Хроники тепловидения. Часть 2
Ключевой проблемой индивидуальных тепловизоров в составе приборно-прицельного комплекса являются жесткие требования к массе и габаритам. Разместить систему охлаждения матрицы жидким азотом невозможно, поэтому приходится искать новые инженерные решения. А зачем вообще городить сложнейший и дорогой тепловизор, если уже есть отличные инфракрасные приборы ночного видения для индивидуального стрелкового оружия? Дело в маскировке противника, задымлённости, атмосферных осадках и световых помехах^ все это резко снижает эффективность работы приборов ночного видения даже с электронно-оптическими преобразователями III поколения. Продукт новосибирского ЦКБ «Точприбор» под индексом 1ПН116 как раз предназначен для работы в подобных условиях и является олдскульным представителем приборов детектирования инфракрасного излучения объектов на поле боя.
Тепловизионный прицел 1ПН116 своим зорким зрением видит всё размером с человека и что горячее природного фона на 1200 метров вперед. Прибор имеет значительную массу (3,3 кг), поэтому и ставят его преимущественно на СВД, пулеметы «Печенег» и «Корд». В качестве «сетчатки» используется неохлаждаемый микроболометр, матрица которого имеет 320х240 пикселей. Разберемся подробнее в хитростях неохлаждаемого тепловидения.
[center]Твердотельный микроболометр военного назначения
Это техника уже третьего поколения, имеющая принципиальные отличия от предыдущих отсутствием сложной и не всегда надежной системы оптико-механической развертки. В этом поколении тепловизоры базируются на фокально-плоскостных (Focal Plate Area – FPA) твердотельных матричных приемниках, устанавливаемых сразу за плоскостью объектива. «Химия» теплового зрения в таких гаджетах, в подавляющем большинстве случаев, основывается на резистивных слоях оксидов ванадия VOx или аморфного кремнии α-Si. Но есть и исключения, в которых фотоприемные устройства или «сердца» тепловизоров, базируются на основе PbSe, пироэлектрических матриц фотодетекторов, или матриц на основе соединений CdHgTe, оснащенных термоэлектрическим охлаждением. Интересно, что подобное охлаждение чаще всего по прямому назначению не используется, а только обеспечивает термостабильность при изменчивых условиях внешней среды. Микроболометры из серии VOx или α-Si регистрируют изменения электрического сопротивления под влиянием температуры, что и относится к основному принципу работы тепловизора. В каждом подобном твердотельном датчике располагается микросхема предварительной обработки сигнала, занимающаяся преобразованием сопротивления в выходное напряжение и компенсирующее фоновое излучение. Важным требованием микроболометра является работа в вакууме и «теплопрозрачная» германиевая оптика, что серьезно усложняет работу и конструкторов, и производственников. И сам сенсор должен иметь надежную подложку с включениями германия или арсенида галлия. Чтобы понять всю тонкость работы микроболометра, надо отметить, что колебания температуры кристалла на 0,1 К ведет за собой крошечное изменение сопротивления на 0,03%, которые и необходимо отследить. Аморфный кремний, при всех прочих равных условиях, имеет некоторые преимущества перед оксидами ванадия – однообразием кристаллической решетки и высокой чувствительностью. Это делает изображение для пользователя контрастнее и менее подверженным шумам, по сравнению с аналогичной техникой на VOx. Каждый пиксель микроболометра по-своему уникален – у него собственный, немного отличный от собратьев, коэффициент усиления и смещения, влияющие на итоговую картинку. За счет увеличения количества пикселей, уменьшения шага между ними (до 9-12 микрон) и их миниатюризации, конструкторы пытаются, в том числе, снизить уровень шумов на изображении. «Плохие» или дефектные пиксели – серьезная проблема при изготовлении микроболометров, вынуждающая инженеров разрабатывать программные механизмы для нивелирования белых или черных точек на экране и мерцающих частиц. Обычно это организуется с помощью интерполяции, то есть исходящий сигнал от «битого» пикселя заменяют производным от значения соседей. Важнейшим параметром матрицы является значение NETD (Noise Equivalent Temperature Difference) или температура, при которой микроболометр отличается сигнал от шума. Безусловно, сенсор должен работать быстро, поэтому следующим параметром становится временная константа или скорость, с которой тепловизор реагирует на изменении температуры. Коэффициент заполнения или fill factor – характеристика матрицы, отражающая уровень наполненности микроболометра чувствительными элементами, чем он больше, тем качественнее изображение видит оператор. Hi-tech матрицы могут похвастаться 90-% заполнением матрицы с количеством пикселей, достигающих 1 млн. Пользователь может наблюдать поле боя в двух вариантах – монохромной и цветной палитре. Продукты военного и охранного назначения обычно генерируют монохромное изображение, так как четкость фигур противника и его техники гораздо выше цветного варианта.
