УНИФИЦИРОВАННЫЙ ТЕПЛОВИЗИОННЫЙ ПРИБОР Российский патент 2011 года по МПК G02B23/12 

Изобретение относится к области оптико-электронного приборостроения, а именно к тепловизионным приборам, и может быть использовано для создания тепловизионных приборов с различными техническими характеристиками с использованием приемников инфракрасного (ИК) излучения различных классов (матричных, линейчатых).

Несмотря на большое число имеющихся разработок в области тепловизионных приборов и их элементной базы, разработка нового тепловизионного прибора является трудоемкой и продолжительной во времени, и при этом направлена на создание прибора с конкретными техническими характеристиками и использование конкретной элементной базы. В итоге создается практически ничем необоснованная большая номенклатура тепловизионных приборов, предназначенных для решения однотипных задач. Кроме всего прочего эти тепловизионные приборы оказываются не взаимозаменяемыми между собой по посадочным местам, присоединительным размерам, оптическим, электрическим интерфейсам и органам управления. Отсутствие унификации решений для тепловизионных приборов (или каналов) приводит к необходимости создания различных платформ и комплексов, в составе которых используются эти тепловизионные приборы (или каналы), а также необходимость модернизации несущей платформы при модернизации прибора. Все это приводит к существенному снижению эффективности разработок, серийного изготовления, модернизации и сопровождения новых тепловизионных приборов и связанных с ними изделий.

Известен тепловизор с зонным сканированием [Патент РФ №2244949, 2005 г. Тепловизор с зонным сканированием.], содержащий объектив, сканирующее устройство в виде многогранной призмы со скошенными гранями, проекционную систему (оптику переноса) и линейчатый фотоприемник первого поколения. Оптическая система рассчитана таким образом, что в ней предусматривается взаимная компенсация аберраций оптических компонентов: объектива, призмы и проекционной системы. Это является вполне обоснованным для конкретной схемы, но создает определенные проблемы при создании, например, на основе этой схемы новой модификации прибора. Кроме того, при переходе на новый тип приемника, например на матричный приемник, необходимо существенно переработать схему, и, по существу, создать новый прибор. Кроме того, для получения тепловизионного прибора оптическая система, сканирующее устройство и приемник должны быть связана с другими модулями тепловизора, взаимодействие которых и позволит получить изображение, которое может рассматриваться наблюдателем, обрабатываться и (или) передаваться по каналам передачи изображения. В рассматриваемом аналоге, по сути, описывается только схема формирования на приемнике излучения ИК изображения объектов, но не раскрывается, каким образом и каким устройством осуществляется обработка сигналов с приемника излучения, с помощью какого устройства осуществляется получение видимого изображения, представляемого глазу для наблюдения, имеется ли возможность смены увеличения, компенсации терморасфокусировки, калибровки изображения и не рассматриваются другие элементы тепловизионного прибора, только в совокупности позволяющие обеспечить получение высококачественного тепловизионного изображения. Это является недостатком аналога. Кроме того, диаметр фронтальной линзы объектива превышает диаметр входного зрачка, что увеличивает массогабаритные характеристики прибора. В приборе-аналоге не отражены меры по снижению внутренних тепловых шумов прибора, наличие которых снижает температурную чувствительность тепловизионного прибора.

Известен тепловизор на основе матричного приемника [Свидетельство на полезную модель RU 79002, 2008. Тепловизионный канал], содержащий объектив, матричное фотоприемное устройство, предусилители, аналого-цифровой преобразователь, мультиплексор, видеопроцессор, блок управления и видеоконтрольное устройство. Основным недостатком этого устройства является отсутствие в тепловизионном канале калибровки, термокомпенсации, смены полей зрения, фокусировки на различные дистанции до объектов, а также описания устройства оптической системы тепловизора, от организации которой во многом зависит организация остальных блоков тепловизора и эффективность прибора в целом. Отсутствие указанных блоков снижает эффективность работы тепловизора в реальных условиях эксплуатации, не позволяет обеспечить предельные параметры по дальности обнаружения и распознавания объектов.

Известен тепловизор, построенный на основе электронно-оптического преобразователя (ЭОП), преобразующего ИК изображение спектрального диапазона длин волн 8-14 мкм, построенного на его фотокатоде, в видимое изображение на его экране. Тепловизор содержит зеркально-линзовый объектив, ЭОП, объектив переноса, ПЗС-матрицу, блок обработки видеосигнала, электромеханический привод, спецвычислитель, пульт управления [Патент RU 2213429, 2003. Способ формирования несканирующего тепловизора с переменным углом поля зрения и несканирующий тепловизор, реализующий этот способ]. Основным недостатком такого тепловизора является невозможность достижения величин дальностей обнаружения и распознавания объектов фоноцелевой обстановки, требуемых для современных применений тепловизионных приборов, из-за низкой разрешающей способности и чувствительности ЭОП, имеющих спектральный диапазон работы в дальней ИК-области спектра. Кроме того, наличие в приборе двух приемников излучения снижает надежность и стабильность характеристик для разных режимов работы прибора.

Наиболее близким аналогом к заявляемому устройству по технической сущности является тепловизионный прибор [Патент РФ 2182717, 2002. Тепловизионный прибор], содержащий многоэлементное фотоприемное устройство (МФПУ), оптическую систему формирования ИК изображения в плоскости чувствительных элементов МФПУ, систему охлаждения, блок обработки информации, объединенные на единой несущей раме, а также видеоконтрольное устройство визуализации теплового изображения.

