограниченные возможности применения. В связи с этим представляется целесообразным создание многоканальных ПНВ (МПНВ), состоящих из отдельных каналов на базе известных типов ПНВ и других приборов таким образом, чтобы недостатки одних каналов компенсировались бы достоинствами других. Это обеспечивает круглосуточную и всепогодную работу МПНВ. МПНВ применяются для поиска пострадавших во время стихийных бедствий, обеспечения разведки, добычи и транспортировки полезных ископаемых, строительно-монтажных, ремонтных работ и вождения транспорта всех типов в сложных условиях видимости, экологического контроля, обеспечения работы правоохранительных органов, наблюдения, прицеливания и пр. МПНВ делятся на комплексированные, комбинированные и интегрированные. Комплексированные системы состоят из двух или нескольких каналов, работающих в различных спектральных диапазонах и объединенных в единой конструкции. Эти каналы имеют одно общее или несколько различных входных окон для разных областей спектра. При этом каждый канал может работать самостоятельно в соответствии с его принципиальными возможностями. Изображения выводятся на отдельные дисплеи соответственно каждому каналу или на единый дисплей при условии переключения каналов. Совместная обработка информации от отдельных каналов отсутствует. МПНВ может быть смонтирован в нескольких корпусах, но установленных на едином носителе и имеющих функциональные связи (механические, электрические и пр.). Комбинированные состоят из двух или нескольких каналов, работающих в различных спектральных диапазонах и объединенных как конструктивно, так и на основе совмещения оптических осей (полного или частичного). В МПНВ имеется общее входное окно, а информация представляется либо на различных, либо на общем дисплее. Система смонтирована в едином корпусе. Отдельные каналы могут работать совместно или автономно. В интегрированных МПНВ отдельные каналы объединены на основе общей оптической системы, а также системы обработки и представления на единый дисплей интегрированного изображения. Последнее формируется на основе анализа специфических признаков – сигналов с различных каналов, обработки сигналов в реальном масштабе времени в микро-ЭВМ и представления в оптимизированном виде на едином дисплее. Эти приборы пока еще находятся в стадии разработки. МПНВ обладают всепогодностью и круглосуточностью работы, причем при воздействии оптических и пыледымовых помех. За счет своей повышенной эффективности они позволяют решить проблему автоматизации поиска, обнаружения, опознавания и прицеливания, исключив вмешательство оператора. В качестве отдельных каналов могут быть использованы пассивно-активные ПНВ на основе ЭОП, НТВС, ТПВ-приборы, теплообнаружители (ТПО), дневные ТВ-системы (ДТВС) или дневные оптические приборы (ДОП), активно-импульсные (АИ) ПНВ и радиолокационные станции (РЛС). Пассивно-активные ПНВ на основе ЭОП сравнительно просты и дешевы, обеспечивают видимость как объекта наблюдения, так и окружающего его фона (местности) независимо от температурных контрастов объекта и фона. Но эти приборы не могут работать при пониженном уровне естественной ночной освещенности (ЕНО) в пассивном режиме (при этом используется активный режим – подсвет объекта излучением встроенного в ПНВ инфракрасного (ИК) осветителя, что демаскирует прибор ночного видения), при ухудшенной прозрачности атмосферы (дымка, туман, дождь, снегопад и пр.), при воздействии световых помех и при низких светотехнических природных контрастах объекта с фоном. К тому же эти ПНВ не могут точно измерять дальность до объекта. Дневные оптические приборы имеют более высокое качество изображения, передают естественный цвет, просты, дешевы, но неработоспособны ночью и имеют те же недостатки, что и ПНВ на базе ЭОП. Для точного измерения дальности их используют в качестве визира лазерного дальномера (ЛД). НТВС и ДТВС по сравнению с приборами на базе ЭОП и дневными оптическими приборами обеспечивают дублирование и дистанционную передачу изображения, его обработку в реальном масштабе времени, простое представление буквенно-цифровой и символьной информации, до определенного предела – подавление световых помех и точное измерение координат. Но все главные недостатки приборов ночного видения на базе ЭОП и ДОП характерны для низкоуровневых и дневных телевизионных систем соответственно. Кроме того, качество изображение в НТВС и ДТВС несколько ниже, чем соответственно в приборах ночного видения и дневных оптических приборах с окулярным выводом изображения. Тепловизионные приборы могут работать во многих случаях при пониженной прозрачности атмосферы, в пыли и в дыму и при воздействии световых помех, если их спектр не совпадает со спектральным