Многофункциональный 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 (ОФИ), 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 линзового 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, поиска объекта наблюдения на повышенной дальности видения, соответствующей предельным возможностям устройства при его работе в активно-импульсном (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 ОФИ, сфокусированного на ИЛПИ. К ИЛПИ подключен выход блока накачки. АИ ТВ ПНВ содержит также блок стробирования, содержащий ЗГИ, первый выход которого подключен к входу блока накачки, а второй 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, 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. Объектив блока наблюдения выполнен зеркально-линзовым. Объектив содержит линзу-зеркало, первая оптическая поверхность которой по ходу луча выполнена сферической, а вторая оптическая поверхность выполнена плоской с нанесенной на нее кольцевой концентрической отражающей зеркальной поверхностью. Центральная часть линзы-зеркала является нерабочей. На выходе линзы-зеркала установлено зеркало Манжена, оптически сопряженное с концентрической кольцевой отражающей зеркальной поверхностью, на выходе которой установлен двухлинзовый компенсатор полевых аберраций. 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. 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.
Задачей, решаемой предлагаемой полезной моделью является обеспечение поиска объекта наблюдения на предельной дальности видения.
Указанный технический результат достигается тем, что полезная модель представляет собой многофункциональный активно-импульсный телевизионный прибор ночного видения, содержащий импульсный лазерный осветитель, блок стробирования, блок наблюдения, импульсный лазерный осветитель содержит блок накачки, подключенный ко входу импульсного лазерного полупроводникового излучателя, на который сфокусирован объектив формирования излучения, блок наблюдения состоит из последовательно установленных на оптической оси зеркально-линзового объектива, узкополосного фильтра, электронно-оптического преобразователя с микроканальной пластиной, оптики переноса, содержащей первый и второй линзовые компоненты, телевизионной камеры, подключенной к телевизионному монитору, причем первый линзовый компонент оптики переноса сфокусирован на экран электронно-оптического преобразователя, а второй ее линзовый компонент сфокусирован на матрицу ПЗС телевизионной камеры, блок стробирования содержит задающий генератор импульсов, первый выход которого подключен ко входу блока накачки, а второй выход через блок регулируемой задержки подключен к формирователю стробирующих импульсов, выход которого подключен к микроканальной пластине электронно-оптического преобразователя, причем зеркально-линзовый объектив содержит линзу-зеркало, первая оптическая поверхность которой по ходу луча выполнена сферической, а вторая оптическая поверхность выполнена плоской с нанесенной на нее кольцевой концентрической отражающей зеркальной поверхностью, центральная часть линзы-зеркала является нерабочей, на выходе линзы-зеркала установлено зеркало Манжена, оптически сопряженное с концентрической кольцевой отражающей зеркальной поверхностью, на выходе которой установлен в нерабочем центральном концентрическом отверстии зеркала Манжена установлен двухлинзовый компенсатор полевых аберраций, отличающаяся тем, что выход телевизионной камеры подключен к первому входу дополнительно введенного блока электронной обработки, выход которого подключен ко входу телевизионного монитора, в нерабочей центральной части линзы-зеркала выполнено сквозное концентрическое отверстие, в котором установлен первый компонент дополнительно введенного инфракрасного объектива, оптически сопряженный через отражающую поверхность дополнительно введенного дихроичного плоского зеркала со вторым компонентом инфракрасного объектива, оптически сопряженного с тепловизионным модулем, состоящим из электрически соединенных микроболометрической матрицы фотодетекторов и электронного блока, выход которого подключен ко второму входу блока электронной обработки, через дихроичное плоское зеркало первый компонент инфракрасного объектива оптически сопряжен с дополнительно введенным промежуточным линзовым компонентом, в плоскости изображения которого установлена матрица фотодетекторов на основе соединения индий-галлий-арсенид дополнительно введенной второй телевизионной камеры, выход которой подключен к третьему входу блока электронной обработки.
Указанный технический результат достигается благодаря введенным тепловизионному модулю и второй телевизионной камере с соответствующей оптикой, обеспечивающими поиск и обнаружение объекта наблюдения при работе устройства в пассивном режиме на предельной дальности работы устройства в АИ режиме. Благодаря введению тепловизионного модуля обеспечивается создание и преобразование в видимое изображение теплового изображения объекта наблюдения и окружающего его фона, которое вводится в первую 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 многофункционального АИ ТВ ПНВ. Благодаря введению второй ТВ камеры обеспечивается поиск и обнаружение объекта наблюдения в широком угле поля зрения в тех случаях, когда тепловизионный модуль работает в не оптимальных для себя условиях.