В качестве МФПУ в наиболее близком аналоге использовано линейчатое МФПУ с числом элементов 128, шагом 100 мкм, размером элемента 50 мкм, которое относится к первому поколению. Использование такого МФПУ приводит к появлению дефектов в изображении, проявляющихся в наличии выбитых строк в выходном изображении, появлению «щелей» при нестабильной работе сканера и вибрации основания, на котором размещен тепловизионный прибор, и, как результат, к снижению качества изображения. Характеристики МФПУ первого поколения, включая большие размеры фоточувствительного элемента, ведут к большим габаритам и массе тепловизионного прибора, снижению дальности обнаружения, повышению минимально разрешаемой разности температур и снижению качества изображения. Это является недостатками наиболее близкого аналога. К недостаткам наиболее близкого аналога относится также следующее. Оптическая схема в наиболее близком аналоге построена на основе двухзеркального сканера (уголкового отражателя), расположенного в сходящихся пучках лучей, совершающего сложное движение, что повышает сложность привода, ограничивает быстродействие тепловизионного прибора и вызывает общее снижение качества изображения в реальных условиях работы, особенно на краях кадра вследствие наличия расфокусировки. Оптическая система формирует изображение только в одном спектральном интервале - дальнем ИК диапазоне 8-12,5 мкм, что приводит к ограничению по применениям прибора. Апертурная диафрагма совмещена с оправой последней линзы оптической системы, что не обеспечивает (даже в совокупности с введенным в систему вогнутым зеркальным отражателем, установленным на последнюю линзу оптической системы) исключения влияния тепловых шумов от внутренних элементов и поверхностей деталей тепловизионного прибора, расположенных перед охлаждаемой диафрагмой МФПУ, что также ведет к возрастанию минимально разрешаемой разности температур и снижению дальности обнаружения, и требует существенного изменения в компоновке и конструкции тепловизионного прибора при модернизации прибора, например при переводе его на охлаждаемое МФПУ матричного типа. Система охлаждения в наиболее близком аналоге выполнена по типу Сплит-Стирлинга по дифференциальной схеме и имеет большие габаритные размеры и массу. Кроме того, в силу указанных особенностей выполнения линейчатого МФПУ первого поколения в наиболее близком аналоге за один проход сканера производится съем пространства с зазорами, полный кадр изображения объектов формируется за прямой и обратный ходы сканера, что снижает быстродействие тепловизионного прибора. Кроме того, в наиболее близком аналоге отсутствует целый ряд устройств (или блоков), таких как устройство микросканирования, устройство компенсации терморасфокусировки, устройство фокусировки, устройство калибровки изображения, датчики температуры, вибрации, ускорения, без которых представляется затруднительным, а зачастую и невозможным получить качественное изображение объектов фоноцелевой обстановки в реальных условиях эксплуатации тепловизионного прибора.

Отношение общего объема тепловизионного прибора (выраженного в кубических дециметрах, то есть литрах) к дальности распознавания объектов фоноцелевой обстановки, выраженной в километрах, позволяет просто и комплексно оценить потребительские характеристики прибора. Современные отечественные тепловизионные приборы обеспечивают этот параметр в пределах от 2 до 5 л/км дальности распознавания. В зарубежных тепловизионных приборах указанный параметр достигает величины от 0,8 до 1,5 л/км дальности распознавания.

В итоге устройство тепловизионного прибора в наиболее близком аналоге не удовлетворяет современным требованиям, предъявляемым к тепловизионным приборам в части достижения максимальных дальностей распознавания объектов фоноцелевой обстановки при одновременном обеспечении минимальных объемов прибора, использования МФПУ различных классов и спектральных диапазонов чувствительности, а также обеспечения требований унификации, модульности и взаимозаменяемости как отдельных элементов устройства, так и тепловизионного прибора в целом.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое устройство, является обеспечение возможности построения унифицированных тепловизионных приборов с различными техническими характеристиками на общих интерфейсах с использованием приемников ИК излучения различных классов (матричных, линейчатых), работающих в реальных условиях эксплуатации.

Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, заключается в следующем:

- повышение технических характеристик унифицированного тепловизионного прибора: увеличение дальности обнаружения, снижение массы и объема прибора, снижение минимально разрешаемой разности температур, повышение качества и формата изображения, повышение быстродействия, изменение границ спектральных диапазонов и обеспечение возможности одновременной работы в двух спектральных ИК диапазонах;

- упрощение модернизации и снижение затрат на нее;

- исключение необходимости проведения существенной модернизаций систем и комплексов, в состав которых входит унифицированный тепловизионный прибор, при проведении модернизации последнего;

- существенное снижение затрат на разработку новых бортовых систем и комплексов авиационной, вертолетной, бронетанковой техники и других применений;

- модификация тепловизионного прибора с линейчатого МФПУ на матричное МФПУ с минимальными изменениями в компоновке и конструкции;

- возможность замены МФПУ, работающего в среднем ИК диапазоне, на МФПУ, работающее в дальнем ИК диапазоне (и наоборот), или использование двухспектрального МФПУ без изменения остальных модулей;

- снижение затрат на изготовление, проведение контроля и испытаний унифицированного тепловизионного прибора и его модификаций.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в унифицированном тепловизионном приборе, содержащем МФПУ, оптическую систему формирования ИК изображения в плоскости чувствительных элементов МФПУ, систему охлаждения, модуль обработки информации, объединенные на единой несущей раме, а также видеоконтрольное устройство визуализации теплового изображения (ВКУ), в отличие от наиболее близкого аналога объединяемые элементы выполнены в виде модулей с унифицированными интерфейсами, в состав объединяемых модулей введены модуль предварительной обработки сигналов, модуль управления системой охлаждения, модуль интерфейса управления, устройство управления, модуль питания, при этом модуль обработки информации выполнен в виде модуля электронной обработки (МЭО), обеспечивающего осуществление связей со следующими модулями: модулем предварительной обработки сигналов, модулем управления системой охлаждения, модулем интерфейса управления, модулем питания, ВКУ, а устройство управления связано с модулем интерфейса управления.

В частных случаях, в конкретных формах выполнения унифицированного тепловизионного прибора ВКУ выполнено на единой несущей раме совместно с остальными унифицированными модулями, в унифицированный тепловизионный прибор введены датчики температуры, вибрации, ускорения, связанные с МЭО, а также введен модуль управления устройством калибровки изображения, а в его оптическую систему - устройство калибровки изображения, при этом модуль управления устройством калибровки изображения связан с устройством калибровки изображения и с МЭО. Кроме того, в унифицированный тепловизионный прибор введен механизм термокомпенсации и механизм фокусировки, модуль управления механизмом термокомпенсации и модуль управления механизмом фокусировки, при этом модуль управления механизмом термокомпенсации и модуль управления механизмом фокусировки связаны соответственно с механизмом термокомпенсации и механизмом фокусировки и МЭО, а механизм термокомпенсации и механизм фокусировки - с оптической системой. Кроме того, в унифицированном тепловизионном приборе механизмы термокомпенсации и фокусировки выполнены в виде объединенного механизма термокомпенсации и фокусировки, введен модуль управления механизмом термокомпенсации и фокусировки, при этом модуль управления механизмом термокомпенсации и фокусировки связан с механизмом термокомпенсации и фокусировки и МЭО, а механизм термокомпенсации и фокусировки - с оптической системой. Кроме того, в оптическую систему введено устройство микросканирования, в прибор введен модуль управления устройством микросканирования, при этом модуль управления устройством микросканирования связан с устройством микросканирования и МЭО. Система охлаждения выполнена в виде интегрированной газокриогенной машины роторного или линейного типов. Кроме того, в оптическую систему прибора введена съемная афокальная насадка, устанавливаемая первой по ходу лучей.

