Для визуально-оптического наблюдения в инфракрасном диапазоне необходимо переместить невидимое для глаз изображение в инфракрасном диапазоне (более 0,76 мкм) в видимый диапазон. Эта задача решается в приборах ночного видения (ПНВ) и тепловизорах.
Основу приборов ночного видения составляет электронно-оптический преобразователь (ЭОП), преобразующий невидимое глазом изображение объекта наблюдения в видимое. Самый простой ЭОП, так называемый стакан Холста (по имени изобретателя Холста де Бургоса) представляет собой стеклянный сосуд, из которого выкачан воздух (рис. 16.5).
Рис. 16.5. Схема стакана Холста
Плоская поверхность стакана, обращенная к объекту наблюдения, металлизируется и на ней наносится светочувствительный материал из окиси серебра с цезием — фотокатод. Противоположная поверхность стакана представляет собой металлизированный экран с люминофором. К металлизированным поверхностям подводится достаточно высокое напряжение 4-5 кВ, в результате чего между ними возникает электрическое поле. На фотокатод объективом проецируется изображение в ИК-диапазоне. В каждой точке фотокатода под действием фотонов света возникают свободные электроны, количество которых пропорционально яркости соответствующей точки изображения. Электрическое поле вырывает свободные электроны из фотокатода и, разгоняя, устремляет их к экрану с люминофором. В моменты столкновения электронов с люминофором возникают вспышки видимого света, яркость которых пропорциональна количеству электронов. Таким образом на экране с люминофором формируется видимое изображение, близкое исходному в ИК-диапазоне.
Однако параметры (чувствительность, разрешение) рассмотренного ЭОП невысокие и не обеспечивают наблюдение при низкой освещенности и, следовательно, добывание демаскирующих признаков об объекте с мелкими деталями.
С момента создания в 1934 г. первого ЭОП в виде стакана Холста разработано несколько поколений этих приборов (от нулевого до 4-го), отличающиеся конструкцией и используемыми светочувствительными материалами. ЭОП 2-го и 3-го поколений, которые применяются в настоящее время, имеют чувствительный фотокатод, а между пластинами камеры размещается так называемая микроканальная пластина. Пластина содержит приблизительно 5000 микроканалов на 1 мм2, внутри которых движутся электроны фотокатода. В результате устранения взаимного влияния электронов от соседних точек фотокатода, движущихся по разным микроканалам, достигается повышение разрешающей способности прибора ночного видения с микроканальной пластиной. Кроме того, в процессе движения электронов внутри каналов происходит «размножение» электронов в результате «выбивания» дополнительных электронов из стен каналов, покрытых специальными материалами. Основные усредненные показатели приборов ночного видения различных поколений приведены в табл. 16.2.,
Таблица 16.2
Поколение | Максимальная чувствительность, мкА/лм | Коэффициент усиления | Разрешающая способность, лин/мм | Дальность распознавания фигуры человека при ЕНО |
100-200 | ||||
I | 250-1000 | 60-110 | ||
II | (2,5-3) 104 | 150-250 | ||
III | (3-4)104 | 250-300 | ||
IV | 105 |
Примечание. Естественная ночная освещенность (ЕНО) соответствует 5 • 10 3 лк.
На основе ЭОП 2-го и 3-го поколений созданы различные приборы ночного видения, включающие ночные бинокли и очки, артиллерийские приборы и прицелы для различных образцов военной техники. Самые малые по размерам ПНВ — очки на базе ЭОП 3-го поколения имеют угол зрения 40 град, дальность наблюдения (обнаружения) 500м при естественном освещении около 10~3лк, массу около 700 г.
Приборы ночного видения эффективно работают в условиях естественного ночного освещения, но не позволяют проводить наблюдения в полной темноте (при отсутствии внешнего источника света). Их чувствительность недостаточна для приема световых лучей в ИК-диапазоне, излучаемых телами.