Блок-схема предлагаемой полезной модели представлена на чертеже фиг. 1. Многофункциональный АИ ТВ ПНВ содержит импульсный лазерный осветитель 1, блок стробирования 2, блок наблюдения 3. Импульсный лазерный осветитель 1 содержит блок накачки 4, подключенный ко входу ИЛПИ 5. На него сфокусирован ОФИ 6. Блок наблюдения 3 состоит из последовательно установленных на оптической оси зеркально-линзового объектива 7, узкополосного фильтра 8, ЭОП 9 с МКП 10, оптики переноса 11, содержащей первый 12 и второй 13 линзовые компоненты, ТВ камеры 14, причем первый линзовый компонент 12 оптики переноса 11 сфокусирован на экран ЭОП 9, а второй ее линзовый компонент 13 сфокусирован на матрицу ПЗС первой ТВ камеры 14. Ее выход подключен к первому входу блока электронной обработки (БЭО) 15. Его выход подключен ко входу ТВ монитора 16. Блок стробирования 2 содержит ЗГИ 17, первый выход которого подключен ко входу блока накачки 4, а второй выход через БРЗ 18 подключен к ФСИ 19, выход которого подключен к МКП 10 ЭОП 9. Зеркально-линзовый объектив 7 содержит линзу-зеркало 20, первая оптическая поверхность 21 которой по ходу луча выполнена сферической, а вторая оптическая поверхность 22 выполнена плоской с нанесенной на нее кольцевой концентрической отражающей зеркальной поверхностью 23. На выходе линзы-зеркала 20 установлено зеркало Манжена 24, оптически сопряженное с концентрической кольцевой отражающей зеркальной поверхностью 23, на выходе которой в нерабочем центральном концентрическом отверстии зеркала Манжена 24 установлен 2-х линзовый компенсатор полевых аберраций 25. В нерабочей центральной части линзы-зеркала 20 выполнено сквозное концентрическое отверстие 26. В нем установлен первый компонент 27 ИК объектива, оптически сопряженный через отражающую поверхность 28 плоского дихроичного зеркала 29 со вторым компонентом 30 ИК объектива. Компонент 30 оптически сопряжен с тепловизионным модулем 31. Он состоит из электрически соединенных микроболометрической матрицы (МБМ) фотодетекторов 32 и электронного блока (ЭБ) 33, выход которого подключен ко второму входу БЭО 15. Дихроичное плоское зеркало 29 оптически сопрягает первый компонент 27 ИК объектива с промежуточным компонентом 34. В его плоскости изображения установлена матрица фотодетекторов на основе соединения индий-галлий-арсенид второй ТВ камеры 35, выход которой подключен к третьему входу БЭО 15.
Дихроичное плоское зеркало 29 отражает излучение в области спектра 8-12 мкм (рабочей области спектра МБМ 32) и пропускает в области спектра 0,8-1,7 мкм (рабочей области спектра второй ТВ камеры 35).
Устройство работает следующим образом. Днем и ночью как при нормальной, так и при пониженной прозрачности атмосферы тепловое излучение от объекта наблюдения и окружающего его фона приходит в первый компонент 27 ИК объектива, на выходе которого излучение отражается от отражающей поверхности 28 дихроичного плоского зеркала 29 и приходит во второй компонент 30 ИК объектива. Второй компонент 30 ИК объектива создает тепловое изображение объекта и фона на МБМ 32 тепловизионного модуля 31 и преобразует его в электрический сигнал, который передается в ЭБ 33. В нем происходит усиление сигнала и его обработка. С выхода ЭБ 33 сигнал передается в БЭО 15. Одновременно работает вторая ТВ камера 35. Она воспринимает излучение, определяемое уровнем естественной ночной освещенности (ЕНО), которое отражается от объекта и фона и приходит в первый компонент 27 ИК объектива. Дихроичное плоское зеркало 29 пропускает это излучение, оптически сопрягая первый компонент 27 ИК объектива с промежуточным линзовым компонентом 34, и создает с его помощью изображение на матрице фотодетекторов на основе соединения индий-галлий-арсенид второй ТВ камеры 35. Она работает в области спектра 0,8-1,7 мкм. В этой области спектра по сравнению с традиционной рабочей областью спектра фотокатода ЭОП 9, равной 0,4-0,9 мкм, обеспечивается наиболее высокий контраст изображения, наиболее высокий уровень ЕНО, а также возможность работы при пониженной прозрачности атмосферы. Видеосигнал с выхода второй ТВ камеры 35 поступает на третий вход БЭО 15. Он создает единое изображение с выхода тепловизионного модуля 31 и второй ТВ камеры 35, выделяя наиболее информативные признаки изображений и формирует из них интегрированное изображение. Тепловизионный модуль 31 лучше передает изображение самого объекта, а вторая ТВ камера 35 - изображение фона и линии