Перспективно выглядят наработки американских ученых, касательно использования графена в качестве инфракрасного сенсора. Этот 2D-материал куда только не пытаются внедрить и вот очередь дошла до тепловизионных технологий. Учитывая, что 70-80% стоимости неохлаждаемого тепловизора составляют микроболометр и германиевая оптика, идея создания графеновых термоэлектрических датчиков очень заманчива. По утверждению американцев, достаточно одного слоя относительно недорого графена на подложке из нитрида кремния и прототип уже приобретает способность различать человека при комнатной температуре.
Как за рубежом, так в России большое внимание уделяется разработкам, связанным с атермализацией оптических систем тепловизоров, то есть устойчивостью к перепадам температур окружающей среды. Линзы используются из халькогенидных материалов – GeAsSe и GaSbSe, у которых показатели преломления лучей мало зависят от температуры. Комании LPT и Murata Manufacturing разработали методику получения подобных линз методом горячего прессования с последующей алмазным точением асферических и гибридных линз. В России одним из немногих производителей атермальных линз является ОАО «НПО ГИПО – Государственный институт прикладной оптики», входящий в состав холдинга «Швабе». В качестве материала линз выступает бескислородное стекла, селениды цинка и германия, а корпус выполнен из высокопрочного алюминиевого сплава, что в итоге гарантирует отсутствие искажений в диапазоне от -400С до +500С.
В России, кроме упоминаемого 1ПН116 от ФГУП «ЦКБ Точприбор» (или «Швабе-приборы»), на вооружении принят гораздо более легкий тепловизионный прицел «Шахин» (ОАО ЦНИИ «Циклон»), названный за «зоркость» в честь хищного вида соколиных, отличающийся французской матрицей Ulisse с 160х120 пикселей (либо 640x480) и дальностью распознания ростовой фигуры в 400-500 метров. В последних генерациях импортный микроболометр заменили на отечественную модель.
Далее по списку: тепловизионный прицел ПТ3 от новосибирского «Швабе – оборона и защита» с разрешением матрицы в 640х480 элементов, массой в 0,69 кг и, ставшей «золотым стандартом», дальностью обнаружения ростовой фигуры в 1200 м. Шаг пикселя данного прицела не является выдающимися показателем и составляет 25 мкм, что и формирует скромное итоговое разрешение картинки. К слову, холдинг организовал производство охотничьего прицела на базе военной разработки под шифром ПТЗ-02. Еще один представитель отечественной конструкторской школы — тепловизионный прицел «Альфа ТИГР» от ставшего, похоже, монополистом подразделения «Швабе – Фотоприбор», с микроболометрическим приемником в диапазоне 7-14 мкм с разрешением 384x288 пикселей. В «ТИГРЕ» оператор работает с монохроматическим OLED микродисплеем на 800х600 пикселей, из них 768x576 зарезервированы для отображения тепловизионного изображения. Важным отличием от ранних образцов российских тепловизионных прицелов является увеличенная на 30 минут продолжительность работы – теперь воевать в ИК-диапазоне можно 4,5 часа. Его модификация «Альфа-ПТ-5» имеет редкий фотоприемник PbSe с электрической термостабилизацией. Универсальный прицел ПТ-1 от НПО «НПЗ» способен сочетаться с многими образцами стрелкового вооружения за счет особого крепления и памяти, в которой запрограммирована баллистика и прицельные сетки для широкой линейки оружия. Сжатие мышцами глаза наглазника прицела включает микродисплей, а разжимание выключает – вот такая система энергосбережения реализована в ПТ-1. Американские микроболометры установлены на тепловизионный прибор прицеливания и наблюдения «Гранит- Е» от МНПК «Спектр». Техника с «широкополярным» зрением представлена компанией с длинным названием НФ ИФП СО РАН «КТП ПМ» под индексом ТБ-4-50 и имеет поле зрения 18 град на 13,6 град.
