Инфракрасные системы «смотрящего» типа

СРЕДСТВА ВОЖДЕНИЯ НАЗЕМНОГО И ВОДНОГО ТРАНСПОРТА

Для обеспечения управления гражданскими и военными наземными транспортными средствами в сложных эксплуатационных условиях (отсутствие или невозможность ис­пользовать собственные источники подсветки ночью, дождь, снег, туман, пыль, дым и т. д.) ряд зарубежных фирм предлагает ИКС «смотрящего» типа, стационарно устанав­ливаемые на эти средства. Системы вождения наземных транспортных средств должны обеспечивать возможность работы в полной темноте, не демаскируя себя; обнаружи­вать препятствия на трассе движения; постоянно ориентироваться в пространстве, т. е. определять свое местоположение относительно направления движения. Система не должна отвлекать водителя от выполнения его обычных функций - управления транс­портным средством. К современным водительским (наземным) системам помимо этих требования обычно предъявляются и такие, как:

U>

40

- обеспечение достаточно больших угловых полей (до 15...20° по вертикали и до

20.. .30° по горизонтали), а в случае обзорного поискового режима работы — больших полей обзора (до 30° по углу места и до 360° по азимуту);

- подобие угловых размеров обнаруживаемых или наблюдаемых объектов их разме­рам при визуальном наблюдении невооруженным глазом, т. е. видимое увеличение сис­темы должно быть равным единице; при этом сохраняются привычные для водителя условия наблюдения, пространственной ориентации и вождения;

- ввод изображения в поле зрения водителя, не мешающий ему видеть приборную панель и наблюдаемую сцену «напрямую»;

- нечувствительность системы к посторонним засветкам, например к внутрикабин - ным, создаваемым приборной панелью;

- пыле-, влаго - и снегозащищенность системы; работать в большом диапазоне ок­ружающих температур, например в диапазоне ±50°С, при относительной влажности до 76%; работоспособность в условиях заметных механических воздействий (ударов, виб­раций); время непрерывной работы системы свыше 8...10 ч, а время наработки до отка­за более 500.. .1500 ч;

- дальность уверенного распознавания препятствий и дорожных знаков с размерами 0,5x0,5 м при движении по шоссе более 150 м, а при движении по грунтовым трассам 50 м (с вероятностью более 0,9).

Как известно, первые военные водительские приборы ночного видения строились на базе ЭОП. И сегодня ИКС с ЭОП и ГМП (см. гл. 8) достаточно широко используются в сухопутных войсках многих стран. В качестве примеров можно упомянуть перископи­ческий круглосуточный водительский прибор Р-192 (Италия), такой же круглосуточ­ный прибор ОВ-60 (Франция), отечественный танковый водительский прибор ТВН-5; телевизионную систему заднего обзора для большегрузных автомобилей разработки ЦКБ «Точприбор» (Россия); стереосистему ОРЭКС-ЗД, разработанную НПО «Орион» на базе ЭОП, с МКП, состыкованным с ПЗС-матрицей; систему АСНВ фирмы «Турн» (Россия) на базе ГМП.

Один из первых принятых на вооружение в США приборов вождения на МПИ AN/VSS-5, разработанный фирмой «Texas Instruments» (США), предназначен для вож­дения танка М1Ф1, БМП типа Bradly FVS М2/3, колесных машин HENTS, PLS и др.; в нем использована пироэлектрическая матрица (ферроэлектрический микроболометр) формата 327x245, работающая в спектральном диапазоне 7,5... 13,0 мкм. Для танков и гусеничных БМП угловое поле обзора составляет ±50° по горизонтали и ±25° по верти­кали, а для колесных БМП - ±90° и -20...+50° соответственно. Масса ИКС 5,4 кг (для танков и гусеничных БМП) и 1,4 кг (для колесных БМП).

Компания «ВАЕ Systems» создала водительский прибор DTIV, работающий в спек­тральном диапазоне 8... 14 мкм. В системе с неохлаждаемым микроболометром форма­та 256x128 используется микросканирование, вдвое увеличивающее этот формат. Зна­чение ДГП составляет менее 120 мК. Прибор потребляет не более 28 Вт и работает при температурах -30...+55°С круглосуточно и всепогодно. Угловое поле прибора состав­ляет 25° по вертикали и 50° по горизонтали.

Фирма «Thales Optronics Inc.» (Канада) разработала водительский прибор с угловым полем 100x40° на базе неохлаждаемого микроболометра формата 320x240 для спек­трального диапазона 8... 12 мкм. Пределы фокусировки прибора - от 5 м до бесконеч­ности, энергопотребление 30 Вт, диапазон температур окружающей среды от -46 до +50°С.

