Модульные тепловизоры

Подполковник Е.ДЕКТЯРЕВ, подполковник Е.ИСТОМИН

Подобные приборы применяются практически во всех прицельных и обзорных системах бронетанковых, авиационных и морских комплексов вооружения армий стран НАТО. Принцип их действия основан на приеме собственного теплового (инфракрасного) излучения объектов. К числу основных достоинств тепловизоров относят способность работать в любое время суток, в условиях радиоэлектронной борьбы, а также по целям, выполненным в соответствии с технологией "Стеле". По пространственному разрешению (определяется отношением размера приемной апертуры к длине волны принимаемого излучения) они во много раз превосходят радиолокационные системы. Эти приборы невосприимчивы к световым помехам.

Полный кадр тепловизионного изображения в реальном масштабе времени формируют многоэлементные фотоприемные устройства с чувствительными элементами в виде линеек, субматриц (многорядных линеек) или SPRITE-структур в сочетании с механическими развертывающими устройствами и электронными блоками (коммутаторами, усилителями, процессорами обработки изображений). Однако тепловизионные приборы на основе матричных устройств с электрическим сканированием пока не получили столь широкого распространения, как приборы с механическим сканированием. По оценкам экспертов вооруженных сил США, потенциальная потребность сухопутных войск, авиации и флота в тепловизорах составляет примерно 45 ООО единиц. При этом цена одного образца около 200-300 тыс.долларов. По мнению зарубежных специалистов, высокая стоимость таких приборов определяется многообразием конструкций. При заказе каждого нового тепловизора большинство узлов, имеющих аналогичное назначение, конструировалось заново, что препятствовало организации серийного производства и внедрению прогрессивной технологии.

Снизить затраты позволила концепция "Общих модулей" ("Common Modules"), разработанная специалистами лаборатории ночного видения (форт Белвуар), преобразованной впоследствии в межвидовой Центр ночного видения и электронной оптики. На ее основе создана базовая конструкция тепловизора. Применен параллельный принцип сканирования на базе фотоприемных устройств в виде линейки с числом элементов 180, 130 или 60 в зависимости от назначения (рис.1). В состав системы "Covmon Modules" вошли следующие унифицированные узлы (модули): фотоприемное устройство, газохолодильная машина, предварительный и оконечный усилители, механический сканер, блок управления усилителем, светоизлучающие диоды, коллиматор видимого излучения, формирователь инфракрасного изображения, модули управления сканером, чересстрочной развертки и цифровой обработки сигнала. В тепловизионных приборах выделяют три основные части: собственно тепловизионный ка: нал, афокальную телескопическую насадку и индикаторное устройство. Две последние отвечают специфическим требованиям тепловизионных приборов в части полей зрения, увеличения оптики, диаметра входного зрачка, вида индикатора (окуляр, телевизионный или нашлемный тип) и не входят в состав общих модулей. Тепповизионный канал состоит, в зависимости от назначения, из 9-11 модулей. Тепловизоры, построенные на основе единой базовой схемы с использованием ограниченного числа модификаций модулей, соответствуют, требованиям всех видов ВС США.

По данным зарубежных источников, внедрение модульных принципов конструирования в рамках реализации программы "Common Modules" позволило США при приемлемых затратах в сравнительно короткий срок (до 5 лет) развернуть крупносерийное производство унифицированных узлов (модулей) и тепловизионных приборов на их основе. Такими устройствами оснащены комплексы вооружений всех видов вооруженных сил (танки М-1 "Абраме", М-60АЗ, вертолеты АН-64А "Апач", самолеты А-7, А-10 F18, F-111 и другие).

Великобритания и Франция, использовав те же, что и США, подходы, создали и внедрили в начале 80-х годов собственные системы общих модулей. Определило выбор той или иной схемы состояние технологической базы промышленности, влияющее на общую стоимость программ разработки и закупки тепловизоров. В каждой из систем в основу конструирования положено, как правило, одно базовое техническое решение. В Великобритании применен принцип последовательно-параллельного сканирования при просмотре картинной плоскости. Он реализован на основе фотоприемного устройства в виде субматрицы (для переносных приборов) и с внутренним накоплением сигнала SPRITE (для приборов, предназначенных для размещения на носителях). Во Франции осуществлен тот же принцип на основе фотоприемных устройств в виде субматрицы формата 5x11 элементов.

