Способ увеличения дальности действия систем ночного видения и устройства для его реализации
METHOD FOR INCREASING RANGE OF NIGHT VISION SYSTEMS, AND DEVICES FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к технике ночного видения, а более конкретно к способу увеличения дальности действия систем ночного видения (СНВ), к способу увеличения коэффициента преобразования электронно-оптического преобразователя (ЭОП), к способу оптимизации формирования напряжений схемой электропитания, а также к СНВ, ЭОП и схеме электропитания, реализующих предлагаемый способ.
ЭОП в основном используются в приборах ночного видения, детекторах фотонов, в приборах для научных исследований, медицине, ядерных исследованиях, в астрономии, астрофизике и других областях знаний. Наибольшее распространение ЭОП получили в СНВ, поэтому рассмотрение предлагаемого изобретения будет рассмотрено применительно к использованию ЭОП в СНВ.
-5
5
-6
4
4
-4
Приборы ночного видения применяются для работы в условиях недостаточной естественной освещенности. Например, при работе на местности в темное время суток, работе в пещерах, подвалах и т.д. При проведении данных работ освещенность местности может изменяться в очень широких пределах, например, от 1×10лк до 1×10 лк. Освещенность фотокатода при этом обычно бывает на порядок меньше и может составлять от 1×10 лк до 1×10 лк. Высокая освещенность может иметь место в условиях ночного города, когда в поле зрения СНВ могут попасть фонари уличного освещения, фары автомобилей, ярко освещенные окна и другие высокоинтенсивные источники света. Низкая освещенность может иметь место при работе на открытой местности при отсутствии луны и звезд, при работе в пещерах или подвалах. Для удобства наблюдения желательно иметь оптимальную яркость приемника изображения ЭОП, например, люминесцентного экрана, при всех вышеуказанных значениях освещенности. Реально оптимальную яркость экрана ЭОП можно получить, примерно, в диапазоне освещенностей фотокатода от 1×10 лк до 2×10лк, а при дальнейшем уменьшении освещенности фотокатода яркость экрана также уменьшается. Данная зависимость обеспечивается схемой автоматической регулировки яркости (АРЯ), входящей в состав источника питания ЭОП.
В настоящее время используется способ подачи питающих напряжений на ЭОП, при котором на фотокатод подается импульсное напряжение. В первых работах по подаче импульсных напряжений на ЭОП (патенты США №4882481 от 21.11.1989 г. и №5146077 от 08.09.1992 г.) излагались лишь общие принципы подачи импульсных напряжений на фотокатод ЭОП. В них предлагалась поочередная подача положительных и отрицательных импульсов напряжения на фотокатод ЭОП и изменение длительности импульсов в зависимости от величины тока экрана или МКП, т.е. от величины освещенности фотокатода. При подаче на фотокатод отрицательного импульса напряжения ЭОП находится в рабочем состоянии и это соответствует рабочему циклу, при подаче на фотокатод положительного импульса напряжения фотоэлектроны, эмитируемые фотокатодом, попадают в тормозящее поле и возвращаются на фотокатод, что соответствует нерабочему циклу. Сумма длительностей рабочего и нерабочего циклов соответствует полной длительности цикла и определяется задающим генератором. При увеличении освещенности уменьшается длительность рабочего импульса и соответственно увеличивается длительность нерабочего импульса, за счет чего обеспечивается формирование изображения с автоматической регулировкой яркости экрана ЭОП при изменении освещенности. Далее были опубликованы работы с использованием вышеописанного способа подачи питающих напряжений (патенты США №5883381 от 16.03.1999 г., №5949063 от 07.09.1999 г., №6087649 от 11.07.2000 г., №6279494 от 02.10.2001 г., №6320180 от 20.11.2001 г.), которые уже могли быть использованы на практике. Во всех вышеперечисленных патентах для обеспечения работоспособности приборов в более широком диапазоне освещенностей введен "последовательный элемент", включенный между выходом умножителя МКП и самой МКП. Данный "последовательный элемент" представляет собой достаточно сложную схему управления высоковольтным MOSFET транзистором, на котором падает часть напряжения, вырабатываемого умножителем МКП, и соответственно уменьшается напряжение на самой МКП при высоких освещенностях. Этот способ подачи импульсного напряжений на фотокатод обеспечивает более высокое качество изображения в условиях высокой освещенности фотокатода, но не позволяет увеличить коэффициент преобразования ЭОП и, следовательно, увеличить дальность действия СНВ.
