Журнал "Специальная Техника" №6 2006 год
Креопалов Владислав Иванович,
доктор технических наук, профессор
УСТРОЙСТВА ЛАЗЕРНОГО ПОДСВЕТА ДЛЯ АКТИВНО-ИМПУЛЬСНЫХ ПРИБОРОВ НОЧНОГО ВИДЕНИЯ
В настоящее время в современной технике ночного видения получили распространение активно-импульсные приборы ночного видения (АИ ПНВ) [1]. Они могут иметь окулярный или телевизионный (ТВ) вывод изображения. По сравнению с традиционными пассивно-активными ПНВ- или ТВ-системами АИ ПНВ обладают значительными преимуществами [1]:
- повышенная дальность видения в ночных условиях, недостижимая для ПНВ других типов: в частности, по ростовой фигуре человека достигнута дальность распознавания до 1 км, по автомашине – до 6 км, по кораблю – до 30 км;
- возможность обеспечения видимости при пониженной прозрачности атмосферы (дымка, туман, дождь, снегопад и пр.) и при воздействии мощных световых помех (вспышки взрывов, выстрелов, пламя костров, встречное излучение прожекторов и фар и пр.);
- точное измерение дальности до объекта наблюдения ±(5 – 10) м, причем точность измерения дальности не зависит от расстояния до этого объекта;
- возможность наблюдения малоконтрастных и замаскированных объектов;
- возможность обнаружения оптических и оптико-электронных средств по бликам лазерного излучения подсвета, отраженным от этих средств в сторону наблюдателя.
Для эффективной работы АИ ПНВ необходимо применение оптимальных устройств импульсного подсвета. В литературе их часто называют также импульсными лазерными осветителями. Они могут быть выполнены на базе импульсных твердотельных лазеров с модулированной добротностью либо на основе импульсных лазерных полупроводниковых излучателей (ИЛПИ) [2]. Устройства импульсного подсвета первого типа для АИ ПНВ были разработаны в ГНЦ ГОИ им. С.В. Вавилова [1]. Эти устройства были созданы на базе твердотельных лазеров – сначала на рубине, затем на базе стекла с неодимом и алюмо-иттриевого граната, легированного неодимом (АИГ:Nd+3).
Достоинством этих устройств является значительная мощность излучения в импульсе (до 10 МВт) в сочетании с низкой частотой следования импульсов подсвета (10 – 100 Гц), длительностью 10 – 20 нс и низкой расходимостью излучения (до 10 – 15'). Это обеспечивает возможность получения значительных средних мощностей излучения и высоких уровней энергетической силы света в сочетании с большой скважностью, что позволяет получить значительные дальности видения, высокую степень защиты от световых помех и большую точность измерения дальности до объекта наблюдения. Недостатками подобных устройств являются низкий КПД и соответственно значительные масса, габариты и энергопотребление, необходимость работы либо в видимой области спектра (лазеры на рубине или лазеры на стекле с неодимом АИГ:Nd+3 с удвоением частоты) либо на длине волны 1060 нм, что вынуждает применять ЭОП с кислородно-серебряным фотокатодом, обладающим весьма низкой чувствительностью на этой длине волны и фактически исключающем возможность работы АИ ПНВ в пассивном режиме. Недостатками устройств на базе мощных твердотельных лазеров являются сравнительно низкий срок службы и необходимость жидкостного охлаждения. Устройства второго типа (на базе ИЛПИ) впервые были созданы в ГНЦ ГУП «НПО «Орион», они лишены указанных недостатков и допускают создание малогабаритных АИ ПНВ.
