eng
Выпуск #3/2021
А. В. Медведев, А. В. Гринкевич, С. Н. Князева
Очки ночного видения и особенности их применения
Очки ночного видения и особенности их применения
Просмотры: 2231
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2021.15.3.214.226
В статье рассмотрен особый класс оптико-электронных приборов – очки ночного видения, позволяющие не только улучшить видимость в различных условиях наблюдения и освобождающие руки наблюдателя для выполнения различных операций, сопутствующих наблюдению. Приведены варианты двухканальных очков ночного видения с каналами IR+TV и TV+SWIR диапазонов, рассмотрены преимущества их применения.
В статье рассмотрен особый класс оптико-электронных приборов – очки ночного видения, позволяющие не только улучшить видимость в различных условиях наблюдения и освобождающие руки наблюдателя для выполнения различных операций, сопутствующих наблюдению. Приведены варианты двухканальных очков ночного видения с каналами IR+TV и TV+SWIR диапазонов, рассмотрены преимущества их применения.
Теги: cabin equipment ir+tv goggles low-profile goggles night vision goggles swir range swir диапазон внутрикабинное оборудование низкопрофильные очки очки ночного видения тепло-телевизионные очки
Очки ночного видения и особенности их применения
А. В. Медведев, А.В.Гринкевич, С. Н. Князева
ОАО «РОМЗ», Ярославская обл., г. Ростов
ЗАО «ЭВС», г. Москва
ОКБ ОАО «РОМЗ», Ярославская обл., г. Ростов
В статье рассмотрен особый класс оптико-электронных приборов – очки ночного видения, позволяющие не только улучшить видимость в различных условиях наблюдения и освобождающие руки наблюдателя для выполнения различных операций, сопутствующих наблюдению. Приведены варианты двухканальных очков ночного видения с каналами IR+TV и TV+SWIR диапазонов, рассмотрены преимущества их применения.
Ключевые слова: очки ночного видения, SWIR диапазон, внутрикабинное оборудование, низкопрофильные очки, тепло-телевизионные очки
Развитие оптико-электронных приборов (ОЭП) наблюдения и прицеливания является естественным процессом эволюции в области приборостроения. По мере развития технологий конструкции ОЭП совершенствовались, и сегодня они вполне обеспечивают всесуточность и всепогодность наблюдения. Среди многообразия ОЭП можно выделить особый класс приборов – оптико-электронные очки, позволяющие не только улучшить видимость, но и освобождающие руки наблюдателя для выполнения различных операций, сопутствующих наблюдению.
Одними из первых представителей класса оптико-электронных очков явились очки ночного видения (ОНВ) и первые рабочие варианты ОНВ аккумулировали в себе наиболее передовые решения своего времени. Один из образцов ОНВ, изготовление которого датировано сороковыми годами прошлого века, приведен на рис. 1.
Характерной особенностью ОНВ этого периода является наличие внушительного инфракрасного (ИК) прожектора, как правило размещаемого на груди, а также металлического заплечного рюкзака с аккумуляторами и высоковольтными преобразователями напряжения, основная задача которых заключалась в преобразовании низковольтного входного напряжения в напряжение десятков киловольт для питания электронно-оптических преобразователей.
С течением времени, уже в 60‑е годы, стремление к уменьшению габаритов привело к миниатюризации ИК-прожектора, и уменьшение его размеров и веса позволило переместить прожектор с груди на голову наблюдателя и закрепить его на общем с очками кронштейне, что, несомненно, повысило удобство их применения (рис. 2).
В конструкции кронштейна была предусмотрена возможность оперативного откидывания ночных очков вверх, что позволяло вести обычное наблюдение без утомительного и времязатратного демонтажа прибора. Однако еще достаточно долго оставался неизменным закрепленный на спине аккумуляторный ящик с электронными блоками.
Но прогресс не стоял на месте, и появление малогабаритных электронных компонентов позволило перенести на заднюю часть головного крепления очков практически все электронные блоки, которые превратились в небольшой блок, уравновешивающий собственно ночные очки, естественно располагающиеся перед глазами.
Этим обстоятельством объясняется достаточно высокая популярность целого ряда ОНВ, разработанных в тот период и до сих пор активно применяющихся для выполнения специальных задач. В качестве примера можно представить изделие ПНВ‑57Е (рис. 3).
На фото видно, что при всех своих плюсах изделие, безусловно, далеко от совершенства, так как низковольтным аккумулятором при его использовании служит бортовая сеть транспортного средства, а в качестве ИК прожектора используются штатные фары машины, которые закрываются ИК фильтрами.
