eng
Выпуск #6/2018
А. В. Медведев, А. В. Гринкевич, С. Н. Князева
Универсальный многоспектральный прицельно-наблюдательный прибор ккак средство совершенствования СУО объектов БТВТ
Универсальный многоспектральный прицельно-наблюдательный прибор ккак средство совершенствования СУО объектов БТВТ
Просмотры: 3401
В статье рассмотрено направление совершенствования системы управления огнем (СУО) объектов бронетанковой техники, заключающееся в создании стабилизированной комбинированой многоканальной оптической системы прицельно-наблюдательного комплекса с одним общим входным зрачком, а также ее модификация в виде панорамного прибора. Такой подход решает множество задач: от минимизации головных частей, позволяющих оптимизировать систему двухплоскостной стабилизации положения линии визирования, до одновременной работы в различных спектральных диапазонах, т. е. получения комплексированного панорамного изображения, повышающего вероятность нахождения и распознавания целей в сложных условиях наблюдения.
DOI: 10.22184/1993-7296.2018.12.6.598.615
DOI: 10.22184/1993-7296.2018.12.6.598.615
Теги: panoramic device spectrum splitter television channel thermal imaging channel two-plane stabilization двухплоскостная стабилизация панорамный прибор спектроделитель телевизионный канал тепловизионный канал
Рассматривая современные стабилизированные прицелы для боевых бронированных машин, можно отметить, что все они, как правило, имеют дневной оптический канал и многие дополнительно оснащены ночным каналом, а также лазерным дальномером. Дневная оптика считается очень важным элементом прицела, так как оптический канал прямого обзора остается лучшим вариантом обеспечения изображения высокой разрешающей способности и передачи истинного цвета в таком качестве, которое необходимо для уверенного опознавания цели.
Ночной канал представляет собой либо тепловизионную камеру с ИК-оптикой и чувствительным элементом в виде решетки, позволяющей обойтись без механического сканирования, либо канал, построенный на электронно-оптических усилителях яркости изображения, работающих в ближнем ИК-диапазоне.
Основным тактическим требованием к приборному оснащению бронетехники является обеспечение возможности эффективно использовать приборы в условиях вибрации при движении машины.
Это означает, что оператор, находясь под защитой брони башни, должен вести наблюдение из движущейся машины, уверенно обнаруживать и опознавать цель, приближающуюся с любого направления, и получать информацию о параметрах горизонтальной и вертикальной наводки. Для обеспечения этих требований прицел должен быть оснащен стабилизированными оптико-электронной и оптической системами.
Ось визирования прицельно-наблюдательных систем, установленных на бронетехнике, вследствие линейных и угловых перемещений в процессе движения машины подвергается определенным угловым возмущениям. Чтобы использовать прицел по назначению, необходимо иметь возможность управлять положением его оси визирования в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Также необходимо, чтобы положение было синхронизировано с осями гирос-
копа для минимизации влияния угловых возмущений. Именно точная стабилизация позволяет получить отчетливее изображение наблюдаемых объектов, обеспечивая распознавание цели.
Для управления осью визирования и стабилизации изображения, получаемого в поле зрения прицелов, как правило, используются плоские зеркала или призмы в системах с большим диапазоном прокачки линии визирования (до 70°). Преимущества зеркал перед призмами очевидны – зеркала более легкие элементы по сравнению с призмами. Следовательно, зеркала имеют меньший момент инерции, что в значительной мере упрощает их использование в качестве стабилизирующего элемента. Данная статья не ставит задачей рассмотрение случаев систем с большими углами прокачки линии визирования, когда наличие призменного элемента, меняющего направление линии визирования, обусловлено жесткой необходимостью.
Современные условия, кроме требований, обусловленных техническими особенностями конструктивного решения прицельных систем, выдвигают требования по обеспечению многоплановости визуальной информации, детализации особенностей наблюдаемых объектов в зависимости от спектрального диапазона наблюдения. Например, известные тепловые сигнатуры различных объектов наблюдения, зависящие от характера материалов, из которых они изготовлены, дают возможность идентифицировать нагретые объекты, невидимые через визуальный канал, с помощью тепловизионного канала.
Многоканальность и многоспектральность современных прицельно-наблюдательных систем объектов бронетехники является не просто веянием времени. Это закономерная ступень развития систем наблюдения и прицеливания, позволяющая повысить живучесть объекта за счет увеличения информативности получаемого изображения, обеспечения возможности оперативного анализа обстановки и принятия верных решений во время боевых действий.
Значительный опыт работы над оптическими системами прицельно-наблюдательных приборов, предназначенных для комплектования объектов БТВТ, основанный на анализе рынка существующих отечественных и зарубежных изделий-аналогов, показывает, что назрела острая необходимость создания стабилизированных комбинированных многоканальных оптических систем с одним общим входным зрачком. Такой подход решает множество задач: от минимизации головных частей, позволяющих оптимизировать систему двухплоскостной стабилизации положения линии визирования, до возможности одновременной работы в различных спектральных диапазонах, т. е. получения комплексированного изображения, повышающего вероятность нахождения и распознавания целей в сложных условиях наблюдения.
В настоящей публикации предлагается к рассмотрению схема прицела, включающего в себя визуальный, телевизионный, тепловизионный и дальномерный каналы (рис. 1).
В предложенной схеме все прицельно-наблюдательные каналы и приемный канал лазерного дальномера работают через единое входное окно, а головная часть стандартно решена в виде качающегося зеркала с системой двухплоскостной стабилизации линии визирования.
Эффективное распределение входящего потока излучения, отраженного от головного зеркала, обеспечивается тремя спектроделительными элементами (рис. 2):
• спектроделитель 1 отражает диапазон спектра от 0,45 до 1,1 мкм и пропускает диапазон от 1,5 до 13,0 мкм (с контрольными рабочими спектрами (1,5–1,6) мкм и (8–13) мкм);
• спектр, прошедший через спектроделитель 1, попадает на спектроделитель 2, который отражает диапазон (1,5–1,6) мкм, формируя пучок излучения приемного канала дальномера, и пропускает диапазон (8–13) мкм, формируя пучок излучения тепловизионного канала;
• спектр, отраженный от спектроделителя 1, попадает на спектроделитель 3, который отражает спектральный диапазон (0,45–0,65) мкм, формируя световой пучок визуального канала, и пропускает диапазон (0,65–1,1) мкм, формируя световой пучок телевизионного канала.
