АКТИВНО-ИМПУЛЬСНЫЙ ТЕЛЕВИЗИОННЫЙ ПРИБОР НОЧНОГО ВИДЕНИЯ
ACTIVE-PULSED TELEVISION NIGHT VISION DEVICE

Предлагаемое изобретение относится к технике приборов ночного видения (ПНВ), предназначенных для наблюдения в условиях низкого уровня естественной освещенности (сумерки, ночь и т.п.).
Известен пассивно-активный ПНВ, содержащий последовательно установленные на оптической оси объектив, сменный фильтр, электронно-оптический преобразователь (ЭОП) и сфокусированный на экран ЭОП окуляр. В состав данного ПНВ входит также инфракрасный (ИК) осветитель, содержащий объектив формирования выходного излучения, сфокусированный на ИК излучатель, подключенный к блоку питания. ИК излучателем может служить лампа, ИК светодиод или ИК полупроводниковый лазер. В случае исполнения ИК излучателя в виде лампы между объективом формирования выходного излучения и ИК излучателем может быть установлен фильтр, отсекающий видимое и ультрафиолетовое излучение (1).
Такой ПНВ может работать в пассивном и активном режимах. Активный режим был непрерывным во времени и использовался в случаях, когда уровень естественной ночной освещенности (ЕНО) был невысок или приходилось работать в полной темноте.
Серьезными недостатками данного ПНВ являлись его неработоспособность в условиях пониженной прозрачности атмосферы (дождь, снегопад, дымка и т.п.), а также невозможность обеспечения дублирования информации и передачи наблюдаемого изображения дистанционно и в персональный компьютер. Кроме того, при работе в активном режиме излучение обратного рассеяния накладывалось на изображение объекта наблюдения и снижало его контраст, вплоть до полной потери видимости объекта наблюдения. ПНВ не мог работать в условиях мощных световых помех, не обеспечивал достаточно точного измерения дальности до объекта наблюдения и не позволял наблюдать малоконтрастные объекты.
Указанные недостатки в значительной мере устранены в известном активно-импульсном (АИ) телевизионном (ТВ) приборе ночного видения (АИ ТВ ΠΗΒ), содержащем ТВ канал, наличие которого позволяет обеспечивать дублирование информации об объекте наблюдения и передавать изображение дистанционно и в персональный компьютер. Данный АИ ТВ ПНВ содержит блок наблюдения, состоящий из последовательно установленных на оптической оси объектива, сменного фильтра, импульсного ЭОП и сфокусированного на его экран первого линзового компонента оптики переноса, ТВ канал, включающий синхронизатор и последовательно соединенные второй линзовый компонент оптики переноса, оптически сопряженный с первым линзовым компонентом оптики переноса, ТВ камеру, на которую сфокусирован второй линзовый компонент оптики переноса, видеоусилитель и ТВ монитор, причем, выходы кадровой и строчной синхронизации синхрогенератора подключены соответственно к одноименным входам ТВ камеры, видеоусилителя и ТВ монитора. В состав АИ ТВ ПНВ входят также импульсный лазерный осветитель, состоящий из объектива формирования выходного излучения, сфокусированного на импульсный лазерный полупроводниковый излучатель, подключенный к первому выходу блока накачки, блок управления и синхронизации, содержащий последовательно соединенные задающий генератор импульсов (ЗГИ), первый вход которого подключен ко второму выходу блока накачки импульсного лазерного осветителя, блок регулируемой задержки (БРЗ) и формирователь стробирующих импульсов (ФСИ), выход которого подключен ко входу стробирования импульсного ЭОП блока наблюдения, и блок деления частоты (БДЧ), вход которого подключен к выходу строчной синхронизации синхрогенератора ТВ канала, а выход - ко второму входу ЗГИ блока управления и синхронизации. Данный АИ ТВ ПНВ мог работать в 3-х режимах: пассивном (импульсный лазерный осветитель выключен), активно-непрерывным (осветитель включен, но блок управления и синхронизации выключен и АИ ТВ ПНВ работает как обычный активный ПНВ) и АИ режиме (осветитель и блок управления и синхронизации включены). При работе в АИ режиме ЗГИ блока управления и синхронизации запускается синхроимпульсами со второго выхода блока накачки импульсного лазерного осветителя, с первого выхода которого импульсами тока возбуждается импульсный лазерный полупроводниковый излучатель, генерирующий равные им по длительности импульсы ИК излучения. Объектив формирования выходного излучения импульсного лазерного осветителя коллимирует это ИК излучение, формирует требуемый угол подсвета и направляет ИК излучение на объект наблюдения.