В частных случаях, в конкретных формах выполнения унифицированного тепловизионного прибора получают развитие и/или уточнение устройство МФПУ, устройство оптической системы формирования ИК изображения в плоскости чувствительных элементов МФПУ и вводятся дополнительные модули, организованные на общих интерфейсах.

МФПУ выполнено охлаждаемым линейчатым второго поколения и выше с режимом временной задержки и накопления форматом не менее 4×288 элементов, оптическая система формирования ИК изображения выполнена на основе сканера строчной развертки с качающимся зеркалом, в прибор введен модуль управления сканером, связанный со сканером и модулем электронной обработки, при этом диапазон спектральной чувствительности МФРУ находится в пределах среднего или дальнего ИК диапазонов длин волн. Или МФПУ обладает диапазоном спектральной чувствительности одновременно в пределах среднего и дальнего ИК диапазонов длин волн. Ось качания зеркала сканера оптически сопряжена с центром входного зрачка оптической системы формирования ИК изображения. Оптическая система формирования ИК изображения выполнена в виде последовательно установленных по ходу лучей телескопической системы, сканера строчной развертки и объектива, при этом выходной зрачок телескопической системы совмещен с входным зрачком объектива, а выходной зрачок объектива совмещен с охлаждаемой диафрагмой линейчатого МФПУ. Телескопическая система выполнена с изменяемым угловым увеличением, введены механизм смены увеличения и модуль управления механизмом смены увеличения, при этом модуль управления механизмом смены увеличения связан с телескопической системой и МЭО.

МФПУ выполнено охлаждаемым матричным, при этом диапазон его спектральной чувствительности находится в пределах среднего или дальнего ИК диапазонов длин. Или МФПУ выполнено двухспектральным охлаждаемым матричным, при этом диапазон его спектральной чувствительности находится в пределах среднего и дальнего ИК диапазонов длин волн. Оптическая система формирования ИК изображения выполнена в виде объектива. Объектив выполнен с изменяемым фокусным расстоянием, введены механизм смены увеличения и модуль управления механизмом смены увеличения, при этом модуль управления механизмом смены увеличения связан с объективом и МЭО. Или оптическая система формирования ИК изображения выполнена в виде последовательно установленных по ходу лучей телескопической системы и объектива. Телескопическая система выполнена с изменяемым угловым увеличением, введены механизм смены увеличения и модуль управления механизмом смены увеличения, при этом модуль управления механизмом смены увеличения связан с телескопической системой и МЭО. Объектив имеет вынесенный выходной зрачок, совмещаемый с охлаждаемой диафрагмой матричного фотоприемного устройства.

В основе унифицированных интерфейсов лежит унификация габаритных и присоединительных размеров, унификация оптических характеристик, унификация электрических характеристик, органов и логики управления, взаимозаменяемость и модульность конструктивного исполнения как отдельных элементов устройства, так и прибора в целом. Выполнение в унифицированном тепловизионном приборе всех объединяемых элементов в виде модулей с унифицированными интерфейсами, а именно МФПУ, оптической системы формирования ИК изображения, системы охлаждения, МЭО, ВКУ, модуля предварительной обработки сигналов, модуля управления системой охлаждения, модуля интерфейса управления, устройства управления, модуля питания, при осуществлении связей между МЭО и следующими модулями: модулем предварительной обработки сигналов, модулем управления системой охлаждения, модулем интерфейса управления, модулем питания, ВКУ и между устройством управления и модулем интерфейса управления позволяют получить достаточный состав основных модулей для создания унифицированного тепловизионного прибора, обеспечивающего получение различных технических характеристик, повышение технических характеристик, существенно снизить затраты на разработку новых бортовых систем и комплексов авиационной, вертолетной, бронетанковой техники и других применений, упростить модернизацию и снизить затраты на нее, исключить необходимость проведения существенной модернизации систем и комплексов, в состав которых входит унифицированный тепловизионный прибор, при проведении модернизации последнего снизить затраты на изготовление, проведение контроля и испытаний унифицированного тепловизионного прибора и его модификаций. Одновременно в унифицированном тепловизионном приборе обеспечивается объем прибора не более 1,5 л/км дальности распознавания.

Введение в унифицированный тепловизионный прибор датчиков температуры, вибрации, ускорения, связанных с МЭО, позволяет стабилизировать основные характеристики прибора, осуществлять адаптивную корректировку к внешним условиям эксплуатации и повысить качество изображения в реальных условиях эксплуатации унифицированного тепловизионного прибора.

Введение в унифицированный тепловизионный прибор модуля управления устройством калибровки изображения, связанного с устройством калибровки изображения и с МЭО, а в его оптическую систему - устройства калибровки изображения, позволяет снизить влияние неоднородности чувствительных элементов МФПУ на качество выходного изображения, снизить величину минимально разрешаемой разности температур и увеличить дальность обнаружения и распознавания объектов фоноцелевой обстановки.

Введение в унифицированный тепловизионный прибор механизма термокомпенсации и механизма фокусировки, связанных с оптической системой, модуля управления механизмом термокомпенсации и модуля управления механизмом фокусировки, связанных соответственно с механизмом термокомпенсации и механизмом фокусировки и МЭО, позволяет осуществлять в приборе адаптацию на внешние условия эксплуатации, повысить качество изображения и стабилизацию характеристик в реальных условиях эксплуатации унифицированного тепловизионного прибора и осуществить получение качественных изображений объектов, находящихся на различных дальностях от тепловизионного прибора.

Выполнение ВКУ на единой несущей раме совместно с остальными унифицированными модулями позволяет снизить массу и объем прибора.