К слову, компания предлагает гамму из трех типоразмеров тепловизионных прицелов ТБ-4, ТБ-4-50 и ТБ-4-100, оснащенных современным микропроцессором для обработки изображения на основе архитектуры HPRSC (High Perfomance Reconfigurable Super Computing). Отдельным направлением выступают новые тепловизионные прицелы «Маугли-2М» под индексом 1ПН97М, устанавливаемый на семейство ПЗРК типа «Стрела-2М», «Стрела-3», «Игла-1», «Игла», «Игла-С» и новейшую «Вербу». Разрабатывают и собирают прицелы на на питерском ЛОМО и отличаются они, конечно, огромной дальностью обнаружения в 6000 м. Альтернативой «Маугли» могут стать прицелы TV/S-02 от фирмы БЕЛОМО из ближнего зарубежья, предназначенные для тяжелого стрелкового оружия – крупнокалиберных винтовок, гранатометов и, собственно, ПЗРК. При массе не более 2 кг белорусский прицел демонстрирует впечатляющую дальность обнаружения человека в 2000 метров, а распознавания в 1300 метров.
В этой части «Тепловизионных хроник» мы рассказали о некоторых отечественных тепловизионных индивидуальных прицелах и их собратьях из ближнего зарубежья. Впереди зарубежные аналоги, танковые тепловизоры, а также индивидуальные приборы наблюдения и разведки.
1ПН116, установленный на ПКМ
Тепловизионный прицел 1ПН116 своим зорким зрением видит всё размером с человека и что горячее природного фона на 1200 метров вперед. Прибор имеет значительную массу (3,3 кг), поэтому и ставят его преимущественно на СВД, пулеметы «Печенег» и «Корд». В качестве «сетчатки» используется неохлаждаемый микроболометр, матрица которого имеет 320х240 пикселей. Разберемся подробнее в хитростях неохлаждаемого тепловидения.
[center]Твердотельный микроболометр военного назначения
Это техника уже третьего поколения, имеющая принципиальные отличия от предыдущих отсутствием сложной и не всегда надежной системы оптико-механической развертки. В этом поколении тепловизоры базируются на фокально-плоскостных (Focal Plate Area – FPA) твердотельных матричных приемниках, устанавливаемых сразу за плоскостью объектива. «Химия» теплового зрения в таких гаджетах, в подавляющем большинстве случаев, основывается на резистивных слоях оксидов ванадия VOx или аморфного кремнии α-Si. Но есть и исключения, в которых фотоприемные устройства или «сердца» тепловизоров, базируются на основе PbSe, пироэлектрических матриц фотодетекторов, или матриц на основе соединений CdHgTe, оснащенных термоэлектрическим охлаждением. Интересно, что подобное охлаждение чаще всего по прямому назначению не используется, а только обеспечивает термостабильность при изменчивых условиях внешней среды. Микроболометры из серии VOx или α-Si регистрируют изменения электрического сопротивления под влиянием температуры, что и относится к основному принципу работы тепловизора. В каждом подобном твердотельном датчике располагается микросхема предварительной обработки сигнала, занимающаяся преобразованием сопротивления в выходное напряжение и компенсирующее фоновое излучение. Важным требованием микроболометра является работа в вакууме и «теплопрозрачная» германиевая оптика, что серьезно усложняет работу и конструкторов, и производственников. И сам сенсор должен иметь надежную подложку с включениями германия или арсенида галлия. Чтобы понять всю тонкость работы микроболометра, надо отметить, что колебания температуры кристалла на 0,1 К ведет за собой крошечное изменение сопротивления на 0,03%, которые