Рис. 1. Структурная схема модульнбго прибора системы "СМ" (AN/ASQ-170): 1 – индикаторное устройство; 2 – модуль управления' сканером; 3 – саатоизлучающий диод; 4 – телескопическая насадка; б – сканер; б – коллиматор видимого излучения; 7 – предварительный усилитель; 8 – блок цифровой обработки сигнала; 3 – оконечный усилитель; 10 – формирователь инфракрасного излучения; 11 – фотоприемное устройство; 12 – газохолодильная машина.

Рис. 2 Структурная схема модульного прибора системы "TICM-2": 1 – окуляр; 2 – дисплей; 3 – блок цифровой обработки сигнала; 4 – источник питания; 5 – телескопическая насадка; 6 – схема управления сканером; 7 – предварительный усилитель; 8 – фотоприемное устройство; 9 – сканер; 10 – газохолодильная машина.

Рис. 3. Структурная схема модульного прибора системы "SMT": 1 – блок встроенного контроля; 2 – устройство отображения информации; 3 – телескопическая насалка; 4 – сканер: 5 – блок обработки сигнала: 6 – фотоприемное устройство; 7 – устройство охлаждения.

Применение схем последовательно-параллельного сканирования стало возможным по мере совершенствования промышленной технологии изготовления многоэлементных приемников излучения, микросхем памяти и обработки сигнала. К преимуществам данной схемы относят сравнительно простое сопряжение со стандартным телевизионным форматом, лучшую однородность растра. Недостатком является широкая по сравнению со схемой с параллельным сканированием полоса частот электрических сигналов. Это затрудняет защиту электроники от внешних помех. Базовые структурные схемы модульных приборов английской системы "TICM-2" и французской "SMT" показаны на рис. 2 и 3. Значительная экономия средств за счет внедрения программ общих модулей позволила западным странам успешнее вести разработки перспективных тепловизоров второго поколения, а также совершенствовать существующие модульные приборы. В перспективе развитие модульных тепловизионных приборов, по мнению зарубежных специалистов, пойдет по пути автоматизации процесса обнаружения, распознавания и сопровождения, улучшения эксплуатационных параметров приборов. Для этого потребуются дальнейшее совершенствование алгоритмов обработки информации, повышение информационной пропускной способности канала за счет комплексирования тепловизионного канала с каналами, построенными на других принципах действия (радиолокационном, лазерном). По мнению зарубежных экспертов, разработка алгоритмов для систем автоматического распознавания целей отстает от развития технологии приемников инфракрасного излучения и процессоров. Работы ведутся по четырем основным типам алгоритмов: обработка изображений с использованием эталонов для целей; статическое распознавание образцов по характерным признакам теплового образца цели; на основе моделей, при которых признаки целей сравниваются с признаками, рассчитанными на основе хранимых в памяти ЭВМ моделей; на основе нейронной сети, представляющей собой модель человеческого мозга. В настоящее время наиболее активно разрабатываются два последних алгоритма, являющихся, по мнению экспертов, наиболее эффективными при наличии сильных местных помех.а также в условиях быстро меняющейся обстановки. Алгоритмы статистического распознавания и с использованием эталонов наиболее отработаны, нашли применение в ряде систем оружия. Однако они не обладают достаточной устойчивостью и могут использоваться лишь при ограниченном числе сценариев в условиях малоизменяющейся обстановки. Для повышения разрешающей способности, увеличения информационной пропускной способности канала в перспективных тепловизорах с автоматическим распознаванием целей предполагается использование модульных фотоприемных устройств, включающих матрицу чувствительных элементов 480x4 или 960x4, работающих в режиме временной задержки и накопления, усилитель и мультиплексор в одном блоке. Предусматривается возможность создания двухспектральных приемников излучения. Модульные системы тепловизионных приборов 2-го поколения по сравнению с системами 1-го (при приемлемых стоимостных показателях) обеспечивают увеличение дальности действия по целям на 40% .