Приборы ночного видения в традиционном и дневно-ночном исполнении

Область применения приборов ночного видения и их возможности

Принцип действия приборов ночного видения (ПНВ) основан на преобразовании с помощью электронно-оптического преобразователя (ЭОП) инфракрасного (ИК) излучения в видимое и на усилении низких уровней яркости, создаваемых на наблюдаемом объекте свечением ночного неба, звезд и луны в видимой и ближней ИК-области спектра [1]. ПНВ нашли широкое применение для наблюдения, прицеливания и вождения транспортных средств как в военной, так и в гражданской технике. Они широко используются для обеспечения работы пограничных, таможенных, спасательных служб, применяются для производственного технологического контроля, обеспечения добычи полезных ископаемых, в научных исследованиях, для наблюдения за поведением животных, ночного ориентирования на местности, для астрономических наблюдений и др. Особого внимания заслуживает применение ПНВ для обеспечения охраны и работы служб безопасности, спецподразделений МВД, ФСБ и др. ПНВ позволяют скрытно в сумерках и ночью обеспечить наблюдение, а при необходимости — и стрельбу с высокой точностью. ПНВ обладают низкой стоимостью, высокой надежностью, малыми массо-габаритыми показателями, простотой в обращении и обслуживании, высокими эксплуатационными характеристиками, значительным временем непрерывной работы. Все это привело к широкому применению ПНВ в системах охраны и безопасности.

Обзор некоторых моделей ночных очков

• «Диполь 203 (2+)». Российский бинокулярный прибор ночного видения построен по псевдобинокулярной схеме и обладает весьма достойными эксплуатационными характеристиками. Очки имеют влагозащищенный корпус из алюминиевого сплава. Они надежно закрепляются системой ремней на голове наблюдателя и позволяют не беспокоиться о надежности креплений даже при активных перемещениях.

Оптические возможности преобразователя поколения 2+ позволяют уверенно вести наблюдение на дистанцию до 200 м, при этом и вблизи результаты преобразования очень хорошие: в очках вполне можно читать или работать с картой, документами, чертежами. Очки могут быть подстроены под зрение конкретного человека. Питание очков осуществляется от обычных пальчиковых батареек, один комплект обеспечит порядка 2,5 суток бесперебойной работы очков.

• «Диполь D206 PRO (2+)». Улучшенная и обновленная версия предыдущего прибора. Новый корпус стал меньше, легче и лучше защищен от влаги. Органы управления очками продуманы гораздо лучше, и пользоваться прибором стало значительно удобнее – от настройки под зрение конкретного наблюдателя до замены батареек. Для очков также существуют дополнительные объективы с возможностью увеличения. Если приобрести их и заменить ими штатный объектив очков, то их можно превратить в ночной бинокль с увеличением до 8,25x. Также очки получили встроенную систему защиты, которая автоматически снизит яркость света (например, разряд молнии теперь не ослепит наблюдателя).
• «Yukon Tracker NV 1×24 Goggles». Компактные и легкие очки ночного видения белорусского производства состоят из ночного бинокля и шлема-маски для крепления на голове. Пластиковый корпус очков защищен от попадания влаги и снабжен патентованной системой защитных крышек Eclipse. Она надежно защищает оптику прибора при транспортировке и удобно откидывается при наблюдении, не мешая пользоваться очками.

Данная модель оснащена инфракрасным осветителем с широким полем подсветки, что обеспечивает возможность комфортной работы даже при крайне низкой освещенности. Резиновые наглазники защищают от ослепления боковой вспышкой и не дают свечению прибора демаскировать наблюдателя. Питание очков осуществляется от одной трехвольтовой батарейки, срок автономной работы которой – примерно 70 часов.

• «ПН-14К» от Новосибирского Приборостроительного Завода обладает хорошими оптическими характеристиками и позволяет выполнять разнообразные операции: проводить наблюдение, читать карту, вести машину, двигаться по пересеченной местности при свете луны и звезд. А если включить инфракрасный осветитель, то и в полной темноте пользоваться очками вполне комфортно. Строгая приемка по военным нормативам качества делает эти очки очень надежными. Инновационная оптика обеспечивает поле зрения в 40 градусов, ЭОП относится к поколению 2+.

Как видите, очки ночного видения представляют собой оптический прибор, который будет полезен на охоте, рыбалке, в турпоходе и многих других ситуациях.

Типичные ПНВ для систем охраны и безопасности

Рассмотрим сначала портативные ПНВ. К ним относятся ночные монокуляры (НМ) и очки ночного видения (ОНВ).

Ночные монокуляры

НМ при наблюдении может удерживаться в руке или крепиться на шлеме либо на специальном универсальном ременном оголовье. По желанию заказчика предусмотрена возможность закрепления НМ на шлемах (касках) различных конструкций с помощью специального универсального крепления.

Рис. 1. НМ «Альфа-90223» и насаженный на его корпус с помощью крепления «ласточкин хвост» ИК-осветитель «Альфа-8111-2» (справа)

НМ «Альфа-9022» (рис. 1) [2] имеет дальность распознавания ростовой фигуры человека (РФЧ) при уровне естественной ночной освещенности (ЕНО), равном 3?10–3 лк (безоблачная звездная ночь), Dрас. = 200 м, угол поля зрения 2? = 40°, увеличение Г = 1? для обеспечения нормальной пространственной ориентации. Прибор формирует изображение высокого качества, равномерное по всему полю зрения, благодаря использованию в его конструкции ЭОП 2+ или третьего поколения. В ЭОП использован микроканальный усилитель, встроенный высоковольтный источник питания, автоматическая регулировка яркости и защита от мощных источников засветки. Для повышения дальности действия до 300 и 400 м монокуляр может комплектоваться оптическими афокальными насадками с Г = 2,5? и, соответственно, Г = 4?, адаптером, позволяющим вести ночную видео- и фотосъемку (рис. 2), а также внешним ИК-осветителем «Альфа-8011» (рис. 3), позволяющим значительно улучшить видимость через НМ в условиях низких уровней естественного ночного освещения и обеспечить видение в полной темноте на дальности до 150 м. При работе в «полной» темноте на небольших расстояниях (до 10 м) предусмотрена встроенная система местной ИК-подсветки в угле подсвета 40°. В конструкции НМ предусмотрена наводка в пределах ±4 диоптрии и фокусировка объектива в пределах 0,25 м–?. Такая перефокусировка необходима для наблюдения как удаленных, так и близлежащих объектов (например, карты местности, инструмента для ремонта, приборной панели). Напряжение питания составляет 2,5 В, масса НМ 0,35 кг, его габариты 115?70?40 мм. Конструкция НМ обеспечивает необходимую защиту от пыли и влаги, соляного тумана.

