CC BY
262
ОПТИКА, ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ
УДК 528.1: 631.4
ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ МОДУЛЬНЫХ ТЕПЛОВИЗИОННЫХ СИСТЕМ
Виталий Александрович Войновский
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск,
ул. Плахотного, 10, старший преподаватель кафедры специальных устройств и технологий
СГГА, тел. (383)361-07-31
Валерик Сергеевич Айрапетян
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск,
ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, заведующий кафедрой специальных устройств и технологий СГГА, тел. (383)361-07-31, e-mail: [email protected]
Анатолий Константинович Синякин
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск,
ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, профессор кафедры специальных устройств и технологий СГГА, тел. (383)361-07-31
В статье кратко описаны основные способы визуализации изображения среднего и дальнего ИК электромагнитного излучения в видимый диапазон с помощью тепловизионных систем. Подробно анализируются современные военно-технические тепловизионные системы, применяемые в зарубежных странах. Тенденции развития и создание модульных тепловизионных приборов, предназначенных для Вооруженных Сил, а также дальнейшие перспективы.
Ключевые слова: тепловизионные комплексы, приборы ночного видения, модуль обработки сигналов, криогенная техника.
THE TREND OF DEVELOPMENT OF MODULATOR THERMAL IMAGING SYSTEMS
Vitaly A. Voynovsky
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plachotnogo St., senior lecturer of the Department of special devices and technologies SSGA, tel. (383)361-07-31
Valerik S. Ayrapetyan
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plachotnogo St., Prof., Head of the department of special devices and technologies SSGA, tel. (383)361-07-31, e-mail: [email protected]
107
Оптика, оптико-электронные приборы и системы
Anatoly K. Sinjakin
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plachotnogo St., Professor of the department of special devices and technologies SSGA, tel. (383)361-07-31
The article briefly describes the main ways of visualizing images of middle and far-infrared electromagnetic radiation in the visible range with a thermal imaging systems. Detailed analysis of modern military technology thermal imaging systems used in other countries. Trends in the development and creation of modular thermal imaging devices designed for the Armed Forces, as well as future prospects.
Key words: thermal imaging systems, night vision devices, the module signal processing, cryogenics.
Достижения в освоении инфракрасного диапазона электромагнитного спектра привели к созданию разнообразной информационной аппаратуры, и, в частности, тепловизоров - устройств, предназначенных для наблюдения объектов по их собственному инфракрасному излучению. Предшественники тепловизоров - теплогенераторы - были способны только обнаруживать теплоизлучающие объекты и определять на них направление. По мере развития теплопелен-генераторов появилась возможность использовать их не только для указанных целей, но и для визуального наблюдения распределения температуры теплоизлучающих объектов и их опознания. Так совершился логический переход от теплогенераторов к тепловизорам. Возможность тепловизоров дистанционно оценивать температурные поля в реальном масштабе времени и без каких-либо нарушений тепловой среды, неизбежных при использовании контактных датчиков температуры, вызвала широкое применение тепловизионной аппаратуры в различных областях промышленного производства, научных исследованиях, в медицинской практике, а также в оборонной промышленности.
Толчком к развитию техники тепловидения за рубежом послужила концепция НАТО, потребовавшая создание пассивных систем наблюдения, действующих в условиях плохой видимости днем и ночью, с целью достижения тактического превосходства над вероятным противником, что в значительной степени можно реализовать созданием аппаратуры наблюдения, основанной на регистрации теплового контраста между целью и фоном.
Работы, проведенные рядом фирм США по созданию тепловизионной аппаратуры, показали, что эти приборы обладают существенными преимуществами по сравнению с пассивными приборами ночного видения (ПНВ) и могут быть использованы для решения тактических задач на суше, море и в воздухе.
Однако разработка, производство и оснащение армии тепловизионной аппаратурой (помимо трудностей, связанных с решением технических вопросов, -повышение чувствительности тепловизионной аппаратуры) осложнялись из-за ее высокой стоимости. Американская фирма Т1 пришла к выводу, что главная причина высокой стоимости - в многообразии конструкций, так как при заказе новой системы большинство узлов, предназначенных для аналогичного приме-
108
Оптика, оптико-электронные приборы и системы
нения, каждый раз конструировались заново, что препятствовало организации серийного производства и внедрению прогрессивной технологии.