Значительное увеличение коэффициента усиления новых ЭОП, а также появление новых типов сверхярких светодиодов для ИК области способствовало превращению мощного ИК прожектора в миниатюрный осветитель, прозрачный пластиковый корпус которого одновременно представлял собой оптическую систему, а разработка в конце прошлого столетия миниатюрных электронных компонентов (высоковольтных диодов и конденсаторов, малогабаритных трансформаторов и др.) позволила расположить высоковольтный блок непосредственно в корпусе электронно-оптического преобразователя, оснащенного эффективным устройством в виде микроканальной пластины (МКП).
Результатом стало коренное измерение компоновочного решения ОНВ, все составные части которых, а также и принадлежности, обеспечивающие функционирование, разместились в едином корпусе (рис. 4).
Однако общим недостатком такой конструкции является значительный продольный габаритный размер, который ограничивает широту их применения. Значительный дискомфорт добавляет и большой опрокидывающий момент, который создает нагрузку на шейные и лицевые мышцы оператора, вызывая его утомление.
Дальнейшие усилия конструкторов, направленные на совершенствование ночных очков на электронно-оптических преобразователях, шли в направлении перекомпоновки внутренних элементов с изменением оптической схемы.
Примером такого подхода являются ночные очки прилегающего профиля 1ПН105, часто демонстрируемые на выставках последних лет (рис. 5).
В очках значительно уменьшен вынос «вперед», но высокий габаритный размер не исчез, он просто изменил направление – вырос вертикальный габарит, и создалось впечатление плотного прилегания ко лбу наблюдателя.
Среди многообразия вариантов ОНВ особое место занимают очки для пилотов летательных аппаратов, предназначенные для наблюдения закабинного пространства летательного аппарата в сумерках и ночью в условиях естественной ночной освещенности (ЕНО) на местности от 10–4 до 1,0 лк, а в ряде случаев – при пониженной прозрачности атмосферы, характеризующейся дымкой, туманом, дождем и др.
Типичным представителем ОНВ для пилотов является прибор «ГЕО-ОНВ1-01», построенный на ЭОП поколений II+ и III (рис. 6).
При использовании ОНВ на основе ЭОП следует учитывать то, что все внутреннее и наружное освещение, в том числе сигнализация и подсветка внутрикабинных приборов, засвечивает фотокатоды электронно-оптических преобразователей. В результате исследований была проработана возможность использования цветных пленочных светофильтров для сужения рабочих спектральных диапазонов внутрикабинных излучателей, чтобы уменьшить их влияние на фотокатоды ОНВ [1]. Однако это приводило к ограничению спектральной характеристики фотокатода ЭОП.
Более эффективным методом могло бы являться другое конструктивное решение, основанное на методе импульсной адаптации. Здесь внутреннее и внешнее светотехническое оборудование подключается к внутрикабинному светотехническому оборудованию и к ОНВ через блок синхронизации, который обеспечивает работу в импульсном режиме и во временной противофазе ОНВ со светотехническим оборудованием, что позволяет исключить паразитные засветки ОНВ в темное время суток [2].
Все варианты адаптации требуют конструктивного усложнения внутрикабинного электрооборудования, что приводит к необходимости создания специализированного варианта летательного аппарата, адаптированного к ночным полетам, а это снижает его надежность в целом, не обеспечивая в полной мере комфортную работу пилота.
Однако решение этой проблемы существует.
Исключение сложных, трудоемких и дорогих методов адаптации летательного аппарата становится возможным, если пилот будет обеспечен ОЭП, использующим спектральный диапазон, отличный от спектрального диапазона излучения внутрикабинного оборудования.
Такой прибор целесообразно решать в виде наблюдательного прибора с несколькими рабочими каналами.
Наиболее часто встречающимся сочетанием является комбинация тепловизионного и телевизионного наблюдательных каналов. Эти каналы, являясь по многим параметрам взаимодополняющими, при объединении в согласованную наблюдательную систему позволяют повысить ее эффективность, так как сохраняют работоспособность системы в условиях, когда один из каналов малоэффективен из-за внешних условий [3].
Примером такого прибора могут служить низкопрофильные тепло-телевизионные очки ОН-ИКТВ, разработанные на Ростовском оптико-механическом заводе (рис. 7).
ОН-ИКТВ – это многофункциональный прибор, позволяющий ориентироваться и передвигаться по любой местности в сложных условиях, осуществлять вождение автотранспорта, проводить инженерные и ремонтные работы, а также обеспечивающий возможность работы с документами в полной темноте, а также в дождь, снег, туман, искусственном и естественном задымлении.
Очки построены по классической бинокулярной схеме и имеют два рабочих оптических канала: телевизионный и тепловизионный, и два окулярных выхода, при этом каждый из объективов установлен соосно с одним из окуляров.
