ЦИФРОВОЙ ВИЗИР НОЧНОГО ПРИБОРА РАЗВЕДКИ

Предлагаемая полезная модель относится к приборам наблюдения и разведки ночного видения, функционирующих в условиях естественной ночной освещенности, принцип работы которых основан на преобразовании оптического излучения в электрический сигнал, его обработки и получении яркости видимого изображения пространства объектов (фон-цель), достаточной для наблюдения глазом.
Цифровой визир ночного прибора разведки (ЦВНПР) может использоваться передовыми наблюдателями для решения задач общевойсковой и артиллерийской разведки как самостоятельно, так и в составе комбинированного прибора.
В ночных условиях дальность распознавания цели, обеспечиваемая приборами ночного видения, зависит от уровня естественной ночной освещенности, прозрачности атмосферы и контраста между целью и фоном. При повышенной освещенности, в лунную ночь, при наличии внешних подсветок, если цель расположена на светлом фоне (песок, снег), дальность распознавания возрастает. При пониженной освещенности, низкой облачности, пониженной прозрачности атмосферы, если цель расположена на темном фоне (пашня, лес и т.д.), дальность распознавания снижается.
Известны ночные приборы разведки, включающие в себя оптико-электронные системы визира цели, механизмы, органы управления [1, 2, 4]. Визир ночного прибора разведки содержит расположенные на одной оптической оси и оптически связанные объектив, электронно-оптический узел, включающей преобразователь напряжения, высоковольтный блок, электронно-оптический преобразователь (ЭОП) и окуляр.
Работа визира в ночных условиях обеспечивается ЭОПом повышенной чувствительности с микроканальным усилением и автоматической регулировкой яркости экрана. Изображение объектов малой яркости проектируется объективом на фотокатод ЭОПа, расположенный в фокальной плоскости объектива. Усиленное по яркости изображение пространства объектов формируется на экране ЭОПа, оборачивается оборачивающей системой и вместе со шкалами сетки рассматривается через окуляр [1, 2, 3].
Рассмотренные устройства по способу обработки изображения относятся к классу аналоговых приборов, основными недостатками являются зависимость от внешних условий и слабая помехозащищенность от засветок и вспышек. Кроме того, в случае слабой освещенности приборы работают только при использовании внешней инфракрасной (ИК) подсветки.
Наиболее близкой по своей технической сущности к заявляемой полезной модели является цифровой визир ночного прибора разведки, конструктивно построенный по модульному принципу, включающий модуль фотоприемного устройства, состоящий из светосильного объектива, оптически связанного преобразователя излучения, который включает электронно-оптический преобразователь и сопряженный с ним матричный приемник излучения с максимумом чувствительности в ближней инфракрасной области спектра, электрически связанный модуль цифровой обработки и формирования изображения пространства «объект-фон», служебной информации, шкал и прицельного знака на видеоконтрольном устройстве, экран которого сопряжен с пространством предметов окуляра [3, 4].
При использовании визира по назначению на качество изображения влияет расстояние до объектов, температура окружающей среды. Визир обладает низкой помехоустойчивостью, так как наличие в поле зрения вспышек и встречных засветок больший освещенности приводит к увеличению яркости наблюдаемого в визир изображения и оператор не может выделить на фоне отдельные объекты. Кроме того, фотокатод ЭОП после яркой засветки восстанавливается продолжительное время, в течение которого можно наблюдать остаточное изображение вспышки, а слишком мощный световой поток приводит к постепенной деградации ЭОПа визира. Ресурс современных ЭОП может достигать 15000 часов, но при использовании визира в вечернее и дневное время суток срок службы ЭОПа может сокращаться до нескольких часов.
Задачей полезной модели является расширение функциональных и эксплуатационных возможностей, повышение помехоустойчивости при использовании по назначению ЦВНПР.
Решение поставленной задачи предлагается проводить с применением цифрового визира, который как и визир, выбранный в качестве прототипа, конструктивно построен по модульному принципу, включает модуль фотоприемного устройства, электрически связанный модуль цифровой обработки и формирования изображения пространства «объект-фон», служебной информации, шкал и прицельного знака на видеоконтрольном устройстве, экран которого сопряжен с пространством предметов окуляра.