Введение в оптическую систему унифицированного тепловизионного прибора съемной афокальной насадки, устанавливаемой первой по ходу лучей, позволяет обеспечить увеличение дальности обнаружения и распознавания объектов фоноцелевой обстановки.

Введение в оптическую систему устройства микросканирования, а в прибор - модуля управления устройством микросканирования, связанного с устройством микросканирования и МЭО, позволяет повысить дальность распознавания объектов фоноцелевой обстановки в пределах малых габаритов унифицированного тепловизионного прибора (без замены МФПУ и остальных элементов и модулей прибора), снизить искажения в выходном изображении, снизить требования к МФПУ, что ведет к снижению массы и объема прибора, повышению качества изображения, а также к снижению стоимости тепловизионного прибора.

Использование МЭО, позволяющего осуществлять обработку сигналов с МФПУ различных типов и взаимодействие со всеми модулями унифицированного тепловизионного прибора, позволяет упростить модернизацию унифицированного тепловизионного прибора, снизить временные, материальные, финансовые затраты на нее, а также обеспечить существенное снижение затрат на разработку новых бортовых систем и комплексов авиационной, вертолетной, бронетанковой техники и других применений, осуществить модификацию тепловизионного прибора с линейчатого МФПУ на матричное МФПУ с минимальными изменениями в компоновке и конструкции.

Выполнение модулей с унифицированными интерфейсами позволяет обеспечить унификацию габаритных и присоединительных размеров как для отдельных модулей, так и для всего прибора в целом, и в результате упростить модернизацию унифицированного тепловизионного прибора, снизить затраты на нее, а также исключить необходимость проведения существенной модернизации систем и комплексов, в состав которых входит унифицированный тепловизионный прибор, при проведении модернизации последнего.

Выполнение в унифицированном тепловизионном приборе объединяемых элементов в виде модулей с унифицированными интерфейсами позволяет в процессе изготовления и испытания унифицированного тепловизионного прибора (в его различных модификациях) использовать общие методики и оборудование для контроля характеристик и параметров, что влечет за собой снижение затрат на изготовление, проведение контроля и испытаний унифицированного тепловизионного прибора.

Выполнение МФПУ охлаждаемым линейчатым второго поколения и выше с режимом временной задержки и накопления форматом не менее 4×288 элементов приводит к повышению качества и формата изображения.

Выполнение МФПУ охлаждаемым матричным позволяет обеспечить снижение массы и объема унифицированного тепловизионного прибора.

Выполнение МФПУ с диапазоном спектральной чувствительности одновременно в пределах среднего и дальнего ИК диапазонов длин волн (соответственно 3-5 и 8-14 мкм) позволяет осуществить изменение границ спектральных диапазонов и обеспечить возможности получения изображений в двух спектральных ИК диапазонах, что способствует увеличению дальности обнаружения и распознавания в реальных условиях фоноцелевой обстановки.

Выполнение системы охлаждения в виде интегрированной газокриогенной машины роторного или линейного типов позволяет в унифицированном тепловизионном приборе с охлаждаемым линейчатым или матричным МФПУ снизить массу и объем прибора.

Выполнение оптической системы формирования ИК изображения на основе сканера строчной развертки с качающимся зеркалом, введение в прибор модуля управления сканером, связанного со сканером и МЭО, позволяет повысить быстродействие унифицированного тепловизионного прибора за счет использования в сканере только колебательного движения зеркала сканера.

Обеспечение оптического сопряжения оси качания зеркала сканера с центром входного зрачка оптической системы формирования ИК изображения позволяет уменьшить массогабаритные характеристики сканера, его энергопотребление и повысить быстродействие.

Выполнение оптической системы формирования ИК изображения в виде последовательно установленных по ходу лучей телескопической системы, сканера строчной развертки и объектива и совмещение выходного зрачка телескопической системы с входным зрачком объектива, а выходного зрачка объектива с охлаждаемой диафрагмой линейчатого охлаждаемого МФПУ позволяет уменьшить массу и объем прибора, снизить влияние тепловых шумов от внутренних элементов и поверхностей деталей тепловизионного прибора, расположенных перед охлаждаемой диафрагмой МФПУ, что ведет к снижению минимально разрешаемой разности температур и увеличению дальности обнаружения и распознавания объектов фоноцелевой обстановки, позволяет повысить быстродействие, осуществлять модификацию тепловизионного прибора с линейчатого МФПУ на матричное МФПУ с минимальными изменениями в компоновке и конструкции.

Выполнение телескопической системы с изменяемым угловым увеличением, введение механизма смены увеличения и модуля управления механизмом смены увеличения, связанного с телескопической системой и МЭО, позволяют реализовать в приборе различные поля зрения, повысить дальность обнаружения и распознавания объектов, осуществлять модификацию унифицированного тепловизионного прибора с минимальными изменениями в компоновке и конструкции.

Совмещение выходного зрачка объектива с охлаждаемой диафрагмой матричного МФПУ позволяет снизить влияние тепловых шумов от внутренних элементов и поверхностей деталей тепловизионного прибора, расположенных по ходу лучей от объектов перед охлаждаемой диафрагмой МФПУ, что ведет к снижению минимально разрешаемой разности температур и увеличению дальности обнаружения и распознавания объектов фоноцелевой обстановки.

Выполнение сканера строчной развертки в виде качающегося зеркала в совокупности с линейчатым МФПУ второго поколения и выше позволяет за один проход сканера осуществлять сплошное сканирование (без зазоров), что повышает быстродействие унифицированного тепловизионного прибора и вместе с тем позволяет организовать различные схемы сканирования и микросканирования. При однопроходном сканировании кадр изображения формируется за один проход сканера. В частных случаях, в конкретных формах выполнения унифицированного тепловизионного прибора микросканирование может отсутствовать или иметь место. В последнем случае микросканирование обеспечивается за счет использования линейчатого МФПУ со специальной топологией. При двухпроходном сканировании кадр формируется за два колебания сканера. При этом режим микросканирования обеспечивается либо использованием МФПУ со специальной топологией, либо введением в оптическую систему устройства микросканирования, модуля управления устройством микросканирования, при этом модуль управления устройством микросканирования связан с устройством микросканирования и МЭО.