Рис. 2. Сопряжение НМ «Альфа-9022» с видеокамерой с помощью специального адаптера

Светодиодный ИК-осветитель «Альфа-8111» [2] выпускается в двух модификациях: «Альфа-8111-1» и «Альфа-8111-2». Они имеют мощность излучения 35 и 20 мВт на длине волны 820 нм при токе питания 250–350 мА и 160–220 мА соответственно. Остальные их параметры идентичны: угол подсвета 4–9°, напряжение питания 3 В, габариты ?22?120 мм, диапазон рабочих температур –40…+40 °С. Осветитель снабжен креплением, обеспечивающим быстрый съем и установку на ПНВ. ИК-осветитель «Альфа-8011» предназначен для подсвета объектов, наблюдаемых в ночное время при недостаточной естественной освещенности: облачное небо при отсутствии света луны и звезд, складки рельефа местности, лесной массив, подвал и т. д.

Рис. 3. Светодиодный ИК-осветитель «Альфа-8111-1»

Для совместной работы с НМ или с ОНВ используются лазерные целе­указатели (ЛЦ), монтируемые на индивидуальном оружии (например, автомате). ЛЦ предназначен для ведения прицельной стрельбы из огнестрельного оружия с использованием наголовного ПНВ в условиях пониженной естественной освещенности ночью и в сумерках. ЛЦ служит для создания на цели светового пятна (пятна подсвета), наблюдаемого в ПНВ, но практически невидимого невооруженным глазом. ЛЦ «Альфа-7115» (рис. 4) [2] обеспечивает плавное изменение интенсивности излучения до 50 раз в зависимости от конкретных условий наблюдения цели и пятна подсвета. Контроль режимов работы и разрядки источников питания обеспечивают встроенные светодиодные индикаторы. ЛЦ имеет мощность излучения 2 мВт, рабочую длину волны 850 нм, угловую расходимость излучения 0,5 мрад, напряжение питания 2,4–3 В (два элемента типа АА), массу 0,31 кг, габариты 120?110?42 мм. ЛЦ предназначен для работы в диапазоне температур –40…+50 °С и относительной влажности до 98%. По желанию заказчика кнопка включения целеуказателя может жестко устанавливаться на крепежном кронштейне либо размещаться на гибком выносном манжете.

Рис. 4. Лазерный целеуказатель «Альфа-7115»

Комплекс прицельный универсальный ночного видения КПУ НВ «Альфа-1962» (рис. 5) [2] предназначен для ведения прицельной стрельбы из огнестрельного оружия, чтения карт, вождения транспортных средств, ремонтных работ и т. д. в условиях пониженной освещенности ночью и в сумерках. Комплекс незаменим для бойцов спецподразделений служб безопасности. В состав комплекса входят:

• НМ «Альфа-9022»;
• ЛЦ «Альфа-7115»;
• насадка афокально-оптическая с Г = 4?;
• ИК-осветитель «Альфа-8111-2»;
• нашлемное крепление;
• зарядное устройство.
  Читайте также:  Выделка шкуры лисы в домашних условиях, рекомендации специалиста, видео

  Рис. 5. Ночной прицельный комплекс «Альфа-1962» в рабочем положении

НМ «Альфа-9022» крепится на специальном оголовье или защитном шлеме-каске. Крепление допускает быстрый перевод НМ из рабочего положения в нерабочее и наоборот. НМ может использоваться и независимо от шлема, «с руки». В этом случае он комплектуется внешним ИК-осветителем «Альфа-8111» для видения в абсолютной темноте на дальности до 150 м, а также оптической афокальной насадкой с Г = 4? для увеличения дальности видения в 1,5 раза. Кроме того, по желанию заказчика НМ может укомплектовываться адаптером, дающим возможность вести ночную видео, и фотосъемку. ЛЦ создает ИК-пятно подсвета, наблюдаемого в НМ «Альфа-9022», но практически невидимое невооруженным глазом. Достаточно придать оружию положение, при котором пятно подсвета совпадает с целью, и можно открывать огонь. Это позволяет вести стрельбу из любого положения оружия и с ходу. Устройство зарядное обеспечивает зарядку аккумуляторов первичных источников питания НМ, ЦЛ и осветителя от напряжения 12 и 27 В, ~220 В, 50 Гц.

Рис. 6. Псевдобинокулярные ОНВ ПН-14К

Очки ночного видения

Различают бинокулярные и псевдо­бинокулярные ОНВ (табл. 1) [1]. Бинокулярные ОНВ состоят из двух идентичных ночных каналов под правый и левый глаз оператора. Каждый канал состоит из объектива, ЭОП и окуляра. В ОНВ обеспечивается плавная регулировка расстояния между зрачками глаз (базы глаз) в пределах 52–72 мм. Бинокулярные ОНВ формируют стереоскопическое изображение. Это удобно для ночного вождения транспортных средств. Однако наибольшее распространение получили псевдобинокулярные ОНВ, в особенности для обеспечения охраны и безопасности. В них используется один объектив и один ЭОП. С экрана последнего изображение разводится на оба глаза с помощью псевдобинокулярного микроскопа. По сравнению с бинокулярными такие ОНВ обладают минимальной массой и стоимостью. Примером псевдобинокулярных ОНВ может служить модель ПН-14К (рис. 6) [3]. Если вместо объектива с фокусным расстоянием 27 мм поставить зеркально-линзовый объектив с фокусным расстоянием 100 мм, то данные ОНВ преобразуются в ночной бинокль (рис. 7) [3].

