активно-импульсный прибор ночного видения

Формула изобретения

АКТИВНО-ИМПУЛЬСНЫЙ ПРИБОР НОЧНОГО ВИДЕНИЯ, включающий электронно - оптический преобразователь с микроканальным усилителем яркости изображения, импульсный лазерный излучатель, генератор накачки лазерного излучения, генератор строб импульса, вторичный высоковольтный источник постоянного напряжения, высокоомный делитель напряжения, подключенный к электродам электронно оптического преобразователя, и устройство временной задержки, включенное между генератором накачки и генератором строб импульса, отличающийся тем, что электронно оптический преобразователь выполнен с n фокусирующими электродами входной электронной оптики, где n 0,1, N, вторичный высоковольтный источник постоянного напряжения выполнен с первым, положительным, и вторым, отрицательным, высокопотенциальными выходами, высокоомный делитель напряжения выполнен с n + 2 выходами, а также введены низкоомный импульсный делитель напряжения, выполненный с n + 2 выходами, и n + 2 разделительных конденсаторов, причем первый выход вторичного высоковольтного источника постоянного напряжения подключен к экрану электронно оптического преобразователя, второй выход вторичного высоковольтного источника постоянного напряжения подключен к выходу микроканального усилителя, к входу высокоомного делителя напряжения и к первой обкладке первого разделительного конденсатора, первый выход высокоомного делителя напряжения подключен к входу микроканального усилителя и к первой обкладке второго разделительного конденсатора, (n + 1) й выход высокоомного делителя напряжения подключен к n му фокусирующему электроду и к первой обкладке (n + 2) го разделительного конденсатора, вход низкоомного импульсного делителя напряжения подключен к выходу генератора строб импульса и второй обкладке первого разделительного конденсатора, первый выход низкоомного импульсного делителя напряжения подключен к второй обкладке второго разделительного конденсатора, (n + 1) ый выход низкоомного импульсного делителя напряжения подключен к второй обкладке (n + 2) го разделительного конденсатора, а (n + 2) е выходы высокоомного и низкоомного импульсных делителей напряжения объединены и подключены к фотокатоду электронно оптического преобразователя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к средствам наблюдения в условиях ограниченной видимости и предназначено для использования в судовождении, горных и поисково-спасательных работах, для целей охраны, охоты, в военном деле.

Известны активные приборы ночного видения (ПНВ) [1] работающие по принципу облучения местности и расположенных на ней объектов лучами ИК-прожектора и наблюдения их в пассивный ПНВ, в котором для усиления яркости изображения используется электронно-оптический преобразователь (ЭОП), питаемый от вторичного высоковольтного источника постоянного напряжения через высокоомный делитель напряжения, обеспечивающий необходимое распределение потенциалов на электродах ЭОП.

Недостатками активных ПНВ являются высокая чувствительность к локальным световым помехам (яркие вспышки света, свет фар, огней), снижающая дальность наблюдения "обратная" засветка ПНВ излучением ИК-прожектора, рассеянным на неоднородностях атмосферы, большие габариты и масса.

Известны также активно-импульсные ПНВ [2] в которых для повышения контраста изображения наблюдаемого объекта и, соответственно, дальности действия ПНВ используется в качестве источника подсветки объекта импульсный лазерный излучатель, а прием изображения производится ЭОП с импульсной модуляцией коэффициента усиления, причем момент включения максимального усиления ЭОП регулируется относительно момента излучения лазерного импульса, что обеспечивает отсечку приема изображения прилегающего к ПНВ участка пространства, рассеяние света в котором дает наибольший вклад в фон, и возможность просматривания участков пространства, находящихся на различных расстояниях от ПНВ.

Подсветка лазерным излучением обеспечивает высокий коэффициент изображения объектов в условиях низкой освещенности и в абсолютной темноте, управление моментом включения максимального усиления ЭОП позволяет устранить помеху обратного рассеяния излучения подсветки на прилегающем к ПНВ участке атмосферы, а импульсное включение ЭОП резко снижает чувствительность к посторонним ярким фоновым засветкам.