диапазоном работы ТПВ-прибора. Последний функционирует независимо от уровня естественной ночной освещенности и светотехнических контрастов объекта и фона, способен обнаруживать даже скрытые объекты по их тепловому излучению. Но по сравнению с низкоуровневыми телевизионными системами ТПВ-приборы имеют слабую детализацию изображения и специфический его характер. Качество изображения сильно зависит от температурных контрастов объекта и фона. Тепловизионные приборы не могут работать в некоторых видах туманов. В них трудно увидеть линию горизонта, а иногда и фон. Приборы сложны, дороги, в ряде случаев используют низкотемпературное (криогенное) охлаждение до 77 80 К, не способны точно измерять дальность до объекта. Теплообнаружители, в отличие от ТПВ-приборов, используются не для получения полноценного изображения, а лишь отметки о наличии в поле зрения теплоизлучающего объекта. ТПО проще, дешевле тепловизионных приборов, не требуют охлаждения, но в остальном имеют те же недостатки. Принцип действия активно-импульсных ПНВ основан на импульсном лазерном подсвете объектов наблюдения и синхронизированном с ним импульсным управлением (стробированием) ЭОП в приемной части ПНВ. Активно-импульсные приборы ночного видения обеспечивают рекордные дальности опознавания объектов независимо от уровня ЕНО и светотехнических контрастов объектов и фонов, работают при воздействии световых помех независимо от их спектра, при пониженной прозрачности атмосферы и обеспечивают измерение дальности до объектов с точностью не хуже, чем у современных лазерных дальномеров. Они могут быть выполнены и в виде АИ НТВС со всеми характерными для них преимуществами. Но активно-импульсные ПНВ бессильны в дымах и в некоторых видах туманов. При работе в активно-импульсном режиме (АИ ПНВ могут работать и в пассивном режиме, как обычные ПНВ) видно только изображение объекта, а фон отсекается. Однако повышенная дальность действия, ее точное измерение и помехозащищенность обеспечивается только в АИ-режиме. Малое поле зрение, определяемое узким углом подсвета лазерного осветителя, препятствует поиску объектов в АИ-режиме. Поиск необходимо осуществлять в пассивном режиме работы. Но здесь приходится столкнуться со всеми недостатками пассивного режима ПНВ на базе ЭОП и с невозможностью достигнуть в этом режиме дальности обнаружения объекта, сопоставимой с дальностью опознавания в АИ-режиме. РЛС могут работать практически в любых условиях дня и ночи, при наличии световых и пыледымовых помех, независимо от уровня естественной ночной освещенности, светотехнических и температурных контрастов, при пониженной прозрачности атмосферы. РЛС точно измеряют дальность до объекта и его координаты. Однако РЛС подвержены воздействию радиотехнических помех, не всегда могут обеспечить опознавание элементов местности и объектов. С РЛС сложно работать по неподвижному объекту. Таким образом, ни одно из перечисленных средств не работает во всем диапазоне изменения внешних условий, поэтому отдельные приборы в виде каналов объединяются в МПНВ. При этом наиболее перспективны следующие комбинации каналов:
Из всех этих сочетаний наиболее удачным является МПНВ на базе комбинации 5. Оно гарантирует круглосуточную и всепогодную работу при наличии световых и пыледымовых помех, точное измерение дальности и координат в сочетании со сравнительно низкими массой, габаритами и энергопотреблением. Здесь реализуется высокая адаптивность, модульный принцип построения и автоматизированный контроль параметров МПНВ. Вывод изображений АИ- и ТПВ-каналов на единый телевизионный монитор позволяет перейти к интегрированному МПНВ, а применение встроенной микро-ЭВМ – автоматизировать систему. Применение комбинации 6 еще больше повысит эффективность МПНВ, но это приведет к резкому увеличению массы, габаритов и энергопотребления. В таблице 1 приведены основные параметры переносных МПНВ наблюдения для работы с треноги. На фото 1 – 6 показан внешний вид этих систем. Таблица 1. Основные параметры переносных МПНВ, устанавливаемых на треноге.
Тепловизионные каналы всех этих МПНВ работают в области спектра 8 – 14 мкм (наиболее эффективной в наземных условиях), за исключением системы на рис. 2, работающей в области 3 – 5 мкм. В АИ-каналах всех изображенных систем установлен ЭОП поколения 2+ и осветители на базе мощных импульсных лазерных полупроводниковых излучателей. На фото 7 представлен установленный на треноге МПНВ ALATS фирмы Litton Laser Systems (США). Он включает тепловизор (или НТВС), лазерный дальномер (длина волны 1,55 мкм), микро-ЭВМ, блок измерения углов по горизонту и вертикали, приемник сигналов РЛС, треногу с лимбом. Дальность обнаружения объектов 10 км, их опознавания – 5 км [19].
