Научная статья на тему 'Применение и развитие приборов ночного видения в современной армии'

Применение и развитие приборов ночного видения в современной армии Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

CC BY
2002
229
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ПРИБОРЫ НОЧНОГО ВИДЕНИЯ / БИНОКУЛЯРНЫЕ ЗРИТЕЛЬНЫЕ ТРУБЫ / ОПТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ / ФОТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ / ПРИНЦИП ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ / ФОТОУМНОЖИТЕЛИ / МИКРОКАНАЛЬНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ / ФОТОКАТОДЫ НА АРСЕНИДЕ ГАЛЛИЯ / NIGHT VISION DEVICES / BINOCULAR TELESCOPES / OPTICAL INSTRUMENTS / PHOTOELECTRONIC DEVICES / THE PRINCIPLE OF INFRARED RADIATION / PHOTOMULTIPLIERS / MICROCHANNEL TECHNOLOGY / PHOTOCATHODES ON GALLIUM ARSENIDE

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Бардачевский Николай Николаевич, Литовченко Владимир Анатольевич, Гришаев Денис Владимирович

Приборы ночного видения на протяжении уже нескольких десятилетий занимают важное место в современной технике. В данной статье рассмотрены и определены общие тенденции развития приборов ночного видения и возможности оптимизации их отдельных направлений.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

APPLICATION AND DEVELOPMENT OF NIGHT VISION INSTRUMENTS IN THE MODERN ARMY

Night vision devices for the past several decades, occupy an important place-ing in contemporary art. This article describes and opredeleny common ten-Dentsu of night vision devices and vozmozhnosti optimize their individual on-boards.

Текст научной работы на тему «Применение и развитие приборов ночного видения в современной армии»

УДК 621.384.3:623

ПРИМЕНЕНИЕ И РАЗВИТИЕ ПРИБОРОВ НОЧНОГО ВИДЕНИЯ В СОВРЕМЕННОЙ АРМИИ

Николай Николаевич Бардачевский

Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат географических наук, доцент кафедры специальных устройств и технологий, тел. (383)361-07-31, e-mail: bardachevskiy@ngs.ru; Новосибирское высшее военное командное училище, 630117, Россия, г Новосибирск, ул. Иванова, 49, доцент кафедры, тел. (383)332-50-45

Владимир Анатольевич Литовченко

Новосибирское высшее военное командное училище, 630117, Россия, г Новосибирск, ул. Иванова, 49, начальник учебной лаборатории кафедры разведки (и воздушно-десантной подготовки), тел. (383)332-50-45, e-mail: litovchienko.vladimir@mail.ru; Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г Новосибирск, ул. Плахотного, 10, аспирант кафедры метрологии и технологии оптического производства, тел. (923)100-89-86

Денис Владимирович Гришаев

Новосибирское высшее военное командное училище, 630117, Россия, г Новосибирск, ул. Ива-курсант 4-го курса батальона войсковой разведки, тел. (923)145-55-07

Приборы ночного видения на протяжении уже нескольких десятилетий занимают важное место в современной технике. В данной статье рассмотрены и определены общие тенденции развития приборов ночного видения и возможно сти оптимизации их отдельных направлений.

Ключевые слова: приборы ночного видения, бинокулярные зрительные трубы, оптические приборы, фотоэлектронные приборы, принцип инфракрасного излучения, фотоумножители, микроканальная технология, фотокатоды на арсениде галлия.

APPLICATION AND DEVELOPMENT OF NIGHT VISION INSTRUMENTS IN THE MODERN ARMY

Nikolai N. Bardachevsky

Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., assistant Professor of special devices and technologies, tel. (383)361-07-31, e-mail: bardachevskiy@ngs.ru; Novosibirsk Higher Military Command School, 630117, Russia, Novosibirsk, 49 Ivanova St., associate Professor, tel. (383)332-50-45

Vladimir A. Litovchenko

Novosibirsk Higher Military Command School, 630117, Russia, Novosibirsk, 49 Ivanova St., head of the laboratory of the department of educational intelligence (and airborne training), tel. (383)332-50-45, email: litovchienko.vladimir@mail.ru; Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., graduate student metrology and optical production technology, tel. (923)100-89-86

Denis V. Grishaev

Novosibirsk Higher Military Command School, 630117, Russia, Novosibirsk, 49 Ivanova St., Cadet 5 course battalion of the Army Intelligence, tel. (923)145-55-07

Night vision devices for the past several decades, occupy an important place-ing in contemporary art. This article describes and op-redeleny common ten-Dentsu of night vision devices and vozmozhnosti optimize their individual on-boards.

