ВОЛКОВ Виктор Генрихович, доктор технических наук
Наголовные тепловизионные и двухканальные приборы наблюдения
Источник: журнал «Спецтехника и связь»
Рассматриваются, наголовные тепловизионные приборы, наблюдения, выполненные на базе фотоприемного устройства - неохлаждаемой матрицы микроболометров. Рассматриваются также двухканальные наголовные приборы наблюдения, состоящие из тепловизионного канала и ночного канала на базе электронно-оптического преобразователя, или низкоуровневой телевизионной системы.
Приборы ночного видения (ПНВ) на основе электронно-оптических преобразователей (ЭОП) и тепловизионные (ТПВ) приборы активно применяются для наблюдения, прицеливания и вождения транспортных средств в сумерках, ночью и вообще при пониженном уровне освещенности вплоть до полной темноты [1]. Эти устройства нашли применение в военной технике, для антитеррористических и специальных подразделений, для полиции, для охранных, пограничных и таможенных служб, для обеспечения добычи полезных ископаемых, промышленного технического и технологического контроля и др. [1].
При этом среди ПНВ на базе ЭОП значительную роль играют наголовные ПНВ - ночные монокуляры (НМ) и очки ночного видения (ОНВ) псевдобинокулярного и бинокулярного типов [1]. Они обладают целым рядом достоинств:
- простота, надежность и низкая стоимость;
- малые масса, габариты и энергопотребление;
- большое время непрерывной работы;
- достаточно большая дальность видения в нормированных условиях наблюдения (ясная звездная ночь при уровне естественной ночной освещенности ЕНО = 3*10-3 лк и при нормальной прозрачности атмосферы);
- значительный угол поля зрения (от 40 до 50°).
Однако эти ПНВ и НМ имеют и целый ряд существенных недостатков: □ дальность видения резко падает при пониженном уровне ЕНО, а в полной темноте и вовсе становится равной нулю; приходится использовать дополнительные ИК-осветители, но они из энергетических соображений имеют малый угол подсвета (4 - 10°), не обеспечивают достаточно высокую дальность видения и демаскируют пользователя ПНВ и НМ;
- работа ПНВ практически невозможна при пониженной прозрачности атмосферы (дымка, туман, дождь, снегопад, пыль, дым и др.) и при воздействии мощных световых помех;
- изображение ОНВ и НМ невозможно непосредственно передать в персональный компьютер (ПК), в карманный персональный компьютер (КПК), в видео- и цифровую фотокамеру;
- в ПНВ и в НМ невозможно наблюдать объекты, находящиеся за листвой кустарников, в густой траве и т.п.;
- изображение ПНВ и НМ нельзя передать дистанционно и дублировать его для нескольких пользователей одновременно;
- изображение ОНВ и НМ невозможно подвергнуть цифровой обработке в реальном масштабе времени, тиражировать и архивировать;
- изображение ПНВ и НМ невозможно микшировать с изображениями других каналов.
Все эти недостатки можно преодолеть, если вместо ПНВ на основе ЭОП использовать наголовные ТПВ НМ (ТНМ) и ТПВ ОНВ (ТОНВ) [1 - 22]. Основные параметры ТПВ наголовных приборов наблюдения (ТНМ, ТОНВ) представлены в табл. 1, а их внешний вид и характер изображения - на фото 1 - 7 и на рис. 1. В табл. 1 представлены также основные параметры тепловизионных модулей (объектив + фотоприемное устройство), которые могут быть использованы в качестве основы построения наголовных ТНМ и ТОНВ. В частности, цифровой ТНМ ТМА-35 фирмы Thermal Vision Technologies LLC (Украина) [22] (фото 1) может работать при любой освещенности и в условиях ограниченной видимости (дым, туман, скрытые растительностью или сливающиеся с подстилающей поверхностью объекты). ТНМ имеет ударопрочный водонепроницаемый пластиковый корпус. ТНМ оснащен видеовыходом, имеет интерфейс USB для съема информации, управления и программирования прибора. Имеется возможность подключения внешнего источника питания. Прибор имеет цифровое увеличение 2Х и 4Х или для некоторых модификаций - плавное изменение увеличения, фото- и видеозапись, встроенный модуль записи. Предусмотрены режимы автоматической регулировки яркости и контраста изображения.