Возможность вывода информации любого из спектральных диапазонов на два дисплея обеспечивает работу с использованием стереоскопического эффекта, что существенно повышает удобство и информативность наблюдения и снижает утомляемость глаз.
Конструктивные параметры оптических компонентов обеспечивают уравнивание форматов изображения, что позволяет производить комплексирование изображений, полученных в различных спектральных диапазонах, и выводить комбинированное изображение с каждого из каналов в различных процентных соотношениях.
В приборе используется специальная светосильная оптика с защитой от засветки, реализован цифровой и оптический zoom, для чтения документов и топографических карт предусмотрена встроенная широкоугольная ИК подсветка c индикацией включения ИК-осветителя.
Однако как бы ни были широки возможности тепло-телевизионных очков, производить с их помощью наблюдение из кабины пилота через тепловизионный канал не представляется возможным, так как стекло кабины не пропускает тепловизионные диапазоны длин волн, и это требует применения выносных поворотных тепловизионных камер, а также систем слежения и синхронизации их поворота с поворотом головы пилота [4].
Возможность беспрепятственного наблюдения через защитные и лобовые стекла транспортных средств обеспечена в универсальном варианте ОНВ с классическим телевизионным каналом видимого диапазона спектра и каналом коротковолнового ИК диапазона от 0,9 до 1,7 мкм, называемого в западной терминологии SWIR диапазоном.
Канал SWIR диапазона, в отличие от тепловизионного, не просто обеспечивает наблюдение через обычное стекло [5], но и позволяет получить изображение даже через сильно тонированное стекло автомобиля (рис. 8).
Канал SWIR диапазона построен на фотоприемнике на основе материала InGaAs, который наиболее эффективно обеспечивает через кабинное остекление ночное наблюдение и наблюдение в плохих погодных условиях. Оценка эффективности по дальности действия показывает, что приборы ночного видения с фотоприемными устройствами на InGaAs при низких уровнях освещенности, менее 2 · 10–3 лк, в условиях дымки, слабых туманов и пыли (при метеорологической дальности видимости Sм ≈ 2,5 км) на порядок превосходят ОЭП на ЭОП [6].
Таким образом, применяя два таких канала, можно получить практически универсальный вариант ОНВ для пилотирования и вождения различных транспортных средств, так как SWIR канал практически всегда совместим с остеклением кабин и не требует дополнительной адаптации транспортного средства к предлагаемому ОНВ, а телевизионный канал с привычной видимостью расширяет возможности ОНВ и предоставляет высокое разрешение с возможностью дополнительного электронного увеличения.
Вариант конструктивного исполнения универсальных ОНВ, использующий оригинальное компоновочное решение, уменьшающее вынос объективов вперед и обеспечивающее более плоский профиль прибора, показан на рис. 9.
Предварительно ОНВ устанавливают (закрепляют) перед глазами наблюдателя таким образом, чтобы выходные зрачки окуляров совместились с глазами наблюдателя.
Из-за разницы световых диаметров объективов SWIR и TV каналов, а также разных полей зрения по ГН (40°) и ВН (30°), зеркальная призма имеет несимметричную форму, а защитное стекло – вытянутую форму, при этом каналы SWIR и TV смещены друг относительно друга в горизонтальной плоскости на некоторую величину Δx. Расчетные размеры граней зеркальной призмы, расстояния и соответственно величина Δx могут быть определены по габаритной схеме, представленной на рис. 10.
Если выразить величину отрезка О1О5 двумя соотношениями через размеры левой ветви и через размеры правой ветви, то будут справедливы следующие формулы:
(1)
для левой ветви, и
(2)
для правой ветви, где
О1 – вершина зеркальной призмы;
О2, О3, О4 – точки, лежащие на оси, проходящей через вершину зеркальной призмы и перпендикулярной оптическим осям объективов;
О5 – точка пересечения оптической оси объектива левой ветви с перпендикулярной ей осью, проходящей через вершину зеркальной призмы;
ω1, ω2 – углы поля зрения левой и правой ветвей соответственно;
А1, А2 – расстояния от светового диаметра первой линзы объектива (или от входного зрачка объектива) до вершины зеркальной призмы О1 для левой и правой ветвей соответственно.
После приравнивания правых частей формул итоговое выражение для Δx принимает вид:
. (3)
Формула справедлива при отсутствии виньетирования, а задание допустимого виньетирования позволит обеспечить при проектировании приемлемые размеры прибора.
Вариант такой компоновки, имеющей вес оптики всех каналов с микродисплеями и с двумя элементами питания типа CR123A ~134 г., может обеспечить низкий профиль на уровне ~45 мм по глубине (рис. 11).