Отраженные от объекта наблюдения импульсы ИК излучения приходят в объектив блока наблюдения, который формирует изображение объекта на фотокатоде ЭОП, работающего в импульсном режиме. До прихода импульсов ИК излучения на фотокатод ЭОП его стробирующий вход заперт. В момент прихода отраженного от объекта наблюдения импульса стробирующий вход ЭОП открывается на время длительности импульса строба, равное или несколько превышающее длительность импульса ИК излучения. Для обеспечения такой синхронной работы лазерного осветителя и ЭОП синхроимпульсы с выхода ЗГИ блока управления и синхронизации передаются в БРЗ этого блока, где задерживаются по отношению к синхроимпульсам со второго выхода блока накачки лазерного осветителя на время, равное прохождению импульсом ИК излучения расстояния от АИ ТВ ПНВ до объекта наблюдения и обратно. С выхода блока БРЗ блока управления и синхронизации синхроимпульс поступает в ФСИ этого блока, создающего стробирующие импульсы напряжения, отпирающего стробирующий вход ЭОП, который усиливает изображение по яркости и преобразует его в видимое. Оператор, плавно регулируя задержку, может перемещать по глубине узкую зону просматриваемого пространства, определяемую длительностью импульса строба, до тех пор, пока в пределы этой зоны не попадет наблюдаемый объект. Изображение с экрана ЭОП с помощью оптики переноса передается на матрицу ПЗС ТВ камеры. ТВ камера преобразует изображение, сформированное на фотокатоде ЭОП, в электрический видеосигнал, который усиливается в видеоусилителе и передается в ТВ монитор, где преобразуется в оптическое изображение, наблюдаемое с экрана ТВ монитора оператором. Синхрогенератор обеспечивает кадровую и строчную синхронизацию работы ТВ камеры, видеоусилителя и ТВ монитора, а также синхронизацию работы ЗГИ, для чего сигнал строчной частоты синхрогенератора ТВ канала поступает в блок деления частоты, который делит частоту строк до уровня, близкого к частоте работы импульсного лазерного осветителя и кратного ей. Данный АИ ТВ ПНВ, как наиболее близкий к предлагаемому, принят за прототип (2).