Выполнение унифицированного тепловизионного прибора с матричным охлаждаемым МФПУ, введение в оптическую систему устройства микросканирования, модуля управления устройством микросканирования, связанного с устройством микросканирования и МЭО, также позволяет организовать режим микросканирования, что в результате ведет к снижению искажений в выходном изображении, к снижению требований к МФПУ, к снижению массы и объема прибора, повышению качества изображения, а также к снижению стоимости тепловизионного прибора.

Указанная совокупность признаков позволяет получить достаточное количество параметров, позволяющих создать унифицированные тепловизионные приборы с различными техническими характеристиками на общих интерфейсах с использованием приемников ИК излучения различных классов (матричных, линейчатых), позволяющие в реальных условиях эксплуатации обеспечить повышение технических характеристик: увеличение дальности обнаружения, снижение массы и объема прибора, снижение минимально разрешаемой разности температур, повышение качества и формата изображения, повышение быстродействия, изменение границ спектральных диапазонов и обеспечение возможности одновременной работы в двух рабочих спектральных ИК диапазонах; упрощение модернизации и снижение затрат на нее; исключение необходимости проведения существенной модернизаци систем и комплексов, в состав которых входит унифицированный тепловизионный прибор, при проведении модернизации последнего; существенное снижение затрат на разработку новых бортовых систем и комплексов авиационной, вертолетной, бронетанковой техники и других применений; обеспечить модификацию тепловизионного прибора с линейчатого МФПУ на матричное МФПУ с минимальными изменениями в компоновке и конструкции; возможность замены МФПУ, работающего в среднем ИК диапазоне, на МФПУ, работающее в дальнем ИК диапазоне (и наоборот), или использовать двухспектральное МФПУ без изменения остальных модулей; снижение затрат на изготовление, проведение контроля и испытаний унифицированного тепловизионного прибора и его модификаций.

Совокупность всех признаков, сформулированных как в независимом пункте формулы, так и их развитие и/или уточнение в зависимых пунктах, позволяет решить поставленную задачу и обеспечить технический результат, исключение любого из признаков независимого пункта ведет к невозможности реализации унифицированного тепловизионного прибора с заявленными преимуществами.

Указанное решение, на наш взгляд, обладает новизной и изобретательским уровнем. Авторам не известны тепловизионные приборы, в которых была бы реализована совокупность указанных признаков.

Предложенное изобретение иллюстрируется следующими графическими материалами:

фиг.1 - блок-схема унифицированного тепловизионного прибора;

фиг.2 - блок-схема унифицированного тепловизионного прибора в частном случае, в конкретной форме исполнения с охлаждаемым линейчатым МФПУ;

фиг.3 - блок-схема унифицированного тепловизионного прибора в частном случае, в конкретной форме исполнения с охлаждаемым матричным МФПУ;

фиг.4 - блок-схема унифицированного тепловизионного прибора в частном случае, в конкретной форме исполнения с охлаждаемым матричным МФПУ.

Унифицированный тепловизионный прибор (фиг.1) содержит оптическую систему 1 формирования ИК изображения, МФПУ 2, систему охлаждения 3, МЭО 4, ВКУ 5, модуль 6 предварительной обработки сигналов, модуль 7 управления системой охлаждения, модуль 8 интерфейса управления, устройство управления 9, модуль питания 10. МЭО 4 осуществляет связь с модулем 6 предварительной обработки сигналов, модулем 7 управления системой охлаждения, модулем 8 интерфейса управления, ВКУ 5, модулем питания 10. Модуль питания 10 имеет унифицированные выходы для подключения всех модулей унифицированного тепловизионного прибора. На фиг.1 связи модуля питания 10 с модулями и исполнительными устройствами и механизмами, кроме МЭО 4, не показаны. Оптическая система 1 формирования ИК изображения, МФПУ 2, систему охлаждения 3, МЭО 4, модуль 6 предварительной обработки, модуль 7 управления системой охлаждения, модуль 8 интерфейса управления, устройство управления 9, модуль питания 10 объединены на единой несущей раме. Для осуществления конкретных форм, частных случаев выполнения унифицированного тепловизионного прибора в МЭО 4 предусмотрены унифицированные выходы и входы для подсоединения к нему модулей и датчиков. Модули устройства выполнены на унифицированных интерфейсах, имеют унификацию габаритных и присоединительных размеров, унификацию оптических характеристик, электрических характеристик и модульность конструктивного исполнения отдельных элементов и унифицированного тепловизионного прибора в целом.

Устройство, выполненное в соответствии с фиг.1, характеризуется признаками, выраженными общими понятиями. Далее, на фиг.2-4 дается развитие и/или уточнение признаков.

Так, в частном случае, в конкретной форме выполнения унифицированного тепловизионного прибора ВКУ 5 выполняется на единой несущей раме с остальными модулями унифицированного тепловизионного прибора. В тепловизионный прибор вводятся датчики 11 температуры, датчики 12 вибрации, ускорения, связанные с МЭО 4. В оптическую систему 1 прибора вводится съемная афокальная насадка 13, устанавливаемая первой по ходу лучей. В оптическую систему прибора включается устройство микросканирования 14, в прибор вводится модуль 15 управления устройством микросканирования, при этом модуль 15 управления устройством микросканирования связан с устройством микросканирования 14 и МЭО 4. В прибор вводится модуль 16 управления устройством калибровки изображения, а в его оптическую систему вводится устройство 17 калибровки изображения, при этом модуль 16 управления устройством калибровки изображения связан с устройством 17 калибровки изображения и с МЭО 4. В прибор вводится механизм 18 термокомпенсации и механизм 19 фокусировки, модуль 20 управления механизмом термокомпенсации и модуль 21 управления механизмом фокусировки, при этом модуль 20 управления механизмом термокомпенсации и модуль 21 управления механизмом фокусировки связаны соответственно с механизмом 18 термокомпенсации и механизмом 19 фокусировки и МЭО 4, а механизм 18 термокомпенсации и механизм 19 фокусировки - с оптической системой 1. В частных случаях, в конкретной форме выполнения в прибор вводится единый механизм 22 термокомпенсации и фокусировки, модуль 23 управления механизмом термокомпенсации и фокусировки, при этом модуль 23 управления механизмом термокомпенсации и фокусировки связан с механизмом 22 термокомпенсации и фокусировки и МЭО 4, а механизм 22 термокомпенсации и фокусировки - с оптической системой 1. Система охлаждения 3 выполняется в виде интегрированной газокриогенной машины роторного или линейного типов. Для реализации всех конкретных, частных случаев исполнения в МЭО 4, показанном на фиг.1, предусмотрены унифицированные выходы и входы для подсоединения к нему всех вводимых модулей и датчиков.

