Разработка новых приборов ночного видения

Разработка новых приборов ночного видения

Преобладающее превосходство любой армии, в распоряжении которой имеются средства для осуществления ночных операций, стало очевидным во время войны в Персидском заливе в 1990—1991 гг., когда США и другие страны коалиции интенсивно использовали такую технику. Войска Ирака были беспомощны против атакующего противника, которого они не могли видеть.

Хотя различные средства в этой области являются до некоторой степени конкурентоспособными, каждое из них имеет свои преимущества. Усилители яркости изображения продолжают находить применения в очках ночного видения NVG и прицелах для стрелкового и артиллерийского вооружения (они могут иметь размеры и весить два раза меньше, чем другие устройства наблюдения), хотя тепловизоры постепенно начинают вытеснять их на верхней границе рынка сбыта. Особенно это относится к прицелам боевых бронированных машин и портативных противовоздушных и противотанковых систем.

За последние три десятилетия усилители яркости были радикально усовершенствованы главным образом под давлением военных, требовавших 'максимального качества при минимальных затратах. Приборы второго поколения (Gen II), которые появились в начале 70-х годов до сих пор выпускаются промышленностью во всем мире, содержат стеклянную микроканальную плату 2 МСР, которая действует какйторично-электронный умножитель. Она обеспечивает фотосигнал 240 мкА/лм и позволяет регулировать усиление. Электронно-оптические преобразователи (ЭОП) третьего поколения Gen III, в которых используется фотокатод, выращенный на подложке и состоящий из отдельного кристалла арсенида галлия, скрепленного со стеклянной пластиной, обеспечивают фотосигналы, превышающие 1000 мкА/лм. Барьерная пленка на входной поверхности микроканальной платы предотвращает обратный поток ионов (побочный продукт ЭОП) и повреждение чувствительной структуры фотокатода. Эта особенность значительно продлевает срок службы ЭОП.

Серийное производство устройств третьего поколения Gen III началось в начале 80-х годов. С тех пор количество поставщиков снизилось до двух (компаний 1ТТ и Litton) по причине сложнол и дорогой технологии производства, необходимой для обеспечения высокого качества в сочетании с конкуренцией на сокращающемся рынке и рационализации внутри промышленности.

Сухопутные силы США, которые остаются самым крупным покупателем ЭОП и соответствующих приборов, перешли на закупки их партиями с 1985 г. Первые три программы Omnibus были разделены между поставщиками, но в феврале 1996 г. для удовлетворения всех заявок по программе Omnibus IV была выбрана компания Litton Night Vision, с которой Управление средств связи и электроники СЕСОМ заключило контракт на сумму 239 млн. долл. В поставки по этому контракту входят очки ночного видения AN/PVS-7D для пехоты, система ночного видения для авиатора ANVIS, очки для экипажей вертолетов и самолетов, новый монокулярный прибор ночного видения AN/PVS-14 и 95000 электронно-оптических преобразователей для усиления яркости изображения.

Как компания 1ТТ, так и компания Litton Electro-Optical Systems (которая также претендовала на контракт по программе "Omnibus IV") имеют достижения, связанные с разработкой ЭОП, например, новые конструкции фотокатодов и передовые методы активации поверхности, которые значительно улучшают конструкцию по сравнению с предыдущими приборами третьего поколения. ЭОП компании 1ТТ для программы "Omnibus IV" имеет минимальный фотосигнал 1800 мкА/лм, причем типичные значения превышают 2000 мкА/лм. Для сравнения, величина фотосигнала для прибора PVS-7 по программе "Omnibus III" равна 1200 мкА/лм, а по программе "Omnibus II" — 800 мкА/лм.

Увеличение фотосигнала является ключом к повышению отношения сигнал/шум, которое является самым важным параметром, влияющим на пределы обнаружения при низком уровне освещенности. Вариант ЭОП по программе "Omnibus IV", использующийся в приборе PVS-7, имеет минимальное отношение сигнал/шум, равное 21, что на 45% выше, чем у варианта по программе "Omnibus II". При самых низких уровнях освещенности, например, при звездном свете в пасмурную погоду или под кронами деревьев в лесу, это проявляется в виде увеличения дальности обнаружения на 50% (дальность обнаружения машины с 30%-ной контрастностью при звездном свете в пасмурную погоду прибором PVS-7 увеличивается с 240 до 360 м). Такое повышение дальности сопровождалось устойчивым снижением цены с 6000 долл. в 1985 г. до 2000 долл. в 1997 г.

