Средства наблюдения в инфракрасном диапазоне

Для визуально-оптического наблюдения в инфракрасном диапазоне необходимо переместить невидимое для глаз изображения в инфракрасном диапазоне (более 0,76 мкм) в видимый диапазон. Эта задача решается в приборах ночного видения (ПНВ) и тепловизорах.

Основу приборов ночного видения составляет электронно-оптический преобразователь (ЭОП), преобразующий невидимое глазом изображение объекта наблюдения в видимое. Самый простой ЭОП, так называемый стакан Холста (по имени изобретателя Холста де Бургоса) представляет собой стеклянный сосуд, из которого выкачан воздух (рисунок 9.4).

 

 

 

Рисунок 9.4 – Схема стакана Холста

 

Плоская поверхность стакана, обращенная к объекту металлизируется и на ней наносится светочувствительный материал из окиси серебра с цезием – фотокатод. Противоположная поверхность стакана представляет собой металлизированный экран с люминофором. К металлизированным поверхностям подводится достаточно высокое напряжение 4-5 кВ, в результате чего между ними возникает электрическое поле. На фотокатод объективом проецируется изображение в ИК-диапазоне. В каждой точке фотокатода под действием фотонов света возникают свободные электроны, количество которых пропорционально яркости соответствующей точки изображения. Электрическое поле выравнивает свободные электроны из фотокатода и, разгоняя, устремляет их к экрану с люминофором. В моменты столкновения электронов с люминофором возникают вспышки видимого света, яркость которых пропорциональна количеству электронов. Таким образом на экране с люминофором формируется видимое изображение, близкое исходному в ИК-диапазоне.

Однако параметры (чувствительность, разрешение) рассмотренного ЭОП невысокие и не обеспечивают наблюдение при низкой освещенности и, следовательно, добывание демаскирующих признаков об объекте с мелкими деталями.

С момента создания в 1934 г. Первого ЭОП в виде стакана Холста разработано несколько поколений этих приборов (от нулевого до четвертого), отличающиеся конструкцией и используемыми светочувствительными материалами. ЭОП 2-го и 3-го поколений, которые применяются в настоящее время, имеют чувствительный фотокатод, а между пластинами камеры размещается так называемая микроканальная пластина. Пластина содержит приблизительно 5000 микроканалов на 1 мм квадратный., внутри которых движутся электроны фотокатода. В результате устранения взаимного влияния электронов от соседних точек фотокатода, движущихся по разныммикроканалам, достигается повышение разрешающей способности прибора ночного видения с микроканальной пластиной. Кроме того, в процессе движения электронов внутри каналов происходит «размножение» электронов в результате «выбивания» дополнительных электронов из стен каналов, покрытых специальными материалами. Основные усредненные показатели приборов ночного видения различных поколений приведены в табл. 9.1.

Таблица 9.1- Основные усредненные показатели приборов ночного видения различных поколений

Поколение	Максимальная чувствительность, мкА/лм	Коэффициент усиления	Разрешающая способность, лин/мм	Дальность распознавания фигуры человека при ЕНО
0	200	100-200
I	350	250-1000		60-110
II	1000			150-250
III	1350			250-300
IV	2000

Примечание. Естественная ночная освещенность (ЕНО) соответствует

 

На основе ЭОП 2-го и 3-го поколения созданы различные приборы ночного видения,включающие ночные бинокли и очки, артиллерийские приборы и прицелы для различных образцов военной технике. Самые мелкие по размерам ПНВ – очки на базе ЭОП 3-го поколения имеют угол зрения 40 градусов, дальность наблюдения (обнаружения) 500 м при естественном освещении около лк, массу около 700 г.

Приборы ночного видения эффективно работают в условиях естественного ночного освещения, но не позволяют проводить наблюдения в полной темноте (при отсутствии внешнего источника света). Их чувствительность недостаточна для приема световых лучей в ИК-диапазоне, излучаемых телами.

