Активно-импульсный телевизионный прибор ночного видения с переменным увеличением

Предлагаемая полезная модель относится к технике оптико-электронных приборов наблюдения, в частности к приборам ночного видения.
Известен принятый за аналог активно-импульсный телевизионный прибор ночного видения (АИ ТВ ПНВ) (см. Волков В.Г., Гейхман И.Л. Видение и безопасность. М.: Техносфера, книга 1, с. 48, рис. 1.3.2). Он содержит блок наблюдения, состоящий из последовательно установленных на оптической оси объектива, узкополосного фильтра с возможностью его замены на компенсирующую плоскопараллельную пластину, электронно-оптического преобразователя (ЭОП) с микроканальной пластиной (МКП) и оптики переноса, первый линзовый компонент которой сфокусирован на экран ЭОП, а второй ее линзовый компонент сфокусирован на матрицу ПЗС ТВ камеры, подключенной к ТВ монитору. Устройство содержит импульсный лазерный осветитель (ИЛО), состоящий из блока накачки, импульсного лазерного полупроводникового излучателя (ИЛПИ) и объектива формирования излучения (ОФИ). Выход блока накачки подключен к ИЛПИ, а на его излучающую поверхность сфокусирован ОФИ. Устройство содержит блок стробирования, состоящий из последовательно соединенных задающего генератора импульсов (ЗГИ), блока регулируемой задержки (БРЗ) и формирователя стробирующих импульсов (ФСИ), выход которого подключен к МКП. При этом первый выход ЗГИ подключен к входу блока накачки, а второй выход - ко входу БРЗ. Устройство может работать в пассивном, активно-непрерывном и активно-импульсном (АИ) режиме. При работе в АИ режиме обеспечивается видение, как при нормальной прозрачности атмосферы, так и при пониженной прозрачности атмосферы (дымка, туман, дождь, снегопад и др.), при воздействии мощных световых помех с возможностью точного измерения дальности до объекта наблюдения. Однако качество изображение такого АИ ТВ ПНВ недостаточно высоко. Это связано с тем, что объектив блока наблюдения сохраняет неизменной свою фокусировку на фотокатод ЭОП при различных дальностях до объекта наблюдения, что снижает качество изображения. ОФИ также сохраняет неизменной свою фокусировку на ИЛПИ и соответственно сохраняет неизменным угол подсвета при разных дальностях до объекта наблюдения. Это приводит к неоправданным энергетическим потерям и к снижению качества изображения на повышенных дальностях до объекта за счет недостаточной яркости пятна подсвета, а на малых дальностях - за счет избыточной яркости подсвета, приводящей к засветке изображения. Кроме того, при избыточно высоком уровне естественной ночной освещенности (ЕНО) при заданной неизменной частоте работы АИ ТВ ПНВ так же происходит засветка изображения и соответственно снижается его качество. Кроме того, недостатком является невозможность поиска и обнаружения объекта при работе АИ ТВ ПНВ в пассивном режиме при пониженном уровне ЕНО и пониженной прозрачности атмосферы, а также отсутствие плавной регулировки угла поля зрения в зависимости от дальности до обнаруживаемого объекта. Все это приводит к снижению качества изображения.