В устройстве - прототипе обеспечивался достаточно высокий контраст в изображении наблюдаемого объекта за счет:
- отсечения задержкой излучения обратного рассеяния, которое в обычных известных ПНВ, работающих в активном режиме, накладывается на изображение наблюдаемого объекта и снижает контраст в его изображении при ухудшенной и даже нормальной прозрачности атмосферы;
- ослабления (равного скважности работы блока наблюдения) рассеянного в атмосфере излучения, определяемого уровнем естественной освещенности, которое при работе известных ПНВ в пассивном режиме в условиях пониженной прозрачности атмосферы также резко снижало контраст в изображении наблюдаемого объекта;
- отсечения фона за объектом наблюдения ввиду того, что объект воспринимается в пределах очень узкой глубины просматриваемого пространства, что позволяет наблюдать малоконтрастные объекты, которые не видны ни в обычные (известные) пассивно-активные ПНВ, ни даже днем в обычные оптические наблюдательные приборы. Кроме того, АИ ТВ ПНВ - прототип позволял достаточно точно измерять расстояние до объекта наблюдения по величине задержки, так как изображение объекта доступно для наблюдения только при определенной величине задержки, соответствующей расстоянию до объекта. При этом точность измерения дальности не зависит от расстояния до объекта, а определяется только длительностью импульса строба и импульса подсвета. Также в устройстве - прототипе исключена возможность выдачи ложного значения дальности за счет реакции на случайные предметы, находящиеся между наблюдаемым объектом и прибором (например, ветки деревьев, провода и т.п.), сигнал от которых может значительно превышать полезный сигнал от наблюдаемого объекта, так как все подобные ложные сигналы отсекаются задержкой. Устройство - прототип позволяет осуществлять наблюдение в условиях мощных световых помех, так как при работе блока наблюдения в импульсном режиме любая длительная световая помеха (излучение прожекторов, фар, пламя костров, взрывов и т.п.) ослабляется в число крат, равное скважности работы устройства. Дополнительная помехозащищенность достигается применением в блоке наблюдения сменного полосового (или отсекающего) фильтра с полосой пропускания, соответствующей рабочей области спектра лазерного осветителя. Недостаток данного устройства состоял в том, что при работе в АИ режиме приходилось вести поиск объекта, расположенного на неизвестном расстоянии от АИ ТВ ПНВ, путем плавного изменения задержки до тех пор, пока объект не окажется в пределах строба и, соответственно, его изображение не появится в поле зрения АИ ТВ ПНВ.
Необходимость такого поиска приводит к неоправданным потерям времени. Кроме того, в устройстве - прототипе длительность импульса строба является величиной постоянной, что снижает качество изображения наблюдаемого объекта при любых расстояниях до объекта. На повышенных дальностях это происходит из-за того, что при неоправданно большой длительности строба в его пределы попадает избыточный объем излучения обратного рассеяния, а иногда и фон, что снижает контраст получаемого изображения, а следовательно, и его качество. На небольших дальностях действия избыточная мощность излучения лазерного осветителя приводит к засветке изображения и, соответственно, также к снижению его качества. Предлагаемое устройство решает задачу сокращения времени поиска объекта и повышение качества получаемого изображения.
Для решения этой задачи в известный АИ ТВ ПНВ, содержащий блок наблюдения, состоящий из последовательно установленных на оптической оси объектива, сменного фильтра, ЭОП и сфокусированного на экран ЭОП первого линзового компонента оптики переноса, ТВ канал, включающий синхронизатор и последовательно соединенные ТВ камеру, на которую сфокусирован второй линзовый компонент оптики переноса, оптически сопряженный с первым линзовым компонентом оптики переноса, видеоусилитель и ТВ монитор, причем, выходы кадровой и строчной синхронизации синхрогенератора подключены соответственно к одноименным входам ТВ камеры, видеоусилителя и ТВ монитора, импульсный ИК осветитель, состоящий из импульсного ИК излучателя, подключенного к первому выходу блока накачки, и объектива формирования выходного излучения, сфокусированного на импульсный ИК излучатель, блок управления и синхронизации, состоящий из последовательно соединенных ЗГИ, первый вход которого подключен ко второму выходу блока накачки импульсного ИК осветителя, БРЗ и ФСИ, выход которого подключен ко входу стробирования ЭОП блока наблюдения, БДЧ, вход которого подключен к выходу строчной синхронизации синхрогенератора ТВ канала, а выход - ко второму входу ЗГИ блока управления и синхронизации, введены последовательно соединенные лазерный дальномер и блок регулировки амплитуды тока накачки, выход которого подсоединен ко входу блока накачки импульсного ИК осветителя, блок предварительной установки задержки, вход которого подключен к выходу лазерного дальномера, а выход - ко второму входу БРЗ блока управления и синхронизации, и блок регулировки длительности импульса строба, вход которого соединен с выходом лазерного дальномера, а выход - со вторым входом ФСИ блока управления и синхронизации.
Изобретение поясняется чертежом, на котором представлена блок-схема предлагаемого устройства.