Поколение и тип тепловизионных приборов (ТВП) определяются конфигурацией фотоприемника и способом сканирования [1, 2]. Существуют три способа сканирования: параллельное, последовательное, последовательнопараллельное.
В системе «Общих модулей» (СМ) в качестве основы системы избран параллельный способ сканирования линейкой детекторов из теллурита, кадмия и ртути - КРТ, состоящей из 60, 120 и 180 элементов в зависимости от вооружения, которому придается ТВП. Так, наблюдательные приборы имеют линейку из 60 элементов КРТ, тепловизионные прицелы для образцов БТТ - из 120 элементов, а ТВП к самолетам и вертолетам - из 180 элементов. В настоящее время ведутся разработки наблюдательных приборов на основе комбинированной линейки 4 х 288 элементов фирмы «Softradir».
На рис. 1 показана структурная схема классического тепловизионного прицела для танка, выполненного по модульной системе СМ с параллельным сканированием и фотоприемником в виде линейки из 120 элементов КРТ с криогенным охлаждением до 77 К.
Рис. 1. Структурная схема тепловизионного прибора наблюдения прицела
для танка на основе общих модулей:
1 - объект наблюдения; 2 - тепловое излучение; 3 - поворотное зеркало; 4 - оптическая система с переменным увеличением; 5 - двузеркальный сканер; 6 - объектив; 7 - криогенно-охлаждаемый фотодетектор; 8 - система охлаждения; 9 - предусилитель; 10 - усилитель; 11 - линейка светодиодов; 12 - колиматор; 13 - расщепитель; 14 - усилитель яркости изображения; 15 - окуляр; 16 - узел сетки
109
Оптика, оптико-электронные приборы и системы
Система обработки сигналов, поступающих от каждого детекторного элемента, построена таким образом, что обработке подвергается каждый детектор, в результате чего пропуски в воспроизведении тепловой картины при ее развертке сканером и обработке отсутствуют [3]. Усиленные сигналы затем попадают на эмиттерную решетку светодиодов из арсенида галлия, которые под действием сигналов, поступивших от детекторной решетки и обработанных усилителями, испускают видимый свет, интенсивность которого в отдельных участках в точности соответствует распределению интенсивности изображения в ИК-лучах. Изображение, полученное на светодиодной линейке, проецируется коллиматором (уже в видимой области) на обратную сторону зеркала, где развертывается в кадр, который проецируется на фотокатод усилителя яркости изображения, как это имеет место в ПНВ, в результате чего усиленное изображение рассматривается в окуляр прибора.
Другой вариант системы визуализации изображения показан на рис. 2, где изображение на линейке светодиодов через обратную сторону качающегося зеркала проецируется с помощью объектива на видикон, а затем уже на электронно-лучевую трубку ВКУ [3, 4]. Такое преобразование с выходом на ЭЛТ используется обычно в тепловизионных прицелах, установленных на подвижных носителях: танке, БМП и БРМ, где изображение воспроизводится на рабочих местах экипажа.
Рис. 2. Схема визуализации тепловизионного изображения на ЭЛТ ВКУ:
1 - ИК-объектив; 2 - двузеркальный сканер; 3 - линейка детектора;
4 - линейка светодиодов; 5 - проекционный объектив; 6 - видикон; 7 - ЭЛТ
Все узлы описанной выше модульной системы ТВП прибора стандартизованы, что позволило создать ряд тепловизионных приборов для сухопутных войск (СВ), а также для авиации - вертолетов и самолетов, действующих на небольшой высоте.
В Соединенных Штатах к числу тепловизионных приборов, созданных на основе «Системы общих модулей», относятся наблюдательный прибор АМ/ТА5-2,
110
Оптика, оптико-электронные приборы и системы
прицел к ПУ ПТУР TOW AN/TAS-4, который стал системой ночного видения в лазерном целеуказателе GLLD, а также прицел АN/TАS-5 в ПУ ПТУР «Дракон». ТВП АN/TАS-6 (рис. 3) используется в лазерной разведывательной системе NОRLD, где на выходе тепловизора на светодиодном экране с усилителем яркости изображения происходит преобразование красного излучения экрана в зеленый цвет люминофора ЭОП, что позволяет обеспечить стереоскопическое видение.
