Активно-импульсный телевизионный прибор ночного видения со стробоскопом

Предлагаемая полезная модель относится к технике оптико-электронных приборов наблюдения, в частности, к приборам ночного видения.
Известно оптико-электронное устройство-стробоскоп (см. Светодиодный стробоскоп РСЕ LES-200.www.setrix.ru). Он состоит из блока регулировки частоты, подключенного через импульсный блок питания к строб-вспышке, на которую сфокусирован объектив формирования ее излучения. Второй выход блока регулировки частоты подключен к индикатору скорости. Частота в блоке регулировки частоты плавно регулируется с помощью рукоятки управления. Сигнал с выхода регулятора частоты поступает в импульсный блок питания, который обеспечивает импульсное питание строб-вспышки. Она формирует мощные импульсы-вспышки, которыми подсвечивается подвижный объект (например, движущаяся автомашина). Наблюдая этот объект, оператор, работая рукояткой управления регулировки частоты, добивается такого положения, при котором объект наблюдения воспринимается как неподвижный. Это и будет частота, соответствующая скорости движения объекта. При этом на индикаторе скорости высвечивается ее значение, оцифрованное в единицах скорости. Данное устройство сравнительно легкое и компактное, но не обеспечивает работу при пониженном уровне освещенности (сумерки, ночь).
Известен наиболее близкий аналог предлагаемой полезной модели, принятый за прототип АИ телевизионный прибор ночного видения (АИ ТВ ПНВ) (см. Волков В.Г., Гиндин П.Д. Техническое зрение. Инновации. М., Техносфера, 2014 г., 840.с., с. 19, рис. 1.1.6.). Он включает импульсный лазерный осветитель, состоящий из блока накачки, импульсного лазерного полупроводникового излучателя (ИЛПИ) и объектива формирования излучения, сфокусированного на ИЛПИ. К ИЛПИ подключен выход блока накачки. АИ ТВ ПНВ содержит также блок стробирования, содержащий задающий генератор импульсов, первый выход которого подключен к входу блока накачки, а второй выход через блок регулируемой задержки подключен к формирователю стробирующих импульсов (ФСИ). АИ ТВ ПНВ включает блок наблюдения, состоящий из последовательно установленных на оптической оси объектива, узкополосного фильтра, электронно-оптического преобразователя с микроканальной пластиной, к которой подключен выход ФСИ, оптики переноса, первый линзовый компонент которой сфокусирован на экран ЭОП, а второй ее линзовый компонент - на матрицу прибора с зарядовой связью (ПЗС) телевизионной (ТВ) камеры, подключенной к ТВ монитору. Данное устройство за счет вывода изображения на экран ТВ монитора позволяет снизить утомляемость оператора, а также обеспечить возможность цифровой обработки изображении в реальном масштабе времени, дублирования изображения для двух или нескольких операторов. АИ ТВ ПНВ обеспечивает работу оператора при пониженном уровне освещенности - в сумерках и ночью как при нормальной, так и при пониженной прозрачности атмосферы в присутствии в поле зрения световых помех, а также точное измерение дальности до объекта наблюдения. Однако недостатком устройства является невозможность измерения скорости наблюдаемых подвижных объектов, невозможность ввода значения измеренной дальности до объекта в поле зрения АИ ТВ ПНВ, а также небольшая дальность обнаружения и распознавания объекта.
Задачей предлагаемой полезной модели является обеспечение измерения скорости подвижных наблюдаемых объектов, с возможностью ввода значения измеренной дальности в поле зрения прибора и повышения дальности обнаружения и распознавания объектов наблюдения в ночных условиях.
Указанный технический результат достигается за счет того, что, благодаря введенному в АИ ТВ ПНВ блоку стробоскопа, устройство обеспечивает измерение скорости до подвижного объекта наблюдения, ввод значения измерения дальности с помощью цифрового ее измерителя в поле зрения АИ ТВ ПНВ, повышение дальности обнаружения объекта за счет дополнительного введения тепловизионного канала, а также повышение дальности распознавания объекта за счет суммирования импульсов подсвета импульсного лазерного осветителя и блока блок стробоскопа.
