Kroniki termowizyjne. Część 2
Kluczowym problemem poszczególnych kamer termowizyjnych jako części oprzyrządowania i systemu celowniczego są rygorystyczne wymagania dotyczące masy i wymiarów. Niemożliwe jest umieszczenie matrycowego systemu chłodzenia ciekłym azotem, dlatego konieczne jest znalezienie nowych rozwiązań inżynieryjnych. I po co zawracać sobie głowę najbardziej skomplikowaną i najdroższą kamerą termowizyjną, jeśli istnieją już doskonałe urządzenia noktowizyjne na podczerwień dla pojedynczego karabinu broń? Chodzi o kamuflaż wroga, dym, opady atmosferyczne i interferencję światła^ wszystko to ostro obniża skuteczność noktowizorów nawet z lampami wzmacniaczy obrazu trzeciej generacji. Produkt Nowosybirskiego Centralnego Biura Projektowego „Tochpribor” o indeksie 1PN116 jest właśnie przeznaczony do pracy w takich warunkach i jest oldschoolowym przedstawicielem urządzeń do wykrywania promieniowania podczerwonego z obiektów na polu bitwy.
Celownik termowizyjny 1PN116 ze swoim bystrym wzrokiem widzi wszystko, co jest wielkości człowieka i co jest gorętsze niż naturalne tło 1200 metrów przed nami. Urządzenie ma znaczną masę (3,3 kg), dlatego umieszczają go głównie na SVD, karabinach maszynowych "Pecheneg" i "Kord". Niechłodzony mikrobolometr służy jako „siatkówka”, której matryca ma 320x240 pikseli. Przyjrzyjmy się bliżej sztuczkom niechłodzonego obrazowania termicznego.
[środek]Wojskowy mikrobolometr półprzewodnikowy
Jest to już technika trzeciej generacji, która zasadniczo różni się od poprzednich z uwagi na brak złożonego i nie zawsze niezawodnego systemu skanowania optyczno-mechanicznego. Ta generacja kamer termowizyjnych jest oparta na półprzewodnikowych odbiornikach matrycowych FPA (Focal Plate Area) zamontowanych tuż za płaszczyzną obiektywu. „Chemia” termowizji w tego typu gadżetach w zdecydowanej większości opiera się na rezystancyjnych warstwach tlenków wanadu VOx lub amorficznego krzemu α-Si. Są jednak wyjątki, w których fotodetektory lub „serce” kamer termowizyjnych oparte są na PbSe, matrycach piroelektrycznych fotodetektorów, czy matrycach opartych na związkach CdHgTe, wyposażonych w chłodzenie termoelektryczne. Co ciekawe, takie chłodzenie najczęściej nie jest wykorzystywane zgodnie z przeznaczeniem, a jedynie zapewnia stabilność termiczną w zmieniających się warunkach środowiskowych. Mikrobolometry z serii VOx lub α-Si rejestrują zmiany oporności elektrycznej pod wpływem temperatury, co odnosi się do podstawowej zasady działania kamery termowizyjnej. Każdy taki czujnik półprzewodnikowy zawiera chip do wstępnego przetwarzania sygnału, który przekształca rezystancję na napięcie wyjściowe i kompensuje promieniowanie tła. Istotnym wymaganiem mikrobolometru jest praca w próżni i „termicznie przezroczysta” optyka germanowa, co poważnie komplikuje pracę zarówno projektantom, jak i producentom. A sam czujnik musi mieć niezawodne podłoże z wtrąceniami arsenku germanu lub galu. Aby zrozumieć zawiłości działania mikrobolometru, należy zauważyć, że fluktuacja temperatury kryształu o 0,1 K prowadzi do niewielkiej zmiany rezystancji o 0,03%, którą należy śledzić. Krzem amorficzny, przy wszystkich innych parametrach, ma pewną przewagę nad tlenkami wanadu - jednorodność sieci krystalicznej i wysoką czułość. Dzięki temu obraz dla użytkownika jest bardziej kontrastowy i mniej podatny na zakłócenia w porównaniu z podobnymi technikami na VOx. Każdy piksel mikrobolometru jest na swój sposób wyjątkowy – posiada własne, nieco odmienne od swoich odpowiedników, współczynniki wzmocnienia i przesunięcia, które wpływają na finalny obraz. Poprzez zwiększenie liczby pikseli, zmniejszenie odstępu między nimi (do 9-12 mikronów) oraz ich miniaturyzację projektanci starają się między innymi zmniejszyć poziom szumów na obrazie. „Złe” lub wadliwe piksele to poważny problem w produkcji mikrobolometrów, zmuszający inżynierów do opracowania mechanizmów programowych do wyrównywania białych lub czarnych punktów na ekranie i migoczących cząstek. Jest to zwykle zorganizowane za pomocą interpolacji, to znaczy sygnał wychodzący z „uszkodzonego” piksela jest zastępowany pochodną wartości sąsiadów. Najważniejszym parametrem matrycy jest wartość NETD (Noise Equivalent Temperature Difference), czyli temperatura, w której sygnał mikrobolometru różni się od szumu. Oczywiście czujnik musi działać szybko, więc kolejnym parametrem jest stała czasowa czyli szybkość, z jaką kamera termowizyjna reaguje na zmiany temperatury. Współczynnik wypełnienia lub współczynnik wypełnienia jest cechą matrycy, która odzwierciedla poziom wypełnienia mikrobolometru czułymi elementami, im większy, tym lepszy obraz widzi operator. Matryce hi-tech mogą pochwalić się 90% pokryciem matrycy przy liczbie pikseli sięgającej 1 miliona. Użytkownik może obserwować pole bitwy w dwóch wersjach - monochromatycznej i kolorystycznej.
