Средства ночного видения

Полковник В. Литвененико, кандидат технических наук; подполковник
М. Шахмин, кандидат технических наук

История создания и применения в сухопутных войсках средств ночного видения характеризуется большим многообразием принципов построения и конструктивных решений ночных прицелов и приборов наблюдения. Но тем не менее по принципу действия все они делятся на два класса: приборы, использующие отраженный от целей и местных предметов свет Луны, звезд или искусственных источников - инфракрасных осветителей, и приборы, использующие преимущественно собственное тепловое излучение целей и местных предметов.

Вначале были созданы приборы первого класса, которые назвали приборами ночного видения (ПНВ). Появившиеся затем приборы второго класса, строго говоря, тоже являются приборами ночного видения, но поскольку они преобразуют тепловое излучение в видимое изображение, то обычно их называют тепловизионными приборами (ТВП).

Рис. 1. Американский прибор ночного видения для механиков-водителей танков серии М60

Рис. 2. Средства ночного видения, созданные американской фирмой «Варо»: прицелы AN/PVS-4 (слева) AN/TVS-э (справа) и ночные очки AN/PVS-5A (в центре)

Рис. 3. Прибор ночного видения английской фирмы «Пилкингтон»

Рис. 4. Французский ПНВ третьего поколения SN2H на шлеме пилота вертолета

Рис. 5. Французские общие модули тепловизионных приборов

Рис. 6. Английский тепловизионный прибор lR-18Mk2

Современная зарубежная классификация выделяет четыре поколения ПНВ, характеристики которых приведены в таблице. Судя по сообщениям иностранной печати, до сегодняшнего дня в сухопутных войсках стран НАТО на вооружении состоят ПНВ всех четырех поколений, однако производство приборов активного типа (нулевого поколения) прекращено. Основная причина отказа от таких ПНВ - их демаскирующие свойства, обусловленные применением ИК прожекторов для освещения местности и целей. Правда, в 70-е - начале 80-х годов интерес к ПНВ активного типа резко возрос вследствие использования в качестве осветителей для них лазеров, работающих в импульсном режиме. Цель при этом освещается короткими импульсами лазерного излучения. Поскольку прибор включается только тогда, когда объектива достигают лазерные импульсы, отраженные от цели, то в ПНВ не попадают паразитные импульсы от местных предметов, находящихся впереди и сзади цели, а также отраженные от взвешенных в атмосфере частиц пыли, влаги, дыма. В результате дальность наблюдения значительно возрастает по сравнению с подсветкой обычными ИК прожекторами. Вместе с тем специфика работы ПНВ с импульсным лазерным осветителем потребовала при поиске цели сканирования не только по фронту, но и в глубину. Малые размеры углового поля прибора затрудняют решение задачи поиска целей, поэтому такие приборы предполагалось использовать главным образом для опознавания цели, уже обнаруженной другим средством (например, теплопеленгатором).

После принятия решения об оснащении армий стран НАТО тепловизионными приборами исследования в области создания активных ПНВ с импульсными лазерными осветителями, судя по сообщениям иностранной печати, прекратились. В настоящее время продолжается серийное производство пассивных ПНВ всех трех поколений, хотя наибольшее распространение в армиях стран НАТО получили ПНВ второго поколения. Они используются как в прицелах и приборах наблюдения различных родов войск, так и в очках ночного видения (рис. 1, 2 и 3). В них в качестве усилителей яркости изображения применяются микроканальные пластины (тонкий диск с большим числом микроскопических каналов, каждый из которых является миниатюрным усилителем вторичной эмиссии электронов, испускаемых фотокатодом электронно-оптического преобразователя). Это уменьшило (по сравнению с ПНВ первого поколения) массу и габариты прибора в 1,5-2 раза при одновременном повышении на такое же значение дальности действия. Кроме того, они существенно менее чувствительны к световым помехам. Световая помеха наблюдается в их поле зрения в виде светлой точки, не ухудшающей видимость в остальной части поля зрения, тогда как в ПНВ первого поколения она засвечивает все поле зрения прибора. В то же время по коэффициенту усиления приборы второго поколения уступают многокамерным ПНВ первого поколения. Да и стоимость последних значительно ниже. Поэтому за рубежом в ряде случаев предпочтение пока отдается приборам ночного видения первого поколения (средства наблюдения и разведки целей на больших дальностях, прицелы стрелкового оружия). И все же очевидные достоинства ПНВ второго поколения вызвали приоритетное их развитие, начавшееся в конце 60-х годов и продолжающееся до настоящего времени.