Телевизионная ветвь наблюдения обеспечивает наблюдение наружной обстановки днем и внутрикабинного оборудования в дневных и ночных условиях за счет совпадения рабочих спектральных диапазонов внутрикабинных излучателей и телевизионного фотоприемника.
Канал SWIR спектрального диапазона обеспечивает ночное наблюдение без влияния засветок от внутрикабинного светотехнического оборудования за счет разных рабочих спектральных диапазонов телевизионного канала, внутрикабинных излучателей и фотоприемника SWIR диапазона. Рабочий спектральный диапазон телевизионного канала и современных светодиодных внутрикабинных излучателей лежит в диапазоне от 0,45 до 0,85 мкм, а SWIR канал имеет спектральный диапазон длин волн от 0,9 до 1,7 мкм, что обеспечивает необходимое разнесение по спектру.
Характеристики очков ночного видения в сравнении с серийными приборами типов 1ПН74 и 1ПН105 приведены в табл. 1. Функциональная схема ОНВ представлена на рис. 12. Приведенная функциональная схема является универсальной и может являться основой для ОНВ в любых вариантах спектрального исполнения наблюдательных каналов.
В рассматриваемом варианте ОНВ в качестве фотоприемных устройств используются две матрицы – SWIR матрица ФУК36М производства АО «НПО «Орион» формата 640 × 512 пикселов, имеющая высокую чувствительность в коротковолновом инфракрасном диапазоне 0,9–1,7 мкм, и CMOS матрица EV76C660 производства Teledyne e2v формата 1 280 × 1 024 пиксела, обеспечивающая качественное изображение при изменении освещенности от 5 · 10–2 до 5 · 104 лк.
Блок процессора, основным вычислительным ядром которого служит программируемая логическая матрица XC7A75T производства Xilinx, обеспечивает обработку поступающей видеоинформации с последующим выводом ее на микродисплеи.
AMOLED микродисплеи SXGA‑120 R5 производства eMagin Corporation формата 1 280 × 1 024 позволяют отображать поступающую видеоинформацию и вводить служебные данные.
Блок питания вырабатывает необходимые для функционирования ОНВ напряжения, а также дает возможность заряжать аккумуляторы от внешнего источника питания. В качестве источников питания используются два Li-Ion аккумулятора типоразмера 16340, емкостью 1 200 mAh.
Важной особенностью двухканальных ОНВ является использование отечественных фотоприемников. Московское предприятие «Орион» разработало и выпускает новый модуль – формата 640 × 512 элементов с шагом 15 мкм, параметры которого представлены в таблице 2. В состав модуля входят матрица фоточувствительных элементов из InGaAs.
Московское предприятие «Пульсар» завершает ОКР по созданию полного аналога CMOS матрицы EV76C660. Органы управления позволяют выбрать различные режимы работы ОНВ: вывод изображения только с SWIR матрицы, вывод изображения только с CMOS матрицы, вывод комбинированного изображения, а также вывод изображения с CMOS матрицы в режиме электронного увеличения 2 крата, что делает прибор практически универсальным вариантом для многих применений.
Следует особо отметить, что режим вывода комплексированного изображения обеспечивает возможность одновременного наблюдения изображения внутрикабинного светотехнического оборудования через телевизионный канал и изображения местности на всех уровнях естественной ночной освещенности через SWIR канал без влияния на него засветок от внутрикабинного светотехнического оборудования.
REFERENCES
Патент РФ № 2133973. Способ освещения приборного оборудования и транспарантов световой сигнализации летательного аппарата при наблюдении их через пилотажные очки ночного видения / Беликова В. Н., Винокуров С. А., Гордиенко Ю. Н., Грузевич Ю. К., Дятлов А. Л., Солдатенков В. А., Хуснетдинов А. Р.
Патент РФ № 2325308 С2. Устройство импульсной адаптации светотехнического оборудования преимущественно летательных аппаратов к приборам ночного видения / Падалко Г. А., Покотило С. А., Головатенко В. П., Щедрина Т. В., Локтионов В. И.
Медведев А. В., Гринкевич А. В., Князева С. Н. ЭОП или телевизионная матрица? Аспекты эффективности применения. Фотоника. 2020;14(5): 394–411.
Грузевич Ю. К. Оптико-электронные приборы ночного видения. М.: ФИЗМАТЛИТ. 2014. 276 с. – ISBN 978-5-9221-1550-6.
Птицын А. Что мы видим и что не видим. Фотоника. 2015; 3 / 51:142–151.
Гусарова Н. И., Кощавцев Н. Ф., Попов С. В. Преимущества использования твердотельных фотоприемных устройств на область спектра 1,4–1,7 мкм в приборах ночного видения. Успехи прикладной физики. 2014; 2(3).