Key words: night vision devices, binocular telescopes, optical instruments, photoelectronic devices, the principle of infrared radiation, photomultipliers, microchannel technology, photocathodes on gallium arsenide.

Приборы ночного видения (ПНВ) - класс оптико-электронных приборов, обеспечивающих оператора изображением местности в условиях недостаточной освещённости.

Приборы ночного видения на протяжении уже нескольких десятилетий занимают важное место в современной технике. ПНВ широко используются в военной технике для обеспечения боевых действий ночью (разведка, прицеливание, вождение боевых машин и т.д.). За последние годы ПНВ активно применяются и в гражданской технике для разведки и добычи полезных ископаемых, спасательных работ, астрономических исследований, производственного и экологического контроля, ночной навигации и вождения авто транспортных средств в специальных климатических и погодных условиях, ночной видеосъемки, работы спецслужб, правоохранительных органов и таможенных служб, в медицине, для ночной охоты и рыбной ловли, в системах охраны и пожаротушения и др. [3].

«Видеть - значит различать врага и друга и окружающее во всех под робно-стях...» - писал замечательный советский физик С. И. Вавилов [2].

Еще более двухсот лет назад, великий русским ученым М. В. Ломоносовым была предвосхищена современная идея совершенствования человеческого зрения путем использования промежуточного звен а между объектом наблюдения и глазом человека - интерфейса. Современная оптика широко использует светосильные объективы с большим входным отверстием для ра боты в сумерки и даже ночью. Так, например, бинокулярные зрительные трубы с объективами диаметром 100 мм и увеличением 10х успешно применяются для наблюдения в сумерки и при естественной ночной освещенности порядка нескольких сотых долей люкса [2].

В огромном спектре электромагнитных волн, простирающемся от гамма-излучения с длиной волны менее сотой нанометра до радиоизлучения с длинами волн десятки километров, спектральная чувствительность глаза человека представляет узенькую полоску от 0,4 до 0,76 мкм в видимой области. Несмотря на кажущуюся ограниченность, объем информации об окружающем нас мире, получаемый с помощью зрения, настолько велик и многообразен, что все остальные органы чувств являются дополнением, хотя и могут поставлять информацию, опережающую по времени зрение. Объем информации, поступающий от органов зрения, составляет, по данным науки, 90% всей информации органов чувств человека. Зрительный анализатор содержит глаз, зрительные нервы и клетки затылочной части коры головного мозга, в которой происходит восприятие и анализ изображения, создаваемого глазом. Глаз осуществляет преобразо-

вание изображения наблюдаемого про странства светочувствительным приемником - сетчаткой, состоящей из фоторецепторов двух видов: палочек и колбочек, которые поглощают оптиче ское излучение и превращают принятый оптический сигнал в нервные импульсы, которые по зрительным нервам передаются в головной мозг [1].

В фовеальной области глаза, расположенной на оптической оси хрусталика палочек нет, а так как колбочки не чувствительны к свету, в том числе и к сумеречному, то фовеальное зрение непригодно для рассматр ивания тусклых неконтрастных объектов после наступления темноты. И здесь вступает в силу аппарат палочек, расположенный на периферии. Разрешающая способность глаза при солнечном свете обеспечивается колбочками и составляет 0,5 -1 угл. мин, а в сумерки она падает, передавая свои функции аппарату палочек. При этом спектральная чувствительность глаза смещается в сторону более коротких волн, а ее максимум с длины волны 0,55 мкм переходит на длину волны 0,51 мкм (пунктирная кривая на рис. 1) [2].

1 1 МО ЫМ 1 1

Скотоп скоезр палочк иче - / эние [ —4— - • / А \ Фотопр скоезр кол 6 04 1че -гние ввое}

1 / / \ \ л

/ '/ Ч \ \

/ ч

41 м яю а ПРО ТО

Длина волны,нм

Рис. 1. Кривые спектральной чувствительности глаза: 1 - в светлое время суток; 2 - в темноте

Еще одним весьма важным свойством зрительного аппарата человека является способность к адаптации - изменению чувствительности в зависимости от освещенности на зрачке. Известно, например, что в сумерки глаз способен чувствовать яркость, в 100 раз меньшую, чем в дневное время. Световая адаптация имеет место при внезапном нарушении темноты.