Водительские приборы DVE (Drivers Vision Enhancer) на базе модулей SIM 100, раз­работанных фирмой «Lockheed Martin», используются в армиях стран НАТО. Системы такого типа для военных применений и служб безопасности, например система LUTIS (Light Uncooled Thermal Imaging Systems) (табл. 14.1 и 14.2, №39), использующая мо­дуль SIM 150 фирмы «Lockheed Martin», была создана группой французских фирм. Приборы вождения DVE успешно прошли испытания в условиях Европы, Ближнего Востока и США. Эти системы, построенные по модульному принципу, состоят из двухкоординатной системы установки и монтажа (LRU), узла приемной системы - датчика (SIM) и узла системы отображения и контроля (DCM).

Основные параметры модуля SIM имеют следующие значения:

- рабочий спектральный диапазон 8... 12 мкм;

- формат микроболометрического МПИ 327x245;

-угловое поле 48° (по горизонтали)х36° (по вертикали);

- обеспечение поля обзора 40° (по азимуту) и 20° (по углу возвышения);

- диапазон углов разворота (уставок) от -25° до +40°;

- обнаружение и распознавание человеческой фигуры в полной темноте на расстоя­нии 110 м в угловом поле 40x20° с вероятностью не менее 80%;

- обнаружение стационарных объектов с размерами типовых автотранспортных средств на расстоянии 500 м с вероятностью не менее 90%;

- следование по трассе за транспортным средством, находящимся впереди на рас­стоянии не менее 200 м.

Модули SIM использованы в совместной с ФРГ разработке прибора вождения STN ATLAS для армий США, ФРГ и Великобритании. В состав STN ATLAS могут также входить телевизионная твердотельная камера на ПЗС, выходные сигналы с которой по­ступают на тот же дисплей, что и сигналы с выхода тепловизионного канала. В системе предусмотрена возможность выполнять дополнительные операции, как вручную (уве­личение углов обзора), так и автоматически (например, компенсация температурных разъюстировок). Модуль дневного канала на ПЗС-фотоприемнике формата 510x492 имеет угловое поле 53x40°. Плоский дисплей на светодиодной матрице формата 320x240 имеет размеры 130x200x60 мм. В системе STN ATLAS предусмотрены регу­лировка яркости экрана дисплея, коррекция контраста теплового изображения, а также ряд других контрольных и настроечных операций.

Водительский прибор DVE-1000 R компании «Digital Imaging Infrared», построен­ный на базе неохлаждаемого микроболометра формата 320x240, работает в спек­тральном диапазоне 8... 12 мкм (рис. 14.6 на вклейке). Он имеет цветной жидкокри­сталлический дисплей достаточно большого размера (264 мм по диагонали) и форма­та 640x480. Объективы с фокусным расстоянием 25 и 50 мм и диафрагменными чис­лами К= 1 обеспечивают угловые поля 42x31е и 18x14° соответственно. Пороговая чувствительность прибора АТп < 85 мК. Прибор работает при окружающих темпера­турах -32...+55°С. Масса модуля ФПУ и электронного тракта менее 1,5 кг, дисплея и модуля контроля менее 4 кг.

Можно отметить разработки тепловизионных микроболометрических визиров серии TWS, выполненных фирмой «Lockheed-Martin», которые хотя и предназначены для стрелкового вооружения, однако могут быть использованы в специфических случаях вождения наземных и водных транспортных средств (см. §14.2).

Сегодня на мировом рынке вооружений более 50 разновидностей ИКС третьего по­коления (ИКС «смотрящего» типа), работающих в спектральном диапазоне 3...5 мкм и предназначенных для управления транспортными средствами. Их основу составляют МПИ на KPT, InSb и PtSi. В указанном спектральном диапазоне можно использовать сравнительно экономичные и малогабаритные термоэлектрические системы охлажде­ния (оружейный прицел AN/PAS-19 HaPbSe-МПИ формата 160x320, оружейный прицел AN/PAS-13 TWS). Если необходимо получить ДГП в сотые кельвина (0,025...0,04 К), в ИКС применяют охлаждающие системы, работающие по циклу Стирлинга (фотопри­емные модули и системы Portable FLIR, MISTI, TISS фирмы «Boeing», США; KENIS фирмы «Kentron», ЮАР; Avrora и Radiance HS фирмы «Raytheon», США, и ряд других). Время выхода этих систем на рабочий режим составляет 5...7 мин. В некоторых систе­мах используется микросканирование (Sea Star SAFIRE фирмы «Boeing», США; V4500 фирмы «ВАЕ», Великобритания; Radiance HS фирмы «Raytheon», США; MAG 2400 фирмы «Alenia», Италия), позволяющее вдвое увеличить формат ФПУ, например с 240x320 до 480x640 в морской ИКС Sea Star SAFIRE или с 256x256 до 512x512 в фото - приемном модуле Radiance HS.

