CC BY
491
ГОЛИЦЫН1 Александр Андреевич
ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ ЦИФРОВЫХ ПРИЦЕЛОВ ДЛЯ СТРЕЛКОВОГО ОРУЖИЯ
В статье рассмотрено современное состояние разработки, прицелов для. стрелкового оружия. Приводится, анализ преимуществ и. недостатков появившихся, недавно цифровых прицелов по сравнению с другими прицелами других категорий, существующих в настоящее время.
Ключевые слова: цифровые прицелы,, ночное видение, прицелы, для. стрелкового оружия.
The article describes the current state of the development of sights for firearms. An analysis of the advantages and. imperfections of digital sights comparing to other types of modern sights is presented.. Keywords: digital sights, night vision, sights for firearms.
Некоторое время назад различными производителями стали предлагаться цифровые прицелы для гражданского охотничьего и боевого стрелкового оружия. В настоящей работе рассматриваются преимущества и недостатки подобных приборов по сравнению с прицелами других конструкций, и рассматривается область их применения.
Виды прицелов
для стрелкового оружия
Существующие в настоящее время прицелы для стрелкового оружия по конструкции и принципу действия условно можно разделить на несколько категорий:
♦ классические оптические прицелы;
♦ прицелы ночного видения на основе электронно-оптических преобразователей (ЭОП);
♦ цифровые прицелы на базе низкоуровневых фотоприемников;
♦ тепловизионные прицелы;
♦ комбинированные прицелы, представляющие собой устройства с несколькими визирными каналами, каждый из которых относится к одной из вышеперечисленных категорий.
Наибольшее распространение в настоящее время получили классические оптические прицелы, предназначенные для наблюдения за местностью и обеспечения ведения прицельной стрельбы из стрелкового оружия в типовых условиях. Такие прицелы популярны за счет простоты конструкции и простоты использования. Кроме того, преимуществом классических прицелов является бесконечное разрешение наблюдаемого в прицел изображения, а также передача изображения глазу наблюдателя «как есть». Для стрельбы в условиях естественной ночной освещенности используются ночные прицелы [1], чаще всего на
базе ЭОП. Действие приборов на основе ЭОП основано на явлении внешнего фотоэффекта. Внешний фотоэффект (фотоэлектронная эмиссия) состоит в испускании электронов из твердого тела в вакуум под действием квантов оптического диапазона спектра. На этом эффекте основана работа ЭОП — вакуумного фотоэлектронного прибора, усиливающего в тысячи раз слабый свет видимого диапазона, а также преобразующего в видимое (с одновременным усилением) ИК- и УФ-излу-чение [2]. В настоящее время применяются ЭОП на основе микроканальных пластин.
Объектив создает на фотокатоде ЭОП изображение слабоосвещенного (ночным небом, звездами, луной) объекта, т.е. создает на поверхности фотокатода определенное распределение освещенности. Фотокатод представляет собой полупроводниковый слой, нанесенный на внутреннюю поверхность
' — Филиал ИФП СО РАН «КТИПМ», ст. инженер-электроник.
Рис. 1. Структурная схема цифрового прицела
входного окна вакуумного корпуса ЭОП. На противоположной от объектива стороне фотокатода возникает фотоэлектронная эмиссия с аналогичным пространственным распределением плотности электронного тока. Несущий таким образом «электронное изображение» поток электронов ускоряется и фокусируется электронно-оптической системой на катодолюми-несцентный экран. Ускорение фотоэлектронов происходит под действием напряжения порядка 10 кВ, вырабатываемого источником питания. Именно за счет преобразования фотонов в электроны и ускорения последних в ЭОП происходит усиление яркости [2]. Ускоренные и сфокусированные фотоэлектроны, попадая на люминесцентный экран, вызывают его свечение в видимой глазом области спектра. Так как яркость свечения экрана в каждой точке пропорциональна числу попавших в нее фотоэлектронов, на экране создается видимое усиленное и преобразованное изображение наблюдаемого объекта. Это изображение наблюдается с помощью окуляра [2].