В 2009 г. опубликован патент РФ2346353c1, (аналог) в котором предложен способ подачи импульсного напряжения не только на фотокатод, но и синхронно на микроканальную пластину (МКП). В ЭОП именно МКП определяет величину коэффициента преобразования, и увеличение напряжения на МКП соответственно увеличивает величину коэффициента преобразования (усиления) ЭОП. Задачей этого способа является снижение потребляемой мощности без ухудшения качества изображения за счет одновременной подачи импульсных напряжений на фотокатод и МКП и создание источника питания для ЭОП, реализующего предлагаемый способ. Сущность изобретения заключается в импульсном изменении напряжения на микроканальной пластине в зависимости от тока экрана или микроканальной пластины и синхронно с изменением импульсного напряжения на фотокатоде, при этом во время рабочего цикла, то есть при подаче на фотокатод отрицательного импульса напряжения, микроканальную пластину с ее умножителем напряжения подключают к источнику питания, а при подаче на фотокатод положительного импульса напряжения микроканальную пластину с ее умножителем напряжения отключают от источника питания, причем подключение и отключение микроканальной пластины с ее умножителем напряжения от источника питания производят с использованием коммутатора микроканальной пластины и усилителя обратной связи коммутатора микроканальной пластины. В соответствии с данным способом патентуется и источник питания ЭОП в соответствии с выполненной задачей по снижению по снижению потребляемой мощности. Недостаток данного способа заключается в отсутствии оптимизации схемы электропитания ЭОП, что не позволяет увеличить коэффициент преобразования ЭОП и, следовательно, увеличить дальность действия СНВ, а также в некоторой нестабильности формируемого ЭОП изображения.
Один из недостатков аналога, а именно нестабильность формируемого изображения, устранен в соответствии со способом, предложенном в патенте на изобретение RU2714523C1. «Способ повышения стабильности формируемого изображения в устройствах ночного видения и устройства для его реализации» (прототип). В данном решении изложены причины появления нестабильности формируемого изображения и предложено формирование сигнала регулирования пропорционального величине импульсов тока экрана или микроканальной пластины свободного от помех, выполненного любым известным методом, что обеспечивает стабильность заднего фронта импульсов напряжения на микроканальной пластине и стабильность формируемого изображения. На основании данного способа, используемого в СНВ, ЭОП и в схеме электропитания, предложены соответственно СНВ, ЭОП и схема электропитания. Задачи по обеспечению стабильности формируемого изображения выполнены, однако данное решение не оптимизирует схему электропитания ЭОП, что не позволяет увеличить коэффициент преобразования ЭОП и, следовательно, увеличить дальность действия СНВ.
Таким образом, способ повышения стабильности формируемого изображения в устройствах ночного видения, предлагаемый в прототипе, где используется сигнал регулирования пропорциональный величине импульсов тока экрана или микроканальной пластины свободный от помех, выполненный любым известным методом, имеет тот же недостаток, что и аналог, т.е. не оптимизированную схему электропитания ЭОП, недостаточную величину коэффициента преобразования ЭОП и, следовательно, недостаточную дальность действия СНВ.
Задачей изобретения является реализация следующих технических решений:
- создание способа повышения дальности действия СНВ, увеличение коэффициента преобразования ЭОП со схемой электропитания и оптимизация схемы электропитания ЭОП;
- создание устройств типа СНВ, ЭОП со схемой электропитания и оптимизированной схемы электропитания ЭОП, использующих предлагаемый способ.