Известно, для того чтобы видеть какой-либо предмет необходимо, чтобы этот предмет был освещен. Успешная работа зрения зависит от сте пени освещенности наблюдаемой картины. В дневное время, когда освещенность создается светом Солнца, глаз человека обладает наибольшей цветовой и контрастной чувствительностью. В сумерки, когда солнечный диск постепенно уходит за линию горизонта освещенность падает в зависимости от глубины погружения Солнца.

Уменьшение освещенности вызывает ухудше ние работы зрения, а, следовательно, сокращение дальности наблюдения и ухудшение цветоразличе ния [2].

В ночное время освещенность создается Луной, отражающей свет Солнца, а в ее отсутствие - звездным светом. Лунный свет в основном обладает теми же спектральными характеристиками, что и солнечный, но только ослабленными в 10-5 раз. Звездный же свет при безоблачном небе создает освещенность, величина которой составляет лишь 0,1% освещенности в полнолуние. При этом спектральная характеристика звездного света по интенсивности имеет тенденцию к повышению в ближней ИК-области, вследствие чего наблюдени е в этих условиях невооруженным глазом, даже адаптированным, практически невозможно, так как в этой спектральной области глаз уже не обладает чувствительностью. На рис. 2 приводятся данные уровней естественной освещенности днем и ночью, а также функции зрения при дневном свете, в период темновой адаптации и в условиях естественной ночной освещенности (ЕНО) [2].

Рис. 2. Естественные уровни освещенности (а), зрение и процесс темновой адаптации (б)

В дневное время и в сумерки разрешающую способность глаза можно улучшить за счет наблюдения в оптические приборы. Но с дальнейшим уменьшением освещенности дневное (фотопическое) зрение прекращается и начинает действовать аппарат темновой адаптации, обеспечивающий суме речное (скотопическое) зрение.

В ночное время эти возможности ограничены настолько, что человек даже на открытой местности способен наблюдать только крупногабаритные объекты .

Исключая видимый диапазон длин волн, определенно можно сказать, что ближняя инфракрасная (от 0,4 до 0,7 мкм), средняя и дальняя инфракрасные (от 3 до 6 и от 8 до 14 мкм) области спектра являются основой создания систем видения в условиях ограниченной видимости, т. е. ночью и при плохой видимости из-за атмосферных условий днем [2].

Приведенные примеры в совокупности с техническими характеристиками оптических приборов, уровнями естественной ночной освещенности и другими

показывают, что решение проблемы ночного видения всегда заклю чалось в создании прибора, чувствительного в области 0,75-0,9 мкм, с последующим преобразованием картины в этом диапазоне в диапазон длин волн, доступный глазу. Только в этом случае могла быть решена задача на блюдения целей в темноте.

Разработка приборов ночного видения учеными и инженерами в нашей стране активно началась в 30-х годах ХХ века. Именно в это время появились первые фотоэлектронные приборы.

Одним из первых ПНВ в Советском Союзе стала система «Квант», в основе которой лежал принцип инфракрасного излучения. Для работы прибора был необходим отраженный от окружающих объ ектов инфракрасный свет, а сам ЭОП имел фотокатод и люминесцирующий экран. Сам «Квант» - достаточно крупногабаритный по своим размерам комплекс - сначала планировалось устанавливать на самолетах. Однако позже проект был перенацелен на танки. Разрабатывались подобные системы и для ВМФ. К началу Великой Отечественной войны только Черноморский флот располагал 15 комплектами корабельных систем ночного видения. А к середине осени 1941-го моряки-черноморцы получили еще восемнадцать.

Осенью 1943 года сотрудники Всероссийского электротехнического института создали ночной прицел для стрелкового оружия. По понятным причинам его не удалось укомплектовать прожектором подсвета. Тем не ме нее, при использовании внешнего источника ИК-излучения система работала неплохо. Претензии вызывала небольшая дальность действия - даже в 1945 году у лучших прототипов этот показатель не превышал 150-200 метров.

По окончании Великой Отечественной войны наши ученые получили возможность сравнить свои разработки с трофейными. Оказалось, что хваленая немецкая аппаратура по своим показателям практически не отличалась от отечественной [6].

Качественные изменения в приборах ночного видения произошли в конце 50 -начале 60-х годов, когда начатые еще немецкими исследователями работы по созданию электронно-оптических преобразователей с усилителями яркости изображения были успешно завершены учеными и инженерами ведущих стран мира.

С разработкой электронно -оптических преобразователей с усилителями яркости изображения II поколения настал, по определению печати, «золотой век» ИК-техники, когда ПНВ приобрели компактность и массу, близкие к дневным приборам. Появились ночные бинокли и даже очки, что существенно приблизило решение задачи, поставленной перед современной техникой: превращение ночи в день.