Усиление яркости в современных ЭОП достигает нескольких десятков тысяч раз, что позволяет современным приборам ночного видения на основе ЭОП наблюдать изображения в условиях ночной освещенности. Конструкция прицелов на основе ЭОП подробно описана в [3].
Перспективными в настоящее время являются цифровые прицелы — приборы на основе низкоуровневых твердотельных фотоприемников. Конструктивно прицел представляет собой электронное устройство, состоящее из фотоприемника с объективом, электронных плат цифровой обработки изображения, панели управления и микромонитора (рис. 1). Иногда в отечественной литературе можно увидеть термин «телевизионные прицелы», обозначающий данную категорию приборов, однако этот термин является не вполне корректным, так как слово телевизионный предполагает передачу изображения на расстояние (греч. теле — далеко и лат. visio — образ, зрение). Более предпочтительным является термин «цифровые прицелы» (digital sights), используемый в англоязыч-
ной литературе по аналогии с термином «цифровая» фото- или видеокамера.
Работа фотоприемника цифрового прицела основана на внутреннем фотоэффекте, состоящем в изменении электропроводимости полупроводников под действием квантов излучения оптического диапазона [4]. Объектив создает на светочувствительной поверхности фотоприемника изображение наблюдаемого объекта. На каждом светочувствительном элементе (пикселе) фотоприемника возникает заряд, пропорциональный засветке этого элемента. После засветки заряд на каждом пикселе измеряется с помощью специальной схемы, и его значение умножается на необходимый коэффициент усиления. Таким образом, получается массив измеренных значений яркостей пикселей. Этот массив в дальнейшем подвергается анализу и преобразованиям с помощью специальных алгоритмов обработки изображений, и выводиться на дисплей в виде, пригодном для восприятия человеческим глазом. В преобразованное изображение непосредственно перед выводом на дисплей программно встраивается изображение прицельной шкалы или прицельного знака. Принципом работы цифровые прицелы напоминают цифровые видеокамеры. Но в то же время прицелы составляют особую категорию при-
боров наблюдения, т.к. предназначены не только для наблюдения за объектами, но и для ведения прицельной стрельбы. В отличие от систем видеонаблюдения и бытовых фото- и видеокамер прицелы должны быть устойчивы к ударным нагрузкам и обладать свойством «несбиваемости» — расположение и ориентация объектива и фотоприемника прибора относительно оружия после выстрела не должны изменяться. К особому классу прицелов для стрелкового оружия относятся тепло-визионные прицелы. По некоторым признакам они могут быть отнесены к категории цифровых прицелов, т.к. также имеют фотоприемник, микромонитор и электронный модуль цифровой обработки изображения, однако в зарубежной литературе термин «цифровые прицелы» применяется исключительно к приборам на основе фотоприемников диапазона до 1 мкм. В [5] приводится описание некоторых существовавших на момент написания статьи тепловизионных прицелов. Принцип действия тепло-визионных приборов подробно описан в [6].
Преимуществом тепловизионных прицелов является способность обнаруживать в том числе замаскированные объекты по их тепловому излучению, способность видеть в абсолютной темноте, а также при пониженной прозрачности атмосферы, в
пыли, в дыму и при воздействии световых помех.
Недостатками подобных приборов являются слабая детализация изображения по сравнению с прицелами на основе ЭОП и цифровыми прицелами на основе фотоприемников видимого диапазона, а также специфический характер наблюдаемого изображения. Кроме того, в силу конструктивных и технологических особенностей в настоящее время тепло-визионные прицелы имеют высокую стоимость, на порядок превышающую стоимость прицелов остальных категорий.
Преимущества и недостатки цифровых прицелов
Среди недостатков цифровых прицелов видимого диапазона по сравнению с классическими оптическими прицелами основными являются следующие:
♦ недостаточная цветопередача, ограниченная возможностями фотоприемника и микромонитора;
♦ недостаточная глубина резкости наблюдаемого изображения, связанная с тем, что при наблюдении в оптический прицел глаз наблюдателя самостоятельно перефокусируется на наблюдаемые объекты, а объектив цифрового прицела не обладает такой возможностью;
♦ ограниченное разрешение наблюдаемого в цифровой прицел изображения.