1. Поставленная задача решается тем, что в известном способе формирования изображения системой ночного видения, включающей: указанную систему ночного видения, имеющею объектив, получающий свет от наблюдаемой сцены и направляющий этот свет на электронно-оптический преобразователь, обеспечивающий видимое изображение наблюдаемой сцены и окуляр, обеспечивающий пользователю прибора ночного видения это видимое изображение, указанный электронно-оптический преобразователь включает фотокатод, получающий фотоны от сцены, и испускающий фотоэлектроны в образе, копирующем сцену, микроканальную пластину, получающую фотоэлектроны и обеспечивающую поток вторичных электронов в образе, копирующем сцену, экран, получающий поток вторичных электронов производящих видимое изображение копирующее сцену и схему электропитания, формирующую изображение путем формирования необходимых напряжений для электродов электронно-оптического преобразователя, заключающийся в поочередной подаче на фотокатод импульсов положительного и отрицательного напряжения, изменении длительности импульса отрицательного напряжения, соответствующего рабочему циклу, в зависимости от тока экрана или микроканальной пластины, изменении напряжения микроканальной пластины, причем изменение напряжения на микроканальной пластине производят импульсно в зависимости от тока экрана или микроканальной пластины и синхронно с изменением импульсного напряжения на фотокатоде, причем импульсы напряжения на микроканальной пластине, формируемые по величине тока экрана или микроканальной пластины, формируют сигнал регулирования, пропорциональный величине импульсов тока экрана или микроканальной пластины свободный от помех дом отличается тем, что формируют во время не рабочего цикла служебный импульс сброса, разряжающий микроканальную пластину и емкостные компоненты схемы электропитания, что снижает уровень сцинтилляционных явлений, увеличивают коэффициент преобразования ЭОП и, следовательно, дальность действия систем ночного видения.
2. Способ формирования изображения электронно-оптическим преобразователем со схемой электропитания, включающем: указанный электронно-оптический преобразователь, содержащий фотокатод, получающий фотоны от сцены, и испускающий фотоэлектроны в образе, копирующем сцену, микроканальную пластину, получающую фотоэлектроны и обеспечивающую поток вторичных электронов в образе, копирующем сцену, экран, получающий поток вторичных электронов производящих видимое изображение копирующее сцену и схему электропитания, формирующую изображение путем формирования необходимых напряжений для электродов электронно-оптического преобразователя, заключающийся в поочередной подаче на фотокатод импульсов положительного и отрицательного напряжения, изменении длительности импульса отрицательного напряжения, соответствующего рабочему циклу, в зависимости от тока экрана или микроканальной пластины, изменении напряжения микроканальной пластины, причем изменение напряжения на микроканальной пластине производят импульсно в зависимости от тока экрана или микроканальной пластины и синхронно с изменением импульсного напряжения на фотокатоде, причем импульсы напряжения на микроканальной пластине, формируемые по величине тока экрана или микроканальной пластины, формируют сигнал регулирования, пропорциональный величине импульсов тока экрана или микроканальной пластины свободный от помех отличается тем, что формируют во время не рабочего цикла служебный импульс сброса, разряжающий микроканальную пластину и емкостные компоненты схемы электропитания, что снижает уровень сцинтилляционных явлений, увеличивают коэффициент преобразования ЭОП и, следовательно, дальность действия систем ночного видения.
3. Способ формирования изображения схемой электропитания электронно-оптического преобразователя, формирующей изображение путем создания необходимых напряжений для электродов электронно-оптического преобразователя заключающийся в поочередной подаче на фотокатод импульсов положительного и отрицательного напряжения, изменении длительности импульса отрицательного напряжения, соответствующего рабочему циклу, в зависимости от тока экрана или микроканальной пластины, изменении напряжения микроканальной пластины, причем изменение напряжения на микроканальной пластине производят импульсно в зависимости от тока экрана или микроканальной пластины и синхронно с изменением импульсного напряжения на фотокатоде, причем импульсы напряжения на микроканальной пластине, формируемые по величине тока экрана или микроканальной пластины, формируют сигнал регулирования, пропорциональный величине импульсов тока экрана или микроканальной пластины свободный от помех отличается тем, что формируют во время не рабочего цикла служебный импульс сброса, разряжающий микроканальную пластину и емкостные компоненты схемы электропитания, что снижает уровень сцинтилляционных явлений, увеличивают коэффициент преобразования ЭОП и, следовательно, дальность действия систем ночного видения.