Для устранения многих из указанных недостатков был предложен принятый за прототип АИ ТВ ПНВ (см. патент на полезную модель «Активно-импульсный телевизионный прибор ночного видения» №2589947 по заявке №2014153595 с приоритетом от 29.12.2014 г. ). АИ ТВ ПНВ содержит блок наблюдения, состоящий из последовательно установленных на оптической оси объектива, узкополосного фильтра с возможностью его замены на компенсирующую плоскопараллельную пластину, ЭОП с МКП, оптики переноса, первый линзовый компонент которой сфокусирован на экран ЭОП, а второй ее компонент сфокусирован на матрицу ПЗС ТВ камеры ТВ канала, в состав которого входит также видеоусилитель, ТВ монитор и синхрогенератор, причем вход ТВ камеры подключен через видеоусилитель к ТВ монитору, выходы кадровой и строчной развертки синхрогенератора подключены соответственно к одноименным входам ТВ камеры, видеоусилителя и ТВ монитора, ИЛО, состоящий из блока накачки, ИЛПИ и ОФИ, сфокусированного на ИЛПИ, к которому подключен первый выход блока накачки, блок стробирования, состоящий из последовательно соединенных ЗГИ, вход которого подключен ко второму выходу блока накачки, БРЗ и ФСИ, выход которого подключен к МКИ, и блок деления частоты, вход которого соединен с выходом строчной синхронизации синхрогенератора, а выход - со вторым входом ЗГИ, блок преобразования задержки (БПЗ), вход которого подключен ко второму входу БРЗ, два электромеханических привода, блок регулировки амплитуды тока накачки, вход которого соединен с первым выходом БПЗ, а выход - с входом блока накачки, и последовательно соединенные измеритель естественной освещенности, блок преобразования сигнала и блок управления частотой, выход которого подключен к третьему входу ЗГИ, причем второй выход БПЗ подключен через первый электромеханический привод к оправе объектива блока наблюдения, а второй выход через второй электромеханический привод к оправе ОФИ. В этом АИ ТВ ПНВ по сравнению с устройством-аналогом обеспечивается повышение качества изображения благодаря оперативной регулировке объектива блока наблюдения, ОФИ, мощности излучения ИЛО и скважности работы АИ ТВ ПНВ в соответствии с дальностью до объекта наблюдения. Однако в устройстве-прототипе отсутствует возможность поиска при пониженном уровне ЕНО и пониженной прозрачности атмосферы, а также возможность оперативной регулировки угла поля зрения АИ ТВ ПНВ при его работе в пассивном режиме в зависимости от дальности действия.
Задачей предлагаемой полезной модели является обеспечение поиска при пониженной прозрачности атмосферы и пониженном уровне ЕНО с возможностью оперативной регулировки угла поля зрения устройства при его работе в пассивном режиме в зависимости от дальности действия.
Указанная задача решается тем, что активно-импульсный телевизионный прибор ночного видения, содержащий блок наблюдения, состоящий из последовательно установленных на оптической оси объектива, узкополосного фильтра с возможностью его замены на компенсирующую плоскопараллельную пластину, электронно-оптического преобразователя с микроканальной пластиной, оптики переноса, первый линзовый компонент которой сфокусирован на экран электронно-оптического преобразователя, а второй ее линзовый компонент сфокусирован на матрицу ПЗС телевизионной камеры телевизионного канала, в состав которого входит также видеоусилитель, телевизионный монитор и синхрогенератор, причем вход телевизионной камеры подключен через видеоусилитель к телевизионному монитору, выходы кадровой и строчной развертки синхрогенератора подключены соответственно к одноименным входам телевизионной камеры, видеоусилителя и телевизионного монитора, импульсный лазерный осветитель, состоящий из блока накачки, импульсного лазерного полупроводникового излучателя и объектива формирования излучения, сфокусированного на импульсный лазерный полупроводниковый излучатель, к которому подключен первый выход блока накачки, блок стробирования, состоящий из последовательно соединенных задающего генератора импульсов, первый вход которого подключен ко второму выходу блока накачки, блока регулируемой задержки и формирователя стробирующих импульсов, выход которого подключен к микроканальной пластине, и блок деления частоты, вход которого соединен с выходом строчной синхронизации синхрогенератора, а выход - со вторым входом задающего генератора импульсов, блок преобразования задержки, вход которого подключен ко второму входу блока регулируемой задержки, два электромеханических привода, блок регулировки амплитуды тока накачки, вход которого соединен с первым выходом блока преобразования задержки, а выход - с входом блока накачки, и последовательно соединенные измеритель естественной освещенности, блок преобразования сигнала и блок управления частотой, выход которого подключен к третьему входу задающего генератора импульсов, причем второй выход блока преобразования задержки подключен через первый электромеханический привод к оправе объектива блока наблюдения, а третий выход через второй электромеханический привод к оправе объектива формирования излучения, отличающийся тем, что дополнительно содержит канал поиска и обнаружения, состоящий из инфракрасного объектива и тепловизионного модуля, содержащего микроболометрическую матрицу фото детекторов, подключенную к электронному блоку, выход которого подключен к первому входу дополнительно введенного блока электронной обработки, ко второму входу которого подключен выход видеоусилителя, а выход подключен к телевизионному монитору, устройство дополнительно содержит третий электромеханический привод, вход которого подключен к первому выходу дополнительно введенного блока управления пассивным режимом, первый выход которого кинематически связан с оправой первого линзового компонента оптики переноса, а второй выход подключен к входу дополнительно введенного четвертого электромеханического привода, выход которого кинематически связан с оправой инфракрасного объектива, устройство дополнительно содержит двухпозиционный переключатель, подвижный контакт которого подключен к входу первого электромеханического привода, первый неподвижный контакт подключен ко второму выходу блока преобразования задержки, а второй неподвижный контакт подключен ко входу блока управления пассивным режимом.
