CC BY
34
УДК 535.31: 681.7
СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА
МАЛОГАБАРИТНЫХ ТЕПЛОВИЗИОННЫХ ПРИБОРОВ
Евгений Витальевич Дружкин
ООО «ЛУГГАР», 630120, Россия, г. Новосибирск, Красный пр., 200, генеральный директор, тел. (383)249-63-39, e-mail: 2496339@mail.ru
Татьяна Николаевна Хацевич
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, профессор кафедры фотоники и приборостроения, тел. (383)343-29-29, e-mail: khatsevich@rambler.ru
В статье рассматривается проблема сравнительной оценки малогабаритных тепловизи-онных приборов для стрелкового вооружения. Предлагается комплексный показатель, учитывающий основные характеристики, зависящие от назначения приборов, позволяющий осуществлять ранжирование в анализируемой выборке малогабаритных тепловизионных приборов. Критерий рассматривается на примере разработанных авторами приборов. Обсуждается целесообразность предлагаемого критерия. Тема тезисов представляется актуальной как с практической, так и с теоретической точек зрения. Дальнейшие исследования по данному направлению представляют интерес.
Ключевые слова: тепловизионные приборы, сравнительная оценка приборов, анализ характеристик.
THE COMPARATIVE EVALUATION OFCOMPACT INFRARED DEVICES
Evgenyi V. Druzhkin
LUGGAR Co Ltd, 200, Krasny Prospect St., Novosibirsk, 630120, Russia, Director General, phone: (383)249-63-39, e-mail: 2496339@mail.ru
Tatiana N. Khatsevich
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 10, Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russia, Ph. D., Professor, Department of Photonics and Device Engineering, phone: (383)343-29-29, e-mail: khatsevich@rambler.ru
This article considers a problem of comparative evaluation of compact infrared devices for military equipment. The complex evaluation coefficient for such devices, which considers their main characteristics in relation to the purpose of devices, is proposed. This coefficient is viewed on the examples of devices developed by the authors. The practicability and significance of proposed coefficient is discussed. The topic of the article is relevant from both practical and theoretical points of view. The further study on this direction can have an interest.
Key words: infrared devices, comparative evaluation of devices, analysis of characteristics.
Введение, актуальность, цель статьи
В настоящее время совершенствование оптико-электронных приборов и решение проблемы импортозамещения в области производства этих приборов имеет существенное значение для развития нашей страны. В связи с этим, акту-
альной является разработка, совершенствование и исследование малогабаритных (ручных) тепловизионных приборов и тепловизионных прицелов для стрелкового вооружения.
На сегодняшний день, в России выпускается и разрабатывается большое количество малогабаритных тепловизионных приборов наблюдения и прицеливания [1].
При наличии большого числа предложений важным является выбор метода сравнительной оценки приборов, зависящий от назначения приборов, поскольку использование одного или несколько показателей прибора не отражают, с одной стороны, сложности разработки прибора, с другой, - создает трудности потребителю при сравнении приборов разных производителей.
Цель работы - сформулировать и предложить «комплексный» показатель для сравнительной оценки малогабаритных тепловизионных приборов, выражаемый количественно, критически рассмотреть сильные стороны и недостатки такого показателя.
Рассматривается целесообразность ввода такого показателя: приборы сейчас сравнивают по целому ряду критериев (дальность, масса, угловое поле, увеличение и др.). Соответственно, имеет ли смысл объединение этих показателей и характеристик в некоторый комплексный показатель? Ответ на этот вопрос является главной целью этих тезисов и предметом для дискуссии по ним.
Выбор показателя для сравнительной оценки малогабаритных тепловизионных приборов
Совокупность критериев, используемых для характеристики тепловизион-ных приборов, насчитывает несколько десятков показателей, объединяемых в группы: критерии качества изображения, тактико-технические характеристики, показатели эффективности достижения цели, технико-экономические показатели [2]. Большинство работ направлено на измерение и анализ отдельных характеристик и показателей [3, 4]
Предложения создать некий единый (одночисловой) критерий для всего многообразия тепловизионных приборов и систем предлагались неоднократно [5]. Сегодня большинство исследователей считает, что такого единого критерия не существует [2, 6]. Авторы статьи придерживаются такого же мнения.
Как известно, даже при оценке показателей, характеризующих качество изображения разработанной оптической системы тепловизионного прибора, отсутствует единый критерий. Вместе с тем, по мнению [7, с. 183], «проблема возникает не из-за одночисловых характеристик, а из-за их распространения на такие области, где они становятся непригодными. В действительности же подобные характеристики совершенно необходимы, если их применять правильно».