Кроме того, цифровым прицелам необходимо обеспечить питание от батареек или аккумуляторов, и при отсутствии питания прицелы становятся неработоспособными. Необходимость использования элементов питания также приводит к существенному увеличению массогабаритных характеристик приборов.
По сравнению с ночными прицелами на основе ЭОП третьего поколения цифровые прицелы обладают меньшей чувствительностью, ограниченной возможностями применяемых в приборах фотоприемников. Небольшая чувствительность фотоприемников обусловлена их собственными шумами и темновым током [4]. Пороговая чувствительность низкоуровневых телевизионных систем, отображаю-
щих изображение в темпе не менее 25 кадров в секунду без применения подсветки, в настоящее время составляет около 5х10-4...10-3 лк, в то время как приборы на основе ЭОП или гибридно-модульных преобразователей изображения, представляющих собой сопряженные с ЭОП фотоприемники, способны видеть при освещенности 10-6 лк [7].
Другим недостатком цифровых прицелов является то, что по сравнению с прицелами на основе ЭОП они обладают большим энергопотреблением — в то время как цифровые приборы в среднем потребляют до 3 Вт, энергопотребление прицелов на основе ЭОП обычно не превышает 250 мВт [1].
Какими преимуществами по сравнению с оптическими прицелами и прицелами на основе ЭОП обладают цифровые приборы? Оптические прицелы применимы в дневное время, когда освещенность окружающей обстановки превышает значение 5 — 10 лк. При меньшей освещенности среднестатистический человеческий глаз способен различать очертания объектов, находящихся только в непосредственной близости к наблюдателю. Связано это не с недостаточной чувствительностью человеческого глаза, а с тем, что находящиеся на расстоянии от наблюдателя объекты при такой освещенности оказываются недостаточно контрастными по сравнению с фоном и по этой причине сливаются с ним [8]. Приборы ночного видения на базе ЭОП применяются в ночное время при ос-вещенностях менее 0,1 лк. Большая освещенность, а соответственно и больший световой поток приводит тому, что наблюдаемое в прибор изображение оказывается настолько ярким, что наблюдатель не может выделить из фона отдельные объекты [9]. Аналогичная ситуация возникает при наличии в поле зрения прибора вспышек и встречных засветок, которые помимо того, что искажают наблюдаемое в прибор изображение, за счет большого усиления ЭОП могут также приводить к кратковременному ослеплению наблюдателя. Кроме того, катод ЭОП после яркой засветки восстанавливается достаточно долгое время, в течение которого можно
наблюдать «выжженное» остаточное изображение вспышки. Помимо дискомфорта наблюдателю, слишком мощный световой поток приводит к постепенной деградации ЭОП прибора. Ресурс современных ЭОП может достигать 15 000 ч, но при использовании прибора в вечернее и дневное время суток срок службы ЭОП значительно сокращается — вплоть до нескольких часов [10]. Теоретически ночные прицелы на базе ЭОП могут работать и в дневных условиях — с сильно задиафрагмированным объективом, но их дальность действия ограничивается сравнительно низкой разрешающей способностью ЭОП и ограниченностью ресурса работы [11], и на практике такое решение не применяется. Таким образом, неизбежно возникают ситуации, когда в оптический прицел «уже не видно», а в прицел ночного видения «еще не видно». Цифровые прицелы за счет автоматической адаптации к условиям освещенности наблюдаемой сцены могут применяться и в дневных, и в ночных условиях в диапазоне ос-вещенностей от 5х10-3 до 5^104 лк [7] и соответственно остаются работоспособными в том числе в пограничных условиях. При этом цифровые приборы устойчивы к встречным засветкам и вспышкам и абсолютно безвредны для человеческого глаза, т.к. независимо от яркости источника излучения ярче, чем это безопасно для глаза, наблюдаемые объекты на микромониторе прибора отображены не будут.