Другими главными для водителей параметрами являются разрешение, которое обеспечивает детали изображения, необходимые для его распознавания, а не просто обнаружения, и частотно-контрастная характеристика (ЧКХ). ЭОП "Omnibus IV" компании 1ТТ имеет шаг канальной платы 6 мкм, чем обеспечивается разрешение 64 пар линий (пл)/мм по сравнению с 36 пл/мм в лучшем случае для ЭОП Gen III, поставленных в рамках программы "Omnibus II". Это вместе с соответствующим увеличением ЧКХ даст увеличение дальности опознавания в фазе четвертой части Луны почти на 50%. Поскольку отношение сигнал/шум и фотосигнал определяют качество при очень низких уровнях освещенности, а ЧКХ имеет более важное значение при более высоких уровнях, комплексное усовершенствование ЭОП "Omnibus IV" обеспечивает последовательное увеличение на 50% дальности обнаружения при всех окружающих условиях.

Компания 1ТТ Night Vision также разработала систему ночного видения AN/AVS-8 по контракту с Центром систем для личного состава командования материально-технического обеспечения ВВС США. Эта система представляет собой первый разработанный в США прибор ночного видения, монтирующийся на шлеме и рассчитанный на возможность катапультирования. ВВС США планируют закупить 580 серийных приборов.

Эти закупки начнутся в 1999 фин. г. 1ТТ раньше поставляла свои приборы ночного видения на базе ЭОП F 4949 для пилотов самолетов А-10. Это было первое практическое использование такого оборудования на скоростных реактивных самолетах ВВС США.

Компания Litton Electro-Optical Systems продолжает работу над ЭОП Gen III, чтобы сухопутные силы США продолжали рассматривать эту компанию как потенциального альтернативного поставщика и для подачи заявки на участие в будущей программе "Omnibus V". Эта компания также разработала ЭОП Gen II с высоким разрешением на основе 6-мкм микроканальной платы, которая вошла в заявку на участие в программе "Omnibus IV" (где эта плата была включена в ЭОП Gen III) с целью выхода на международные рынки.

Litton Electro-Optical Systems в настоящее время предлагает продукцию компаний Insight Technology В. Е, Meyers и Night Vision Equipment Company зарубежным заказчикам и собирается включить других поставщиков в этот ряд. Компания также считает, что она является единственным на Западе источником 1,1-мкм ЭОП расширенного ИК диапазона, способного принимать 1,06-мкм излучение лазера на Неодим-алюмоиттриевом гранате.

Сухопутные силы США продолжают выдвигать новые программы, использующие достижения в области повышения яркости изображения. СЕСОМ ищет предложения на разработку усовершенствованного круглосуточного устройства управления огнем и наблюдения INOD, которое будет использоваться специальными подразделениями на снайперских винтовках среднего и большого калибров, а также для стратегической разведки и наблюдения. Прибор прямого видения INOD, в состав которого будет входить ЭОП Gen III, позволит снайперу вести наблюдение по дневному и ночному каналам одновременно. Два запланированных варианта, средний INOD и большой INOD, будут отличаться только размерами объективов.

СЕСОМ планирует выдать один контракт на два этапа опытноконструкторских работ, которые начались в 1997 г. и закончатся в начале 1999 фин. г. На первом этапе будут изготовлены по три опытных образца среднего и большого приборов INOD, которые пройдут в процессе разработки испытания и оценку. На втором этапе будет изготовлено по шесть опытных образцов каждого размера, предназначенных для ограниченных испытаний пользователями. Производство систем в количестве 1908 шт. планируется начать в 1999 фин. г. и закончить в 2001 фин. г. Производство, возможно, будет продолжаться в 2002 фин. г.

Российская организация НПО "Геофизика" (Scientific Production Unit Jeophyzika-NV) утверждает, что она может предоставить ЭОП Gen III с фотосигналом более 2000 мкА/лм и сконструировала новые фотокатоды, которые имеют расширенную спектральную характеристику до длины волны 2 мкм в ближнем ИК диапазоне. Последний фактор позволяет регистрировать отраженное излучение как лазеров на неодим-алюмонатриевом гранате, так и безопасных для зрения лазеров на эрбит-алюмоиттриевом гранате.