Вместе с тем, в сфере разработки и потребления тепловизионных приборов существует проблема сравнения выборки из нескольких разрабатываемых (или предлагаемых потребителю) тепловизионных приборов одного класса. В данной статье речь идет о классе малогабаритных тепловизионных приборов наблюдения и прицеливания [1].
На основании опыта проектирования и испытания предлагается гипотеза, что для конкретного класса тепловизионных приборов можно предложить феноменологический комплексный критерий, отражающий как сложность проектирования прибора, так и удобство эксплуатации. Бесспорно, он будет эвристическим. Для его подтверждения или отрицания требуется большая статистика.
В [1] проведено сравнение приборов по коэффициенту «конструктивный объем / дальность обнаружения»: предполагалось, что чем этот коэффициент меньше, тем более совершенно (оптимально) реализовано в приборе сопряжение параметров и характеристик оптики, приемника излучения, модулей электронной обработки изображения, микродисплея и окуляра.
В данной статье предлагается использовать показатель К1, учитывающий дальность обнаружения и конструктивный объем прибора в следующем виде:
К = V / К1Шах, (1)
где Ь - дальность обнаружения объекта, м; V - конструктивный объем прибора, см ; К1тах- наибольшее значение коэффициента К1 для анализируемой выборки приборов.
При необходимости учета при сравнении не только Ь и V, но и поля зрения в пространстве предметов, увеличения прибора Г, удаления выходного зрачка sp,, массы т прибора, углового разрешения ф в пространстве предметов, выражение для коэффициента К2 усложняется:
К2 = К / К2тах, (2)
т • ф
где 2юг - угловое поле по горизонту (соответствующее большей стороне чувствительной площадки матричного болометрического приемника); К2тах - наибольшее значение коэффициента К2 для анализируемой выборки приборов.
При этом
5
ф =
/о
об
где 5 - шаг пикселей матричного болометрического приемника излучений; /об - фокусное расстояние объектива тепловизионного прибора.
При необходимости учета при сравнении не только параметров, входящих в (3), но и длины I прибора (вдоль оптической оси объектива), выражение для коэффициента К усложнится:
К = К / Ктах, или К = ЬvГ•Юг•Фp^ / К_, (3)
I V • т • I • ф
где Ктах - наибольшее значение коэффициента К для анализируемой выборки приборов.
Выражения для коэффициентов (1) - (3) построены так, что в числителе указываются показатели (характеристики), увеличение которых рассматривается как достоинство, в знаменателе - показатели, увеличение которых оценивается как недостаток прибора в сравнении с другими приборами рассматриваемой выборки.
Показатели трудоемкости изготовления и стоимости не включены в (1)-(3).
Формулы (1) - (3) включают в себя основные показатели, принимаемые во внимание при сравнительной оценке малогабаритных приборов: дальность обнаружения, угловое поле зрения, увеличение, предел разрешения (дискретность изменения направления визирной оси), удаление выходного зрачка от последней поверхности окуляра, массу прибора, конструктивный объем и длину прибора.
Чем больше значение коэффициента, по которому осуществляется сравнение приборов, тем выше по рангу находится прибор в выборке.
Далее представлены результаты сравнительного анализа группы теплови-зионных приборов с использованием коэффициентов (1) - (3).
Результаты сравнительного анализа группы малогабаритных приборов с использованием предлагаемых коэффициентов
Рассматривается группа малогабаритных тепловизионных наблюдательных приборов и прицелов для стрелкового вооружения, разработанная при участии авторов за период, начиная с 2010 г. по настоящее время [1]. В табл. 1 приведена информация по двум типам малогабаритных тепловизионным приборов: двум тепловизионным монокулярам (ПТ2 и ПТ2(М)) и семи прицелам (ПТ3, ПТ3-02, ПТ4-01, ПТ5, ПТ7, ПТ8, ПТ9), а на рис. 1 - лепестковая диаграмма, показывающая изменения коэффициентов К1, К2, К для анализируемой выборки малогабаритных тепловизионных приборов. Кроме характеристик, входящих в формулы (1) - (3), в табл. 1 приведены значения фокусного расстояния и относительного отверстия объективов, количество элементов на приемнике и угловые поля по вертикали. Для всех приборов масса приведена без кронштейна и аккумуляторов, длина - без наглазника.
