Приборы ночного видения и тепловизоры. Достоинства и недостатки

Приборы ночного видения  и тепловизоры. Достоинства  и недостатки.

Прибор  ночного видения (ПНВ) — вакуумный фотоэлектронный прибор для преобразования невидимого глазом изображения объекта (в инфракрасном, ультрафиолетовом или рентгеновском спектре) в видимое либо для усиления яркости видимого изображения.

Теплови́зор — устройство для наблюдения за распределением температуры исследуемой поверхности. Распределение температуры отображается на дисплее (или в памяти) тепловизора как цветовое поле, где определённой температуре соответствует определённый цвет. Как правило, на дисплее отображается диапазон температуры видимой в объектив поверхности. Типовое разрешение современных тепловизоров — 0,1 °C.

В наиболее бюджетных моделях тепловизоров, информация записывается в память устройства и может быть считана через интерфейс подключения к компьютеру. Такие тепловизоры обычно применяют в паре с ноутбуком или персональным компьютером и программным обеспечением, позволяющим принимать данные с тепловизора в режиме реального времени.

Различают наблюдательные и измерительные  тепловизоры. Первые просто делают изображение  в инфракрасных лучах видимым  в той или иной цветовой шкале. Измерительные тепловизоры, кроме  того, присваивают значению цифрового  сигнала каждого пикселя соответствующую ему температуру, в результате чего получается картина распределения температур. 

Типы  ПНВ

ПНВ делятся  на: 1. пассивные (работают в условиях естественной ночной освещённости); 2. активные (работают с подсветкой, обычно в ближнем ИК диапазоне); 3. активно-импульсные (работают с подсветкой в стробирующем режиме работы фотокатода).

Варианты  применения

Современные ПНВ выпускаются в нескольких основных форм-факторах. Наиболее простым является ночной монокуляр — удерживаемая в руке оператора зрительная труба обычно невысокой кратности. Бинокли ночного видения имеют два ЭОП и выводят увеличенное стереоскопическое изображение. Очки ночного видения — закрепляются на голове, имеют широкое поле зрения и не увеличивают изображение (либо имеют переменное увеличение от 1х до более высокого значения, что позволяет использовать их как бинокль). Очки могут иметь два ЭОП либо быть псевдобинокулярными, когда изображение с одного ЭОП поступает на оба окуляра. Монокуляр кратности 1х, закрепленный на оголовье, может использоваться как дешевая альтернатива очкам. Прицелы ночного видения закрепляются на оружии, как правило увеличивают изображение и имеют прицельную сетку. Существуют также приставки ночного видения к дневным оптическим прицелам. Эти приборы должны выдерживать отдачу оружия, не все прицелы могут применяться на стрелковом оружии высокой мощности. Альтернативным вариантом прицеливания через ПНВ является использование закрепленного на оружии инфракрасного лазерного целеуказателя, невидимый глазу луч которого наблюдается через очки ночного видения. Приборы ночного видения также устанавливаются на боевую технику, где они интегрированы в прицельные комплексы.

Устройство  ПНВ

Наблюдательный ПНВ состоит из следующих основных частей: объектива, приёмника излучения, усилителя, устройства отображения изображения. Во многих современных ПНВ роль приёмника излучения, усилителя средства отображения усиленного изображения выполняет электронно-оптический преобразователь (ЭОП). Оператор рассматривает изображение на экране ЭОП через окуляр. В качестве приёмника может использоваться ПЗС-матрица. В этом случае оператор наблюдает изображение на экране монитора.

1   - корпус ПНВ

2  - окуляр 
3  - оборачивающий объектив;

4  - зеркало;

5  - коллиматор (лупа) с призмой;

6  - корпус ОНВ; 
7  - ИК-подсветка;

8  - ЭОП;

9  - корпус объектива;

10 –  объектив; 
11 - крышка объектива.

Поколения ПНВ:

Активные  ПНВ нулевого поколения

Разработаны в Германии во время II Мировой войны. Требовали активной подсветки инфракрасными прожекторами. Были установлены на танки. Основной фотоэлемент — электронно-оптический преобразователь с фотокатодом, который позволял изображать обстановку, подсвеченную ИК светом, в окуляре в видимом спектре.

Недостатком являются отсутствие защиты от яркого света (защиты от вспышки) и демаскировка ИК прожекторами.

  Первое поколение

Основа технологии — фотоумножители, поставленные между фотокатодом и окуляром, что позволяло добиться многократного усиления видимого и ИК света с переводом последнего в видимый диапазон.