АВТОРЫ
Медведев Александр Владимирович, design@romz.ru, генеральный конструктор, ОАО «Ростовский оптико-механический завод (ОАО «РОМЗ»), Ростов Великий, Ярославская область, Россия.
Гринкевич Александр Васильевич, lyu1455@yandex.ru, ЗАО «ЭВС», Москва, Россия.
Князева Светлана Николаевна, ksn61@yandex.ru, инженер-конструктор, ОКБ ОАО «Ростовский оптико-механический завод (ОАО «РОМЗ»), Ростов Великий, Ярославская область, Россия.
А. В. Медведев, А.В.Гринкевич, С. Н. Князева
ОАО «РОМЗ», Ярославская обл., г. Ростов
ЗАО «ЭВС», г. Москва
ОКБ ОАО «РОМЗ», Ярославская обл., г. Ростов
В статье рассмотрен особый класс оптико-электронных приборов – очки ночного видения, позволяющие не только улучшить видимость в различных условиях наблюдения и освобождающие руки наблюдателя для выполнения различных операций, сопутствующих наблюдению. Приведены варианты двухканальных очков ночного видения с каналами IR+TV и TV+SWIR диапазонов, рассмотрены преимущества их применения.
Ключевые слова: очки ночного видения, SWIR диапазон, внутрикабинное оборудование, низкопрофильные очки, тепло-телевизионные очки
Развитие оптико-электронных приборов (ОЭП) наблюдения и прицеливания является естественным процессом эволюции в области приборостроения. По мере развития технологий конструкции ОЭП совершенствовались, и сегодня они вполне обеспечивают всесуточность и всепогодность наблюдения. Среди многообразия ОЭП можно выделить особый класс приборов – оптико-электронные очки, позволяющие не только улучшить видимость, но и освобождающие руки наблюдателя для выполнения различных операций, сопутствующих наблюдению.
Одними из первых представителей класса оптико-электронных очков явились очки ночного видения (ОНВ) и первые рабочие варианты ОНВ аккумулировали в себе наиболее передовые решения своего времени. Один из образцов ОНВ, изготовление которого датировано сороковыми годами прошлого века, приведен на рис. 1.
Характерной особенностью ОНВ этого периода является наличие внушительного инфракрасного (ИК) прожектора, как правило размещаемого на груди, а также металлического заплечного рюкзака с аккумуляторами и высоковольтными преобразователями напряжения, основная задача которых заключалась в преобразовании низковольтного входного напряжения в напряжение десятков киловольт для питания электронно-оптических преобразователей.
С течением времени, уже в 60‑е годы, стремление к уменьшению габаритов привело к миниатюризации ИК-прожектора, и уменьшение его размеров и веса позволило переместить прожектор с груди на голову наблюдателя и закрепить его на общем с очками кронштейне, что, несомненно, повысило удобство их применения (рис. 2).
В конструкции кронштейна была предусмотрена возможность оперативного откидывания ночных очков вверх, что позволяло вести обычное наблюдение без утомительного и времязатратного демонтажа прибора. Однако еще достаточно долго оставался неизменным закрепленный на спине аккумуляторный ящик с электронными блоками.
Но прогресс не стоял на месте, и появление малогабаритных электронных компонентов позволило перенести на заднюю часть головного крепления очков практически все электронные блоки, которые превратились в небольшой блок, уравновешивающий собственно ночные очки, естественно располагающиеся перед глазами.
Этим обстоятельством объясняется достаточно высокая популярность целого ряда ОНВ, разработанных в тот период и до сих пор активно применяющихся для выполнения специальных задач. В качестве примера можно представить изделие ПНВ‑57Е (рис. 3).
На фото видно, что при всех своих плюсах изделие, безусловно, далеко от совершенства, так как низковольтным аккумулятором при его использовании служит бортовая сеть транспортного средства, а в качестве ИК прожектора используются штатные фары машины, которые закрываются ИК фильтрами.
Значительное увеличение коэффициента усиления новых ЭОП, а также появление новых типов сверхярких светодиодов для ИК области способствовало превращению мощного ИК прожектора в миниатюрный осветитель, прозрачный пластиковый корпус которого одновременно представлял собой оптическую систему, а разработка в конце прошлого столетия миниатюрных электронных компонентов (высоковольтных диодов и конденсаторов, малогабаритных трансформаторов и др.) позволила расположить высоковольтный блок непосредственно в корпусе электронно-оптического преобразователя, оснащенного эффективным устройством в виде микроканальной пластины (МКП).
Результатом стало коренное измерение компоновочного решения ОНВ, все составные части которых, а также и принадлежности, обеспечивающие функционирование, разместились в едином корпусе (рис. 4).