Освещенность окружающей обстановки, которая меньше порога чувствительности современных цифровых систем видеонаблюдения, т.е. ниже 10-4...10-3 лк, что соответствует темной облачной или безлунной ночи, длится непродолжительное время [12]. При этом при стрельбе, если говорить о военном применении прицелов, неизбежно возникают вспышки, так или иначе способствующие освещению местности. Кроме того, наличие вспышек делает предпочтительными такие системы прицеливания и наблюдения, которые являются устойчивыми к световым помехам. Устойчивость к засветкам и возможность работы в дневное и сумеречное время дают право цифровым прицелам называться универсальными.
4- б: Г Ях2
8-
10-
12- з,5 |ММ 1111Л1111111111 Л Л
$3 «4 НО
8 6 4 2
С 53 Ж-67 л «о ||| ^
Рис. 2. Различные типы прицельных шкал цифрового прицела
Помимо возможности автоматической адаптации цифрового прицела к условиям освещенности, следует отметить возможность реализации в его модуле электроники различных алгоритмов преобразования наблюдаемого изображения, позволяющих повысить его информативность. В приборе может быть предусмотрено несколько режимов работы, например, окон-туривание, повышение контрастности, применение цифрового увеличения изображения, инверсия и другие изменения изображения, позволяющие повысить вероятность обнаружения цели. Какие из алгоритмов или их комбинаций применить, зависит от конкретных условий, т.к. ни один из алгоритмов не является универсальным, и в одних случаях применение заданного алгоритма улучшает качество изображения, а в других, наоборот, приводит к снижению его информативности.
Возможность программного изменения изображения цифрового прицела позволяет, помимо изображения наблюдаемой в прибор сцены, выводить на дисплей различную информацию об условиях стрельбы и настройках прибора в виде пиктограмм или текста (рис. 2). Например, на дисплее может быть отображена информация о наличии завала оружия [13], значения введенных в прицельный знак боковых и вертикальных поправок, информация о текущем режиме работы прибора, величина заряда аккумуляторной батареи. При необходимости отображение пиктограмм и текстовой информации отключается. В цифровом
прицеле может быть предусмотрено включение и выключение по выбору пользователя отображения дально-мерных и угловых шкал различных типов, а также изменение типа прицельного знака и его цвета. Другое преимущество цифровых прицелов — отсутствие параллакса, видимого сдвига изображения цели по отношению к изображению прицельной марки. Параллаксом называется кажущееся смещение наблюдаемого предмета вследствие перемещения глаза стрелка в какую-либо сторону, появляется оно в результате изменения угла, под которым был виден данный предмет до перемещения глаза стрелка. В результате кажущегося смещения прицельной шпильки или перекрестья получается ошибка в наводке. Чтобы избежать влияния параллакса, рекомендуется при прицеливании ставить глаз всегда в одинаковом положении по отношению к окуляру, что достигается приклади-стой ложей оружия и частым упражнением в прицеливании [14]. В цифровых и тепловизионных прицелах параллакс отсутствует за счет того, что изображение прицельного знака формируется программно и встраивается непосредственно в изображение наблюдаемой сцены: так как суммарное изображение отображается на одном и том же дисплее, при перемещении глаза относительно окуляра прибора прицельный знак относительно наблюдаемых объектов не перемещается.
Перспективным решением является дополнение цифрового прице-
ла баллистическим вычислителем, автоматически рассчитывающим необходимые поправки стрельбы в зависимости от дальности до цели, угла места, метеоусловий, типа применяемого патрона и применяемого оружия. Необходимые для расчетов значения могут вводиться в прибор вручную или автоматически, если это предусмотрено конструкцией прибора, например, дальность может быть измерена автоматически при наличии встроенного в прицел лазерного дальномера. Самостоятельный расчет необходимых поправок прицелом теоретически может привести к повышению скорострельности.