Obiecująco wyglądają postępy amerykańskich naukowców dotyczące wykorzystania grafenu jako czujnika podczerwieni. Ten materiał 2D jest wszędzie, gdzie próbują wprowadzić, a teraz przyszła kolej na technologie termowizyjne. Biorąc pod uwagę, że 70-80% kosztów niechłodzonej kamery termowizyjnej to mikrobolometr i optyka germanowa, pomysł stworzenia grafenowych czujników termoelektrycznych jest bardzo kuszący. Według Amerykanów wystarczy jedna warstwa stosunkowo niedrogiego grafenu na podłożu z azotku krzemu, a prototyp nabiera już zdolności rozróżniania osoby w temperaturze pokojowej.
Zarówno za granicą, jak i w Rosji wiele uwagi poświęca się rozwojowi związanemu z atermalizacją układów optycznych kamer termowizyjnych, czyli odpornością na zmiany temperatury otoczenia. Soczewki są używane z materiałów chalkogenkowych - GeAsSe i GaSbSe, w których współczynniki załamania promieni w niewielkim stopniu zależą od temperatury. LPT i Murata Manufacturing opracowały technikę wytwarzania takich soczewek przez prasowanie na gorąco, a następnie toczenie diamentowe soczewek asferycznych i hybrydowych. W Rosji jednym z nielicznych producentów soczewek atermicznych jest NPO GIPO - Państwowy Instytut Optyki Stosowanej, będący częścią holdingu Shvabe. Materiałem soczewek jest szkło beztlenowe, selenki cynku i germanu, a korpus wykonany jest z wysokowytrzymałego stopu aluminium, co docelowo gwarantuje brak zniekształceń w zakresie od -400C do +500C.
W Rosji, oprócz wspomnianego 1PN116 z Federalnego Przedsiębiorstwa Unitarnego „TsKB Tochpribor” (lub „Urządzenia Szwabe”), znacznie lżejszy celownik termowizyjny „Szachin” (OAO TsNII „Cyklon”), nazwany od „czujności” na cześć drapieżnego gatunku sokoła, który wyróżnia francuska matryca Ulisse o rozdzielczości 160x120 pikseli (lub 640x480) i zasięgu rozpoznawania postaci wzrostu 400-500 metrów. W ostatnich generacjach importowany mikrobolometr został zastąpiony modelem krajowym.