Однако общим недостатком такой конструкции является значительный продольный габаритный размер, который ограничивает широту их применения. Значительный дискомфорт добавляет и большой опрокидывающий момент, который создает нагрузку на шейные и лицевые мышцы оператора, вызывая его утомление.
Дальнейшие усилия конструкторов, направленные на совершенствование ночных очков на электронно-оптических преобразователях, шли в направлении перекомпоновки внутренних элементов с изменением оптической схемы.
Примером такого подхода являются ночные очки прилегающего профиля 1ПН105, часто демонстрируемые на выставках последних лет (рис. 5).
В очках значительно уменьшен вынос «вперед», но высокий габаритный размер не исчез, он просто изменил направление – вырос вертикальный габарит, и создалось впечатление плотного прилегания ко лбу наблюдателя.
Среди многообразия вариантов ОНВ особое место занимают очки для пилотов летательных аппаратов, предназначенные для наблюдения закабинного пространства летательного аппарата в сумерках и ночью в условиях естественной ночной освещенности (ЕНО) на местности от 10–4 до 1,0 лк, а в ряде случаев – при пониженной прозрачности атмосферы, характеризующейся дымкой, туманом, дождем и др.
Типичным представителем ОНВ для пилотов является прибор «ГЕО-ОНВ1-01», построенный на ЭОП поколений II+ и III (рис. 6).
При использовании ОНВ на основе ЭОП следует учитывать то, что все внутреннее и наружное освещение, в том числе сигнализация и подсветка внутрикабинных приборов, засвечивает фотокатоды электронно-оптических преобразователей. В результате исследований была проработана возможность использования цветных пленочных светофильтров для сужения рабочих спектральных диапазонов внутрикабинных излучателей, чтобы уменьшить их влияние на фотокатоды ОНВ [1]. Однако это приводило к ограничению спектральной характеристики фотокатода ЭОП.
Более эффективным методом могло бы являться другое конструктивное решение, основанное на методе импульсной адаптации. Здесь внутреннее и внешнее светотехническое оборудование подключается к внутрикабинному светотехническому оборудованию и к ОНВ через блок синхронизации, который обеспечивает работу в импульсном режиме и во временной противофазе ОНВ со светотехническим оборудованием, что позволяет исключить паразитные засветки ОНВ в темное время суток [2].
Все варианты адаптации требуют конструктивного усложнения внутрикабинного электрооборудования, что приводит к необходимости создания специализированного варианта летательного аппарата, адаптированного к ночным полетам, а это снижает его надежность в целом, не обеспечивая в полной мере комфортную работу пилота.
Однако решение этой проблемы существует.
Исключение сложных, трудоемких и дорогих методов адаптации летательного аппарата становится возможным, если пилот будет обеспечен ОЭП, использующим спектральный диапазон, отличный от спектрального диапазона излучения внутрикабинного оборудования.
Такой прибор целесообразно решать в виде наблюдательного прибора с несколькими рабочими каналами.
Наиболее часто встречающимся сочетанием является комбинация тепловизионного и телевизионного наблюдательных каналов. Эти каналы, являясь по многим параметрам взаимодополняющими, при объединении в согласованную наблюдательную систему позволяют повысить ее эффективность, так как сохраняют работоспособность системы в условиях, когда один из каналов малоэффективен из-за внешних условий [3].
Примером такого прибора могут служить низкопрофильные тепло-телевизионные очки ОН-ИКТВ, разработанные на Ростовском оптико-механическом заводе (рис. 7).
ОН-ИКТВ – это многофункциональный прибор, позволяющий ориентироваться и передвигаться по любой местности в сложных условиях, осуществлять вождение автотранспорта, проводить инженерные и ремонтные работы, а также обеспечивающий возможность работы с документами в полной темноте, а также в дождь, снег, туман, искусственном и естественном задымлении.
Очки построены по классической бинокулярной схеме и имеют два рабочих оптических канала: телевизионный и тепловизионный, и два окулярных выхода, при этом каждый из объективов установлен соосно с одним из окуляров.
Возможность вывода информации любого из спектральных диапазонов на два дисплея обеспечивает работу с использованием стереоскопического эффекта, что существенно повышает удобство и информативность наблюдения и снижает утомляемость глаз.
Конструктивные параметры оптических компонентов обеспечивают уравнивание форматов изображения, что позволяет производить комплексирование изображений, полученных в различных спектральных диапазонах, и выводить комбинированное изображение с каждого из каналов в различных процентных соотношениях.
В приборе используется специальная светосильная оптика с защитой от засветки, реализован цифровой и оптический zoom, для чтения документов и топографических карт предусмотрена встроенная широкоугольная ИК подсветка c индикацией включения ИК-осветителя.
