CC BY
188
УДК 621.384.326
СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТЕЙ ОБНАРУЖЕНИЯ ОБЪЕКТОВ ПРИБОРАМИ НОЧНОГО ВИДЕНИЯ РАЗНЫХ ПОКОЛЕНИЙ С.Д. Рудый, С.В. Утемов, Т.Ю. Смагина
Разработана методика и проведена количественная оценка эффективности обнаружения объектов приборами ночного видения разных поколений
Ключевые слова: приборы ночного видения, оценка эффективности
Всё расширяющийся круг военных и гражданских задач, решаемых в условиях низкой освещённости без использования источников подсветки, а также достигнутые в последнее время успехи в технологии создания полупроводников стимулировали развитие приборов ночного видения (ПНВ) [1-4]. Однако в ряде публикаций [2, 5, 6] к ПНВ отнесены все устройства, способные наблюдать объекты в сумерках и ночью, в том числе тепловизионные (ТПВ) и низкоуровневые телевизионные системы (НТВС). В то же время в соответствии с [7] под ПНВ понимается прибор, предназначенный для наблюдения или (и) прицеливания ночью при естественной освещённости или (и) при искусственной подсветке объектов наблюдения (целей) и содержащий в себе электронно-оптический преобразователь. Под электронно-оптическим преобразователем (ЭОП) понимается фотоэлектронный электровакуумный прибор, предназначенный для преобразования спектрального состава изображения и (или) усиления яркости изображения [8]. То есть основным отличительным признаком прибора ночного видения является наличие в его составе ЭОП.
К настоящему времени абсолютное большинство работ [1-6, 9-12] носит фактологический характер и посвящено сбору сведений об основных технических характеристиках ПНВ и анализу принципов их построения. Проведённая в этих работах систематизация сведений о приборах ночного видения позволила разделить все ПНВ на три поколения [4], принципиально отличающихся друг от друга типами используемых в них ЭОП. В то же время практически отсутствуют работы прогностического характера, посвящённые систематизации, обобщению и анализу перспектив развития современных ПНВ. В частности, до сих пор отсутствуют работы, посвящённые количественной оценке эффективности обнаружения объектов с использованием ПНВ разных поколений. В результате этого не доказана необходимость смещения максимума чувствительности фотокатода ЭОП в инфракрасную (ИК) область спектра и, как следствие, необходимость разработки дорогостоящих ПНВ на базе модифицированных ЭОП второго поколения (ЭОП 11+ и ЭОП
Рудый Сергей Даниилович - ВАИУ, канд. физ.-мат. наук, научный сотрудник, тел. (473) 231-77-11 Утемов Сергей Владимирович - ВАИУ, канд. техн. наук, старший научный сотрудник, тел. (473) 220-92-36 Смагина Татьяна Юрьевна - ВАИУ, инженер-программист, соискатель, тел. (473) 263-45-01
SUPER II+) и ЭОП третьего поколения (ЭОП III) [9-11].
Целью статьи является проведение оценки эффективности обнаружения объектов приборами ночного видения разных поколений.
Оценим эффективность обнаружения объекта с помощью ПНВ разных поколений. В качестве показателя эффективности будем использовать вероятность обнаружения, определяемую по формуле:
Ро = ф(q) = -/= Jexp (- 0,5t2 )t ,
л/2п -»
где q - отношение сигнал/шум, воспринимаемое оператором.
Отношение сигнал/шум q в ПНВ зависит от дальности наблюдения объекта DH и находится по формуле [3]:
q =
1,15 4S~0
DhJ
2 2 2 НМ °С + °r + °э
— 3,2,
где Бо - площадь проекции объекта; ос - предельное угловое разрешение ПНВ, определяемое его оптической системой; ог - предельное угловое разрешение зрительного анализатора оператора; оэ - предельное угловое разрешение ПНВ, обусловленное излучением фона.
