CC BY
63
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕПЛОВИЗИОННОЙ ТЕХНИКИ
В.В. Коротаев, А.Н. Чиванов
Оптико-электронные системы формирования, обработки и визуализации инфракрасных изображений находят все более широкое применение в самых различных областях науки и техники [1, 2]. Их можно разделить на системы тепловидения, использующие фотоэлектрические полупроводниковые приемники (ФЭПП) [3], и приборы ночного видения, в которых используются электровакуумные фотоэлектронные приемники, например, электронно-оптические преобразователи или передающие телевизионные трубки [4, 5]. В настоящей статье будем рассматривать системы тепловидения с многоэлементными ФЭПП, называя их для краткости тепловизионными приборами (ТВП).
Зарубежная тепловизионная техника развивается, в основном, по государственным программам унификации и стандартизации. Первая такая программа была реализована в США (программа Common Module) [6]. Толчком к развитию техники тепловидения послужила концепция НАТО, обратившая внимание на необходимость создания пассивных средств наблюдения и прицеливания, действующих в условиях плохой видимости днем и ночью, с целью достижения тактического превосходства над вероятным противником. Это в значительной степени может быть осуществлено способом наблюдения, основанным на регистрации теплового контраста между целью и фоном. В отличие от метода ночного наблюдения целей, основанного на использовании электронно-оптических приборов, обеспечивающих видимость за счет усиления слабого рассеянного света небесного свода и звезд, тепловидение не зависит от уровня естественной ночной освещенности и позволяет обнаруживать и наблюдать цели в любое время суток в ухудшенных условиях видимости.
В 1972 г. фирма Texas Instruments (TI) провела анализ причин высокой стоимости производства тепловизионной аппаратуры, в результате чего было установлено, что главной причиной является многообразие конструкций. Каждый правительственный заказ инфракрасных (ИК) систем производился изолированно, и большинство узлов каждой из систем, предназначенных во многих отношениях для аналогичных применений, конструировался всякий раз заново.
Высокая стоимость разработок не сдерживала рост их многообразия, что не давало возможности воспользоваться преимуществами серийного производства как в отношении стоимости единицы продукции, так и в отношении использования прогрессивной технологии изготовления и исследования надежности. Также было установлено, что для широкого круга применений лишь отдельные элементы ТВП определяют соответствие аппаратуры особым требованиям для конкретных применений, а именно: входная оптическая система (ОС) и способ воспроизведения изображения, интерфейс между прибором и человеком. Другими словами, изготовление модульных ТВП с достаточным числом общих модулей для большинства систем различных назначений позволило бы сберечь значительные средства.
Система общих модулей представляет собой ряд функциональных блоков, которые могут соединяться таким образом, чтобы удовлетворять любым требованиям с минимальной доработкой. Каждый модульный блок должен быть определен формой, присоединительными размерами, внутренним устройством и функцией.
В 1972 г. фирма TI получила такие эффективные характеристики модульной системы, что модульный принцип был положен в основу разработки тепловизионных схем, как конкурентно-способный.
Успех модульной концепции состоит в резком снижении затрат на исследования и разработку систем ТВП. По данным TI, это снижение составляет 1:10.
В 1976 г. был совершен решающий скачок в области разработки модульных блоков, когда ТВП на модульных блоках были подвергнуты сравнительным испытаниям с ТВП обычной конструкции. Результаты испытаний показали, что ТВП на модулях обладают существенным превосходством по сравнению с другими ТВП аналогичного назначения. В 1977-78 гг. на испытаниях ТВП было зарегистрировано два отказа на 6000 часов наработки.
Суть технических решений, принятых при создании ТВП, заключалась в использовании «длинных чересстрочных» линейных приемников оптического излучения (ПОИ). Разделение линейных ПОИ на «длинные», «средние» и «короткие» определяется количеством фоточувствительных элементов (ФЧЭ) в ПОИ и зависит от параметра к, который представляет собой число сканов (число заходов), необходимых для формирования растра, и составляет:
- для «длинных» к = 1;
- для «средних» 1 < к < 12-15;
- для «коротких» к > 12-15.
Для решения широкого спектра фоноцелевых задач были созданы три типоразмера ТВП [5], основные параметры которых приведены в табл. 1.
Число ФЧЭ Формат Размер ФЧЭ, мкм Порог чувствительности, К Назначение
180 360 х 720 50х50 0,1К Тяжелые носители
120 240 х 480 Легкие носители
60 120 х 240 Портативные
Таблица 1. Основные параметры ТВП
Первичное поле зрения формируется сканирующей системой, а необходимые для решения конкретной фоноцелевой задачи поле зрения, угловое разрешение и диаметр входного зрачка формируются телескопической насадкой (ТН) с заданным увеличением.
