Часть 3. Тепломаскировка (NIR и ПНВ)
1. MWIR (3–5 мкм) и LWIR (8–14 мкм) — это единственные диапазоны, пригодные для наблюдения за тепловым излучением объектов на расстояниях более 10–20 метров через атмосферу.
2. Диапазон 5–8 мкм физически невозможно использовать для дистанционного тепловидения — атмосфера его полностью «съедает».
3. NIR и SWIR выделены в отдельную группу, потому что они используют не собственное тепло объектов, а отражённое внешнее излучение, поэтому для них действуют другие законы (они ближе к оптике, чем к тепловидению).
NIR диапазон (Near infrared)
Для съемки в ближнем ИК-диапазоне используют камеры с NIR-сенсорами (улучшенные кремниевые сенсоры), которые позволяют увидеть изображение на длине волны от 650 до 1400 нм. Регистрирует отраженный свет от естественных источников (луна, звезды, свечение ночного неба) или искусственной ИК-подсветки. Собственное тепло объектов в этом диапазоне не видно. Нанесенная светлая цветная краска уже не влияет на получаемое изображение — таким образом красные, синие и зеленые предметы будут «белыми» на изображении, а поглощающие ИК-цвета (черный и темные оттенки) — остаются черными на снимке. Именно в этом диапазоне работают классические ПНВ на ЭОП и цифровые ПНВ. Они улавливают отраженный свет (луны, звезд и др.) и многократно его усиливают. В полной темноте, когда нет никаких источников света, эти приборы бесполезны без активной ИК-подсветки — специального прожектора, который светит в ближнем ИК-диапазоне, невидимом для глаза, но отлично видимом через прибор.
- Приборы ночного видения (ПНВ): Очки и монокуляры (AN/PVS-14, AN/AVS-9, отечественные серии «Малыш», «Катод»). 1ПН92-2, ГЕО-ОНВ и их аналоги,
- Лазерные целеуказатели (ЛЦУ) и осветители: AN/PEQ-15 (ATPIAL), DBAL-A3, прицельные комплексы серии «Першин».
В ближнем ИК (NIR) можно вести наблюдение за следующими объектами:
- Дорожная инфраструктура для автопилота (автоведение поезда, автомобиля и т.д.) без видимых вспышек для человека;
- Контроль объектов на конвейере (подсчет птенцов без пугающих вспышек света, работа системы вблизи людей);
- Инспекция нагретых материалов (литейные ковши, трубопрокат, контроль на прогар, нагревательные элементы);
- Инспекция непрозрачность жидкостей (многие из темных и цветных жидкостей становятся прозрачными в ИК, что позволяет своевременно обнаруживать посторонние предметы и включения);
- Контроль печати маркировки, срока годности и штрих-кода;
- Лазерная триангуляция. Многие системы лазерной 3D-инспекции используют ИК- лазеры большой мощности в паре с камерой, оснащенной ИК-пропускающим фильтром;
- Контроль за здоровьем растений (здоровые листья значительно лучше отражают NIR-диапазон);
- Ночные операции. Передвижение на местности с использованием очков ночного видения;
- Скрытное целеуказание. Применение ИК-лазеров, видимых только в ПНВ, для наведения без демаскировки в видимом спектре;
- Пилотирование армейской авиации. Ночные полеты вертолетов на сверхмалых высотах с очками ночного видения;
- Управление автотранспортом в ночное время без фар.
Приборы на ЭОП
Приборы на ЭОП (Электронно-Оптический Преобразователь) — "Аналоговое" ночное видение. Это классические ПНВ, которые используют физический процесс для усиления света.
- Свет (включая ближний ИК) попадает на фотокатод;
- Фотокатод преобразует фотоны света в электроны (внешний фотоэффект);
- Эти электроны ускоряются высоким напряжением и проходят через микроканальную пластину (МКП), где происходит их лавинообразное умножение в тысячи раз;
- Умноженный поток электронов попадает на люминесцентный экран, который светится видимым зеленым или белым светом (в зависимости от типа люминофора). Это изображение и видит глаз через окуляр.