В известном активно-импульсном ПНВ импульсная модуляция коэффициента усиления ЭОП обеспечивается применением ЭОП I-го или II-го (с микроканальным усилителем яркости изображения) поколений с дополнительным управляющим электродом затвором, на который подается импульсное управляющее напряжение с генератора строб-импульса, при этом на остальные электроды ЭОП подается постоянное напряжение с высокоомного делителя напряжения, подключенного к вторичному высоковольтному источнику постоянного напряжения. При подаче на затвор постоянного потенциала ПНВ может работать в пассивном режиме.

В известном активно-импульсном ПНВ с использованием ЭОП с затвором (сеточного или электростатического типа) не обеспечивается 100%-ная глубина модуляции усиления ЭОП (коэффициент ослабления не превышает 1000), что приводит к наличию фона приемника изображения в закрытом состоянии и, следовательно, к снижению обнаружительной способности ПНВ и уменьшению дальности действия (выделяемый полезный сигнал должен по интенсивности превышать суммарный фон приемника в закрытом и открытом состояниях). Наличие остаточного усиления ЭОП в закрытом состоянии не позволяет вести наблюдение в сумерках без принятия специальных мер по диафрагмированию приемной оптики ПНВ или ослаблению светового сигнала с помощью светофильтров во избежание световой перегрузки или выхода из строя ЭОП, что требует введения в комплект ПНВ дополнительных элементов. И, наконец, в известном активно-импульсном ПНВ с модуляцией усиления ЭОП по затвору нельзя применить ЭОП более высоких поколений, поскольку введение дополнительного электрода затвора в такой ЭОП вступает в противоречие с малыми (доли миллиметра) размерами камеры переноса изображения или с технологией изготовления ЭОП с улучшенным (поколение 2) или полупроводниковым (поколение 3) фотокатодами.

Целью изобретения является повышение дальности действия активно-импульсного ПНВ при одновременном уменьшении массы и габаритов.

Цель достигается за счет того, что в известном активно-импульсном ПНВ [2] содержащем электронно-оптический преобразователь с микроканальным усилителем яркости изображения, импульсный лазерный излучатель, генератор накачки лазерного излучателя, генератор строб-импульса, вторичный высоковольтный источник постоянного напряжения, высокоомный делитель напряжения, подключенный к электродам ЭОП, и устройство временной задержки, включенное между генератором накачки и генератором строб-импульса, ЭОП выполнен с n фокусирующими электродами входной электронной оптики, где n 0, 1, 2,N, вторичный высоковольтный источник постоянного напряжения выполнен с первым, положительным, и вторым, отрицательным, высокопотенциальными выходами, высокоомный делитель напряжения выполнен с n + 2 выходами, в ПНВ дополнительно введены низкоомный импульсный делитель напряжения, выполненный с n + 2 выходами, и n + 2 разделительных конденсатора, причем первый высокопотенциальный выход вторичного высоковольтного источника постоянного напряжения подключен к экрану ЭОП, второй высокопотенциальный выход подключен к выходу микроканального усилителя, входу высокоомного делителя напряжения и к первой обкладке первого разделительного конденсатора, первый выход высокоомного делителя напряжения подключен к входу микроканального усилителя и к первой обкладке второго разделительного конденсатора, n+1-й выход высокоомного делителя напряжения подключен к n-му фокусирующему электроду и к первой обкладке n+2-го разделительного конденсатора, вход низкоомного импульсного делителя напряжения подключен к выходу генератора строб-импульса и к второй обкладке первого разделительного конденсатора, первый выход низкоомного импульсного делителя напряжения подключен к второй обкладке второго разделительного конденсатора, n+1-й выход низкоомного импульсного делителя напряжения подключен к второй обкладке n+2-го разделительного конденсатора, а n+2-е выходы высокоомного и низкоомного импульсного делителей напряжения объединены и подключены к фотокатоду ЭОП.

Применение в данном активно-импульсном ПНВ ЭОП с микроканальным усилителем яркости изображения со схемой питания, в которой межэлектродный промежуток выход микроканального усилителя экран находится под постоянным напряжением, а модуляция усиления ЭОП производится подачей импульсного напряжения на межэлектродный промежуток фотокатод выход микроканального усилителя с низкоомного импульсного делителя напряжения, являющегося нагрузкой генератора строб-импульса, позволяет добиться практически 100%-ной глубины модуляции усиления ЭОП, т.е. отсутствия обусловленного влиянием внешней засветки фона приемника изображения в закрытом состоянии, при сохранении разрешающей способности по полю зрения приемника, соответствующей включению ЭОП с микроканальным усилителем в пассивном, статическом режиме, за счет формирования на низкоомном импульсном делителе модулирующего строб-импульса с высокой крутизной фронта и выбора за счет коэффициента деления, необходимого для конкретной конструкции ЭОП распределения потенциалов на его электродах.

