Активно-импульсный телевизионный прибор ночного видения на основе импульсного твердотельного лазера

Предлагаемая полезная модель относится к технике оптико-электронных приборов наблюдения, в частности к активно-импульсным телевизионным приборам ночного видения (АИ ТВ ПНВ).
Известен принятый за аналог АИ ТВ ПНВ (см. Волков В.Г., Гиндин П.Д. Достижения в технике видения. М: Техносфера, 2019, 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), оптики переноса, первый линзовый компонент которой сфокусирован на экран ЭОП, а второй ее компонент сфокусирован на матрицу ПЗС телевизионной (ТВ) камеры, подключенной к ТВ монитору. АИ ТВ ПНВ содержит импульсный лазерный осветитель (ИЛО). Он состоит из блока накачки, импульсного лазерного полупроводникового излучателя (ИЛПИ) и объектива формирования излучения (ОФИ). Выход блока накачки подключен к ИЛПИ, на излучающую поверхность которого сфокусирован ОФИ. АИ ТВ ПНВ содержит блок стробирования, состоящий из последовательно соединенных задающего генератора импульсов (ЗГИ), блока регулируемой задержки (БРЗ) и формирователя стробирующих импульсов. При этом первый выход ЗГИ подключен к блоку накачки, а второй выход - к БРЗ, а выход ФСИ подключен к МКП ЭОП.
Недостатком АИ ТВ ПНВ является его низкая дальность действия из-за сравнительно малой мощности излучения ИЛО на базе ИЛПИ и широкого угла его подсвета. Кроме того, для того, чтобы удержать объект наблюдения в пределах сравнительно узкой глубины просматриваемого пространства, определяемого малой длительностью импульса строба, при взаимном перемещении объекта и носителя АИ ТВ ПНВ по глубине, оператору необходимо непрерывно перестраивать задержку в БРЗ. Это неудобно с эргономической точки зрения, так как отвлекает оператора от выполнения им его прямых функций - обнаружения и распознавания объекта наблюдения. Кроме того, отсутствовает точное измерение дальности до объекта (она измеряется оператором по величине задержки, и это не совсем точно).
Известен принятый за прототип АИ ТВ ПНВ (см. Волков В.Г., Гиндин П.Д. Достижения в технике видения. М.: Техносфера, 2019, с. 47, рис. 1.3.1). Он содержит такой же блок наблюдения и блок стробирования, как и в устройстве-аналоге. ИЛО, выполненный на основе твердотельного лазера, состоит из последовательно установленных на оптической оси фотоприемного устройства, частично отражающего зеркала резонатора, активной среды, полупрозрачного зеркала резонатора, модулятора добротности на основе ячейки Поккельса, подключенной к своему блоку питания, и обращенной телескопической системы Галилея. Выход фотоприемного устройства через усилитель подключен ко входу ЗГИ-блока стробирования. ИЛО содержит эллиптический зеркальны отражатель, в одном его фокусе находится активная среда, а в другом фокусе - трубчатая лампа накачки, подключенная к своему блоку питания.
Достоинством устройства по сравнению с устройством-аналогом является резкое увеличение дальности действия за счет резкого повышения мощности излучения и резкого сужения угла подсвета ИЛО. Однако по-прежнему остается указанная выше невозможность точного измерения дальности до объекта.
Задачей предлагаемой полезной модели является точное измерение дальности до объекта.
