Night vision udstyr og termiske billeddannere, eller hvordan man finder en sort kat i et mørkt rum

Vision er den vigtigste måde at opleve virkeligheden på. Visuelt får vi det meste af informationen om omverdenen. Vores øjne er en overraskende kompleks og perfekt mekanisme, der præsenteres for os af natur. Men desværre er deres muligheder noget begrænsede.

En person er i stand til kun at opfatte et meget snævert optisk område af hele spektret af elektromagnetisk stråling (det kaldes også den synlige del af spektret). Desuden kan øjet kun opfatte "billedet" under betingelser med tilstrækkelig belysning. F.eks. Hvis det falder under niveauet på 0,01 lux, mister vi evnen til at skelne mellem objekternes farver, og vi kan kun se store objekter der er i nærheden.

Dette er dobbelt fornærmende, for på grund af denne egenskab af vores vision bliver vi næsten blinde i mørket. Mennesket har altid misundtaget andre repræsentanter for dyreriget, for hvem nattaften ikke er en hindring: katte, ugler, ulve, flagermus.

Særligt ikke lide denne begrænsning af menneskets vision i militæret. Men situationen blev kun ændret drastisk i midten af ​​forrige århundrede, da takket være fysikens præstationer syntes natsynsapparater, der gjorde det muligt at se om natten næsten lige så tydeligt som om dagen.

I øjeblikket er nat-vision-enheder ikke kun i hærens arsenaler, de bruges med glæde af redningsmænd, jægere, sikkerhedsenheder, særlige tjenester. Og hvis vi taler om termiske billeddannere, er listen over deres anvendelse endnu bredere.

I dag er der en lang række forskellige typer og typer nattsynsapparater (NVD), der er lavet i form af kikkert, mono-briller (monokulære), seværdigheder eller almindelige briller. Men før vi taler om apparatet til nattesynet, skal vi sige et par ord om de fysiske principper, som arbejdet med sådanne anordninger bygger på.

Hvordan virker det

Funktionen af ​​nattsynsapparater og termiske billeddannere er baseret på de fysiske fænomener af den interne og eksterne fotoelektriske effekt.

Essensen af ​​den eksterne fotoelektriske effekt (eller fotoelektron emission) er, at faste legemer udsender elektroner under påvirkning af lys, som er fanget af NVD. Grundlaget for enhver nat vision enhed er en billedforstærker, en elektron-optisk konverter, der fanger det svage reflekterede lys, forstærker det og omdanner det til et elektronisk signal. Dette er, hvad en person ser i linsen på en nattesyn enhed. Det skal forstås, at ingen nattesyn enhed er i stand til at "se" i absolutte mørke. Det er sandt, at der også er aktive nattsynsapparater, der bruger deres egen kilde til infrarød stråling til at belyse objekter.

Enhver nat vision enhed består af tre hovedkomponenter: optisk, elektronisk og en anden optisk. Lyset modtages af en linse, som derefter fokuserer det på en billedforstærker, hvor fotoner bliver til et elektronisk signal. Det maksimalt forstærkede signal overføres til luminescerende skærm, hvor det igen bliver billedet, der er kendt for det menneskelige øje. Ovennævnte design er generelt karakteristisk for enhver generation af nattesynsapparater, bare moderne nattsynsapparater (anden og tredje generation) har et mere avanceret signalforstærkningssystem.

Termiske billedere optager på den anden side deres egen stråling fra ethvert legeme eller objekt, hvis temperatur er forskellig fra absolut nul. Hovedparten af ​​billeddannerne er de såkaldte bolometre - komplekse fotodetektorer, der optager infrarøde bølger. Sådanne sensorer er følsomme for bølgelængder svarende til temperaturområdet fra -50 til +500 grader celsius.