В качестве отечественного охлаждаемого ФПУ на базе PtSi, предлагаемого для ис­пользования в приборах для безопасного вождения транспортных средств, можно отме­тить разработки ЦНИИ «Электрон» (Санкт-Петербург): портативную тепловизионную камеру «Талисман» (см. §14.5), а также матрицу формата 512x512, построенную по двухпортовой схеме в виде двух самостоятельных фрагментов из 256 (по горизонтали) 512 (по вертикали) элементов.

Основными параметрами матрицы являются [4, 263]:

- шаг элементов по горизонтали 40 мкм, по вертикали 30 мкм;

- размер фотодиодного элемента 18x30 мкм;

- коэффициент заполнения 30%;

- общий размер чувствительного поля 20,48x15,36 мм;

- размер кристалла 23,5х 18,4 мм;

- сигнал насыщения 3,5 В;

- зарядовая емкость ячейки 1,1 ТО6 электрон;

- время накопления 40 мс;

- частота работы горизонтальных регистров 5 МГц;

- чувствительность в спектральном диапазоне 3...5 мкм 1,6-109 (В/Вт)/элемент;

- динамический диапазон 64 дБ.

Каждая ячейка матрицы включает фотодиод с электродом опроса и два затвора вер­тикального четырехфазного ПЗС-регистра. Вертикальные регистры управляются внеш­ними ключами. Емкость ячеек позволяет использовать матрицу при обзоре воздушного пространства в угловом поле объектива 35x35°.

Для увеличения поля обзора можно на одной пластине реализовать двухпортовую матрицу формата 1024x512 и/или четырехпортовую формата 1024x1024.

Отсутствие смаза изображения позволяет использовать матрицу в ИКС при регист­рации быстропротекающих процессов или при наблюдении объектов, движущихся с большими угловыми скоростями.

Испытания экспериментального образца тепловизионной камеры с матрицей форма­та 256x256 на базе PtSi проводились в городских условиях в разнообразную погоду в диапазоне окружающей температуры от—1 до +12°С. При объективе с диаметром вход­ного зрачка 80 мм, относительном отверстии 1:1,1 и угловом поле 10° в диапазоне длин волн 3,2...5,2 мкм эквивалентная шуму разность температур при обнаружении мало­размерных объектов типа проводов оказалась равной 0,06...0,12 К (при калибровке по черному телу с Т = 48°С и Т= 28°С соответственно). Смаза или остаточного сигнала от изображения объектов, находящихся на дальностях от 0,2 до 10 км и движущихся с уг­ловой скоростью до 1 рад/с, не наблюдалось. Отношение разности сигналов от объекта - провода и фона к шуму составляло около 8, и провод был хорошо различим.

Повышение качества неохлаждаемых микроболометрических МПИ и одновремен­ное снижение их стоимости усилило интерес к гражданским применениям транспорт­ных ИКС, работающих в диапазоне 7... 14 мкм. Так, после многолетних исследова­ний, стоивших более 100 млн долл., фирма «Raytheon» (США) в конце 1999 г. выпус­тила на рынок систему ночного видения Night Vision (Night Driver), устанавливаемую на автомобиль «кадиллак де Билль». Эта система, обеспечивающая пятикратное по сравнению с обычными фарами увеличение дальности видения, построена на базе термостабилизированной микроболометрической матрицы формата 320x240 (см. №8 табл. 14.1 и 14.2). Камера с габаритами 120x105x125 мм, содержащая ФПУ и от­дельные узлы электронного блока, монтируется в моторном отсеке автомобиля. Она работает в спектральном диапазоне 7... 14 мкм, имеет угловое поле 12x9°, потребля­ет мощность менее 7 Вт при автономном блоке питания и постоянное напряжение 12 В при питании от бортовой сети. Жидкокристаллический дисплей, изображение с которого проецируется на лобовое стекло, обеспечивает поле обзора 11x4°. Габари­ты всей системы составляют 235x285x110 мм. Диапазон рабочих температур системы -40...+75°С.

ИКС вождения Night Sight™ DW 1000, созданная также фирмой «Raytheon», обес­печивает круглосуточное наблюдение. В ее основе лежит та же микроболометрическая матрица формата 320x240. Угловое поле ИКС 40x30°, масса камеры 1,4 кг, дисплея 3 кг, потребляемая мощность от 26 до 98 Вт при соответствующих температурах от +23 до -6°С. Выход системы совместим с кассетными магнитофонами стандарта NTSC.