Рассмотрим возможности устройств импульсного подсвета на базе ИЛПИ. Инжекционные ИЛПИ обладают рядом значительных преимуществ: высокий КПД, малые масса, габариты, энергопотребление, высокие эксплуатационные характеристики, значительный срок службы. Современные устройства импульсного подсвета на базе инжекционных ИЛПИ не требуют никакого охлаждения. Для достижения повышенных дальностей действия необходима большая средняя мощность излучения. Это обеспечивается за счет объединения элементарных ИЛПИ в многоэлементные устройства – решетки ИЛПИ. В первых образцах устройств импульсного подсвета требуемая средняя мощность излучения достигалась только при температуре 77 К. Это обеспечивалось первоначально заливкой жидкого азота в сосуд Дюара, в котором была смонтирована решетка ИЛПИ. В дальнейшем вместо такой системы криогенного охлаждения была использована газовая микрокриогенная машина Сплит-Стирлинга. Основные параметры наиболее мощных образцов устройств импульсного подсвета на базе инжекционных ИЛПИ представлены в табл. 1. На фото 1 дан внешний вид устройства импульсного подсвета «Рапира», охлаждаемого до 77 К (табл. 1), а на рис. 1 – вариообъектив формирования излучения устройства, обеспечивающий изменение его угла подсвета от 40 до 6,6º при изменении фокусного расстояния от 12 до 72 мм, относительном отверстии 1:1,4, расчетной длине волны 0,85 мкм, массе в стекле 2,2 кг и габаритах Ø90х125 мм. Существует зарубежный аналог такого устройства фирмы RCA (США) (табл. 1) в составе АИ ПНВ NODLR (Night Observation Device Long Range) [1]. В дальнейшем были достигнуты значительные средние мощности излучения и при комнатной температуре. Современные устройства импульсного подсвета на базе инжекционных ИЛПИ не требуют никакого охлаждения [3]. Основные параметры всех известных устройств импульсного подсвета на базе инжекционных ИЛПИ сведены в табл. 1.
Таблица 1. Основные параметры устройств импульсного подсвета на базе инжекционных ИЛПИ
Фото 1. Устройство импульсного подсвета «Рапира»
Рис. 1. Вариообъектив формирования лазерного излучения
Определенный интерес представляют импульсные полупроводниковые лазеры с накачкой электронным лучом (ПЛЭН) [4], который бомбардирует мишень из полупроводникового материала. Впервые образцы ПЛЭН, пригодные для проведения натурных испытаний в составе АИ ПНВ, были разработаны в ГНЦ ГУП «НПО «Орион». Основные параметры устройств импульсного подсвета на базе ПЛЭН представлены в табл. 2. На фото 2 показаны различные виды устройств на базе ПЛЭН. По сравнению с инжекционными ИЛПИ достоинствами ПЛЭН являются значительная мощность излучения в импульсе, малая его длительность, а также возможность работы на различных длинах волн – от ультрафиолетового до ближнего ИК-диапазона за счет применения мишеней из различных материалов. Однако недостатками ПЛЭН являются их сравнительно низкий КПД, необходимость использования тиратрона для формирования электронного луча, наличие рентгеновского излучения, от которого необходима защита с помощью свинцового кожуха. Все эти недостатки привели к тому, что устройства импульсного подсвета на базе ПЛЭН не получили широкого распространения в технике АИ ПНВ и применяются главным образом для систем подводного видения.
Таблица 2. Основные параметры устройств импульсного подсвета на базе ПЛЭН
a)
б)
Фото 2. Типичный вид устройств импульсного подсвета на базе ПЛЭН: а – ПЛЭН-1; б – ПЛЭН-2
Устройства импульсного подсвета требуют оперативного контроля своих основных параметров, в особенности если такое устройство установлено в рабочем положении на мобильном объекте-носителе [3].