Цифровой ТНМ LMA-10 Lahoux Optics (Нидерланды) [23] имеет встроенный цветной мини-дисплей высокого разрешения и окуляр с диоптрийной регулировкой. ТНМ имеет увеличение 1Х, но может обеспечивать цифровое увеличение 2Х и 4Х. ТНМ имеет возможность регулировки цветности изображения для оптимизации наблюдения в различных условиях. Многофункциональный ТНМ МТ фирмы ОАО «НПО «Альфа» [8] может быть закреплен на голове с помощью регулируемого ременного оголовья или на любой каске с помощью регулируемого универсального крепления. МТ может быть установлен на стрелковом оружии, в том числе и в целях его стыковки с дневным коллиматор-ным прицелом, может быть объединен с другим таким же ТНМ МТ в целях создания бинокулярных ОНВ, может быть превращен в ТПВ-бинокль при установке на МТ афокальной инфракрасной насадки с увеличением 3Х или 5х. Общий вид и органы управления ТНМ МТ представлены на рис. 1.
ТНМ МТ может быть закреплен непосредственно на голове (с помощью регулируемого ременного оголовья) или каске, может быть установлен на оружии для наведения его на цель, объединен со вторым монокуляром в бинокль и т.д. Климатическое исполнение монокуляра - умеренно-холодное (УХЛ). МТ предназначен для круглосуточного и всепогодного наблюдения за объектами и обнаружения объектов с температурой, отличающейся от температуры окружающей среды, может применяться для обнаружения тепловых утечек и технического контроля. Оптическая система МТ содержит германиевый ИК-объектив, микроболометрическую матрицу (МБМ) фотодетекторов с электронной схемой обработки изображения, дисплей OLED и окуляр.
Две литиевые батареи питания CR123A устанавливаются в отсек питания с завинчивающейся крышкой 7. Панель 6 управления предназначена для включения/выключения прибора и выбора режима работы МТ. Панель 6, кроме кнопки включения/ выключения, содержит ряд других кнопок: «ZOOM» - включение цифрового увеличения, запрограммированного при настройке монокуляра, «POLARITY» - переключение положительного контраста на отрицательный, т.е. режима отработки «горячее-белое/холодное-черное» на режим «горячее-черное/холодное-белое», «BRIGHTNESS» « + » и « - » - регулировка яркости дисплея. Оправа 2 служит для фокусировки объектива, кольцо 4 - для диоптрийной настройки окуляра. Направляющая 3 и аналогичная ей, расположенная на противоположной стороне корпуса, предназначена для закрепления МТ на подвеске шлема под правый и левый глаз соответственно. Направляющие используются также для закрепления МТ на других устройствах и крепления к нему дополнительных устройств. МТ имеет встроенный герметичный разъем 8 для подключения внешнего питания, внешнего компьютера, съема видеосигнала для записи изображения или вывода его на отдельный внешний монитор.
Фото 1. Цифровой ТНМ TMA-35
Рис. 1. Общий вид и органы управления ТНМ МТ:
1 - крышка объектива; 2 - кольцо фокусировки объектива;
3 - направляющая; 4 - кольцо диоптрийной настройки;
5 - наглазник; 6 - панель управления;
7 - крышка батарейного отсека; 8 - разъем
Фото 2. а) - ТНМ OTIS-10; б) - ТНМ OTIS-10
с афокальной инфракрасной насадкой с увеличением 2Х
Рис. 2. Схема построения ТНМ на базе стандартного ТПВ-модуля, взаимозаменяемого с ЭОП:
1 - инфракрасный объектив; 2 - ТПВ-модуль; 3 - окуляр;
4 - микроболометрическая матрица; 5 - электронный канал;
6 - OLED-дисплей; 7 - источник первичного питания (аккумуляторная батарея)
Данный ТНМ, как и большинство наголовных и портативных ТНМ и ТОНВ, выполнен на базе стандартного ТПВ-модуля, содержащего микроболометрическую матрицу фотодетекторов, электронный канал и OLED-дисплей (рис. 2). Этот модуль имеет такие же габаритные размеры, что и серийный ЭОП. Это позволяет использовать в ТНМ и ТОНВ в основном те же конструктивные механические детали, что и в серийных НМ и ОНВ на базе ЭОП. Достаточно только заменить объектив таких НМ и ОНВ на инфракрасный, а в случае использования OLED-дисплея
белого цвета свечения - заменить окуляр, скорректированный на желто-зеленый рабочий диапазон экрана ЭОП, на окуляр с коррекцией на весь видимый диапазон спектра. Следует также заменить источник первичного питания. Это позволяет сравнительно легко перейти от традиционных ПНВ к ТНМ и ТОНВ.