В этом случае телевизионный канал более эффективно работает на больших дальностях, когда отрезан коротковолновый участок (0,4–0,65 мкм) и улучшается видимость в дымке, в тумане, в сумерки и ночью.
Особенностью предложенного схемного решения является необходимость в использовании высокоэффективных спектроделительных покрытий, так как 1-й спектроделительный элемент должен иметь хорошее отражение на длине волны 1,5 мкм и хорошее пропускание в двух областях спектра по разные стороны от длины волны 1,54 мкм – (0,4–1,1) мкм и (8–13) мкм. Обычно выделение отраженной длины волны 1,54 мкм эффективно достигается при подавлении более короткой и более длинной частей спектра без нормирования пропускания в этих диапазонах, т. е. в основном для целей не спектроразделения, а фильтрации, т. е. устранения спектральных фонов.
Практически в спектроделителях наиболее эффективным является разделение падающего излучения на два диапазона – например, на видимую и ИК-части спектра [1].
Однако и здесь имеются свои особенности. Например, возможны два решения спектроделителей: высокое отражение в длинноволновом диапазоне и высокое пропускание в коротковолновом или наоборот – высокое отражение в коротковолновом диапазоне и высокое пропускание в длинноволновом диапазоне спектра. Реализация первого решения связана с рядом трудностей, реализация второго решения более предпочтительна [2]. Именно она и применена в описываемой схеме.
Второй особенностью схемы является полное отсутствие подвижных частей при переключении каналов. Практически в приборе обеспечивается одновременная работа всех каналов. При необходимости можно работать каждым каналом в отдельности, и для этого необходимо только включение / выключение соответствующих фотоприемных устройств. Привычные поворотные зеркала или иные дополнительные подвижные элементы, вводимые в ход лучей канала, в данной схеме отсутствуют, что несомненно повышает надежность функционирования системы в целом.
Рассмотрим последовательно принцип построения и характеристики рабочих каналов прицела.
В представленной системе защитное стекло головной части выполнено из материала ZnS, пропускающего все необходимые спектральные диапазоны. Стекло установлено с "обратным" наклоном в 6°, снижающим вероятность обнаружения объекта с вертолетов и БПЛА и уменьшающим бликование оптики, т. е. заметность системы на фоне окружающей обстановки.
Визуальный канал выполнен с увеличением 8 крат и полем зрения 8° с внутренней промежуточной плоскостью действительного изображения для обеспечения возможности установки либо двух сеток (подвижной и неподвижной) с прицельными шкалами и знаками, либо одного просветного ЖКИ экрана с электронной схемой формирования любых видов поля зрения.
Схема канала представлена на рис. 3.
Она включает в себя объектив, выполненный в виде двухлинзовой склейки, призму Пехана Пк‑0° для оборачивания изображения, светофильтр для коррекции спектра, дополнительную линзу, систему сеток и окуляр. Указанные на рисунке габариты свидетельствуют о достаточной компактности системы, имеющей разрешающую способность7,5″. Все элементы канала, за исключением светофильтра, выполнены из бесцветного оптического стекла ГОСТ 3514–94. В качестве материала светофильтра применено цветное стекло по ГОСТ 9411–91.
Расчет фокусных расстояний объективов телевизионного и тепловизионного каналов производился исходя из известных критериев визуального восприятия. К ним относятся критерии Джонсона [3], приведенные в табл. 1, и современные критерии зрительного восприятия, приведенные в табл. 2. Джонсон выделил 4 уровня визуального восприятия, но никак формально не определил эти понятия. Конкретизацию они позднее нашли в работе Люсьена Бибермана [4] и активно используются в настоящее время как современные критерии визуального восприятия. Часть из них приведена в табл. 2.
Величина "N" в табл. 1 определяет количество периодов эквивалентной миры, разрешаемых наблюдателем, для данного уровня видения с 50%-ной вероятностью. Таким образом, когда говорят об обнаружении цели по критериям Джонсона, по умолчанию имеют ввиду пороговое значение сигнала, при котором вероятность верного принятия решения о наличии цели составляет 50%, а именно: при заведомом наличии цели отношение случаев обнаружения и пропус-
ка цели составляет 1 : 1.
Для определения необходимого разрешения, обеспечивающего другое значение вероятности восприятия, необходимо использовать соответствующие коэффициенты [5]. Значение коэффициента пересчета числа N периодов эквивалентной миры, разрешаемых наблюдателем на критическом размере объекта, в зависимости от требуемой вероятности восприятия приведены в табл. 3.
Из таблиц видно, что, например, для обнаружения объекта с вероятностью 0,95 необходимо, чтобы на его критическом размере уложилось 1 Ч 2 = 2 периода эквивалентной миры (или 4 пиксела фотоприемника).
Исходя из этого с учетом характеристик выбранной телевизионной матрицы, определились следующие параметры электронно-оптических каналов системы.
Телевизионный канал построен на ТВ матрице формата 1280Ч1024 элементов с размером пиксела 5,5 мкм.
Фокусное расстояние телевизионного объектива оценивалось по заданной дальности видения по цели типа "танк" 5 км и критерию обнаружения с вероятностью 0,95. При этих данных по высоте танка, равной 2,4 м должно укладываться порядка 4 пикселов фотоприемника. В этом случае объект будет выделяться на фоне помех как размытое пятно с вероятностью 0,95.
При таких исходных данных фокусное расстояние телевизионного объектива F′об должно быть не менее 46 мм.
Согласно рис. 4 телевизионный канал использует объектив визуального канала и спектроделительное покрытие на зеркальной грани полупентапризмы БУ‑45° из призменной системы Пехана для отражения спектрального диапазона (0,45–0,65) мкм в визуальный канал и для пропускания диапазона (0,65–1,1) мкм в телевизионный канал. Для исполнения спектроделительной поверхности используется склейка зеркальной грани призмы БУ‑45° с гипотенузной гранью прямоугольной призмы.
В конструкции использованы спектроделительные покрытия, примером которых могут служить чрезвычайно эффективные покрытия для гиперспектральной аппаратуры, разработанные на Красногорском механическом заводе [6].