4. Система ночного видения, имеющая объектив, получающий свет от наблюдаемой сцены и направляющая этот свет на электронно-оптический преобразователь, обеспечивающий видимое изображение наблюдаемой сцены и окуляр, обеспечивающий пользователю прибора ночного видения это видимое изображение, указанный электронно-оптический преобразователь включает фотокатод, получающий фотоны от сцены, и испускающий фотоэлектроны в образе, копирующем сцену, микроканальную пластину, получающую фотоэлектроны и обеспечивающую поток вторичных электронов в образе, копирующем сцену, экран, получающий поток вторичных электронов производящих видимое изображение копирующее сцену и схему электропитания, формирующую изображение путем формирования необходимых напряжений для электродов электронно-оптического преобразователя, заключающийся в поочередной подаче на фотокатод импульсов положительного и отрицательного напряжения, изменении длительности импульса отрицательного напряжения, соответствующего рабочему циклу, в зависимости от тока экрана или микроканальной пластины, изменении напряжения микроканальной пластины, причем изменение напряжения на микроканальной пластине производят импульсно в зависимости от тока экрана или микроканальной пластины и синхронно с изменением импульсного напряжения на фотокатоде, причем импульсы напряжения на микроканальной пластине, формируемые по величине тока экрана или микроканальной пластины, формируют сигнал регулирования, пропорциональный величине импульсов тока экрана или микроканальной пластины свободный от помех отличается тем, что содержит схему формирования служебного импульса сброса, который формируется во время не рабочего цикла и разряжает микроканальную пластину и емкостные компоненты схемы электропитания, что снижает уровень сцинтилляционных явлений и позволяет увеличить коэффициент преобразования ЭОП и, следовательно, дальность действия систем ночного видения.
5. Электронно-оптический преобразователь со схемой электропитания, содержащий фотокатод, получающий фотоны от сцены, и испускающий фотоэлектроны в образе, копирующем сцену, микроканальную пластину, получающую фотоэлектроны и обеспечивающую поток вторичных электронов в образе, копирующем сцену, экран, получающий поток вторичных электронов производящих видимое изображение копирующее сцену и схему электропитания, формирующую изображение путем формирования необходимых напряжений для электродов электронно-оптического преобразователя, заключающийся в поочередной подаче на фотокатод импульсов положительного и отрицательного напряжения, изменении длительности импульса отрицательного напряжения, соответствующего рабочему циклу, в зависимости от тока экрана или микроканальной пластины, изменении напряжения микроканальной пластины, причем изменение напряжения на микроканальной пластине производят импульсно в зависимости от тока экрана или микроканальной пластины и синхронно с изменением импульсного напряжения на фотокатоде, причем импульсы напряжения на микроканальной пластине, формируемые по величине тока экрана или микроканальной пластины, формируют сигнал регулирования, пропорциональный величине импульсов тока экрана или микроканальной пластины свободный от помех отличается тем, что содержит схему формирования служебного импульса сброса, который формируется во время не рабочего цикла и разряжает микроканальную пластину и емкостные компоненты схемы электропитания, что снижает уровень сцинтилляционных явлений и позволяет увеличить коэффициент преобразования ЭОП и, следовательно, дальность действия систем ночного видения.