и необходимо отследить. Аморфный кремний, при всех прочих равных условиях, имеет некоторые преимущества перед оксидами ванадия – однообразием кристаллической решетки и высокой чувствительностью. Это делает изображение для пользователя контрастнее и менее подверженным шумам, по сравнению с аналогичной техникой на VOx. Каждый пиксель микроболометра по-своему уникален – у него собственный, немного отличный от собратьев, коэффициент усиления и смещения, влияющие на итоговую картинку. За счет увеличения количества пикселей, уменьшения шага между ними (до 9-12 микрон) и их миниатюризации, конструкторы пытаются, в том числе, снизить уровень шумов на изображении. «Плохие» или дефектные пиксели – серьезная проблема при изготовлении микроболометров, вынуждающая инженеров разрабатывать программные механизмы для нивелирования белых или черных точек на экране и мерцающих частиц. Обычно это организуется с помощью интерполяции, то есть исходящий сигнал от «битого» пикселя заменяют производным от значения соседей. Важнейшим параметром матрицы является значение NETD (Noise Equivalent Temperature Difference) или температура, при которой микроболометр отличается сигнал от шума. Безусловно, сенсор должен работать быстро, поэтому следующим параметром становится временная константа или скорость, с которой тепловизор реагирует на изменении температуры. Коэффициент заполнения или fill factor – характеристика матрицы, отражающая уровень наполненности микроболометра чувствительными элементами, чем он больше, тем качественнее изображение видит оператор. Hi-tech матрицы могут похвастаться 90-% заполнением матрицы с количеством пикселей, достигающих 1 млн. Пользователь может наблюдать поле боя в двух вариантах – монохромной и цветной палитре. Продукты военного и охранного назначения обычно генерируют монохромное изображение, так как четкость фигур противника и его техники гораздо выше цветного варианта.
Перспективно выглядят наработки американских ученых, касательно использования графена в качестве инфракрасного сенсора. Этот 2D-материал куда только не пытаются внедрить и вот очередь дошла до тепловизионных технологий. Учитывая, что 70-80% стоимости неохлаждаемого тепловизора составляют микроболометр и германиевая оптика, идея создания графеновых термоэлектрических датчиков очень заманчива. По утверждению американцев, достаточно одного слоя относительно недорого графена на подложке из нитрида кремния и прототип уже приобретает способность различать человека при комнатной температуре.
Как за рубежом, так в России большое внимание уделяется разработкам, связанным с атермализацией оптических систем тепловизоров, то есть устойчивостью к перепадам температур окружающей среды. Линзы используются из халькогенидных материалов – GeAsSe и GaSbSe, у которых показатели преломления лучей мало зависят от температуры. Комании LPT и Murata Manufacturing разработали методику получения подобных линз методом горячего прессования с последующей алмазным точением асферических и гибридных линз. В России одним из немногих производителей атермальных линз является ОАО «НПО ГИПО – Государственный институт прикладной оптики», входящий в состав холдинга «Швабе». В качестве материала линз выступает бескислородное стекла, селениды цинка и германия, а корпус выполнен из высокопрочного алюминиевого сплава, что в итоге гарантирует отсутствие искажений в диапазоне от -400С до +500С.
