Активно-импульсный телевизионный прибор ночного видения на основе твердотельного и полупроводникового импульсных лазерных осветителей

Предлагаемая полезная модель относится к технике оптико-электронных приборов наблюдения, в частности, к активно-импульсным телевизионным приборам ночного видения (АИ ТВ ПНВ).
Известен принятый за аналог АИ ТВ ПНВ (см. Волков В.Г., Гиндин П.Д. Достижения в технике видения. М: Техносфера, 2019, с. 48, рис. 1.3.2). Он содержит блок наблюдения, состоящий из последовательно установленных на оптической оси объектива, узкополосного фильтра с возможностью его замены на компенсирующую плоскопараллельную пластину, электронно-оптического преобразователя (ЭОП) с микроканальной пластиной (МКП), оптики переноса, первый линзовый компонент которой сфокусирован ан экран ЭОП, а второй ее компонент сфокусирован на матрицу ПЗС телевизионной (ТВ) камеры, подключенной к ТВ монитору. АИ ТВ ПНВ содержит импульсный лазерный осветитель (ИЛО). Он состоит из блока накачки, импульсного лазерного полупроводникового излучателя (ИЛПИ) и объектива формирования излучения (ОФИ). Выход блока накачки подключен к ИЛПИ, на излучающую поверхность которого сфокусирован ОФИ. АИ ТВ ПНВ содержит блок стробирования, состоящий из последовательно соединенных задающего генератора импульсов (ЗГИ), блока регулируемой задержки (БРЗ) и формирователя стробирующих импульсов. При этом первый выход ЗГИ подключен к блоку накачки, второй выход - к БРЗ, а выход ФСИ подключен к МКП ЭОП.
3
Недостатком АИ ТВ ПНВ является его низкая дальность действия из-за сравнительно малой мощности излучения ИЛО на базе ИЛПИ и широкого угла его подсвета. АИ ТВ ПНВ имеет сравнительно низкую степень защиты от световых помех, которая определяется скважностью работы прибора. Для устройства-аналога эта скважность невелика из-за высокой частоты работы ИЛПИ - до 5 кГц и составляет 2×10. Кроме того, недостатком устройства-аналога является низкая эффективность поиска объекта наблюдения при работе устройства в активно-импульсном (АИ) режиме. Происходит это за счет очень узкого угла подсвета ИЛО, а также из-за необходимости вести поиск еще и по глубине сравнительно узким стробом. В связи с этим поиск и обнаружение объекта осуществляется в широкопольном пассивном режиме, а распознавание объекта - в АИ режиме. Однако дальность действия АИ ТВ ПНВ при его работе в пассивном режиме даже при нормальной прозрачности атмосферы и нормированном уровне естественной ночной освещенности (ЕНО) будет существенно ниже, чем при работе в АИ режиме. Это исключает возможность поиска на предельных дальностях действия, соответствующим возможностям АИ режима. При пониженной прозрачности атмосферы (дымка, туман, дождь, снегопад и др.), при падении уровня ЕНО и при воздействии световых помех поиск в пассивном режиме становится и вовсе невозможным.
Известен принятый за прототип АИ ТВ ПНВ (см. Волков В.Г., Гиндин П.Д. Достижения в технике видения. М: Техносфера, 2019, с. 47, рис. 1.3.1). Он содержит такой же блок наблюдения и блок стробирования, как и в устройстве- аналоге. ИЛО, выполненный на основе твердотельного лазера, состоит из последовательно установленных на оптической оси фотоприемного устройства, частично отражающего зеркала резонатора, активной среды, полупрозрачного зеркала резонатора, модулятора добротности на основе ячейки Поккельса, подключенной к своему блоку питания, и обращенной телескопической системы Галилея. Выход фотоприемного устройства через усилитель подключен ко входу ЗГИ блока стробирования. ИЛО содержит эллиптический зеркальный отражатель, в одном фокусе активная среда, а в другом фокусе - трубчатая лампа накачки, подключенная к своему блоку питания.
6
Достоинством устройства по сравнению с устройством-аналогом является резкое увеличение дальности действия за счет резкого повышения мощности излучения и резкого сужения угла подсвета ИЛО. Резко возрастает степень защиты от световых помех благодаря значительному повышению скважности работы АИ ТВ ПНВ из-за малой частоты работы ИЛО: 50 Гц. При этом скважность и соответственно степень защиты от световых помех возрастает до 2×10. Однако по-прежнему остается низкая эффективность поиска.