Кроме переносных систем, используются удерживаемые в руках комбинированные МПНВ на основе комбинации 2. Их основные параметры приведены в таблице 2, а внешний вид – на фото 8 10. Теплообнаружитель выполнен на базе неохлаждаемого пироэлектрического фотоприемника и работает в области спектра 8 – 14 мкм. Эти МПНВ нужны для поиска пострадавших во время стихийных бедствий, в шахтах и пр. Таблица 2. Малогабаритные МПНВ (ПНВ на базе ЭОП + ТПО)
Однако наибольшее распространение получили комбинированные системы с комбинацией 3 5. При их реализации возникает проблема оптимального совмещения изображений тепловизионного и низкоуровнего телевизионного каналов. Трудность связана с разными законами развертки изображения по кадру, различными ее скоростями и форматами кадра. При этом возможно полное совмещение ТПВ- и ТВ-изображений, их приведение к единому телевизионному стандарту с последующим отображением на едином ТВ-мониторе путем суммирования видеосигналов. Но более рациональный способ совмещения изображений вытеснение части ТВ-изображения ТПВ-изображением. При этом в центральной части телевизионного растра формируется прямоугольное “окно”, в котором представляется ТПВ-изображение. При использовании цветного телевизионного монитора изображение НТВС (ДТВС) канала обычно представляется с преобладанием зеленого, а тепловизионного канала – красного цвета. Подробно проблема совмещения ТПВ- и ТВ-изображений раскрыта в работе /10/. На рис. 1 представлен внешний вид наголовного комбинированного МПНВ с дистанционной передачей изображения.
1 – объектив дневного канала; В такой системе с помощью микро-ЭВМ (9) интегрируются изображения ТПВ- и АИ НТВС-каналов. При высоком уровне освещенности работает дневной канал. Дихроичные зеркала (3) имеют покрытия, отражающие излучение в области спектра свечения экрана ТВ-монитора в глаз оператора и пропускающие излучение в остальной части видимого спектра. Такое “сквозное” видение обеспечивает одновременное наблюдение оператором изображения с экрана и окружающей местности. Это позволяет при вождении транспорта избежать засветки НТВС-канала при его работе в пассивном режиме избыточным излучением светящихся приборов пульта управления. Лазерный дальномер с безопасной для зрения длиной волны 1,55 мкм работает днем, а ночью – дальномер АИ НТВС-канала. Индикатор (10) определяет уровень естественной освещенности для автоматической регулировки яркости АИ НТВС-канала при его работе в пассивном режиме. Блок (7) обеспечивает обработку изображений в реальном масштабе времени (вычитание шумов, повышение контраста и пр.), преобразование тепловизионного изображения в телевизионный стандарт и введение в МПНВ служебной информации. С помощью спутниковой системы связи в систему заводятся навигационные данные. Для МПНВ с большей дальностью действия возможна его компоновка за плечами оператора в ранце (рис. 2).
1 – объектив импульсного лазерного
осветителя; При использовании МПНВ в автономных роботизированных комплексах необходимо автоматическое распознавание объектов. В настоящее время эта задача решается с помощью встроенной микро-ЭВМ, работающей по определенной программе. Однако с целью повышения быстродействия и привлечения большего числа эталонной информации целесообразно применить когерентно-оптический коррелятор. Его принцип действия основан на голографическом методе опознавания путем сравнения пространственно-частотного спектра анализируемого изображения объектов и голографических согласованных фильтров в памяти опознающего устройства. Свертка Фурье-образов эталонного и анализируемого изображений преобразуется в корреляционный отклик системы на опознавание. При этом одновременно определяются и координаты анализируемого объекта. Объем памяти одного голографического диска позволяет хранить до 5000 эталонных Фурье-образов. Обработка идет в реальном масштабе времени. При этом может одновременно анализироваться несколько изображений. Современные корреляторы имеют исполнение, пригодное для использования в МПНВ /10/. Кроме переносных и портативных систем, существуют мобильные МПНВ на подвижных носителях. Они располагаются: 1 – непосредственно на подвижном
объекте; МПНВ первого типа чаще всего используются на танках, БМП, БТР и являются частью системы управления огнем этих боевых машин. Рассмотрение таких МПНВ заслуживает отдельного обзора. Здесь мы ограничимся описанием наиболее типичных систем, например, многоканального стабилизированного прицела HL-60 (рис. 3) танка Leclerc /11/.
