Активно-импульсный телевизионный прибор ночного видения

Предлагаемая полезная модель относится к технике оптико-электронных приборов наблюдения, в частности, к приборам ночного видения.
Известен активно-импульсный (АИ) ночной бинокль (см. Волков В.Г., Гиндин П.Д. Техническое зрение. Инновации. М., Техносфера, 2014 г., 840 с., с. 407, рис. 4.4.1.). 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 ночной бинокль содержит также блок стробирования (электронный блок), содержащий задающий генератор импульсов (ЗГИ), 1-й выход которого подключен ко входу блока накачки, а 2-й выход через блок регулируемой задержки (БРЗ) подключен к формирователю стробирующих импульсов (ФСИ). АИ ночной бинокль включает блок наблюдения, состоящий из последовательно установленных на оптической оси объектива, узкополосного фильтра, электронно-оптического преобразователя (ЭОП) с микроканальной пластиной (МКП), к которой подключен выход ФСИ, и окулярной системы, сфокусированной на экран ЭОП. Недостатками устройства является быстрая утомляемость оператора из-за необходимости наблюдения через окулярную систему, невозможность цифровой обработки изображении в реальном масштабе времени, дублирования изображения для двух или нескольких операторов, дистанционной передачи изображения, поиска объекта наблюдения на повышенной дальности видения, соответствующей предельным возможностям устройства при его работе в АИ режиме. Поиск в АИ режиме невозможен из-за малого угла подсвета импульсного лазерного осветителя и соответственно малого угла поля зрения АИ ночного бинокля при его работе в АИ режиме, а также из-за необходимости одновременного поиска не только узким лучом подсвета по фронту, но и поиска по глубине узким стробом при изменении величины временной задержки между моментом посылки импульса подсвечивающего излучения и моментом его приема в блоке наблюдения. Можно осуществлять поиск и обнаружение объекта при работе активно-импульсного телевизионного прибора ночного видения (АИ ТВ ПНВ) в широкопольном пассивном режиме, но он обладает ограниченными возможностями по дальности действия, которая существенно ниже, чем дальность действия при работе АИ ТВ ПНВ в АИ режиме. Кроме того, дальность действия в пассивном режиме зависит от уровня естественной ночной освещенности (ЕНО) и при ее падении также уменьшается. Пассивный режим неработоспособен при пониженной прозрачности атмосферы (дымка, туман, дождь, снегопад и др.), а также при воздействии световых помех.
Известен 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, ИЛПИ и объектива формирования излучения, сфокусированного на ИЛПИ. К ИЛПИ подключен выход блока накачки. АИ ТВ ПНВ содержит также блок стробирования, содержащий ЗГИ, 1 -й выход которого подключен к входу блока накачки, а 2-й выход через БРЗ подключен к ФСИ. АИ ТВ ПНВ включает блок наблюдения, состоящий из последовательно установленных на оптической оси объектива, узкополосного фильтра, ЭОП с МКП, к которой подключен выход ФСИ, оптики переноса, 1 -й линзовый компонент которой сфокусирован на экран ЭОП, а 2-й ее линзовый компонент - на матрицу прибора с зарядовой связью (ПЗС) ТВ камеры, подключенной к ТВ монитору. Данное устройство за счет вывода изображения на экран ТВ монитора позволило снизить утомляемость оператора, а также обеспечить возможность цифровой обработки изображении в реальном масштабе времени, дублирования изображения для двух или нескольких операторов, дистанционной передачи изображения. Недостатком устройства по-прежнему является невозможность поиска объекта наблюдения на повышенной дальности видения, соответствующей предельной дальности видения АИ ТВ ПНВ при его работе в АИ режиме.
Целью предлагаемой полезной модели является обеспечение поиска объекта наблюдении на предельной дальности видения.
Указанная цель достигается тем, что полезная модель представляет собой АИ ТВ ПНВ, включающий импульсный лазерный осветитель, состоящий из блока накачки, импульсного лазерного полупроводникового излучателя и объектива формирования излучения, сфокусированного на ИЛПИ, причем к ИЛПИ подключен выход блока накачки, в состав устройства входит блок стробирования, содержащий ЗГИ, первый выход которого подключен к входу блока накачки, а второй выход через БРЗ подключен к ФСИ, в состав устройства входит блок наблюдения, состоящий из последовательно установленных на оптической оси объектива, узкополосного фильтра, ЭОП с МКП, к которой подключен выход ФСИ, оптики переноса, содержащей первый и второй линзовые компоненты, причем первый линзовый компонент сфокусирован на экран ЭОП, а второй линзовый компонент сфокусирован на матрицу ПЗС ТВ камеры, подключенной к ТВ монитору, в блок наблюдения дополнительно введена тепловизионная система, включающая последовательно установленные на оптической оси инфракрасный объектив и тепловизионный модуль, состоящий из последовательно электрически соединенных микроболометрической матрицы фотодетекторов, электронного блок и OLED дисплея, плоское зеркало и третий линзовый компонент, сфокусированный на OLED дисплей, между первым и вторым линзовыми компонентами оптики переноса дополнительно установлено наклонное дихроичное плоское зеркало, оптически сопрягающее третий линзовый компонент оптики ПЗС ТВ камеры.