Существует очень много технических решений, которые могут стать основой ЭОП Gen IV, начиная с усовершенствованных имеющихся конструкций и кончая совершенно новыми концепциями. Среди тех, которые рассматривает СЕСОМ, находятся ЭОП с новым фотокатодом (который расширяет спектральную характеристику до 1,6 мкм), использующие вместо микроканальной платы другие механизмы усиления яркости, и легкие многослойные конструкции общей толщиной 3 мм. Другой перспективой являются легкие системы, в которых используются усилители яркости изображения и тепловизоры с общим выходом, а также те, в которых матрицы приборов с зарядовой связью, обеспечивающими чувствительность в ближнем и среднем ИК диапазонах, объединены с миниатюрными плоскими экранами.

Управление научно-исследовательских работ и командование авиационных систем ВМС США проводят программу демонстрации цветной системы ночного видения CNVS, которая имеет целью заменить очки ночного видения пилота на управляемый головой многоспектральный преобразователь и монтируемый на шлеме дисплей. В существующих конструкциях, которые обеспечивают напрямую визуализацию выхода с усилителя яркости изображения, для превращения выхода ЭОП в видеосигнал используется камера на приборах с зарядовой связью (ПЗС). Целью программы CNVS является отказ от усилителя яркости изображения за счет использования преобразователей на ПЗС, которые работают при уровнях освещенности, составляющих 1/7, и уровней контрастности, составляющих 2/5 от уровней, необходимых для работы более ранних устройств. Такой формирователь сигналов изображения будет иметь фотосигнал около 5400 мкА/лм и квантовую эффективность, приближающуюся к 100% при длинах волн в диапазоне 0,55-0,7 мкм.

В рамках дополнительной демонстрационной программы ВВС США стремятся с помощью панорамных очков ночного видения увеличить зону видимости на 240% по сравнению с существующими конструкциями, используя новые достижения оптики в сочетании с компактным усилителем яркости изображения.

В области тепловидения также достигнут прогресс на нескольких направлениях. Устройства с матрицами в фокальной плоскости с большим количеством детекторных элементов (как обзорные, так и сканирующие) обеспечивают значительное повышение дальности. Параллельно разработаны камеры с неохлаждаемыми матрицами, которые начинают отбирать часть рынка, традиционно занятого устройствами на основе усилителей яркости изображения.

В рамках программы Synergi, начатой в 1992 г. с целью создания европейской тепловизионной системы второго поколения, три компании — Thomson CSF Optronique во Франции, Zeiss-Eltro Optronic (ZEO) в Германии и Pilkington Optronics в Великобритании — разработали базовый комплект модулей, которые они и другие производители включают в тепловизионные камеры и целые разведывательные системы. В программе "Synergi" используется приемник на 288х4 элементов, разработанный компанией SOFRADIR во Франции. Конструкция модулей, обеспечивает сочетание низких затрат в течение всего жизненного цикла с маленькими размерами, низким потреблением энергии и высокими характеристиками.

Компания Thomson-CSF Optronique включила разработанные по программе "Synergi" устройства в тепловизионные камеры "Catherine", "Sylvi" и "Sophie". Камера "Catherine" предназначена для дальнего обнаружения и управления огнем с борта бронированных боевых машин и для систем пуска ракет "поверхность-воздух". Польская компания PGO включила эту камеру в свою систему управления огнем DRAWAТ для танка Т-72. Камера "Sylvi" приспособлена для использования в командирских панорамных прицелах, например в таком, который установлен на танке "Leclerc" компании GIAT Industries. Легкую камеру "Sophie", которая изначально предназначалась для пехоты, можно также устанавливать на легких бронированных машинах типа АМХ 10 RC компании GIAT или Scorpio компании Alvis.

Компании Thomson-CSF Optronique и Pilkington Optronics совместно разработали круглосутЬчный прицел "Sabre/Sophie" для наводчиков и командиров бронированных боевых машин. В свою очередь, британская компания в рамках программы "Synergi" разработала для продажи камеру под названием SGTI (телевизор второго поколения). Компания ZEO продвигает на рынок свою аналогичную камеру "Synergi 1", которая весит 11,2 кг (включая телескоп с полем зрения 3х4°), для использования в Германии и за рубежом. Французская компания SAT также разрабатывает прицелы на основе "Synergi" для противотанковой ракеты "Trigat" и использует эту технологию в системе пилотирования для боевых и разведывательных вертолетов "Tiger" компании Eurocopter.

Параллельно с программой "Synergi" компания ZEO работает с компаниями STN Atlas Elektronik, AEG Infrarot Module (AIM) и Telefunken Mikroelectronik Entwicklungszentrum над разработкой комплекта модулей "Ophelios" на основе приемника с 96х4 элементами. Камера компании ZEO на основе этих модулей с тем же наименованием весит 8 кг (включая телескоп с полем зрения 2,6х3,4° и 8,8х1,8°). Камера может найти применение в беспилотных летательных аппаратах, системах ПВО малой дальности, легких разведывательных машинах, оптоэлектронных мачтах подводных лодок и приборах охраны границы.