Рис. 7. Псевдобинокулярные ОНВ ПН-14К с зеркально-линзовым объективом
Таблица 1. Характеристики различных ОНВ

Примечание: * — низкопрофильные, ** — псевдобинокулярные, *** — в виде бинокля после замены объектива с фокусным расстоянием 27 мм на зеркально-линзовый с фокусным расстоянием 100 мм.

Общим недостатком наиболее распространенных традиционных ОНВ являются их значительные продольные габариты. Из-за них возникает большой опрокидывающий момент. Он создает нагрузку на шейные и лицевые мышцы оператора, вызывая утомление. Поэтому усилия разработчиков направлены на создание низкопрофильных («плоских») ОНВ с минимальным продольным габаритом. Типичными их представителями являются ОНВ GN-2 фирмы Simrad (Норвегия) [4] и ОНВ Lucie фирмы ANGENIEUX (Франция) [5]. Расстояние от первой поверхности ОНВ до зрачка глаза не превышает 80 мм, в то время как для традиционных ОНВ этот габарит колеблется от 135 до 200 мм. В России созданы низкопрофильные ОНВ 1ПН105 (рис. [6].

Рис. 8. Низкопрофильные ОНВ 1ПН-105

В США созданы низкопрофильные ОНВ AN/GVS-21 (рис. 9) [7]. Они предназначены для бойцов спецподразделений. Благодаря окулярной системе ОНВ имеют низкий профиль и, соответственно, продольный габарит не более 80 мм. ОНВ допускают «сквозное» видение за счет наличия дневного канала с Г = 1?. В их состав входит модуль цветного OLED-дисплея, на который передается тепло­визионное изображение. При этом наблюдатель одновременно видит совмещенное изображение сцены с экрана ЭОП и тепловизионное изображение объекта наблюдения. Пределы фокусировки 0,33 м–?, разрешение 1,25 штр/мрад, диапазон регулировки базы глаз 55–75 мм. Возможен монокулярный вариант построения прибора.

Рис. 9. Дневно-ночные ОНВ AN/GVS-21

Бинокль «день–ночь»

Бинокль «день–ночь» БДН-9С (рис. 10) [7] предназначен для круглосуточного ведения визуальной разведки местности, обнаружения и распознавания целей в дневных условиях и в условиях ЕНО. Дневной светосильный канал БДН построен по классической стереоскопической схеме. В ночном канале БДН применен малогабаритный герметизированный ЭОП поколения 2+ с прямым переносом изображения, с микроканальным усилением и встроенным высоковольтным источником питания. Усиленное по яркости изображение предметов на экране ЭОП рассматривается далее наблюдателем с помощью оптической системы, состоящей из проекционного объектива, отражателя, оборачивающих линзовых систем и окулярных блоков. Включение и выключение ночного канала БДН производится поворотом ручки переключения режимов работы. Дальномерная сетка БДН позволяет определять расстояние до объектов при работе как дневным, так и ночным каналами. Характеристики БДН-9С приведены в таблице 2.

Рис. 10. Бинокль «день–ночь», модель БДН-9
Таблица 2. Характеристики бинокля «день–ночь» БДН-9С

Активно-импульсные приборы ночного видения

Все указанные выше ПНВ не могут работать при пониженной прозрачности атмосферы (дымка, туман, дождь, снегопад, пыльная буря и др.) и при воздействии мощных световых помех (фары встречного транспорта, излучение прожекторов и др.). Для преодоления этого недостатка были созданы лазерные активно-импульсные приборы ночного видения (АИ ПНВ). Их принцип действия основан на импульсном подсвете наблюдаемого объекта излучением импульсного лазерного осветителя и синхронизированным с ним импульсным управлением (стробированием) ЭОП [1]. АИ ПНВ могут работать в пассивном (без подсвета) режиме, в активно-непрерывном режиме (работает осветитель, ЭОП не стробируется) и в активно-импульсном (АИ) режиме (работает осветитель, ЭОП стробируется). Характеристики АИ ПНВ моделей ННП-130 («НИИ «Полюс» [9]) и «Титан 720» («Медитон» [10]) приведены в таблице 3. Внешне АИ ПНВ выглядят так же, как ночной бинокль с осветителем. Благодаря высокой степени защиты от световых помех АИ ПНВ могут работать даже в дневных условиях (в АИ режиме).
Таблица 3. Характеристики активно-импульсных ПНВ

Технологии ночного видения. Обзор.

В общем случае, цифровой прибор ночного видения состоит из объектива, светочувствительного сенсора, блоков электронной обработки изображения и управления, дисплея и окуляра.

Энергоснабжение цифровых приборов НВ осуществляется от сменных элементов питания (батарей), аккумуляторов того же типоразмера или встроенных аккумуляторов. Приборы могут оснащаться разъемом для подачи питания от внешних источников (например, бортовая сеть автомобиля, компактные внешние аккумуляторы).

Для работы в условиях низких освещенностей цифровые ночные приборы часто оснащаются встроенными инфракрасными осветителями на основе лазерных или светодиодных источников. Для повышения удобства использования цифровые ПНВ могут включать в свой состав систему беспроводного управления основными функциями прибора — в этом случае пользователь может управлять прибором с помощью беспроводного пульта дистанционного управления (ПДУ).

Цифровые прицелы могут комплектоваться креплениями для установки на оружие.