Активно-импульсный телевизионный прибор ночного видения, состоящий из импульсного лазерного осветителя, содержащего блок накачки, импульсный лазерный полупроводниковый излучатель, к входу которого подключен блок накачки, и объектив формирования излучения, сфокусированный на излучающую поверхность импульсного лазерного полупроводникового излучателя, блок стробирования, содержащего задающий генератор импульсов, первый выход которого подключен к входу блока накачки, блок регулируемой задержки, вход которого подключен ко второму выходу задающего генератора импульсов и формирователь стробирующих импульсов, к входу которого подключен выход блока регулируемой задержки, блок наблюдения, состоящий из последовательно установленных на оптической оси объектива, узкополосного фильтра, электронно-оптического преобразователя с микроканальной пластиной, оптики переноса, телевизионной камеры, подключенной к телевизионному монитору, причем первый компонент оптики переноса сфокусирован на экран электронно-оптического преобразователя, а второй ее компонент - на матрицу ПЗС телевизионной камеры, выход формирователя стробирующих импульсов подключен к микроканальной пластине электронно-оптического преобразователя, отличающийся тем, что дополнительно содержит блок стробоскопа, содержащий регулятор частоты с рукояткой ее управления, импульсный блок питания, строб-вспышку и объектив формирования излучения строб-вспышки, причем вход регулятора частоты подключен к первому выходу задающего генератора импульсов, первый выход регулятора частоты подключен к входу импульсного блока питания, на изучающую поверхность строб-вспышки сфокусирован объектив формирования излучения строб-вспышки, второй выход регулятора частоты подключен через последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь, цифровой измеритель скорости, цифро-аналоговый преобразователь строб-вспышки к телевизионному монитору, а второй выход блока регулируемой задержки через последовательно соединенные измеритель временных интервалов, цифровой индикатор дальности и цифро-аналоговый преобразователь подключен к телевизионному монитору, а также дополнительно содержит тепловизионный канал, состоящий из инфракрасного объектива и тепловизионного модуля, содержащего микроболометрическую матрицу фотодетекторов и подключенный к ее выходу электронный блок, выход которого подключен к телевизионному монитору, а инфракрасный объектив сфокусирован на микроболометрическую матрицу фотодетекторов.
Блок-схема предлагаемой полезной модели представлена на чертеже фиг. 1. АИ ТВ ПНВ содержит импульсный лазерный осветитель (ИЛО) 1, блок наблюдения (БН) 2, блок стробирования (БС) 3. ИЛО 1 содержит блок накачки 4, импульсный лазерный полупроводниковый излучатель (ИЛПИ) 5 и объектив формирования излучения (ОФИ) 6. Блок накачки 4 подключен к входу ИЛПИ 5, на излучающую поверхность которого сфокусирован ОФИ 6. БН 2 содержит последовательно установленные на оптической оси объектив 7, узкополосный фильтр 8, электронно-оптический преобразователь (ЭОП) 9 с микроканальной пластиной (МКП) 10, оптику переноса 11, первый компонент 12 которой сфокусирован на экран ЭОП 9, а второй компонент 13 - на матрицу ПЗС телевизионной (ТВ) камеры 14, подключенной к ТВ монитору 15. БС 3 содержит задающий генератор импульсов (ЗГИ) 16, первый выход которого подключен ко входу блока накачки 4, блок регулируемой задержки (БРЗ) 17, вход которого подключен ко второму выходу ЗГИ 16 и формирователь стробирующих импульсов (ФСИ) 18, ко входу которого подключен выход БРЗ 17, а выход ФСИ 18 подключен к МКП 10 ЭОП 9. Второй выход БРЗ 17 подключен через последовательно соединенные измеритель временных интервалов (ИВИ) 19, цифровой индикатор дальности (ЦИД) 20 и цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) 21 к ТВ монитору 15. Устройство содержит блок стробоскопа 22. Он в свою очередь содержит регулятор частоты 23 с рукояткой управления частотой 24, импульсный блок питания (ИБП) 25, строб-вспышку 26 и ОФИ строб-вспышки 27. При этом вход регулятора частоты 23 подключен к первому выходу ЗГИ 16, а первый выход регулятора частоты 23 через ИБП 25 подключен к входу строб-вспышки 26, на излучающую поверхность которой сфокусирован ОФИ строб-вспышки 27. Второй выход регулятора частоты 23 подключен через последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 28, цифровой измеритель скорости (ЦИС) 29 и ЦАП строб-вспышки 30 к ТВ монитору 15. Устройство содержит также тепловизионный (ТВП) канал 31. Он состоит из инфракрасного (ИК) объектива 32 и ТВП модуля 33. Последний содержит микроболометрическую матрицу (МБМ) фотодетекторов 34 и электронный блок 35, выход которого подключен к ТВ монитору 15. ИК объектив 32 сфокусирован на МБМ фотодетекторов 34, выход которой подключен к электронному блоку 35.