Управление оборонных исследований Великобритании DRA и британская промышленность также пошли по аналогичному пути. Параллельно с программой "Synergi" ведется работа над созданием инфракрасных систем по программе "Stairs". Модули Stairs-C, демонстрационные модели которых построила компания Pilkington Optronics, базируются на основе матрицы (кадмий-ртуть-теллур) на 768х10 элементов компании GEC-Marconi Infra-Red Ltd (GMIL). Компания Pilkington Optronics в настоящее время разрабатывает на основе модулей Stairs-C сверхкачественную инфракрасную камеру EPIC для применения в различных целях, в том числе в ИК системе обнаружения и сопровождения для истребителя "Eurofighter".

Сухопутные силы США выдвинули программу НТ1 для разработки ИК системы переднего обзора (FLIP) второго поколения, чтобы получить характеристики выше, чем у имеющегося оборудования, при одновременном снижении стоимости приобретения и эксплуатации. Задачами этой программы, которая, вероятно, в целом обойдется в 3 млрд. долл., являются увеличение на 55% дальности захвата цели на сопровождение и на 44% количества поражаемых целей по сравнению с системами первого поколения на основе американских модулей "Common Modules".

В программу НТ1 входит серия сканирующих систем, работающих в 8-12 мкм диапазоне и использующих стандартную детекторную матрицу SADA II на 480х4 элементов. В июле 1994 г. консорциум из компаний Texas Instruments и Hughes Aircraft получил от СЕСОМ заказ на техническую разработку и изготовление в течение 48 месяцев ИК системы переднего обзора второго поколения. В апреле 1997 г. эти две компании получили многолетние контракты стоимостью 98,3 млн. долл. и 111 млн. долл. соответственно на производство комплектов NV-80B и их интеграцию в различные прицелы: независимый командирский прибор ночного видения и главную тепловизионную систему прицеливания для наводчиков основных ударных танков М1А2 "Abrams" и независимый командирский прибор ночного видения компании Bradley и усовершенствованную систему захвата цели на сопровождение компании Bradley для танков М2АЗ. ИК системы переднего обзора второго поколения можно также использовать на боевых вертолетах "АН-64 Apache" и разведывательных вертолетах "RAH-66 Comanche" и в перспективной системе дальней разведки LRAS 3.

Неохлаждаемые преобразователи теплового излучения имеют ряд преимуществ над охлаждаемыми, но не имеют недостатков, связанных с механическим сканированием, криогенным охлаждением, заключением в вакуумные сосуды Дьюара или сосуды высокого давления. Плоские матрицы неохлаждаемых преобразователей используются в случаях, в которых требуется малая масса, низкое потребление энергии, минимальный уход и быстрое включение. По расчетам американской компании Amber, переход от охлаждаемых к неохлаждаемым системам снижает стоимость формирователя изображений с 50000 до 20000 долл. В состав приемников входят ферроэлектрические (также известные под названием пироэлектрические) матрицы, изготовленные из таких материалов, как барий-стронций-титан и свинец-скандий-тантал, и чувствительные термометры сопротивления, известные как микроболометры.

Управление DRA в г. Malveru (Великобритания) поддержало разработку неохлаждаемых матриц в форматах 100х100 элементов. В 1993 г. оно заключило контракт с компанией GEC-Marconi Sensors на подготовку демонстрационных моделей STAIRS А на основе пироэлектрической матрицы, разработанной компанией GEC-Marconi Materials Technology, пригодных для использования в орудийных прицелах и легких разведывательных приборах. Эти две компании также работают с европейскими партнерами, включая Signaal USFA и Delft Sensor Systems, которые разработали легкий инфракрасный обзорный прицел LION для удовлетворения заявок, поступивших от 767 подразделений королевской армии Нидерландов. Они также продвигают свои приборы на международные рынки в сотрудничестве с британскими партнерами и французской компанией Thomson-CSF Optronique. Производство предполагалось начать в 1977 г.

