Инфракрасные системы «смотрящего» типа

ОБЩИЕ ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ИКС «СМОТРЯЩЕГО» ТИПА

Проанализировав большое число публикаций, в которых прогнозируется дальней­шее совершенствование ИКС «смотрящего» типа (ИКС третьего поколения), можно от­метить основные тенденции их развития на ближайшее десятилетие. Поскольку в гл. 8 и 11 перспективы развития систем на базе ЭОП и передающих телевизионных трубок уже рассматривались, остановимся на системах на основе твердотельных матричных МПИ. Тенденции их развития можно условно разделить на две большие группы.

Первую составляют направления совершенствования конструкции и общих принци­пов построения и проектирования ИКС третьего поколения, а именно:

- повышение геометрооптического, временного и энергетического (температурного) разрешения;

- совершенствование методов обработки сигналов в ФПУ и электронном тракте системы;

- создание двух - и многодиапазонных ИКС, т. е. работающих в двух и более спек­тральных диапазонах;

- модульный принцип построения системы, унификация ее основных узлов;

- уменьшение габаритов, массы и энергопотребления;

- создание многофункциональных по своему назначению систем;

- комплексирование (интеграция) ИКС с другими датчиками и системами, решаю­щими поставленную задачу, общую, например, с радиоэлектронными, акустическими, сейсмическими и др.; развитие систем, работающих активным методом, например ла­зерных приемопередающих систем, использующих в качестве приемной части «смот­рящую» ИКС;

- широкое использование методов компьютерного моделирования в процессе разра­ботки, испытаний и исследований ИКС;

- снижение стоимости ИКС «смотрящего» типа.

Реализация этих направлений и принципов самым тесным образом связана с совер­шенствованием элементной базы, определяющим вторую группу тенденций и перспек­тив развития ИКС третьего поколения.

Рассмотрим более подробно перечисленные факторы, подтвердив некоторыми кон­кретными примерами.

Для увеличения вероятностей обнаружения и распознавания различных объектов на фоне помех и шумов и точности измерений параметров этих объектов или слежения за ними требуется повысить все виды разрешения, характеризующего качество ИКС (гео­метрооптического, энергетического, температурного, временного) и зависящего прежде всего от параметров оптической системы и ФПУ. Для многих ИКС повышаются требо­вания к дальности их действия, что тесно связано с энергетической и температурной чувствительностью, а в сочетании с требованиями к пространственному разрешению - с размерами угловых полей и апертур объектива, форматом, размерами пикселов и дру­гими параметрами ФПУ (см. §4.3 и 7.7).

К числу требований к обработке сигналов в электронном тракте многих современ­ных ИКС следует отнести сохранение хорошего энергетического (температурного) раз­решения всей системы при увеличении динамического диапазона входных сигналов (потоков, облученностей); использование быстродействующей системы коррекции не­однородностей; выравнивание уровня сигналов по угловому полю для компенсации спада освещенности от центра поля к краю и ряд других.

В связи с непрестанно повышающимся качеством МПИ и приближением их пара­метров к предельно достижимым значениям становится особенно важным улучшение параметров и характеристик схем считывания сигналов с элементов МПИ. При по­вышении форматов ФПУ, т. е. при использовании ФПУ, состоящих из миллионов пикселов, и при сохранении частоты кадров в десятки герц или при увеличении ее до сотен герц, что требуется в некоторых практических приложениях, необходимо соот­ветственно увеличивать частоту опроса отдельных элементов МПИ (частоту выбор­ки) и ширину полосы частот схем считывания. В то же время скорость передачи элек­тронных изображений, создаваемых ФПУ, в цифровой процессор ограничивается по­лосой пропускания частот аналогового интерфейса и АЦП, располагаемого между ФПУ и этим процессором. Один из путей разрешения этого противоречия сводится к переносу первичной обработки информации на уровень пиксела, т. е. внутрь ячейки ФПУ, как это происходит в биологических системах обработки информации.

Многомерность оптических сигналов и возможность принимать и обрабатывать в реальном масштабе времени огромные объемы информации выдвигают оптико­электронные и, в частности, ИК-системы на первое место при решении сложных задач автоматического обнаружения и распознавания сигналов на фоне естественных и орга­низованных помех. Для эффективного решения таких задач следует создать ИКС, рабо­тающие одновременно в нескольких спектральных диапазонах (многодиапазонные ИКС). Это, в свою очередь, требует обеспечения широкого спектрального рабочего диапазона ФПУ или реализации способов быстрой перестройки их спектральных ха­рактеристик чувствительности. Приведем весьма характерный пример.