Faktisk har termiske billeddannere et ret simpelt design. Hver sådan indretning består af en linse, en termisk billeddannelsesmatrix og en signalbehandlingsenhed, såvel som en skærm, på hvilken det færdige billede vises. Termiske billeddannere er af to typer: med en afkølet og ikke-kold matrix. Den første er den mest følsomme, dyre og massive. Deres matrix bliver afkølet til en temperatur på -210 til -170 o C, normalt til dette brug flydende nitrogen. Oftere bliver de brugt på stort militært udstyr (for eksempel enhver tank night vision enhed).

Termiske billeddannere med en ukølet matrix koster meget mindre, de er mindre i størrelse, men deres følsomhed er meget lavere. Imidlertid tilhører de fleste af de termiske billeder, der er på markedet i dag (op til 97%) i denne kategori.

Et af de vigtigste træk ved termiske billeddannere, der stort set bestemmer deres høje omkostninger, er deres linser. Faktum er, at almindeligt glas, der anvendes i de fleste optiske enheder, er helt uigennemsigtigt over for infrarød stråling. Derfor anvendes sådanne sjældne materialer som germanium til linser af termiske billeddannere, hvis markedspris er ca. 2 tusind dollars pr. Kg. Den gennemsnitlige germanium-linse til en termisk billedpris koster omkring 7 tusind dollars, og prisen på en god kan nå op til 20 tusind dollars. I dag, både i Rusland og i udlandet, søger de aktivt en erstatning for Tyskland, som i teorien kan reducere omkostningerne ved en termisk billeddannelse med 40-50%.

Historie og klassificering af NVD

Klassificeringen af ​​nattesynsapparater er baseret på fotokatos følsomhed, lysets amplifikationsgrad og opløsningen i midten af ​​det resulterende billede. Der er som regel tre generationer af NVD. Derudover henvises tidligt natsynsapparater med en ekstra kilde til infrarød stråling ofte til en separat generation. På fabrikantens hjemmesider kan du finde information om de såkaldte mellemliggende generations nattsynsapparater, som 1+ eller 2+. En sådan gradation forfølger dog flere markedsføringsmål end det er en afspejling af reelle forskelle.

Forbedring af designet af NVD og fremkomsten af ​​nye generationer af disse enheder gik i rækkefølge efter hinanden. Derfor er klassificeringen af ​​nattsynningsanordninger mere hensigtsmæssig at overveje sammen med deres udviklingens historie.

Den 23. august 1914, i nærheden af ​​den belgiske by Oostende, formåede tyskerne at finde en britisk eskadron bestående af pansrede krydsere og destroyers med hjælp af varmevindere. Og det er ikke let at finde ud af - men også at korrigere artilleri ild med disse enheder, der forhindrer fjendens skibe i at nærme sig en vigtig havn. Det menes, at fra det øjeblik begyndte historien om nattesyn enheder.

I 1934 var der et ægte gennembrud på dette område: hollandsk holst skabte verdens første elektron-optiske konverter (EOC). To år senere udviklede den russiske ekspedient Zvorykin en billedforstærker med elektrostatisk signalfokusering, som senere blev "hjertet" af det amerikanske selskab Radio Corporation of America, der var den første kommercielle natvisionsenhed.

Perioden med hurtig udvikling af NVD var anden verdenskrig. Lederen i deres udvikling og anvendelse var Hitlers Tyskland. Den første prototype af nattesynssynet blev oprettet af det tyske firma Allgemeine Electricitats-Gesellschaft (AEG) i 1936, det var beregnet til installation på Pak 35/36 L / 45 anti-tank pistoler.

I 1944 kunne de tyske Pak 40 anti-tankvåben fyre ved hjælp af nattesynsapparater i en afstand på op til 700 meter. På omtrent samme tid modtog Wehrmachtens tankstyrker Sperber FG 1250 natsynsapparat, hvor den sidste store tyske offensiv fandt sted på østfronten nær den ungarske sø Balaton.