Kolejny na liście: celownik termowizyjny PT3 z Nowosybirska „Szwabe – obrona i ochrona” o rozdzielczości matrycy 640x480 elementów, masie 0,69 kg i, który stał się „złotym standardem”, zasięgu wykrywania narośli liczba 1200 m. Rozstaw pikseli tego celownika nie jest wybitnym wskaźnikiem i wynosi 25 mikronów, co stanowi skromną rozdzielczość końcową obrazu. Nawiasem mówiąc, holding zorganizował produkcję celownika myśliwskiego opartego na rozwoju wojskowym pod kodem PTZ-02. Kolejnym przedstawicielem rodzimej szkoły projektowania jest celownik termowizyjny Alfa TIGR z dywizji Shvabe-Fotopribor, który wydaje się być monopolistą, z odbiornikiem mikrobolometrycznym w zakresie 7-14 mikronów o rozdzielczości 384x288 pikseli. W TIGER operator pracuje z monochromatycznym mikrowyświetlaczem OLED o rozdzielczości 800x600 pikseli, z czego 768x576 jest zarezerwowane do wyświetlania obrazu termowizyjnego. Istotną różnicą w stosunku do wczesnych egzemplarzy rosyjskich celowników termowizyjnych jest wydłużony o 30 minut czas działania – teraz można walczyć w zakresie IR przez 4,5 godziny. Jego modyfikacja „Alfa-PT-5” ma rzadki fotodetektor PbSe z elektryczną stabilizacją termiczną. Celownik uniwersalny PT-1 od NPO NPZ można łączyć z wieloma rodzajami broni strzeleckiej dzięki specjalnemu montażowi i pamięci, w której zaprogramowana jest balistyka i celowniki dla szerokiej gamy broni. Ściśnięcie oczka muszli ocznej celownika włącza mikrowyświetlacz, a wyciągnięcie go wyłącza – taki system oszczędzania energii jest zaimplementowany w PT-1. Amerykańskie mikrobolometry są zainstalowane na termowizyjnym urządzeniu obserwacyjnym „Granit-E” z MNPK „Spektr”. Technikę z „szerokobiegunowym” widzeniem prezentuje firma o długiej nazwie NF IFP SB RAS „KTP PM” pod indeksem TB-4-50 i ma pole widzenia 18 stopni na 13,6 stopnia.
Przy okazji firma oferuje gamę trzech rozmiarów celowników termowizyjnych TB-4, TB-4-50 i TB-4-100, wyposażonych w nowoczesny mikroprocesor do przetwarzania obrazu oparty na HPRSC (High Performance Reconfigurable Super Computing ) architektura. Osobnym obszarem są nowe celowniki termowizyjne "Mowgli-2M" o indeksie 1PN97M, montowane na rodzinach MANPADS takich jak "Strela-2M", "Strela-3", "Igła-1", "Igła", " Igla-S” i najnowsza „Willow”. Opracowują i montują celowniki w Petersburgu LOMO i różnią się oczywiście ogromnym zasięgiem wykrywania wynoszącym 6000 m. Alternatywą dla Mowgli mogą być celowniki TV/S-02 firmy BELOMO z sąsiednich krajów, przeznaczone do ciężkiej broni strzeleckiej - karabiny dużego kalibru, granatniki, a właściwie MANPADS. Przy masie nie większej niż 2 kg białoruski celownik wykazuje imponujący zasięg wykrywania ludzi wynoszący 2000 metrów i rozpoznawanie 1300 metrów.
W tej części „Kroniki termowizyjnej” omówiliśmy niektóre krajowe celowniki termowizyjne oraz ich odpowiedniki z sąsiednich krajów. Wyprzedzając zagraniczne odpowiedniki, czołg kamery termowizyjne, a także indywidualne urządzenia do obserwacji i rozpoznania.
1PN116 zainstalowany na PKM
Celownik termowizyjny 1PN116 ze swoim bystrym wzrokiem widzi wszystko, co jest wielkości człowieka i co jest gorętsze niż naturalne tło 1200 metrów przed nami. Urządzenie ma znaczną masę (3,3 kg), dlatego umieszczają go głównie na SVD, karabinach maszynowych "Pecheneg" i "Kord". Niechłodzony mikrobolometr służy jako „siatkówka”, której matryca ma 320x240 pikseli. Przyjrzyjmy się bliżej sztuczkom niechłodzonego obrazowania termicznego.