Заключение
На сегодняшний день чувствительности цифровых прицелов недостаточно для обеспечения наблюдения без применения подсветки в условиях безлунной ночи, в то время как приборы на основе электронно-оптических преобразователей необходимой чувствительностью обладают. Это обстоятельство не позволяет называть современные цифровые прицелы круглосуточными. Тем не менее, исходя из изложенных преимуществ цифровых систем и предположив, что со временем появятся фотоприемники, обладающие большей чувствительностью, можно предположить, что цифровые прицелы являются более перспективными, чем прицелы на основе электронно-оптических преобразователей. Появление цифровых прицелов можно сравнить с
появлением в свое время цифровых фото- и видеокамер, которые изначально уступали по техническим характеристикам существовавшим на тот момент пленочным приборам, но со временем, благодаря развитию элементной базы и технологий, практически вытеснили их с рынка.
Что касается классических оптических прицелов для стрелкового оружия, то предпосылок их замены цифровыми приборами нет. Основным недостатком пленочных фотоаппаратов по сравнению с цифровыми была необходимость частой смены фотопленки. Но оптическим прице-
лам замены расходных материалов для работы не требуется в отличие от необходимости заряда аккумуляторов цифровых приборов. Вероятнее всего, цифровые прицелы займут особую нишу среди средств прицеливания и конкурировать с классическими прицелами не будут
Литература
1. Энциклопедия. XXI век. Оружие и технологии России. Том XI. Оптико-электронные системы и лазерная техника./ Под общей редакцией С.Б. Иванова. — М.: ИД «Оружие и технологии», 2005. — 720 с.
2. Зайдель И.Н., Куренков Г.И. Электронно-оптические преобразователи. — М.: Советское радио, 1970. — 56 с.
3. Волков В.Г. Малогабаритные ночные прицелы./ Специальная, техника, 2004. — № 1. — С. 12 — 23.
4. Лазовский Л. Приборы, с зарядовой связью: прецизионный взгляд на мир [Электронный ресурс] — Режим, доступа: http:// www.autex.spb.ru/download/sensors/ccd.pdf.
5. Волков В.Г. Тепловизионные приборы, средней дальности действия./ Специальная, техника, 2005. — №4. — С. 2 — 17.
6. Колючкин В.Я., Мосягин Г.М. Тепловизионные приборы, и системы.. — М.: Изд-во МГТУ им.. Н. Э. Баумана, 2002. — 60 с.
7. Волков В.Г. Телевизионные камеры, для. спецтехники./ Спецтехника и связь, 2009. — №2. — С. 2 — 15.
8. Owens D.A., Tyrrell R.A. Effects of luminance, blur, and age on nighttime visual guidance: A test of the selective degradation hypothesis./ Journal of Experimental Psychology: Applied. — Vol. 5(2), Jun 1999. — PP. 115 — 128.
9. Qui Y., Chang B., Sun L., Gao Y., Tiang S., Qian Y. The relationship of Image quality of Image intensifier and the luminance of its background../ International Symposium, on Photoelectronic Detection and. Imaging 2007: Photoelectronic Imaging and. Detection, Proceedings of the SPIE. — Vol. 6621. — PP. 66210R — 66210R6 (2008).
10. Александров Е. Ночные прицелы.. Разница в мелочах./ Калашников, 2004. — № 2. — С. 34 — 38.
11. Волков В.Г. Технология, прицелов «день-ночь»./ Специальная, техника, 2001. — № 4. — С. 2 — 7.
12. Шаронов В.В. Наблюдение и видимость. — М.: Воениздат, 1963. — 77 с.
13. Бутримов И.С., Голицын А.А., Мишанин С.С. Повышение точности стрельбы при использовании цифрового прицела с помощью системы, индикации сваливания оружия./ Специальная, техника, 2012. — № 5. — С. 48 — 53.
14. Маркевич В.Е. Охотничье и спортивное стрелковое оружие. — М.: Полигон, 2005. — 256 с.