Так, на фиг.2 МФПУ 2 выполнено охлаждаемым линейчатым второго поколения и выше с режимом временной задержки и накопления форматом не менее 4×288 элементов, при этом диапазон спектральной чувствительности МФПУ лежит в пределах среднего или дальнего ИК диапазонов длин волн (соответственно 3-5 или 8-14 мкм). Размеры пиксела в МФПУ второго и более поздних поколений менее 35 мкм и могут достигать менее 15 мкм. Оптическая система 1 выполнена на основе сканера строчной развертки 24 и объектива 25. Сканер 24 через модуль 26 управления сканером связан с МЭО 4. Система охлаждения 3 выполнена в виде интегрированной газокриогенной машины роторного или линейного типов, модуль управления 7 системой охлаждения соединен с МЭО 4 и системой охлаждения 3. В частном случае, в конкретной форме выполнения унифицированного тепловизионного прибора ось качания зеркала сканера 24 оптически сопряжена с центром входного зрачка оптической системы 1 формирования ИК изображения. В частном случае, в конкретной форме выполнения унифицированного тепловизионного прибора в оптическую систему 1 включаются телескопическая система 27 и съемная афокальная насадка 13. Выходной зрачок телескопической системы 27 совмещен с входным зрачком объектива 25, а выходной зрачок объектива 25 совмещен с охлаждаемой диафрагмой линейчатого МФПУ 2. В частном случае, телескопическая система 27 выполнена с возможностью смены углового увеличения. Механизм 28 смены увеличения связан с подвижными элементами телескопической системы 27, управляется модулем 29 управления механизмом смены увеличения, соединенным с МЭО 4. В частном случае, в конкретной форме выполнения унифицированного тепловизионного прибора с оптической системой 1 связаны механизмы 18 термокомпенсации и механизм 19 фокусировки. Механизм 18 термокомпенсации соединен через модуль 20 управления механизмом термокомпенсации, а механизм 19 фокусировки - через модуль 21 управления механизмом фокусировки с МЭО 4. В частном случае, в конкретной форме выполнения унифицированного тепловизионного прибора с оптической системой 1 связано устройство микросканирования 14, управляемое модулем 15 управления устройством микросканирования, соединенным с МЭО 4. В частном случае, в конкретной форме выполнения унифицированного тепловизионного прибора с оптической системой 1 связано устройство 17 калибровки изображения, управляемое модулем 16 управления устройством калибровки, связанным с МЭО 4. В частном случае, в конкретной форме выполнения в унифицированный тепловизионный прибор входят датчики 11 температуры и датчики 12 ускорения и вибрации. В частном случае, в конкретной форме выполнения унифицированного тепловизионного прибора механизм термокомпенсации и механизм фокусировки объединены в единый механизм 22 термокомпенсации и фокусировки (см. фиг.4), имеют один привод и соответственно один модуль 23 управления механизмом термокомпенсации фокусировки, связанный с МЭО 4.

В частном случае, в конкретной форме выполнения унифицированного тепловизионного прибора, показанного на фиг.2, МФПУ выполнено двухспектральным охлаждаемым линейчатым второго поколения и выше с режимом временной задержки и накопления форматом не менее 4×288 элементов, при этом диапазон спектральной чувствительности МФПУ лежит в пределах среднего и дальнего ИК диапазонов длин волн (соответственно 3-5 и 8-14 мкм). При этом оптическая система 1, содержащая либо сканер 24 и объектив 25, либо телескопическую систему 27, сканер 24 и объектив 25, либо съемную афокальную насадку 13, телескопическую систему 27, сканер 24 и объектив 25 обеспечивает высокое качество изображения в двух ИК диапазонах длин волн, соответствующих спектральной чувствительности двухспектрального МФПУ.

В частных случаях, в конкретных формах выполнения унифицированного тепловизионного прибора, показанного на фиг.3 и на фиг.4, МФПУ 2 выполнено охлаждаемым матричным, при этом диапазон его спектральной чувствительности лежит в пределах среднего или дальнего ИК диапазонов длин волн. В частном случае, в конкретных формах выполнения унифицированного тепловизионного прибора МФПУ 2 выполнено двухспектральным охлаждаемым матричным, при этом диапазон его спектральной чувствительности лежит в пределах среднего и дальнего ИК диапазонов длин. Оптическая система 1 в частных случаях, в конкретных формах выполнения унифицированного тепловизионного прибора выполняется в виде объектива 25. Оптическая система 1 в частных случаях, в конкретных формах выполнения унифицированного тепловизионного прибора выполняется в виде последовательно установленных телескопической системы 27 и объектива 25. Оптическая система 1 в частных случаях, в конкретных формах выполнения унифицированного тепловизионного прибора выполнена в виде последовательно установленных съемной афокальной насадки 13, телескопической системы 27 и объектива 25. В частных случаях, в конкретных формах выполнения унифицированного тепловизионного прибора объектив 25, телескопическая система 27, съемная афокальная насадка 13 аналогичны показанным на фиг.2. Остальные модули аналогичны унифицированному тепловизионному прибору, представленному на фиг.2 и фиг.1.