Alle ovenstående nat-vision-enheder hører til den såkaldte nul generation. Sådanne indretninger var meget følsomme, så for deres normale drift var en yderligere kilde til infrarødt lys nødvendigt. For eksempel er hver fem tyske tanke udstyret med en Sperber FG 1250, ledsaget af en pansret personelbærer med en stærk infrarød lokaliserer Uhu ("Filin"). Derudover havde nulgenerations-PNV'er en billedforstærker følsom over for lyse blinklys. Derfor brugte sovjetiske tropper i slutningen af ​​krigen ofte konventionelle lygter i offensiven. De blinde simpelthen tysk PNV.

Tyskerne havde forsøgt at skabe og nattesyn enheder, der ville give et større synsområde (op til 4 km), men på grund af den betydelige størrelse af IR-belysningen blev de forladt. I 1944 blev en eksperimentel batch (300 stk.) Af Vampir PNV sendt til tropperne, beregnet til installation på de tyske Sturmgever-overfaldsgeværer. Ud over selve synet bestod det af en infrarød belysning og et genopladeligt batteri. Apparatets samlede vægt oversteg 30 kg, området - 100 meter, og tiden for dens drift var kun 20 minutter. På trods af disse ret beskedne figurer brugte tyskerne aktivt "Vampyr" i natkampene i krigets sidste fase.

Forsøg på at skabe nul generation NVD var i Sovjetunionen. Allerede før krigen blev Dudka-komplekset udviklet til BT-familien af ​​tanke, senere syntes et lignende system for T-34. Du kan også huske den hjemlige nattsynsapparat Ts-3, som blev udviklet til PPSh-41 submachin pistoler. Lignende våben blev planlagt til at udstyre angrebsenheder. NVD modtog imidlertid ikke udbredt anvendelse i Røde Hær. På den tid var nat-vision-enheder stadig eksotiske, og Sovjetunionen under anden verdenskrig var bestemt ikke op til den.

Erfaringerne fra Anden Verdenskrig viste, at nattesynsapparater har fremragende udsigter. Det blev klart, at denne teknologi i alvorlig grad kan ændre vejen for at udføre kampoperationer ikke kun på land, men også i luften og til søs. For dette måtte nulgenerationen NVD slippe af med et stort antal iboende fejl, hvis hovedpart var deres lave følsomhed. Det begrænsede ikke kun NVD'ens rækkevidde, men også tvunget til at bruge en stor og meget energiintensiv IR-belysning med enheden. I det hele taget var designen af ​​de første natvisionsanordninger for kompliceret og adskilt ikke i tilstrækkelig pålidelighed.

Snart erstattede de første generations enheder baseret på elektro-opto-elektrokemiske rør med elektrostatisk fokusering de primitive natsynsapparater i den militære periode. De var i stand til at forstærke indgangssignalet flere tusinde gange. Dette gjorde det igen muligt at nægte yderligere belysning. IR-belysninger har ikke kun unødigt gjort systemet tyngre, men også afsløret fighteren på slagmarken. Toppen af ​​deres perfektion af den første generation af NVG'er nået af 60'erne i det sidste århundrede, brugte amerikanerne dem aktivt i Vietnamkriget.

Andet generation natursynningsapparater optrådte på grund af fremkomsten af ​​en revolutionerende mikrokanalteknologi, dette skete i 70'erne. Kernen i det var, at nu blev de optiske plader besat med hule kanalrør med en diameter på 10 μm og en længde på ikke mere end 1 mm. Deres nummer bestemmer opløsningen af ​​lysstyringspladen. En foton af lys, der falder ind i hver af disse kanaler, får en hel kaskade af elektroner til at blive slået ud, hvilket i høj grad øger enhedens følsomhed. For anden generation af NVG kan gevinsten nå 40 tusinde gange. Deres følsomhed er 240-400 mA / lm, og opløsningen - 32-56 linjer / mm.