В рамках программы обеспечения безопасности автомобильного движения, реали­зуемой Министерством земель, инфраструктуры и транспорта Японии, корпорация «Nissan» создала опытные образцы ИКС для предотвращения наезда на пешеходов в ночное время суток и в так называемой мертвой зоне видимости [140]. В качестве чувствительных элементов были выбраны термопары формата 48x32 с размерами от­дельных элементов 190x190 мкм. Это обусловлено рядом причин, и прежде всего, от­сутствием необходимости иметь в составе ИКС систему охлаждения (и даже систему термостабилизации или контроля температуры приемника) и какие-либо подвижные детали, например обтюраторы, хорошей совместимостью термопар с обычными элек­тронными схемами и КМОП-процессорами и, как следствие, низкой стоимостью сис­темы и ее доступностью широкому кругу потребителей. Система с габаритами 100x60x80 мм имеет массу 400 г и потребляет мощность 3 Вт. Угловое поле однолин­зового объектива системы 40x20°, фокусное расстояние 15 мм, диафрагменное число К = 0,7. Германиевая линза объектива просветлена для А. = 10 мкм. Чувствительность приемника, определенная по излучению черного тела с 7=500 К, равна 2100 В/Вт при постоянной времени 25 мс. Система работает в спектральном диапазоне

8.. . 13 мкм; ДГП < 0,4°С.

На автомобиле предполагается устанавливать четыре таких системы - две спереди и две сзади. Они способны обнаруживать ИК-излучение тела пешехода на расстоянии около 3 м, после чего посылают сигналы в автоматическую систему управления и бло­кировки автомобиля.

В последние годы появились сообщения о попытках использовать ИКС «смотряще­го» типа для вождения речных и морских судов, а также в железнодорожном транспор­те. В §14.2 говорилось о некоторых ИКС корабельного базирования, имеющихся в ВМФ ряда стран. Приведем несколько примеров систем более широкого (военного и гражданского) применения.

Система Sea LYNX, работающая в спектральном диапазоне 0,4...0,95 мкм, была спроектирована специально для наблюдения за обстановкой вокруг речных и морских судов, что особенно важно при прохождении судна в «узостях» и около берега. Систе­ма не только обнаруживает объекты на поверхности воды: небольшие торчащие из во­ды камни, бревна, льдины, малоразмерные суда, людей, но и с помощью встроенного импульсного локатора определяет расстояния до них в диапазоне 50...350 м с погреш­ностью 24 м. Угловое поле системы 9x4°, а разрешение на экране монитора - не менее 450 TBJL Поворотное устройство, на котором устанавливается оптико-электронный блок, обеспечивает просмотр поля обзора в диапазоне +15.. .-20° по углу возвышения и ±180° по азимуту с угловыми скоростями 30° в секунду. Пульт управления системой и поворотным устройством может быть встроен в общий пульт управления судном, а управление поворотами оптико-электронного блока и системой очистки защитного стекла может осуществляться дистанционно.

В спектральном диапазоне 3...5 мкм работает ИКС Neptune фирмы «NVT» (рис. 14.7 на вклейке). Ее основу составляет PtSi-МПИ формата 640х480 пикселов размером 25 мкм (№35 в табл. 14.1 и 14.2). Для этой ИКС АТп < 90 мК. Объективы с фокусными расстоя­ниями 100 и 300 мм и К = 1 позволяют просматривать угловые поля 9,09x6,93° и 3,05x2,32° соответственно.

Предназначенные для судов ИКС часто размещаются на одном основании с другими навигационными или наблюдательными средствами, например с визуальными радио­локационными и телевизионными. Так, система Neptune, имеющая в своем составе ла­зерный дальномер, ПЗС-камеру и радиолокатор, устанавливается на разворачиваю­щуюся по азимуту (±180°) и по углу возвышения (±30°) платформу. Электронный блок и система отображения (15"-дисплей) вынесены в отдельный блок. Общая масса систе­мы 95 кг, энергопотребление 100 Вт. Конструкция системы обеспечивает ее работоспо­собность в условиях качки, повышенной влажности и химической агрессивности окру­жающей среды.

Эффективность использования ИКС на водном и железнодорожном транспорте не вызывает сомнений, особенно с учетом возможностей создания систем с увеличенными габаритами, массой и энергопотреблением. Основной проблемой остается высокая стоимость, препятствующая достаточно широкому распространению таких систем. По­этому во многих случаях предпочтение отдается ИК-биноклям и системам наблюдения, очкам ночного видения и другим наголовным (нашлемным) ИКС (см. ранее).

Инфракрасные системы позволяют также всесторонне проверять транспортные сред­ства в ночных условиях и в условиях плохой видимости. Имеются сообщения об успеш­ном применении ИКС для этих целей при контроле военной техники. Матрица охлаж­даемых до 77 К фотоприемников из InSb форматом 512x488 пикселов работает в этих ИКС в спектральных диапазонах 2,2...5,0 и 3,3...4,1 мкм и обеспечивает температурное разрешение (эквивалентную шуму разность температур) в 0,02 К в угловом поле 15°.

Дистанционный контроль транспортных потоков может осуществляться с помощью камеры Jade UC, разработанной компанией «CEDIP Infrared Systems» (табл. 14.1 и 14.2, №25).