Опытный образец ТНМ ПТ2 [24] имеет водонепроницаемый металлический корпус и комплектуется сменными объективами, обеспечивающими увеличение прибора 1Х и 3,8х. ТНМ OTIS-10 (9 Hz) (фото 2a) [25] предназначен для всепогодного и круглосуточного наблюдения. В целях увеличения дальности действия этот ТНМ может быть оснащен афокальной инфракрасной насадкой с увеличением 2Х (фото 2б). Возможно подключение внешнего источника питания. Имеется интерфейс USB, возможность фото- и видеосъемки. Возможно подключение персонального компьютера, вывод изображения на внешний ТВ-монитор. На фото 3 представлены типичные изображения, наблюдаемые в МТ. Программное обеспечение осуществляет хранение изображений, их анализ, позволяет изменять параметры изображения - цветовую палитру, компенсацию отраженного тепла и т.д.
Прибор используется в медицине и в ветеринарии, органами правопорядка и охранными предприятиями, для обследования технических и строительных объектов, при реставрации картин и объектов архитектуры, для выявления дефектов в нефте- и газопроводах, электрических соединениях, теплотрассах и водопроводах, для выявления больных пассажиров на вокзалах и в аэропортах. Прибор позволяет обеспечить круглосуточную и всепогодную охоту. ТНМ FLIR Recon M18 [26] (фото 4) имеет высокое разрешение, цифровое увеличение до 4Х. ТНМ FLIR Recon предназначен для военного и гражданского применения. Для реализации последнего прибор оснащен лазерным целеуказателем (маркером) с длиной волны 850 нм, мощностью 30 мВт и 0,5 мВт (опционно для видимой области спектра). Прибор полностью удовлетворяет требованиям военного стандарта MIL-STD-810F.
Фото 3. Типичные изображения в ТНМ OTIS-10
Фото 4. ТНМ FLIR Recon M18
Фото 5. ТОНВ TG1
Фото 6. ТОНВ NO-TG-7
Нашлемный ТНМ Helmet IR [7] может быть смонтирован на военном шлеме А3256368 Армии США. Прибор предназначен для наблюдения поля боя в полной темноте, сквозь боевые дымы, в ухудшенных метеоусловиях. В приборе предусмотрена цифровая обработка изображения в реальном масштабе времени. Благодаря универсальному креплению на шлеме прибор взаимозаменяем со стандартными ОНВ на базе ЭОП.
Приборы ТОНВ TIG-7 [2] предназначены для эффективного наблюдения в сложных метеоусловиях за объектами или охраняемыми зонами, для проведения поисково-спасательных операций и патрулирования. ТОНВ могут работать при любом уровне естественной освещенности, в условиях тумана и при задымлении атмосферы, обладают высокой степенью защиты от световых помех. Корпус ОНВ полностью защищен от проникновения пыли или брызг.
ТОНВ TG1 [3] (фото 5) обладают теми же свойствами, обеспечивают распознавание объектов наблюдения на сложном фоне, например, человека в камуфляжной форме на зеленом фоне. ТОНВ предназначены для наблюдения теплоизлучающих объектов (человек, зверь, автомашина и др.), утечек тепла в теплотрассах и домах, нагрева линий электропередач и промышленного оборудования, в медицинских целях (для определения воспаления у человека или животных) и др. ТОНВ ARCHER TGA-640/60 [26] предназначен для обеспечения наблюдения в ухудшенных условиях видения, для дистанционного контроля температурного режима промышленного оборудования и транспортных средств, энергоаудита, неразрушаю-щей дефектоскопии и др. ТОНВ имеют цифровое увеличение с кратностью 2х и 4х, регулировку яркости и контрастности изображения, возможность применения сменных объективов с ручной фокусировкой. ТОНВ NO-TG-7 [4] (фото 6) могут иметь гражданское или военное исполнение. ТОНВ предназначены для разведки, наблюдения, охраны периметра, поиска и спасения пострадавших, распознавания автомашин, наблюдения дикой природы, мониторинга природных ландшафтов и др. ТОНВ могут удерживаться в руках или монтироваться на шлеме.