В начале 80-х годов была проведена в жизнь программа унификации и стандартизации тепловизионной техники в интересах вооруженных сил Франции (БМТ) [6]. В основу программы была положена идея построения ТВП на базе унифицированных модулей. Модульная система состоит из семи общих модулей:
- сканирующий двухкоординатный модуль;
- модуль фотоприемного устройства (ФПУ) с «короткими» линейными ПОИ;
- модуль предварительного усилителя;
- модуль обработки сигналов;
- криогенный модуль;
- модуль дисплея;
- контрольно-поверочный модуль.
Поле зрения, формируемое сканирующим модулем вместе с модулем ФПУ, составляет примерно 54°. Необходимое рабочее поле формируется дополнительной ТН с заданным увеличением.
Программа Т1СМ министерства обороны Англии была начата в 1976 г. с целью создания опытных образцов ТВП [6]. Модули были разделены на три класса с сохранением, где это было можно, общности компонентов между классами. Все три типа сканирующих устройства основаны на двухкоординатных сканирующих механизмах, которые можно перепрограммировать на изменение формата изображения или приспособить к различной длине «коротких» линейных ПОИ. Принятие на вооружение унифицированных модульных ТВП существенно снизило стоимость приборов, упростило материально-техническое обслуживание и ремонт. Кроме того, накопленный опыт ис-
пользования стандартных компонентов дал возможность разрабатывать новые ТВП в более короткие сроки и по более низкой стоимости.
К настоящему времени все модули и приборы на их основе в США, Франции и Англии претерпели ряд модернизаций для существенного повышения характеристик. Однако радикальный подъем уровня характеристик ТВП произошел за последние несколько лет с завершением программы SYNERGY. Технической особенностью программы является создание полноформатного ТВП: 576x768 элементов (приборов такого уровня не было ни в одной из предыдущих программ), а организационной - тот факт, что программа является результатом сотрудничества между фирмами Англии, Франции и Германии. Характеристики ТВП базируются на новом «сверхдлинном» линейном ПОИ форматом МкхМс = 288x4 элементов. Важной характеристикой нового ТВП является его масса (масса общих модулей около 10 кг) и возможность изменения конфигурации прибора. Эти показатели позволяют использовать прибор для размещения на различных носителях: танках, вертолетах, перископах подводных лодок и т.п.
Рассуждая о схемотехнических решениях отечественных приборов, следует отметить, прежде всего, организационную сторону создания ТВП. Подавляющая часть разработок проводилась на головных предприятиях страны для решения конкретных задач в интересах различных групп потребителей. Отсутствие единой технической политики (и самого органа, проводящего разработку этой политики в жизнь) способствовало независимому (региональному) развитию тепловизионной техники на каждом предприятии страны. Сложная, наукоемкая тепловизионная техника создавалась, в основном, на промышленных предприятиях (заводах), и практически единственным способом разработки новых приборов являлось копирование схем зарубежных образцов. Были воспроизведены в том или ином виде практически все схемные решения западных образцов ТВП, начиная с конца 70-х годов. По мере совершенствования зарубежной технологии и элементной базы (особенно в области электроники) воспроизводить зарубежные образцы становится все сложнее и бессмысленнее. В настоящее время практически все разработки, выполненные до 1990 г., потеряли свою актуальность и морально устарели, а повторить программу SYNERGY в ближайшие годы без использования импортной элементной базы для отечественной промышленности невозможно.
Параллельно с конкретными разработками, проводимыми на предприятиях оптико-механической промышленности, проводились работы по унификации и стандартизации ТВП. В одной из последних работ была разработана концепция создания унифицированных тепловизионных модулей трех типоразмеров, основные параметры которых приведены в таблице 2.
Число ФЧЭ Формат Размер ФЧЭ, мкм Порог чувствительности, К Назначение
96 384x512 35x35 0.1 Тяжелые носители
64 256x384 Легкие носители
32 192x256 Портативные
Таблица 2. Параметры унифицированных модулей
Топология ПОИ - «шахматный» линейный ПОИ «средней» длины - была выбрана, исходя из следующих соображений:
- технология «длинных» линейных ПОИ в нашей стране в настоящее время несовершенна (максимальный практически достигнутый размер - 128 ФЧЭ);
- первичная обработка сигналов «средних» линейных ПОИ легко реализуется с помощью частично отечественной, частично импортной электроники;
- для обеспечения развертки разработаны эффективные развертывающие устройства (РУ).