Рассмотрим лазерное устройство импульсного подсвета со встроенной системой контроля как мощности излучения, так и угла подсвета (рис. 2). Такое устройство позволяет контролировать мощность излучения ИЛПИ, не снимая объектив формирования излучения, производить подготовку устройства к работе и ночью, и днем. На рис. 2а показаны: 1 – трехлинзовый объектив; 2, 3 – склеенные призмы, образующие интегратор [1]; 4 – поверхность склейки призм с селективным покрытием, пропускающим излучение ИЛПИ на длине волны 850 нм и отражающим излучение в видимой области спектра (380 – 780 нм); 5 – решетка лазерных диодов; 6 – блок накачки; 7 – плоское зеркало, расположенное под углом 45º к оси объектива 1; 8 – оборачивающая система; 9 – контрольная сетка; 10 – куб-призма, на гипотенузную грань которой нанесено селективное покрытие, пропускающее излучение в области спектра 380 – 780 нм и отражающее его на длине волны 850 мкм; 11 – сетка с перекрестием; 12 – окуляр контроля; 13 – окуляр визира. Передняя фокальная плоскость системы 8 совпадает с фокальной плоскостью объектива 1, а ее задняя фокальная плоскость совмещена с сеткой 11. Окуляр 12 сфокусирован на сетку 9, а окуляр 13 – на сетку 11. Элементы 1, 8, 4, 13 образуют телескопический визир, а поверхность 14 линзы объектива 1 и система 8, сопряженные через поверхность 4, образуют оптическую систему формирования интегратора, сфокусированную на сетку 9. Данная система оптически сопряжена через гипотенузную грань куб-призмы 10 с оптикой переноса 15. В ее передней фокальной плоскости находится сетка 9, а в задней плоскости – фотоприемник 16, выход которого через усилитель 17 соединен со светодиодным индикатором 18, приклеенным к сетке 9 (рис. 2б). Она имеет контуры, заполненные антистоксовым люминофором, возбуждаемым излучением с длиной волны 850 нм. Если осветитель кинематически связан с дневным и ночным визирами, установленными на объекте размещения АИ ПНВ, то оператор находит удаленную точку местности в один из этих визиров, совместив с ее изображением перекрестие визира. Затем, работая юстировочными винтами, регулирующими перемещение оптической оси устройства импульсного подсвета по горизонту и по вертикали, а также одновременно наблюдая в окуляр 13 телескопического визира устройства, оператор добивается совмещения перекрестия сетки 11 с удаленной точкой местности. За счет этого оптические оси визиров и устройства становятся взаимно параллельными. Затем включается блок 6. Излучение решетки 5 проходит через интегратор 2-3 и коллимируется объективом 1 (ход лучей обозначен пунктиром). Для наглядности на рис. 2а ход лучей от интегратора 2-3 к объективу 1 показан несовпадающим с ходом лучей видимого излучения от объектива 1 к интегратору 2-3. Просветляющее покрытие поверхности 14 допускает отражение в обратном направлении 0,5% падающего на него излучения лазера. Это позволяет использовать поверхность 14 дополнительно в качестве вогнутого зеркала оптической системы формирования излучения выходного торца интегратора. Излучение, отразившись от зеркала 7, проходит через систему 8. Система формирования, образованная элементами 14 и 8, проецирует изображение торца интегратора 3 на сетку 9.
Ее внутренний контур равен размерам изображения торца интегратора 3 при номинальном значении угла подсвета, средний контур – максимально допустимому углу, а внешний контур – недопустимому углу подсвета. В зависимости от свечения того или иного контура оператор перефокусирует объектив 1 до тех пор, пока угол подсвета не окажется в допустимых пределах. Лазерное излучение, пройдя сетку 8, куб-призму 10, отражается от ее гипотенузной грани и с помощью оптики 15 переноса фокусируется на фотоприемнике 16. Поверхность 14 выполняет роль ослабителя лазерного излучения, обеспечивая работу фотоприемника 16 на линейном участке его характеристики. Сигнал с фотоприемника 16 через усилитель 17 подается на индикатор 18, на котором в цифровой форме высвечивается величина мощности излучения лазера. Селективное покрытие куб-призмы 10 позволяет полностью направить излучение на фотоприемник 16. Это ослабляет вредное воздействие лазерного излучения на зрение оператора до допустимых уровней.
Рис. 2. Схема построения лазерного устройства импульсного подсвета
на базе инжекционного ИЛПИ со встроенной системой контроля основных параметров
Таким образом, современный подход к проектированию устройств импульсного подсвета предполагает наличие системы встроенного контроля параметров.