На рис. 5 приведена спектральная характеристика экспериментально апробированной конструкции покрытия спектроделительного модуля для дистанционного зондирования Земли из космоса, представляющая собой 27-слойную систему из слоев ZnS (n = 2,3) и MgF2 (n = 1,38), нанесенную на пластину из стекла К8: 0,536H, 0,662L, 1,000H, 0,797L, 0,795H, 0,946L, 0,905H, 0,838L, 0,8906H, 0,924L, 0,893H, 0,870L, 0,897H, 0,916L, 0,897H, 0,870L, 0,893H, 0,924L, 0,890H, 0,838L, 0,904H, 0,946L, 0,795H, 0,798L, 1,000H, 0,663L, 0,536H.
Тепловизионный канал построен с использованием МБМ-матрицы формата 640Ч512 элементов с размером пиксела 12 мкм.
Оценка фокусного расстояния тепловизионного объектива проведена с учетом особенностей тепловизионного обнаружения: если по высоте танка укладывается ~ 2 пикселов фотоприемника, то объект выделяется на фоне помех как размытое пятно с вероятностью 0,5.
Этому условию удовлетворяет тепловизионный объектив с фокусным расстоянием F′об, равным 50 мм, и относительным отверстием 1 : 1,02.
Такой объектив для фотоприемного устройства с размером пиксела 12 мкм применен в рассматриваемой системе и построен по классической схеме трехлинзового объектива c использованием материалов Ge + ZnSe + Ge (рис. 6).
Дальномер в системе решен в виде двух отдельных каналов: излучающего и приемного.
Приемный канал дальномера имеет угол поля зрения α~0,5°и фотоприемное устройство с размером чувствительной площадки dфп = 0,35 мм.
Исходя их этого в приемном канале дальномера установлен объектив с фокусным расстоянием F′об = 40 мм, имеющий высокие показатели по светопропусканию на длине волны ~1,54 мкм и высокую светосилу и выполненный в виде одиночной линзы из кремния (рис. 7). Качество изображения объектива характеризуется кружком рассеяния, который должен быть меньше размера чувствительной площадки фотоприемника, равного 0,35 мм.
Для повышения эффективности спектрального распределения потоков и оптимизации компоновочного решения наклон спектроделительной пластинки № 2 выполнен под углом 22,5°.
Излучающее устройство дальномера выполнено отдельным модулем (рис. 8) с телескопической трехлинзовой оптической системой и излучающим модулем БЛМ‑1Т Ю‑41.90.169.
Так как излучение твердотельного лазера имеет высокую пиковую мощность, излучающий тракт выведен из общей оптической системы со спектроделительными элементами и проходит только через общие головное зеркало и защитное стекло.
Для визуализации изображения в оптико-электронных каналах (телевизионном и тепловизионном) используется шестилинзовый четырехкомпонентный окуляр с фокусным расстоянием f′ = 15,67 мм, сопряженный с микродисплеем SXGA060 формата 1 280 Ч 1024 элементов и размером пиксела 9,3 Ч 9,3 мкм, имеющим размеры активной области 11,941 Ч 9,56 мм (диагональ = 15,296 мм).
При значительном весе оптических элементов (~214 г) окуляр имеет ряд особенностей. Основными из них являются значительное увеличение (~16 крат) и большое поле зрения (более 50°) при небольшой дисторсии (менее 5%) и приемлемом удалении выходного зрачка (~ 30 мм), обусловленном спецификой применения.
При совместном применении с таким окуляром угловой размер пиксела микродисплея составит 2,04′, что практически попадает в середину диапазона (1 ч 3)′, являющегося диапазоном рекомендуемых значений минимальных угловых размеров объектов, наблюдаемых глазом через окуляр.
Технические параметры оптического и оптико-электронных каналов системы обеспечивают наблюдение с достаточно высокими значениями увеличения и согласуются между собой по полям зрения.
Указанные технические параметры определяются следующими формулами:
Для увеличения:
.
Для поля зрения:
,
где
F′lens – фокусное расстояние объектива;
F′eyep – фокусное расстояние окуляра;
Ddisp – диагональ экрана микродисплея;
DPRD – диагональ чувствительной области фотоприемного устройства;
hPRD (VPRD) – размер горизонтали (вертикали) чувствительной области фотоприемного устройства. Значения параметров сведены в табл. 4.
В настоящее время в различных оптико-электронных системах защиты, аппаратуре охраны и слежения, приборах наблюдения и прицеливания широкое применение находят системы кругового обзора, решающие задачи обнаружения объектов в круговом секторе.
Весьма актуальными они являются и для объектов бронетехники.
Система кругового обзора или панорама в приборе, оснащенном оптико-электронными каналами, – это сложный взаимосвязанный комплекс, состоящий из оптической системы, системы фотоприемников, а также системы цифровой обработки сигнала. Рассматривая способы эффективного обзора пространства в рамках конструктивного обеспечения требований к системе по назначению, необходима детальная оценка преимуществ и недостатков конкретного способа реализации поставленной задачи.
К наиболее известным и чаще всего употребляемым на практике способам обзора пространства относятся следующие [7]:
• теодолитный способ, предусматривающий механическое сканирование пространства всем устройством. Эта схема является простейшей. Ее главное достоинство – предельно простой оптический тракт, не содержащий ни компенсаторов вращение изображения, ни сканирующих зеркал и т. п. Однако при наличии оптико-электронных каналов возникает проблема сброса информации на неподвижное основание;
• обзор за счет применения нескольких однотипных оптико-электронных модулей. Преимуществом такой системы является отсутствие механических перемещений, а недостатком – необходимость в большом количестве фотоприемных устройств, что в значительной мере увеличивает цену системы и совершенно неприемлемо в многоканальных приборах;
• формирование панорамного изображения за счет применения фотоприемных устройств и панорамных оптических систем типа "all sky" и "fish eye". Этот метод, как и предыдущий, отличается отсутствием подвижных частей, но, как правило, такие системы отличаются малым размером входного окна, что неприемлемо для тепловизионных систем;
• обзор с помощью оптического зеркального шарнира. В этом случае фотоприемные устройства оптико-электронных каналов неподвижны, но необходима компенсация поворота изображения, что усложняет оптический тракт, но исключает наличие системы сброса информации.