[środek]Wojskowy mikrobolometr półprzewodnikowy
Jest to już technika trzeciej generacji, która zasadniczo różni się od poprzednich z uwagi na brak złożonego i nie zawsze niezawodnego systemu skanowania optyczno-mechanicznego. Ta generacja kamer termowizyjnych jest oparta na półprzewodnikowych odbiornikach matrycowych FPA (Focal Plate Area) zamontowanych tuż za płaszczyzną obiektywu. „Chemia” termowizji w tego typu gadżetach w zdecydowanej większości opiera się na rezystancyjnych warstwach tlenków wanadu VOx lub amorficznego krzemu α-Si. Są jednak wyjątki, w których fotodetektory lub „serce” kamer termowizyjnych oparte są na PbSe, matrycach piroelektrycznych fotodetektorów, czy matrycach opartych na związkach CdHgTe, wyposażonych w chłodzenie termoelektryczne. Co ciekawe, takie chłodzenie najczęściej nie jest wykorzystywane zgodnie z przeznaczeniem, a jedynie zapewnia stabilność termiczną w zmieniających się warunkach środowiskowych. Mikrobolometry z serii VOx lub α-Si rejestrują zmiany oporności elektrycznej pod wpływem temperatury, co odnosi się do podstawowej zasady działania kamery termowizyjnej. Każdy taki czujnik półprzewodnikowy zawiera chip do wstępnego przetwarzania sygnału, który przekształca rezystancję na napięcie wyjściowe i kompensuje promieniowanie tła. Istotnym wymaganiem mikrobolometru jest praca w próżni i „termicznie przezroczysta” optyka germanowa, co poważnie komplikuje pracę zarówno projektantom, jak i producentom. A sam czujnik musi mieć niezawodne podłoże z wtrąceniami arsenku germanu lub galu. Aby zrozumieć zawiłości działania mikrobolometru, należy zauważyć, że fluktuacja temperatury kryształu o 0,1 K prowadzi do niewielkiej zmiany rezystancji o 0,03%, którą należy śledzić. Krzem amorficzny, przy wszystkich innych parametrach, ma pewną przewagę nad tlenkami wanadu - jednorodność sieci krystalicznej i wysoką czułość. Dzięki temu obraz dla użytkownika jest bardziej kontrastowy i mniej podatny na zakłócenia w porównaniu z podobnymi technikami na VOx. Każdy piksel mikrobolometru jest na swój sposób wyjątkowy – posiada własne, nieco odmienne od swoich odpowiedników, współczynniki wzmocnienia i przesunięcia, które wpływają na finalny obraz. Poprzez zwiększenie liczby pikseli, zmniejszenie odstępu między nimi (do 9-12 mikronów) oraz ich miniaturyzację projektanci starają się między innymi zmniejszyć poziom szumów na obrazie. „Złe” lub wadliwe piksele to poważny problem w produkcji mikrobolometrów, zmuszający inżynierów do opracowania mechanizmów programowych do wyrównywania białych lub czarnych punktów na ekranie i migoczących cząstek. Jest to zwykle zorganizowane za pomocą interpolacji, to znaczy sygnał wychodzący z „uszkodzonego” piksela jest zastępowany pochodną wartości sąsiadów. Najważniejszym parametrem matrycy jest wartość NETD (Noise Equivalent Temperature Difference), czyli temperatura, w której sygnał mikrobolometru różni się od szumu. Oczywiście czujnik musi działać szybko, więc kolejnym parametrem jest stała czasowa czyli szybkość, z jaką kamera termowizyjna reaguje na zmiany temperatury. Współczynnik wypełnienia lub współczynnik wypełnienia jest cechą matrycy, która odzwierciedla poziom wypełnienia mikrobolometru czułymi elementami, im większy, tym lepszy obraz widzi operator. Matryce hi-tech mogą pochwalić się 90% pokryciem matrycy przy liczbie pikseli sięgającej 1 miliona. Użytkownik może obserwować pole bitwy w dwóch wersjach - monochromatycznej i kolorystycznej.
Obiecująco wyglądają postępy amerykańskich naukowców dotyczące wykorzystania grafenu jako czujnika podczerwieni. Ten materiał 2D jest wszędzie, gdzie próbują wprowadzić, a teraz przyszła kolej na technologie termowizyjne. Biorąc pod uwagę, że 70-80% kosztów niechłodzonej kamery termowizyjnej to mikrobolometr i optyka germanowa, pomysł stworzenia grafenowych czujników termoelektrycznych jest bardzo kuszący. Według Amerykanów wystarczy jedna warstwa stosunkowo niedrogiego grafenu na podłożu z azotku krzemu, a prototyp nabiera już zdolności rozróżniania osoby w temperaturze pokojowej.
Zarówno za granicą, jak i w Rosji wiele uwagi poświęca się rozwojowi związanemu z atermalizacją układów optycznych kamer termowizyjnych, czyli odpornością na zmiany temperatury otoczenia. Soczewki są używane z materiałów chalkogenkowych - GeAsSe i GaSbSe, w których współczynniki załamania promieni w niewielkim stopniu zależą od temperatury. LPT i Murata Manufacturing opracowały technikę wytwarzania takich soczewek przez prasowanie na gorąco, a następnie toczenie diamentowe soczewek asferycznych i hybrydowych. W Rosji jednym z nielicznych producentów soczewek atermicznych jest NPO GIPO - Państwowy Instytut Optyki Stosowanej, będący częścią holdingu Shvabe. Materiałem soczewek jest szkło beztlenowe, selenki cynku i germanu, a korpus wykonany jest z wysokowytrzymałego stopu aluminium, co docelowo gwarantuje brak zniekształceń w zakresie od -400C do +500C.
