CC BY
301
УДК 621.384.3
Г.Н. Попов, Н.Н. Мордвин
ФГУП ЦКБ «Точприбор», Новосибирск
КОНЦЕПЦИЯ ПОСТРОЕНИЯ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ НАБЛЮДЕНИЯ УНИВЕРСАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Потребность вооруженных сил в современных оптико-электронных средствах разведки и наблюдения высока, особенно остро ощущается потребность во всесуточных оптико-электронных средствах позволяющих вести разведку, как днем, так и ночью. Наиболее эффективны для ведения всесуточной разведки многоканальные оптико-электронные системы (МОЭС). Каждый канал МОЭС работает в собственном спектральном диапазоне, расширение же спектрального диапазона разведки влечет за собой повышение информативности получаемых разведданных.
Каждый канал МОЭС имеет свои ограничения в работе, накладываемые внешними условиями: уровнем освещенности, влажностью воздуха,
задымленностью атмосферы и т.д. Синтез изображения позволяет в МОЭС преодолеть эти ограничения, что дает возможность вести непрерывную разведку даже в сложных условиях, подтверждая тем самым целесообразность применения МОЭС
Обоснование состава каналов МОЭС
На эффективность применения оптико-электронных средств особое влияние оказывают три основных фактора: параметры атмосферы,
освещенность и параметры цели.
Основной целью построения многоканальных оптико-электронных средств является:
- Всесуточная работа в сложных погодных условиях;
- Повышение информативности.
Параметры атмосферы и освещенность в основном определяют дальности работы оптико-электронных средств. Параметры цели определяют информативность разведки. В тепловизионном диапазоне свыше 3 мкм температурный контраст цели с фоном цели, так же определяет дальность работы оптико-электронных средств.
На рис. 1 приведен пример картины пропускания атмосферы в части ИК диапазона, которая в основном определяется поглощением излучения газовой средой. На примере этой картины можно убедится в том, что эффективность работы ОЭС напрямую зависит от его спектрального диапазона и, следовательно, максимум эффективности работы ОЭС можно добиться только в полосах «прозрачности» атмосферы.
При этом стоит отметить, что в различных диапазонах спектра основные потери, связанные с поглощением определяются различными составами газовых сред и примесей. Так если в диапазоне 1^2 мкм коэффициент пропускания определяется в основном величиной концентрации углекислого газа (CO2), то в диапазонах 3^5, 8^12 мкм основные потери происходят из-за
поглощения излучения водяными парами (Н2О) и гораздо менее зависят от концентрации остальных примесей.
т7л),%
1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4,5 5 5.5
Х,мк
Рис. 1. Картина пропускания атмосферы в части ИК диапазона
Освещенность объекта излучением атмосферы, определяет уровень интенсивности отраженного излучения от объекта фиксируемого ОЭС. Уровень освещенности определяет эффективность работы ОЭС УФ, видимого и ближнего ИК диапазона, но не влияет на эффективность работы ОЭС тепловизионного диапазона, где определяющую роль играет собственное тепловое излучение объекта. Таким образом, ОЭС тепловизионного диапазона обладают возможностью всесуточной работы, но более низкой информативностью, чем видимого и ближнего ИК диапазона.
Применяя оптико-электронные каналы, работающие в разных спектральных диапазонах, мы можем добиться непрерывной всесуточной работы в самых различных погодных условиях.
Вторая задача - повышение информативности - решается путем синтеза изображения нескольких оптико-электронных каналов.
Изображение от каждого из каналов, работающих в своем спектральном диапазоне, обладает индивидуальными особенностями и характерными признаками.
Характерными отличительными признаками ОЭС УФ, видимого и ближнего ИК диапазона являются различные значения контраста объекта с фоном, которые зависят от отлученности объекта и коэффициента спектральной яркости объекта и фона в рабочих диапазонах длин волн ОЭС.
Контраст между различными объектами разведки и фоном в различных диапазонах длин волн существенно отличается.
Характерными признаками ОЭС тепловизионного диапазона является тепловая отметка объекта на тепловом фоне местности. При этом в спектральном диапазоне 3^5 мкм по сравнению со спектральным диапазоном 8^12 мкм хорошо видны более нагретые тела. Это является следствием закона Планка. На рис.2 представлен графический вид формулы Планка излучения нагретых тел для различных температур. Работа одновременно в
двух тепловизионных диапазонах 3^5 и 8^14 мкм позволит регистрировать излучение объектов в более широком динамическом диапазоне температур.
0,5 1,0 г,о 5,0 ЧР ф 6,0 7,0
Длина волны, мкм
Рис. 2. Кривые планка
Одновременное использование двух спектральных диапазонов (3 ... 5 и 8... 13 мкм) в ОЭС, предназначенной для обнаружения и распознавания на пестром фоне целей типа “танк”, существенно увеличивает вероятность правильного обнаружения целей (на 5...7 %), по сравнению с той же вероятностью при использовании одного канала.
Наблюдениями психофизиологов установлено, что человек при опознавании образов пользуется, главным образом, принципом предпочтительности тех или иных признаков. С этой целью он производит сопоставление объектов одного класса, выделяя их общность и отбирая разделяющие признаки.