Поколения ЭОП и рабочие диапазоны:
- 1-е поколение (Gen 1). Работали в основном в ближнем ИК-диапазоне (~750–800 нм) и имели множество недостатков: искажения по краям, низкая чувствительность, боязнь засветки;
- 2-е поколение (Gen 2). Использование МКП значительно улучшило качество. Диапазон чувствительности расширился до ~780–850 нм;
- 2+ поколение (Gen 2+). Появились фотокатоды с "красным смещением" (например, S-20R), которые обладают повышенной чувствительностью в ближнем ИК-диапазоне, что улучшает работу в условиях слабой освещенности;
- 3-е поколение (Gen 3). Имеют еще более высокую чувствительность в ближнем ИК за счет использования фотокатодов на основе арсенида галлия (GaAs). Это профессиональные приборы с высоким разрешением, но и высокой ценой. Существует поколение 3+. Вместо удаления ионно-барьерной пленки ее сделали в три раза тоньше, применили улучшенную МКП (микроканаловые пластины), а также поставили импульсный источник питания ЭОПа с уменьшенным напряжением. В результате удалось существенно повысить характеристики ЭОПа без уменьшения срока службы и устойчивости к перегрузкам. Благодаря импульсному источнику питания удалось избавиться от влияния ярких источников света на ЭОП. На данный момент официального 4-го поколения не существует — это маркетинговый ход.
Основные отличия и особенности:
Качество изображения. Дают очень четкое, бесшумное изображение без задержек, так как процесс происходит в реальном времени;
Энергопотребление. Очень экономичны, могут работать до нескольких дней от одной батарейки;
Чувствительность к свету. ЭОП — это деликатный вакуумный прибор. Яркий свет (например, фары) может его повредить или сократить срок службы. Современные модели имеют защиту "auto-gating" (автоматическая затворная система), но риск сохраняется;
Стоимость. Высокая, особенно для поколений 2+ и 3.
Цифровые (электронные) ПНВ
Цифровые (электронные) ПНВ представляют собой высокочувствительные цифровые камеры (обычно на CMOS-матрицах), которые работают в ближнем ИК-диапазоне.
- Свет (включая ближний ИК) попадает на матрицу;
- Матрица преобразует фотоны в электрический сигнал, который затем цифровым способом усиливается и обрабатывается процессором;
- Обработанное изображение выводится на небольшой экран (дисплей), на который смотрит глаз.
Основные отличия и особенности:
- Цена и доступность. Значительно дешевле приборов на качественных ЭОП.
- Функциональность. Как и любая цифровая техника, позволяют записывать видео, фотографировать, транслировать изображение на внешние устройства.
- Универсальность. Не боятся засветки и могут работать днем, но качество изображения уступает дневной оптике.
- Задержка изображения. Сигнал обрабатывается процессором, поэтому есть небольшая задержка между движением головы и изображением на экране, что критично для активных действий.
- Качество. По чувствительности современные цифровые ПНВ приблизились к уровню ЭОП 2-го поколения, но все еще уступают 3-му. Изображение имеет "пиксельную" структуру и может быть менее четким.
Вывод: Выбор между ЭОП и цифровым ПНВ — это компромисс. ЭОП дает лучшее качество картинки и время работы, но дорог и хрупок. Цифровой ПНВ дешевле, функциональнее, но имеет задержку и уступает по качеству и чувствительности. Понимание ИК-диапазонов и такого понятия, как ИК-ремиссия, критически важно для правильного выбора как самого прибора, так и тактики его применения.
ИК-ремиссия
Термин «ремиссия» происходит от латинского remissio (ослабление, отражение/рассеивание). В контексте оптики и спектроскопии ИК-ремиссия — это способность поверхности (ткани и др.) отражать (рассеивать) падающее на неё инфракрасное излучение с определенной интенсивностью.
Важно отличать ремиссию (отражение) от эмиссии (испускание).
- Эмиссия — это когда объект сам излучает ИК-волны (тепло). Это удел тепловизоров.
- Ремиссия — это когда объект отражает ИК-волны от внешнего источника. Это удел ПНВ на ЭОП и цифровых камер.