Таким образом, данный активно-импульсный ЭОП позволяет повысить дальность действия по сравнению с известным активно-импульсным ПНВ и при этом снизить габариты и массу конструкции за счет применения малогабаритных ЭОП II-го и более высоких поколений без специального электронного затвора.

Практически 100% -ная глубина модуляции усиления ЭОП в данном ПНВ обеспечивает возможность наблюдения в сумерках без применения диафрагм и светофильтров, так как необходимое ослабление падающего светового потока производится выбором необходимой скважности (частоты повторения) строб-импульсов.

Выполнение вторичного высоковольтного источника постоянного напряжения высокопотенциальным обеспечивает постоянно высоковольтное питание межэлектродного промежутка ЭОП экран-выход микроканального усилителя и возможность подачи постоянного напряжения через высокоомный делитель на промежуток ЭОП выход микроканального усилителя фотокатод в случае, когда отключен генератор строб-импульса, т.е. позволяет обеспечить работу данного активно-импульсного ПНВ и в пассивном режиме.

В данном активно-импульсном ПНВ могут использоваться ЭОП с входной камерой параллельного переноса изображения и ЭОП с входной фокусирующей электронной оптикой, которая может обеспечить электронное увеличение изображения и за счет этого повысить обнаружительную способность ПНВ без увеличения габаритов приемной оптики. При этом модуляция усиления ЭОП с электронной оптикой производится распределением импульсного потенциала и по фокусирующим электродам электронной оптики.

В настоящее время известны лишь активно-импульсные ПНВ с лазерной подсветкой на основе ЭОП первого (без микроканального усилителя) и второго (с микроканальным усилителем) поколения с модуляцией усиления по затвору или фотокатоду, что подтверждает новизну предлагаемого активно-импульсного ПНВ. При этом изобретательский уровень предлагаемого активно-импульсного ПНВ вытекает из неочевидной схемы управления модуляцией усиления ЭОП, в которой при достаточно малых (не более 2 кВ) управляющих напряжениях строб-импульса, подаваемых на межэлектродный промежуток фотокатод-выход микроканального усилителя, обеспечивается практически 100%-ная глубина модуляции усиления ЭОП.

На фиг.1 приведена структурная схема данного активно-импульсного ПНВ; на фиг. 2 электрическая схема, иллюстрирующая исполнение и соединение высокоомного и низкоомного делителей напряжения.

ПНВ содержит электронно-оптический преобразователь 1, вторичный высоковольтный источник 2 постоянного напряжения, высокоомный делитель 3 напряжения, генератор 4 строб-импульса, низкоомный импульсный делитель 5 напряжения, импульсный лазерный излучатель 6, генератор 7 накачки лазерного излучателя, устройство 8 временной задержки и группу разделительных конденсаторов 9.

ЭОП 1 имеет фотокатод 10, оптически сопряженный с приемным объективом 11, микроканальный усилитель 12 яркости изображения с входом 13 и выходом 14 и экран 15, оптически сопряженный с окуляром 16. ЭОП имеет фокусирующую электронную оптику с фокусирующими электродами 17, при этом в общем случае количество фокусирующих электродов равно n, где n 0, 1, 2,N (n 0 соответствует ЭОП с входной камерой параллельного переноса изображения).

Вторичный высоковольтный источник 2 постоянного напряжения имеет положительный высокопотенциальный выход 18, подключенный к экрану 15 ЭОП 1, и отрицательный высокопотенциальный выход 19, подключенный к выходу 14 микроканального усилителя 12, к входу высокоомного делителя 3 напряжения и к первой обкладке первого разделительного конденсатора из группы конденсаторов 9.