Благодаря введению инфракрасного объектива с тепловизионным модулем обеспечивается создание и преобразование в видимое изображение теплового изображения объекта наблюдения и окружающего его фона, которое вводится в ТВ камеру. Так как дальность обнаружения объекта наблюдения при формировании его теплового изображения равна дальности его распознавания при работе устройства в АИ режиме, а угол поля зрения тепловизионной системы достаточно широк, то можно осуществить поиск и обнаружение объекта с помощью тепловизионной системы, а распознавание объекта в АИ режиме на предельной дальности действия АИ ТВ ПНВ.
Блок-схема предлагаемой полезной модели представлена на фиг. 1. АИ ТВ ПНВ включает импульсный лазерный осветитель 1, состоящий из блока накачки 2, ИЛПИ 3 и объектива формирования излучения 4, сфокусированного на ИЛПИ 3. К ИЛПИ 3 подключен выход блока накачки 2. В состав АИ ТВ ПНВ входит блок стробирования 5, содержащий ЗГИ 6, 1 -й выход которого подключен к входу блока накачки 2, а 2-й выход через БРЗ 7 подключен к ФСИ 8. АИ ТВ ПНВ включает также блок наблюдения 9. Он содержит последовательно установленные на оптической оси объектив 10, узкополосный фильтр 11, ЭОП 12 с МКП 13, к которой подключен выход ФСИ 8, оптику переноса 14. Она содержит 1-й 15 и 2-й 16 линзовые компоненты. 1-й линзовый компонент 15 сфокусирован на экран ЭОП 12, а 2-й линзовый компонент 16 сфокусирован на матрицу ПЗС ТВ камеры 17, подключенной к ТВ монитору 18. В состав блока наблюдения 9 входит также тепловизионная система, включающая последовательно установленные на оптической оси инфракрасный объектив 19, тепловизионный модуль 20, содержащий последовательно соединенные микроболометрическую матрицу фотодетекторов 21, электронный блок 22, OLED дисплей 23, плоское зеркало 24, 3-й линзовый компонент 25. При этом инфракрасный объектив 19 сфокусирован на микроболометрическую матрицу фотодетекторов 21. Плоское зеркало 24 оптически сопрягает 3-й линзовый компонент 25 с OLED дисплеем 23. Плоское зеркало 24 обеспечивает также оптическое сопряжение 3-го линзового компонента 25 через дихроичное зеркало 26 и 2-й линзовый компонент 16 оптики переноса 14 с матрицей ПЗС ТВ камеры 17.
-3
Устройство работает следующим образом. При работе блока наблюдения 9 АИ ТВ ПНВ в пассивном режиме в условиях нормированного уровня ЕНО≥3×10 лк и при нормальной прозрачности атмосферы (ее пропускание не менее 0,8) ЭОП 12, ТВ камера 17 и ТВ монитор 18 включены, а импульсный лазерный осветитель 1, блок стробирования 5 и тепловизионный модуль 20 отключены. В этом режиме осуществляется поиск и обнаружение объекта на малых и средних дальностях действия. Излучение звезд и луны, определяющее уровень ЕНО, отражается от объекта, окружающего его фона и приходит в объектив 10. Узкополосный фильтр 11 при этом выведен из хода лучей. Объектив 10 создает на фотокатоде ЭОП 12 изображение объекта и фона. ЭОП 12 преобразует изображение в видимое и усиливает его по яркости с помощью МКП 13. Изображение с экрана ЭОП 12 с помощью оптики переноса 14 проходит через дихроичное зеркало 26 и передается на матрицу ПЗС ТВ камеры 17. Видеосигнал с ее выхода передается в ТВ монитор 18. С его экрана оператор наблюдает изображение. Если объект не обнаруживается и не распознается, то ЭОП 12 в блоке наблюдения 9 отключается, и включается тепловизионный модуль 20. Естественное тепловое излучение от объекта и фона приходит в инфракрасный объектив 19. Он создает тепловое изображение объекта и фона на микроболометрической матрице фото детекторов 21, работающей в области спектра 8-12 мкм. Матрица 21 преобразует изображение в видеосигнал, который передается в электронный блок 22. В нем видеосигнал усиливается и обрабатывается в реальном масштабе времени. Сигнал с выхода электронного блока 22 передается в OLED дисплей 23, на экране которого создается видимое изображение объекта и фона. Тепловизионная система имеет повышенную дальность обнаружения объекта, которая равна предельной дальности распознавании при работе АИ ТВ ПНВ в АИ режиме. Кроме того, тепловизионная система может работать как при нормальной, так и при пониженной