1 – ТВ-монитор тепловизионного и
низкоуровнего телевизионного каналов; Дневной канал наводчика имеет увеличения 2,5 и 10х. ЛД-канал имеет длину волны 1,06 мкм. Низкоуровневый телевизионный канал выполнен на ПЗС-матрице. Тепловизионный канал выполнен на основе общих модулей и имеет углы поля зрения 1,9х2,9° и 5,7х8,6°. Дневной канал командира, в который встроен ночной канал на базе ЭОП и ЛД, имеет те же увеличения, что и дневной канал наводчика и ту же точность стабилизации 0.05 мрад. Командир имеет свой ТВ-монитор, на который выводится изображение от прицела наводчика. Микро-ЭВМ этих приборов выполняет все необходимые расчеты для нормальной работы системы управления огнем танка, в которую заложен опыт создания бортовой электронной системы для самолета Мираж-2000. Фирма Avimo (Великобритания) создала прицел “день/ночь” NV-3001 для танков и бронемашин. Он содержит дневной, ночной (на базе ЭОП, ТПВ) и ЛД-каналы. Дневной канал и лазерный дальномер имеют увеличение 8х, угол поля зрения 8°. ЛД-канал имеет длину волны 1,06 мкм. Измеряет дальность в пределах 200 – 9995 м с точностью ±5м, канал на ЭОП 2-го поколения имеет увеличение 7х, угол поля зрения 7,5°. Тепловизионный канал имеет увеличение 4,9 и 2х, поле зрения соответственно 2,25х3,8 и 5,6х9,5°, дальность опознавания 1,5 км, обнаружения – 2,5 км. [20]. МПНВ на подъемной мачте получили несколько меньшее распространение. Фирма Celsius Tech Е1есtronics (Швеция) разработала комбинированный МПНВ Lemur /12/ на гиростабилизированной платформе, смонтированной на крыше автомашины. Угол обзора по горизонту составляет 360°, по вертикали +35° -20°. В состав системы входит тепловизионный канал, работающий в области спектра 7,5 – 10,5 мкм и имеющий два угла поля зрения: 9х6,75° и 3х2,25°, дневной телевизионный канал с полем зрения 16х12° и лазерный дальномер с длиной волны 1,064 мкм, измеряющий дальность в пределах 200 – 10000 м. Фирма Radamec Defence Systems (Израиль) разработала систему Radamec System 1000L (фото 11) /13/. Система включает:
Фирма Texas Instruments (США) разработала мачтовую систему разведки HSS (Hunter Sensor Suite), включающую ТПВ-прибор переднего обзора (FLIR) 2-го поколения, ДТВ-канал, лазерный дальномер, акустические датчики. МПНВ устанавливается на автомашине повышенной проходимости HMMWV /14/. В Германии фирмы Krauss Maffei, Euromissil, MAN, MBB создали противотанковую систему EPLA (Elevirable Platform), предназначенную также и для борьбы с вертолетами. В состав системы входит гиростабилизированный прицел “день/ночь”. Весь комплекс установлен на мачте с высотой подъема до 13 м, монтируемой на армейском грузовике 8х8 LKW. На этой же мачте установлены и ПТУР НОТ. Дальность действия системы 1,9 – 4,5 км, угол обзора по горизонту 360°. Один из вариантов системы предусматривает размещение всего боевого расчета (3 человека) на подъемной платформе вместе с приборным комплексом и оружием, другой размещение боевого расчета в кабине машины. В состав системы входит РЛС, ДТВ, ТПВ-прицел MIRA , широкоугольный ПНВ для обзора местности, ночной перископ кругового обзора со стабилизированной зеркальной головкой для передачи изображения в ТВ-канал со сверхвысоким разрешением 1242 ТВ-линий. В боевое положение платформа переводится за 2 минуты. Подъем платформы на полную высоту осуществляется за 12 с. Характер установки мачты с платформой на грузовике показан на фото 12 [15].
Фирма MCCS (Великобритания) разработала гиростабилизированную систему VISTAR IM 405, установленную на телескопической мачте высотой до 8м, смонтированной на автомобиле Landrover. Система состоит из НТВС и ТПВ-канала, рассчитанного на область спектра 8 – 12 мкм. Угол обзора по горизонту ±170°, по вертикали – ±30° [16]. Фирма АВ Wide (США) создала мачтовую систему ТМ170/4,7-1,0 с массой 45 кг, установленную на автомобиле Landrover. Пределы подъема: 1 – 4,7 м за время 20 с. Системы ТМ170/10-1,9 ТМ170/15-2,7 той же фирмы могут быть подняты на высоту мачты соответственно до 10 и до 15 м, имеют массу 70 и 100 кг, время подъема 40 и 60 с [17]. Фирма Thomson-TRT Defense (Франция) разработала мачтовую систему MOS 2, которая может быть смонтирована на разных гражданских или военных автомашинах для применения в полиции, для спецподразделений и для передовых наблюдателей. Система включает ТПВ-, НТВС- и ЛД-каналы, установленные на гиростабилизированной платформе. Может работать круглосуточно и в любую погоду, обеспечивая наблюдение объектов и измерение дальности до них с точностью до 5 м. Бортовой компьютер обеспечивает автоматическое обнаружение, сопровождение объектов и нанесение их положения на карте. Предусмотрено панорамное наблюдение местности [18]. Описанные выше мачтовые многоканальные системы фактически являются разновидностью вертолетных систем наблюдения и прицеливания, о которых автор надеется рассказать в следующем обзоре. |