Величины ос, ог, аЭ определяются из выражений [1, 3]:
1,64 х 10-5
°С =-------------’
С Г
где Б - фокусное расстояние оптической системы ПНВ, м;
1,02 • 10—7 (K0 + 2) 1,06 • 10—8 (K0)—2,9
= ---------:—:---- --------+ —
K Г S Вэ SrTr
Г2
r —r К (+ 2)
2,75 -10—
r — r
(~ro ф )2Т гфЕ^рк dl(Tr + 9,7-10—2)
где ГБ - увеличение оптической системы ПНВ, крат; КО - контраст изображения объекта; фК - спектральная чувствительность фотокатода, А/лм; ВЭ - яркость фона на экране ПНВ (Вт/ср^м2); Бг - эффективная площадь зрачка оператора, мм2; тг - постоянная времени глаза оператора, с; гО и гФ - спектральные коэффициенты яркости объекта и фона; Ех -спектральная энергетическая освещенность земной поверхности ночью, Вт/м2; ёВ - диаметр объектива ПНВ, м; т - спектральный коэффициент пропуска-
r
21
ф
°э =
ф
ния атмосферы; Кд - спектральный коэффициент яркости дымки.
Обычно в литературе приводится интегральная энергетическая освещенность земной поверхности в ночных условиях Ед=10-2 Вт/м2. Взаимосвязь спектральной Ех и интегральной ЕН энергетических освещенностей выражается формулой [13] Ех= ЕН Ых, где N - относительная спектральная плотность из-
2860 К (рис. 1).
К
1р /"х
0,5 / 4
і
/
0 0,5 1р ^ \ мкм
Рис.1. Относительная спектральная плотность излучения Ех источника света с цветовой температурой 2860 К
Контраст изображения объекта определяется по формуле [14]: к = ГО ~ Гф ■ т ■ т , где то
ГфКД
- коэффициент пропускания оптической системы ПНВ.
Спектральный коэффициент яркости дымки
( л \
равен [15]: к =
1 -
1
+
1
где Гд
коэффициент светлости дымки, определяемый из выражения Гд=1,5 (1-Ф(х1))+0,5, где Ф(х1) - интеграл вероятности, рассчитываемый при
х = 1,5 • 1в(---------) '
1 5 х 10 - 6
Яркость фона на экране ПНВ определяется по
формуле [3]: ВЭ = 8,21 • гФКД (^)2 ПП, ще Пп -
коэффициент преобразования ЭОП.
Эффективная площадь зрачка оператора [13]:
5 = 24[1-Ф(х2)]; где х2 = 0,55 • .
Постоянная времени глаза оператора [13]:
тг=0,1 6[1-Ф(хз)]+ 0,04; где х = 04 . 1„/ Вэ ).
3 ’ 0,07
Спектральный коэффициент пропускания атмосферы определяется коэффициентами ослабления, молекулярного рассеяния и поглощения, зависящими от метеорологической дальности видимости [14]:
т = ехр(-Бн • (аО +ар +ап)), где аО, аР, аП - спектральные коэффициенты аэрозольного ослабления, молекулярного рассеяния и поглощения атмосферы, км-1.
По приведённой методике проведена оценка вероятности обнаружения объекта РО от дальности его наблюдения Бн оператором ПНВ. Результаты расчётов вероятности РО представлены на рис. 2 для трёх поколений ПНВ, отличающихся только спектральными диапазонами работы используемых в них ЭОП без учёта конструкции и типа эмиссионно-
го усилителя. Расчёты проведены для двух значений метеорологической дальности видимости 5^=10 км (рис. 2а) и &м=25 км (рис. 26).
Рис.2. Зависимость вероятности обнаружения объекта от дальности на различных длинах волн
При расчётах принималось, что объект размером БО=2х4 м2, окрашенный белой масляной краской с коэффициентом яркости гО, наблюдается оператором на фоне мокрого грязного снега с коэффициентом яркости гф в прибор ночного видения с параметрами Г=0,3 м, й?В=0,2 м, Г=10, %=5Х104, тО=0,9, фк= 10-3 А/лм.
Характеристики внешних условий работы ПНВ разных поколений, к которым относятся спектральный состав и уровень естественной ночной освещенности, коэффициенты яркости природных образований и объектов наблюдения, приведены в табл. 1.
Таблица 1
Характеристики внешних условий работы ПНВ
Характеристики Поколение ЭОП
I II III
Го 0,86 0,89 0,90
Гф 0,40 0,50 0,47
Ех, Вт/м2 0,005 0,015 0, 017
Результаты расчётов спектрального коэффициента пропускания атмосферы для ПНВ разных поколений приведены в табл. 2.