Отделение оптико-электронной и инфракрасной техники исследовательской лабора­тории Армии США (EO/IR Technology Branch, Army Research Laboratory) вместе с ря­дом промышленных фирм и университетов активно развивает концепцию создания многоцелевого комплекса MDSS (Multi-Domain Smart Sensor), в состав которого долж­ны входить как пассивные, так и активные датчики и системы, служащие для автомати­ческого обнаружения, распознавания, классификации и идентификации целей в слож­ных эксплуатационных условиях. Важной частью комплекса станет двухцветовая ИКС «смотрящего» типа, т. е. система, работающая в двух спектральных диапазонах и обла­дающая помехоустойчивостью к таким средствам противодействия противника, как дымовые завесы, ложные цели, световые помехи, вспышки. Программа MDSS поддер­живает создание крупноформатных ФПУ на базе КРТ и ФКЯ. Уже созданы образцы ОЭС, функционирующих одновременно по собственному и отраженному излучению наблюдаемых или контролируемых объектов, причем объемы, массы и энергопотреб­ление таких систем составляют около 33 см3 (в основном, ЭОП), 100 г (в основном, микроболометрическая ИКС) и менее 1 Вт, соответственно.

Аналогичная задача возникает в тех случаях, если ИКС предназначены для работы как со слабо нагретым (Т= 250...320 К), так и с «горячим» (Т > 400 К) объектом, или в условиях как сухой (задымленной и запыленной), так и влажной (морской, тропиче­ской) атмосферы, т. е. когда желательно иметь в качестве рабочих спектральные диапа­зоны 3...5 и 8...14 мкм.

Предполагается широкое применение многодиапазонных ИКС третьего поколения в аппаратуре для экологического мониторинга; контроля за производством и распростра­нением ядерного, биологического и химического оружия массового уничтожения; об­наружения стартовых позиций и запусков ракет дальнего действия; диагностики ряда заболеваний, например сахарного диабета; астрономических и астрофизических иссле­дований и др. [215].

В §14.1-14.7 уже приводилось много примеров успешного использования одной и той же системы в различных областях науки, техники, народного хозяйства. «Двойные» технологии сравнительно давно нашли применение в ИК-технике, что позволяет ус­пешно использовать одни и те же ИКС как в военных, так и в гражданских областях. Во многом этому способствует модульный принцип построения конструкции ИКС.

Ведущие отечественные и зарубежные фирмы и компании, много лет разрабаты­вающие ИКС (ЦНИИ «Электрон», «Raytheon IR Operations», «Boeing», «Lockheed-

Martin», «FLIR Systems», «Indigo Systems» и др.), создают системы модульного типа разной степени сложности в зависимости от конкретной области применения ИКС. Модульный принцип построения ИКС позволяет заметно унифицировать важнейшие узлы системы (объектив, блок ФПУ, блок электроники, систему охлаждения, дисплей), упростить условия ее эксплуатации и обслуживания, сократить сроки проектирования и существенно снизить стоимость разрабатываемых систем и комплексов, что очень важ­но для широкого внедрения ИКС «смотрящего» типа.

Примеры отдельных модулей и их объединения в единую конструкцию показаны на рис. 14.15-14.20 на вклейке.

Компания «AEG Infrarot-Module GmbH» (Германия) использовала модульный прин­цип конструирования при разработке многодиапазонной ИКС, предназначенной для работы в средне - (3...5 мкм) или длинноволновом (8... 12 мкм) диапазонах ИК-спектра [91]. Основными модулями этой системы стали:

- ФПУ на базе охлаждаемого КРТ-МПИ формата 384x288 (первый опытный образец ФПУ имел формат 192x192);

- объектив с относительным отверстием порядка 1:2 и фокусным расстоянием 100 мм;

- четырехсекторный вращающийся диск со сменными узкополосными оптическими фильтрами, выделяющими рабочие спектральные диапазоны (поддиапазоны);

- электронный модуль обработки сигналов, включающий систему контроля и кор­рекции неоднородности чувствительности отдельных элементов МПИ в каждом из ра­бочих поддиапазонов;

- блок питания.

Один из секторов диска с фильтрами позволяет калибровать систему и выравнивать чувствительность в отдельных рабочих поддиапазонах. Вращение диска с частотой 25 Гц синхронизировано со съемом информации в отдельных спектральных поддиапазонах. Счи­тывание кадра происходит с частотой 100 Гц. Если заменить фильтры сканирующими оп­тическими элементами, диск можно использовать для микросканирования.

Система отображения позволяет на одном экране одновременно представлять изобра­жения, получаемые в отдельных спектральных каналах, а электронный блок - устанавли­вать для каждого канала свое время накопления зарядов и свои коэффициенты усиления сигналов. Это дает возможность учитывать различие в уровнях сигналов от целей и фонов в отдельных спектральных поддиапазонах, оптимизировать соотношения между этими сигналами, что необходимо для обеспечения высокоэффективной спектральной фильтра­ции, для выбора рациональных «псевдоцветов» в системах отображения информации.