Второе  поколение

Применена микроканальная технология, что позволило  избавиться от паразитной засветки. Яркая  точка на изображении оставалась точкой и не засвечивала соседние каналы.

Третье  поколение

Применены фотокатоды на арсениде галлия, что позволило ещё больше увеличить коэффициент усиления света и уменьшить габариты приборов.

Классификация приборов ночного  видения в зависимости  от их конструктивных особенностей и сферы  применения включает в себя пять основных типов.

1. Бинокли ночного  видения 
2. Очки ночного видения 
3. Прицелы ночного видения 
4. Монокуляры ночного видения 
5. Комбинированные и специальные приборы

·  Бинокли ночного видения (ночные бинокли) – наиболее универсальный и популярный класс ПНВ, предназначенный для наблюдения за местностью в сумерках или в полной темноте. Приборы характеризуются компактными габаритами и сравнительно легким весом, что позволяет брать их с собой в поход или на природу. Бинокли ночного видения способны распознавать объекты, находящиеся на значительном удалении. Приборы выполняются на базе ЭОП любого поколения и, в зависимости от модели, имеют оптическое увеличение до 10 крат. В последнее время среди ведущих производителей наблюдается тенденция к исполнению биноклей в виде комбинации очков ночного видения и сменного объектива.

·  Очки ночного видения не имеют оптического увеличения, вследствие чего пользователь получает реальную картину окружающего пространства. Очки ночного видения дают возможность оценивать дистанцию до объектов, использоваться в комбинации с лазерным целеуказателем и читать карты. Приборы выполняются на базе ЭОП любого поколения и применяются для ведения статичных наблюдений, для осуществления скрытого перемещения и вождения транспортных средств. Как указывалось выше, очки ночного видения могут иметь в комплектации сменный объектив для трансформации в бинокль ночного видения.

·  Прицел ночного видения (ночные прицелы) относится к отдельному классу ПНВ, так как он предназначен для установки на оружие и ведения прицельной стрельбы в условиях слабой освещенности или в полной темноте. Прицелы ночного видения могут быть выполнены на базе ЭОП любого поколения. Помимо характеристик установленного на прицеле ЭОП, принципиальное значение имеет устойчивость прицела к отдаче огнестрельного оружия.

·  Монокуляр ночного видения – довольно распространенный тип приборов ночного видения, который используется для наблюдений с возможностью замены объектива для получения оптического увеличения. Монокуляр, устанавливаемый на оружие вместе с коллиматорным прицелом или лазерным целеуказателем, по сути, становится прицелом ночного видения, а если закрепить монокуляр на оголовье, то прибор можно использовать как очки ночного видения. Монокуляры выполняются на базе ЭОП любого поколения.

·  Комбинированные приборы имеют несколько оптических каналов, что отличает их от остальных классов ПНВ. Данные приборы объединяют в одном корпусе возможности различных наблюдательных устройств. Примером комбинированных приборов может служить бинокль класса «День/Ночь», имеющий обычный оптический канал и канал ночного видения. К этому виду относятся и монокуляры, способные усиливать свет за счет канала ночного видения. В этом случае на полученную картинку накладывается тепловое изображение, полученное с помощью тепловизионного канала. 

История создания

Современные тепловизорные системы начали свое развитие в 60-е годы прошлого столетия, в качестве одноэлементных приемников, изображение в которых строилось посредством точечного смещения оптической аппаратуры. Такие устройства были крайне непроизводительны и позволяли наблюдать за происходящими в объекте температурными изменениями с очень низкой скоростью.

С развитием  полупроводниковой техники и  появлением фотодиодных ячеек ПЗС, позволяющих хранить принятый световой сигнал, стало возможным создание современных тепловизоров на основе матрицы ПЗС датчиков, сигналы с которых, если говорить упрощённо, расшифровываются дешифратором, обрабатываются в центральном процессоре устройства, выстраиваясь в определенную последовательность, которая затем проецируется на ЖК матрицу в виде распределения температур, обозначенных различными цветами видимой части спектра. Данный принцип построения изображений позволил создать портативные устройства, с высокой скоростью обработки информации, которые позволяют вести контроль за изменением температур в режиме реального времени.