Как в любом оптическом наблюдательном приборе, объектив предназначен для проецирования изображения на сенсор, который, в свою очередь, преобразует отраженный от объекта наблюдения свет в электрический сигнал.

В качестве светочувствительного элемента в цифровых приборах ночного видения применяются сенсоры CCD (ПЗС) или CMOS (КМОП).

СЕНСОР CMOS СЕНСОР CCD

Обычно блок электронной обработки состоит из одной или нескольких плат (в зависимости от компоновки прибора), на которых расположены специализированные микросхемы, осуществляющие обработку сигнала, считанного с сенсора, и дальнейшую передачу сигнала на дисплей, где и формируется изображение наблюдаемого объекта. На платах располагаются основные органы управления прибором, а также реализуется схема электропитания, как прибора в целом, так и отдельных цепей схемы.

В связи с тем, что в цифровых наблюдательных приборах применяются микродисплеи, для наблюдения изображения используется окуляр, работающий как лупа и позволяющий комфортно рассматривать изображение с увеличением. Наиболее часто в цифровых приборах ночного видения применяются жидкокристаллические (ЖК) дисплеи просветного типа (с обратной стороны дисплей подсвечивается источником света) или OLED-дисплеи (при пропускании электрического тока вещество дисплея начинает излучать свет).

Применение OLED — дисплеев имеет ряд преимуществ: возможность эксплуатировать прибор при более низких температурах, более высокая яркость и контраст изображения, более простая и надежная конструкция (отсутствует источник для обратной подсветки дисплея, как в ЖК-дисплеях). Кроме ЖК и OLED-дисплеев, в цифровых приборах могут применяться микродисплеи, изготовленные по технологии LCOS (Liquid Crystal on Silicone) – разновидность дисплеев отражательного типа.

В отличие от приборов ночного видения на базе электронно-оптических преобразователей (назовем их аналоговыми), цифровые приборы ночного видения позволяют реализовать большое количество пользовательских настроек и функций. Например, регулировка яркости, контраста изображения, изменение цвета изображения, ввод в поле зрения различной информации (текущее время, индикация разряда батарей, пиктограммы активированных режимов и т.п.), дополнительное цифровое увеличение, функция «картинка в картинке» (позволяет в отдельном небольшом «окне» выводить в поле зрения дополнительное изображение объекта целиком или какой-то его части, в том числе увеличенное), временное отключение дисплея (для энергосбережения и маскировки наблюдателя за счет исключения свечения работающего дисплея).

Для фиксации изображения наблюдаемых объектов в цифровые ПНВ могут быть интегрированы видеорекордеры, позволяющие производить фото или видеозапись информации.

В цифровых приборах могут быть легко реализованы такие функции как беспроводная (например, WI-FI) передача информации (фото, видео) на внешние удаленные приемники; интеграция с лазерными дальномерами (с вводом информации от дальномеров в поле зрения прибора), GPS-датчиками (возможность фиксации координат объекта наблюдения).

Также к преимуществам цифровых приборов следует отнести способность работать в условиях дневной освещённости, не боясь вспышек света и интенсивных источников освещения, которые могут повредить прибор ночного видения на базе ЭОП.

Прицельная метка в цифровых прицелах, как правило, «цифровая», т.е. изображение метки во время обработки видеосигнала накладывается поверх изображения, наблюдаемого на дисплее, и перемещается электронным образом, что позволяет исключить из состава прицела механические узлы ввода поправок, входящие в состав ночных аналоговых или дневных оптических прицелов и требующие высокой точности изготовления деталей и сборки этих узлов.

Дополнительно это исключает такой эффект, свойственный оптическим или ночным аналоговым прицелам, как параллакс, т.к. изображение объекта наблюдения и изображение прицельной сетки находятся в одной плоскости – плоскости дисплея.

В цифровых прицелах может быть реализовано хранение в памяти большого количества прицельных сеток, имеющих различную конфигурацию и цвет, удобная и быстрая пристрелка с помощью функций «пристрелка одним выстрелом» или «пристрелка в режиме Freeze», функция автоматического ввода поправок при изменении дистанции стрельбы, запоминание координат пристрелки для нескольких оружий, индикация наклона (завала) прицела и многое другое.

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ЦИФРОВЫХ ПРИБОРОВ НОЧНОГО ВИДЕНИЯ

Увеличение Разрешающая способность Чувствительность Угол поля зрения Удаление выходного зрачка Мощность инфракрасного осветителя Дальность обнаружения и распознавания

УВЕЛИЧЕНИЕ

Характеристика показывает, во сколько раз наблюдаемое в прибор изображение предмета больше по сравнению с наблюдением предмета невооруженным глазом.

Единица измерения – крат (обозначение «х», например, «2х» — «два крата»).

Для ночных приборов, в т.ч. цифровых, типичные значения увеличения от 1х до 5х, т.к. основная задача ночных приборов – обнаружение и распознавание объектов в условиях низкой освещенности. Рост увеличения в ПНВ приводит к существенному снижению общей светосилы прибора — изображение будет намного темнее, чем в аналогичном приборе с меньшим увеличением.

Падение светосилы с ростом увеличения может быть компенсировано увеличением диаметра объектива, но это, в свою очередь, приведет к увеличению габаритных размеров и веса прибора, что снижает общее удобство использования носимых приборов ночного видения (особенно прицелов, пользователям которых дополнительно приходится удерживать в руках оружие).

Увеличение определяется фокусными расстояниями объектива и окуляра, а также коэффициентом масштабирования (К), равным отношению физических размеров (диагоналей) дисплея и сенсора:

Г= (fоб/fок)*К= (fоб/fок)*(Lд/Lс), где

fоб – фокусное расстояние объектива fок – фокусное расстояние окуляра Lс – размер диагонали сенсора Lд – размер диагонали дисплея.

Зависимости

Чем больше фокусное расстояние объектива, размер дисплея, тем больше увеличение. Чем больше фокусное расстояние окуляра, размер сенсора, тем увеличение меньше.

