Многоканальный прибор ночного видения

Предлагаемая полезная модель относится к технике оптико-электронных приборов наблюдения, в частности к приборам ночного видения (ПНВ).
-3
Известен принятый за аналог двухканальный ПНВ FIITS фирмы Night Visionus (США), состоящий из ночного канала на основе электронно-оптического преобразователя (ЭОП) и тепловизионного канала (см. Волков В.Г., Гиндин П.Д. Достижения в технике видения. М.: Техносфера, 2019, книга 2, с. 991, фото 7.9.6). Канал на основе ЭОП работает в области спектра 0,4-0,9 мкм, а тепловизионный канал - в области спектра 8-12 мкм. Канал на основе ЭОП состоит из последовательно установленных на оптической оси ночного объектива, ЭОП и окуляра. Тепловизионный канал состоит из последовательно установленных на оптической оси инфракрасного (ИК) объектива, тепловизионного модуля, содержащего последовательно электрически соединенные микроболометрическую матрицу фотодетекторов, электронный блок, ТВ монитора в виде OLED-дисплея, окуляра. Каждый канал выполнен под соответствующий глаз оператора. Его мозг объединяет изображения обоих каналов в единое изображение. Недостатками устройства являются низкое качество изображения, ограниченность рабочей области спектра, что препятствует работе в широком диапазоне изменения внешних условий, а также невозможность работы при пониженном уровне естественной ночной освещенности (ЕНО) ниже нормированного значения ЕНО≤3×10 лк вплоть до полной темноты, а также при пониженном уровне температурных контрастов объекта наблюдения с окружающим его фоном.
-3
Известен принятый за прототип двухканальный ПНВ Griffin™ фирмы DEP Imaging (Швейцария) (см. Волков В.Г., Гиндин П.Д. Достижения в технике видения. М.: Техносфера, 2019, книга 2, с. 990, фото 7.9.2 - 7.9.4). ПНВ содержит телевизионный (ТВ) канал, тепловизионный канал и блок электронной обработки (БЭО). ТВ канал работает в области спектра 0,4-0,9 мкм, а тепловизионный канал - в области спектра 8-12 мкм. ТВ канал состоит из последовательно установленных на оптической оси ТВ объектива и ТВ камеры, содержащей ЭОП, экран которого стыкован с комплементарной структурой металл-оксид-проводника (КМОП) матрицей фотодетекторов. Тепловизионный канал состоит из последовательно установленных на оптической оси ИК объектива, тепловизионного модуля, содержащего последовательно электрически соединенные микроболометрическую матрицу фотодетекторов и электронный блок. При этом видеосигналы с выхода КМОП матрицы и электронного блока передаются в БЭО, где они микшируются и создают единое интегрированное изображение. Оно совмещает в себе лучшие информационные признаки изображений ТВ и тепловизионного каналов за счет микропроцессорной цифровой обработки изображений в реальном масштабе времени. Выход БЭО подключен к ТВ монитору в виде OLED-дисплея. Благодаря микшированию и микропроцессорной обработке изображения в БЭО данное устройство обладает более высоким качеством изображения, чем устройство-аналог. Однако по-прежнему сохраняется невозможность работы при пониженном уровне естественной ночной освещенности (ЕНО) ниже нормированного значения ЕНО≤3×10 лк вплоть до полной темноты, а также невозможность работы при пониженном уровне температурных контрастов объекта наблюдения с окружающим его фоном.
Задачей предлагаемой полезной модели является обеспечение работы в широком диапазоне изменения внешних условий с возможностью наблюдения при пониженном уровне ЕНО и при пониженном уровне температурного контраста объекта наблюдения с фоном.