Как показано в работе [5], АИ ПНВ весьма эффективны при их функционировании на длине волны 1,55 или 1,7 мкм. Это целесообразно с точки зрения повышения пропускания излучения подсвета в туманах, пыли и дымах, а также для повышения безопасности работы операторов с лазерным излучением, что подтверждается данными работы [5]. В настоящее время уже созданы образцы мощных инжекционных ИЛПИ, работающих на длине волны 1,55 мкм [3]. Устройства импульсного подсвета на их основе могут быть выполнены в виде стандартного модуля (фото 3), включающего собственно ИЛПИ и блок его накачки. Такой модуль может быть сопряжен с требуемым объективом формирования излучения и конструктивно включен в состав соответствующего АИ ПНВ. Другой вариант исполнения устройства импульсного подсвета предусматривает применение твердотельного лазера на основе эрбия или на основе алюмо-иттриевого граната (АИГ) с рамановской ячейкой. Это обеспечивает длину волны 1,55 – 1,57 мкм. В частности, фирма Intevac Corp. (США) разработала телевизионный АИ ПНВ LIVAR [6] с дальностью действия по ростовой фигуре человека 2 км. Импульсный осветитель на основе лазера на АИГ с рамановской ячейкой имеет длину волны 1,57 мкм, энергию в импульсе до 60 мДж, частоту 30 Гц, угловую расходимость излучения, изменяемую в пределах 1 – 50 мрад. В приемной части АИ ПНВ установлен гибридно-модульный преобразователь изображения [6] с фотокатодом, чувствительным в области спектра до 2 мкм. Благодаря применению такого осветителя в АИ ПНВ он может работать при любой освещенности, в условиях пониженной прозрачности атмосферы (туман, дождь, снегопад) и даже в тактических дымах. Однако и современные ИЛПИ генерируют на длинах волн 1,06, 1,55, 1,7, 1,93 мкм [7]. В перспективе их мощность окажется достаточной для применения в АИ ПНВ.
Фото 3. Внешний вид типичного стандартного модуля
устройства импульсного подсвета на базе инжекционного ИЛПИ
Рис. 3. Схема построения лазерного осветителя
с использованием единого объектива для двух ИЛПИ
Из изложенного выше следует, что в современных АИ ПНВ требуется применение ЭОП и гибридно-модульных преобразователей изображения [6] на их основе с использованием фотокатода, чувствительного на длине волны 1,0 – 2,0 мкм. При этом можно применить многоцветное комбинированное устройство лазерного подсвета, излучающего на длинах волн 0,85, 1,06, 1,55, 1,7 мкм. Такое устройство может состоять из двух или нескольких ИЛПИ, каждый из которых выполнен в виде стандартного модуля, содержащего драйвер (фото 3) и излучает на своей длине волны. Это даст возможность обеспечить функционирование АИ ПНВ в широком диапазоне изменения внешних условий при наличии различных по спектральному составу световых помех, переходя для борьбы с ними от одной к другой длине волны подсвета. Например, можно применить осветитель на базе двух ИЛПИ по схеме рис. 3 [1]. Здесь за счет использования зеркала 2 с дихроичным покрытием происходит суммирование излучения обоих ИЛПИ (1, 3), генерирующих в различных областях спектра, например, 0,85 и 1,06 мкм (для одного варианта построения осветителя), 1,55 и 1,7 мкм (для другого варианта). Возможны и другие комбинации длин волн. Объектив 4, сфокусированный на оба ИЛПИ, охватывает их излучения. Потери в зеркале 2 не превышают 10 – 15%. Для указанных выше длин волн можно использовать объектив 4, выполненный из обычного оптического стекла. Исполнение такого осветителя по схеме рис. 2 обеспечит многообразное расширение его функций и соответственно существенное повышение эффективности работы АИ ПНВ.
Сравнительный анализ возможностей АИ ПНВ на основе ИЛПИ по данным работы [1] и с учетом приведенных здесь данных показывает существенную перспективность развития данного направления ПНВ.
Литература
1. Гейхман И.Л., Волков В.Г. Основы улучшения видимости в сложных условиях. М.: Недра-Бизнесцентр, 1999, c. 286.
2. Волков В.Г. Лазеры в технике ночного видения. Обзор № НТЦ «Информтехника». М.: 2005.
3. Архутик С.Т., Волков В.Г., Козлов К.В., Саликов В.Л., Украинский С.А. Инфракрасные лазерные прожекторы. / Специальная техника, 2005, № 2, с. 6 – 11.
4. Олихов И. ИПЛЭН. Новое поколение приборов квантовой электроники. Электроника: наука, технология, бизнес. 1998, № 3 – 4, с. 25 – 29.
5. Волков В.Г. Приборы ночного видения новых поколений. / Специальная техника, 2001, № 5, с. 2 – 8.
6. Волков В.Г. Сверхвысокочувствительные телевизионные системы. / Специальная техника, 2002, № 4, с. 2 – 11.
7. 2005 Buyers Guide. Laser Focus World WDM Solutions. Optoelectronics Industry Sourcebook, 2005.
8. Информационная система "Техника для спецслужб" http://www.bnti.ru