Заявляемый АИ ТВ ПНВ содержит блок наблюдения 1, состоящий из последовательно установленных на оптической оси объектива 2, сменного фильтра 3, ЭОП 4 и сфокусированного на экран ЭОП 4 первого линзового компонента 5 оптики переноса 6, а также ТВ канал 7, включающий второй линзовый компонент 8 оптики переноса 6, синхрогенератор 9 и последовательно соединенные ТВ камеру 10, видеоусилитель 11 и ТВ монитор 12, к входам кадровой и строчной синхронизации которых подключены соответственно одноименные выходы синхрогенератора 9. Предлагаемый АИ ТВ ПНВ содержит также импульсный ИК осветитель 13, состоящий из объектива формирования выходного излучения 14, сфокусированного на импульсный ИК излучатель 15, подключенный к первому выходу блока накачки 16, блок управления и синхронизации 17, содержащий последовательно соединенные ЗГИ 18, первый вход которого подключен ко второму выходу блока накачки 16 импульсного ИК осветителя 13, БРЗ 19 и ФСИ 20, выход которого соединен с входом стробирования ЭОП 4 блока наблюдения 1, БДЧ 21, вход которого подключен к выходу строчной синхронизации синхрогенератора 9 ТВ канала 7, а выход - ко второму входу ЗГИ 18 блока управления и синхронизации 17, а также вновь введенные последовательно соединенные лазерный дальномер 22 и блок регулировки амплитуды тока накачки 23, выход которого подключен к входу блока накачки 16 импульсного ИК осветителя 13, а также блок предварительной установки задержки 24, вход которого подсоединен к выходу лазерного дальномера 22, а выход - ко второму входу БРЗ 19 блока управления и синхронизации 17, и блок регулировки длительности импульса строба 25, вход которого соединен с выходом лазерного дальномера 22, а выход - со вторым входом формирователя стробирующих импульсов 20 блока управления и синхронизации 17.
Предлагаемый АИ ТВ ПНВ может функционировать в пассивном, активно-непрерывном и АИ режимах.
При работе устройства в пассивном режиме выключены импульсный ИК осветитель 13 и блок управления и синхронизации 17, а сменный фильтр 3 выведен из хода лучей. Излучение, определяемое уровнем ЕНО, отражается от объекта наблюдения и окружающего его фона и приходит в блок наблюдения 1. Объектив 2 блока наблюдения 1 формирует изображение объекта наблюдения и фона на фотокатоде ЭОП 4. ЭОП 4 преобразует изображение в видимое и усиливает его по яркости. С помощью оптики переноса 6 изображение с экрана ЭОП 4 передается на матрицу ПЗС ТВ камеры 10 ТВ канала 7. ТВ камера 10 формирует электрический сигнал, который усиливается в видеоусилителе 11 и передается в ТВ монитор 12, где преобразуется в видимое изображение, наблюдаемое с экрана ТВ монитора 12. При этом синхрогенератор 9 ТВ канала 7 обеспечивает кадровую и строчную синхронизацию ТВ камеры 10, видеоусилителя 11 и ТВ монитора 12.
При работе устройства в активно-непрерывном режиме отключен только блок управления и синхронизации 17. Сменный фильтр 3 выведен из хода лучей. Блок накачки 16 импульсного ИК осветителя 13 формирует импульсы тока, накачивающие импульсный ИК излучатель 15, который генерирует соответствующие импульсы ИК излучения. Объектив 14 формирования выходного излучения коллимирует это излучение, формирует требуемый угол подсвета и направляет сформированное излучение на объект наблюдения. Импульсы излучения, отразившись от объекта наблюдения, приходят в блок наблюдения 1. Объектив 2 блока наблюдения 1 формирует изображение объекта наблюдения на фотокатоде ЭОП 4. ЭОП 4 преобразует изображение в видимое и усиливает его по яркости. С экрана ЭОП 4 изображение с помощью оптики переноса 6 передается на матрицу ПЗС ТВ камеры 10 ТВ канала 7. ТВ камера 10 формирует электрический сигнал, который усиливается в видеоусилителе 11 и передается в ТВ монитор 12, где преобразуется в видимое изображение, наблюдаемое с экрана монитора 12. Синхрогенератор 9 ТВ канала 7 обеспечивает кадровую и строчную синхронизацию ТВ камеры 10, видеоусилителя 11 и ТВ монитора 12.