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 компонент сфокусирован на матрицу ПЗС телевизионной камеры, подключенной к телевизионному монитору, блок стробирования, содержащий последовательно соединенные задающий генератор импульсов, блок регулируемой задержки и формирователь стробирующих импульсов, выход которого подключен к микроканальной пластине, импульсный лазерный осветитель на основе твердотельного лазера, состоящий из последовательно установленных на оптической оси отражающего зеркала резонатора, активной среды, полупрозрачного зеркала резонатора, модулятора добротности на основе ячейки Поккельса, подключенной к своему блоку питания, и обращенной телескопической системы Галилея, импульсный лазерный осветитель содержит также эллиптический зеркальный отражатель, в одном фокусе которого установлена активная среда, а в другом фокусе - трубчатая лампа накачки, подключенная к своему блоку питания, отличающийся тем, что дополнительно веден блок управления, который содержит вторую оптику переноса, содержащую первый и второй ее линзовые элементы, фотоприемное устройство, плоское зеркало, первое светоделительное плоское зеркало, проекционный объектив, усилитель, амплитудный селектор импульсов, схему сравнения, измеритель временных интервалов, в блоке наблюдения между объективом и узкополосным фильтром дополнительно введено дихроичное плоское зеркало, оптически сопряженное через вторую оптику переноса, состоящую из первого и второго линзовых элементов, с фотоприемным устройством, между этими элементами последовательно установлены плоское зеркало и первое светоделительное зеркало, оптически сопряженное через проекционный объектив и второе светоделительное зеркало с выходом модулятора добротности, причем второе светоделительное зеркало установлено между модулятором добротности и обращенной телескопической системой Галилея, выход фотоприемного устройства через усилитель подключен к амплитудному селектору импульсов, первый выход которого подключен ко входу задающего генератора импульсов и к первому входу схемы сравнения, а второй выход амплитудного селектора импульсов подключен ко второму входу схемы сравнения, выход которой подключен к измерителю временных интервалов, первый выход которого подключен ко второму входу блока регулируемой задержки, а второй выход подключен ко входу телевизионной камеры.
Указанная задача решается благодаря вводу в устройство дополнительных электронных блоков и оптики, расширяющих функции фотоприемного устройства и приводящих к оперативному изменению задержки в зависимости от расстояния от объекта наблюдения до устройства без вмешательства оператора.
Блок-схема предлагаемого устройства представлена на чертеже фиг. 1.
Устройство содержит блок наблюдения 1, ИЛО 2, блок стробирования 3, блок управления 4. Блок наблюдения 1 состоит из последовательно установленных на оптической оси объектива 5, первого дихроичного плоского зеркала 6, узкополосного фильтра 7 с возможностью его замены на компенсирующую плоскопараллельную пластину 8, ЭОП 9 с МКП 10, оптику переноса 11, содержащую первый 12 и второй 13 линзовые компоненты, ТВ-камеру 14, подключенную к ТВ-монитору 15. При этом первый линзовый компонент 12 сфокусирован на экран ЭОП 9, а второй линзовый компонент сфокусирован на матрицу ПЗС ТВ-камеры 14. ИЛО 2 содержит последовательно установленные на оптической оси отражающее зеркало резонатора 16, активную среду 17, полупрозрачное зеркало резонатора 18, модулятор добротности на основе ячейки Поккельса 19, подключенной к его блоку питания 20, первое светоделительное зеркало 21 и обращенную телескопическую системы Галилея 22. ИЛО 2 содержит также эллиптический зеркальный отражатель 23, в одном фокусе которого установлена активная среда 17, а в другом фокусе - трубчатая лампа накачки 24, подключенная к своему блоку питания 25. Блок стробирования 3 состоит из последовательно соединенных ЗГИ 26, БРЗ 27 и ФСИ 28, выход которого подключен к МКП 10 ЭОП 9. Блок управления 4 содержит вторую оптику переноса 29, состоящую из первого 30 и второго 31 ее линзовых элементов, фотоприемное устройство (ФПУ) 32, плоское зеркало 33, первое светоделительное плоское зеркало 34, проекционный объектив 35, усилитель 36, амплитудный селектор импульсов 37, схему сравнения 38, измеритель временных интервалов (ИВИ) 39. Первый оптический элемент 30 второй оптики переноса 29 оптически сопряжен через дихроичное плоское зеркало 6 с объективом 5, а второй линзовый элемент 31 второй оптики переноса 29 сфокусирован на фоточувствительную площадку фотоприемного устройства (ФПУ) 32. Между первым 30 и вторым 31 линзовыми элементами последовательно установлены плоское зеркало 33 и первое светоделительное зеркало 34, которое через проекционный объектив 35 и второе светоделительное зеркало 21 оптически сопряжено с модулятором добротности 19. Выход ФПУ 32 через усилитель 36 подключен к амплитудному селектору импульсов 37. Его первый выход подключен во входу ЗГИ 26 и к первому входу схемы сравнения 38, ко второму входу которой подключен второй выход амплитудного селектора импульсов 37. Выход схемы сравнения 38 подключен к измерителю временных интервалов 39, первый выход которого подключен ко второму входу БРЗ 27, а второй выход подключен ко входу ТВ камеры 14.