Именно последний способ реализации круговой панорамы применен в рамках описанной конструкции многоканального прицельного комплекса.
Вариант исполнения с вращающейся головной частью для обеспечения кругового обзора решается с использованием мультипризменного блока из 6-ти призм Дове с частично измененным визуальным каналом (рис. 9).
Визуальный канал в рассмотренном выше варианте содержал объектив, призму Пехана Пк‑0°, состоящую из полупентапризмы БУ‑45° и призмы Шмидта с крышей БкР‑45°, светофильтр, корректирующую линзу, подвижную и неподвижную сетки и окуляр.
Визуальный канал в варианте панорамы с вращающейся головной частью должен содержать объектив, призму Пехана П‑0° (состоящую из полупентапризмы БУ‑45° и призмы Шмидта БР‑45°), светофильтр, корректирующую линзу, подвижную и неподвижную сетки и окуляр.
Конструктивные параметры призмы П‑0° рассчитываются в соответствии с рисунком 10 [8].
При размере входной грани а = D = dсв = 40 мм длина хода луча в призме составит l = 184,8 мм.
Перед спектроделительной пластинкой № 1, т. е. перед входным зрачком, общим для всех каналов, в параллельных пучках лучей размещен мультипризменный блок в виде шести попарно склеенных и разноориентированных призм Дове, изготовленных из сульфида цинка ZnS (рис. 11).
Мультипризменный блок рассчитан на пропускание максимального светового диаметра в тепловизионном канале, и должен быть выполнен с размерами, указанными на рис. 11. Для эффективного функционирования системы просветление граней призм Дове и поверхностей защитного стекла головной части необходимо выполнить аналогичными.
Исходное положение зеркала головки, мультипризменного блока и призмы Пехана П‑0° показано на рис. 12.
В этом положении во всех каналах "верх-низ" и "право-лево" изображения соответствуют реальной ориентации изображения, тогда как в первоначальном варианте системы в электронных каналах по одной из координат необходимо было осуществлять зеркальное отображение на микродисплее.
При повороте головной части в горизонтальной плоскости на угол "α" в окуляре визуального канала появляется наклон изображения на тот же угол "α", для компенсации которого мультипризменный блок должен поворачиваться в ту же сторону, что и головка, но на угол "α / 2", вдвое меньший.
При горизонтальных поворотах головки на всех углах (n · 360°) при любом числе оборотов "n" мультипризменный блок компенсирует наклон изображения для всех каналов панорамы одновременно.
Пример поворотов головки на 90° (визирование влево) и 180° (визирование назад) показан на рис. 13.
Размеры призм Дове и общая компоновка прибора выполняется таким образом, чтобы при вращении мультипризменного блока исключалось перекрывание излучающего канала лазерного дальномера.
Очевидно, что в такой конструкции панорамного прицела можно обеспечить увеличение перископичности – головка может выдвигаться до значения перископичности ~ 450 мм без существенного увеличения виньетирования в каналах. Следует отметить, что головная часть, в которой все каналы заводятся через один наклонно-поворотный зеркальный элемент, является более компактной в сравнении с головными частями, в которых сканирующими элементами оснащен каждый из каналов. Этот факт также способствует снижению уязвимости вынесенных на броню головных частей прицельных комплексов и повышению живучести объекта.
Рассмотренный вариант решения оптической системы многоканального прицела с визуальным и двумя оптико-электронными каналами, лазерным дальномером и двухплоскостной стабилизацией линии визирования как в варианте панорамы, так и без нее, прорабатывался в таких габаритных размерах, которые согласованы с габаритными размерами целого ряда прицельно-наблюдательных приборов, установленных на объектах БТВТ в настоящее время. Это обеспечивает возможность модернизации объектов путем размещения такой многофункциональной системы практически на существующих установочных местах штатных приборов или на местах с минимальными доработками.
ЛИТЕРАТУРА
1. И. С. Гайнутдинов, Р. С. Сабиров, В. А. Иванов, Е. А. Несмелов, Р. Д. Алиакберов, Р. Г. Сафин. Оптические покрытия для современных тепловизионных систем // Казань: ФГУП "НПО "Государственный институт прикладной оптики", Прикладная физика, № 1, 2007.
I. S. Gajnutdinov, R. S. Sabirov, V. A. Ivanov, E. A. Nesmelov, R. D. Aliakberov, R. G. Safin. Opticheskie pokrytiya dlya sovremennyh teplovizionnyh sistem // Kazan’: FGUP "NPO "Gosudarstvennyj institut prikladnoj optiki", Prikladnaya fizika, № 1, 2007.
2. Е. Н. Котликов, Е. В. Хонинева, В. Н. Прокашев, А. Н. Тропин. Спектроделительные покрытия в лазерных системах для видимой и инфракрасной областей спектра // Оптический журнал, 2009, т. 76, № 11.
E. N. Kotlikov, E. V. Honineva, V. N. Prokashev, A. N. Tropin. Spektrodelitel’nye pokrytiya v lazernyh sistemah dlya vidimoj i infrakrasnoj oblastej spektra / /Opticheskij zhurnal, 2009, t. 76, № 11.
3. Ллойд Дж. Системы тепловидения // Пер. с англ., М.: Мир, 1978.
Llojd Dzh. Sistemy teplovideniya / /Per. s angl., M.: Mir, 1978.
4. Biberman L. Perception of Displayed Information / Plenum Press, New York, 1973.
5. Ковалев А. А., Ковалев А. В. Технические средства антитеррористической и криминалистической диагностики: учеб. пособие / / Под общ. ред. В. В. Клюева. М.: Издательский дом "Спектр", 2011.
Kovalev A. A., Kovalev A. V. Tekhnicheskie sredstva antiterroristicheskoj i kriminalisticheskoj diagnostiki: ucheb. posobie. / Pod obshch. red. V. V. Klyueva. M.: Izdatel’skij dom "Spektr", 2011.
6. Л. И. Горелик, А. К. Петров. Цифровая компенсация поворота изображения в системе кругового обзора на основе матричного фотоприемного устройства / / Москва, ФГУП "НПО "Орион", Прикладная физика, № 2, 2007.