Указанная задача решается тем, что многоканальный прибор ночного видения, состоящий из оптико-электронных телевизионного и тепловизионного каналов, причем телевизионный канал состоит из последовательно установленных на оптической оси телевизионного объектива и телевизионной камеры, выход которой подключен к первому входу промежуточного блока электронной обработки, тепловизионный канал состоит из последовательно установленных на оптической оси инфракрасного объектива и тепловизионного модуля, содержащего последовательно электрически соединенные микроболометрическую матрицу фотодетекторов и электронный блок, выход которого подключен ко второму входу промежуточного блока электронной обработки, выход которого подключен к телевизионному монитору, отличающийся тем, что дополнительно содержит второй телевизионный канал и второй тепловизионный канал, в первом телевизионном канале между первым телевизионным объективом и первой телевизионной камерой дополнительно установлено первое дихроичное плоское зеркало, первый выход первой телевизионной камеры подключен к первому входу дополнительно введенного первого промежуточного блока электронной обработки, второй телевизионный канал состоит из последовательно установленных на оптической оси второго телевизионного объектива, второго дихроичного плоского зеркала и второй телевизионной камеры, первый выход которой подключен ко второму входу первого промежуточного блока электронной обработки, первый тепловизионный канал дополнительно содержит третье дихроичное плоское зеркало, установленное между первым инфракрасным объективом и первым тепловизионным модулем, первый электронный блок которого подключен к первому входу дополнительно введенного второго промежуточного блока электронной обработки, второй тепловизионный канал содержит последовательно установленные на оптической оси второй инфракрасный объектив, четвертое дихроичное плоское зеркало и второй тепловизионный модуль, содержащий последовательно электрически соединенные матрицу фотодетекторов на основе антимонида индия и второй электронный блок, выход которого подключен ко второму входу второго промежуточного блока электронной обработки, при этом выходы первого и второго промежуточных блоков электронной обработки подключены соответственно к первому и второму входам блока электронной обработки, подключенного к телевизионному монитору, устройство дополнительно содержит первый лазерный осветитель, содержащий первое пороговое устройство, вход которого подключен ко второму выходу второй телевизионной камеры, а выход которого через первый блок накачки подключен к первому лазерному полупроводниковому излучателю, который оптически сопряжен через второе дихроичное плоское зеркало со вторым телевизионным объективом, сфокусированным на первый лазерный полупроводниковый излучатель, дополнительно содержит второй лазерный осветитель, содержащий второе пороговое устройство, вход которого подключен ко второму выходу первой телевизионной камеры, а выход которого подключен через второй блок накачки ко второму лазерному полупроводниковому излучателю, который оптически сопряжен через первое дихроичное плоское зеркало с первым телевизионным объективом, сфокусированным на второй лазерный полупроводниковый излучатель, дополнительно содержит третий лазерный осветитель, содержащий третье пороговое устройство, вход которого подключен ко второму выходу второго электронного блока, а выход подключен через третий блок накачки к третьему лазерному полупроводниковому излучателю, оптически сопряженному через четвертое дихроичное плоское зеркало со вторым инфракрасным объективом, сфокусированным на третий лазерный полупроводниковый излучатель, устройство дополнительно содержит четвертый лазерный осветитель, содержащий четвертое пороговое устройство, вход которого подключен ко второму выходу первого блока электронной обработки, а выход подключен через четвертый блок накачки к четвертому импульсному лазерному полупроводниковому излучателю, оптически сопряженному через третье дихроичное плоское зеркало с первым инфракрасным объективом, сфокусированным на четвертый лазерный полупроводниковый излучатель.
Данная задача решается благодаря тому, что устройство дополнительно содержит второй тепловизионный канал для работы в области спектра 3-5 мкм, второй телевизионный канал для работы в области спектра 0,9-1,7 мкм, лазерные осветители для работы на длинах волн 0,85 мкм, 1,55 мкм, 4,2 мкм и 10,3 мкм.