В 1992 г. работа получила продолжение с целью разработки программы создания унифицированных тепловизионных модулей и приборов на новом, более высоком уровне. Основной задачей программы была организация промышленного производства ТВП через унификацию и стандартизацию ТВП и его основных функциональных узлов - общих модулей. Было признано, что унификация и стандартизация - единственное и радикальное средство снижения стоимости ТВП, повышения их качества и надежности. В рамках программы были выполнены следующие работы:
- разработана базовая структурная схема ТВП;
- определено деление ТВП на общие и дополнительные модули;
- определены характеристики общих и дополнительных модулей;
- определены характеристики ТВП, построенные на модулях;
- разработаны конструкции модулей;
- разработана методика стыковки модулей с целью формирования ТВП;
- разработаны общие технические требования к тепловизионным модулям (ОТТ).
Технологическая структура создания ТВП предусматривает следующие уровни.
Первый уровень - материалы, элементы и технологии, доступные во время разработки.
Второй уровень - создание унифицированных функциональных узлов - теплови-зионных модулей.
Третий уровень - создание тепловизионных каналов на базе унифицированных модулей.
Четвертый уровень - создание тепловизионных комплексов различного назначения на базе унифицированного тепловизионного канала.
На базе существующих в стране материалов, элементов и технологий разрабатываются специфические тепловизионные функциональные узлы - модули, каждый из которых определен функцией, системой параметров и присоединительными элементами; исходя из функции, были определены две группы модулей: общие и дополнительные модули. Общие модули обеспечивают основные параметры ТВП: формат, частоту кадров, чувствительность и т.п. Совокупность общих модулей формирует тепловизи-онную камеру.
Разработка тепловизионной камеры проводилась по четырем классам - типоразмерам [7]. Основной классификационный признак тепловизионной камеры - формат растра:
1-й класс................576x768 элементов;
2-й класс................384x512 элементов;
3-й класс................256x384 элементов;
4-й класс................192x256 элементов.
Дополнительные модули предназначены для адаптации тепловизионной камеры к фоноцелевой обстановке (ТН) и к носителю (блок питания, пульт управления, блок обработки изображения). Совокупность общих и дополнительных модулей формируют тепловизионный канал. При построении тепловизионного комплекса выбирается теп-ловизионная камера нужного класса с учетом того, что, чем больше формат камеры, тем больше масса, габариты и энергопотребление, но одновременно и больше дальность действия по заданной цели. С помощью дополнительных модулей обеспечиваются необходимые поле зрения, дальность действия, привязка к бортовому блоку питания, связь с бортовыми информационными системами. Важной частью работы включения тепловизионного канала в комплекс является создание системы гиростабилизации, так как эта система, являясь частью комплекса, может предъявлять одновременно специфические требования к тепловизионному каналу (к входной ОС).
Таким образом, важнейшими тенденциями разработки современных ТВП являются унификация и стандартизация на основе модульного принципа построения. При этом
общие модули обеспечивают основные параметры и характеристики ТВП, а дополнительные служат для адаптации к объектам наблюдения и месту расположения ТВП.
Литература
1. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Тенденции развития тепловизионных систем второго и третьего поколений и некоторые особенности их моделирования // "Оптико-электронные системы визуализации и обработки оптических изображений". Сборник статей под ред. В.В. Тарасова и Ю.Г. Якушенкова. Вып. 1. М., 2000, с.3-18.
2. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Инфракрасные системы "смотрящего" типа. М.: Логос, 2004. 444 с.
3. Ллойд Дж. Системы тепловидения: / Пер. с английского под ред. А.И. Горячева. М.: Мир, 1978.
4. Изнар А.Н. Электронно-оптические приборы. М.: Машиностроение, 1977.
5. The Infrared and Electro-Optical System Handbook (Ed. by J.S.Accetta, D.L.Shumaker-Bellingham), 1993.
6. Моделирование ночного видения: исторические перспективы. James A. Ratches U.S. Army Communications-Electronics Command Research, Development& Engineering Center Night Vision & Electronic Sensors Directorate Ft. Belvoir, VA 22060-5806 Конференция по инфракрасной технике: Проект, Анализы, Моделирование и Испытание, Орландо, Флорида, Апрель 1999г. SPIE Vol. 3701 0277-786X/99.
7. Дегтярев Е.В., Рудый И.В. Анализ эффективности перспективных тепловизионных приборов различных классов и выбор схем их построения / "Оптико-электронные системы визуализации и обработки оптических изображений". Сборник статей под ред. В.В. Тарасова и Ю.Г. Якушенкова. Вып. 1. М., 2000. С.19-33.