L. I. Gorelik, A. K. Petrov. Cifrovaya kompensaciya povorota izobrazheniya v sisteme krugovogo obzora na osnove matrichnogo fotopriemnogo ustrojstva // Moskva, FGUP "NPO "Orion", Prikladnaya fizika, № 2, 2007.
7. В. А. Панов, М. Я. Кругер, В. В. Кулагин и др. Справочник конструктора оптико-механических приборов // Под общ. ред. В. А. Панова – 3 изд., перераб. и доп. – Л: "Машиностроение", Ленинградское отделение, 1980.
V. A. Panov, M. YA. Kruger, V. V. Kulagin i dr. Spravochnik konstruktora optiko-mekhanicheskih priborov // Pod obshch. red. V. A. Panova – 3 izd., pererab. i dop. – L: "Mashinostroenie", Leningradskoe otdelenie, 1980 .
Ночной канал представляет собой либо тепловизионную камеру с ИК-оптикой и чувствительным элементом в виде решетки, позволяющей обойтись без механического сканирования, либо канал, построенный на электронно-оптических усилителях яркости изображения, работающих в ближнем ИК-диапазоне.
Основным тактическим требованием к приборному оснащению бронетехники является обеспечение возможности эффективно использовать приборы в условиях вибрации при движении машины.
Это означает, что оператор, находясь под защитой брони башни, должен вести наблюдение из движущейся машины, уверенно обнаруживать и опознавать цель, приближающуюся с любого направления, и получать информацию о параметрах горизонтальной и вертикальной наводки. Для обеспечения этих требований прицел должен быть оснащен стабилизированными оптико-электронной и оптической системами.
Ось визирования прицельно-наблюдательных систем, установленных на бронетехнике, вследствие линейных и угловых перемещений в процессе движения машины подвергается определенным угловым возмущениям. Чтобы использовать прицел по назначению, необходимо иметь возможность управлять положением его оси визирования в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Также необходимо, чтобы положение было синхронизировано с осями гирос-
копа для минимизации влияния угловых возмущений. Именно точная стабилизация позволяет получить отчетливее изображение наблюдаемых объектов, обеспечивая распознавание цели.
Для управления осью визирования и стабилизации изображения, получаемого в поле зрения прицелов, как правило, используются плоские зеркала или призмы в системах с большим диапазоном прокачки линии визирования (до 70°). Преимущества зеркал перед призмами очевидны – зеркала более легкие элементы по сравнению с призмами. Следовательно, зеркала имеют меньший момент инерции, что в значительной мере упрощает их использование в качестве стабилизирующего элемента. Данная статья не ставит задачей рассмотрение случаев систем с большими углами прокачки линии визирования, когда наличие призменного элемента, меняющего направление линии визирования, обусловлено жесткой необходимостью.
Современные условия, кроме требований, обусловленных техническими особенностями конструктивного решения прицельных систем, выдвигают требования по обеспечению многоплановости визуальной информации, детализации особенностей наблюдаемых объектов в зависимости от спектрального диапазона наблюдения. Например, известные тепловые сигнатуры различных объектов наблюдения, зависящие от характера материалов, из которых они изготовлены, дают возможность идентифицировать нагретые объекты, невидимые через визуальный канал, с помощью тепловизионного канала.
Многоканальность и многоспектральность современных прицельно-наблюдательных систем объектов бронетехники является не просто веянием времени. Это закономерная ступень развития систем наблюдения и прицеливания, позволяющая повысить живучесть объекта за счет увеличения информативности получаемого изображения, обеспечения возможности оперативного анализа обстановки и принятия верных решений во время боевых действий.
Значительный опыт работы над оптическими системами прицельно-наблюдательных приборов, предназначенных для комплектования объектов БТВТ, основанный на анализе рынка существующих отечественных и зарубежных изделий-аналогов, показывает, что назрела острая необходимость создания стабилизированных комбинированных многоканальных оптических систем с одним общим входным зрачком. Такой подход решает множество задач: от минимизации головных частей, позволяющих оптимизировать систему двухплоскостной стабилизации положения линии визирования, до возможности одновременной работы в различных спектральных диапазонах, т. е. получения комплексированного изображения, повышающего вероятность нахождения и распознавания целей в сложных условиях наблюдения.
В настоящей публикации предлагается к рассмотрению схема прицела, включающего в себя визуальный, телевизионный, тепловизионный и дальномерный каналы (рис. 1).
В предложенной схеме все прицельно-наблюдательные каналы и приемный канал лазерного дальномера работают через единое входное окно, а головная часть стандартно решена в виде качающегося зеркала с системой двухплоскостной стабилизации линии визирования.
Эффективное распределение входящего потока излучения, отраженного от головного зеркала, обеспечивается тремя спектроделительными элементами (рис. 2):
• спектроделитель 1 отражает диапазон спектра от 0,45 до 1,1 мкм и пропускает диапазон от 1,5 до 13,0 мкм (с контрольными рабочими спектрами (1,5–1,6) мкм и (8–13) мкм);
• спектр, прошедший через спектроделитель 1, попадает на спектроделитель 2, который отражает диапазон (1,5–1,6) мкм, формируя пучок излучения приемного канала дальномера, и пропускает диапазон (8–13) мкм, формируя пучок излучения тепловизионного канала;
• спектр, отраженный от спектроделителя 1, попадает на спектроделитель 3, который отражает спектральный диапазон (0,45–0,65) мкм, формируя световой пучок визуального канала, и пропускает диапазон (0,65–1,1) мкм, формируя световой пучок телевизионного канала.
В этом случае телевизионный канал более эффективно работает на больших дальностях, когда отрезан коротковолновый участок (0,4–0,65 мкм) и улучшается видимость в дымке, в тумане, в сумерки и ночью.
Особенностью предложенного схемного решения является необходимость в использовании высокоэффективных спектроделительных покрытий, так как 1-й спектроделительный элемент должен иметь хорошее отражение на длине волны 1,5 мкм и хорошее пропускание в двух областях спектра по разные стороны от длины волны 1,54 мкм – (0,4–1,1) мкм и (8–13) мкм. Обычно выделение отраженной длины волны 1,54 мкм эффективно достигается при подавлении более короткой и более длинной частей спектра без нормирования пропускания в этих диапазонах, т. е. в основном для целей не спектроразделения, а фильтрации, т. е. устранения спектральных фонов.