Для времени накопления 2 мс при диафрагменном числе объектива К = 2 значения АТ„ в случае ограничения чувствительности флуктуациями излучения фона с темпера­турой 300 К составляют:

- 150 мК в диапазоне 3,4...4,0 мкм,

- 121 мК в диапазоне 4,0...4,3 мкм,

- 27 мК в диапазоне 4,4...5,0 мкм.

Во всем спектральном диапазоне 3,4...5,0 мкм АТп =18 мК.

Система может использоваться в военных целях (обнаружение ракет по излучению их двигателей и продуктов сгорания топлива, распознавание замаскированных целей и др.), а также в комплексах экологического мониторинга, дистанционного физико­химического зондирования и других сугубо гражданских применениях.

Цифровая ИКС (ИК ОЭМ) для диапазона 3...5 мкм на основе охлаждаемого базово­го модуля МФПУ ОМ1 была разработана ЦНИИ «Электрон» (С.-Петербург). Базовый модуль состоит из матричного МПИ формата 256x256, установленного в вакуумной полости охлаждающей системы, а также криостата с охлаждаемыми апертурной диа­фрагмой и оптическим фильтром и микрохолодильной машины типа МСМГ-5А-1,3/80 (ОАО «Сибкриотехника», Омск), работающей по циклу Стирлинга и создающей рабо­чую температуру в 78 К за время не более 10 мин. Микрохолодильник может быть ус­тановлен на расстоянии до 50 см от криостата.

В состав ИК-ОЭМ входит также аналого-цифровой электронный канал (ЭК), обес­печивающий питание приемника, съем и усиление сигналов, их аналого-цифровое пре­образование с разрядностью 12 бит и предварительную обработку видеосигнала. Стан­дартный аналоговый видеосигнал с выхода ЭК может поступать на вход видеокон - трольного устройства или видеомагнитофона.

Период пикселов МПИ составляет 40x40 мкм, а размеры чувствительных элементов - 18 мкм по горизонтали и 30 мкм по вертикали. Время кадра в режиме чересстрочной развертки не более 40 мс. В диапазоне 3...5 мкм чувствительность составляет не менее

1, 5-109 В/Вт на элемент, а пороговая экспозиция не более 10~12 Вт/элемент при уровне фона не более 3-10-5 Вт/см2. Средняя квадратическая неоднородность чувствительности отдельных элементов по всей матрице не превышает 5%. Динамический диапазон вы­ходного сигнала не менее 50 дБ, напряжение насыщения не менее 5 В.

Габаритные размеры модуля МФПУ ОМ1 (без объектива) 93,5x071 мм, а платы электронного канала 230х 130х 10 мм.

ИК ОЭМ в основном применяются в системах наблюдения, целеуказания и управ­ления огнем корабельных комплексов; головках самонаведения крылатых ракет; на­земных и космических системах измерения пространственных и спектральных характе­ристик факелов двигательных установок ракет; в составе астрономической аппаратуры; при мониторинге удаленных источников тепла.

Как еще один пример унификации модуля ФПУ можно рассмотреть разработанное фирмой «Lockheed-Martin IR Imaging Systems» неохлаждаемое микроболометриче - ское ФПУ формата 327x245 с интегральной КМОП-схемой считывания, параметры которого приведены в табл. 7.6, 14.1 и 14.2. МПИ, схема считывания и электронный тракт первичной обработки сигналов образуют стандартный модуль (SIM - Standard Imaging Module). В электронном тракте предусмотрены коррекция неоднородностей отдельных элементов МПИ, буферы интерфейса, схемы питания и другие блоки. Вы­ходные видеосигналы, получаемые в реальном масштабе времени, могут иметь раз­ряды 8 и 15 бит для стандартных аналоговых выходов RS-170, RS-232, RS-242, для телевизионных стандартов NTSC и PAL, а также для высокочастотных интерфейсов, построенных по параллельной схеме на матрицах с дискретными ключами.

На этом модуле основана камера LTC 500, применяемая в различных областях тех­ники. В камере предусмотрена ручная или автоматическая установка уровня сигнала (коэффициента усиления), установка монохроматического или псевдоцветового видео­выхода, переключение полярности изображения, т. е. знака контраста (темное или свет­лое изображение «горячих» и «холодных» частей сцены). Нелинейность чувствитель­ности МПИ при изменении температур отдельных участков наблюдаемой сцены до 95°С не превышает 0,5%, а ДТп = 0,07 К. Составляющая ДГП, обусловленная геометри­ческим шумом, не превышает 0,05 К при динамическом диапазоне сигналов 84 дБ, ко­торый может быть увеличен до 120 дБ. Значение ДТр составляет менее 0,4 К на про­странственной частоте, превышающей частоту Найквиста более чем на 20% [88].