На современном этапе главное внимание уделяется повышению чувствительности, разрешающей способности и соотношения «сигнал/шум» электронно-оптических усилителей приборов второго поколения. Так, голландская фирма «Филипс» разработала новый электронно-оптический усилитель, чувствительность которого вдвое превышает этот показатель у ранее известных усилителей ПНВ второго поколения (500 мкА/лм против 240-270 мкА/лм). Увеличены также разрешающая способность (36 линий/мм против 28- 32 линий/мм) и соотношение «сигнал/шум» (15,5 : 1 против 6,5 : 1). Кроме того, за счет специальной обработки микроканальной пластины срок службы электронно-оптического усилителя увеличен втрое (до 3500 ч).

Улучшение характеристик электронно-оптических усилителей второго поколения обеспечило создание прицелов и приборов наблюдения с большой дальностью действия. Так, прицел, разработанный для модернизированной системы наблюдения танка «Леопард-1», обеспечивает дальность наблюдения и прицеливания до 1300 м в безлунную ночь и до 2700 м в лунную. Это высокие характеристики, но и они уже не удовлетворяют современным требованиям ведения ночного боя, которые сводятся к необходимости обеспечения дальности действия оружия ночью такой же, как и днем.

Стремление выполнить данное требование привело к появлению в начале 80-х годов ПНВ третьего поколения. Усилители яркости изображения этих приборов в отличие от усилителей второго поколения, в которых фотокатод изготавливался из трех щелочных компонентов, содержат фотокатод на арсениде галлия. Такой фотокатод улучшает характеристики ПНВ в двух направлениях: повышает чувствительность в видимой области спектра электромагнитных колебаний (до 1250 мкА/лм) и смещает зону высокой чувствительности усилителя в инфракрасную область спектра. При крайне низком уровне естественной ночной освещенности сигнал от фотокатода усиливается в 4 раза, что обеспечивает высокое разрешение целей в ПНВ третьего поколения и повышение дальности их действия на 30-40 проц. По оценкам зарубежных специалистов, только 8 проц. ночей в Европе имеют освещенность, которая мала для функционирования этих приборов. Недостатком усилителей яркости изображения с арсенид-галлиевым фотокатодом является их высокая стоимость (в 2-2,5 раза выше, чем у усилителей ПНВ второго поколения), поэтому приборы ночного видения третьего поколения используются пока в основном экипажами боевых вертолетов (рис. 4). В то же время конструкции ночных прицелов для стрелкового оружия все чаще приспосабливаются для возможной замены усилителей яркости изображения второго поколения усилителями третьего поколения.

По мнению западных экспертов, перспективы широкого распространения ПНВ третьего поколения в сухопутных войсках весьма сомнительны вследствие переориентации армий стран НАТО на тепловизионную технику. Они считают, что в будущем такие ПНВ найдут применение лишь в приборах с малой требуемой дальностью действия и при ограничениях по массе (до 1 кг), например в очках ночного видения и приборах водителей боевых машин. Это объясняется прежде всего тем, что дальность их действия резко сокращается в плохую погоду, и они, обладая высокой чувствительностью, теряют видимость при попадании в поле зрения ярких источников света. Поэтому вполне понятен тот интерес, какой был проявлен зарубежными специалистами к другому (пассивному) способу наблюдения не только ночью, но и днем в неблагоприятных атмосферных условиях и при применении противником различных искусственных помех - к тепловидению.

Тепловизионные приборы по сравнению с ПНВ обладают следующими достоинствами: независимость работы от уровня естественной освещенности; скрытность и большая дальность действия; способность обнаруживать цели, закрытые растительностью и маскировочными сетями; незначительное снижение дальности наблюдения при задымлении и запылении атмосферы; безотказная работа при слепящих засветках вспышками дульного пламени и применении осветительных средств противника; способность обнаруживать минные поля, а также следы боевых и транспортных машин; возможность передачи изображений по каналам связи.