Блок-схема предлагаемого устройства представлена на чертеже фиг. 1. Устройство содержит четыре оптико-электронных канала с взаимно параллельными оптическими осями. Первый телевизионный (ТВ) канал 1 состоит из последовательно установленных на оптической оси первого ТВ объектива 2, первого дихроичного плоского зеркала 3, первой ТВ камеры 4, выход которой подключен к первому входу первого промежуточного блока электронной обработки (БЭО) 5. При этом первый ТВ объектив 2 сфокусирован на матрицу ПЗС первой ТВ камеры 4, работающей в области спектра 0,4-1,1 мкм. Второй ТВ канал 6 состоит из последовательно установленных на оптической оси второго ТВ объектива 7, второго дихроичного плоского зеркала 8, второй ТВ камеры 9, выход которой подключен ко второму входу первого промежуточного БЭО 5. При этом второй ТВ объектив 7 сфокусирован на матрицу фотодетекторов на основе соединения InGaAs второй ТВ камеры 9, работающей в области спектра 0,9-1,7 мкм. Первый тепловизионный канал 10 содержит последовательно установленные на оптической оси первый инфракрасный (ИК) объектив 11, третье дихроичное плоское зеркало 12, первый тепловизионный модуль 13, состоящий из микроболометрической матрицы фото детекторов 14, работающей в области спектра 8-12 мкм и подключенной к первому электронному блоку (ЭБ) 15, первый выход которого подключен к первому входу второго промежуточного БЭО 16. При этом первый ИК объектив 11 сфокусирован на микроболометрическую матрицу фото детекторов 14. Второй тепловизионный канал 17 состоит из последовательно установленных на оптической оси второго ИК объектива 18, четвертого дихроичного плоского зеркала 19 и второго тепловизионного модуля 20. Он содержит матрицу фото детекторов на основе антимонида индия 21, работающую в области спектра 3-5 мкм и подключенную ко второму ЭБ 22, первый выход которого подключен ко второму входу второго промежуточного БЭО 16. При этом второй ИК объектив 18 сфокусирован на матрицу фото детекторов на основе антимонида индия 21. Устройство содержит первый лазерный осветитель 23, содержащий первое пороговое устройство 24, вход которого подключен ко второму выходу второй ТВ камеры 9, а выход через первый блок накачки 25 подключен к первому лазерному полупроводниковому излучателю (ЛПИ) 26, излучающему на длине волны 0,85 мкм. Первый ЛПИ 26 оптически сопряжен через второе дихроичное плоское зеркало 8 со вторым ТВ объективом 7, сфокусированным на первый ЛПИ 26. Устройство содержит второй лазерный осветитель 27, содержащий второе пороговое устройство 28, вход которого подключен ко второму выходу первой ТВ камеры 4, а выход подключен через второй блок накачки 29 ко второму ЛПИ 30 и излучающему на длине волны 1,55 мкм. Второй ЛПИ 30 оптически сопряжен через первое дихроичное плоское зеркало 3 с первым ТВ объективом 2, сфокусированным на второй ЛПИ 30. Устройство содержит третий лазерный осветитель 31, содержащий третье пороговое устройство 32, вход которого подключен ко второму выходу второго ЭБ 22, а выход подключен через третий блок накачки 33 к третьему ЛПИ 34, излучающему на длине волны 10,3 мкм. Третий ЛПИ 34 оптически сопряжен через четвертое дихроичное плоское зеркало 19 со вторым ИК объективом 18, сфокусированным на третий ЛПИ 34. Устройство содержит четвертый лазерный осветитель 35, содержащий четвертое пороговое устройство 36, вход которого подключен ко второму выходу первого ЭБ 15, а выход подключен к четвертому ЛПИ 38 через четвертый блок накачки 37. Четвертый ЛПИ 38 излучает на длине волны 4,2 мкм. Он оптически сопряжен через третье дихроичное плоское зеркало 12 с первым ИК объективом 11, сфокусированным на четвертый ЛПИ 38. Выходы первого промежуточного БЭО 5 и второго промежуточного БЭО 16 подключены соответственно к первому и второму входам БЭО 39, выход которого подключен к ТВ монитору 40, выполненному на основе OLED-дисплея.
Первое дихроичное плоское зеркало 3 пропускает к области спектра 0,4-1,1 мкм и отражает на длине волны 1,55 мкм. Второе дихроичное плоское зеркало 8 пропускает в области спектра 0,9-1,7 мкм и отражает на длине волны 0,85 мкм. Третье дихроичное плоское зеркало 12 пропускает в области спектра 8-12 мкм и отражает на длине волны 4,2 мкм. Четвертое дихроичное плоское зеркало 19 пропускает в области спектра 3-5 мкм и отражает на длине волны 10,3 мкм. Первый ТВ объектив 2 работает в области спектра 0,4-1,1 мкм и на длине волны 1,55 мкм, второй ТВ объектив 7 работает в области спектра 0,8-1,7 мкм и на длине волны 0,85 мкм. Первый ИК объектив 11 работает в области спектра 8-12 мкм и на длине волны 4,2 мкм. Второй ИК объектив 18 работает в области спектра 3-5 мкм и на длине волны 10,3 мкм.