Основу оптического модуля LTC 500 составляет объектив с диафрагменным числом

0, 8. Изменяя фокусное расстояние от 16 до 200 мм, можно менять горизонтальное уг­ловое поле от 50,6 до 4,3°.

Камера LTC 500, широко используемая как в военном деле, так и в других областях техники, которым посвящены отдельные разделы настоящей главы, функционирует в диапазоне температур окружающей среды от—50 до +160°С. Время подготовки к рабо­те составляет менее 30 с. На базе камеры LTC 500 фирмой «ВАЕ Systems» была создана ИКС LTC 550 Micro IR™, отличающаяся от своего прообраза меньшими потребляемой мощностью, габаритами и массой.

Модульный принцип широко использовался при разработке отдельных групп систем компании «FLIR Systems», например группы систем Therma САМ 500, 1000,2000, 3000, а также ИКС «TermoVision А20», «ТепгаСАМЕ2» и «ТегтаСАМ Р60». Он же удачно реа­лизован в ИКС MIRIADS, разработанной Научно-исследовательской лабораторией ВВС США (US Air Force Research Laboratory) совместно с компаниями «Nova Research Inc.», «Raytheon Infrared Operations» и «Optics 1 Inc.» для раннего обнаружения ракетного напа­дения [76]. Панорамный объектив типа «рыбий глаз», позволяющий просматривать про­странство объектов в полной полусфере [274], крепится к кольцеобразной оправке-трубе, в задней части которой размещается ФПУ с системой охлаждения. На оправке размеща­ется основная, «материнская», плата электроники. Сюда же могут надеваться (нанизы­ваться) кольцеообразные дополнительные, «дочерние», печатные платы, содержащие ряд узлов тракта обработки сигналов. Конструкция позволяет удобно заменять ФПУ, систему охлаждения, электронные блоки. Благодаря компактному расположению отдельных мо­дулей вся система размещается в сравнительно небольшом вакуумированном объеме, имеет короткие соединения между ФПУ и электронной схемой, что снижает уровень шумов и наводок, а также дает возможность обрабатывать сигналы на очень высоких частотах. Требуемая холодопроизводительность близка к 1 Вт при рабочей температуре 77 К, что обеспечивается специальной конструкцией ФПУ.

Электронный тракт выполняет 14-разрядное аналого-цифровое преобразование сиг­налов, снимаемых с предусилителей ФПУ, разделенных на 4 канала, а также одно-, двух - и многоточечную коррекцию неоднородности пикселов ФПУ. Частота преобра­зования сигналов в каждом канале близка к 106 пиксел/с. В системе предусмотрена возможность обработки последовательности кадров, создаваемых ФПУ, при которой

16 Инфракрасные системы «смотрящего» типа

Путем вычитания электронных изображений ослабляется постоянная составляющая сигнала, происходит оконтуривание и сегментация изображения, пространственно - временная селекция движущихся объектов. Благодаря этому можно наблюдать и от­слеживать как сильно, так и слабо излучающие объекты в реальном масштабе времени.

Предусмотрены работа в двух спектральных диапазонах, а также использование объектива с двойным угловым полем (10° и 100°). Переключение полей будет произво­диться очень быстро (примерно за 20 мс), что позволит использовать MIRIADS в сис­темах управления ракетами.

Многие зарубежные фирмы выпускают ИКС на базе различных МПИ. Так, компа­ния «ВАЕ Systems» (Великобритания) выпускает системы Condor LW на базе ФКЯ формата 320x256 (см. рис. 14.15), LUTE и LION (№48 и 49 в табл. 14.1 и 14.2) на базе ферроэлектрического микроболометра формата 256х 128 с микросканированием мас­штаба 2:1, а также другие ИКС на базе KPT-приемников. Унифицированные стандарт­ные модули, разработанные этой компанией, например микроболометрические ФПУ типов SIM 200, 205, 300 или система охлаждения по циклу Стирлинга с вращающимся ротором, позволяют достаточно просто компоновать из них приборы самого различно­го назначения, как военного, так и гражданского.

Одна из тенденций развития современных ОЭС — их комплексирование, например объединение в единую конструкцию систем, работающих в различных спектральных диапазонах. Для круглосуточного обнаружения и распознавания различных объектов в широком спектральном диапазоне (0,4... 12,0 мкм) в ЦНИИ «Циклон» (Москва) разра­ботана обзорная система наблюдения ОРЛАН (рис. 14.21 на вклейке, табл. 14.13). В систему входят ИКС на базе неохлаждаемого микроболометра формата 320х240, а так­же дневной и ночной телевизионные каналы. Модульный принцип построения системы позволяет дополнять ее радиолокационным каналом, дальномером, ОР8-приемником и др. В системе осуществляется вывод изображения на экран монитора персонального

Компьютера. Масса прибора (без поворотного устройства) составляет 15 кг, габариты 700x580x520 мм, потребляемая мощность 120 Вт.