Поскольку тепловизоры являются более дорогостоящими средствами ночного видения, чем ПНВ, то для сокращения стоимости их разработки и изготовления более 15 лет назад в основном в странах НАТО были предложены, стандартизированы и освоены в производстве общие тепловизионные модули СМ, TICM и SMT (рис. 5). Приборы, оснащенные этими модулями, относят к первому поколению ТВП.

В качестве основы функционирования американской системы модулей СМ избран параллельный способ сканирования изображения линейкой детекторов из кадмия и ртути и теллурида (КРТ). Количество элементов выбирается в зависимости от вооружения, с которым используется ТВП. Модули приборов наблюдения имеют линейку из 60 элементов КРТ, прицелов танков и боевых машин - из 120, а модули прицелов самолетов и вертолетов - из 180 элементов. Во французской системе SMT и английской TICM используется параллельно - последовательный способ сканирования изображения матрицей детекторов, содержащей от 24 до 88 элементов. Опыт эксплуатации и боевого применения ТВП выявил ряд недостатков перечисленных систем общих тепловизионных модулей, поэтому в странах НАТО ведутся широкие исследования по их совершенствованию. Основными направлениями этих работ являются: уменьшение размеров чувствительных элементов детекторов, применение новых способов детектирования, разработка цифровых сканирующих преобразователей, создание неохлаждаемых матриц детекторов.

Уменьшение размеров чувствительных элементов детекторов повлечет улучшение геометрической разрешающей способности прибора и, следовательно, повышение дальности действия ТВП. С другой стороны, чрезмерное уменьшение размеров этих элементов может вызвать снижение яркости и контраста изображения, что ухудшает возможности опознавания цели. Кроме того, снижению размеров препятствует наличие в общих модулях механической системы сканирования.

Повышения качества изображения, уменьшения габаритов, массы и энергопотребления тепловизоров и упрощения технологии их изготовления удалось достичь применением нового способа детектирования - с помощью детектора СПРАЙТ (SPRITE - Signal Processing In The Element). Он представляет собой полоску из KPT элементов, в которой дополнительно осуществляются функции задержки и суммирования принимаемых сигналов.

Благодаря этому упрощается процесс обработки сигналов и значительно сокращается число соединительных проводов, в результате чего уменьшаются габариты и масса систем охлаждения ТВП.

На основе детекторов СПРАЙТ английская фирма «Барр энд Страуд» разработала тепловизионные приборы IR-18Mk2 и IR-26, предназначенные для установки на технику различных родов войск. Первый прибор (рис. 6) потребляет всего 32 Вт, имеет массу 8,5 кг и оснащен телескопом с двумя полями зрения (38х26,5° и 4,2х2,6°). IR-26 (масса 32 кг) содержит три узла: тепловизионную головку, блок обработки сигналов и пульт управления. Сканирующая тепловизионная головка оснащена телескопом с двумя полями зрения (4,75х3,18° и 13,6х9,1°).

Что касается применения цифровых сканирующих преобразователей, то, по мнению иностранных специалистов, с их помощью устраняются потери разрешающей способности прицелов и приборов наблюдения при преобразовании теплового изображения в видимое для воспроизведения на дисплее.

Интенсивно ведутся работы и по созданию неохлаждаемых или работающих при комнатной температуре ИК детекторов тепловизионных приборов. Дело в том, что для получения качественных изображений в ТВП, созданных на базе общих модулей, фотоприемники охлаждаются до температуры 77К. При этом используются различные системы охлаждения, имеющие один общий недостаток - они существенно увеличивают габариты и массу ТВП. В результате тепловизоры, созданные на базе общих модулей, по своим массо-габаритным показателям неприемлемы для установки на стрелковое оружие. Стремление создать ТВП, пригодные в качестве прицелов к стрелковому оружию, привело к созданию ИК матриц, работающих при комнатной температуре. Приборы с подобными матрицами разработаны в США и Франции. За счет снижения габаритов и массы системы охлаждения масса приборов находится в пределах 2-2,5 кг, что позволяет устанавливать их на стрелковое оружие.