Рис. 3. Тепловизионный разведывательный прибор АN/TАS-6 с лазерным дальномером AN/GVS-5:
1 - тепловизионный прибор; 2 - лазерный дальномер
Западногерманские специалисты, оценивая качества нового способа ночного видения, отмечают, что с помощью тепловизионного прицела можно обнаруживать и опознавать цели на значительно большей дальности, чем в видимом диапазоне в дневное время: цели, излучающие много тепла, опознаются даже на дальности 4 000 м. Поэтому формулу «Основная боевая дальность ночью равна половине боевой дальности днем», которая была действительна для активных приборов нулевого поколения, можно уже заменить после оснащения средств БТТ тепловизионными приборами формулой «Основная боевая дальность ночью равна боевой дальности днем».
В основу французской тепловизионной модульной системы SМT (SystemeModulaireThermigue) положен параллельно-последовательный способ сканирования матрицей, состоящей из определенного количества детекторов, расположенных по горизонту и вертикали.
Французскими фирмами SАT и ТЯТ, проводившими разработку, определен состав модульных блоков, в результате чего конструктивные характеристики системы ЗМТ таковы:
- спектральный диапазон работы 8-12 мкм;
- материал детекторов - КРТ;
- число детекторов в матрице 11 х 5;
111
Оптика, оптико-электронные приборы и системы
- параллельно-последовательное сканирование;
- высокоэффективная оптика с небольшим числом линз;
- два-три сменных поля зрения от 2 до 55 град;
- возможность совмещения со стандартной ТВ-системой на 625 строк;
- разрешение более 500 строк;
- возможность применения дисплея на светодиодах;
- возможность выхода на системы обработки изображения;
- применение разомкнутых (на эффекте Джоуля - Томсона) или замкнутых (по циклу Стирлинга) систем охлаждения;
- разрешающая способность по температуре 0,1° С;
- потребляемая мощность менее 70 Вт;
- помехозащищенность от факелов ракет и трассеров снарядов.
В состав модульной системы 5МТ входят:
- модуль параллельно-последовательного сканирования с использованием горизонтального и вертикального сканеров на зеркалах (рис. 4);
- детекторный модуль на двумерной матрице из 5ХН элементов КРТ;
- модуль криогеники для охлаждения матрицы детекторов до 77 К в дьюаре с микрохолодильником;
- модуль обработки сигналов всех каналов детекторного модуля, выдаваемого усилителями для формирования единого видеосигнала управления на ЭЛТ;
- модуль дисплея, представляющий собой матрицу на светодиодах для непосредственного наблюдения в окуляр, а также путем передачи сигналов управления на ЭЛТ;
- контрольно-проверочный модуль для определения неисправности и обеспечения ее устранения.
с последовательно-параллельным сканированием:
1 - поле зрения в плоскости объекта наблюдения; 2 - проекция детектора в плоскости объекта; 3 - ИК-объектив; 4 - горизонтальная развертка изображения; 5 - вертикальная развертка; 6 - детектор; 7 - блок обработки сигналов; 8 - видеомонитор
112
Оптика, оптико-электронные приборы и системы
Модульная система Т1СМ (ThermallmagingCommonModule Великобритания), принятая к реализации в 1976 г., предусматривала разработку тепловизи-онных приборов трех классов:
- класс I - приборы прямого видения для переносных приборов с газобаллонным охлаждением на эффекте Джоуля - Томсона (77 К) или ТЭО (140 К);
- класс II - приборы с переносом изображения для систем наведения ПТУР, разведывательных приборов дальнего действия и танковых прицелов;
- класс III - приборы с большой дальностью действия для самолетов и боевых вертолетов.