Устройство работает следующим образом. При функционировании в сумерках и ночью АИ ТВ ПНВ работает в пассивном режиме. При этом излучение, определяемое уровнем естественной ночной освещенности (ЕНО), источником которой является излучение звезд и Луны, отражается от объекта наблюдения, окружающего его фона и приходит в БН 2. При этом узкополосный фильтр 8 выведен из хода лучей. ИЛО 1, БС 3 и блок стробоскопа 22 и ТВП модуль 33 отключены. Объектив 7 создает изображение объекта и фона на фотокатоде ЭОП 9. Тот преобразует изображение в видимое и усиливает его по яркости с помощью МКП 10. Фотокатод ЭОП 9 работает в области спектра 0,4-0,9 мкм. Изображение с экрана ЭОП 9 с помощью оптики переноса 11 - ее первого 12 и второго 13 компонентов переносится на матрицу ПЗС ТВ камеры 14. Видеосигнал с ее выхода передается в ТВ монитор 15. С его экрана оператор наблюдает широкопольное изображение (например, в угле поля зрения 8°), осуществляя поиск и обнаружение объекта наблюдения. При недостаточно высоком уровне ЕНО и снижении прозрачности атмосферы, связанной с появлением дымки, тумана, дождя, снегопада и др. дальность обнаружения объекта при работе БН 2 в пассивном режиме падает. Для повышения дальности обнаружения объекта в этих условиях служит ТВП канал 31, в котором включается ТВП модуль 33. При этом собственное тепловое излучение объекта и фона приходит в ИК объектив 32. Он создает тепловое изображение объекта и фона на МБМ фото детекторов 34 ТВП модуля 33. МБМ фото детекторов 34 работает в области спектра 8-12 мкм. МБМ фотодетекторов 34 преобразует тепловое изображение в электрический сигнал, который поступает в электронный блок 35. В нем происходит усиление сигнала и его цифровая обработка в реальном масштабе времени. В электронном блоке 35 происходит формирование видеосигнала, который с выхода электронного блока 35 передается в ТВ монитор 15. С его экрана оператор наблюдает изображение в широком угле поля зрения (например, 6×3° или 8×4°), осуществляя поиск и обнаружение объекта на повышенной дальности. После обнаружения объекта АИ ТВ ПНВ переводится в активно-импульсный (АИ) режим работы. При этом ТВП канал 31 отключен, а включаются ИЛО 1, БС 3 и блок стробоскопа 22. Узкополосный фильтр 8 вводится в ход лучей. С первого выхода ЗГИ 16 подаются синхроимпульсы на вход блока накачки 4 и на вход регулятора частоты 23. Блок накачки 4 выдает на выходе соответствующие синхроимпульсам импульсы тока накачки. Они возбуждают ИЛПИ 5. Тот генерирует импульсы излучения на длине волны 0,85 мкм. Они коллимируются с помощью ОФИ 6 и направляются на объект наблюдения, подсвечивая его. Одновременно регулятор частоты 23 создает на своем выходе запускающие импульсы, подавая их в ИБП 25. Тот создает на своем выходе импульсы электрического питания, которые подаются в строб-вспышку 26. Она генерирует импульсы излучения на длинах волн 0,63 мкм и 0,85 мкм. ОФИ строб-впышки 27 коллимирует это излучение и направляет его на объект наблюдения, подсвечивая его. Таким образом, импульсы подсвета от ИЛО 1 и от блока стробоскопа 22 складываются. Это приводит, в конечном счете, к возрастанию дальности распознавания объекта при работе АИ ТВ ПНВ в АИ режиме. Импульсы излучения, отраженные от объекта, приходят в БН 2. Его объектив 7 создает импульсное изображение объекта на фотокатоде ЭОП 9. При этом узкополосный фильтр 8 пропускает излучение на длинах волн 0,63 мкм и 0,85 мкм. Полоса пропускания фильтра на этих длинах волн равна полосе излучения ИЛПИ 5 и строб-вспышки 26 соответственно. Фильтр 8 осуществляет селекцию объекта на фоне световых помех. Одновременно с выдачей сигналов с первого выхода ЗГИ 16 со второго его выхода подаются синхроимпульсы