Практически в спектроделителях наиболее эффективным является разделение падающего излучения на два диапазона – например, на видимую и ИК-части спектра [1].
Однако и здесь имеются свои особенности. Например, возможны два решения спектроделителей: высокое отражение в длинноволновом диапазоне и высокое пропускание в коротковолновом или наоборот – высокое отражение в коротковолновом диапазоне и высокое пропускание в длинноволновом диапазоне спектра. Реализация первого решения связана с рядом трудностей, реализация второго решения более предпочтительна [2]. Именно она и применена в описываемой схеме.
Второй особенностью схемы является полное отсутствие подвижных частей при переключении каналов. Практически в приборе обеспечивается одновременная работа всех каналов. При необходимости можно работать каждым каналом в отдельности, и для этого необходимо только включение / выключение соответствующих фотоприемных устройств. Привычные поворотные зеркала или иные дополнительные подвижные элементы, вводимые в ход лучей канала, в данной схеме отсутствуют, что несомненно повышает надежность функционирования системы в целом.
Рассмотрим последовательно принцип построения и характеристики рабочих каналов прицела.
В представленной системе защитное стекло головной части выполнено из материала ZnS, пропускающего все необходимые спектральные диапазоны. Стекло установлено с "обратным" наклоном в 6°, снижающим вероятность обнаружения объекта с вертолетов и БПЛА и уменьшающим бликование оптики, т. е. заметность системы на фоне окружающей обстановки.
Визуальный канал выполнен с увеличением 8 крат и полем зрения 8° с внутренней промежуточной плоскостью действительного изображения для обеспечения возможности установки либо двух сеток (подвижной и неподвижной) с прицельными шкалами и знаками, либо одного просветного ЖКИ экрана с электронной схемой формирования любых видов поля зрения.
Схема канала представлена на рис. 3.
Она включает в себя объектив, выполненный в виде двухлинзовой склейки, призму Пехана Пк‑0° для оборачивания изображения, светофильтр для коррекции спектра, дополнительную линзу, систему сеток и окуляр. Указанные на рисунке габариты свидетельствуют о достаточной компактности системы, имеющей разрешающую способность7,5″. Все элементы канала, за исключением светофильтра, выполнены из бесцветного оптического стекла ГОСТ 3514–94. В качестве материала светофильтра применено цветное стекло по ГОСТ 9411–91.
Расчет фокусных расстояний объективов телевизионного и тепловизионного каналов производился исходя из известных критериев визуального восприятия. К ним относятся критерии Джонсона [3], приведенные в табл. 1, и современные критерии зрительного восприятия, приведенные в табл. 2. Джонсон выделил 4 уровня визуального восприятия, но никак формально не определил эти понятия. Конкретизацию они позднее нашли в работе Люсьена Бибермана [4] и активно используются в настоящее время как современные критерии визуального восприятия. Часть из них приведена в табл. 2.
Величина "N" в табл. 1 определяет количество периодов эквивалентной миры, разрешаемых наблюдателем, для данного уровня видения с 50%-ной вероятностью. Таким образом, когда говорят об обнаружении цели по критериям Джонсона, по умолчанию имеют ввиду пороговое значение сигнала, при котором вероятность верного принятия решения о наличии цели составляет 50%, а именно: при заведомом наличии цели отношение случаев обнаружения и пропус-
ка цели составляет 1 : 1.
Для определения необходимого разрешения, обеспечивающего другое значение вероятности восприятия, необходимо использовать соответствующие коэффициенты [5]. Значение коэффициента пересчета числа N периодов эквивалентной миры, разрешаемых наблюдателем на критическом размере объекта, в зависимости от требуемой вероятности восприятия приведены в табл. 3.
Из таблиц видно, что, например, для обнаружения объекта с вероятностью 0,95 необходимо, чтобы на его критическом размере уложилось 1 Ч 2 = 2 периода эквивалентной миры (или 4 пиксела фотоприемника).
Исходя из этого с учетом характеристик выбранной телевизионной матрицы, определились следующие параметры электронно-оптических каналов системы.
Телевизионный канал построен на ТВ матрице формата 1280Ч1024 элементов с размером пиксела 5,5 мкм.
Фокусное расстояние телевизионного объектива оценивалось по заданной дальности видения по цели типа "танк" 5 км и критерию обнаружения с вероятностью 0,95. При этих данных по высоте танка, равной 2,4 м должно укладываться порядка 4 пикселов фотоприемника. В этом случае объект будет выделяться на фоне помех как размытое пятно с вероятностью 0,95.
При таких исходных данных фокусное расстояние телевизионного объектива F′об должно быть не менее 46 мм.
Согласно рис. 4 телевизионный канал использует объектив визуального канала и спектроделительное покрытие на зеркальной грани полупентапризмы БУ‑45° из призменной системы Пехана для отражения спектрального диапазона (0,45–0,65) мкм в визуальный канал и для пропускания диапазона (0,65–1,1) мкм в телевизионный канал. Для исполнения спектроделительной поверхности используется склейка зеркальной грани призмы БУ‑45° с гипотенузной гранью прямоугольной призмы.
В конструкции использованы спектроделительные покрытия, примером которых могут служить чрезвычайно эффективные покрытия для гиперспектральной аппаратуры, разработанные на Красногорском механическом заводе [6].
На рис. 5 приведена спектральная характеристика экспериментально апробированной конструкции покрытия спектроделительного модуля для дистанционного зондирования Земли из космоса, представляющая собой 27-слойную систему из слоев ZnS (n = 2,3) и MgF2 (n = 1,38), нанесенную на пластину из стекла К8: 0,536H, 0,662L, 1,000H, 0,797L, 0,795H, 0,946L, 0,905H, 0,838L, 0,8906H, 0,924L, 0,893H, 0,870L, 0,897H, 0,916L, 0,897H, 0,870L, 0,893H, 0,924L, 0,890H, 0,838L, 0,904H, 0,946L, 0,795H, 0,798L, 1,000H, 0,663L, 0,536H.
Тепловизионный канал построен с использованием МБМ-матрицы формата 640Ч512 элементов с размером пиксела 12 мкм.