Конфронтация между Великобританией и Аргентиной из -за Фолклендских (Мальвинских) островов явилась своеобразной проверкой эффективности техники ночного видения. Военные действия, начавшиеся на море, завершились высадкой британских войск на острова, где ночное наступление воздушно-десантных войск и войск специального назначения, оснащенных приборами ночного видения и тепловизионными приборами, не только состоящими на вооружении, но и опытными и лабораторными образцами (как отмечала печать западных

стран) со всей ясностью показала эффективность ведения боевых действий в ночное время, возможность которых была обеспечена за счет интенсивного использования приборов ночного видения [2].

В настоящее время положение существенно изменилось и боевые действия в условиях ограниченной видимости ночью и в непогоду или из-за применения противником средств искусственной маскировки можно вести без особых ограничений, так как повысились тактико-технические характеристики новых приборов и значительно возросло их число в войсках [2].

Существует несколько типов приборов ночного видения: прицелы, би нокли, монокуляры и очки. Все они преследуют различные цели и применяются а различных ситуациях, но одно их объединяет - наличие электронно-оптического преобразователя. От его эффективности зависит качество полученного изображения и эффективность прибора в целом. Эффективность ПНВ определяется технически с помощью поколений, где выделяются три основных поколения (I, II, III) и два промежуточных (I+ и II+) [7]. Хотя в некоторых источниках классификация на «поколения» считается условной и связана в первую очередь с этапами развития усилительной трубки. Ими считается, что существует четкого определения или стандартизации термина «поколение» [8].

По принятой в мире технологии в общем виде можно определить следующее:

Первое поколение. Основа технологии - фотоумножители, поставленные между фотокатодом и окуляром, что позволяло добиться многократного усиления видимого ИК света с переводом последнего в видимый диапазон.

Второе поколение. Применена микроканальная технология, что позволило избавиться от паразитной засветки. Благодаря принципу работы микроканальных пластин достигается гораздо более сильное усиление картинки, чем это было возможно в предыдущих поколениях. К тому же появилась сис темная защита от вспышек. Яркая точка на изображении оставалась точкой и не засвечивала соседние каналы.

Третье поколение. Применены фотокатоды на арсениде галлия, что позволило ещё больше увеличить коэффициент усиления света и уменьшить габариты приборов. Прогресс этой ступени развития основывается как на дальнейшем улучшении управляющей электроники, микроканальной пластины и люминесцентного экрана, так и на новом покрытии фотокатода. Смесь элементов галлия и мышьяка дала значительное увеличение светочувствительности [7].

В настоящее время американские войска оснащены т. н. «filmless» или «thin filmed» трубами, которые очень чувствительны в глубокой ИК зоне. У этих ЭОП увеличено время жизни (около 15000 ч.) и, также улучшена защита от яркого света. Но, не смотря на то, что достигнута большая производительность, производители не уверены, что эти ЭОП могут быть официально признаны 4-м поколением [8].

Последние европейские разработки также показывают на практике неплохие результаты, они без проблем работают днем, а благодаря новым по крытиям фотокатода изображение становится все качественнее [8].

В настоящее время для обеспечения всепогодности, круглосуточности, высокой помехозащищенности, а также повышения вероятности обнаружения и опознавания потребовалось создание нового поколения приборов, включающих один или несколько независимых оптико-электронных каналов. Такие приборы называются комбинированными, комплексированными или интегрированными. Ни один из самостоятельных низкоуровневых каналов визуализации изображения не обеспечивает всей совокупности требований, стоящих перед приборами видения ночью. Обеспечение выполнения этих требований возможно при использовании комплекса приборов, включающих различные дополняющие друг друга каналы, то есть путем комбинирования и комплексирования [3].

Под комбинированными ПНВ понимают систему, состоящую из не скольких каналов, работающих в различных областях спектра, имеющую единый вход и интегрированную систему обработки сигнала.

Следует отметить, что использование рабочего диапазона 8-12 мкм более эффективно при задымлении поля боя, чем диапазона 3-5 мкм, который более эффективен при повышенной влажности, а в том числе за счет более высоких температурных контрастов. Таким образом, при различных соотношениях концентраций газов и паров воды в атмосфере эффективность оптико-электронных средств различного диапазона будет различаться [4].

