Активно-импульсный телевизионный прибор ночного видения для подводного наблюдения

Предлагаемая полезная модель относится к технике оптико-электронных приборов обнаружения и наблюдения объектов, в частности, к активно-импульсным телевизионным приборам ночного видения (АИ ТВ ПНВ) для подводного наблюдения.
Известен принятый за аналог гидролокатор, предназначенный для обнаружения подводных объектов (см. Принцип действия гидролокатора, life-prog.ru.view_php.id=266, 2018 г.). В состав гидролокатора входит акустическая антенна с замкнутой оболочкой из прозрачного для звука материала, коммутатор, который поочередно подключает к антенне генератор или приемник-усилитель акустических сигналов. Он соединен с селектором импульсов, выход которого подключен к микропроцессору. Его выходы подключены к индикатору и интерфейсному блоку. Микропроцессор автоматически управляет работой гидролокатора. Он подает на генератор сигнал о начале зондирования водного пространства и команды о параметрах этого зондирования (частота ультразвука, продолжительность, структура и мощность ультразвукового импульсов, периодичность их повторения и др.). Затем микропроцессор передает сигнал на коммутатор, который пропускает электрические сигналы от генератора к антенне. Там они с помощью пьезоэлектрического осциллятора превращаются в мощные акустические колебания и излучаются антенной в водное пространство. Сразу же после посылки мощного акустического зондирующего импульса микропроцессор переключает коммутатор на прием. При этом акустические сигналы, которые возвращаются к антенне от имеющихся в воде объектов, поступают на приемник, усиливаются и передаются в селектор. Он выделяет из них лишь информационные полезные составляющие, которые и передает на микропроцессор. Он обрабатывает собранную информацию и формирует на индикаторе для пользователя картину, которая воссоздает акустическую обстановку в водной среде. Через интерфейсный блок микропроцессор может передавать некоторую важную информацию и получать дополнительную информацию от них, также отображается на индикаторе (температура воды, атмосферное давление, направление и сила ветра и др.). Для вращения антенны по азимуту на 360° используется серводвигатель, управляемый от микропроцессора. Достоинством гидролокатора является его способность обеспечить поиск и обнаружение подводных объектов в широком угле обзора (по азимуту 360°, по углу места цели 60°). Недостатком гидролокатора является его неспособность распознавать обнаруженные объекты.
Известен принятый за прототип АИ ТВ ПНВ (см. Волков В.Г., Гиндин П.Д. Техническое зрение. Инновации. М.: Техносфера, 2014, 840 с, с. 19, рис. 1.1.6). Он состоит из импульсного лазерного осветителя (ИЛО), блока стробирования (БС) и блока наблюдения (БН). При этом ИЛО выполнен на основе твердотельного лазера и содержит активную среду, эллиптический отражатель, стержневую лампу накачки, подключенную к ее блоку питания. Активная среда находится в одном фокусе эллиптического зеркального отражателя, а в другом его фокусе установлена трубчатая лампа накачки. Задний торец активной среды оптически сопряжен с непрозрачным зеркалом резонатора, а передний ее торец - с полупрозрачным зеркалом резонатора. На его выходе последовательно установлены на оптической оси модулятор добротности, подключенный к его блоку питания, нелинейный преобразователь частоты и обращенная телескопическая система Галилея. Периферическая часть удвоителя частоты оптически сопряжена через прямоугольную призму и промежуточный объектив с фотоприемным устройством (ФПУ). БС состоит из последовательно соединенных задающего генератора импульсов (ЗГИ), блока регулируемой задержки (БРЗ) и формирователя стробирующих импульсов (ФСИ). Ко входу ЗГИ подключен выход ФПУ. БН состоит из последовательно установленных на оптической оси объектива, узкополосного фильтра, электронно-оптического преобразователя (ЭОП) с микроканальной пластиной (МКП), к которой подключен выход ФСИ, оптики переноса, первый компонент которой сфокусирован на экран ЭОП, а второй выход - на матрицу приборов с зарядовой связью (ПЗС) телевизионной (ТВ) камеры, подключенной к ТВ монитору. Принцип действия АИ ТВ ПНВ основан на импульсном подсвете объекта наблюдения излучением ИЛО и синхронизированным с ним импульсным управлением (стробированием) МКП ЭОП. АИ ТВ ПНВ позволяет распознавать объекты под водой как при нормальной, так и при пониженной прозрачности водной среды. Однако АИ ТВ ПНВ не допускают поиск и обнаружение объекта из-за узости луча подсвета, а также из-за необходимости, кроме поиска по фронту, еще и осуществлять одновременно поиск узким стробом по глубине. Это приводит к недопустимым затратам времени на поиск и обнаружение объекта.