I Sovjetunionen blev nattesynsbriller "Quaker" skabt på baggrund af denne teknologi, og i USA - AN / PVS-5B.

Senere blev natsynsapparater frembragt, hvor den elektrostatiske linse er helt fraværende, og den direkte overførsel af elektroner til mikrokanalpladen finder sted. Sådanne nattsynsapparater betegnes sædvanligvis som generation 2+. På grundlag af en sådan ordning blev der fremstillet husholdningsbriller "Eyecup" eller deres amerikanske analoge AN / PVS-7.

Yderligere indsatser fra forskere til forbedring af nattsynsapparater var rettet mod at forbedre fotokatoden. Philips ingeniører har tilbudt at gøre det ud af et nyt halvledermateriale - galliumarsenid.

Sådan viste tredje generationens natvisionsapparater sig. Sammenlignet med traditionelle multi-alkaliske fotokatoder blev deres følsomhed højere med 30%, hvilket gjorde det muligt at udføre observationer selv i en skyfri måneløs nat. Det eneste problem var, at det nye materiale kun kunne laves under betingelser med højvakuum, og denne proces viste sig at være meget besværlig. Derfor var omkostningerne ved en sådan fotokatode en størrelsesorden højere end den for sine forgængere. Samtidig kan den tredje generation af NVG'er forstærke det indkommende lys med 100 tusinde gange. Du kan også tilføje, at kun to lande kan producere galliumarsenid på industriel skala - USA og Rusland.

Hvis du ser oplysninger om salget af fjerde generation NVG et sted, så husk: sandsynligvis bliver du bedraget. Det eksisterer endnu ikke, det er ikke engang klart hvilke kriterier der skal bruges til at bestemme denne gruppe. Selvom forskning til forbedring af de eksisterende "natlys" foregår selvfølgelig i snesevis af lande rundt om i verden. For termiske billedkameraer søger de en budget erstatning af glas fra Tyskland. Hovedproblemet med nattesynsapparater er søgen efter en billigere analoge galliumarsenidfotokatoder. I begyndelsen af ​​2000'erne annoncerede amerikanerne oprettelsen af ​​en ny generation af NVG'er, men nogle eksperter mener, at det snarere kan kaldes 3+ generationen.

Ansøgninger og udsigter

Enheder, der gør det muligt for en person at se om natten, bliver hvert år mere populære og finder nye anvendelsesområder. Moderne "civile" natsynsapparater har en overkommelig pris, så jægere, sikkerhedsstrukturer og andre kategorier af borgere, der har brug for nattesyn, har råd til dem.

Det mest interessante er, at i dag er alle tre generationer af natsynsapparater til stede på markedet. Mange nattesynsapparater til jagt tilhører første generation eller endog nul og har IR-belysning, hvilket er absolut uacceptabelt for militære NVG'er. På "borger" bruges også og tredje generationens enheder (de kan ses selv i kælderen). De teknologier, der bruges til at oprette dem, har ikke været hemmelige i lang tid, bare enheder er meget dyre. Omfang NVD kan også laves ved hjælp af elementer af forskellige generationer.

Anvendelsen af ​​termiske billeddannere har også længe været ophørt med at være militærets eksklusive prærogativ. Ud over jagt og observation i mørke bruges lignende enheder i stigende grad til videnskabelig forskning. Med deres hjælp tjekker de for eksempel rumfartøjet før lanceringen: billedhuggeren viser perfekt forskellige lækager, som kan føre til en katastrofe. Uundværlig termisk billede og energi. Denne enhed kan let vise, hvor varmen er mest aktiv udluftning fra en bygning, og det vil også gøre det muligt at registrere steder med maksimal belastning i elnettet. Termiske billeddannere og medicin anvendes: Ifølge temperaturkortet på menneskekroppen kan du endda lave nogle diagnoser. Hvert år bliver disse enheder billigere, så deres anvendelsesområde er støt voksende.