на вход БРЗ 17. В нем осуществляется плавная регулировка задержки импульсов со второго выхода ЗГИ 16 по отношению к синхроимпульсам с первого выхода ЗГИ 16. Синхроимпульсы с выхода БРЗ 17 поступают в ФСИ 18. До прихода импульсов излучения на фотокатод ЭОП 9 ФСИ 18 создает на МКП 10 запирающее ее напряжение постоянного смещения. Однако в момент прихода импульса излучения на фотокатод ЭОП 9 ФСИ 18 подает на МКП 10 отпирающие импульсы напряжения с полярностью, противоположной по знаку полярности напряжения постоянного смещения и равной ему по амплитуде. Благодаря этому МКП 10, выполняющая роль электронного затвора, отпирается на время длительности импульса строба, равное или несколько превышающее длительность импульса излучения подсвета. При этом ЭОП 9 преобразует изображение в видимое и с помощью МКП 10 усиливает его по яркости. Далее изображение с экрана ЭОП 9 с помощью оптики переноса 11 (ее первого 12 и второго 13 компонентов) передается на матрицу ПЗС ТВ камеры 14. Видеосигнал с ее выхода передается в ТВ монитор 15. С его экрана оператор наблюдает изображение в узком угле поля зрения (например, 40'×20') и распознает его. Как уже говорилось, для обеспечения синхронной работы ИЛО 1 и блока стробоскопа 22 в БРЗ 17 осуществляется плавная регулировка задержки. Как только она окажется равной времени прохождения импульсом излучения подсвета расстояния от АИ ТВ ПНВ до объекта и обратно, оператор увидит изображение объекта. Поскольку задержка соответствует дальности до объекта, то ее можно использовать для измерения этой дальности. Для этого сигнал задержки со второго выхода БРЗ 17 передается в ИВИ 19, который преобразует аналоговый сигнал задержки в последовательность цифровых импульсов, осуществляя их подсчет и передачу ЦИД 20. Сигнал с его выхода передается в ЦАП 21. Он преобразует цифровой сигнал в аналоговый, который поступает в ТВ монитор 15. С его экрана оператор считывает значение дальности до объекта. Для осуществления измерения скорости движения объекта и для ослепления противника используется блок стробоскопа 22. В его регуляторе частоты 23 плавно регулируется частота с помощью рукоятки 24. Наблюдая изображение объекта с экрана ТВ монитора 15, оператор плавно регулирует частоту в регуляторе частоты 23 до тех пор, пока изображение становится неподвижным. Это и будет частота, соответствующая скорости движения объекта. Для ее измерения указанная частота со второго выхода регулятора частоты 23 передается в АЦП 28, где преобразуется в цифровую форму. Сигнал с выхода АЦП 28 поступает в ЦИС 29, где измеряется скорость. Сигнал с выхода ЦИС 29 передается в ЦАП блока стробоскопа 30, где преобразуется в аналоговую форму. С выхода ЦАП стробоскопа 30 сигнал передается в ТВ монитор 15, с экрана которого оператор считывает значение скорости. При работе в дневных условиях оператор видит подсвечиваемый объект благодаря работе строб-вспышки 26 на длине волны 0,63 мкм. При работе строб-вспышки на низкой частоте (порядка 5 Гц) блок стробоскопа 22 используется для ослепления противника и оказания на него сильного психологического воздействия. В настоящее время разработана принципиальная схема устройства и осуществлено его макетирование.
Таким образом, благодаря введенному в АИ ТВ ПНВ блоку стробоскопа, устройство обеспечивает измерение скорости до подвижного объекта наблюдения, ввод значения измерения дальности с помощью цифрового ее измерителя в поле зрения АИ ТВ ПНВ, повышение дальности обнаружения объекта за счет дополнительного введения тепловизионного канала, а также повышение дальности распознавания объекта за счет суммирования импульсов подсвета импульсного лазерного осветителя и блока строб-вспышки.