-5
ИЛО 2 излучает на длине волны 1,55 мкм. Дихроичное плоское зеркало 6 пропускает в области спектра 0,8 - 1,7 мкм и отражает 10% излучения на длине волны 1,55 мкм. Узкополосный фильтр 7 пропускает на длине волны 1,55 мкм, а ширина его рабочей области спектра равна ширине полосе излучения ИЛО 2. Фотокатод ЭОП 9 работает в области спектра 0,8-1,7 мкм. Экран ЭОП 9 работает в области спектра 0,53 - 0,56 мкм. Матрица ПЗС ТВ камеры 14 работает в области спектра 0,4-1,1 мкм, а ФПУ 31 - в области спектра 0,8-1,7 мкм. Первое светоделительное плоское зеркало 34 отражает 30% излучения на длине волны 1,55 мкм и отражает 70% на этой длине волны. Второе светоделительное зеркало 21 пропускает 10% на длине волны 1,55 мкм, пропуская все остальное излучение на этой длине волны.
Устройство работает следующим образом.
При работе в пассивном режиме излучение звезд и Луны, определяющее уровень естественной ночной освещенности (ЕНО), отражается от объекта наблюдения, окружающего его фона и приходит в объектив 5. При этом узкополосный фильтр 7 выведен из хода лучей, а на его место установлена компенсирующая плоскопараллельная пластина 8. Излучение проходит через дихроичное зеркало 6 и пластину 8 на фотокатод ЭОП 9. На фотокатоде ЭОП 9 объектив 5 создает изображение объекта и фона. ЭОП 9 преобразует изображение в видимое и усиливает его по яркости с помощью МКП 10. Изображение с экрана ЭОП 9 с помощью оптики переноса 11 (ее первого 12 и второго 13 линзовых компонентов) передается на матрицу ПЗС ТВ-камеры 14. Она преобразует изображение в видеосигнал, который поступает в ТВ-монитор 15. С его экрана оператор наблюдает изображение, осуществляя поиск и обнаружение объекта в широком поле зрения АИ ТВ ПНВ.
После обнаружение объекта АИ ТВ ПНВ переводится в АИ режим работы. При этом включается ИЛО 2, блок стробирования 3 и блок управления 4. В поле зрения блока наблюдения 1 вместо компенсирующей плоскопараллельной пластины 8 устанавливается узкополосный фильтр 7. В ИЛО 2 под действием блока питания 25 возбуждается трубчатая лампа накачки 24. Поскольку она находится в одном фокусе эллиптического отражателя 23, а активная среда 17 находится в другом его фокусе, то излучение лампы накачки 24 полностью концентрируется на активной среде 17, осуществляя ее накачку. В активной среде 17 возникает стимулированное лазерное излучение. Оно усиливается в резонаторе, образованным зеркалами 16 и 18, входит наружу через полупрозрачное зеркало 18 и приходит в модулятор добротности 19. Он работает под действием своего блока питания 20. В результате модулятор 19 обеспечивает режим модулированной добротности, вынуждающий ИЛО 2 генерировать короткие мощные импульсы лазерного излучения. Оно проходит через второе светоделительное зеркало 21 и коллимируется с помощью обращенной телескопической системы Галилея 22, создавая на объекте пятно подсвета. Импульсы излучения, отраженные от объекта, приходят в объектив 5, проходят через дихроичное плоское зеркало 6 и узкополосный фильтр 7, осуществляющий спектральную селекцию объекта на фоне световых помех. Объектив 5 создает изображение на фотокатоде ЭОП 9. До прихода импульса излучения на фотокатод ЭОП 9 его МКП 10 заперта напряжением постоянного смещения, поступающего с выхода ФСИ 28. Незначительные по амплитуде импульсы лазерного излучения с выхода модулятора добротности 19, отразившись от второго светоделительного зеркала 21, с помощью проекционного объектива 35 и второго линзового элемента 31 проецируются на