Унифицированный тепловизионный прибор работает следующим образом. Оптическая система формирования ИК изображения формирует изображение объектов фоноцелевой обстановки в плоскости чувствительной поверхности МФПУ. МФПУ вырабатывает последовательность электрических сигналов, каждый из которых соответствует величине потока излучения, попавшего на пиксель МФПУ и, следовательно, температуре элемента разложения пространства предметов. Электрические сигналы с МФПУ поступают в модуль предварительной обработки сигналов, а затем в МЭО. Система охлаждения обеспечивает требуемую температуру охлаждения МФПУ, что необходимо для достижения регламентированной чувствительности МФПУ и стабилизации его характеристик. Управление системой охлаждения осуществляется от МЭО через модуль управления системой охлаждения. В МЭО осуществляется обработка электрических сигналов, которые далее передаются на ВКУ и/или цифровой выход. ВКУ осуществляет формирование изображения объектов фоноцелевой обстановки, представляемого для наблюдения оператором в видимом спектральном диапазоне. Для управления МЭО со стороны оператора служит устройство управления, электрические сигналы с которого через интерфейс управления передаются в МЭО. Для подачи электрического напряжения на все модули и исполнительные устройства и механизмы используется модуль питания. Все элементы, модули унифицированного тепловизионного прибора выполнены на общих интерфейсах. Это позволяет в частных случаях, в конкретных формах выполнения унифицированного тепловизионного прибора осуществлять их выполнение в зависимости от конкретных технических требований к прибору, а также осуществлять их смену без существенного изменения конструкции унифицированного тепловизионного прибора. В частных случаях, в конкретных формах выполнения унифицированного тепловизионного прибора отдельные модули прибора уточняются и/или получают развитие и соответственно работают следующим образом. Сканер строчной развертки обеспечивает формирование кадра изображения в случае использования линейчатого МФПУ. Модуль управления сканером передает электрические сигналы, поступающие от МЭО, на сканер строчной развертки. Устройство микросканирования осуществляет смещение изображения относительно МФПУ на часть периода разложения МФПУ. Приведение в действие устройства микросканирования осуществляется модулем управления устройством микросканирования, на который подаются электрические сигналы от МЭО. Если объектив или телескопическая система выполнены со сменой увеличения, то перемещение подвижных компонентов осуществляется механизмом смены увеличения, при этом приведение в действие последнего осуществляется электрическими сигналами, поступающими от модуля управления механизмом смены увеличения. При этом электрический сигнал на модуль управления механизмом смены увеличения формируется и поступает из МЭО. Афокальная насадка является съемной и служит для дискретной смены увеличения. Датчики температуры вырабатывают электрические сигналы, величина которых пропорциональна температуре полости и элементов конструкции прибора. Датчики ускорения и вибрации вырабатывают электрические сигналы, величины которых пропорциональны величинам ускорения и вибрации отдельных элементов конструкции прибора. МЭО осуществляет выбор режимов работы в соответствии с сигналами, полученными с датчиков: сигналы с датчиков служат для выработки сигналов, подаваемых на модуль управления механизмом фокусировки и модуль управления механизмом термокомпенсации, электрические сигналы с которых передаются на механизм фокусировки и механизм термокомпенсации; при наличии устройства калибровки, МЭО, в соответствии с заложенной программой, подает электрический сигнал на модуль управления устройством калибровки, которое приводит в действие устройство калибровки, которое периодически на короткое время вводится в оптическую систему; при перекрытии оптического тракта электрические сигналы с МФПУ, поступающие через модуль предварительной обработки сигналов в МЭО используются в МЭО для регулировки и компенсации неоднородности чувствительности элементов МФПУ. Калибровка в унифицированном тепловизионном приборе может также производиться по текущему кадру без перекрытия оптического тракта. Итак, МЭО обеспечивает преобразование входных сигналов, поступающих с модуля предварительной обработки сигналов, в выходные сигналы в цифровом и аналоговом видах, обеспечивает фильтрацию и обработку сигналов в соответствии с сигналами, поступающими в МЭО от модуля интерфейса управления, датчиков температуры и датчиков ускорения и вибрации, а также режимы калибровки, фокусировки, термокомпенсации, смены увеличения и формирования выходного изображения.

Так как сущность предлагаемого унифицированного тепловизионного прибора охарактеризована с использованием признаков, представленных на уровне функционального обобщения, то далее дается описание средств для реализации всех указанных признаков или методов их получения, либо указывается на известность и возможность технической реализации признаков.

В качестве объектива 25 (фиг.2, фиг.3) в оптической системе формирования ИК изображения в унифицированном тепловизионном приборе может быть использован известный объектив [Патент США №6274868 В1, 2001. All purpose FLIR kit for aircraft. Оптическая схема - фиг.3, конструктивные параметры - таблицы 1 и 1а], обеспечивающий возможность сопряжения как с охлаждаемой диафрагмой МФПУ, так и со сканером и телескопической системой. В патенте приведен объектив для дальней ИК области спектра (8-11,5 мкм). Расчет объектива для средней ИК области спектра по схеме, аналогичной указанной в патенте, является вполне технически реализуемой задачей при соответствующем выборе материалов линз. Методики выбора материалов, обеспечивающих ахроматизацию в требуемом спектральном диапазоне, изложены в классических монографиях, например [Чуриловский В.Н. Теория хроматизма и аберраций третьего порядка. - Л.: Машиностроение, 1968]. Например, в патенте [Патент US 6424460, 2002. Dual field-view objects system for the infrared] приведен пример объектива для средней ИК области спектра (3-5 мкм).

В качестве телескопической системы 27 (фиг.2, фиг.3) в оптической системе формирования ИК изображения может использоваться, например телескоп по патентам [Патент РФ 2342686, 2007. Телескоп с панкратической сменой увеличения для дальней ИК области спектра], [Патент РФ 2348955, 2009. Инфракрасный телескоп с двумя увеличениями для дальней ИК-области спектра]. Эти телескопические системы обеспечивают сопряжение со сканером и последующим объективом в оптической системе унифицированного тепловизионного прибора. Телескопические системы обеспечивают либо панкратическую, либо дискретную смену увеличения. В частных случаях, в фиксированных положениях подвижных линз любой из этих телескопов обеспечивает постоянное увеличение. Расчет телескопической системы для средней ИК-области спектра по схеме, аналогичной указанной в патентах, является вполне технически реализуемой задачей при соответствующем выборе материалов линз.

Техническая реализация съемной афокальной насадки для среднего или дальнего ИК диапазона спектра осуществляется известными инженерными методами расчета телескопических систем типа Галилея.

Более сложной проблемой является реализация элементов оптической системы (объектива, телескопической системы, афокальной насадки), работающих одновременно в двух ИК спектральных диапазонах. Однако эта задача технически реализуема. В качестве доказательства возможности технической реализации приводится объектив [Патент US 6424969, 2002. Dual band objective lens], работающий в спектральных диапазонах 3-5 и 9-11 мкм, соответствующих конкретному двухспектральному МФПУ.

Примером возможности технической реализации объектива в частном случае исполнения унифицированного тепловизионного прибора, показанном на фиг.4, может служить объектив с двумя полями зрения, с переменным фокусным расстоянием [Патент US 6424460, 2002. Dual field-view objects system for the infrared], при этом он может использоваться как с охлаждаемым матричным МФПУ, работающим в среднем ИК диапазоне спектра, так и с охлаждаемым матричным МФПУ, работающим в дальнем ИК диапазоне спектра, так и с двухспектральным МФПУ.