Однако как бы ни были широки возможности тепло-телевизионных очков, производить с их помощью наблюдение из кабины пилота через тепловизионный канал не представляется возможным, так как стекло кабины не пропускает тепловизионные диапазоны длин волн, и это требует применения выносных поворотных тепловизионных камер, а также систем слежения и синхронизации их поворота с поворотом головы пилота [4].
Возможность беспрепятственного наблюдения через защитные и лобовые стекла транспортных средств обеспечена в универсальном варианте ОНВ с классическим телевизионным каналом видимого диапазона спектра и каналом коротковолнового ИК диапазона от 0,9 до 1,7 мкм, называемого в западной терминологии SWIR диапазоном.
Канал SWIR диапазона, в отличие от тепловизионного, не просто обеспечивает наблюдение через обычное стекло [5], но и позволяет получить изображение даже через сильно тонированное стекло автомобиля (рис. 8).
Канал SWIR диапазона построен на фотоприемнике на основе материала InGaAs, который наиболее эффективно обеспечивает через кабинное остекление ночное наблюдение и наблюдение в плохих погодных условиях. Оценка эффективности по дальности действия показывает, что приборы ночного видения с фотоприемными устройствами на InGaAs при низких уровнях освещенности, менее 2 · 10–3 лк, в условиях дымки, слабых туманов и пыли (при метеорологической дальности видимости Sм ≈ 2,5 км) на порядок превосходят ОЭП на ЭОП [6].
Таким образом, применяя два таких канала, можно получить практически универсальный вариант ОНВ для пилотирования и вождения различных транспортных средств, так как SWIR канал практически всегда совместим с остеклением кабин и не требует дополнительной адаптации транспортного средства к предлагаемому ОНВ, а телевизионный канал с привычной видимостью расширяет возможности ОНВ и предоставляет высокое разрешение с возможностью дополнительного электронного увеличения.
Вариант конструктивного исполнения универсальных ОНВ, использующий оригинальное компоновочное решение, уменьшающее вынос объективов вперед и обеспечивающее более плоский профиль прибора, показан на рис. 9.
Предварительно ОНВ устанавливают (закрепляют) перед глазами наблюдателя таким образом, чтобы выходные зрачки окуляров совместились с глазами наблюдателя.
Из-за разницы световых диаметров объективов SWIR и TV каналов, а также разных полей зрения по ГН (40°) и ВН (30°), зеркальная призма имеет несимметричную форму, а защитное стекло – вытянутую форму, при этом каналы SWIR и TV смещены друг относительно друга в горизонтальной плоскости на некоторую величину Δx. Расчетные размеры граней зеркальной призмы, расстояния и соответственно величина Δx могут быть определены по габаритной схеме, представленной на рис. 10.
Если выразить величину отрезка О1О5 двумя соотношениями через размеры левой ветви и через размеры правой ветви, то будут справедливы следующие формулы:
(1)
для левой ветви, и
(2)
для правой ветви, где
О1 – вершина зеркальной призмы;
О2, О3, О4 – точки, лежащие на оси, проходящей через вершину зеркальной призмы и перпендикулярной оптическим осям объективов;
О5 – точка пересечения оптической оси объектива левой ветви с перпендикулярной ей осью, проходящей через вершину зеркальной призмы;
ω1, ω2 – углы поля зрения левой и правой ветвей соответственно;
А1, А2 – расстояния от светового диаметра первой линзы объектива (или от входного зрачка объектива) до вершины зеркальной призмы О1 для левой и правой ветвей соответственно.
После приравнивания правых частей формул итоговое выражение для Δx принимает вид:
. (3)
Формула справедлива при отсутствии виньетирования, а задание допустимого виньетирования позволит обеспечить при проектировании приемлемые размеры прибора.
Вариант такой компоновки, имеющей вес оптики всех каналов с микродисплеями и с двумя элементами питания типа CR123A ~134 г., может обеспечить низкий профиль на уровне ~45 мм по глубине (рис. 11).
Телевизионная ветвь наблюдения обеспечивает наблюдение наружной обстановки днем и внутрикабинного оборудования в дневных и ночных условиях за счет совпадения рабочих спектральных диапазонов внутрикабинных излучателей и телевизионного фотоприемника.
Канал SWIR спектрального диапазона обеспечивает ночное наблюдение без влияния засветок от внутрикабинного светотехнического оборудования за счет разных рабочих спектральных диапазонов телевизионного канала, внутрикабинных излучателей и фотоприемника SWIR диапазона. Рабочий спектральный диапазон телевизионного канала и современных светодиодных внутрикабинных излучателей лежит в диапазоне от 0,45 до 0,85 мкм, а SWIR канал имеет спектральный диапазон длин волн от 0,9 до 1,7 мкм, что обеспечивает необходимое разнесение по спектру.