Малогабаритный тепловизионный модуль Ракурс (разработка ЦНИИ «Циклон») (рис. 14.22 на вклейке) в сочетании с профессиональными и бытовыми видеокамерами позволяет круглосуточно наблюдать, записывать и регистрировать тепловизионные изображения в сложных метеорологических условиях, выявлять очаги возгорания, вес­ти поисково-спасательные работы, контролировать линии электропередач и др. Ото­бражение, запись и регистрация изображений осуществляются штатными устройствами используемой видеокамеры. Модуль основан на микроболометре формата 320х240, рабо­тающем в спектральном диапазоне 8... 12 мкм. Объектив с фокусным расстоянием 45 мм имеет угловое поле 15x20°. Минимальная разрешаемая разность температур составляет 80 мК. Масса модуля 2 кг, габариты 075x155 мм.

Массогабаритные параметры и энергопотребление ИКС во многом определяют большинство практических применений ее. Например, создание ручных, переносимых одним человеком и нашлемных систем ставится в основу многих разработок. Поэтому принимается, что масса переносимых ИКС не должна превышать 5... 10 кг, а габариты - 300x150x150 мм [108]. Уменьшение потребляемой мощности также очень актуально для крупноформатных (более 1024x1024) неохлаждаемых ФПУ.

Ведущие фирмы-производители ИКС активно пытаются создавать дешевые, облег­ченные, малогабаритные системы, обладающие минимальным энергопотреблением. В качестве характерного примера можно указать на разработки компании «Raytheon IR Operations», которая в тесном сотрудничестве с Департаментом ночного видения и электронных датчиков Армии США с 1999 г. реализует программу LCMS (The Low Cost Microsensors Program) создания целой гаммы ИКС «смотрящего» типа на базе InSb (форматов 64x64,128 х128, 256x256,640x480,1344x1344, 2052x2052) и неохлаждаемых микроболометрических (VOx) ФПУ форматов 160x128, 320x240 и 640x480 [64, 65, 92, 210,211].

В качестве базовой конструкции было выбрано ФПУ типа SB-212 (№13 табл. 14.1 и

14.2) и схема считывания SB-246. Размер пиксела был доведен до 25 мкм вместо 50 мкм у предшествующей разработки SB-211 при сохранении формата 320х240. Испытания ФПУ показали возможность получить ДГП «35 мК при К = 1 и FK = 30 Гц в диапазоне спектра 8... 14 мкм. Динамический диапазон температур наблюдаемых сцен составил 100 К; среднее квадратическое значение шума на выходе было близко к 1 мВ при воль­товой чувствительности пикселов более 2,5Т07 В-Вт-1. Мощность рассеяния составила 150 мВт при рабочей температуре ФПУ 25°С. Количество годных пикселов превышало 98%. Четырехкратное уменьшение площади пиксела по сравнению с SB-211 обеспечи­ло большее геометрооптическое разрешение ИКС, а двукратное увеличение углового поля позволило уменьшить объем конструкции в 8 раз. Электронный интерфейс SB-212 также заметно удешевлен, а потребляемая мощность снижена (до 2 Вт). Габариты ИКС доведены до 277x195x137 мм.

Это ФПУ и его модификации предполагается щироко использовать в военных и гражданских системах (системы наблюдения и прицеливания для стрелкового и друго­го вооружения, нашлемные системы, системы обнаружения и наблюдения при пожа­рах, радиометры для промышленного контроля и медицинских наблюдений и др.).

Те же тенденции уменьшения массы, габаритов, потребляемой мощности и стоимо­сти наблюдаются в разработках компании «Indigo Systems», которая с 1997 г. выпусти­ла ряд модификаций миниатюрных ИКС марки UL3 на неохлаждаемых матричных микроболометрических ФПУ формата 160x120 (№29, 30 табл. 14.1 и 14.2). Если у пер­вых моделей UL3 (Alpha) масса, объем и габариты (без объектива с фокусным расстоя­нием 18 мм) составляли 186 г, 142 см3 и 43x43x76 мм соответственно, то у модели UL3 Omega эти параметры были доведены до 102 г, 57,4 см3 и 35x33x48 мм, а потребляемая мощность снизилась с 1,5 Вт (при комнатной температуре эксплуатации ИКС) до 1,1 Вт [182]. А7; составляет менее 85 мК при К = 1,6 против 100 мК у UL3 Alpha при том же К. Для матрицы камеры UL3 Omega диапазон рабочих температур с 0...+55°С был расширен до -40.. .+55°С.