1x 2x

3x 4x

РАЗРЕШАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ

Характеризует способность прибора изображать раздельно две близко расположенные точки или линии. В технических характеристиках прибора этот параметр может быть записан как «разрешение», «предел разрешения», «максимальное разрешение». Это, в принципе, одно и то же. Обычно разрешающая способность указывается в штрихах на миллиметр (штр/мм) или линиях на миллиметр (лин/мм, lpm в англоязычном написании), что то же самое, но может быть указана и в угловых величинах (секундах или минутах).

Чем больше значение разрешения в штрихах (линиях) на миллиметр и чем меньшее в угловых величинах, тем выше разрешающая способность. Чем выше разрешающая способность прибора, тем более четкое изображение видит наблюдатель.

Для приборов ночного видения желательно иметь разрешение не менее 25 штр/мм – такая разрешающая способность позволяет на дистанции около 100 метров отличить фигуру человека от животного или другого объекта со схожими размерами.

При измерении разрешающей способности ПНВ используется специальное оборудование – коллиматор. Коллиматор позволяет создать имитацию изображения специального тест-объекта – подсвечиваемой штриховой миры, удаленного на определенное расстоянии (обычно 100 метров).

Штриховая мира

Рассматривая изображение тест-объекта через прибор, судят о разрешающей способности ПНВ – чем более мелкие штрихи миры можно отчетливо видеть раздельно друг от друга, тем выше разрешающая способность.

Нормальная разрешающая способность Низкая разрешающая способность

Разрешающая способность определяется параметрами оптических элементов прибора, сенсора, дисплея, качеством схемотехнических решений, реализованных в приборе, а также алгоритмами обработки сигналов.

Общая разрешающая способность прибора зависит от параметров объектива. При прочих равных условиях, чем больше диаметр линз объектива, тем больше его увеличение и светосила и тем больше будет видно мелких деталей.

Разрешающая способность прибора зависит от разрешающей способности объектива и окуляра. Объектив формирует изображение объекта наблюдения в плоскости сенсора, и в случае недостаточной разрешающей способности объектива дальнейшее улучшение разрешающей способности прибора невозможно. Точно так же некачественный окуляр способен «испортить» самое четкое изображение, сформированное компонентами прибора на дисплее.

Большое влияние на разрешающую способность прибора оказывают параметры сенсора. В первую очередь, это разрешение сенсора – количество пикселей (обычно указывается как произведение пикселей в сроке и в столбце) и их размер.

Зависимость

Чем больше количество пикселей и чем меньше их размер – тем выше разрешающая способность. Данное утверждение справедливо при одинаковом физическом размере сенсоров. Сенсор, у которого плотность пикселей на единицу площади больше, имеет и большую разрешающую способность.

В отличие от черно-белых, разрешающая способность цветных сенсоров в общем будет на 30-40% меньше, что обусловлено другой структурой пикселей – один пиксель цветного сенсора состоит из комбинации 3-х субпикселей, каждый из которых регистрирует свет только определенной части спектра (соответственно — красный, синий, зеленый). Это достигается за счет применения цветных фильтров, пропускающих свет только одного цвета. Таким образом, при попадании монохромного излучения на пиксель цветной камеры, сигнал будет зарегистрирован только каким-нибудь одним субпикселем, в то же время у черно-белого сенсора сигнал будет зарегистрирован каждым пикселем, на который попадет излучение. Это одна из причин, по которым применение цветных сенсоров в приборах ночного видения ограничено, а часто нецелесообразно.

Разрешающая способность прибора зависит также от параметров дисплея, на котором формируется изображение. Как и в случае с сенсором, определяющее значение оказывает разрешение дисплея (количество пикселей) и их размер. Плотность пикселей в дисплее характеризуется таким показателем как PPI (сокращение от английского «pixels per inch») — это показатель, обозначающий число пикселей, приходящихся на один дюйм площади.

В случае прямого переноса изображения (без масштабирования) с сенсора на дисплей разрешающие способности обоих должны быть одинаковы. В этом случае исключается снижение разрешение прибора (если разрешение дисплея меньше, чем разрешение сенсора) или неоправданное применение дорогостоящего дисплея (если разрешение дисплея выше, чем у сенсора). В случае если с сенсора формируется сигнал в формате стандартного аналогового ТВ-сигнала (например, формата PAL (625 строк в кадре) или NTSC (525 строк в кадре)), использование сенсоров с разрешением выше чем, разрешение формата ТВ-сигнала, становиться нецелесообразным.

В цифровых приборах ночного видения также могут применяться различные алгоритмы обработки полезного сигнала, способные повлиять на общее разрешение прибора. В первую очередь речь идет про «цифровое зумирование», когда сформированное сенсором изображение подвергается цифровой обработке и «переносится» на дисплей с некоторым увеличением. В этом случае происходит снижение общей разрешающей способности прибора. Аналогичный эффект можно наблюдать в цифровых фотоаппаратах при использовании функции «цифрового зума».

Также на разрешающую способность оказывает влияние биннинг (алгоритм повышения чувствительности прибора, состоящий в суммировании сигналов нескольких соседних пикселей сенсора, в результате чего происходит пропорциональное снижение разрешающей способности).

Наряду с указанными выше факторами, нужно упомянуть еще о некоторых, способных снизить разрешение прибора. Это различного рода шумы, искажающие полезный сигнал и в конечном счете ухудшающие качество изображения. Можно выделить следующие виды шума:

Фотонный шум. Является следствием дискретной природы света. Фотоны света падают на фоточувствительную поверхность сенсора неравномерно по времени и не точно в пространстве.

Шум темнового сигнала (шум-снежок). Если объектив прибора закрыть светонепроницаемой крышкой, то на дисплее получим “темновые” кадры. Основная причина возникновения этого шума — термоэлектронная эмиссия электронов (самопроизвольное испускание электронов в результате разогрева материала сенсора). Чем ниже температура, тем ниже и темновой сигнал, т.е. меньше шум.