Задачей предлагаемой полезной модели является повышение эффективности поиска объекта наблюдения.
Указанная задача решается тем, что активно-импульсный телевизионный прибор ночного видения, содержащий блок наблюдения, состоящий из последовательно установленных на оптической оси объектива, узкополосного фильтра с возможностью его замены на компенсирующую плоскопараллельную пластину, электронно-оптического преобразователя с микроканальной пластиной, оптики переноса, первый линзовый компонент которой сфокусирован на экран электронно-оптического преобразователя, а второй ее компонент сфокусирован на матрицу ПЗС телевизионной камеры, подключенной к телевизионному монитору, блок стробирования, содержащий последовательно соединенные задающий генератор импульсов, блок регулируемой задержки и формирователь стробирующих импульсов, выход которого подключен к микроканальной пластине, импульсный лазерный осветитель на основе твердотельного лазера, состоящий из последовательно установленных на оптической оси фотоприемного устройства, частично отражающего зеркала резонатора, активной среды, полупрозрачного зеркала резонатора, модулятора добротности на основе ячейки Поккельса, подключенной к своему блоку питания, и обращенной телескопической системы Галилея, частично отражающее зеркало резонатора выполнено непрозрачным, импульсный лазерный осветитель содержит также эллиптический зеркальный отражатель, в одном фокусе активная среда, а в другом фокусе -трубчатая лампа накачки, подключенная к своему блоку питания, выход фотоприемного устройства подключен через усилитель ко входу задающего генератора импульсов, отличающийся тем, что в блоке наблюдения на выходе объектива дополнительно введен второй узкополосный фильтр с возможностью его замены на первый узкополосный фильтр и компенсирующую плоскопараллельную пластину, между объективом и взаимозаменяемыми узкополосными фильтрами и компенсирующей плоскопараллельной пластиной дополнительно введено дихроичное плоское зеркало, оптически сопряженное через дополнительно введенное плоское зеркало с дополнительно введенным вторым объективом, дополнительно содержит полупроводниковый импульсный лазерный осветитель, содержащий блок накачки, импульсный лазерный полупроводниковый излучатель и объектив формирования излучения, который сфокусирован на импульсный лазерный полупроводниковый излучатель, ко входу которого подключен блок накачки, вход которого подключен к выходу фотоприемного устройства.
Указанная задача решается благодаря дополнительному вводу в устройство полупроводникового импульсного лазерного осветителя, а также вводу в блок наблюдения дополнительного объектива.
Блок-схема предлагаемого устройства представлена на чертеже фиг. 1. Устройство содержит блок наблюдения 1, блок стробирования 2, твердотельный импульсный лазерный осветитель (ИЛО) 3, полупроводниковый ИЛО 4. Блок наблюдения 1 состоит из последовательно установленных на оптической оси первого объектива 5, дихроичного плоского зеркала 6, первого узкополосного фильтра 7 с возможностью его замены на второй узкополосный фильтр 8 и на компенсирующую плоскопараллельную пластину 9, электронно-оптический преобразователь (ЭОП) 10 с микроканальной пластиной (МКП) 11, оптику переноса 12, первый линзовый компонент 13 которой сфокусирован на экран ЭОП 10, а второй ее линзовый компонент 14 сфокусирован на матрицу ПЗС телевизионной (ТВ) камеры 15, подключенной к ТВ монитору 16. Блок наблюдения 1 содержит также второй объектив 17, оптически сопряженный через плоское зеркало 18 с дихроичным плоским зеркалом 6. Твердотельный ИЛО 3 содержит последовательно установленные на оптической оси фотоприемное устройство (ФПУ) 19, частично отражающее зеркало резонатора 20, активную среду 21, полупрозрачное зеркало резонатора 22, модулятор добротности 23 на основе элемента Поккельса, подключенного к своему блоку питания 24, и обращенной телескопической системы Галилея 25. ИЛО 3 содержит эллиптический зеркальный отражатель 26, трубчатую лампу накачки 27, подключенную к своему блоку питания 28. Полупроводниковый ИЛО 4 содержит блок накачки 29, импульсный лазерный полупроводниковый излучатель (ИЛПИ) 30 и объектив формирования излучения (ИЛО) 31, сфокусированный на ИЛПИ 30. К его входу подключен блок накачки 29. Блок стробирования 2 содержит последовательно соединенные задающий генератор импульсов (ЗГИ) 32, блок регулируемой задержки (БРЗ) 33 и формирователь стробирующих импульсов (ФСИ) 34, выход которого подключен к МКП И. ФПУ 19 подключен через усилитель 35 ко входу ЗГИ 32 и непосредственно ко входу блока накачки 29.