Если в камере UL3 Alpha использовалась термоэлектрическая система стабилизации рабочей температуры ФПУ, то в модели UL3 Omega такая система отсутствует, а для коррекции неоднородности в широком диапазоне рабочих температур используется специальная обработка сигналов в электронной схеме. Это позволило уменьшить раз­меры, энергопотребление и стоимость всей системы, практически мгновенно после включения приводить ФПУ в рабочее состояние, а также расширить динамический диапазон температур наблюдаемой сцены. В камере UL3 Omega разрядность цифрово­го выхода равна 14 бит. Аналоговым выходом видеосигнала может служить стандарт­ный RS-170.

Электронный тракт позволяет автоматически оптимизировать динамический диапа­зон выходных сигналов, устанавливать их черно-белый уровень, выносить специальные символы на экран системы отображения, подстраивать чувствительность системы при изменении максимальных температур наблюдаемой сцены от 400 до 150°С, а также расширять формат (от 160x120 до 320x240), применяя билинейную интерполяцию.

Камера пригодна для использования в нашлемных системах, удобных при борьбе с пожарами, для проведения поиска в задымленных и запыленных помещениях, в систе­мах контроля сооружений, при охране границ и таможенном контроле, в термографии, а также в ряде военных применений. На базе UL3 Omega предполагается создать сис­темы для работы в ближневолновом ИК-диапазоне (от 0,9 до 1,7 мкм) с матрицами из InGaAs формата 320х240.

Широкую гамму как гражданских, так и военных ИКС, применяемых в самых раз­личных областях науки и техники, разрабатывает и производит компания «FLIR Sys­tems». В табл. 14.1 и 14.2 приводятся некоторые примеры этих систем, построенных на базе микроболометров (№58-60). Так, тепловизионная ИКС ThermaCAM Р60 может использоваться не только для визуализации ИК-изображений, но и для радиометриче­ских измерений, обеспечивая погрешность измерения температур нагретых объектов (в диапазоне до 2000°С) порядка ±2%. С помощью встроенной цифровой видеокамеры в ИКС осуществляется регистрация визуально наблюдаемых изображений, что позволя­ет, например, разнести во времени обнаружение дефектов контролируемого объекта и их устранение. Встроенный лазерный указатель помогает быстро выполнить коорди­натную привязку объекта, интересующего наблюдателя. В ИКС обеспечивается сохра­нение радиометрических изображений в памяти самой камеры или с помощью сменной флэш-карты на 128 Мбайт. Перемещение перекрестия, расчет разности температур и изотерм и другие операции легко выполняются одной рукой, в то время как другой ру­кой оператор удерживает наведенную на объект камеру. Масса камеры вместе с акку­муляторной батарей и цветным ЖК-дисплеем составляет менее 2 кг, что облегчает ра­боту с ней. В ИКС предусмотрен режим энергосбережения, а также зарядка от автомо­бильных аккумуляторов. Камера может быть укомплектована сменными объективами, что расширяет ее функциональные возможности.

Габариты и масса многих систем невелики, что позволяет либо использовать их - в «ручном» режиме, либо закреплять на небольших штативах при достаточно произволь­ном положении (горизонтальном, вертикальном, наклонном) линии визирования - оп­тической оси системы. Большинство из них сопрягаются с персональными компьюте­рами, например, типа Note-Book и их программным обеспечением (Excel, Matlab и др.).

Многофункциональность ИКС сказывается и на особенностях их схемного построе­ния. Так, если одна и та же система предназначена для обнаружения, распознавания и слежения за какими-либо объектами, то в ней следует использовать оптические систе­мы с двумя различными угловыми полями (или с одним, но перестраиваемым): широ­кого для разведки, обнаружения и предварительного слежения и узкого для распозна­вания, идентификации и точного слежения за объектом. То же самое можно сказать и об ИКС, работающих в большом динамическом диапазоне контролируемых величин (системы обнаружения очагов возгораний и поиска объектов во время пожара и др.). Примером может служить камера UL3, которая комплектуется сменными объективами с фокусными расстояниями 11, 18 и 30 мм и соответствующими угловыми полями 40x30°, 25x19° и 15x11°, т. е. с одинаковыми диафрагменными числами (К = 1,6). Про­дольные размеры и массы объективов составляют 28 мм и 33 г, 22,8 мм и 26 г, 35,5 мм и 38 г соответственно. Планируется создать объективы с К = 1 для достижения повы­шенной чувствительности, а также объектив с/ - 9 мм для широкопольных ИКС.