горизонта. Интегрированное изображение преобразуется в БЭО 15 в видеосигнал, который поступает в ТВ монитор 16. С его экрана это изображение наблюдается оператором. При этом угол поля зрения и тепловизионного модуля 31 и второй ТВ камеры 35 равны друг другу и достаточно широки, например, составляя 8×6°. Такой угол поля зрения допускает поиск и обнаружение объекта наблюдения при работе многофункционального АИ ТВ ПНВ в указанном пассивном режиме. При этом максимальная дальность обнаружения объекта в пассивном режиме равна максимальной дальности его распознавания при работе многофункционального АИ ТВ ПНВ в АИ режиме. В АИ режиме невозможно осуществить поиск и обнаружение объектов, так как, во-первых, угол поля зрения в АИ режиме, равный углу подсвета импульсного лазерного осветителя 1, из энергетических соображений не превышает 1×0,5°, что недостаточно для ведения поиска по фронту. Во-вторых, кроме поиска по фронту, нужно обеспечить его поиск также и по глубине узким стробом. Это еще больше усложняет задачу поиска и делает поиск при работе в АИ режиме и вовсе невозможным. Вот почему на АИ режим возлагается задача только распознавания объекта. Рассмотрим теперь подробно работу устройства в АИ режиме. При этом включаются импульсный лазерный осветитель 1, блок стробирования 2, ЭОП 9 и первая ТВ камера 14. С первого выхода ЗГИ 17 подаются синхроимпульсы на вход блока накачки 4. Он формирует импульсы тока, которые подаются в ИЛПИ 5. Он генерирует соответствующие импульсы излучения на длине волны 0,85 мкм. ОФИ 6 коллимирует это излучение и направляет его на объект наблюдения. Импульсы излучения подсвета, отраженные от объекта наблюдения, возвращаются в блок наблюдения 3 многофукционального АИ ТВ ПНВ и приходят в его зеркально-линзовый объектив 7. Импульсы излучения проходят через линзу-зеркало 20, отражаются от зеркала Манжена 24 и возвращаются к линзе-зеркалу 20, отражаются от его концентрического зеркального отражающего покрытия 23 и передаются в 2-х линзовый компенсатор полевых аберраций 25, который создает изображение от импульса излучения на фотокатоде ЭОП 9. При этом узкополосный фильтр 8 работает на длине волны 0,85 мкм и имеет полосу пропускания, равную полосе излучения ИЛПИ 5. Это позволяет осуществить спектральную селекцию объекта наблюдения на фоне световых помех. Одновременно с подачей синхроимпульса с первого выхода ЗГИ 17 на вход блока накачки 4 со второго выхода ЗГИ 17 подается синхроимпульс на вход БРЗ 18. В нем создается плавно регулируемая задержка между моментом формирования импульса излучения подсвета в импульсном лазерном осветителе 1 и синхроимпульсом со второго выхода ЗГИ 17. С выхода БРЗ 18 задержанный импульсный сигнал подается на вход ФСИ 19. В нем при этом формируется импульс напряжения (импульс строба), отпирающий МКП 10 ЭОП 9, которая до этого была заперта напряжением постоянного смещения с выхода ФСИ 19. Благодаря этому МКП 10 открывается в момент прихода на фотокатод импульса излучения на время, равное или несколько превышающее длительность этого импульса. Изображение на фотокатоде ЭОП 9 преобразуется в нем в видимое и усиливается по яркости с помощью МКП 10. Изображение с экрана ЭОП 9 с помощью оптики переноса 11 (ее первого 12 и второго 13 компонентов) передается на матрицу ПЗС первой ТВ камеры 14. Видеосигнал с ее выхода передается в БЭО 15, который осуществляет цифровую обработку видеосигнала в реальном масштабе времени и передает его в ТВ монитор 16. С его экрана оператор наблюдает изображение объекта и распознает его. Это происходит, когда время задержки окажется равным времени прохождения импульсом излучения подсвета от многофункционального АИ ТВ ПНВ до объекта наблюдения и обратно.
В настоящее время разработана принципиальная схема устройства и выполнено его макетирование.
Таким образом, благодаря введенному тепловизионному модулю и второй телевизионной камере с соответствующей оптикой, обеспечивается поиск и обнаружение объекта наблюдения при работе устройства в пассивном режиме на предельной дальности работы устройства в активно-импульсном режиме. 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 многофункционального активно-импульсного телевизионного прибора ночного видения. Благодаря введению второй ТВ камеры обеспечивается поиск и обнаружение объекта наблюдения в широком угле поля зрения в тех случаях, когда тепловизионный модуль работает в не оптимальных для себя условиях.