Приборы ночного видения (ПНВ) разделяют на 3 группы:

a) приборы малой дальности действия (ночные очки), позволяющие видеть фигуру человека на расстоянии 100-200 м. Вес и габариты этих приборов позволяют носить их в карманах, сумках, портфелях;

b) приборы (ночные бинокли, трубы) средней дальности (человек виден до 300-400 м), наблюдение ведется с рук;

c) приборы большой дальности действия (до 1000м), устанавливаемые для наблюдения на треноге или подвижном носителе.

Например, прибор ночного видения – бинокль фирмы Noctron (США) имеет фокусное расстояние 135 мм, угол поля зрения – 10,6 градусов, массу 1,98 кг, габариты 320*80*210 мм, дальность наблюдения человека 300-400 м.

Стационарный прибор ночного видения НМ-10С оснащается длиннофокусным объективом (F = 250 мм) с 10-кратным увеличением и специальным окуляром с переходными кольцами для подсоединения фото- и видеокамеры. Электронно-оптический преобразователь обеспечивает усиление 30000 и разрешение в центре 28 лин/мм. Прибор имеет габариты 200*600 мм, вес 5,1 кг и устанавливается на треноге.

По способу подсветки приборы ночного видения условно разделяются на три группы:

a) объект наблюдения подсвечивается с помощью искусственного источника ИК-излучения, размещенного на приборе ночного видения;

b) с подсветкой от естественного освещения;

c) принимающего собственное тепловое излучение объекта наблюдения.

Приборы ночного видения первого типа содержат ИК-фару в виде обычного источника света мощностью 25-100 ВТ, закрытого спереди специальным фильтром. Например, прибор ночного видения с подсветкой «Аргус» позволяет вести наблюдение в полной темноте объектов на удалении до 120 м. на этом удалении можно различить силуэт человека и определить тип транспортного средства. Опознать человека по признакам внешности и лица можно на значительно меньшем расстоянии – 35-50 м. приборы ночного видения при освещенности ночью в летнее время (приблизительно 0,005 лк) позволяют видеть фигуру человека на расстоянии до 300-400 м. Например, ПНВ отечественного производства «Ворон-3» имеет пороговый уровень освещенности для визуального обнаружения объектов 0,001 лк, для регистрации – 0,01 лк. Его разрешающая способность не менее 28 лин/мм, диапазон автоматической регулировки чувствительности, напряжение питания 5-9 В, масса – не более 1,2 кг.

Наблюдение объектов в полной темноте (при отсутствии внешних источников ИК-света) на рассмотренных принципах мешают тепловые шумы светоэлектрических преобразователей. Снижение уровня шумов достигается применением малошумящих светочувствительных материалов и охлаждением преобразователей. Для надежного обнаружения теплового излучения объекта наблюдения на фоне шумов светоэлектрического преобразователя (обеспечения отношения сигнал/шум более 1) последний нуждается в охлаждении до весьма низких температур – (-70…-200) .

Наблюдение объектов в свете собственных излучения (с точки зрения наблюдателя – в полной темноте) обеспечивается в тепловизорах с охлаждаемыми светоэлектрическими преобразователями. Охлаждение производится с помощью термоэлектрических и микрокриогенных устройств до температуры порядка 70 градусов. В качестве светоэлектрических преобразователей применяются ИК-матрицы размеров до 640*480 из пироэлектрических элементов и микроболометров, обеспечивающих опознавание человека на удалении до 1,5 км, а автомобиля – до 5 км. Масса современных тепловизоров составляет единицы кг. Например, японский тепловизорLATRO-S270 фирмыNiconCorp. матрицей размером 537*505, охлаждаемой микрокриогенным устройством до температуры 77 градусов, имеет габариты 100*120*165 мм и массу 2,5 кг.

Основными характеристиками технических средств наблюдения в ИК-диапазоне, влияющими на их возможности, являются следующие:

a) пороговая чувствительность по температуре;

b) фокусное расстояние объектива;

c) диаметр входного отверстия объектива;

d) угол поля зрения прибора;

e) коэффициент преобразования (усиления) ЭОП;

f) интегральная чувствительность.