Для двух монокуляров все характеристики прибора ПТ2(М), кроме удаления выходного зрачка, в сравнении с ПТ2 имеют лучшие (или равные) значения, и сравнение этих двух приборов дает очевидный результат в пользу ПТ2(М), без проведения каких-либо дополнительных оценок и расчетов. Сравнение по любому из коэффициентов К1, К2, К дает аналогичный результат, что можно рассматривать как проверку адекватности этих коэффициентов.
Результат сравнительной оценки в группе семи малогабаритных теплови-зионных прицелов показал следующее:
- выделяется группа из трех приборов ПТ7, ПТ8, ПТ5, для которых коэффициенты К1, К2, К имеют наибольшие значения;
- выделяется группа из трех приборов ПТ3, ПТ3-02 и ПТ4-01, для которой коэффициенты К1 и К имеют наименьшие значения;
- для прибора ПТ9 коэффициенты К1 и К выше, чем К2; но по критерию К2 на четверной позиции находится ПТ3-02.
- прибор ПТ5 - ни по одной из характеристик, приведенных в табл. 1, не имеет лучший результат, но по коэффициентам К1, К2, К входит в тройку первых;
- прибор ПТ9 по трем характеристикам, приведенным в табл. 1, имеет лучший результат, но по критерия К1, К2, К находится на 4-5 месте;
- прибор ПТ8 всего по одной характеристике из приведенных в табл. 1 (по удалению зрачка) имеет лучший результат, а по коэффициенту К2 находится на
третьем месте, по К1 и К - на втором;
- для анализируемой выборки значения коэффициента К находятся в большем диапазоне, чем К1 и К2.
Таблица 1
Характеристики малогабаритных тепловизионных приборов
Характеристика Монокуляры Прицелы
ПТ2 ПТ2(М) ПТ3 ПТ3-02 ПТ4-01 ПТ5 ПТ7 ПТ8 ПТ9
Фокусное расстояние объектива, мм 24 20 80 50,8 33,2 50,8 68 50,7 34
Разрешение матрицы (вертикально), элементы 384 640 384 640 384 640 640 640 640
Разрешение матрицы (горизонтально), элементы 288 480 288 480 288 480 480 480 480
Шаг приемника, мкм 25 17 25 17 25 17 17 17 17
Относительное отверстие объектива 1 : 1,2 1 : 0,85 1 : 1,33 1 : 1 1 : 1 1 : 1 1 : 1 1 : 1 1 : 1
Удаление выходного зрачка, мм 18 15 50 50 35 45 50 50 35
Масса изделия, г 372 317 950 820 550 730 800 700 627
Длина изделия, мм 120 90 232 257 198 163 159 142 127
Конструктивный объем, см3 137,4 123,8 413,9 422,2 191,1 271 263,2 251,7 221,1
Дальность обнаружения, м 550 750 1200 1500 800 1500 1800 1500 1000
Поле зрения по горизонту, градус 26,9 29,8 6,8 12,1 16,4 12,1 9,1 12,1 18
Поле зрения по вертикали, градус 20,4 22,8 5,1 9,1 12,3 9,1 6,8 9,1 13,6
Угловое разрешение, минуты 3,5 2,9 1,1 1,2 2,6 1,2 0,9 1,2 1,7
Увеличение, крат 1,18 1,17 3,93 2,2 1,66 2,80 2,77 2,08 1,56
К1 0,59 0,89 0,42 0,52 0,61 0,81 1,00 0,87 0,66
К 2 0,14 0,27 0,30 0,40 0,22 0,80 1,00 0,74 0,33
К 0,18 0,48 0,21 0,25 0,18 0,78 1,00 0,83 0,41
ПТ2
ПТ5 ПТ4-01
Диаграмма изменения коэффициентов К1, К2, К для анализируемой выборки малогабаритных тепловизионных приборов
Заключение
Несмотря на то, что выражения для коэффициентов К1, К2, К предложены феноменологически, они могут быть использованы для анализа выборки из нескольких малогабаритных приборов сходного применения. Пример применения коэффициентов для сравнительного анализа группы малогабаритных теплови-зионных прицелов для стрелкового оружия демонстрирует возможность их применения.
По мнению авторов, предлагаемые коэффициенты К\, К2, К и им подобные могут быть полезны при проведении сравнительного анализа выборки из нескольких малогабаритных тепловизионных приборов, при этом коэффициент К имеет больший диапазон изменения, облегчающий ранжирование приборов в выборке. Коэффициенты позволяют в анализируемой выборке выявить приборы, при создании которых достигнуты лучшие инженерные решения по оптимизации параметров и характеристик отдельных элементов и модулей прибора с целью достижения высоких потребительских характеристик.