Шум переноса. Во время переноса заряда внутри сенсора некоторая часть электронов, составляющих полезный сигнал, теряется. Они захватываются на дефектах и примесях, присутствующих в материале кристалла сенсора.

Шум считывания. Когда сигнал, накопленный в пикселе сенсора, выводится из сенсора, преобразуется в напряжение и усиливается, в каждом элементе появляется дополнительный шум, называемый шумом считывания.

Для борьбы с шумами в цифровых приборах применяются различные программные алгоритмы обработки изображения, которые часто называют алгоритмами шумоподавления.

Помимо шума, существенно снизить разрешение могут помехи, возникающие из-за ошибок при компоновке прибора (взаимное расположение печатных плат и соединительных проводов, кабелей внутри прибора) или из-за ошибок при трассировке печатных плат (взаимное расположение проводящих дорожек, наличие и качество экранирующих слоев). К возникновению помех способны привести ошибки в электрической схеме прибора: неправильный подбор радиоэлементов для реализации различных фильтров, внутрисхемного питания электрических цепей прибора. Поэтому разработка электрических схем, написание программного обеспечения по обработке сигналов, трассировка плат являются важными и сложными задачами при проектировании цифровых ПНВ.

Разрешение изображения, формируемого цифровым ПНВ, зависит от условий наблюдения. Чем больше уровень освещенности объекта наблюдения, тем более четкое изображение мы будем видеть в прибор. Исходя из этого можно сделать вывод, что максимальное разрешение цифрового ПНВ будет достигнуто в практически дневных условиях наблюдения или при использовании мощного ИК-осветителя.

ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ

Для характеристики чувствительности цифровых видеокамер часто используют величину минимального уровня освещенности на объекте наблюдения, при которой прибор еще способен формировать изображение. Это определение является наиболее подходящим для цифровых приборов, «работающих» в видимом диапазоне спектра. Для видимого диапазона единицей измерения чувствительности является световая величина – «люкс».

Так как цифровые ПНВ предназначены для работы ночью, когда в освещении преобладает инфракрасное излучение, для характеристики их чувствительности более корректным является использование энергетических величин, описывающих световой поток.

Таким образом, показатель чувствительности цифровых ПНВ можно выразить как минимальную величину мощности инфракрасного излучения, которое поступает на вход цифрового ПНВ и при которой он способен формировать изображение с разрешающей способностью распознавания объекта наблюдения (соответствует разрешению в 25 штр/мм).

Кроме того, различают понятие спектральной чувствительности – минимальной мощности излучения на конкретной длине волны инфракрасной области спектра. При указании спектральной чувствительности указывается длина волны излучения, на которой получено это значение чувствительности.

В отличие от освещенности в видимом диапазоне спектра, освещенность в инфракрасной области спектра невозможно измерить в люксах. В данном случае целесообразно использовать универсальную единицу – ватт.

Чувствительность прибора зависит от следующих параметров:

• Светосила и качество объектива
• Параметры сенсора — физический размер, его тип и чувствительность
• Параметры дисплея – яркость и контраст свечения, разрешение
• Алгоритмы обработки сигнала
• Качество схемотехнических решений, реализованных в приборе

Для получения высокой чувствительности прибора ночного видения необходимо максимально собрать все фотоны света, поступающие на вход (объектив) прибора и без потерь «перенести» их в светочувствительную плоскость сенсора. Важную роль в процессе «переноса» играет объектив и такие его параметры как светосила, количество линз в оптической схеме, качество просветляющих покрытий на поверхностях линз, наличие чернения торцов линз (для исключения светорассеивания внутри объектива).

Зависимости

Чем выше светосила объектива (увеличивается при увеличении диаметра входного зрачка и уменьшении фокусного расстояния объектива) тем выше общая чувствительность прибора. Чем больше линз применяется в объективе, тем меньше светосила и, соответственно, чувствительность прибора. Чем выше коэффициенты светопропускания линз объектива, тем выше чувствительность.

Сенсор – основной приемник и преобразователь света в электрический сигнал. Именно он в большей степени определяет чувствительность прибора. Чувствительность сенсора зависит от размеров пикселей и плотности их «упаковки» в сенсоре. При прочих равных условиях, чем больше размер пикселя, тем выше чувствительность сенсора, чем меньше соотношений общей площади сенсора к суммарной площади пикселей, тем выше общая чувствительность сенсора.

В последнее время, многие производители дешевых приборов ночного видения используют недорогие сенсоры для фотоаппаратов (зачастую цветные), имеющие хорошую чувствительность в видимом (дневном) диапазоне спектра, но очень низкую – в инфракрасном. При этом в описании параметров таких приборов отсутствует какая-либо информация о чувствительности, но с гордостью указывается огромное количество мегапикселей. Легко сделать вывод, что, несмотря на высокое разрешение сенсора, ночью такой прибор без мощного источника подсветки не способен сформировать качественное изображение, т.к. сенсор имеет низкую чувствительность в инфракрасном диапазоне спектра.

Вторая распространённая ошибка – указание чувствительности цифровых ночных приборов в светотехнических единицах измерения светового потока (освещенность) — люксах, причем значения чувствительности могут достигать десятитысячных долей люкса, что значительно выше, чем у приборов ночного видения на базе ЭОП поколения 2+ и выше. Объяснить такую «сверхчувствительность» можно простым способом. Как правило, для измерения освещенности используется люксметр, который имеет спектральную характеристику, совпадающую со спектральной характеристикой глаза человека (см. график). Как и человеческий глаз, люксметр способен регистрировать (измерять) освещенность только в видимом диапазоне спектра, от 380 до 780 нм. Это означает, что при измерении освещенности ночью с помощью люксметра будут получены значения освещенности, близкие к нулю, т.к. ночью излучение видимого диапазона практически отсутствует. Зато присутствует сильное инфракрасное излучение (см. график естественной ночной освещенности (ЕНО) ночного свода), которое люксметр не способен зарегистрировать, но которое с успехом «регистрируют» приборы ночного видения. Для примера на рисунке приведены графики спектральной чувствительности ПЗС-сенсора SONY и ЭОП поколения 2+.