При работе предлагаемого АИ ТВ ПНВ в АИ режиме включены все его элементы и блоки. Блок накачки 16 импульсного ИК осветителя 13 формирует импульсы тока, которые поступают на вход импульсного ИК излучателя 15, генерирующего соответствующие импульсы ИК излучения. Объектив 14 формирования выходного излучения коллимирует это излучение, формирует требуемый угол подсвета и направляет излучение на объект наблюдения. Отразившись от объекта наблюдения, импульсы излучения приходят в блок наблюдения 1. Его объектив формирует изображение объекта на фотокатоде ЭОП 4, который работает в импульсном режиме. Сменный фильтр 3 отсекает световые помехи, действующие в широкой области спектра. До прихода отраженного от объекта наблюдения излучения на фотокатод ЭОП 4 его стробирующий вход заперт. В момент прихода отраженного от объекта импульса излучения стробирующий вход ЭОП 4 открывается на время длительности импульса строба, равное или несколько превышающее длительность импульса излучения. Для обеспечения синхронной работы импульсного ИК осветителя 13 и ЭОП 4 синхроимпульсы с выхода ЗГИ 18 передаются на первый вход БРЗ 19, где задерживаются по отношению к синхроимпульсам, поступающим со второго выхода блока накачки 16 импульсного ИК осветителя 13 на первый вход ЗГИ 18, на время, равное прохождению импульсом излучения расстояния от АИ ТВ ПНВ до объекта наблюдения и обратно. С выхода БРЗ 19 синхроимпульс поступает на первый вход ФСИ 20, который создает стробирующие импульсы напряжения, отпирающего стробирующий вход ЭОП 4. ЭОП 4 усиливает изображение по яркости и преобразует его в видимое. С экрана ЭОП 4 изображение с помощью оптики переноса 6 передается на матрицу ПЗС ТВ камеры 10 ТВ канала 7. ТВ камера 10 преобразует изображение в электрический сигнал, который усиливается в видеоусилителе 11 и передается в ТВ монитор 12, где преобразуется в оптическое изображение, наблюдаемое оператором с экрана ТВ монитора 12. Синхрогенератор 9 обеспечивает кадровую и строчную синхронизацию работы ТВ камеры 10, видеоусилителя 11 и ТВ монитора 12. Для синхронизации ЗГИ 18 блока управления и синхронизации 17 сигнал строчной частоты синхрогенератора 9 поступает в блок 21 деления частоты, который делит частоту строк до уровня, близкого к частоте работы импульсного ИК осветителя 13 и кратного ей.
С помощью лазерного дальномера 22 оперативно измеряется расстояние (дальность) до объекта наблюдения. С информационного выхода лазерного дальномера 22 сигнал, пропорциональный этой дальности, поступает в блок 23 регулировки амплитуды тока накачки. В нем соответственно данному сигналу вырабатывается свой сигнал, поступающий на вход блока накачки 16 импульсного ИК осветителя 13. Благодаря этому амплитуда тока накачки импульсного ИК излучателя 15 оперативно регулировалась и соответственно регулировалась мощность выходного излучения импульсного ИК осветителя 13 в зависимости от дальности, на которой находился объект наблюдения. Это позволяло на ближних дальностях избежать пересветки изображения, а на повышенных дальностях повысить его яркость.
С информационного выхода лазерного дальномера 22 сигнал, пропорциональный дальности до объекта, поступает в блок 24 предварительной установки задержки. В этом блоке данный сигнал преобразуется в задержку, соответствующую дальности до объекта наблюдения. С выхода блока 24 эта задержка поступает на второй вход БРЗ 19 блока управления и синхронизации 17, благодаря чему объект наблюдения сразу оказывается в пределах строба и искать его по глубине в отличие от устройства-прототипа теперь уже не приходилось. Это позволяет значительно сократить время поиска объекта наблюдения и значительно расширяет возможности наблюдения за движущимися объектами.