Высокомный делитель 3 напряжения и низкоомный импульсный делитель 5 напряжения выполнены с n+2 выходами (n 0, 1, 2,N), количество разделительных конденсаторов 9 равно n+2, при этом первый выход высокоомного делителя 3 напряжения подключен к входу 13 микроканального усилителя 12 и к первой обкладке второго разделительного конденсатора из группы конденсаторов 9, n+1-й выход высокоомного делителя 3 напряжения подключен к n-му фокусирующему электроду 17 и к первой обкладке n+2-го разделительного конденсатора из группы конденсаторов 9, вход низкоомного импульсного делителя 5 напряжения подключен к выходу генератора 4 строб-импульса и второй обкладке первого разделительного конденсатора из группы конденсаторов 9, первый выход низкоомного импульсного делителя 5 напряжения подключен к второй обкладке второго разделительного конденсатора из группы конденсаторов 9, n+1-й выход низкоомного импульсного делителя 5 напряжения подключен к второй обкладке n+2-го разделительного конденсатора из группы конденсаторов 9, а n+2-е выходы высокоомного 3 и низкоомного импульсного 5 делителей напряжения объединены и подключены к фотокатоду 10.

Импульсный лазерный излучатель 6 оптически сопряжен с передающим объективом 20 и подключен к первому выходу генератора 7 накачки. Устройство 8 временной задержки подключено к второму выходу генератора 7 накачки и к входу генератора 4 строб-импульса.

Высокоомный делитель 3 напряжения образован высокоомными резисторами R₁, R₂. R_n+2, где n 0,1,2,N (n количество фокусирующих электродов входной электронной оптики). Низкоомный импульсный делитель 5 напряжения образован сопротивлениями Z₁, Z₂.Z_n+2, которые в общем случае могут быть комплексными, а их количество совпадает с количеством резисторов высокоомного делителя 3. Разделительные конденсаторы С₁, С₂.C_n+2 включены между входами и 1.(n+1) выходами делителей 3 и 5.

Активно-импульсный ПНВ работает следующим образом.

Активно-импульсный режим работы.

При подаче первичного питания генератор 7 накачки осуществляет импульсное питание лазерного излучателя 6, который генерирует частотную последовательность импульсов излучения, направляемых через формирующую оптику передающего объектива 20 на наблюдаемый объект. Лазерное излучение, отраженное от наблюдаемого объекта, принимается приемным объективом 11, который формирует изображение в плоскости фотокатода 10.

Питание ЭОП 1 осуществляется постоянным напряжением, поступающим с положительного 18 и отрицательного 19 высокопотенциальных выходов на межэлектродный промежуток экран 15 выход 14 микроканального усилителя, и импульсным напряжением, которое формируется на низкоомном импульсном делителе 5 напряжения, служащем нагрузкой генератора 4 строб-импульса, и передается через разделительные конденсаторы 9 на выход 14 микроканального усилителя (полное импульсное напряжение), а также на вход 13 микроканального усилителя и на фокусирующие электроды 17 (доля импульсного напряжения, пропорциональная коэффициенту деления).

При отсутствии импульсного напряжения на выходе генератора 4 строб-импульса выход 19 источника 2 имеет нулевой потенциал (под нулевым потенциалом находятся электрод 14 и связанные с ним через высокоомный делитель 3 электроды 13, 17). При этом выход 18 источника 2 и электрод 15 (экран) имеют высокий потенциал (например, U_I). ЭОП 1 в этом случае находится в закрытом состоянии.

При появлении на выходе генератора 4 импульса напряжения (например, с амплитудой U₂) импульсное напряжение выполняет функцию вольт-добавки для высокопотенциальных выходов 18, 19 источника 2 и распределение потенциалов на электродах ЭОП 1 имеет вид: 15 U₁ + U₂; 14 U₂; 13 K_I x U₂; 17 K_n+1 x U₂; 10-0, где 1 > K₁ > K_n+1; К₁.K_n+1 коэффициенты деления, обеспечиваемые низкоомным импульсным делителем 5 напряжения.