-5
Дихроичное плоское зеркало 6 пропускает в области спектра 0,4-1,1 мкм и отражает на дли не волны 1,06 мкм. Первый узкополосный фильтр 7 пропускает на дли не волны 0,85 мкм, а второй узкополосный фильтр 8 пропускает на дли не волны 1,06 мкм. Фильтр 7 имеет полосу пропускания, равную спектральной полосе излучения ИЛПИ 30, излучающего на длине волны 0,85 мкм, а фильтр 8 полосу пропускания, равную спектральной полосе излучения активной среды 21, излучающей на длине волны 1,06 мкм. Фотокатод ЭОП 10 работает в области спектра 0,4-1,2 мкм. Экран ЭОП 10 излучает в области спектра 0,53-0,56 мкм. Матрица ПЗС ТВ камеры 15 работает в области спектра 0,4-1,1 мкм. ФПУ 19 работает в области спектра 0,8-1,7 мкм. Зеркало 20 пропускает не более 10% лазерного излучения на длине волны 1,06 мкм. Первый объектив 5 работает в области спектра 0,4-0,9 мкм, а второй объектив 17 - на длине волны 1,06 мкм.
Устройство работает следующим образом. При функционировании в пассивном режиме излучение звезд и Луны, определяющее уровень естественной ночной освещенности (ЕНО), отражается от объекта, окружающего его фона и приходит в объектив 5. При этом фильтры 7, 8 выведены из хода лучей, а вместо них в ход лучей введена компенсирующая плоскопараллельная пластина 9. Излучение проходит через дихроичное плоское зеркало 6 и пластину 9 на фотокатод ЭОП 10, на котором первый объектив 5 создает изображение объекта и фона. ЭОП 10 преобразует изображение в видимое и усиливает его по яркости с помощью МКП 11. Изображение с экрана ЭОП 10 с помощью оптики переноса 12 (ее первого 13 и второго 14 линзовых компонентов) переносится на матрицу ПЗС ТВ камеры 15. Она преобразует изображение в видеосигнал, который поступает в ТВ монитор 16. Оператор наблюдает изображение с экрана ТВ монитора 16, осуществляя поиск и обнаружение объекта в широком угле поля зрения. Если в силу указанных выше причин это становится невозможным, то АИ ТВ ПНВ переводится в активно-импульсный (АИ) режим работы.
При этом для поиска и обнаружения объекта при работе устройства в АИ режиме включаются блок стробирования 2 и полупроводниковый ИЛО 4. В блоке наблюдения 1 вместо компенсирующей плоскопараллельной пластины 9 вводится первый узкополосный фильтр 7. В ИЛО 3 работает активная среда 21 от своего блока питания 28. В процессе работы ИЛО 3, которая будет описана ниже, на ФПУ 19 с выхода зеркала резонатора 20 поступает импульс лазерного излучения, которое преобразуется в ФПУ 19 в электрические импульсы, которые поступают одновременно на вход ЗГИ 32, предварительно усиленные в усилителе 35, и непосредственно на вход блока накачки 29. Он создает импульсы тока накачки, которыми возбуждается ИЛПИ 30. Он генерирует и импульсы излучения на длине волны 0,85 мкм. Они приходят в ОФИ 31, который коллимирует импульсы излучения и направляет их на местность, создавая на ней широкоугольное пятно подсвета. Импульсы излучения, отраженные от оптических или оптико-электронных средств объекта, приходят в блок наблюдения 1. Его первый объектив 5 принимает излучение и создает изображение на экране ЭОП 10. При этом излучение проходит через дихроичное плоское зеркало 6 и первый фильтр 7, который осуществляет селекцию полезного изображения на фоне случайных световых помех. До прихода импульса излучения на фотокатод ЭОП 10 его МКП 11 заперта напряжением постоянного смещения, подаваемого с выхода ФСИ 34. Электрические импульсы с выхода ФПУ 19 усиливаются в усилителе 35 м подаются на вход ЗГИ 32. Он работает в ждущем режиме и преобразует электрические импульсы в синхроимпульсы, которые поступают в БРЗ 33. В нем формируется плавно регулируемая задержка. Синхроимпульсы