Характеристики очков ночного видения в сравнении с серийными приборами типов 1ПН74 и 1ПН105 приведены в табл. 1. Функциональная схема ОНВ представлена на рис. 12. Приведенная функциональная схема является универсальной и может являться основой для ОНВ в любых вариантах спектрального исполнения наблюдательных каналов.
В рассматриваемом варианте ОНВ в качестве фотоприемных устройств используются две матрицы – SWIR матрица ФУК36М производства АО «НПО «Орион» формата 640 × 512 пикселов, имеющая высокую чувствительность в коротковолновом инфракрасном диапазоне 0,9–1,7 мкм, и CMOS матрица EV76C660 производства Teledyne e2v формата 1 280 × 1 024 пиксела, обеспечивающая качественное изображение при изменении освещенности от 5 · 10–2 до 5 · 104 лк.
Блок процессора, основным вычислительным ядром которого служит программируемая логическая матрица XC7A75T производства Xilinx, обеспечивает обработку поступающей видеоинформации с последующим выводом ее на микродисплеи.
AMOLED микродисплеи SXGA‑120 R5 производства eMagin Corporation формата 1 280 × 1 024 позволяют отображать поступающую видеоинформацию и вводить служебные данные.
Блок питания вырабатывает необходимые для функционирования ОНВ напряжения, а также дает возможность заряжать аккумуляторы от внешнего источника питания. В качестве источников питания используются два Li-Ion аккумулятора типоразмера 16340, емкостью 1 200 mAh.
Важной особенностью двухканальных ОНВ является использование отечественных фотоприемников. Московское предприятие «Орион» разработало и выпускает новый модуль – формата 640 × 512 элементов с шагом 15 мкм, параметры которого представлены в таблице 2. В состав модуля входят матрица фоточувствительных элементов из InGaAs.
Московское предприятие «Пульсар» завершает ОКР по созданию полного аналога CMOS матрицы EV76C660. Органы управления позволяют выбрать различные режимы работы ОНВ: вывод изображения только с SWIR матрицы, вывод изображения только с CMOS матрицы, вывод комбинированного изображения, а также вывод изображения с CMOS матрицы в режиме электронного увеличения 2 крата, что делает прибор практически универсальным вариантом для многих применений.
Следует особо отметить, что режим вывода комплексированного изображения обеспечивает возможность одновременного наблюдения изображения внутрикабинного светотехнического оборудования через телевизионный канал и изображения местности на всех уровнях естественной ночной освещенности через SWIR канал без влияния на него засветок от внутрикабинного светотехнического оборудования.
REFERENCES
Патент РФ № 2133973. Способ освещения приборного оборудования и транспарантов световой сигнализации летательного аппарата при наблюдении их через пилотажные очки ночного видения / Беликова В. Н., Винокуров С. А., Гордиенко Ю. Н., Грузевич Ю. К., Дятлов А. Л., Солдатенков В. А., Хуснетдинов А. Р.
Патент РФ № 2325308 С2. Устройство импульсной адаптации светотехнического оборудования преимущественно летательных аппаратов к приборам ночного видения / Падалко Г. А., Покотило С. А., Головатенко В. П., Щедрина Т. В., Локтионов В. И.
Медведев А. В., Гринкевич А. В., Князева С. Н. ЭОП или телевизионная матрица? Аспекты эффективности применения. Фотоника. 2020;14(5): 394–411.
Грузевич Ю. К. Оптико-электронные приборы ночного видения. М.: ФИЗМАТЛИТ. 2014. 276 с. – ISBN 978-5-9221-1550-6.
Птицын А. Что мы видим и что не видим. Фотоника. 2015; 3 / 51:142–151.
Гусарова Н. И., Кощавцев Н. Ф., Попов С. В. Преимущества использования твердотельных фотоприемных устройств на область спектра 1,4–1,7 мкм в приборах ночного видения. Успехи прикладной физики. 2014; 2(3).
АВТОРЫ
Медведев Александр Владимирович, design@romz.ru, генеральный конструктор, ОАО «Ростовский оптико-механический завод (ОАО «РОМЗ»), Ростов Великий, Ярославская область, Россия.
Гринкевич Александр Васильевич, lyu1455@yandex.ru, ЗАО «ЭВС», Москва, Россия.
Князева Светлана Николаевна, ksn61@yandex.ru, инженер-конструктор, ОКБ ОАО «Ростовский оптико-механический завод (ОАО «РОМЗ»), Ростов Великий, Ярославская область, Россия.
Отзывы читателей