Таким образом, оптико-электронные средства тепловизионного диапазона обладают возможностью круглосуточной работы, но более низкой ин форматив-ностью чем оптико-электронные средства видимого и ближнего ИК-диапазонов. Поэтому комплексирование средс тв наблюдения различных спектральных диапазонов позволяет добиться непрерывного круглосуточного ведения разведки

[4].

При ведении разведки наблюдением основной задачей является опре деление координат обнаруженных целей. Основную помощь на этом этапе оказывают лазерные дальномеры, которые предназначены для ведения раз ведки и наблюдения за местностью, измерения дальности до подвижных и неподвижных объектов, определения координат (в комплекте с углоизмери тельным устройством) целей [5]. Важным здесь, как раз, и является возможность вести разведку в различных областях спектра.

Например, лазерный дальномер ЛПР-4 предусматривает работу приемопередатчика и без установки его на углоизмерительную платформу и треногу - работу с рук. При этом измерение горизонтальных и вертикальных углов проводится с помощью электронного компаса, встроенного в приемопередатчик [5]. Очень важным является то, что приемопередатчик лазерного дальномера дополнительно включает в себя дневной оптический визир, ночной визирный канал, выполненный на электронно-оптическом преобразователе 3-го поколения, телевизионную систему дневного -ночного видеонаблюдения, электронный компас и систему спутниковой навигации ГЛОНАСС/ GPS, что значительно облегчает ведение разведки и определение координат целей.

Многообещающее будущее для новых поколений ПНВ заключается в увеличении поля зрения, уменьшении размеров приборов, а также в комбинировании ПНВ и тепловизоров. Благодаря новым светочувствительным покрытиям из

наночастиц успешно проводятся эксперименты в направлении улучшения и уменьшения. Современные ПЗС-системы (прибор с зарядовой связью) в настоящее время не в состоянии заменить классические вакуумные усилительные трубы [6]. Они имеют отличные характеристики по усилению света, до 60000 раз, куда более дешевы в производстве, нежели ЭОП, не боятся засветок и могут быть использованы в дневное время суток без каких либо ограничений. Так же они имеют ряд преимуществ и недостатков, кото рыми обладают все современные цифровые приборы [7]. Но можно быть точно уверенным, что какие-то интересные прототипы от частных производителей или государственных учреждений держатся в тайне и постепенно тестируются [6].

На основе материалов научных изданий и ведущихся работ можно оп реде-лить общие тенденции развития приборов ночного видения и возможности оптимизации их отдельных направлений. Развитие техники ночного видения должно идти следующими путями: совершенствование элементов в канале визуализации изображения; разработка новых схемно-конструктивных решений с учетом критерия «эффективность/стоимость», расширение области применения приборов и технологическая отработка конструкций. Дальнейшее продвижение по указанным направлениям связано с решением целого ряда научно-технических проблем.

Естественно, что решение этих проблем должно опираться на новейшие достижения опто- и микроэлектроники, ТВ техники, информационных технологий и других смежных областей [3].

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Грузевич Ю. К. Оптико-электронные приборы ночного видения. -М. : ФИЗМАТЛИТ, 2014. - 276 с. - ISBN 978-5-9221-1550-6.

2. Орлов В. А., Петров В. И. Приборы наблюдения ночью и при ограниченной видимости. -М. : Воениздат, 1989. - 256 с.

3. Специальное конструкторское бюро техники ночного видения (СКБ ТНВ). Приборы и прицелы ночного видения в СССР/России. История создания / Н. Ф. Кощавцев, Ю. Г. Эдель-штейн, В. Г. Волков, А. А. Толма чев, С. Ф. Федотова, Т. К. Кирчевская. - Режим доступа : http://www.ak-info.ru/.

4. Чунарев Д. А., Давыдова Л. Г. Многоканальные приборы. Научно -технический журнал «Контенант». Том 14, № 4, 2015. - С. 51-54.

5. Бардачевский Н. Н., Литовченко В. А. Применение лазерных дальномеров в военном деле // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2016. ХПМеждунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Специальные вопросы фотоники: Наука. Оборона. Безопасность» : сб. материалов (Новосибирск, 18-22 апреля 2016 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2016. - С. 78-84.

6. Отечественные приборы ночного видения. Армейский вестник. Интернет журнал. -Режим доступа : http://army-news.ru/.

7. Приборы ночного видения. Военные материалы. - Режим доступа : http:// 50bmg.ru/.

8. Развитие техники ночного видения: поколения ПНВ. - Режим доступа : http://www.laser-portal.ru/.

© Н. Н. Бардачевский, В. А. Литовченко, Д. В. Гришаев, 2017

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.