Проведение сравнительного анализа на основе предлагаемых коэффициентов К1, К2, К может быть полезным для разработчиков на этапе концептуального проектирования с целью выявления преимуществ проектируемого прибора в сравнении с имеющимися приборами данной группы.
Проведение сравнительного анализа на основе предлагаемых коэффициентов К1, К2, К может быть полезным для потребителей с целью выявления конкретных приборов из группы имеющихся приборов одинакового назначения.
Дальнейшие исследования планируется направить на расширение выборки для выявления целесообразности применения предложенных показателей и совершенствования последних.
Во время доклада будут представлены демонстрационные образцы приборов, обладающих высокими значениями предложенных показателей K1, K2, K.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Дружкин Е. В., Хацевич Т. Н. Реализация общетехнических и специальных требований при разработке малогабаритных тепловизионных приборов наблюдения и прицелов // Приборы. - 2018. - № 1. - С. 43-50.
2. Тарасов В. В., Якушенков Ю. Г. Инфракрасные системы «смотрящего типа». - М. : Логос, 2004. - 444 с.
3. Бугаенко А. Г. Методы и средства контроля характеристик тепловизионных приборов и систем: автореф. дис. на соиск. учен. степ. д.т.н.: спец. 05.11.07 / Бугаенко Адольф Георгиевич; (Новосиб. гос. техн. ун-т). - Новосибирск : 2005. - 34 с. : ил.; 21 см.
4. Гибин И. С., Колесников Г. В. Современные устройства измерения параметров и комплексного тестирования инфракрасных ФПУ и приборов (обзор) // Успехи прикладной физики. - 2014. - № 3 (2). - C. 293-302.
5. Алеев Р. М., Иванов В. П., Овсянников В. А. Основы теории анализа и синтеза воздушной тепловизионной аппаратуры. - Казань : Казан. Ун-т, 2000. - 252 с.
6. Иванов В. П., Курт В. И., Овсянников В. А., Филиппов В. Л. Моделирование и оценка современных тепловизионных приборов. - Казань : ФНПЦ НПО ГИПО, 2006. - 594 с.
7. Проектирование оптических систем: пер. с англ./ под ред. Р. Шеннона, Дж. Вайанта. -М. : Мир, 1983. - 432 с.
REFERENCES
1. Druzhkin, E. V., & Khatsevich, T. N. (2018). Realization of Technical and Special Requirements at the Development of Compact Infrared Devices. Pribory ["Instruments" Journal], 1, 43-50 [in Russian].
2. Tarasov, V. V., & Yakushenkov, Yu. G. (2004). Infrakrasnie sistemi "smotryashchego tipa" [Infrared Systems of «Forward Looking Type»]. Moscow: Logos [in Russian].
3. Bugaenko, A. G. (2005). Metodi i sredstva kontrolya harakterisitk teplovizionnih priborov i sistem: avtoref. dis. na coisk. uchen. step. d.t.n.: spec. 05.11.07 [Methods and Tools for Control of Characteristics of Infrared Devices and Systems: Abstract of the Dis. for the Degree Doctor of Sciences: 05.11.07]. Novosibirsk: NSTU [in Russian].
4. Gibin, I. S., & Kolesnikov, G. V. (2014). Modern Devices for Measuring Parameters and Complex Testing of Infrared FPUs and Devices (review). Uspekhi Prikladnoi Fiziki [Advances in Applied Physics], 3(2), 293-302 [in Russian].
5. Aleev, R. M., Ivanov, V. P., & Ovsyannikov, V. A. (2000). Osnovi teorii analiza i sinteza vozdushnoi teplovizionnoi apparaturi [Fundamentals of the Theory of Analysis and Synthesis of Air Thermal Imaging Equipment]. Kazan: Kazan Federal University [in Russian].
6. Ivanov, V. P., Kurt, V. I., Ovsyannikov, V. A., & Filippov, V. L. (2006). Modelirovanie i ocenka sovremennih teplovizionnih priborov [Modeling and Evaluation of Modern Thermal Imaging Devices]. Kazan: NPO "GIPO" [in Russian].
7. Proektirovanie opticheskih sistem [Design of Optical Systems]. (1983). Moscow: Mir [in Russian].
© Е. В. Дружкин, Т. Н. Хацевич, 2018
