Приборы ночного видения

Учебное руководство.

Криксунов Л. 3 "Приборы ночного видения" Техніка, 1975 год, 216 стр. (3,57 мб. djvu). Таблиц 9, иллюстраций 117, библиография 138.

Приборы ночного видения предназначены для осмотра местности и наблюдения различных объектов в темное время суток и условиях ограниченной освещенности. В книге дается информация по устройству и принципу работы электроннооптических преобразователей, радиометров, теплопеленгаторов, тепловизоров. Большое количество приборов ночного видения - ПНВ, нашли широкое применение в науке, медицине, на транспорте и промышленности. Много образцов разрабатывается для применения в военных целях. Автор показывает методику расчета базовых параметров приборов ночного видения с иллюстрацией на практических примерах. Книга будет полезна для инженеров, разрабатывающих аналогичную аппаратуру для наблюдения в условиях слабой освещенности. Может использоваться в качестве учебного руководства студентами приборостроительных факультетов вузов.

 

Введение из книги.

Приборы ночного видения (ПНВ) являются элементами информационных систем и предназначены для получения данных о различных объектах в ночное время, или когда визуальная видимость ограничена недостаточной освещенностью. Действие этих приборов основано на собственном или отраженном излучении наблюдаемых объектов, в зависимости от чего ПНВ делятся на приборы пассивного и активного типов.

По принципу же действия ПНВ классифицируются на три основные группы:

  1. электроннооптические
  2. термографические
  3. радиотехнические

Электроннооптические

1.В электроннооптических ПНВ невидимое для человеческого глаза изображение местности или объекта на входе прибора преобразуется в видимое изображение, рассматриваемое на экране. Основу этих приборов составляют электроннооптические преобразователи изображения (ЭОП), фотокатоды которых имеют максимум спектральной чувствительности в диапазоне 0,7—0,8 мкм, а длинноволновую границу —около 1,2 мкм. Электроннооптические ПНВ относятся к классу фотоэмиссионных устройств, реагирующих непосредственно на фотоны излучения. Эти приборы применяются в основном для обнаружения объектов, отражающих излучение источников подсвета. Последними могут быть естественные излучатели (Солнце, Луна, звезды) либо специальные источники оптического излучения, которые увеличивают естественную освещенность в некоторой спектральной области, выбираемой в соответствии со спектральной чувствительностью приемника излучения. Изображение объекта получается за счет различий в отражательной способности элементов объекта и окружающего его фона, а также вследствие теневых эффектов.

Долгое время электроннооптические ПНВ применялись только в военной технике — для прицеливания при стрельбе и для вождения транспортных средств в ночных условиях. После второй мировой войны область применения этих приборов значительно расширилась. Еще в 1948 г. советские ученые А. А. Калиняк, В. И. Красовский и В. Б. Никонов впервые применили в астрономии простейший ЭОП и получили снимки области галактического центра в инфракрасных лучах. В. Т. Лукашеня и В. И. Красовский разработали ЭОП с контактным фотографированием изображения и исследовали с его помощью инфракрасный спектр излучения ночного неба.

Созданные в 1953 г. каскадные электроннооптические преобразователи имели настолько высокую чувствительность, что позволяли регистрировать отдельные кванты света (М. М. Бутслов, Е. К. Завойский, Г. Е. Смолкин). Каскадные ЭОП с предельным усилением яркости изображения впервые были применены в астрономии в 1957 г. Крымской астрофизической обсерваторией. При фотографировании звездных полей и внегалактических туманностей было показано, что применение каскадного ЭОП позволяет сократить экспозиции в 102—103 раз. Результаты этих работ получили широкий международный резонанс и послужили толчком к разработке каскадных электроннооптических преобразователей за рубежом и к оснащению ими во второй половине 60-х годов более 35 астрофизических обсерваторий мира.

На основе ЭОП построены различные приборы: для регистрации быстропротекающих процессов, для исследования поведения животных (особенно тех, которые активны в ночное время), а также для спектрометрического исследования плазмы и общебиологических исследований. Появилась возможность наблюдения в инфракрасных лучах живых клеток, которые погибали бы под действием видимого или ультрафиолетового излучения. Таким образом, ЭОП, долгое время рассматривавшийся лишь как элемент военной техники, превратился в универсальный инструмент исследований в различных областях науки и техники.

К электроннооптическим ПНВ простейшего типа относят метаскопы — приборы для обнаружения источников инфракрасного излучения. Основным элементом метаскопа является люминофор, чувствительность которого к излучению в инфракрасной области спектра обеспечивается предварительной обработкой ультрафиолетовыми или альфа-лучами. Излучение объекта концентрируется при помощи оптической системы на люминофоре, который осуществляет преобразование энергии теплового излучения в энергию видимого света. Объекты, попавшие в поле зрения метаскопа, фиксируются на его экране в виде светящихся точек, размеры и яркость которых зависят от интенсивности излучения объектов и их удаленности.