Задачей предлагаемой полезной модели является сокращение времени поиска при наблюдении подводных объектов.
Указанная задача решается тем, что устройство содержит активно-импульсный телевизионный прибор ночного видения, состоящий из импульсного лазерного осветителя, блока стробирования и блока наблюдения, при этом импульсный лазерный осветитель, выполненный на основе твердотельного лазера, содержит активную среду, эллиптический зеркальный отражатель, трубчатую лампу накачки, подключенную к ее блоку питания, активная среда находится в одном фокусе эллиптического зеркального отражателя, а в другом его фокусе установлена трубчатая лампа накачки, задний торец активной среды оптически сопряжен с непрозрачным зеркалом резонатора, а передний ее торец - с полупрозрачным зеркалом резонатора, на выходе которого последовательно установлены на оптической оси модулятор добротности, подключенный к его блоку питания, нелинейный удвоитель частоты, обращенная телескопическая система Галилея, передняя часть нелинейного удвоителя частоты оптически сопряжена через прямоугольную призму и промежуточный объектив с фотоприемным устройством, блок стробирования состоит из последовательно соединенных задающего генератора импульсов, блока регулируемой задержки и формирователя стробирующих импульсов, ко входу задающего генератора импульсов подключен выход фотоприемного устройства, блок наблюдения состоит из последовательно установленных на оптической оси объектива, узкополосного фильтра, электронно-оптического преобразователя с микроканальной пластиной, к которой подключен выход формирователя стробирующих импульсов, оптики переноса, первый компонент которой сфокусирован на экран электронно-оптического преобразователя, а второй компонент - на матрицу ПЗС телевизионной камеры, отличающийся тем, что дополнительно содержит канал гидролокатора, состоящего из антенны с защитной оболочкой, коммутатора с возможностью поочередного подключения к антенне генератора или приемника-усилителя, который соединен с селектором импульсов, его выход подключен к первому входу микропроцессора, ко второму входу которого подключен выход телевизионной камеры, первый выход микропроцессора через генератор подключен к первому входу коммутатора, ко второму входу которого подключен второй выход микропроцессора, третий выход которого подключен к телевизионному монитору, четвертый выход микропроцессора подключен ко второму входу серводвигателя, кинематически связанного с антенной и с активно-импульсным телевизионным прибором ночного видения, пятый выход микропроцессора подключен к интерфейсному блоку, шестой выход микропроцессора подключен ко входам блока питания трубчатой лампы и блока питания модулятора добротности, седьмой выход микропроцессора подключен через дополнительно введенный блок управления задержкой ко второму входу блока регулируемой задержки.
В предлагаемом устройстве по сравнению с прототипом резко сокращается время поиска объекта наблюдения благодаря обеспечению поиска с помощью канала гидролокатора и предварительного ввода задержки в активно-импульсный телевизионный прибор ночного видения.
Блок-схема предлагаемого устройства представлена на чертеже фиг. 1. Устройство содержит канал гидролокатора 1 и активно-импульсный телевизионный прибор ночного видения (АИ ТВ ПНВ) 2. Он содержит импульсный лазерный осветитель (ИЛО) 3, блок стробирования (БС) 4 и блок наблюдения (БН) 5. Канал гидролокатора 1 состоит из антенны 6 с защитной оболочкой 7, коммутатора 8 с возможностью поочередного подключения к антенне 6 генератора 9 или приемника-усилителя 10, который соединен с селектором импульсов 11. Его выход подключен к первому входу микропроцессора 12, первый выход которого через генератор 9 подключен к первому входу коммутатора 8, ко второму входу которого подключен второй выход микропроцессора 12. Его третий выход подключен к ТВ монитору 13. К первому входу серводвигателя 14 подключен выход коммутатора 8, а ко второму входу серводвигателя 14 - четвертый выход микропроцессора 12. Его пятый выход подключен к интерфейсному блоку 15. Ко входам блока питания 19 трубчатой лампы накачки 18 и блока питания модулятора добротности 23 подключен шестой выход микропроцессора 12. Серводвигатель 14 кинематически связан с антенной бис корпусом АИ ТВ ПНВ 2. ИЛО 3, выполненный на основе твердотельного лазера, содержит активную среду 16, эллиптический зеркальный отражатель 17, трубчатую лампу накачки 