Пожарный наголовный ТПВ-прибор FIRE-FitIR [27] может работать с защитой от нагрева. Его корпус, выполненный из термопластика, допускает отсутствие функциональных повреждений при трех падениях с 1 метра под различными углами. Малогабаритный ТПВ-модуль ТНМ «Ракурс-П» [5] может быть использован для контроля исправности линий электропередач, газо- и продуктопро-водов, в коммунальном хозяйстве для обнаружения утечек тепла из зданий и сооружений, а также для выявления очагов возгорания, проведения работ в сильно задымленных помещениях, поиска людей при проведении спасательных работ. Модуль может быть применен, кроме наголовных систем, в портативных, мобильных и стационарных системах наблюдения. Модуль в сочетании с видеокамерой или видеомагнитофоном позволяет вести круглосуточное наблюдение, видеозапись и фоторегистрацию ТПВ-изображений в сложных условиях видения. Портативный наголовный ТПВ-прибор спасателя «СИП» [6] может использоваться при проведении поисково-спасательных работ и выявлении очагов возгорания как самостоятельно, так и при закреплении на каске спасателя. Информация с прибора может передаваться по радиоканалу руководству спасательной операцией. ТОНВ «Пустельга» [6] используется для тех же целей.
Фото 7. ТОНВ GUIDIR® IR528
Фото 8. а) прибор DSNVG; б) прибор DSNVG в рабочем положении;
в) прибор DSNVG на голове манекена (вид сбоку);
г) прибор DSNVG на голове манекена (анфас);
д) изображение в канал на базе ЭОП прибора DSNVG;
е) то же изображение в ТПВ-канал прибора DSNVG
На фото 7 представлен ТОНВ GUDIR® IR 528 [11] и характер наблюдаемого в него изображения.
Несмотря на очевидные преимущества, все описанные выше тепловизионные приборы имеют общие недостатки, характерные для ТПВ-приборов: зависимость качества изображения от уровня контраста объекта на окружающем его фоне, низкая геометрическая разрешающая способность, плохое формирование изображения местности и линии горизонта. Кроме того, ТПВ-приборы имеют ограниченное поле зрения по сравнению с аналогичными ПНВ на базе ЭОП. В связи с этим представляется целесообразным создание 2-ка-нальных наголовных ПНВ, состоящих из ТПВ-канала и ночного канала на базе ЭОП либо вместо него - низкоуровневой ТВ-системы. Ночной канал обеспечивает достаточно высокую разрешающую способность, обеспечивает хорошее формирование изображения местности и линии горизонта, имеет широкий угол поля зрения, в то время как ТПВ-канал обеспечивает наблюдение при неблагоприятных условиях видения, а также замаскированных объектов.
Основные параметры таких приборов представлены в табл. 2, а их внешний вид и характер наблюдаемого изображения - на фото 8 - 11. Двухканальный прибор VISUALIR [14] состоит из низкоуровневой цветной ТВ-камеры, работающей в области спектра 0,38 - 1,1 мкм с чувствительностью 10-3 лк (цветной режим и с чувствительностью 10-4 лк (черно-белый режим). Переключение режимов осуществляется автоматически в зависимости от уровня естественной освещенности. При фокусном расстоянии объектива 12 мм угол поля зрения ТВ-камеры равен 26°. ТПВ-канал имеет угол поля зрения 18°. Оба канала имеют общий жидко-кристаллический (ЖК) дисплей. Возможна дистанционная передача изображения с помощью миниатюрного радиопередатчика на дальность до 700 м во всех направлениях.
Прибор GriffinTM [15] содержит ночной ТВ-канал на базе ЭОП с диаметром фотокатода 16 мм, рабочей областью спектра 0,4 - 0,9 мкм, интегральной чувствительностью фотокатода >650 мкА/лм. ЭОП стыкован с матрицей КМОП с 1,3 мегапикселями. В канале предусмотрено автоматическое строби-рование, подавление шумов, усиление контраста. OLED-микродисплей имеет разрешение 1280х1024 пикселя (1,3 мегапикселей) и 16 цветов с коррекцией изображения. ТПВ-канал выполнен на базе МБМ фотодетекторов. Изображения обоих каналов с помощью цифровой системы обработки микшируются, и на дисплее создается интегрированное изображение, имеющее значительное преимущество по сравнению с изображениями отдельных каналов. Прибор DSNVG [16 - 18] (фото 8) может быть использован в качестве на-головного устройства или может быть стыкован с любым видом индивидуального оружия. В приборе предусмотрена ручная или автоматическая регулировка яркости изображения. Прибор может быть смонтирован на любом шлеме под левый или под правый глаз. Прибор имеет те же геометрические размеры, что и серийный ПНВ AN/PAS-14. На фото 8д представлено изображение в ТВ-канал, а на фото 8е - совмещенное изображение ТВ- и тепловизионных каналов. Преимущество подобного совмещения очевидно.