Тепловизионный прицел «Шахин» от ОАО ЦНИИ «Циклон»
В России, кроме упоминаемого 1ПН116 от ФГУП «ЦКБ Точприбор» (или «Швабе-приборы»), на вооружении принят гораздо более легкий тепловизионный прицел «Шахин» (ОАО ЦНИИ «Циклон»), названный за «зоркость» в честь хищного вида соколиных, отличающийся французской матрицей Ulisse с 160х120 пикселей (либо 640x480) и дальностью распознания ростовой фигуры в 400-500 метров. В последних генерациях импортный микроболометр заменили на отечественную модель.
Тепловизионный прицел ПТ3 на хранении в футляре
Далее по списку: тепловизионный прицел ПТ3 от новосибирского «Швабе – оборона и защита» с разрешением матрицы в 640х480 элементов, массой в 0,69 кг и, ставшей «золотым стандартом», дальностью обнаружения ростовой фигуры в 1200 м. Шаг пикселя данного прицела не является выдающимися показателем и составляет 25 мкм, что и формирует скромное итоговое разрешение картинки. К слову, холдинг организовал производство охотничьего прицела на базе военной разработки под шифром ПТЗ-02. Еще один представитель отечественной конструкторской школы — тепловизионный прицел «Альфа ТИГР» от ставшего, похоже, монополистом подразделения «Швабе – Фотоприбор», с микроболометрическим приемником в диапазоне 7-14 мкм с разрешением 384x288 пикселей. В «ТИГРЕ» оператор работает с монохроматическим OLED микродисплеем на 800х600 пикселей, из них 768x576 зарезервированы для отображения тепловизионного изображения. Важным отличием от ранних образцов российских тепловизионных прицелов является увеличенная на 30 минут продолжительность работы – теперь воевать в ИК-диапазоне можно 4,5 часа. Его модификация «Альфа-ПТ-5» имеет редкий фотоприемник PbSe с электрической термостабилизацией. Универсальный прицел ПТ-1 от НПО «НПЗ» способен сочетаться с многими образцами стрелкового вооружения за счет особого крепления и памяти, в которой запрограммирована баллистика и прицельные сетки для широкой линейки оружия. Сжатие мышцами глаза наглазника прицела включает микродисплей, а разжимание выключает – вот такая система энергосбережения реализована в ПТ-1. Американские микроболометры установлены на тепловизионный прибор прицеливания и наблюдения «Гранит- Е» от МНПК «Спектр». Техника с «широкополярным» зрением представлена компанией с длинным названием НФ ИФП СО РАН «КТП ПМ» под индексом ТБ-4-50 и имеет поле зрения 18 град на 13,6 град.
Тепловизионный прицел ТБ-4-100
К слову, компания предлагает гамму из трех типоразмеров тепловизионных прицелов ТБ-4, ТБ-4-50 и ТБ-4-100, оснащенных современным микропроцессором для обработки изображения на основе архитектуры HPRSC (High Perfomance Reconfigurable Super Computing). Отдельным направлением выступают новые тепловизионные прицелы «Маугли-2М» под индексом 1ПН97М, устанавливаемый на семейство ПЗРК типа «Стрела-2М», «Стрела-3», «Игла-1», «Игла», «Игла-С» и новейшую «Вербу». Разрабатывают и собирают прицелы на на питерском ЛОМО и отличаются они, конечно, огромной дальностью обнаружения в 6000 м. Альтернативой «Маугли» могут стать прицелы TV/S-02 от фирмы БЕЛОМО из ближнего зарубежья, предназначенные для тяжелого стрелкового оружия – крупнокалиберных винтовок, гранатометов и, собственно, ПЗРК. При массе не более 2 кг белорусский прицел демонстрирует впечатляющую дальность обнаружения человека в 2000 метров, а распознавания в 1300 метров.
В этой части «Тепловизионных хроник» мы рассказали о некоторых отечественных тепловизионных индивидуальных прицелах и их собратьях из ближнего зарубежья. Впереди зарубежные аналоги, танковые тепловизоры, а также индивидуальные приборы наблюдения и разведки.
- Евгений Федоров
- technowars.defence.ru defence.ru voprosik.net
Информация