Таблица 2
Поколение ЭОП Дальность наблюдения, км
БМ=10 км БМ=25км
1 2 3 1 2 3
I 0,64 0,41 0,26 0,84 0,71 0,59
II 0,76 0,57 0,44 0,90 0,81 0,74
III 0,83 0,63 0,57 0,93 0,87 0,80
Анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы:
- спектральная энергетическая освещенность земной поверхности ночью непрерывно возрастает при переходе из видимой в ближнюю инфракрасную (ИК) область спектра, то есть от ПНВ I поколения к ПНВ III поколения (рис. 1, табл. 1);
- при переходе в ближнюю ИК-область спектра прозрачность атмосферы возрастает (табл. 2);
- дальность обнаружения объекта увеличивается при применении ПНВ новых поколений (до 30 % -для ПНВ II поколения и до 100 % - для ПНВ III поколения), причём в сложных метеоусловиях (при уменьшении метеорологической дальности видимо-
т
г г
' д'ф
сти БМ) эффективность ПНВ III поколения возрастает.
Таким образом, разработана методика и проведена количественная оценка эффективности обнаружения объектов приборами ночного видения разных поколений. Установлено, что применение перспективных поколений ПНВ связано со смещением рабочей области спектра в ИК-диапазон.
Литература
1. Орлов В. А., Петров В.И. Приборы наблюдения ночью и при ограниченной видимости. - М.: Воениздат, 1989. -254 с.
2. Волков В.Г. Современное состояние развития приборов ночного видения. Обзор № 5576. - Ч. 1, 2. - М.: НТЦ «Информтехника», 1994. - 202 с.
3. Волков В.Г., Гейхман И.Л. Основы улучшения видимости в сложных условиях. - М.: Недра - Бизнесцентр, 1999. - 286 с.
4. Самков В. Л. Приборы ночного видения: история поколений. // Специальная техника. - 2000. - № 2. - С. 40-47.
5. Волков В.Г. Авиационные приборы ночного видения. // Специальная техника. - 2006. - № 4. - С. 2-12.
6. Волков В.Г. Корабельные приборы ночного видения. // Специальная техника. - 2006. - № 1. - С. 2-8.
7. ГОСТ В 21675-76 «Приборы ночного видения
электронно-оптические. Термины, определения и буквенные обозначения. - М: Госстандарт, 1976. - 12 с.
8. ГОСТ 19803-86 «Преобразователи электроннооптические. Термины, определения и буквенные обозначения. - М: Госстандарт, 1986. - 22 с
9. Чура Н.И. Мифы и реальность ночного видеонаблюдения. // Специальная техника. - 2003. - № 5. - С. 21-25
10. Волков В.Г. Приборы ночного видения новых поколений // Специальная техника. - 2001. - № 5. - С. 2-8.
11. Бегучев В.П.. Чапкевич А.Л., Филачев А.М. Электронно-оптические преобразователи. Состояние и тенденции развития. // Ресурс Шете! Код доступа: http://www.wimi.ru./app1phgs/.
12. Волков В.Г., Креопалов В.И. Рекомендации по приобретению приборов ночного видения. // Оборонный комплекс - научно-техническому прогрессу России. -2008. - № 2. - С. 67-74.
13. Мацковская Ю.З. Методы контроля приборов ночного видения. - М.: Горячая линия - Телеком, 2003. -96 с.
14. Травникова Н.П. Эффективность визуального поиска. - М.: Машиностроение, 1985. - 128 с.
15. Зуев В.Е. Прозрачность атмосферы для видимых и инфракрасных лучей. - М.: Советское радио, 1966. - 320 с.
Военный авиационный инженерный университет (г. Воронеж)
COMPARATIVE ESTIMATION OF POSSIBILITIES OF DETECTION OF OBJECTS DEVICES OF NIGHT VISION OF DIFFERENT GENERATIONS
S.D. Rudyj, S.V. Utyomov, T.Ju. Smagina
The technique is developed and the quantitative estimation of efficiency of detection of objects is spent by devices of night vision of different generations
Key words: devices of night vision, an efficiency estimation