Генератор 4 строб-импульса вырабатывает импульсное напряжение через время задержки по отношению к моменту срабатывания генератора 7 накачки лазерного излучателя 6, формируемое устройством 8 временной задержки. Если при этом время задержки соответствует времени прохода импульса лазерного излучения от ПНВ до наблюдаемого объекта и обратно, ЭОП 1 оказывается полностью открытым для приема и усиления излучения, отраженного от объекта и формирующего изображение объекта на фотокатоде 10. Поток фотоэлектронов с фотокатода 10 под действием импульсного напpяжения на низкоомном делителе ускоряется в промежутке между фотокатодом 10 и входом 13 микроканального усилителя 12, умножается при проходе с входа 13 на выход 14 микроканального усилителя и под действием постоянного напряжения высоковольтного высокопотенциального источника 2 ускоряется в промежутке выход 14 микроканального усилителя экран 15, вызывая люминесценцию экрана 15. Усиленное по яркости изображение объекта, сформированное на экране 15, рассматривается визуально через окуляр 16.

Если наблюдаемый объект расположен на фоне других объектов, то при увеличении временной задержки включения генератора 4 строб-импульса до уровня, когда ЭОП 1 принимает излучение, отраженное от этих объектов, и не принимает излучение, отраженное от объекта наблюдения, ПНВ обеспечивает наблюдение объекта в обратном контрасте.

Активно-импульсный режим работы обеспечивает наблюдение в условиях низкой естественной освещенности вплоть до абсолютной темноты.

Импульсный режим (режим активной диафрагмы).

В импульсном режиме питание ЭОП 1 осуществляется аналогично активно-импульсному режиму, при этом генератор 7 накачки не производит накачку (питание) лазерного излучателя 6. На фотокатоде 10 формируется изображение объектов, создаваемое естественным фоновым освещением (например, сумеречным солнечным излучением), которое усиливается по яркости в ЭОП 1, при этом световая перегрузка ЭОП устраняется за счет скважности импульсного питания ЭОП (например, при длительности строб-импульса 2 мкс и частоте повторения 500 Гц эквивалентный коэффициент ослабления входного светового сигнала составляет 1000). Импульсный режим обеспечивает наблюдение при достаточно высоких уровнях естественной освещенности, соответствующих периоду смены дня ночью.

Пассивный режим работы.

В пассивном режиме отключены генератор 7 накачки, лазерный излучатель 6, устройство 8 задержки и генератор 4 строб-импульса, а питание ЭОП осуществляется только постоянным напряжением с источника 2, который вырабатывает, кроме постоянного напряжения (например, U₁) для питания межэлектродного промежутка 15-14, постоянное напряжение (например, U2), выполняющее функцию вольт-добавки для высокопотенциальных выходов 18, 19 и обеспечивающее питание межэлектродного промежутка 14-10 через высокоомный делитель 3. Распределение постоянных потенциалов на электродах ЭОП 1 имеет при этом вид:

15 U₁ + U₂; 14 U₂; 13 K_I x U₂; 17 K_n+1 x U₂; 10 0, где 1 > К₁ > K_n+1; K_I.K_n+1 коэффициенты деления, определяемые высокоомным делителем 3 напряжения.

Пассивный режим обеспечивает наблюдение в условиях низкой естественной освещенности (при свете луны, звезд).

Данный активно-импульсный ПАВ обеспечивает применение стандартных ЭОП с микроканальным усилителем яркости изображения без встраивания в них специальных устройств модуляции электронного потока при сохранении разрешающей способности, свойственной ЭОП, работающих в статическом пассивном режиме. При этом обеспечивается возможность создания портативного ПНВ с повышенной дальностью наблюдения в классе (в части массогабаритных характеристик) бинокля.

На фиг.3 показан портативный активно-импульсный ПНВ, созданный с использованием предлагаемого изобретения, массой (без первичного источника питания) 1,7 кг с использованием в качестве источника подсветки импульсного полупроводникового матричного излучателя и электронно-оптического преобразователя поколения 2+.

На фиг. 4, 5 представлена фотография объекта на местности (церковь) на удалении 594 м от ПНВ, полученная с экрана ЭОП при наблюдении в активно-импульсном режиме с полем зрения 2х1 град. в прямом (фиг.4) и обратном (фиг.5) контрасте.

На фиг.6, 7 представлена фотография группы зданий на удалении 1200 м от ПНВ, полученная с экрана ЭОП в активно-импульсном режиме, при наблюдении ближе расположенного здания в прямом (фиг.6) и обратном (фиг.7) контрасте.