С информационного выхода лазерного дальномера 22 сигнал, пропорциональный дальности до объекта наблюдения, поступает также в блок 25 регулировки длительности импульса строба. В блоке 25 формируется сигнал, корректирующий длительность импульса строба в зависимости от дальности до объекта. С выхода блока 25 этот сигнал поступает на второй вход ФСИ блока управления и синхронизации 17, где и устанавливается нужная длительность импульса строба. Благодаря этому длительность импульса строба оперативно регулировалась в соответствии с дальностью до объекта наблюдения. На повышенных дальностях действия это приводило к отсечению избыточного объема излучения обратного рассеяния и фона, что повышало контраст изображения и соответственно его качество.
Таким образом, предложенное построение АИ ТВ ПНВ позволяет всесторонне повысить качество наблюдаемого изображения во всем рабочем диапазоне устройства и значительно повысить его эксплуатационные возможности за счет:
- обеспечения регулировки длительности импульса строба в зависимости от дальности до объекта наблюдения;
- исключения необходимости поиска объекта путем регулировки задержки оператором.
Был разработан макет предлагаемого АИ ТВ ПНВ и проведены его успешные испытания.
Для изготовления макета использовались:
- в качестве объектива блока наблюдения - линзовый объектив с фокусным расстоянием 131 мм, относительным отверстием 1:1 и углом зрения 4,1°;
- в качестве сменного фильтра известный отсекающий фильтр на основе теллурида кадмия, легированного цинком;
- ЭОП модели ЭПМ53Г, ОАО «Катод»;
- оптика переноса выполнена по известным оптическим схемам с использованием известных оптических элементов (см., например, журнал «Специальная техника», 2005 г., №3, с. 6-11);
- для построения ТВ канала использовались ТВ камера модели WAT904 фирмы Watec, видеоусилитель - UTS IRON LOGIC, ТВ монитор модели МДЦ 066 СКБ «Диполь», Республика Беларусь или ТВ монитор модели Led DC-14В;
- при построении импульсного ИК осветителя в качестве импульсного ИК излучателя использовался импульсный лазерный полупроводниковый излучатель модели Л13 фирмы «Инжект», в качестве объектива формирования выходного излучения линзовый объектив «Лазофор-2» с фокусным расстоянием 115 мм, относительным отверстием 1:1,25 и углом подсвета 1°48';
- блок накачки импульсного ИК осветителя, а также блок управления и синхронизации строились по известным схемам (см., например, журнал «Прикладная физика», 2007 г., №5, с. 127-130);
- для построения блока деления частоты использовалась схема по пат. РФ №2189694, опубл. 2002 г.;
- для построения блока предварительной установки задержки - схема по пат. РФ №2118847, опубл. 1998 г.;
- построение блока регулировки амплитуды тока накачки и блока регулировки длительности импульса строба проводилось по широко известным схемам (см. www/technomag/edu/doc/373951/html);
- в качестве лазерного дальномера использовалась модель ЛДМ7 ОАО НИИ «Полюс».
Проведенные испытания показали, что в предлагаемом устройстве достигается всестороннее повышение качества изображения наблюдаемого объекта во всем рабочем диапазоне дальностей. Кроме того, более чем на порядок по сравнению с прототипом уменьшается время появления на экране монитора объекта наблюдения, что значительно расширяет возможности наблюдения не только за стационарными, но и за движущимися объектами.
Источники информации
1. Гейхман И.Л., Волков В.Г. Основы улучшения видимости в сложных условиях, М., ООО «Недра - Бизнесцентр», 1999 г., с. 14, рис. 1.
2. Гейхман И.Л., Волков В.Г. Основы улучшения видимости в сложных условиях. М., ООО «Недра-Бизнесцентр» 1999 г., с. 61, рис. 26 (прототип).