В качестве примера тенденций развития современных ИКС «смотрящего» типа

М 2

Можно указать программу «Интегрированные датчики изображений» (I S), реализуемую компанией «Raytheon», Научно-исследовательским центром «Raytheon Santa Barbara Re­search Center», Департаментом ночного видения и электронных датчиков (NVESD) Ар­мии США и корпорацией «Pixel Vision» (США). Эта программа преследовала две цели: во-первых, создать оружейный прицел, работающий в двух спектральных диапазонах (0,4... 1,7 и 8... 14 мкм), но имеющий единую оптическую систему, а во-вторых, создать твердотельное ФПУ для диапазона 0,4... 1,7 мкм на базе фоточувствительного слоя из InGaAs, «наплавленного» на кремниевый ПЗС [67]. В качестве приемника для диапазона

8.. . 14 мкм в этой ИКС (I2S Rifle Sight) используется ФПУ на микроболометре компании «Raytheon Systems Company» формата 320x240. Как уже отмечалось, для модуля SB-212 формата 320x240 размер пиксела составляет 25 мкм, а АТп не превышает 50 мК при К = 1 и частоте кадров 30 Гц (см. п. 7.5.1). Реализация второй цели указанной программы должна проиллюстрировать очень интересную тенденцию совершенствования современ­ных приборов ночного видения - замену электронно-оптических преобразователей на более компактные и экономичные высокочувствительные твердотельные матричные МПИ видимого и ближнего ИК-диапазонов (см. §8.3).

Очевидно, эта цель совпала с той, которую преследовала компания «ЯауШеоп», соз­давая ИКС с МПИ в виде микроболометра формата 160x120 на основе аморфного кремния. В этой системе ДГП = 40 мК при кадровой частоте 20 Гц. Энергопотребление системы без дисплея составило 300 мВт, с дисплеем — 450 мВт. Планируется повысить чувствительность подобной ИКС в 2...3 раза. При выходе на рынок система будет сто­ить около 500 долл. [146].

Ожидается, что в недалеком будущем подобная аппаратура заменит приборы ночно­го видения на базе ЭОП в нашлемных облегченных прицелах, прицелах и целеуказате - лях стрелкового вооружения. Может значительно расшириться рынок сбыта подобных ИКС как военного (разведывательные наземные системы, в том числе и автономные; системы обнаружения мин; малогабаритные беспилотные летательные аппараты, сна­ряжение «Солдата XXI века» и др.), так и гражданского назначения (системы вождения транспорта, обнаружения очагов пожаров и пострадавших, оперативной термографии и дефектоскопии и др.).

При создании новых систем военного назначения (разведки, обнаружения целей и слежения за ними и т. д.) наблюдается явная тенденция к комплексированию датчиков различных типов (оптических, радиотехнических, акустических и др.), т. е. к объеди­нению их в единый комплекс сбора, обработки и хранения информации о наблюдае­мой сцене. С конца 90-х годов Департамент ночного видения и электронных датчиков (ЫУЕЗБ) совместно с Научно-исследовательской лабораторией (АЯЬ) Армии США развивает и поддерживает программу (11ЬЗ) создания малогабаритных, предельно об­легченных и потребляющих чрезвычайно малую мощность оптических, акустических и сейсмических датчиков, объединенных в единый комплекс, который предназначен для обеспечения боевых действий малых групп и отдельных солдат в городских усло­виях [92].

Учитывая сложность задач, стоящих перед разработчиками ИКС третьего поколе­ния, расширение областей применения этих систем, усложнение условий их испытаний и эксплуатации, а также требований к уменьшению сроков проектирования и снижения его стоимости, возрастает значимость моделирования, и прежде всего компьютерного,

О котором говорилось в гл. 13. Не случайно число моделей ИКС, как достаточно обоб­щенных, так и частного применения, описываемых в научно-технических публикациях последнего десятилетия, непрерывно возрастает.

К настоящему времени качество МПИ, и прежде всего микроболометров и ФКЯ, достигло уровня, соответствующего требованиям к большинству гражданских и многих военных ИКС, причем это позволяет во многих случаях уделять основное внимание снижению их стоимости, уменьшению габаритов, массы и энергопотребления, а не только повышению спектрального, пространственного и энергетического разрешения, как это было еще совсем недавно.

Последние аналитические исследования [53, 64, 73, 210, 215, 230 и др.], учитываю­щие уровень современной технологии и ближайшие перспективы ее развития, показы­вают, что для большинства практических применений главной задачей становится соз­дание недорогих неохлаждаемых ФПУ умеренного формата и ИКС модульного типа. По существующим прогнозам, в США в текущем десятилетии около двух третей ИКС военного назначения и более половины гражданского будут основываться на неохлаж­даемых матричных МПИ.