Указанная задача решается благодаря тому, что для обеспечения поиска при пониженной прозрачности атмосферы и при пониженном уровне ЕНО дополнительно вводится тепловизионный канал, а оперативная регулировка угла поля зрения устройства при его работе в пассивном режиме обеспечивается за счет дополнительного введения блока управления пассивным режимом и соответствующих электромагнитных приводов.
Блок-схема предлагаемой полезной модели представлена на чертеже фиг. 1. АИ ТВ ПНВ содержит блок наблюдения 1, состоящий из последовательно установленных на оптической оси объектива 2, узкополосного фильтра 3 с возможностью его замены на компенсирующую плоскопараллельную пластину 4, ЭОП 5 с МКП 6, оптики переноса 7, первый линзовый компонент 8 которой сфокусирован на экран ЭОП 5, а второй ее линзовый компонент 9 оптически сопряжен с ТВ каналом 10 и сфокусирован на его ТВ камеру 11. В ТВ канале 10 последовательно соединены ТВ камера 11, видеоусилитель 12 и ТВ монитор 13. ТВ канал 10 содержит также синхрогенератор 14. К входам кадровой и строчной развертки ТВ камеры 11, видеоусилителя 12 и ТВ монитора 13, подключены одноименные выходы синхрогенератора 14. Устройство содержит также ИЛО 15, состоящий из ОФИ 16, сфокусированной на ИЛПИ 17, подключенный к первому выходу блока накачки 18. Устройство содержит также блок стробирования 19. Он включает последовательно соединенные ЗГИ 20, первый вход которого подключен к ко второму выходу блока накачки 18, БРЗ 21 и ФСИ 22, выход которого подключен к МКП 6, блок деления частоты 23, вход которого соединен с выходом строчной синхронизации синхрогенератора 14, а выход - со вторым входом ЗГИ 20. Блок стробирования 19 содержит блок преобразования задержки (БПЗ) 24, вход которого подключен ко второму выходу БРЗ 21, первый 26 и второй 25 электромеханические приводы, блок регулировки амплитуды тока накачки 27, первый вход которого соединен с первым выходом БПЗ 24, а выход - с входом блока накачки 18. Устройство содержит последовательно соединенные измеритель естественной освещенности 28, блок преобразования сигнала 29 и блок управления частотой 30, выход которого подключен к третьему входу ЗГИ 20, причем второй выход БПЗ 24 подключен через первый электромеханический привод 26 к оправе объектива 2, а третий выход - через второй электромеханический привод 25 к оправе ОФИ 16. Устройство содержит тепловизионный канал поиска и обнаружения объекта 31, состоящий из последовательно установленных на оптической оси инфракрасного (ИК) объектива 32 и тепловизионного модуля 33, содержащего электрически последовательно соединенные микроболометрическую матрицу фотодетекторов 34 и электронный блок 35, вход которого подключен ко второму выходу блока преобразования сигнала 29, а выход - к первому входу блока электронной обработки 36, ко второму входу которого подключен видеоусилитель 12. Выход блока электронной обработки 36 подключен ко входу ТВ монитора 13. В состав устройства входит двухпозиционный переключатель 37. Его подвижный контакт 38 подключен к входу первого электромеханического привода 26, первый неподвижный контакт 39 двухпозиционного переключателя 37 подключен к выходу БПЗ 24, а второй неподвижный контакт 43 подключен к выходу блока управления пассивным режимом 40, первый выход которого подключен к третьему электромеханическому приводу 41, выход которого кинематически связан с оправой первого линзового компонента 8 оптики переноса 7. Второй выход блока управления пассивным режимом 40 подключен к четвертому электромеханическому приводу 42, выход которого кинематически связан с оправой ИК объектива 32.