Оценка фокусного расстояния тепловизионного объектива проведена с учетом особенностей тепловизионного обнаружения: если по высоте танка укладывается ~ 2 пикселов фотоприемника, то объект выделяется на фоне помех как размытое пятно с вероятностью 0,5.
Этому условию удовлетворяет тепловизионный объектив с фокусным расстоянием F′об, равным 50 мм, и относительным отверстием 1 : 1,02.
Такой объектив для фотоприемного устройства с размером пиксела 12 мкм применен в рассматриваемой системе и построен по классической схеме трехлинзового объектива c использованием материалов Ge + ZnSe + Ge (рис. 6).
Дальномер в системе решен в виде двух отдельных каналов: излучающего и приемного.
Приемный канал дальномера имеет угол поля зрения α~0,5°и фотоприемное устройство с размером чувствительной площадки dфп = 0,35 мм.
Исходя их этого в приемном канале дальномера установлен объектив с фокусным расстоянием F′об = 40 мм, имеющий высокие показатели по светопропусканию на длине волны ~1,54 мкм и высокую светосилу и выполненный в виде одиночной линзы из кремния (рис. 7). Качество изображения объектива характеризуется кружком рассеяния, который должен быть меньше размера чувствительной площадки фотоприемника, равного 0,35 мм.
Для повышения эффективности спектрального распределения потоков и оптимизации компоновочного решения наклон спектроделительной пластинки № 2 выполнен под углом 22,5°.
Излучающее устройство дальномера выполнено отдельным модулем (рис. 8) с телескопической трехлинзовой оптической системой и излучающим модулем БЛМ‑1Т Ю‑41.90.169.
Так как излучение твердотельного лазера имеет высокую пиковую мощность, излучающий тракт выведен из общей оптической системы со спектроделительными элементами и проходит только через общие головное зеркало и защитное стекло.
Для визуализации изображения в оптико-электронных каналах (телевизионном и тепловизионном) используется шестилинзовый четырехкомпонентный окуляр с фокусным расстоянием f′ = 15,67 мм, сопряженный с микродисплеем SXGA060 формата 1 280 Ч 1024 элементов и размером пиксела 9,3 Ч 9,3 мкм, имеющим размеры активной области 11,941 Ч 9,56 мм (диагональ = 15,296 мм).
При значительном весе оптических элементов (~214 г) окуляр имеет ряд особенностей. Основными из них являются значительное увеличение (~16 крат) и большое поле зрения (более 50°) при небольшой дисторсии (менее 5%) и приемлемом удалении выходного зрачка (~ 30 мм), обусловленном спецификой применения.
При совместном применении с таким окуляром угловой размер пиксела микродисплея составит 2,04′, что практически попадает в середину диапазона (1 ч 3)′, являющегося диапазоном рекомендуемых значений минимальных угловых размеров объектов, наблюдаемых глазом через окуляр.
Технические параметры оптического и оптико-электронных каналов системы обеспечивают наблюдение с достаточно высокими значениями увеличения и согласуются между собой по полям зрения.
Указанные технические параметры определяются следующими формулами:
Для увеличения:
.
Для поля зрения:
,
где
F′lens – фокусное расстояние объектива;
F′eyep – фокусное расстояние окуляра;
Ddisp – диагональ экрана микродисплея;
DPRD – диагональ чувствительной области фотоприемного устройства;
hPRD (VPRD) – размер горизонтали (вертикали) чувствительной области фотоприемного устройства. Значения параметров сведены в табл. 4.
В настоящее время в различных оптико-электронных системах защиты, аппаратуре охраны и слежения, приборах наблюдения и прицеливания широкое применение находят системы кругового обзора, решающие задачи обнаружения объектов в круговом секторе.
Весьма актуальными они являются и для объектов бронетехники.
Система кругового обзора или панорама в приборе, оснащенном оптико-электронными каналами, – это сложный взаимосвязанный комплекс, состоящий из оптической системы, системы фотоприемников, а также системы цифровой обработки сигнала. Рассматривая способы эффективного обзора пространства в рамках конструктивного обеспечения требований к системе по назначению, необходима детальная оценка преимуществ и недостатков конкретного способа реализации поставленной задачи.
К наиболее известным и чаще всего употребляемым на практике способам обзора пространства относятся следующие [7]:
• теодолитный способ, предусматривающий механическое сканирование пространства всем устройством. Эта схема является простейшей. Ее главное достоинство – предельно простой оптический тракт, не содержащий ни компенсаторов вращение изображения, ни сканирующих зеркал и т. п. Однако при наличии оптико-электронных каналов возникает проблема сброса информации на неподвижное основание;
• обзор за счет применения нескольких однотипных оптико-электронных модулей. Преимуществом такой системы является отсутствие механических перемещений, а недостатком – необходимость в большом количестве фотоприемных устройств, что в значительной мере увеличивает цену системы и совершенно неприемлемо в многоканальных приборах;
• формирование панорамного изображения за счет применения фотоприемных устройств и панорамных оптических систем типа "all sky" и "fish eye". Этот метод, как и предыдущий, отличается отсутствием подвижных частей, но, как правило, такие системы отличаются малым размером входного окна, что неприемлемо для тепловизионных систем;
• обзор с помощью оптического зеркального шарнира. В этом случае фотоприемные устройства оптико-электронных каналов неподвижны, но необходима компенсация поворота изображения, что усложняет оптический тракт, но исключает наличие системы сброса информации.
Именно последний способ реализации круговой панорамы применен в рамках описанной конструкции многоканального прицельного комплекса.
Вариант исполнения с вращающейся головной частью для обеспечения кругового обзора решается с использованием мультипризменного блока из 6-ти призм Дове с частично измененным визуальным каналом (рис. 9).
Визуальный канал в рассмотренном выше варианте содержал объектив, призму Пехана Пк‑0°, состоящую из полупентапризмы БУ‑45° и призмы Шмидта с крышей БкР‑45°, светофильтр, корректирующую линзу, подвижную и неподвижную сетки и окуляр.
Визуальный канал в варианте панорамы с вращающейся головной частью должен содержать объектив, призму Пехана П‑0° (состоящую из полупентапризмы БУ‑45° и призмы Шмидта БР‑45°), светофильтр, корректирующую линзу, подвижную и неподвижную сетки и окуляр.