6. Схема электропитания электронно-оптического преобразователя, формирующая изображение путем создания необходимых напряжений для электродов электронно-оптического преобразователя и обеспечивающая поочередную подачу на фотокатод импульсов положительного и отрицательного напряжения, изменение длительности импульса отрицательного напряжения, соответствующего рабочему циклу, в зависимости от тока экрана или микроканальной пластины, изменение напряжения микроканальной пластины, причем изменение напряжения на микроканальной пластине производится импульсно в зависимости от тока экрана или микроканальной пластины и синхронно с изменением импульсного напряжения на фотокатоде, причем импульсы напряжения на микроканальной пластине, формируемые по величине тока экрана или микроканальной пластины, формируют сигнал регулирования, пропорциональный величине импульсов тока экрана или микроканальной пластины свободный от помех отличается тем, что содержит схему формирования служебного импульса сброса, который формируется во время не рабочего цикла и разряжает микроканальную пластину и емкостные компоненты схемы электропитания, что снижает уровень сцинтилляционных явлений и позволяет увеличить коэффициент преобразования ЭОП и, следовательно, дальность действия систем ночного видения.
Предлагаемые решения, на наш взгляд, являются новыми и не следуют явным образом из уровня техники, т.к. влияние совокупности отличительных признаков на технический результат из уровня техники не известен.
На фиг. 1 показан график изменения величины разрешения ЭОП в зависимости от освещенности фотокатода, представленный автором доклада господином Léon A. Bosch.
На фиг. 2 показаны изображения миры 20 л/мм и 60 л/мм при различных уровнях света, представленные автором доклада господином Léon A. Bosch.
На фиг. 3 графики изменения величины разрешения двух ЭОП, имеющих разную величину коэффициента преобразования в зависимости от освещенности фотокатода.
Рассмотрим какие параметры определяют дальность действия ЭОП. Наиболее полно и понятно характеристики ЭОП, относительно сферы их применения изложены в докладе: Proceedings Volume 4128, Image Intensifiers and Applications II; (2000) https://doi.org/10.1117/12.405867. Event: International Symposium on Optical Science and Technology, 2000, San Diego, CA, United States. Автор Léon A. Bosch.
В его работе исследуются следующие характеристики ЭОП:
- Отношение сигнал – шум (ОСШ);
- Предельное разрешение, пар линий на 1 мм, л/мм;
- Чувствительность фотокатода, микроампер на 1 люмен, мкА/лм;
2
- Коэффициент усиления (коэффициент преобразования ЭОП) кд/м/лк или fL/fc;
2
- Максимальная выходная яркость кд/м или fL;
- Эквивалент освещения фона (EBI, люкс, лк).
Для оценки дальности действия СНВ из вышеприведенных характеристик нужно учитывать только коэффициент усиления, отношение сигнал - шум и предельное разрешение. Чувствительность является составляющей параметра отношение сигнал - шум, а максимальная выходная яркость и эквивалент освещения фона на дальность действия не влияют. Для понятия работы систем ночного видения изложим принцип их действия на основании отдельных разделов доклада Léon A. Bosch.
На фиг. 1 показан график изменения величины разрешения ЭОП в зависимости от освещенности фотокатода, представленный автором доклада господином Léon A. Bosch. Как видно из данного графика разрешение ЭОП растет с ростом освещенности фотокатода ЭОП. ЭОП усиливает свет. Если освещение наблюдаемой сцены отсутствует, то наблюдатель, не будет видеть никакого изображения, а будет видеть только беспорядочные вспышки на экране, что является темновым шумом ЭОП (сцинтилляционный шум). При некоторой небольшой освещенности сцены, и отсутствии непрерывного освещения, наблюдатель будет видеть большее количество вспышек, и они будут более интенсивные и яркие, "подобные граду". Здесь к темновому шуму ЭОП добавляются некоторое количество фотоэлектронов и соответственно вторичных электронов вышедших из каналов МКП, которые образованы от небольшой освещенности сцены. С дальнейшим ростом освещенности сцены, количество фотонов увеличивается и сначала появляется изображение на фоне шумов. В этом случае наблюдатель сцены при достижении разрешения пара штрихов на объект в соответствии с критериями Джонсона может обнаружить изображение объекта. На фиг 1 это отмечено вертикальной линией.  