фоточувствительную площадку ФПУ 32, отразившись от первого светоделительного зеркала 34. ФПУ 32 формирует на выходе малые по амплитуде электрические импульсы. Они усиливаются в усилителе 36 и приходят в амплитудный селектор импульсов 37. Он отделяет импульсы малой амплитуды от импульсов большой амплитуды и посылает импульсы малой амплитуды с первого выхода амплитудного селектора импульсов 37 на вход ЗГИ 26, работающий в ждущем режиме. Он преобразует электрические импульсы в синхроимпульсы, которые поступают в БРЗ 27. В нем формируется плавно регулируемая задержка. Синхроимпульсы с входа БРЗ 27 поступают на вход ФСИ 28. В момент прихода импульса излучения на фотокатод ЭОП 9 ФСИ 28 подает на МКП 10 импульсы напряжения (стробирующие импульсы), равные по амплитуде,  нообратные по полярности по отношению к напряжению постоянного смещения. В результате МКП 10 отпирается на время действия стробирующих импульсов, а ЭОП 9 преобразует изображение в видимое и усиливает его по яркости с помощью МКП 10. Изображение с экрана ЭОП 9 с помощью оптики переноса 11 (ее первого 12 и второго 13 линзовых компонентов) переносится на матрицу ПЗС ТВ камеры 14. Она преобразует изображение в видеосигнал, поступающий в ТВ монитор 15. С его экрана оператор наблюдает изображение. Это обеспечивается благодаря тому, что оператор плавно регулирует задержку в БРЗ 27 до тех пор, пока она не окажется равной времени прохождения импульсом излучения расстояния от устройства до объекта и обратно. При этом оператор видит изображение объекта и распознает его. Чтобы оператору не приходилось непрерывно регулировать задержку в процессе взаимного перемещения по глубине объекта и АИ ТВ ПНВ, всякий раз подстраивая задержку под это непрерывно изменяющееся расстояние между объектом и АИ ТВ ПНВ, используется блок управления 4. Импульсы излучения, отраженные от объекта, приходят в объектив 5, отражаются от дихроичного плоского зеркала 6 и приходят в первый линзовый элемент 30 оптики переноса 29. Он передает импульс излучения во второй линзовый элемент 31 оптики переноса 29. При этом импульсы излучения отражаются от плоского зеркала 33 и проходят через первое светоделительное зеркало 34. Эти импульсы обладают существенно более высокой амплитудой, чем амплитуда импульсов лазерного излучения с выхода второго светоделительного зеркала 21. ФПУ 32 преобразует импульсы излучения в электрические импульсы, которые усиливаются по амплитуде и передаются в амплитудный селектор импульсов 37. Он разделяет все приходящие в него импульсы по амплитуде. Благодаря этому низкоамплитудные импульсы с первого выхода амплитудного селектора импульсов 37 поступают на вход ЗГИ 26 и на первый вход схемы сравнения 38. В ней формируется разность во времени между низкоамплитудным и высокоамплитудным импульсами, пропорциональная дальности до объекта. Сигнал этой разности передается в измеритель временных интервалов 39, где осуществляется его измерение и оцифровка. Этот сигнал передается в ТВ монитор 15, на экране которого отображается цифровое значение дальности. В настоящее время разработана принципиальная схема устройства и выполнено его макетирование.
Таким образом, благодаря вводу в устройство дополнительных электронных блоков и оптики, приводящих к оперативному изменению задержки в зависимости от расстояния от объекта наблюдения до устройства без вмешательства оператора, расширяются функции фотоприемного устройства и обеспечивается точное измерение дальности до объекта наблюдения.