18, подключенную к ее блоку питания 19. Активная среда 16 находится в одном фокусе эллиптического зеркального отражателя 17, а в другом его фокусе установлена трубчатая лампа накачки 18. Задний торец активной среды 16 оптически сопряжен с непрозрачным зеркалом резонатора 20, а передний ее торец - с полупрозрачным зеркалом резонатора 21. На его выходе последовательно установлены на оптической оси модулятор добротности 22, подключенный к его блоку питания 23, нелинейный удвоитель частоты 24 и обращенная телескопическая система Галилея 25. Периферическая часть нелинейного удвоителя частоты 24 оптически сопряжена через прямоугольную призму 26 и промежуточный объектив 27 с фотоприемным устройством (ФПУ) 28. БС 4 состоит из последовательно соединенных задающего генератора импульсов (ЗГИ) 29, блока регулируемой задержки (БРЗ) 30 и формирователя стробирующих импульсов (ФСИ) 31. Ко входу ЗГИ 29 подключен выход ФПУ 28. Ко второму входу БРЗ 30 подключен выход блока управления задержкой 32. К его входу подключен седьмой выход микропроцессора 12. БН 5 состоит из последовательно установленных на оптической оси объектива 33, узкополосного фильтра 34, электронно-оптического преобразователя (ЭОП) 35 с микроканальной пластиной (МКП) 36, к которой подключен выход ФСИ 31, оптики переноса 37, первый компонент которой 38 сфокусирован на экран ЭОП 35, а второй компонент 39 - на матрицу приборов с зарядовой связью (ПЗС) ТВ камеры 40. Она подключена ко второму входу микропроцессора 12.
ИЛО 3 излучает на длине волны 0,53 мкм, ФПУ 28 работает в области спектра 0,4-1,1 мкм, узкополосный фильтр 34 пропускает на длине волны 0,53 мкм. Его полоса пропускания равна спектральной полосе излучения ИЛО 3. Фотокатод ЭОП 35 работает в области спектра 0,4-0,9 мкм.
3+
Устройство работает следующим образом. Канал гидролокатора 1 осуществляет поиск и обнаружения объектов наблюдения. Работой канала гидролокатора 1 автоматически управляет микропроцессор 12. Он подает на генератор 9 сигнал о начале зондирования водного пространства и команды о параметрах этого зондирования (частота ультразвука, продолжительность, структура, мощность ультразвуковых импульсов, последовательность их повторения и др.). Затем микропроцессор 12 подает сигнал на коммутатор 8. Он пропускает электрические колебания от генератора 9 к антенне 6. Там они с помощью пьезоэлектрического осциллятора превращаются в мощные акустические колебания и излучаются антенной 6 через ее защитную оболочку 7 в водное пространство. Сразу же после посылки мощного гидроакустического зондирующего сигнала микропроцессор 12 переключает коммутатор 8 на прием. При этом акустические сигналы, которые возвратились к антенне 6 от имеющихся в воде объектов, поступают на приемник 10, усиливаются и передаются в селектор 11. Он выделяет из них лишь информационно-полезные составляющие, которые и передает на микропроцессор 12. Он обрабатывает собранную информацию и формирует на экране ТВ монитора 13 для оператора картину, которая воссоздает окружающую обстановку в водной среде. Через интерфейсный блок 15 микропроцессор 12 может передавать некоторую важную информацию другим приборам и получать дополнительную информацию от них, также отображая ее на экране ТВ монитора 13 (температура воды, атмосферное давление, направление и сила ветра и др.). Для вращения антенны 6 по азимуту на 360° используется серводвигатель 14, кинематически связанный с антенной бис АИ ТВ ПНВ 2 и управляемый от микропроцессора 12. После обнаружения подводного объекта с помощью канала гидролокатора 1 измеряется дальность до объекта по времени распространения зондирующего акустического сигнала от прибора до объекта и обратно. В процессе сканирования антенны 6 серводвигатель 14 за счет его кинематической связи с АИ ТВ ПНВ 2 обеспечивает сканирование АИ ТВ ПНВ 2 синхронно со сканированием антенны 6. Как только с ее помощью будет обнаружен объект, эта связь позволяет тут же ввести изображение объекта в пределы узкого угла поля зрения АИ ТВ ПНВ 2, который обеспечивает распознавание объекта. Происходит это следующим образом. После обнаружения объекта с помощью канала гидролокатора 1 микропроцессор 12 включает АИ ТВ ПНВ 2 - его основные блоки: ИЛО 3 (блок питания 19 трубчатой лампы накачки 18 и блок питания 23 модулятора добротности 22), БС 4, БН 5. Активная среда 16 выполнена на основе стержня кристалла АИГ: Nd. Электрический сигнал с выхода блока питания 19 трубчатой