Термографические

2. Термографические ПНВ состоят из оптической системы, приемника излучения, сканирующего устройства, осуществляющего поэлементный просмотр пространства, и регистрирующей аппаратуры для записи интенсивности излучения каждого просматриваемого элемента. Собственное или отраженное излучение элементов объекта или местности преобразуется в электрические сигналы, пропорциональные интенсивности излучения, которые в дальнейшем используются для обнаружения, пеленгации или наблюдения заданного объекта.

Простейшим термографическим прибором является радиометр, позволяющий дистанционно измерять интенсивность теплового излучения предметов или фонов. Более сложные функции выполняет теплопеленгатор, который служит для обнаружения и пеленгации объектов по их собственному тепловому излучению. Также, как и радиометр, теплопеленгатор не предназначен для визуализации изображений рассматриваемых предметов, а выполняет лишь функции обзорной системы. Наиболее сложный термографический прибор — тепловизор, позволяющий наблюдать на экране кинескопа изображения объектов, температура которых отличается от температуры окружающего фона.

Развитию термографических ПНВ предшествовало появление приемников излучения, чувствительных в инфракрасной области электромагнитного спектра. Впервые теплопеленгация была применена в мировой войне 1914— 1918 гг. Немецкие наблюдательные установки в Остенде позволяли обнаруживать британские миноносцы на расстоянии до 10 км в ночных условиях. Пеленгация кораблей облегчалась тем, что на полном ходу их трубы раскалялись докрасна.

В период между первой и второй мировыми войнами усилились изыскания новых типов приемников излучения. В 1920 г. был создан фотоэлемент на основе сернистого таллия, обработанного кислородом. Длинноволновая граница чувствительности этого фотоэлемента ограничивалась ближней инфракрасной областью спектра, в связи с чем он применялся только в системах оптической связи. К концу 30-х годов была отработана технология производства приемников излучения из сульфида свинца И обнаружено значительное увеличение их чувствительности при охлаждении. Это свойство было использовано при создании фотосопротивлений, охлаждаемых твердой углекислотой, с длинноволновой границей около 4 мкм. Сернистосвинцовые фотосопротивления сыграли большую роль в разработке многочисленных инфракрасных приборов и в частности теплопеленгаторов, дальность действия которых была доведена до 25—30 км.

Современные теплопеленгаторы с новейшими типами приемников излучения выполняют задачи как военного, так и мирного характера. Их используют для предупреждения столкновений кораблей и самолетов, для наблюдения за движением кораблей при входе в гавани, для обнаружения ночью посадочных полос на аэродромах, для навигации самолетов, кораблей и космических летательных аппаратов.

Тепловизоры получили широкое развитие только в последнее десятилетие. Они имеют оптико-механическую или фотоэлектронную систему сканирования. В тепловизорах с оптико-механической системой сканирования развертка наблюдаемого объекта на элементы производится оптическими деталями, перемещающимися по определенному закону. Фотоэлектронная система сканирования предусматривает применение телевизионных передающих трубок, чувствительных к излучению в инфракрасной области спектра.

Первые образцы телевизионных трубок для тепловизоров допускали наблюдение только высокотемпературных объектов (Т>373 К), энергия излучения которых имеет максимум в коротковолновой области спектра. Эти трубки в зависимости от материала и конструкции мишени получили название инфраконов, плумбиконов, кремнеконов и т. п. В конце шестидесятых годов появились телевизионные передающие трубки, предназначенные для наблюдения слабоконтрастных объектов, температура которых близка к 273 К, а максимум энергии излучения соответствует окну прозрачности атмосферы 8— 14 мкм.

Мишени этих трубок имеют трехслойную структуру. Слой, воспринимающий тепловое излучение наблюдаемого объекта, выполнен из материала с высоким коэффициентом поглощения (чернь); второй слой служит для передачи тепла и обладает высоким коэффициентом теплопроводности (серебро); третий слой представляет пироэлектрик — сегнетоэлектрический материал, на поверхности которого возникает потенциальный рельеф, соответствующий невидимому оптическому изображению объекта на первом слое.

Наряду со сканирующими тепловизорами разработаны несканирующие преобразователи изображения. К ним относятся эвапорограф, предложенный М. Черни еще в 1929 г., эджеограф, а также разнообразные твердотельные электролюминесцентные преобразователи, длинноволновая граница чувствительности которых простирается до 4,5 мкм. По разрешающей способности и пороговой чувствительности несканирующие преобразователи изображения уступают тепловизорам с оптико-механическими и фотоэлектронными системами сканирования.
Тепловизоры успешно применяют в космической технике для снятия тепловых карт местности, в медицине для обнаружения злокачественных опухолей на ранних стадиях, в промышленности для технической диагностики электронных схем и оборудования, а также в авиации и мореплавании для целей навигаций в ночных условиях и обнаружения встречно движущихся объектов.