Рост интереса к неохлаждаемым МПИ вызван стремлением уменьшить до мини­мума массу, габариты и мощность, потребляемую ИКС, что особенно важно для на - шлемных систем различного назначения, ОЭС технического зрения (робототехниче­ских систем), систем воздушной разведки и раннего оповещения, устанавливаемых на малогабаритных летательных и космических аппаратах. Ожидается, что для многих практических применений можно будет сочетать неохлаждаемые МПИ с малогаба­ритными оптическими системами (объективами), имеющими диаметр входного зрач­ка 10...25 мм и диафрагменное число порядка 3, что обеспечит достаточный для не­больших дальностей уровень входного сигнала и приемлемое качество изображения [108]. Для подобных ИКС сравнительно просто увеличить срок безотказной работы до нескольких тысяч часов благодаря отсутствию системы охлаждения ФПУ. По­следнее сказывается и в очень быстрой готовности таких ИКС к работе с момента включения питания.

Сегодня для выпускаемых на рынок ФПУ, работающих в диапазоне 3...5 мкм, стои­мость одного элемента МПИ оценивается в 1...2 долл., причем уменьшение ее за год вдвое (без учета инфляции) считается довольно устойчивой тенденцией [146].

Следует учитывать, что основной вклад в общую стоимость ИКС часто вносит све­тосильная оптика, которая особенно важна для микроболометрических систем, по­скольку их чувствительность остается пока заметно меньшей, чем у фотонных прием­ников, а отсюда микроболометрические ИКС уступают последним по температурному разрешению АТП. Кроме того, большая светосила объектива часто ограничивается до­пустимыми габаритами ИКС и может привести к невозможности обеспечить достаточ­ное большое его угловое поле даже при росте формата ФПУ и уменьшении размера пиксела (см. §6.6). Поэтому в быстродействующих оптико-электронных следящих сис­темах, например, в ИК-системах наведения и самонаведения ракет, где уменьшение ДТп за счет увеличения времени накопления зарядов не представляется возможным, приме­нение микроболометров иногда считается проблематичным [234].

Если исключить достаточно уникальные применения ИКС «смотрящего» типа, на­пример, планируемое 1ЧА8А в ближайшее десятилетие использование крупноформат­ных КРТ-матриц в космических телескопах нового поколения [80], то можно различать три группы перспективных ИКС третьего поколения.

К первой группе относятся высококачественные ИКС, работающие в двух и более спектральных поддиапазонах, имеющие приемники излучения с очень высокой чувст­вительностью и схемы считывания сигналов, которые сохраняют и обрабатывают прак­тически все заряды, создаваемые приемником. Это могут быть относительно дорогие системы на базе ФПУ, охлаждаемых до температур порядка 120 К, позволяющие рабо­ту на повышенных кадровых частотах (несколько сотен герц). Использование двух и более рабочих спектральных поддиапазонов позволит повысить вероятность обнаруже­ния и распознавания объектов (в том числе замаскированных целей) на больших даль­ностях. Эти системы могут размещаться на такой дорогостоящей технике, как танки, самолеты, суда, космические платформы.

Вторую группу образуют ИКС с неохлаждаемыми ФПУ, характеристики которых, соответствуют средним характеристикам ИКС первого и второго поколений с охлаж­даемыми ФПУ. Для них не потребуются сложные системы температурной стабилиза­ции. Их стоимость должна быть умеренной, а масса, габариты, энергопотребление - небольшими. В военной технике такие ИКС предполагается использовать в системах вождения машин, прицелах, головках самонаведения ракет, нашлемных системах на­блюдения, где требуются сравнительно небольшие и средние дальности действия.

Наконец, третью группу составят очень дешевые микродатчики (микро-ИКС), кото­рые смогут завоевать рынки сбыта благодаря низкой стоимости, малым размерам, мас­се, энергопотреблению. В отличие от систем второй группы, которые все же требуют температурной стабилизации ФПУ, мощности питания порядка 10 Вт и более, а также времени готовности к работе после включения порядка нескольких минут, эти микро­датчики должны потреблять мощность 0,3... 1,0 Вт и включаться практически мгновен­но [93]. Все это позволит создать ряд новых систем, например ИКС одноразового при­менения, новые нашлемные ИКС. Они могут использоваться в системах связи, работать с другими датчиками (акустическими, сейсмическими, магнитными) для обнаружения движущихся объектов и передавать изображения на посты контроля и охраны, на ко­мандные пункты, находящиеся от них на расстоянии до 10 км и более (до 100...200 км). Такие датчики будут строиться преимущественно на базе неохлаждаемых микроболо- метрических ФПУ и ИКС [73, 92, 93, 230 и др.].

Приведем основные параметры ИКС этих трех групп, прогнозируемые на ближай­шее десятилетие в зарубежной научно-технической литературе [53, 64, 73, 92, 215, 230].