В качестве параметра, характеризующего возможность прибора ночного видения уверенно работать ночью, применяется показатель спектральной чувствительности. Как правило, он указывается на одной или нескольких длинах волн спектрального диапазона. Для понимания «качества» цифровых приборов ночного видения наиболее оптимальным будет наличие информации о спектральной чувствительности, например, для длин 780 … 810 нм (среднее значение инфракрасного излучения звездного неба; сенсоры в данном диапазоне имеют среднюю чувствительность) 910 … 940 нм (высокое значение инфракрасного излучения звездного неба; невидимый ИК-диапазон, сенсоры в котором все еще чувствительны).

Сравнивая показатели спектральной чувствительности нескольких цифровых приборов, можно сделать определенные выводы о том, как они будут «видеть» ночью. Причем следует помнить, что показатель чувствительности цифрового прибора определяется не только чувствительностью сенсора, но и зависит от таких параметров и характеристик прибора, как разрешающая способность объектива и окуляра, разрешение дисплея, светосила объектива, качество сенсора (отсутствие шумов), качества схемотехнических решений (отсутствие помех), применяемых алгоритмов программной обработки сигнала.

В современных приборах ночного видения применяются два основных типа сенсоров – ПЗС (CCD) и КМОП (CMOS). Основное отличие между этими типами заключается в схемотехническом решении организации считывания сигнала с пикселей. У ПЗС (приборы с зарядовой связью) сигналы с каждого пикселя переносятся последовательно на выход сенсора, а затем происходит усиление общего сигнала. У КМОП сигналы с каждого пикселя считываются параллельно и усиливаются «индивидуальными» усилителями для каждого пикселя. По этой причине (необходимость использования части площади сенсора под большое количество усилителей) плотность «упаковки» пикселей у КМОП сенсоров ниже, чем у ПЗС сенсоров, а соответственно ниже чувствительность. В последние годы появляются новые технологии изготовления КМОП сенсоров (такие как EXMOR фирмы SONY, BSI (Toshiba, Omnivision)) суть которых в увеличении плотности пикселей на площади сенсора, что приводит к увеличению общей чувствительности сенсора. Параметры таких сенсоров КМОП вплотную приблизились к параметрам ПЗС-сенсоров, а лучшие образцы по отдельным параметрам их даже превосходят.

Дисплей прибора ночного видения также оказывает влияние на общую чувствительность прибора, в первую очередь за счет своей разрешающей способности и параметров яркости/контраста свечения.

Можно сделать определенные заключения по тому, как будут работать цифровые ПНВ по сравнению с аналоговыми ПНВ на базе ЭОП поколения 2+, 3. На графике чувствительности видно, что и ПЗС-сенсор, и фотокатод электронно-оптического преобразователя поколения 2+/3 имеют лучшую чувствительность в ИК — диапазоне 750-850 нм и худшую — в диапазоне свыше 900 нм.

Сопоставляя эти данные с графиком спектрального распределения естественной ночной освещенности, можно сделать вывод, что в пассивном режиме (без применения дополнительной инфракрасной подсветки) преимущество (более высокую чувствительность) ночью будут иметь ПНВ на базе ЭОП поколения 2+ или 3.

Важный момент – в диапазоне свыше 900 нм цифровые ПНВ еще обладают некоторой чувствительностью (с ростом длины волны она снижается плавно), в то время как чувствительность ПНВ на ЭОП поколения 2+/3 стремительно падает до нуля. По этой причине ночные приборы на ЭОП неэффективны при использовании с «невидимыми» ИК – осветителями (например, 915 нм или 940 нм), цифровые же ПНВ имеют с ними высокую совместимость. Учитывая, что приборы на базе ЭОП (в т.ч. поколения 2+) зачастую требуют дополнительной подсветки при использовании во внегородских условиях (например, на охоте), фактор совместимости с невидимыми ИК – осветителями является весомым преимуществом цифровых ночных приборов.

В контексте рассматриваемой темы чувствительность представляет собой минимальную величину мощности инфракрасного излучения. Поэтому чем меньше ее числовое значение в ваттах, тем она выше.

Для примера сравним замеренные значения чувствительности ночных приборов Yukon и Pulsar (см. таблицу) на длине волны 780 нм. Прибор Digisight N750 на длине волны 780 нм будет на порядок чувствительнее ПНВ Spartan 3×42, но менее чувствителен, нежели прибор Phantom 3×50 поколения 2+. На длине волны 915 нм уже Digisight N750 будет иметь преимущество перед Phantom 3×50 поколения 2+.

ПОЛЕ ЗРЕНИЯ

Характеризует размер пространства, который одновременно можно рассмотреть через прибор. Обычно поле зрения в параметрах приборов указывается в градусах (угол поля зрения на рисунке ниже обозначен как 2Ѡ) или в метрах для какой-то конкретной дистанции (L) до объекта наблюдения (линейное поле зрения на рисунке обозначено как А).

Поле зрения цифровых приборов ночного видения определяется фокусом объектива (fоб) и физическим размером сенсора (В). Обычно в качестве размера сенсора при расчете поля зрения берут ширину (размер по горизонтали), в результате получают угловое поле зрения по горизонтали:

2Ѡ=2*arctg((B/(2* fоб))

Зная размер сенсора по вертикали (высоту) и по диагонали, точно также можно рассчитать угловое поле зрения прибора по вертикали или по диагонали.