Наиболее  перспективным направлением развития современных тепловизоров является применение технологии неохлаждаемых болометров, основанной на сверхточном определении изменения сопротивления тонких пластинок, под действием теплового излучения всего спектрального диапазона. Данная технология активно применяется во всем мире для создания тепловизоров нового поколения, отвечающих самым высоким требованиям по мобильности и безопасности использования. В России производство портативных тепловизоров по технологии неохлаждаемых болометров освоено в 2007 году в ЦНИИ "Циклон".

Проблемы  производства

Тепловизор является дорогостоящим прибором. Его основные элементы — матрица и объектив составляют около 90 % общей стоимости. Матрицы весьма сложны в производстве, но со временем, по заверениям экспертов, их цена может снизиться. С объективами ситуация сложнее: для создания объективов применяются редкие и дорогие материалы (например, германий). В наши дни активно ведутся поиски более дешёвых материалов.

Классификация

Тепловизоры делятся на:

• Стационарные. Предназначены для применения на промышленных предприятиях для контроля за технологическими процессами в температурном диапазоне от −20 до +2000 °C. Такие тепловизоры, зачастую имеют азотное охлаждение, для того, чтобы обеспечить нормальное функционирование приемной аппаратуры. Основу таких систем составляют, как правило, тепловизоры третьего поколения, собранные на матрицах полупроводниковых фотоприемников.
• Переносные. Новейшие разработки в области применения тепловизоров на базе неохлаждаемых микроболометров из кремния, позволило отказаться от использования дорогостоящей и громоздкой охлаждающей аппаратуры. Эти приборы обладают всеми достоинствами своих предшественников, таких как малый шаг измеряемой температуры (0,1 °C), при этом позволяют применять тепловизоры в сложных оценочных работах, когда простота использования и портативность играют очень большую роль. Большинство портативных тепловизоров имеют возможность подключения к стационарным компьютерам или ноутбукам для оперативной обработки поступающих данных.

Тепловизоры часто путают с приборами ночного  видения, хотя разница между ними существенна. Классический прибор ночного  видения позволяет ориентироваться  при низком уровне освещенности, усиливая свет, попадающий в объектив. Во многих случаях яркий объект, оказавшийся  в поле зрения, «слепит» прибор. С  этим пытаются бороться, иногда — хорошо, иногда — в недорогих массовых приборах — не очень. Тепловизор же в свете не нуждается. Он, конечно, может быть использован в качестве прибора ночного видения, только задача здесь решена иначе. Известная философская конструкция о темноте как об отсутствии света взята в тепловизионной технике на вооружение: смотрим на то, что есть, в данном случае на тепло.

Назначение

Тепловизоры применяют во всех отраслях промышленности, где необходимо обеспечить качественный контроль за технологическими процессами производства. Они позволяют оперативно и своевременно отслеживать тепловые изменения, происходящие в отдельно взятых частях машин или механизме в целом. При этом, повышение температуры может быть расценено, как знак к возрастанию нагрузки, после чего может быть принято решение об остановке эксплуатации устройства.

Тепловизор должен входить в стандартный набор инструментов технических инженеров, осуществляющих тепловой контроль на предприятиях. Специально для этих целей были разработаны портативные высокопроизводительные тепловизоры, которые позволяют с высокой степенью точности оценивать изменения температуры объекта в режиме реального времени. Небольшие размеры и вес подобных устройств позволяют применять их на выездных мероприятиях, когда доступ к стационарному оборудованию затруднен.

Область применения

Современные тепловизоры нашли широкое применение как на крупных промышленных предприятиях, где необходим тщательный контроль за тепловым состоянием объектов, так  и в небольших организациях, занимающихся поиском неисправностей сетей различного назначения. Так, сканирование тепловизором может безошибочно показать место отхода контактов в системах электропроводки.

Особенно  широкое применение тепловизоры  получили в строительстве при  оценке теплоизоляционных свойств  конструкций. Так, к примеру, с помощью  тепловизора можно определить области наибольших теплопотерь в строящемся доме и сделать вывод о качестве применяемых строительных материалов и утеплителей.

Тепловизоры все шире применяются вооруженными силами развитых государств для обнаружения теплоконтрастных целей (живой силы и техники) в любое время суток, несмотря на применяемые противником обычные средства оптической маскировки в видимом диапазоне (камуфляж). Из специализированного разведывательного прибора тепловизор стал важным элементом прицельных комплексов ударной армейской авиации (вертолетов) и бронетехники. Применяются и тепловизионные прицелы для ручного стрелкового оружия, хотя в силу высокой цены широкого распространения они пока не получили.