Особенностью предлагаемого ЦВНПР, отличающего его прототипа, является то, что модуль фотоприемного устройства состоит из объектива, рассчитанного на рабочую длину волны 1,54 мкм, включающего три положительных оптических узла, последняя линза выполнена с возможностью подвижки вдоль оптической оси, в задней фокальной плоскости которого установлен твердотельный матричный приемник излучения с максимумом чувствительности в коротковолновой инфракрасной области спектра и системой считывания видеосигнала, электрически связанной с микропроцессором цифровой обработки со встроенным аналого-цифровым преобразователем, который электрически связан с микроконтроллером компенсации видеосигнала, первый выход которого связан с входом контроллера контрастного автофокуса, который электрически связан с исполнительным механизмом системы автофокуса, второй выход контроллера компенсации видеосигнала электрически связан с модулем цифровой обработки и формирования изображения пространства «объект-фон», служебной информации, шкал и прицельного знака, включающим центральный сигнальный процессор со встроенным оперативно-запоминающим устройством (ОЗУ), выход ОЗУ электрически связан с формирователем цифрового видеосигнала, первый выход центрального сигнального процессора электрически связан с контроллером интерфейса управления, второй с микродисплеем, который сопряжен с пространством предметов окуляра с удаленным выходным зрачком, включающим последовательно расположенные на оптической оси отрицательный дублет, положительный мениск, положительный дублет и положительную линзу.
+
-9
2
-7
2
-5
2
-7
2
Сущность полезной модели заключается в повышение чувствительности ЦВНПР модульного принципа построения на основе твердотельных преобразователей изображения, работающих в области спектра 0,9-2 мкм, обеспечивающих повышение помехоустойчивости и выполнение новых функции по сравнению с аналогами, работающими в спектральном диапазоне 0,4-0,9 мкм. Средняя величина естественной ночной освещенности в безлунную ночь для области спектра 0,4-0,9 мкм (фотокатод ЭОП II, II, III поколений) достигает (1,5-3)⋅10 Вт/см мкм, а в области спектра 0,9-2 мкм - (1,5…2)10 Вт/см мкм, то есть на два порядка выше. Кроме того, улучшается прозрачность атмосферы: при метеорологической дальности видимости 10 км пропускание толщи атмосферы 1 км на длине волны 0,6 мкм составляет 0,72, а в центре области спектра 1,4-1,8 мкм - 0,93. При этом яркость атмосферной дымки снижается больше чем на порядок в области спектра 1,4-1,8 мкм. Величина контраста объекта наблюдения с фоном в этой области спектра более стабильна и выше в 1,4-1,5 раза, чем в области спектра 0,4-0,9 мкм, кроме того, если в этой области спектра освещенность ночью меняется от 10 до 2,5⋅10"9 Вт/см, то в области 0,9-2 мкм - от 1,6 10"4 до (3-4)10 Вт/см при тех же условиях, то есть почти на два порядка. В области спектра 0,9…2 мкм можно работать до определенной степени в условиях пыледымовых помех [4-7]. Кроме того, чувствительные элементы твердотельного приемника излучения ЦВНПР не воспринимают свет, поэтому могут работать в любое время суток. Конструктивно модули электроники размещаются на двух платах. Необходимость разделения обоснована тем, что в модуле фотоприемного устройства твердотельный приемник излучения должен располагаться параллельно объективу, то есть вертикально. На второй плате - модуль цифровой обработки и формирования изображения пространства «объект-фон», служебной информации, шкал и прицельного знака для уменьшения габаритов располагается горизонтально. Такая конструкция повышает ремонтопригодность визира. Таким образом, обеспечивается решение поставленной задачи.
Предлагаемый ЦВНПР иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1, 2, 3.
На фиг. 1 представлена функциональная схема визира;
на фиг. 2 - оптическая схема объектива;
на фиг. 3 - оптическая схема окуляра с удаленным выходным зрачком.