лампы накачки 18 возбуждает эту лампу 18, заставляя ее генерировать импульсы излучения. Так как лампа 18 находится в одном из фокусов эллиптического зеркального отражателя 17, то он отражается от зеркальной поверхности отражателя 17 и концентрируется в другом его фокусе, в котором установлена активная среда 16, накачивая ее. Активная среда 16 генерирует когерентное лазерное излучение на длине волны 1,06 мкм. Это излучение усиливается в резонаторе, образованном непрозрачным зеркалом 20 и полупрозрачным зеркалом 21, выходит за его пределы и поступает в модулятор добротности 22. Под действием своего блока питания 23 модулятор добротности 22 обеспечивает режим модуляции добротности (Q-модуляции). В результате этого генерируются мощные и короткие импульсы лазерного излучения с мощностью в импульсе, например, до 10 МВт при длительности импульса излучения 30 не и при частоте 50 Гц. Излучение импульсного твердотельного лазера, образованного блоками 16-23, поступает в нелинейный удвоитель частоты 24, выполненный, например, на основе ниобата лития. Удвоитель 24 преобразует излучение на длине волны 1,06 мкм в излучение на длине волны 0,53 мкм, которое хорошо распространяется в водной среде. Обращенная телескопическая система Галилея 25 коллимирует импульсы излучения и направляет их на объект наблюдения. Импульсы излучения, отраженные от объекта, приходят в БН 5. Его объектив 33 воспринимает это излучение, которое проходит через узкополосный фильтр 34. Фильтр 34 служит для обеспечения спектральной селекции объекта наблюдения на фоне световых помех, пропуская только излучение подсвета. Объектив 33 формирует изображение объекта на фотокатоде ЭОП 35. Его МКП 36 в данном случае выполняет роль быстродействующего электронного затвора. До прихода импульса излучения на фотокатод ЭОП 35 его МКП 36 заперта напряжением постоянного смещения с выхода ФСИ 31. При этом ЭОП 35 заперт и не пропускает сигналов. В момент прихода на фотокатод ЭОП 35 импульса излучения, отраженного от объекта, МКП 36 отпирается на время, равное или несколько превышающее длительность этого импульса за счет подачи отпирающего импульса напряжения с выхода ФСИ 31. При этом полярность отпирающего напряжения обратна полярности запирающего напряжения, а амплитуды этих напряжений равны. Так формируется длительность отпирающего МКП 36 импульса (длительность строба). Для обеспечения указанной синхронизации работы ИЛО 3 и БН 5 используется прямоугольная призма 26, которая отводит небольшую долю импульса излучения подсвета на промежуточный объектив 27, который концентрирует это излучение на фоточувствительной площадке ФПУ 28. Оно преобразует импульсы излучения в электрические импульсы. Они поступают в БС 4 на вход ЗГИ 29, работающего в ждущем режиме. ЗГИ 29 формирует синхроимпульсы, которые задерживаются в БРЗ 30 на время, равное прохождению импульсом излучения расстояния от прибора до объекта наблюдения и обратно. С выхода БРЗ 30 синхроимпульсы возбуждают ФСИ 31. Он создает стробирующие импульсы напряжения, отпирающие МКП 36 ЭОП 35. Тот преобразует изображение в видимое и усиливает его по яркости с помощью МКП 36. Изображение с экрана ЭОП 35 с помощью первого 38 и второго 39 компонентов оптики переноса 37 передается на матрицу ПЗС ТВ камеры 40. Она преобразует изображение в видеосигнал, который поступает в микропроцессор 12. Он передает его в ТВ монитор 13, с экрана которого оператор наблюдает изображение и распознает его. Чтобы объект при включении АИ ТВ ПНВ 2 сразу же оказался в пределах узкой полосы просматриваемого по глубине пространства, определяемого длительностью строба, сигнал о значении дальности до объекта с выхода микропроцессора 12 поступает в блок управления задержкой 32. Он преобразует значение сигнала дальности в соответствующее значение задержки, которое сразу же вводится во второй вход БРЗ 30. Таким образом, в нем сразу же формируется нужная задержка, и объект оказывается в пределах глубины просматриваемого пространства. Таким образом, данное устройство обеспечивает надежный поиск, обнаружение и распознавание объекта наблюдения.
В настоящее время разработана принципиальная схема устройства и выполнено его макетирование.
В предлагаемом устройстве по сравнению с прототипом резко сокращается время поиска объекта наблюдения благодаря обеспечению поиска с помощью канала гидролокатора и предварительного ввода задержки в активно-импульсный телевизионный прибор ночного видения.