Система развертки, основанная, как и французская система БМТ, на параллельно-последовательном принципе сканирования, использует два оптических элемента развертки. Фотоприемником служит приемник на КРТ или сурьмянистом индии в виде матрицы п х S элементов. Модуль I класса предусматривает фотоприемник из 24 элементов КРТ или InSb охлаждением 140 К. Модули II и III классов используют фотоприемники на КРТ с числом площадок 48 и 88 соответственно, с рабочей температурой 77 К, что предусматривает применение системы охлаждения на эффекте Джоуля - Томсона или ХМ с циклом Стирлинга. В качестве привода сканера, работающего с частотой 25 Гц, в модуле I класса используется один электродвигатель мощностью 1 Вт при энергопотреблении всей системы 8 Вт. В модулях II и III классов применяются два электродвигателя. В качестве индикаторов применяются светодиодные матрицы или ЭЛТ. К модулям, используемым во всех трех классах, принадлежат микротеплообменник с фотоприемником, предусилители и некоторые компоненты системы охлаждения. Большинство модулей I класса - сканер, электроника, дисплей на СД - являются специализированными, в то время как в модулях II и III классов применяются в основном одинаковые модульные блоки [6].
Программа создания унифицированных модулей (помимо указанных выше фирм) параллельно разрабатывалась фирмой «Барр энд Страуд», известной старшему поколению советских инженеров своими дальномерами, которая изготовила по заказу МО Великобритании тепловизионный прибор 1R18 для подводных лодок (фирма изготавливает также перископы для ПЛ). По мнению фирмы, прибор 1R18 имеет ряд преимуществ по сравнению с другими ТВП II класса, в том числе меньшее энергопотребление (30 вместо 90 Вт), габаритные размеры и массу, поэтому его рекомендуют для установки в танки и боевые вертолеты.
Изобретение модульных тепловизионных систем позволило определить конфигурации фотоприемников и способов сканирования, позволило совмещать лазерные целеуказатели и дальномеры, менять тактико-технические характеристики в зависимости от выполняемых задач.
Таким образом, в заключение необходимо отметить, что европейские и другие страны для создания новых тепловизионных комплексов объединяются, рассматривают оснащение своих вооруженных сил новыми образцами ТВП как одну из главных задач. В нашей стране такие разработки тоже ведутся и созданы
113
Оптика, оптико-электронные приборы и системы
хорошие образцы ТВП. В качестве примера современного состояния и уровня разработок модульных тепловизенных систем можно рассматривать приборы и системы приведенные в работах [7, 8, 9, 10, 11].
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Наставление по носимому противотанковому комплексу «Метис» (9К115). - М.: Воениздат, 1980. - 316 с.
2. Техническое описание и инструкция по эксплуатации 9М111. - М.: Воениздат, 1975. - 96 с.
3. Будадин О.И., Потапов А.И. Экспериментальные исследования и внедрение методов и средств автоматизированного ТНК многослойных изделий из ПКМ // Тепловой неразрушающий контроль изделий: нayч.-метод. пособие. - М.: Наука, 2002. - Разд. 4.3. - С. 288-316.
4. Тымкул В.М., Тымкул Л.В. Оптико-электронные приборы и системы. Теория и методы энергетического расчета. - Новосибирск: СГГА, 2005. - 215 с.
5. Тымкул Л.В., Тымкул В.М. Системы инфракрасной техники: учеб. пособие. - Новосибирск: СГГА, 2007. - 163 с.
6. Nondestructive Testing HANDBOOK, v. 3, Infrared i Thermal Testing, Xavier P.V. Maldague. American Society NDT, 2001, 718 p.
7. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Т. ИК-системы «смотрящего» типа. - М.: Лотос, 2004. -
444 с.
8. Кремис И.И. Разработка системы оптико-электронной обработки сигналов в тепловизорах с матричными приемниками излучения: автореф. дис. на соискание ученой степени кандидата технических наук. - Новосибирск: СГГ А, 2011.
9. Парфенова Т.В. Линзовый двухдиапазонный ИК-объектив // Вестник СГГА. - 2012. -Вып. 2 (18). - С. 87-93.
10. Хацевич Т.Н. Объективы для современных оптико-электронных приборов инфракрасного диапазона // Вестник СГГА. - 2006. - Вып. 11. - С. 208-212.
11. Турбин А.В., Алдохин П.А., Ульянова Е.О. Тепловизионный прибор на базе отечественного матричного фотоприемного устройства для спектрального диапазона 3-5 мкм // Вестник СГГА. - 2012. - Вып. 3 (19). - С. 111-115.
Получено 27.09.2012
© В.А. Войновский, В.С. Айрапетян, А.К. Синякин, 2012
114