Приборы ночного видения (ПНВ) разделяют на 3 группы: приборы малой дальности действия (ночные очки), позволяющие видеть фигуру человека на расстоянии 100-200 м. Вес и габариты этих приборов позволяют носить их в карманах, сумках, портфелях;
приборы (ночные бинокли, трубы) средней дальности (человек виден до 300-400 м), наблюдение ведется с рук; приборы большой дальности действия (до 1000 м), устанавливаемые для наблюдения на треноге или подвижном носителе.
Например, прибор ночного видения — бинокль фирмы Noctron (США) имеет фокусное расстояние 135 мм, угол поля зрения — 10,6°, массу 1,98 кг, габариты 320 х 80 х 210 мм, дальность наблюдения человека 300-400 м.
Стационарный прибор ночного видения НМ-10С оснащается длиннофокусным объективом (F = 250 мм) с 10-кратным увеличением и специальным окуляром с переходными кольцами для подсоединения фото- и видеокамеры. Электронно-оптический преобразователь обеспечивает усиление 30000 и разрешение в центре 28 лин/мм. Прибор имеет габариты 200 * 600 мм, вес 5,1 кг и устанавливается на треноге.
По способу подсветки приборы ночного видения условно разделяют на три типа:
- объект наблюдения подсвечивается с помощью искусственного источника ИК-излучения, размещенного на приборе ночного видения;
- с подсветкой от естественного освещения; принимающего собственное тепловое излучение объекта наблюдения.
Приборы ночного видения первого типа содержат ИК-фару в виде обычного источника света мощностью 25-100 Вт, закрытого спереди специальным фильтром. Например, прибор ночного видения с подсветкой «Аргус» позволяет вести наблюдение в полной
темноте объектов на удалении до 120 м. На этом удалении можно различить силуэт человека и определить тип транспортного средства. Опознать человека по признакам внешности и лица можно на значительно меньшем расстоянии — 35-50 м. Приборы ночного видения при освещенности ночью в летнее время (приблизительно 0,005 лк) позволяют видеть фигуру человека на расстоянии до 300-400 м. Например, ПНВ отечественного производства «Ворон-3» имеет пороговый уровень освещенности для визуального обнаружения объектов 0,001 лк, для регистрации — 0,01 лк. Его разрешающая способность не менее 28 лин/мм, диапазон автоматической регулировки 105 чувствительности, напряжение питания 5-9 В, масса — не более 1,2 кг.
Наблюдению объектов в полной темноте (при отсутствии внешних источников ИК-света) на рассмотренных принципах мешают тепловые шумы светоэлектрических преобразователей. Снижение уровня шумов достигается применением малошумящих светочувствительных материалов и охлаждением преобразователей. Для надежного обнаружения теплового излучения объекта наблюдения на фоне шумов светоэлектрического преобразователя (обеспечения отношения сигнал/шум более 1) последний нуждается в охлаждении до весьма низких температур — (-70... - 200)°С.
Наблюдение объектов в свете собственных излучений (с точки зрения наблюдателя — в полной темное) обеспечивается в тепловизорах с охлаждаемыми светоэлектрическими преобразователями. Охлаждение производится с помощью термоэлектрических и микрокриогенных устройств до температуры порядка 70° К. В качестве светоэлектрических преобразователей применяются ИК-матрицы размером до 640 х 480 из пироэлектрических элементов и микроболометров, обеспечивающих опознавание человека на удалении до 1,5 км, а автомобиля—- до 5 км. Масса современных тепловизоров составляет единицы кг. Например, японский, тепловизор LATRO-S270 фирмы Nicon Corp. матрицей размером 537 х 505, охлаждаемой микрокриогенным устройством до температуры 77° К, имеет габариты 100 * 120 х 165 мм и массу 2,5 кг.
Основными характеристиками технических средств наблюдения в ИК-диапазоне, влияющими на их возможности, являются следующие:
• спектральный диапазон;
•пороговая чувствительность по температуре;
•фокусное расстояние объектива;
•диаметр входного отверстия объектива;
•угол поля зрения прибора;
•коэффициент преобразования (усиления) ЭОП;
•интегральная чувствительность.