Особенностью психофизиологических процессов восприятия зрительной (оптической) информации у высших животных и человека является декорреляция изображений в пространстве и времени в целях устранения статистических избыточных связей соседних элементов изображения и последовательных кадров уже в системе первичной обработки информации. Это позволяет использовать только наиболее информативные признаки распознаваемых образов и наиболее экономно закодировать информацию для передачи ее в систему вторичной обработки - в мозг.
Таким образом, синтезируя в едином изображении отличительные признаки изображения различных каналов и акцентируя на них внимание возможно резко повысить информативность изображения и эффективность ведения разведки, и чем большее число отличительных признаков будет получено в процессе разведки, тем более информативной будет синтезированное изображение. Таким образом, чем больше оптикоэлектронных каналов различного диапазона будет задействовано для видения разведки, тем эффективней процесс разведки.
МОЭС может иметь в своем составе следующие приемные каналы:
- Тепловизионный канал, работающий в спектральном диапазоне 8^14
мкм;
- Тепловизионный канал, работающий в спектральном диапазоне 3^5
мкм;
- Ночной телевизионный канал на базе ЭОП. Оснащенный лазерным излучателем подсветки ночной канал может работать в активно-импульсном режиме, а также производить обнаружение оптико-электронных средств (ОЭС) на основе эффекта световозвращения;
- Дневной телевизионный канал на базе высокочувствительной цифровой телевизионной матрицы;
- Лазерный дальномер с длиной волны излучения 1,54 мкм;
- Телевизионный канал УФ диапазона на базе «солнечно-слепого» ЭОП работающего днем в пассивном режиме, а ночью, при комплектации МОЭС лазерным излучателем подсветки в УФ спектре, в активном режиме. Телевизионный канал УФ диапазона предназначен для обнаружения замаскированных объектов по разности коэффициентов спектральной яркости объектов и фонов;
- ИК канал ближнего диапазона 1,1 ^2,5 мкм на основе охлаждаемой матрицы 1^Ь формата 320 х 240, предназначенный для обнаружения замаскированных объектов по разности коэффициентов спектральной яркости объектов и фонов.
Модульный принцип построения конструкции
Исходя из области применения, предназначения, дальности действия и климатических условий эксплуатации, к МОЭС предъявляются различные тактико-технические требования (ТТТ). ТТТ накладывают требования к конструкции и элементной базе, что обуславливает возникновение большого количества вариантов МОЭС, вследствие чего, так же возрастают необходимые ассигнования для удовлетворения потребностей в МОЭС различных силовых структур и родов войск.
Выходом из создавшегося положения является разработка модульной многоканальной оптико-электронной системы разведки, наблюдения и прицеливания широкого применения: наземного, воздушного, морского.
Таким образом, по сравнению с концепцией индивидуальной разработки приборов под определенные задачи и условия эксплуатации концепция построения «универсального» назначения более эффективна.
Принцип построения модульной МОЭС заключается в следующем:
- МОЭС состоит из модулей приемных каналов, модулей излучателей, универсального модуля обработки и управления, модуля видеосмотрового устройства (ВСУ), а так же может включать в себя датчики неоптического типа. Предполагаемое количество каналов 7;
- Основой МОЭС является универсальный модуль обработки и управления, выполняющий функции обработки, синтеза и комплексирования данных от приемных каналов, генерации служебной информации, вывода комплексированного изображения на ВСУ и управления работой МОЭС;
- МОЭС обладает свойствами мультизадачности, имеет возможность приема и обработки данных от различного числа каналов и выдачу соответствующих сигналов управления модулями (в том числе гиростабилизированной платформой) в реальном времени. Мультизадачность реализуется аппаратно и задается программно в зависимости от состава МОЭС;
- Каждый модуль приемного канала совместно с модулем обработки и управления и модулем ВСУ является полноценным наблюдательным прибором;
- Комбинация приемных модулей и модулей излучателей дает возможность получать различные варианты МОЭС для решения задач разведки, наблюдения и прицеливания;
- Приемные модули конструктивно стыкуются друг с другом. В варианте, показанном на рис.1, имеет место объединение ночного ТВ канала, дневного ТВ канала и приемного канала дальномера на основе совмещения оптических осей;
- Модули приемного канала строятся на основе модулей объективов с разными фокусными расстояниями и модулей приемников с различными ТХ. Взаимная комбинация этих модулей позволяет добиваться необходимых ТТХ и стоимости приемного канала. Предполагается использовать модульный ряд объективов с фокусными расстояниями от 25 до 500 мм;
- Потребитель может при необходимости изменять состав каналов;
- Модули каналов МОЭС в основном варианте имеют каркасную основу. МОЭС может устанавливаться в разные корпуса и на различные посадочные места в зависимости от состава и конструктивных особенностей применения;
- В зависимости от количества каналов, ТТХ МОЭС может являться носимым или транспортируемым прибором. Условиями эксплуатации и разрешающей способности приемных каналов определяется тип модуля ВСУ;
- Транспортируемые МОЭС могут устанавливаться на гиростабилизированную платформу.
© Г.Н. Попов, Н.Н. Мордвин, 2007