-3
Устройство работает следующим образом. При функционировании в пассивном режиме в условиях нормальной прозрачности атмосферы и при нормированном уровне ЕНО≥3×10 лк излучение звезд и Луны, определяющее уровень ЕНО, отражается от объекта наблюдения и окружающего его фона и приходит в блок наблюдения 1. Его объектив 2 формирует изображение объекта и фона на фотокатоде ЭОП 5. При этом узкополосный фильтр 3 выведен из хода лучей, а на его место установлена компенсирующая плоскопараллельная пластина 4. ЭОП 5 преобразует изображение в видимое и усиливает его по яркости с помощью МКП 6. Изображение с экрана ЭОП 5 с помощью оптики переноса 7 (ее первого линзового компонента 8 и второго ее линзового компонента 9) передается на матрицу ПЗС ТВ камеры 11 ТВ канала 10. ТВ камера 11 преобразует изображение в видеосигнал, который усиливается в видеоусилителе 12 и передается в ТВ монитор 13. На его экране создается видимое изображение. Синхрогенератор 14 обеспечивает при этом кадровую и строчную синхронизацию ТВ камеры 11, видеоусилителя 12 и ТВ монитора 13. При этом подвижный контакт 38 двухпозиционного переключателя 37 замыкается на первый неподвижный контакт 39. Блок управления пассивным режимом 40 с помощью первого электромеханического привода 26 управляет перефокусировкой объектива 2 в зависимости от ожидаемой дальности действия и с помощью третьего электромеханического привода 41 обеспечивает перефокусировку первого линзового компонента 8 оптики переноса 7, изменяя ее масштаб изображения в зависимости от дальности действия. Если при работе устройства в пассивном режиме объект не обнаруживается, то вместо блока наблюдения 1 включается тепловизионный канал 31. Его работа является необходимой при пониженной прозрачности атмосферы, а также при падении уровня ЕНО ниже нормированного значения. При этом блок управления пассивным режимом 40 с помощью четвертого электромеханического привода 42 обеспечивает перефокусировку ИК объектива 32 соответственно ожидаемой дальности действия. Собственное тепловое излучение объекта и фона приходят в тепловизионный канал 31. Его ИК объектив 32 создает тепловое изображение объекта и фона на микроболометрической матрице фотодетекторов 34 тепловизионного модуля 33, преобразующей изображение в видеосигнал. Он поступает в электронный блок 35, где усиливается и обрабатывается в реальном масштабе времени. С выхода электронного блока 35 и с выхода видеоусилителя 12 видеосигналы передается в блок электронной обработки 36. Здесь с помощью микропроцессорной обработки формируется интегрированное изображение, воплощающее в себе лучшие признаки телевизионного 10 и тепловизионного 31 каналов. Изображение наблюдается оператором с экрана ТВ монитора 13. Оператор осуществляет при этом поиск и обнаружение объекта в широком угле поля зрения.
После завершения процесса поиска и обнаружения объекта при работе устройства в пассивном режиме устройство переводится в АИ режим работы. При этом компенсирующая плоскопараллельная пластина 4 выводится из хода лучей, а вместо нее устанавливается узкополосный фильтр 3. Он служит для спектральной селекции объекта наблюдения на фоне широкоспектральных световых помех. При работе в АИ режиме блок накачки 18 ИЛО 15 формирует импульсы тока, которыми накачивается ИЛПИ 17. Он генерирует соответствующие импульсы излучения на длине волны 0,85 мкм. ОФИ 16 коллимирует излучение, формирует требуемый угол подсвета и направляет излучение на объект наблюдения, создавая на нем пятно подсвета. Импульсы излучения, отраженные от объекта, приходят в блок наблюдения 1. Его объектив 2 формирует изображение объекта на фотокатоде ЭОП 5. Узкополосный фильтр 3 работает на длине волны излучения лазерного подсвета 0,85 мкм и имеет полосу пропускания, равную спектральной полосе излучения ИЛПИ 17. До прихода импульса излучения на фотокатод ЭОП 5 его МКП 6 заперта напряжением постоянного смещения, передаваемого на МКП 6 с выхода ФСИ 22. В момент прихода на фотокатод ЭОП 5 импульса излучения на МКП 6 с выхода ФСИ 22 подается импульс напряжения с амплитудой, равной амплитуде постоянного смещения и противоположной ему по знаку. Благодаря этому МКП 6 открывается на время длительности этого импульса напряжения (длительности импульса строба). Эта длительность равна или несколько превышает длительность импульса излучения подсвета. Для обеспечения синхронной работы ИЛО 15 и ЭОП 5 синхроимпульсы с второго