с выхода БРЗ 33 приходят на вход ФМИ 34. В момент прихода импульса излучения на фотокатод ЭОП 10 ФСИ 34 подает на МКП 11 импульсы напряжения (стробирующие импульсы). Их амплитуда равна амплитуде напряжения постоянного смещения и противоположна ему по знаку. Благодаря этому МКП 11 отпирается на время действия стробирующих импульсов. При этом ЭОП 10 преобразует изображение в видимое и усиливает его по яркости. Изображение с экрана ЭОП 10 с помощью оптики переноса 12 (ее первого 13 и второго 14 линзовых компонентов) переносится на матрицу ПЗС ТВ камеры 15. Она преобразует изображение в видеосигнал, который поступает в ТВ монитор 16. Оператор плавно регулирует задержку в БРЗ 33 до тех пор, пока она не станет равной времени прохождения импульса излучения расстояния от устройства до объекта и обратно. При этом оператор увидит изображение с экрана ТВ монитора 16. Этим объектом являются блики от лазерного излучения подсвета, возникающие при отражении лазерного излучения от оптических или оптико-электронных средств объекта. Найдя в широком угле поля зрения АИ ТВ ПНВ, определяемом углом подсвета ИЛО 4 эти объекты, оператор таким образом осуществляет поиск и обнаружение объектов по бликам. Оператор после обнаружения блоков переводит их в центр поля зрения блока наблюдения 1. Дальность обнаружения объектов по бликам равна или превышает дальность их распознавания в АИ режиме. При этом поиск и обнаружение объектов осуществляется при любом уровне ЕНО вплоть до полной темноты, как при нормальной, так и при пониженной прозрачности атмосферы, и при воздействии световых помех.
После обнаружения объекта оператор переходит к его распознаванию. При этом включается ИЛО 3, а в ход лучей в блоке наблюдения 1 вводится вместо фильтра 7 фильтр 8, работающий на длине волны ИЛО 3, равной 1,06 мкм. Фильтр 8 осуществляет спектральную селекцию объекта на фоне световых помех. В этом случае работает второй объектив 17 и ИЛО 3. В нем под воздействием блока питания 28 возбуждается трубчатая лампа накачки 27. Поскольку она находится в одном фокусе эллиптического отражателя 35, а активная среда 21 - в другом его фокусе, то излучение лампы накачки полностью концентрируется на активной среде 21, осуществляя ее накачку. В активной среде 21 возникает стимулированное лазерное излучение. Оно усиливается в резонаторе, образованном зеркалами 20 и 22. Незначительная часть этого импульсного лазерного излучения передается в ФПУ 19. Главная часть излучения выходит из зеркала 22 и передается в модулятор добротности 23. На него подается питание от блока питания модулятора добротности 24. В результате модулятор 23 формирует режим модулированной добротности, вынуждающей ИЛО 3 генерировать короткие и мощные импульсы лазерного излучения. Они коллимируются с помощью обращенной телескопической системы Галилея' 25, направляются на объект наблюдения и создают на нем пятно подсвета. При этом угол подсвета не превышает 10-15', достаточным для подсвета только объекта. При этом первый объектив 5 не работает. Второй объектив 17 создает изображение объекта на фотокатоде ЭОП 10. При этом излучение последовательно отражается от плоского зеркала 18 и дихроичного плоского зеркала 6. Далее устройство работает так, как это было описано выше. При этом оператор наблюдает изображение объекта и распознает его.
В настоящее время разработана принципиальная схема устройства и выполнено его макетирование.
Таким образом, благодаря дополнительному вводу в устройство полупроводникового импульсного лазерного осветителя, а также вводу в блок наблюдения дополнительного объектива повышается эффективность поиска объекта наблюдения.