В таком зашумлённым изображением не возможно увидеть мелкие детали изображения. Когда уровень света увеличивается ещё более, разрешение увеличивается, и начинают обнаруживаться, в зависимости от уровня света, всё более мелкие детали изображения. В этом случае наблюдатель сцены, при достижении разрешения 12,8 штрихов на объект, в соответствии с критериями Джонсона, может идентифицировать изображение объекта. На фиг 1 это отмечено вертикальной линией. В этом режиме, детали изображения присутствуют на фоне шума. Этот режим работы ЭОП называется "Предел счёта фотонов" или "Предел низкого уровня света". В этом режиме, качество изображения сцены зависит от уровня света. При малой освещенности фотокатода качество изображения определяется уровнем света. На фиг. 2 показаны изображения миры 20 л/мм и 60 л/мм при различных уровнях света, представленные автором доклада господином Léon A. Bosch. Как видно из представленных изображений при очень низких уровнях света, вообще не видно изображения мир. Изображение состоит из некоторого количества светлых пятен, но наблюдатель сцены не способен составить из них какую-либо картину. При более высоких уровнях света количество фотонов увеличивается, что приводит к более высокой плотности точек, формирующих изображения мир. Сначала становятся видимыми большие детали изображения (миры 20 л/мм), в то время как меньшие детали изображения все еще скрываются в шуме. При ещё более высоких уровнях света, эти маленькие детали изображения, такие как мира 60 л/мм, также становятся видимыми. Насколько высокое качество формируемого изображения будет видеть наблюдатель в окуляре СНВ, зависит от качества ЭОП, главным образом, от отношения сигнал-шум, предела разрешения и величины коэффициента преобразования.
Если света достаточно, зашумлённость изображения пропадает. В этом случае качество изображения намного выше и определяется параметрами предел разрешения и частотно-контрастная характеристика. Оно не будет зависеть от значения освещенности. Этот режим уровня света называется "Предел фотонного шума" или "Диапазон высоких уровней света".
4
4
4
4
В разделе усиление (коэффициент преобразования ЭОП) доклада Léon A. Bosch рассматривается влияние величины усиления с точки зрения сферы применения ЭОП. Для применений, связанных с непосредственным наблюдением, усиление яркости, выраженное в fL/fc имеет важное значение, и находится в диапазоне от 3х10 до 5.5х10 fL/fc для усилителя яркости изображения XD-4 и 5.5х10 fL/fc для трубки Omnibus IV Gen III. В диапазоне счёта фотонов, более высокое усиление увеличивает дальность действия СНВ, но это увеличение также увеличивает интенсивность шумов. Результирующий эффект состоит в том, что ОСШ, интегрированное по достаточно большой площади, будет все еще немного повышаться, но изображение сохраняет свой зашумлённый вид, потому что оно создано из дискретных событий, скрытых в шумовых событиях. Грубо можно сказать, что, начиная от усиления 3х10 fL/fc и более, изображение сохраняет одинаковое шумовое воздействие для наблюдателя в применениях, связанных с непосредственным наблюдением, когда усиление увеличивается. Таким образом Léon A. Bosch утверждает, что увеличивать усиление более 30000 fL/fc имеет мало смысла. Данное утверждение является спорным, т. к. ЭОП 2+ поколения «Photonis», модификация Intens 4G, имеет коэффициент преобразования от 31416÷62832, отношение сигнал-шум 28. Также ЭОП фирм США «Litton», «ITT» имеют коэффициент преобразования доходящий до 80000 fL/fc и имеют хорошее изображение формируемой сцены. ЭОП 3 поколения имеет ионно – барьерную пленку на входе МКП, которая закрывает 70 % ÷ 75 % каналов МКП и часть положительных ионов из каналов МКП она не пропускает на фотокатод для его бомбардировки, поэтому уровень шума позволяет повысить коэффициент преобразования до 80000 fL/fc. Из этого факта можно сделать однозначный вывод, что при ограничении количества положительных ионов, бомбардирующих фотокатод, коэффициент преобразования можно увеличивать до 80000 fL/fc и более.