выхода ЗГИ 20 передаются в БРЗ 21, где задерживаются по отношению к синхроимпульсам с первого входа ЗГИ 20 на время, равное времени прохождения импульсом излучения расстояния от устройства до объекта наблюдения и обратно. С выхода БРЗ 21 синхроимпульсы поступают в ФСИ 22, который создает стробирующие импульсы напряжения, отпирающие МКП 6. При этом ЭОП 5 преобразует изображение в видимое и усиливает его по яркости с помощью МКП 6. Оператор, плавно изменяя задержку в БРЗ 21, может перемещать по глубине узкую зону просматриваемого пространства, определяемую длительностью импульса строба до тех пор, пока не выполнится указанное выше условие и в пределы этой зоны не попадет объект наблюдения. Изображение с экрана ЭОП 5 с помощью оптики переноса 7 (ее первого линзового компонента 8 и второго ее линзового компонента 9) передается на матрицу ПЗС ТВ камеры 11 ТВ канала 10. ТВ камера 11 преобразует изображение в видеосигнал, который усиливается в видеоусилителе 12 и передается в ТВ монитор 13. На его экране создается видимое изображение. Синхрогенератор 11 обеспечивает при этом кадровую и строчную синхронизацию ТВ камеры 11, видеоусилителя 12 и ТВ монитора 13, а также синхронизацию работы ЗГИ 20. Для этого сигнал строчной частоты синхрогенератора 14 поступает на второй вход ЗГИ 20, через блок деления частоты 23, который делит частоту строк до уровня, близкого к частоте работы ИЛО 15 и кратного ей. Со второго выхода БРЗ 21 сигнал задержки поступает в БПЗ 24. Здесь он преобразуется в электрический сигнал, управляющий работой первого 26 и второго 25 электромеханического привода, и регулирует фокусировку объектива 2 в соответствии с сигналом задержки, т.е. в соответствии с дальностью до объекта, на каком бы расстоянии от устройства он ни находился. Это повышает качество изображения во всем рабочем диапазоне дальностей АИ ТВ ПНВ. При этом подвижный контакт 38 переключателя 37 замыкается на неподвижный контакт 39. Сигнал со второго выхода БПЗ 24 поступает на вход второго электромеханического привода 25 и регулирует фокусировку ОФИ 16, формируя угол подсвета в соответствии с сигналом задержки, т.е. в соответствии с дальностью до объекта. При этом угол подсвета ИЛО 15 на больших дальностях сужается, на близких дальностях расширяется. Благодаря этому на повышенных дальностях возрастает энергетическая сила света ИЛО 15, соответственно повышается яркость наблюдаемого изображения и, следовательно, его качество. На малых дальностях широкий угол подсвета позволяет охватить весь объект наблюдения. Это положительно сказывается на качестве изображения объекта, а также позволяет снизить избыточную яркость подсвета и предотвратить засветку изображения. Сигнал с третьего выхода БПЗ 24 через блок регулировки длительности тока накачки 27 поступает на вход блока накачки 18, регулирует значение тока накачки и соответственно мощность излучения ИЛПИ 17 в соответствии с сигналом задержки, т.е. в соответствии с дальностью до объекта. На ближних дальностях ток накачки уменьшается. Благодаря этому снижается мощность излучения ИЛПИ 17. Соответственно этому уменьшается мощность излучения подсвета ИЛО 15 и не создается избыточная яркость изображения, приводящая к его засветке. На повышенных дальностях ток накачки соответственно значению задержки повышается, что приводит к увеличению мощности излучения подсвета ИЛО 15. Это позволяет повысить яркость изображения, что повышает его качество. Измеритель естественной освещенности 28 обеспечивает непрерывное измерение уровня ЕНО и формирует на выходе соответственно этому уровню электрический сигнал, который в блоке преобразования сигнала 29 преобразуется в форму, обеспечивающую управление работой блока 30 управления рабочей частотой АИ ТВ ПНВ. С выхода блока 30 сигнал поступает на третий вход ЗГИ 20. При повышенном уровне ЕНО частота ЗГИ 20 уменьшается, при пониженном - возрастает. В результате соответственно изменяется скважность работы АИ ТВ ПНВ, т.е. степень его защиты от световых помех, роль которых в данном случае играет повышенный уровень ЕНО (вплоть до дневной освещенности). Тем самым исключается засветка изображения избыточным уровнем ЕНО и повышается качество изображения.
Таким образом, данный АИ ТВ ПНВ обеспечивает поиск и обнаружение объекта, как при нормальной, так и при пониженной прозрачности атмосферы и при любом уровне ЕНО с возможностью оперативной регулировки угла поля зрения АИ ТВ ПНВ.