По конструктивным признакам к группе тепловизоров могут быть отнесены телевизоры, работающие при низком уровне освещенности. В американской технической литературе они обозначаются буквами LLLTV (Low-Light Level Television). В этих приборах используются специальные телевизионные передающие трубки, чувствительные к инфракрасным лучам. Первые образцы таких трубок были созданы во время второй мировой войны и представляли сочленение ЭОП и суперортикона. В 1964 г. появились видиконы с вторичной электронной проводимостью, сочлененные с электроннооптическим преобразователем. Чувствительность их при низких уровнях освещенности эквивалентна чувствительности суперортикона.
В докладах А. Н. Абраменко и В. А. Прокофьевой на Общесоюзном семинаре при ВНИИОФИ в 1970 г. сообщалось о применении тепловизоров для фотографирования астрономических объектов. В качестве передающей трубки использовались высокочувствительные суперортиконы ЛИ-211 и ЛИ-214, сочлененные с каскадным ЭОП, а также трубка, представляющая сочленение суперортикона и ЭОП в одной вакуумной колбе.

Радиотехнические

Радиотехнические ПНВ, находящиеся еще в стадии разработки, основаны на использовании отраженного от объекта излучения в диапазоне миллиметровых и субмилли-метровых волн. Отличительная особенность этих ПНВ — возможность их работы при любых метеорологических условиях. Экспериментальные исследования американских специалистов показали возможность создания всепогодной аппаратуры для наблюдения в ночных условиях различных предметов с удовлетворительной степенью разрешения.

ПНВ могут быть также классифицированы по методу поступления и считывания информации.

Различают следующие методы поступления информации:

  • одновременный ввод информации от всех элементов поля обзора с одновременным или последовательным считыванием информации. Например, в электроннооптических ПНВ считывание информации производится одновременно, а в тепловизорах, работающих при низких уровнях освещенности,— последовательно;
  • последовательный ввод информации от различных элементов поля обзора. Такой метод поступления информации характерен для термографических ПНВ с единичным приемником излучения, размер которого соответствует разрешающей способности прибора. Для просмотра всего поля зрения в этом случае требуется перемещение оси оптической системы по двум координатам; считывание информации также последовательное;
  • смешанный ввод информации, заключающийся в одновременном получении информации от заранее выбранной группы элементов поля обзора, а затем от последующих других групп элементов. В этом случае используется группа приемников, расположенных в ряд, длина которого соответствует размеру одной из сторон поля обзора. Для просмотра всего поля необходимо перемещение оси оптической системы лишь по одной координате; считывание информации также смешанное.

Разработке ПНВ уделяется в настоящее время большое внимание, так как они расширяют возможности человеческого глаза, делая для него доступной область спектра от рентгеновских лучей до радиоволн миллиметрового диапазона.

Оглавление книги.

Введение З
Глава 1. Электроннооптические приборы ночного видения 9
1. Принцип действия электроннооптических преобразователей 9
2. Каскадные электроннооптические преобразователи 28
3. Источники питания электроннооптических преобразователей 40
4. Приборы, основанные на использовании ЭОП 45

Глава 2. Радиометры и теплопеленгаторы 63
5. Назначение и устройство радиометров 63
6. Приемники излучения, применяемые в радиометрах 79
7. Назначение и устройство теплопеленгаторов 87
8. Приемники излучения, применяемые в теплопеленгаторах 101

Глава 3. Тепловизоры 107
9. Назначение, принцип действия и классификация 107
10. Тепловизоры с оптико-механическими системами сканирования 111
11. Тепловизоры с фотоэлектронными системами сканирования 127
12. Применение сканирующих тепловизоров 147
13. Несканирующие преобразователи изображения и преобразователи, работающие в диапазоне миллиметровых воли 156

Глава 4. Определение параметров приборов ночного видения 171
14. Параметры приборов ночного видения и условные обозначения величин для их расчета 171
15. Расчет максимальной дальности действия приборов ночного видения с ЭОП 176
16. Определение максимальной дальности действия несканирующих теплопеленгаторов 184
17. Определение максимальной дальности обнаружения малоразмерных объектов сканирующими теплопеленгаторами и тепловизорами 199
18. Определение температурной чувствительности сканирующих тепловизоров 207
Техническая литература 210

 

Скачать книгу бесплатно3,57 мб. djvu