LION базируется на свинец—скандий—тантал детекторной матрице на 256х128 элементов, работающей в 8-13-мкм диапазоне, и обычно оснащается оптической системой с трехкратным увеличением, обеспечивающей поле зрения 10х5°. По имеющейся информации это позволяет обнаруживать машину на расстоянии 2 км, опознавать на расстоянии 700 м, и идентифицировать на расстоянии 350 м, причем изображение появляется на бинокулярном дисплее, выполненном на ЭЛТ. Масса прицела —2 кг, он имеет размеры 10х20х24 см и потребляемую мощность 7 Вт. Он может работать около 10 ч от шести литиевых батарей или около 2 ч от стандартных щелочных батарей. Отсутствие холодильника приводит фактически к моментальной готовности прицела к работе (время выхода на режим меньше 5 с). Шум от работающего прицела, по имеющимся сведениям, не слышен с расстояния 2 м. GEC-Marconi Sensors в настоящее время разрабатывает матрицу на 384х288 элементов для средней и большой дальности.

В США Управление перспективных оборонных исследовательских программ DARPA выдало серию контрактов на разработку опытных образцов теплового прицела ближней дальности SRTS, и недорогого неохлаждаемого прибора ночного видения LOCUSP под одноименные программы. За ними последовала программа разработки усовершенствованного тепловизионного прицела средней дальности SMRT—II, в рамках которой компания Texas Instruments поставила приборы Директорату ночного видения и электронных приборов. Этим прицелом можно оснащать винтовки, пулеметы и пусковые трубы для ракет "земля-воздух" "Stinger", или использовать его как ручной прибор ночного видения. Texas Instruments утверждает, что этот усовершенствованный вариант является самым компактным, легким, дешевым и экономичным по расходу энергии из всех имеющихся длинноволновых тепловизионных прицелов. Его масса меньше 1,6 кг, он потребляет мощность всего 3,5 Вт (до 4,5 Вт при экстремальных температурах), может непрерывно работать более 15 ч от батареи BA6874U и не нуждается в сканере и криогенном холодильнике. Неохлаждаемая матрица 245х325 элементов, которая работает при установившейся температуре 21°С обеспечивает изображение хорошего качества всего через 20 с после подачи питания.

Texas Instruments использовала аналогичные устройства в усилителе зрения водителя AN/VAS-5, которые сухопутные силы США планируют устанавливать на бронированных боевых машинах и грузовиках. Компания также должна поставить 12 опытных образцов нового разведывательного приспособления и орудийного прицела к июню 1998 г. по контракту стоимостью 5,7 млн. долл. Техническая демонстрация комплексного прицельного модуля ISM Директоратом ночного видения и электронных приборов, входящим в СЕСОМ, является частью программы Force XXI Land Warrior.

Поставлена задача продемонстрировать интеграцию безопасного для глаз лазерного дальномера, тепловизора, электронного компаса, безопасного для глаз лазерного целеуказателя и оптики прямого видения в орудийном прицеле, который является легким, прочными потребляет мало энергии. В рамках данного контракта Texas Instruments изготовит девять экземпляров варианта прицела для стрельбы на малые дистанции для индивидуального оружия и три варианта дальнего действия для группового оружия. Прицел ISM можно также использовать для разведки и обнаружение целей.

Большой потенциальный рынок для коммерческих систем с неохлаждаемыми тепловизорами привел к образованию консорциумов для конкретных разработок в этой области. DARPA финансирует три из них в рамках программы использования технологий двойного назначения и предыдущей программы реинвестирования в промышленность. Одной из задач является достижение стоимости единицы продукции менее 10000 долл. при массовом производстве.

Компания Lockheed Martin IR Imaging Systems возглавляет консорциум, который работает над снижением стоимости монолитных микроболометрических приборов. Другими членами консорциума являются компании Ageme Infrared Systems, Heneywell Military Avionics и лаборатория им. Линкольна Массачусетского технологического института. Камера LTC 500 компании Lockheed Martin, основанная на модульном формирователе изображения SIM 100, содержащем матрицу на 327х245 элементов, имеет массу 2,35 кг (включая 40° объектив). Возглавляемый компанией Inframetrics консорциум ULTRA ориентируется на продукцию на основе монолитного микроболометра, разработанного техническим центром компании Heneywell. Другими членами ULTRA является центр корабельного и сухопутного вооружения Surfare Warfare Center ВМС США и отделение Autonetics fe Missile Systems Division компании Boeing North American. Упомянутое последним отделение компании Boeing в настоящее время поставляет свои неохлаждаемые матрицы U3000 (устанавливаются в фокальной плоскости) в формате 320х240. Компания Texas Instruments и ее партнеры ведут разработки с использованием барий-стронций-титан ферроэлектрических конструкциях как SMRT II.