Фото 9. Прибор FIITS14
Фото 10. а) прибор ATNFIITS14 w/4th Gen. IIT;
б) применение 2-канального прибора; в) изображение в канал на базе ЭОП;
г) изображение в тепловизионный канал прибора
Фото 11. Прибор FLIR M32-C Clip-on Thermal Imager
Прибор FIITS 14 [19, 20] (фото 9) представляет собой бинокулярную систему. Один из каналов - НМ на базе ЭОП поколений 2 + , 3, другой - ТПВ-канал на базе МБМ фотодетекторов. Прибор можно удерживать в руках и устанавливать на шлеме или на ременном оголовье. Прибор имеет интерфейс для связи с видеокамерой, видеомагнитофоном, персональным компьютером. Прибор ATN FIITS14 w/4th Gen. IIT [21] (фото 10а) также состоит из ночного и ТПВ- каналов, выполненных в виде отдельных НМ, которые могут быть сопряжены с левым или правым глазом оператора. На фото 10в представлено изображение в ночной канал на базе ЭОП, а на фото10г - изображение тех же объектов наблюдения в тепловизи-онный канал. При одновременном наблюдении этих изображений мозг совмещает их, обеспечивая оптимальное видение.
Прибор FLIR M32-C Clip-on Thermal Imager [28] (фото 11) представляет собой миниатюрный стандартный ТПВ-модуль, который может быть встроен в любой ТНМ или ТОНВ.
Таким образом, существуют разнообразные возможности создания эффективных наголовных приборов для круглосуточного и всепогодного наблюдения
Таблица 2. Основные параметры двухканальных наголовных ПНВ (по данным проспектов фирм)
Литература
1. Гейхман И.Л., Волков В.Г. Видение и безопасность. - М.: Новости, 2009. - 840 с.
2. Тепловизионные очки ночного видения TIG-7. Проспект фирмы «Дедал-НВ», Москва, 2010.
3. http://www.dipol.biz/ru
4. http://www.nightoptics.com
5. Малогабаритный тепловизионный модуль «Ракурс-П». Проспект ОАО «Русэлектроника-НВ», Москва, 2010.
6. «СИП», «Пустельга». Портативные тепловизоры спасателя. Проспект ОАО ЦНИИ «Циклон», Москва, 2010.
7. Helet IR. Helmet-mounted thermal Шадег.Проспект фирмы NVEG-NIGHT-VISION, США, 2009.
8. Монокуляр тепловизионный МТ. Руководство по эксплуатации. ОАО «НПО «Альфа», Москва, 2011.
9. http://www.nightvision.su
10. FLIR Recon M18 Monocular Scope 640x480. Проспект фирмы Night Vision Inc., США, 2011.
11. IR 528. Smallest and Lightest ThermaI Goggle. http://www.guide-infrared.com/Content.aspx?lang=end:id=41.
12. GUIDIR® IR 518. Monoccular Hand-heId thermaI Imager. http://www.guide-infrared.com/Content.aspx?Iang=eng:id=306.
13. GUIDIR® IR 1191 Firefighting Helmet Mounted Thermal Imager454.
14. VISUALIR. Lightweight Helmet-mounted VIS/LIR Fusion System.
15. Griffin, the Legendary Guardian of the Night. Проспект фирмы DEP imaging, Швейцария, 2009.
16. http://www.nvdepot.com
17. http://www.morovision.com
18. http://www.ownthenight.com
19. http://www.nightvisionus.com
20. http://www.nightvisionus.com/ThermaINightVision/FIITS14Fusion...
21. http://www.nightvisionus.com/atn-nightvision-thermal-imagingsystems-fii...
22. Цифровой тепловизионный монокуляр ТМА-35 фирмы ThermaI Vision Technologies LLC, Украина, 2012.
23. Цифровой тепловизионный модуль LMA-10. Проспект фирмы Lahoux Optics, Нидерланды, 2012.
24. ПТ2. Опытный образец. Тепловизионный монокуляр. Проспект ЦКБ «Точприбор», Новосибирск, 2012.
25. Портативный тепловизор OTIS-10 (9 Hz). http://www.nightvision.su/index. php?action=details&id=59
26. ARCHER TGA-640/60. Цифровой тепловизионный бинокуляр. Проспект фирмы ООО «Крот-ЭЛ», ООО «Крот-ТК», Москва, 2012.
27. Пожарные тепловизоры серии Fire-FitIR. Проспект фирмы «Диагност», Москва, 2012.
28. FLIR M32-C CIip-on ThermaI Imager. http://www.antcorp.com/flir-recon-m32c-coti-thermal-imager.
Статья опубликована на сайте: 10.03.2014