Устройство работает следующим образом. Первоначально функционируют четыре оптико-электронных канала без лазерных осветителей. При этом для первого 1 и второго 6 ТВ каналов рабочие области спектра 0,4-1,1 мкм и 0,9-1,7 мкм взаимно дополняют друг друга. Излучение ЕНО в области спектра 0,4-1,1 мкм, уровень которого определяется излучением звезд и Луны, отражается от объекта, окружающего его фона и поступает в первый ТВ канал 1 на вход первого ТВ объектива 2. Он формирует изображение объекта и фона на матрице ПЗС первой ТВ камеры 4 для области спектра 0,4-1,1 мкм. При этом излучение проходит через первое дихроичное зеркало 3. ТВ камера 4 преобразует изображение в видеосигнал, который поступает на первый вход первого промежуточного БЭО 5. Одновременно излучение ЕНО для области спектра 0,9-1,7 мкм, уровень которого определяется излучением звезд и Луны, отражается от объекта, окружающего его фона и поступает во второй ТВ канал 6 на вход второго ТВ объектива 7. Он формирует изображение объекта и фона на матрице ПЗС второй ТВ камеры 9 для области спектра 0,9-1,7 мкм. При этом излучение проходит через второе дихроичное зеркало 8. Вторая ТВ камера 9 преобразует изображение в видеосигнал, который поступает на второй вход первого промежуточного БЭО 5. В первом промежуточном БЭО 5 микшируются видеосигналы с входов первого 1 и второго 6 ТВ каналов.
Если уровень ЕНО для первого ТВ канала 1 окажется ниже некоторого порогового уровня, то срабатывает второе пороговое устройство 28. Оно запускает второй блок накачки 29, который подает ток накачки на второй ЛПИ 30. Он генерирует излучение на длине волны 1,55 мкм, которое отражается от первого дихроичного плоского зеркала 3, а первый ТВ объектив 2 коллимирует это излучение и направляет его на объект наблюдения, создавая на нем пятно подсвета. Излучение, отраженное от объекта и фона, поступает во второй ТВ канал 6. Второй объектив 7 создает изображение объекта и фона на матрице фото детекторов на основе InGaAs второй ТВ камеры 9. Благодаря подсвету объекта на длине волны 1,55 мкм во второй ТВ камере 9 второго ТВ канала 6 происходит дополнительное усиление выходного сигнала. Это компенсирует недостаточную чувствительность в данных условиях первого ТВ канала 1. При этом излучение проходит через второе дихроичное плоское зеркало 8. Вторая ТВ камера 9 преобразует изображение в видеосигнал, который поступает на второй вход первого промежуточного БЭО 5. В первом промежуточном БЭО 5 микшируются видеосигналы с входов первого 1 и второго 6 ТВ каналов.
Если уровень ЕНО для второго ТВ канала 6 оказывается ниже некоторого порогового уровня, то срабатывает первое пороговое устройство 24. Оно запускает первый блок накачки 25, который подает ток накачки на первый ЛПИ 26. Он генерирует излучение на длине волны 0,85 мкм, которое отражается от второго дихроичного плоского зеркала 8, а второй ТВ объектив 7 коллимирует это излучение и направляет его на объект наблюдения, создавая на нем пятно подсвета. Излучение, отраженное от объекта, приходит в первый ТВ канал 1. Далее он работает так же, как это было описано выше. Таким образом, благодаря подсвету объекта на длине волны 0,85 мкм в первой ТВ камере 4 первого ТВ канала 1 происходит дополнительное усиление выходного сигнала. Это компенсирует недостаточную чувствительность в данных условиях второго ТВ канала 6. В первом промежуточном БЭО 5 микшируются видеосигналы с входов первого 1 и второго 6 ТВ каналов.
Если существует пониженная прозрачность атмосферы (дымка, туман, дождь, снегопад и др.), то работают тепловизионные каналы 10 и 17. Собственное тепловое излучение от объекта и фона для области спектра 8-12 мкм приходит в первый тепловизионный канал 10. Его первый ИК объектив 11 создает тепловое изображение объекта и фона на микроболометрической матрице фото детекторов 14 первого тепловизионного модуля 13. При этом излучение проходит через третье дихроичное плоское зеркало 12. Микроболометрическая матрица фото детекторов 14, работающая в области спектра 8-12 мкм, преобразует изображение в видеосигнал, который поступает в первый ЭБ 15. В нем видеосигнал усиливается и обрабатывается в реальном масштабе времени. С выхода первого ЭБ 15 видеосигнал передается на первый вход второго промежуточного БЭО 16. Одновременно собственное тепловое излучение от объекта и фона для области спектра 3-5 мкм приходит во второй тепловизионный канал 17. Его второй ИК объектив 18 создает тепловое изображение объекта и фона на матрице фотодетекторов на основе антимонида индия 21 второго тепловизионного модуля 20. При этом излучение проходит через четвертое дихроичное плоское зеркало 19. Матрица фото детекторов 21, работающая в области спектра 3-5 мкм, преобразует изображение в видеосигнал, который поступает во второй ЭБ 22. В нем видеосигнал усиливается и обрабатывается в реальном масштабе времени. С выхода второго ЭБ 22 видеосигнал передается на второй вход второго промежуточного БЭО 16. Оба тепловизионных канала взаимно дополняют друг друга. Во втором промежуточном БЭО 16 микшируются видеосигналы с входов первого 10 и второго 17 тепловизионных каналов.