Как это работает ИК-подсветка для ЭОП и цифровых ПНВ:
- В полной темноте (в пещере или комнате без окон) фотонов видимого света нет. Но в приборе есть ИК-подсветка (LED или лазер на 850 нм или 940 нм);
- Вы включаете ИК-фонарь. Он испускает невидимый глазу пучок NIR-излучения;
- Пучок долетает до объекта (например, до камуфляжа, листвы, лица человека);
- Объект ремиттирует (отражает, рассеивает) эти лучи;
- Отраженные лучи возвращаются в объектив ПНВ (будь он на ЭОП или электронный) и вы видите картинку.
Если ваша одежда имеет высокую ИК-ремиссию, она будет отражать много ИК-света и на фоне темной местности будет выглядеть как яркое белое пятно, ИК-ремиссия будет полностью демаскировать вас.
Задача специальных тканей с низкой и правильной ИК-ремиссией — отражать свет так же, как и окружающая среда. Например, камуфляжный рисунок наносится красителями с разными уровнями ремиссии (например, "хаки" — 60-70%, "зеленый" — 30-50%, "черный" — 10-20%), чтобы "сломать" силуэт и сделать его неотличимым от фона даже при наблюдении в ПНВ с подсветкой.
Эффективность ИК-ремиссии особенно важна при использовании активной ИК-подсветки. В пассивном режиме (без включенной подсветки, только при лунном свете) качество маскировки больше зависит от естественных свойств материала и его способности отражать "обычный" слабый свет. Однако в боевых условиях включение ИК-подсветки — это демаскирующий фактор, и качество ИК-ремиссии экипировки становится вопросом выживания.
Пример материала с ИК-ремиссией
SWIR диапазон (Short-wave infrared)
Коротковолновой SWIR-диапазон охватывает спектр с длиной волны от 1.4 до 3 мкм. Пограничная область между отраженным светом и тепловым излучением. В отличие от излучения среднего и длинного ИК-диапазонов, которые исходят от самих объектов, SWIR-излучение близко к видимому диапазону в том, что фотоны либо отражаются, либо поглощаются объектами, и это свойство обеспечивает широкий динамический диапазон, необходимый для изображений с высоким разрешением и позволяет «пробивать» пыль, туман, дым и маскировочные завесы.
Кремниевые сенсоры не подходят для SWIR-диапазона: для наблюдения за объектами в коротковолновом ИК-диапазоне в камерах используют InGaAs сенсоры. Для достижения наилучших результатов работы в этом диапазоне важно использовать оптику, имеющую специальное просветляющее покрытие и предназначенное для съемки в SWIR-диапазоне. Использование объективов, предназначенных для волн видимого спектра, приводит к получению снимков низкого разрешения с более высокой оптической аберрацией.
- Камеры разведки и наблюдения: FLIR Recon V, Goodrich SWIR, специализированные оптико-электронные головки БПЛА.
- Датчики отслеживания лазерного пятна (Laser Spot Trackers): Приемники лазерных дальномеров и целеуказателей.
- Оптические системы обнаружения оптики: Приборы антиснайперской разведки.
Область применения SWIR-камер:
- С помощью SWIR реализуют фотосепарацию на гниль для овощей и фруктов. Волны SWIR-диапазона проникают через кожуру и отражаются непосредственно мякотью, в месте гнили на снимке камеры будет отлично видно скопление жидкости в виде потемнения;
- Разведка в условиях помех: Наблюдение сквозь плотные дымовые завесы, пылевые бури и туман, где обычные оптические каналы и ПНВ бессильны.
- SWIR часто применяют для навигации в порту, при спасательных работах;
- Ночное виденье без подсветки за счет излучения звезд (при ясном небе);
- Проверка подлинности картин (в SWIR-диапазоне масляная краска становится прозрачной, таким образом на снимке видны карандашные штрихи художника);
- Распознавание маскировки. Искусственные материалы (маскировочные сети, форма с ИК-ремиссией, краска) в диапазоне SWIR отражают свет иначе, чем настоящая растительность или грунт;
- Работа с «безопасными для глаз» лазерами. Лазерные дальномеры и подсветчики на длине волны 1550 нм не видны в стандартные ПНВ (NIR), но отлично фиксируются SWIR-камерами.