-5
-6
На фиг. 3 показаны графики изменения величины разрешения двух ЭОП, имеющих разную величину коэффициента преобразования в зависимости от освещенности фотокатода. График для ЭОП с меньшим коэффициентом преобразования взят из данных, приведенных Léon A. Bosch, второй график приведен для ЭОП с большим коэффициентом преобразования. Как видно из данных графиков величина освещенности, соответствующая термину идентификация, согласно критериям Джонсона (12 шт/мм), для первого ЭОП обеспечивается при величине освещенности ориентировочно 8*10 лк, а для второго ЭОП ориентировочно 6*10 лк. Учитывая, что величина освещенности уменьшается в зависимости от квадрата расстояния от наблюдателя до рассматриваемой сцены, то дальность действия второго ЭОП превосходит дальность действия первого ЭОП ориентировочно в 3,6 раза. Большой разброс по освещенностям взят для получения более понятного графика. Как видно из графиков, приведенных на фиг. 3, критерии Джонсона, при всех уровнях освещенности, у второго ЭОП лучше, чем у первого. Критерии Джонсона приведены в таблицах 1 и 2.
Критерий Джонсона
Таблица 1
Уровень различения
Разрешение на минимальный размер N<sub>50</sub>
пар линий ЭОП
телевизионных линий (ТВЛ)
Обнаружение
1,0±0,25
2,0±0,5
Ориентация
1,4±0,35
2,8±0,7
Распознавание
4,0±0,8
8,0±1,6
Идентификация
6,4±1,5
12,8±3
Джонсон в своей работе выделил 4 уровня различения — обнаружение, ориентация, опознавание, идентификация. Сам Джонсон никак формально не определил эти понятия, это сделал впоследствии Lucien Biberman (табл. 2).
Определение уровней различения
Таблица 2
Уровень различения
Описание
Обнаружение
Объект присутствует
Ориентация
Различается симметричность или асимметричность объекта и его ориентация — вертикальная или горизонтальная.
Распознавание
Определяется класс объекта — дом, человек, автомобиль и т.д.
Идентификация
Идентификация. Объект может быть описан в рамках знаний наблюдателя — тип строения (дом, гараж, склад), тип автомобиля (грузовик, легковой, пикап), что за человек (мужчина/женщина, военный/гражданский).
Целью работы является увеличение коэффициента преобразования (усиления) электронно-оптических преобразователей ЭОП 2+ и ЭОП 3 поколений за счет оптимизации подачи питающих напряжений на электроды серийно выпускаемых и вновь разрабатываемых ЭОП (на фотокатод, на микроканальную пластину и на экран). Оптимизация подачи питающих напряжений позволяет увеличить коэффициент преобразования ЭОП и увеличить дальность действия систем ночного видения, а также повысить характеристики приборов с использованием ЭОП, которые применяются в исследованиях физики плазмы, медицине, ядерных исследованиях, в астрономии, астрофизике и других областях знаний. Производители ЭОП называют ЭОП без схемы электропитания вакуумный блок. После стыковки вакуумного блока со схемой электропитания получается готовый ЭОП. Для решения вопроса по оптимизации схемы электропитания подходящей, как для серийно выпускаемых ЭОП, так и вновь разрабатываемых ЭОП были исследованы макеты схем электропитания ЭОП, выполненные в соответствии с прототипом, т. е. по патенту RU2714523C1, с питанием фотокатода и МКП импульсными напряжениями и использованием сигнала регулирования, пропорционального величине импульсов тока экрана или микроканальной пластины свободного от помех. Было проведено несколько десятков различных экспериментов с доработкой макетов схем электропитания и подачей в начале не рабочего цикла дополнительных импульсов на фотокатод, МКП и различные участки схемы электропитания. Результаты исследования макетных образцов показали, что подача дополнительных импульсов, обеспечивающих разрядку емкостных компонентов схемы электропитания, фотокатода и МКП, подаваемых в течение времени не рабочего цикла, позволяет снизить количество положительных ионов, образующихся в каналах МКП и бомбардирующих фотокатод. Оценка проводилась визуально по наблюдению на экране вакуумного блока интенсивности и яркости вспышек. Дополнительные импульсы примерно выполняют такую же функцию, как разрядники на электроустановках, в которых при открывании крышки источники питания автоматически отключаются, а их выходы через ограничивающие резисторы соединяются с землей. Т.