Celownik termowizyjny „Szachin” z Centralnego Instytutu Badawczego OJSC „Cyklon”
W Rosji, oprócz wspomnianego 1PN116 z Federalnego Przedsiębiorstwa Unitarnego „TsKB Tochpribor” (lub „Urządzenia Szwabe”), znacznie lżejszy celownik termowizyjny „Szachin” (OAO TsNII „Cyklon”), nazwany od „czujności” na cześć drapieżnego gatunku sokoła, który wyróżnia francuska matryca Ulisse o rozdzielczości 160x120 pikseli (lub 640x480) i zasięgu rozpoznawania postaci wzrostu 400-500 metrów. W ostatnich generacjach importowany mikrobolometr został zastąpiony modelem krajowym.
Celownik termowizyjny PT3 przechowywany w etui
Kolejny na liście: celownik termowizyjny PT3 z Nowosybirska „Szwabe – obrona i ochrona” o rozdzielczości matrycy 640x480 elementów, masie 0,69 kg i, który stał się „złotym standardem”, zasięgu wykrywania narośli liczba 1200 m. Rozstaw pikseli tego celownika nie jest wybitnym wskaźnikiem i wynosi 25 mikronów, co stanowi skromną rozdzielczość końcową obrazu. Nawiasem mówiąc, holding zorganizował produkcję celownika myśliwskiego opartego na rozwoju wojskowym pod kodem PTZ-02. Kolejnym przedstawicielem rodzimej szkoły projektowania jest celownik termowizyjny Alfa TIGR z dywizji Shvabe-Fotopribor, który wydaje się być monopolistą, z odbiornikiem mikrobolometrycznym w zakresie 7-14 mikronów o rozdzielczości 384x288 pikseli. W TIGER operator pracuje z monochromatycznym mikrowyświetlaczem OLED o rozdzielczości 800x600 pikseli, z czego 768x576 jest zarezerwowane do wyświetlania obrazu termowizyjnego. Istotną różnicą w stosunku do wczesnych egzemplarzy rosyjskich celowników termowizyjnych jest wydłużony o 30 minut czas działania – teraz można walczyć w zakresie IR przez 4,5 godziny. Jego modyfikacja „Alfa-PT-5” ma rzadki fotodetektor PbSe z elektryczną stabilizacją termiczną. Celownik uniwersalny PT-1 od NPO NPZ można łączyć z wieloma rodzajami broni strzeleckiej dzięki specjalnemu montażowi i pamięci, w której zaprogramowana jest balistyka i celowniki dla szerokiej gamy broni. Ściśnięcie oczka muszli ocznej celownika włącza mikrowyświetlacz, a wyciągnięcie go wyłącza – taki system oszczędzania energii jest zaimplementowany w PT-1. Amerykańskie mikrobolometry są zainstalowane na termowizyjnym urządzeniu obserwacyjnym „Granit-E” z MNPK „Spektr”. Technikę z „szerokobiegunowym” widzeniem prezentuje firma o długiej nazwie NF IFP SB RAS „KTP PM” pod indeksem TB-4-50 i ma pole widzenia 18 stopni na 13,6 stopnia.
Celownik termowizyjny TB-4-100
Przy okazji firma oferuje gamę trzech rozmiarów celowników termowizyjnych TB-4, TB-4-50 i TB-4-100, wyposażonych w nowoczesny mikroprocesor do przetwarzania obrazu oparty na HPRSC (High Performance Reconfigurable Super Computing ) architektura. Osobnym obszarem są nowe celowniki termowizyjne "Mowgli-2M" o indeksie 1PN97M, montowane na rodzinach MANPADS takich jak "Strela-2M", "Strela-3", "Igła-1", "Igła", " Igla-S” i najnowsza „Willow”. Opracowują i montują celowniki w Petersburgu LOMO i różnią się oczywiście ogromnym zasięgiem wykrywania wynoszącym 6000 m. Alternatywą dla Mowgli mogą być celowniki TV/S-02 firmy BELOMO z sąsiednich krajów, przeznaczone do ciężkiej broni strzeleckiej - karabiny dużego kalibru, granatniki, a właściwie MANPADS. Przy masie nie większej niż 2 kg białoruski celownik wykazuje imponujący zasięg wykrywania ludzi wynoszący 2000 metrów i rozpoznawanie 1300 metrów.
W tej części „Kroniki termowizyjnej” omówiliśmy niektóre krajowe celowniki termowizyjne oraz ich odpowiedniki z sąsiednich krajów. Wyprzedzając zagraniczne odpowiedniki, czołg kamery termowizyjne, a także indywidualne urządzenia do obserwacji i rozpoznania.
informacja