Непрерывное совершенствование ТВП первого поколения обеспечило им высокие характеристики, которые и по сей день вполне удовлетворяют потребностям армий стран НАТО. Но, как полагают западные специалисты, в будущем они не смогут соответствовать требованиям общевойскового боя по дальности действия, возможностям функционирования в неблагоприятных условиях и надежности. Считается, что этим требованиям будут удовлетворять тепловизионные приборы, созданные на плоских матричных элементах. Их еще называют несканирующими и относят ко второму поколению ТВП. В качестве детектора в них используется матрица элементов, обеспечивающая одновременный просмотр всего поля зрения без механического сканирования. При этом достигается значительное повышение температурной чувствительности при сохранении детального разрешения, ограниченного лишь разрешающей способностью объектива. Для считывания сигналов с отдельных ячеек матрицы-детектора используются элементы с зарядовой связью, установленные параллельно строчкам детектора. В эти элементы передаются сигналы со всех строчек детектора за очень короткое время коммутации. В течение времени считывания элементы детектора продолжают воспринимать и интегрировать тепловое излучение.

На современном этапе существует несколько вариантов приемников теплового излучения на основе плоских матричных элементов. Наиболее тщательно они разработаны на основе элементов с платиново-кремниевым барьером Шоттки. Хорошие результаты в создании таких приемников получили японские специалисты. Так, фирма «Мицубиси» продемонстрировала работу матрицы (512x512 элементов) и сообщила о разработке еще более совершенной матрицы (1000x1000). Перспективными считаются также приемники на основе индия с сурьмой и матричные КРТ приемники. Матрица, изготовленная на основе индия и сурьмы, имеет всего 128 х128 элементов и обладает высокой радиационной стойкостью, а на основе КРТ - 128x128 для диапазона длин волн 3-5 мкм и 64x64 для диапазона 7,5- 11 мкм. КРТ приемники могут обеспечить наилучшую чувствительность к ИК излучению при высоких температурах. В США приемники на плоских матричных элементах будут использованы в ПТУР перспективного противотанкового комплекса AAWS-M, зенитных и противотанковых ракетах с управлением по волоконно-оптическим линиям связи, усовершенствованной ПТУР ТОУ, а также в тепловизионное прицеле CITV командира танка М1А2 «Абрамс».

В ФРГ ТВП второго поколения должны поступить на вооружение лишь в середине 90-х годов. Предполагается, что первые приемники на плоских матричных элементах будут установлены на противотанковые ракетные комплексы третьего поколения.

В настоящее время ведутся разработки ТВП второго поколения, функционирующих при комнатной температуре. Приемники таких приборов содержат матрицы, состоящие из десятков или сотен тысяч пироэлектрических элементов. Последние преобразуют тепловизионное изображение в соответствующий ему потенциальный рельеф из электрических зарядов, который считывается электронным путем с помощью кремниевой матрицы элементов с зарядовой связью. Опытный образец такого прибора, представляющего собой винтовочный ночной прицел, имеет массу 1,8 кг и может работать непрерывно в течение 12 ч в диапазоне волн от 7 до 14 мкм. ТБП на основе матрицы пироэлектрических элементов могут с успехом применяться для своевременного обнаружения мин. Это свойство указано, например, в характеристиках прибора AN/VAS-3, разработанного для механика-водителя танка М1 «Абрамс».

Особенностью современных конструкций тепловизиониых приборов обоих поколений является наличие у них, как правило, двух полей зрения: широкого для поиска целей и узкого для их опознавания. Так, тепловизоры прицела наводчика GPS американского танка М1 «-Абрамс» и прицела EMES-15 немецкого танка «Леопард-2» имеют широкое поле зрения размером 7,5x15° и малое размером 2,5x5°, а тепловизор прицела наводчика HL-60 французского танка «Леклерк» - соответственно 5,7x8,6° и 1,9x2,9°. В серийных тепловизорах эти поля зрения применяются поочередно, то есть в каждый момент времени можно пользоваться лишь одним.

В последние годы появились разработки ТВП, обеспечивающих одновременное наблюдение как в узком, так и широком поле зрения. Американская фирма «Хьюз эркрафт» и немецкая фирма «Элтро» совместно создали подобный тепловизор для танков. Этот прибор позволяет иметь изображение узкого и широкого полей зрения на едином экране. На одной половине данного экрана наводчик, наблюдая увеличенное изображение цели с помощью узкого поля зрения тепловизора, осуществляет наведение орудия и стрельбу по цели. Одновременно командир танка может производить поиск другой цели, наблюдая на второй половине экрана изображение тактической обстановки на местности, создаваемое широким полем зрения тепловизора.