Если уровень температурного контраста объекта и фона для первого тепловизионного канала 10 для области спектра 8-12 мкм оказывается ниже некоторого порогового уровня, то срабатывает четвертое пороговое устройство 36. Оно запускает четвертый блок накачки 37, который подает ток накачки на четвертый ЛПИ 38. Он генерирует излучение на длине волны 4,2 мкм, которое отражается от третьего дихроичного плоского зеркала 12, а первый ИК объектив 11 коллимирует это излучение и направляет его на объект наблюдения, создавая на нем пятно подсвета. Излучение, отраженное от объекта, приходит во второй ИК объектив 18 второго тепловизионного канала 17. Второй ИК объектив 18 создает тепловое изображение объекта и фона на матрице фото детекторов на основе антимонида индия 21 второго тепловизионного модуля 20. При этом излучение проходит через четвертое дихроичное плоское зеркало 19. Матрица фотодетекторов 21 преобразует изображение в видеосигнал, который поступает во второй ЭБ 22. В нем видеосигнал усиливается, обрабатывается в реальном масштабе времени и передается во второй вход второго промежуточного БЭО 16. Во втором промежуточном БЭО 16 микшируются видеосигналы с входов первого 10 и второго 17 тепловизионных каналов. Таким образом, благодаря подсвету объекта на длине волны 4,2 мкм во втором тепловизионном канале 17 происходит дополнительное усиление выходного сигнала. Это компенсирует недостаточную чувствительность в данных условиях первого ТВ канала 10. Если уровень температурного контраста объекта и фона для области спектра 3-5 мкм второго тепловизионного канала 17 оказывается ниже некоторого порогового уровня, то срабатывает третье пороговое устройство 32. Оно запускает третий блок накачки 33, который подает ток накачки на третий ЛПИ 34. Он генерирует излучение на длине волны 10,3 мкм, которое отражается от четвертого дихроичного плоского зеркала 19, а второй ИК объектив 18 коллимирует это излучение и направляет его на объект наблюдения, создавая на нем пятно подсвета. Излучение, отраженное от объекта, приходит в первый ИК объектив 11 первого тепловизионного канала 10. При этом излучение проходит через третье дихроичное плоское зеркало 12. Матрица фотодетекторов 14, тепловизионного модуля 13, работающая в области спектра 8-12 мкм, преобразует изображение в видеосигнал, который поступает в первый ЭБ 15. В нем видеосигнал усиливается и обрабатывается в реальном масштабе времени. С выхода первого ЭБ 15 видеосигнал передается на первый вход второго промежуточного БЭО 16. Во втором промежуточном БЭО 16 микшируются видеосигналы с входов первого 10 и второго 17 тепловизионных каналов. Таким образом, благодаря подсвету объекта на длине волны 10,3 мкм в первом тепловизионном канале 10 происходит дополнительное усиление выходного сигнала. Это компенсирует недостаточную чувствительность в данных условиях второго ТВ канала 17.
С выходов первого промежуточного БЭО 5 и второго промежуточного БЭО 16 видеосигналы подаются соответственно на первый и второй входы БЭО 39, где они микшируются, создавая интегрированный видеосигнал, воплощающий в себе лучшие информационные признаки всех четырех кагалов. С выхода БЭО 39 видеосигнал подается на ТВ монитор 40, с экрана которого оператор наблюдает изображение.
В настоящее время разработана принципиальная схема устройства и выполнено его макетиование.
Таким образом, благодаря тому, что устройство дополнительно содержит второй тепловизионный канал для работы в области спектра 3-5 мкм, второй телевизионный канал для работы в области спектра 0,9-1,7 мкм, лазерные осветители для работы на длинах волн 0,85 мкм, 1,55 мкм, 4,2 мкм и 10,3 мкм, решается задача обеспечения работы в широком диапазоне изменения внешних условий с возможностью наблюдения при пониженном уровне ЕНО и при пониженном уровне температурного контраста объекта наблюдения с фоном.