Цифровой визир ночного прибора разведки состоит из двух соединенных электрически и последовательно расположенных оптико-электронных модулей. Модуль фотоприемного устройства для формирования и первичной обработки видеосигнала 15, модуль цифровой обработки и формирования изображения пространства «объект-фон», служебной информации, шкал и прицельного знака 16 - для вторичной обработки видеосигнала. Модуль фотоприемного устройства 15 включает светосильный объектива 1, в задней фокальной плоскости расположен матричный твердотельный приемник излучения (ТПИ) с максимумом чувствительности в коротковолновой инфракрасной области спектра излучения (0,9-2 мкм) 2 с системой считывания видеосигнала 3, аналого-цифровой преобразователь 4, микропроцессор цифровой обработки видеосигнала 5, контроллер компенсации видеосигнала 6, контроллер контрастного автофокуса 7, исполнительный механизм системы автофокуса 8, механически связанный с подвижной линзой 20 (фиг. 2). Модуль цифровой обработки и формирования изображения пространства «объект-фон», служебной информации, шкал и прицельного знака 16 включает центральный сигнальный процессор 9 с встроенным оперативно-запоминающим устройством 10, микродисплей 11, контроллер интерфейса управления 12, формирователь цифрового видеосигнала 13, окуляр с удаленным выходным зрачком 14.
Оптическая схема объектива (фиг. 2) включает три положительных оптических узла 17, 18, 19, вторая линза 20 узла 19 выполнена с возможностью подвижки вдоль оптической оси. Оптические силы узлов 17, 18, 19, величина подвижки линзы 20 соответствуют отношениям
1
2
3
ϕ=(0,2…0,4)ϕ; ϕ=(0,8…1,0)ϕ; ϕ=(0,5…0,68)ϕ; Δ≤0,03f',
1
2
3
где ϕ, ϕ, ϕ, ϕ - оптические силы соответственно первого, второго, третьего узлов и всего объектива;
Δ - перемещение вдоль оптической оси второй линзы третьего узла;
f' - фокусное расстояние объектива.
Оптическая схема окуляра (фиг. 3) включает отрицательный дублет 21, положительный мениск 22, положительный дублет 23 и положительную линзу 24. Оптические силы компонентов окуляра должны соответствовать отношениям
1
2
3
4
ϕ=-(0,4…0,6)ϕ; ϕ=(0,4…0,5)ϕ; ϕ=(0,3…0,4)ϕ; ϕ=(0,3…0,4)ϕ,
1
2
3
4
где ϕ, ϕ, ϕ, ϕ - относительные оптические силы соответственно отрицательного дублета, положительного мениска, положительного дублета и положительной линзы.
Выбранные положение компонентов окуляра 13 и отношения их оптических сил обеспечивают коррекцию хроматизма увеличения, астигматизма без уменьшения величины углового поля и относительного отверстия.
Цифрового визира ночного прибора разведки работает следующим образом. Наблюдая в ЦВНПР, оператор изучает фоноцелевую обстановку. Оптические узлы 21, 22, 23 объектива фокусируют коротковолновое ИК-излучение от каждой точки удаленных объектов «фон-цель» в пределах углового поля, определяемого размерами матричного ТПИ 2 и фокусным расстоянием объектива. Плоскость чувствительных элементов матричного ТПИ 2 совмещена с плоскостью пространства изображений. Для каждого пикселя пространства «фон-цель» формируется пятно, соизмеримое по величине с диаметром кружка рассеяния, обусловленным дифракцией и размером чувствительных элементов ТПИ 2.