е. дополнительные импульсы на короткое время отключают питающие напряжения от фотокатода, МКП и емкостных компонентов схемы электропитания, это позволяет достаточно быстро разрядить вышеуказанные элементы схемы электропитания и элементы, входящие в состав вакуумного блока. При разрядке МКП и фотокатода они не работают и в каналах МКП не образуются положительные ионы, бомбардирующие фотокатод, а фотоэлектроны, выходящие из фотокатода, не могут попасть на МКП. Уровень шумовых помех, видимых на экране вакуумного блока, значительно уменьшается. После окончания дополнительных импульсов и начала рабочего цикла происходит зарядка фотокатода МКП и емкостных компонентов схемы электропитания. Из-за малой мощности схемы электропитания зарядка происходит не очень быстро и в это время положительных ионов образуется не много. При длительности полного цикла, например, 10 мс, длительность дополнительных импульсов может быть порядка 1 мс, это несколько снижает величину коэффициента преобразования, но как показывают результаты исследования для компенсации снижения коэффициента преобразования достаточно увеличить напряжение на МКП примерно на 10 В ÷ 15 В, что не является каким-либо принципиальным моментом. При наблюдении сцены с использованием предлагаемого СНВ, с предлагаемым ЭОП и схемой электропитания, сам ЭОП может быть датчиком освещенности наблюдаемой сцены. Величина тока экрана или тока с выхода МКП будет эквивалентна освещенности наблюдаемой сцены. В настоящее время имеются электронные компоненты, позволяющие выполнять автоматическую регулировку коэффициента преобразования ЭОП (изменять величину напряжения на МКП) в зависимости от величины тока экрана или тока с выхода МКП, т. е. в зависимости от уровня освещенности наблюдаемой сцены. Однако целесообразно даже при использовании автоматической регулировки коэффициента преобразования ЭОП совместить ее с ручной регулировкой. Ручная регулировка может выполняться поворотом ручки потенциометра или с использованием кнопки. При выполнении регулировки с использованием кнопки обычно используется следующий алгоритм. При однократном кратковременном включении выполняется увеличение коэффициента преобразования. При однократном длительном включении (например, больше 1 секунды) рост коэффициента преобразования прекращается и остается постоянным на данном уровне усиления. При двойном кратковременным включением выполняется снижение коэффициента преобразования, а при однократном длительном включении рост коэффициента преобразования прекращается. Ручная регулировка с одновременным автоматическим регулированием целесообразна из-за зрительных особенностей различных операторов. Некоторым операторам автоматическая регулировка обеспечивает оптимальные условия наблюдения, а другим операторам требуется корректировка коэффициента преобразования ЭОП, для получения оптимальных условий наблюдения рассматриваемой сцены. Проведенные эксперименты показали возможность увеличения коэффициента преобразования ЭОП 2+ поколения с 25000 ÷ 30000 до 60000 ÷ 80000, а ЭОП 3 поколения с 50000 до 120000.
Таким образом, поставленная задача по созданию способа повышения дальности действия СНВ, увеличению коэффициента преобразования ЭОП со схемой электропитания, оптимизации схемы электропитания ЭОП и по созданию устройств типа СНВ, ЭОП со схемой электропитания и оптимизированной схемы электропитания ЭОП решена в полном объеме, что подтверждено результатами испытания макетных образцов источников питания, ЭОП и СНВ, которые показали возможность повышения коэффициента преобразования ЭОП 2+ поколения и 3 поколения более чем в 2 раза и увеличения дальности действия систем ночного видения более чем в 1,5 раза.