прозрачности атмосферы и при воздействии световых помех, обеспечивая эффективный поиск и обнаружение объекта. Разрешающая способность тепловизионной системы ниже, чем у АИ ТВ ПНВ, работающего в пассивном и в АИ режиме. Однако для решения задачи только поиска и обнаружения объекта это не является недостатком. Изображение с экрана OLED дисплея 23 с помощью плоского зеркала 24 передается в 3-й линзовый компонент 25. Он передает изображение на плоское дихроичное зеркало 26. Оно пропускает излучение области спектра 0,53 - 0,56 мкм - рабочей области спектра экрана ЭОП 12 и отражает излучение в области спектра 0,38 - 0,78 мкм - рабочей области спектра экрана OLED дисплея 23. Система линзовых компонентов 25 и 16 передает изображение с экрана OLED дисплея 23 на матрицу ПЗС ТВ камеры 17. Видеосигнал с ее выхода поступает в ТВ монитор 18, с экрана которого оператор наблюдает изображение. После обнаружения объекта устройство переводится в АИ режим работы. При этом включается импульсный лазерный осветитель 1, блок стробирования 5 и ЭОП 12. С 1-го выхода ЗГИ 6 на блок блока накачки 2 подаются синхроимпульсы. Блок накачки 2 преобразует их в импульсы тока, которые передаются в ИЛПИ 3. Он генерирует соответствующие импульсы излучения на длине волны 0,85 мкм. Излучение коллимируется с помощью объектива формирования излучения 4 и направляется на объект наблюдения, создавая на нем пятно подсвета. Импульсы излучения, отраженные от объекта, приходят в блок наблюдения 9. При этом в ход лучей введен узкополосный фильтр 11. Его рабочая длина волны 0,85 мкм, а рабочая полоса пропускания равна полосе излучения ИЛПИ 3. Фильтр 11 служит для спектральной селекции изображения объекта наблюдения на фоне световых помех. Объектив 10 создает изображение объекта на фотокатоде ЭОП 12. Его МКП 13, а, значит, и сам ЭОП 12, до прихода на фотокатод отраженного от объекта импульса излучения заперт благодаря запирающему напряжению постоянного смещения, поступающему на МКП 13 с выхода ФСИ 8. Со 2-го выхода ЗГИ 6 одновременно с подачей синхроимпульса с его 1-го выхода подается синхроимпульс на вход БРЗ 7. В нем вводится плавно регулируемая задержка между синхроимпульсами с 1-го и 2-го выходов ЗГИ 6. Сигнал с выхода БРЗ 7 передается в ФСИ 8. В момент прихода импульсов излучения на фотокатод ЭОП 12 ФСИ 8 выдает импульсы напряжения, равные по амплитуде запирающему напряжению постоянного смещения, но обратные ему по полярности. Эти отпирающие МКП 13 импульсы напряжения называются импульсами строба. Их длительность равна или несколько превышает длительность импульсов подсвета. ЭОП 12 преобразует изображение объекта в видимое и усиливает его по яркости с помощью МКП 13. Далее изображение с помощью оптики переноса 14 через ее 1-й линзовый компонент 15, дихроичное зеркало 26 и 2-й линзовый компонент 16 передается на матрицу ПЗС ТВ камеры 17. Видеосигнал с ее выхода поступает в ТВ монитор 18, с экрана которого оператор наблюдает изображение и распознает объект наблюдения. При этом по величине задержки в БРЗ 7, при которой наблюдается изображение объекта, и равной времени прохождения импульсом излучения подсвета расстояния от АИ ТВ ПНВ до объекта наблюдения и обратно, можно определить значение дальности до объекта.
В настоящее время разработана принципиальная схема устройства и осуществлено его макетирование.
Таким образом, за счет введения инфракрасного объектива с тепловизионным модулем обеспечивается создание и преобразование в видимое изображение теплового изображениея объекта наблюдения и окружающего его фона, которое вводится в ТВ камеру. Так как дальность обнаружения объекта наблюдения при формировании его теплового изображения равна дальности его распознавания при работе устройства в АИ режиме, а угол поля зрения тепловизионной системы достаточно широк, то можно осуществить поиск и обнаружение объекта с помощью тепловизионной системы, а распознавание объекта в АИ режиме на предельной дальности действия АИ ТВ ПНВ. В предлагаемой полезной модели поиск и обнаружение объекта наблюдения осуществляются в широкопольном пассивном режиме, а его распознавание - в АИ режиме.