Конструктивные параметры призмы П‑0° рассчитываются в соответствии с рисунком 10 [8].
При размере входной грани а = D = dсв = 40 мм длина хода луча в призме составит l = 184,8 мм.
Перед спектроделительной пластинкой № 1, т. е. перед входным зрачком, общим для всех каналов, в параллельных пучках лучей размещен мультипризменный блок в виде шести попарно склеенных и разноориентированных призм Дове, изготовленных из сульфида цинка ZnS (рис. 11).
Мультипризменный блок рассчитан на пропускание максимального светового диаметра в тепловизионном канале, и должен быть выполнен с размерами, указанными на рис. 11. Для эффективного функционирования системы просветление граней призм Дове и поверхностей защитного стекла головной части необходимо выполнить аналогичными.
Исходное положение зеркала головки, мультипризменного блока и призмы Пехана П‑0° показано на рис. 12.
В этом положении во всех каналах "верх-низ" и "право-лево" изображения соответствуют реальной ориентации изображения, тогда как в первоначальном варианте системы в электронных каналах по одной из координат необходимо было осуществлять зеркальное отображение на микродисплее.
При повороте головной части в горизонтальной плоскости на угол "α" в окуляре визуального канала появляется наклон изображения на тот же угол "α", для компенсации которого мультипризменный блок должен поворачиваться в ту же сторону, что и головка, но на угол "α / 2", вдвое меньший.
При горизонтальных поворотах головки на всех углах (n · 360°) при любом числе оборотов "n" мультипризменный блок компенсирует наклон изображения для всех каналов панорамы одновременно.
Пример поворотов головки на 90° (визирование влево) и 180° (визирование назад) показан на рис. 13.
Размеры призм Дове и общая компоновка прибора выполняется таким образом, чтобы при вращении мультипризменного блока исключалось перекрывание излучающего канала лазерного дальномера.
Очевидно, что в такой конструкции панорамного прицела можно обеспечить увеличение перископичности – головка может выдвигаться до значения перископичности ~ 450 мм без существенного увеличения виньетирования в каналах. Следует отметить, что головная часть, в которой все каналы заводятся через один наклонно-поворотный зеркальный элемент, является более компактной в сравнении с головными частями, в которых сканирующими элементами оснащен каждый из каналов. Этот факт также способствует снижению уязвимости вынесенных на броню головных частей прицельных комплексов и повышению живучести объекта.
Рассмотренный вариант решения оптической системы многоканального прицела с визуальным и двумя оптико-электронными каналами, лазерным дальномером и двухплоскостной стабилизацией линии визирования как в варианте панорамы, так и без нее, прорабатывался в таких габаритных размерах, которые согласованы с габаритными размерами целого ряда прицельно-наблюдательных приборов, установленных на объектах БТВТ в настоящее время. Это обеспечивает возможность модернизации объектов путем размещения такой многофункциональной системы практически на существующих установочных местах штатных приборов или на местах с минимальными доработками.
ЛИТЕРАТУРА
1. И. С. Гайнутдинов, Р. С. Сабиров, В. А. Иванов, Е. А. Несмелов, Р. Д. Алиакберов, Р. Г. Сафин. Оптические покрытия для современных тепловизионных систем // Казань: ФГУП "НПО "Государственный институт прикладной оптики", Прикладная физика, № 1, 2007.
I. S. Gajnutdinov, R. S. Sabirov, V. A. Ivanov, E. A. Nesmelov, R. D. Aliakberov, R. G. Safin. Opticheskie pokrytiya dlya sovremennyh teplovizionnyh sistem // Kazan’: FGUP "NPO "Gosudarstvennyj institut prikladnoj optiki", Prikladnaya fizika, № 1, 2007.
2. Е. Н. Котликов, Е. В. Хонинева, В. Н. Прокашев, А. Н. Тропин. Спектроделительные покрытия в лазерных системах для видимой и инфракрасной областей спектра // Оптический журнал, 2009, т. 76, № 11.
E. N. Kotlikov, E. V. Honineva, V. N. Prokashev, A. N. Tropin. Spektrodelitel’nye pokrytiya v lazernyh sistemah dlya vidimoj i infrakrasnoj oblastej spektra / /Opticheskij zhurnal, 2009, t. 76, № 11.
3. Ллойд Дж. Системы тепловидения // Пер. с англ., М.: Мир, 1978.
Llojd Dzh. Sistemy teplovideniya / /Per. s angl., M.: Mir, 1978.
4. Biberman L. Perception of Displayed Information / Plenum Press, New York, 1973.
5. Ковалев А. А., Ковалев А. В. Технические средства антитеррористической и криминалистической диагностики: учеб. пособие / / Под общ. ред. В. В. Клюева. М.: Издательский дом "Спектр", 2011.
Kovalev A. A., Kovalev A. V. Tekhnicheskie sredstva antiterroristicheskoj i kriminalisticheskoj diagnostiki: ucheb. posobie. / Pod obshch. red. V. V. Klyueva. M.: Izdatel’skij dom "Spektr", 2011.
6. Л. И. Горелик, А. К. Петров. Цифровая компенсация поворота изображения в системе кругового обзора на основе матричного фотоприемного устройства / / Москва, ФГУП "НПО "Орион", Прикладная физика, № 2, 2007.
L. I. Gorelik, A. K. Petrov. Cifrovaya kompensaciya povorota izobrazheniya v sisteme krugovogo obzora na osnove matrichnogo fotopriemnogo ustrojstva // Moskva, FGUP "NPO "Orion", Prikladnaya fizika, № 2, 2007.
7. В. А. Панов, М. Я. Кругер, В. В. Кулагин и др. Справочник конструктора оптико-механических приборов // Под общ. ред. В. А. Панова – 3 изд., перераб. и доп. – Л: "Машиностроение", Ленинградское отделение, 1980.
V. A. Panov, M. YA. Kruger, V. V. Kulagin i dr. Spravochnik konstruktora optiko-mekhanicheskih priborov // Pod obshch. red. V. A. Panova – 3 izd., pererab. i dop. – L: "Mashinostroenie", Leningradskoe otdelenie, 1980 .
Отзывы читателей