Дальнейшее развитие техники «очного видения зарубежные специалисты связывают со следующими основными направлениями: повышением дальности действия до величин, соответствующих дальности видимости днем; расширением границ используемого диапазона спектра электромагнитных излучений и уменьшением за счет этого влияния внешней среды на работу приборов; комплексированием приборов, построенных на различных физических принципах, для повышения надежности обнаружения и опознавания целей.

Наряду с совершенствованием приемников излучения, способов обработки их сигналов и улучшением оп-
тики приборов одним из важнейших путей повышения дальности действия ТВП является использование лазера на углекислом газе (СОг) в качестве осветителя. Лазер на СОг работает в диапазоне длин волн 8-12 мкм. Его импульсы, отраженные от цели и принятые тепловизором, обеспечивают не только измерение дальности до нее, но и более надежное опознавание цели. Такие лазерные локаторы уже производятся в США, Великобритании и ФРГ. Кроме увеличения дальности действия, сочетание тепловизора и лазера на СОг позволяет повысить вероятность правильного опознавания цели за счет увеличения ее контраста при лазерной подсветке.

Существующие в армиях стран НАТО средства ночного видения используют лишь две области спектра электромагнитных колебаний: видимого света и инфракрасного излучения. В последние годы проявляется тенденция использовать для ночного видения граничащие с указанным диапазоном области спектра электромагнитных колебаний: ультрафиолетовые лучи и радиоволны миллиметрового диапазона.

Ультрафиолетовые лучи практически не использовались в технике ночного видения из-за сильного поглощения атмосферой и другими оптическими средствами. В то же время велись работы по созданию высокочувствительных приемников ультрафиолетового излучения, и, вероятно, в последние годы эти работы дали обнадеживающие результаты. Во всяком случае, еженедельный журнал «Джейн'с дефенс уикли» сообщил, что в США создана система, названная FTD (Fluorescent Target Detection), которая по ультрафиолетовому излучению может обнаруживать людей, снаряжение и технику, скрытых растительностью и не обнаруживаемых приборами ночного видения и тепловизорами.

Если создание средств ночного видения, применяющих ультрафиолетовое излучение, только начинается и его перспективы неясны, то средства обнаружения целей, использующие миллиметровый диапазон радиоволн, рассматриваются иностранными специалистами как неотъемлемая часть перспективных систем поиска и опознавания целей различных родов войск. В настоящее время за рубежом считают нецелесообразным автономное использование радиолокационных средств миллиметрового диапазона для поиска и опознавания целей ночью. Более рациональный вариант, как полагают западные эксперты,- это комплексирование радаров с другими средствами ночного видения. Опытные образцы таких систем уже несколько лет проходят всесторонние испытания.

Во Франции разработана система наблюдения RASICA, включающая радиолокационную станцию наземной разведки последней модели «Разит» 3190Е и тепловизионную камеру «Кастор». Приборы установлены на двух независимо вращающихся платформах, но имеют единое индикаторное устройство, на которое выводится информация от РЛС тепловизионной камеры. Последняя применяется также на некоторой части танков АМХ-30В2. Она монтируется на правой лобовой части башни, связана с системой управления огнем и используется для обнаружения и опознавания целей в ночных условиях. В этом году должно начаться серийное производство американской интегрированной электронно-оптической системы MTAS (Multi-Sensor Target Acquisition System), созданной фирмой «Рокуэлл интернэшнл» и предназначенной для танков М1 «Абрамс» и М60АЗ. В нее входят радиолокационная станция миллиметрового диапазона (рабочая частота 94 ГГц) и тепловизионная камера.
Информация обоих каналов обнаружения целей обрабатывается бортовой ЭВМ, и на общий дисплей выводится синтезированное изображение целей. В будущем, по всей видимости, за рубежом будет преобладать тенденция создания многоканальных средств обнаружения целей, в которых могут быть использованы в различных сочетаниях тепловизионный, радиолокационный, телевизионный, лазерный и визуальный каналы обнаружения с цифровой обработкой их сигналов и созданием синтезированных изображений целей. Такие системы, по мнению иностранных специалистов, позволят надежно обнаруживать и опознавать цели как днем, так и ночью на больших дальностях и в любых погодных условиях.

Зарубежное военное обозрение №11 1990 С.23-30