Зависимость:

Чем больше размер сенсора или меньше фокус объектива, тем больше угол поля зрения. Чем больше поле зрения прибора, тем комфортнее вести наблюдение за объектами – нет необходимости постоянно перемещать прибор, чтобы рассмотреть интересующую часть пространства.

Важно понимать, что поле зрения обратно пропорционально увеличению – с ростом кратности прибора его поле зрения уменьшается. В то же время при увеличении поля зрения произойдет снижение дистанции обнаружения и распознавания, т.к., во-первых, будет уменьшаться увеличение, во-вторых, при использовании ИК-осветителей для комфортного наблюдения потребуется ИК-осветитель с большим углом расходимости излучения (примерно должен соответствовать углу поля зрения прибора), что в свою очередь приведет к снижению освещенности по площади, а соответственно к уменьшению дальности освещения ИК-осветителя.

C новыми моделями тепловизоров PULSAR можно ознакомиться и сделать осознанный выбор здесь.

Основные результаты и выводы

На основании изложенного выше можно утверждать, что в настоящее время существуют достаточно эффективные ПНВ для целей охраны и безопасности. Возможно обеспечение с их помощью даже круглосуточной работы, а в случае применения АИ ПНВ — еще и работы при пониженной прозрачности атмосферы. Это позволяет надежно обеспечить охрану от злоумышленников в широком диапазоне изменения внешних условий. Применение таких ПНВ целесообразно как для работников охраны, так и для бойцов спецподразделений, решающих сложные боевые задачи в ограниченных условиях видимости.

Возможные перспективы совершенствования

В настоящее время фотокатоды ЭОП работают в области спектра 0,4–0,9 мкм. Однако смещение рабочей области спектра в ИК-диапазон (1,4–1,8 мкм) открывает перед ПНВ новые возможности. Средняя величина ЕНО в безлунную ночь для области спектра 0,4–0,9 мкм достигает (1,5–3)?10–9 Вт/см2, а в области спектра 1,4–1,8 мкм — (1,5–2) ?10–7 Вт/см2, т. е. на два порядка выше. В дополнение к этому улучшается прозрачность атмосферы: при метеорологической дальности видимости 10 км пропускание толщи атмосферы 1 км на длине волны 0,6 мкм составляет 0,72, а в центре области спектра 1,4–1,8 мкм — 0,93. При этом яркость атмосферной дымки снижается больше чем на порядок в области спектра 1,4–1,8 мкм по сравнению с видимой областью спектра. Величина контраста объекта наблюдения с фоном в этой ИК-области спектра более стабильна и выше в 1,4–1,5 раза, чем в области спектра 0,4–0,9 мкм. Кроме того, если в этой области спектра ЕНО меняется от 10–5 до 2,5?10–9 Вт/см2, то в области 1,4–1,8 мкм — от 1,6?10–4 до (3–4)?10–7 Вт/см2 при тех же условиях ЕНО, т. е. почти на два порядка. Процент обеспеченности освещенностью в течение всего года для ЕНО в пределах 5?10–3–5?10–4 лк для области спектра 1,4–1,8 мкм также почти вдвое выше, чем для 0,4–0,9 мкм [1]. В области спектра 1,4–1,8 мкм можно работать в тумане, до определенной степени — в некоторых дымах и в пыли, а также визуализировать излучение современных лазерных целеуказателей-дальномеров, работающих на длине волны 1,55 мкм и 1,7 мкм. Весьма результативно использование ПНВ, работающих в области спектра 1,4–2,0 мкм, для демаскировки объектов: разница в отражательной способности обмундирования позволяет в области спектра 1,4–2,0 мкм не только обнаружить солдата на фоне зелени, но и отличить своего от чужого. Известно, что камуфляж позволяет замаскировать различные объекты на фоне окружающего пространства. Однако камуфляж, разработанный для видимой области спектра, может быть неэффективен для области спектра 1,4–1,8 мкм. Для нее узор камуфляжа исчезает, и обнаруживается силуэт замаскированного объекта [1].

Другим перспективным направлением совершенствования ПНВ является использование для их производства 3D-печати [11]. На ее основе возможно создание микроминиатюрных лазерных целеуказателей, ИК-осветителей, а также твердотельных преобразователей изображения взамен традиционных ЭОП. Для ПНВ использование 3D-печати позволит создать сверхминиатюрные электронные схемы с высоким быстродействием, а также первичные источники питания в интегральном исполнении. В свою очередь, это приведет к сокращению массы, габаритов и энергопотребления ПНВ, а также к повышению их надежности. Уровень развития 3D-печати, достигнутый за последнее время, позволяет рассчитывать на дальнейшее совершенствование ПНВ уже в ближайшие годы.

Литература

1. Гейхман И. Л., Волков В. Г. Видение и безопасность. М.: Новости. 2009.
2. Специальные наблюдательные приборы предупреждения катастроф и обеспечения аварийно-спасательных работ. М.: ОАО «Швабе–Фотоприбор». 2014.
3. Приборы ночного видения. Каталог. Новосибирск: ОАО «Швабе Оборона и Защита». 2014.
4. Night Vision Goggles GN-2, GN-3. Проспект фирмы Simrad Optronics. Норвегия. 2004.
5. Night Vision Goggles Lucie. Проспект фирмы ANGENIEUX S.A. Франция. 2004.
6. Каталог продукции специального и гражданского применения. ОАО РОМЗ. Ростов Великий. 2012.
7. Hewish M. Image in everthing // Jane’s International Defense New. 1999.
8. Бинокль день–ночь БДН-9С. Проспект ОАО ЗОМЗ. Моск. обл., Сергиев Посад. 2014.
9. Активно-импульсный прибор ночного видения М.: Проспект ОАО «НИИ «Полюс». 2002.
10. Активно-импульсный прибор ночного видения. М.: Проспект ОАО «Медитон». 2002.
11. Профессиональные 3D-принтеры. www.3d.globatek.ru