Матричный ТПИ 2 преобразует коротковолновое ИК-излучение пространства «фон-цель» в аналоговый электрический сигнал, который системой считывания видеосигнала 3 усиливается до номинальной величины. В аналого-цифровом преобразователе 4 сигнал оцифровывается и совместно с микропроцессором цифровой обработки видеосигнала 5 производит преобразование видеосигнала в черно-белые тона, построение таблиц кодирования изображения в черно-белые тона, обрабатывает видеосигнал с целью улучшения качества и управления режимами работы. Контроллер компенсации видеосигнала 6 определяет неисправные фоточувствительные элементы матрицы, компенсирует постоянную составляющую и разброс элементов ТПИ по чувствительности, заменяет отсчеты неисправных элементов. Для фокусировки ИК-излучения от объектов «фон-цель», расположенных на конечном расстоянии, компенсации воздействия температур, отличающихся от нормальных значений при эксплуатации визира производится перемещение вдоль оптической оси последней линзы 20 объектива с помощью контроллера контрастного автофокуса 7, исполнительного механизма системы автофокуса 8.
Центральный сигнальный процессор 9 модуля цифровой обработки и формирования изображения пространства «объект-фон», служебной информации, шкал и прицельного знака 16 производит автоматический контроль исправности составных частей визира при включении питания и в процессе его использования по назначению, кодирование видеосигнала в черно-белые тона с возможным преобразованием «позитивного» изображения в «негативное» или преобразование видеосигнала в условные цвета, построение таблиц кодирования в условные цвета, кодирование видеосигнала в условные цвета с возможным преобразованием «позитивного» изображения в «негативное», автоматическую калибровку видеосигнала с целью компенсации фоновых помех, выдачу символьной информации (в том числе даты и времени), заполнение видео оперативно-запоминающего устройства 10 для трансляции видеоинформации в режиме реального времени с помощью формирователя цифрового видеосигнала 73 на удаленные устройства.
Контроллер интерфейса управления 12 вырабатывает сигнал управления в зависимости от выбранного режима работы визира. Встроенное программное обеспечение центрального сигнального процессора 9 производит коррекцию разрядности выходных данных, отображение служебной информации, шкал, прицельной марки, регулируемой по цвету (черное/белое) и по положению, которая выверена с визирной осью для дальнейшего представления на микродисплей 77. Формат микродисплея 77 соответствует формату матричного ТПИ 2.
Излучение, идущее от каждого пикселя микродисплея 77, направляется окуляром 13 в выходной зрачок, где расположен зрачок глаза оператора (фиг. 3). Установка между предметной плоскостью и положительным мениском 22 отрицательного дублета 21, линзы которого выполнены из материалов, что и линзы положительного дублета 23, выполнение отношений оптических сил обеспечивают расходимость пучков лучей от каждой точки, не превышающей разрешающую способность угловых размеров элемента (пикселя) микродисплея 11 и заданное удаление выходного зрачка. Для компенсации аметропии глаза оператора осуществляется диоптрийная подвижка окуляра вдоль оптической оси.
Изображение фоно-целевой обстановки, а также служебная информация (в том числе дата и время), шкалы, прицельный знак высвечиваются на микродисплее и рассматриваются в окуляр под большим углом зрения.
Таким образом, при применении предлагаемого ЦВНПР по назначению расширены функциональные и эксплуатационные возможности, повышена помехоустойчивость, что позволяет эффективно выполнять задачи по разведки целей в ночных условиях.
Источник информации
1. Монокуляр ночной 1ПН138. Руководство по эксплуатации ЕКВД.201212.000РЭ. - Валдай, 2014. - 24 с.
2. Изделие 1ПН92-2. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. - Завод. - 54 с.
3. Оптическое устройство для ночного/дневного наблюдения и прицеливания. Заявка 2000120094/28.
4. Грузевич, Ю.К. Оптико-электронные приборы ночного видения. -М.: ФИЗМАТЛИТ, 2014. - 214 с.
5. Гейхман, И.Л. Видение и безопасность / И.Л. Гейхман, В.Г. Волков // [Электронный ресурс]. - М.: Новости. - 2009. / Название с экрана 20.10.21.
6. SWIR-камера: как увидеть невидимое [Электронный ресурс] / Название с экрана 20.0.21 // Код доступа: rostec.ru
7. SWIR-камера [Электронный ресурс] / Код доступа: http://rostec.ru/news/shvabe-uvelichil-razreshenie-i-procrmost-swir-kamery/