На современном уровне развития техники известны МФПУ различных типов и форматов. В качестве примеров можно привести МФПУ фирмы Sofradir (Франция) различных форматов и второго, и третьего поколений: 4×288 и 6×480, 320×256, 384×288, 640×480, работающие в среднем или дальнем ИК диапазонах сректра, а также двухспектральные, т.е. имеющие спектральную чувствительность в среднем и дальнем ИК диапазонах спектра. Также известны охлаждаемые МФПУ второго и третьего поколений с режимом временной задержки и накопления производства ФГУП «Орион» и завода «Сапфир» (Россия) различных форматов: 4×288, 320×256, а также других производителей, например Raythion (США). Размеры пиксела в МФПУ второго и более поздних поколений меньше, чем в МФПУ первого поколения и достигают величины менее 15 мкм. Следовательно, реализация в унифицированном тепловизионном приборе указанных типов МФПУ технически возможна.

Известны интегрированные системы охлаждения роторного или линейного типов различных производителей, например фирмы Rikor (Израиль), НТК «Криогенная техника» (Омск), Tales (Франция), что свидетельствует о возможности технической реализации в заявляемом устройстве указанного признака.

Сканеры строчной развертки на основе колеблющегося зеркала технически реализованы многими производителями как отечественными, так и зарубежными и используются в выпускающихся тепловизионных приборах первого и второго поколений.

Устройство микросканирования технически может быть реализовано различным образом, например, в виде четырех наклонных плоскопараллельных пластинок, расположенных на вращающемся диске; в виде двух зеркал, колеблющихся в двух взаимно перпендикулярных плоскостях с помощью пьезоэлектрических приводов; в виде одного зеркала, колеблющегося вокруг двух взаимно перпендикулярных осей. Примером последнего исполнения является устройство микросканирования фирмы Chartered Elektro-Optics Pte Ltd [Dual Axis Mikroscanners for Infra-red Camera / Electronics Review, Vol.13, No.3].

Устройство калибровки технически реализуется, например, в виде шторки, перекрывающей в зоне, оптически сопряженной с входным зрачком системы, поток излучения, идущий от объектов.

Механизм термокомпенсации, механизм фокусировки технически реализуется, например, в соответствии с принципами, изложенными в работе [Mann A. Infrared Optics and Zoom Lenses // Tutorial Texts in Optical Engineering, vol.TT42, SPIE PRESS, Bellingham, Washington, USA]. Пример реализации пассивной термокомпенсации имеется, например, в устройстве [Патент US 5504628, 1996. Passive athermalization of optics]. Пример реализации термокомпенсации и фокусировки на общих исполнительных механизмах имеется, например, в известном устройстве [Патент US 4148548, 1979. Temperature compensating focusing in infrared zoom lenses].

Примерами технической реализации ВКУ могут служить, например, широко известные жидкокристаллические дисплеи, микродисплеи, а также электронно-лучевые трубки, светодиодные дисплеи, газоразрядные панели.

Все электронные модули (модуль предварительной обработки сигналов, модуль управления системой охлаждения, модуль управления устройством микросканирования, модуль интерфейса управления, модули управления механизмами термокомпенсации и фокусировки, модуль управления механизмом смены увеличения, модуль управления устройством калибровки) и МЭО могут быть технически реализованы на существующей элементной базе, например, на основе следующих компонентов: процессор ADSP-BF533, АЦП ADS850 производства фирмы Analog Devices; программируемая логическая интегральная схема ПЛИС (PLD) EP2C50 производства фирмы Altera; SDRAM MT48LC16M16 производства фирмы Micron и др.

Для подтверждения возможности получения при осуществлении изобретения заявленного технического результата была разработана оптическая система унифицированного тепловизионного прибора на основе единого решения для матричных и линейчатых МФПУ. Для определения возможности использования унифицированного МЭО как для приемников второго, так и третьего поколений в Конструкторско-технологическом институте прикладной микроэлектроники (г.Новосибирск) проводились работы, экспериментально подтвердившие эту возможность. Ввиду того что наиболее важные с точки зрения технической реализации элементы заявляемого устройства - оптическая система и МЭО - позволяют обеспечить унификацию в пределах общих интерфейсов, а остальные элементы по технической сути являются зависимыми от оптической системы и МЭО, то заявляемый технический результат является достижимым. Суммарный конструктивный объем компонентов и модулей обеспечивает общий конструктивный объем унифицированного тепловизионного прибора не более 1,5 л/км дальности распознавания.

Таким образом, предлагаемый унифицированный тепловизионный прибор является промышленно применимым, и может быть реализован с использованием существующих технологий на современной элементной базе. Изготовление всех элементов, модулей унифицированного тепловизионного прибора технологически освоено.

Совокупность признаков, представленных в примерах конкретных исполнений, позволяет создать унифицированный тепловизионный прибор, удовлетворяющий современным требованиям, предъявляемых к большинству тепловизионных приборов различных классов и областей применения. В результате достигается повышение технических характеристик унифицированного тепловизионного прибора: увеличение дальности обнаружения, снижение массы и объема прибора, снижение минимально разрешаемой разности температур, повышение качества и формата изображения, повышение быстродействия, изменение границ спектральных диапазонов и обеспечение возможности одновременной работы в двух спектральных ИК диапазонах; упрощение модернизации и снижение затрат на нее; исключение необходимости проведения существенной модернизаций систем и комплексов, в состав которых входит унифицированный тепловизионный прибор, при проведении модернизации последнего; существенное снижение затрат на разработку новых бортовых систем и комплексов авиационной, вертолетной, бронетанковой техники и других применений; модификация тепловизионного прибора с линейчатого МФПУ на матричное МФПУ с минимальными изменениями в компоновке и конструкции; возможность замены МФПУ, работающего в среднем ИК диапазоне, на МФПУ, работающее в дальнем ИК диапазоне (и наоборот), или использование двухспектрального МФПУ без изменения остальных модулей; снижение затрат на изготовление, проведение контроля и испытаний унифицированного тепловизионного прибора и его модификаций.

Реализация технических преимуществ предлагаемого устройства, обладающего совокупностью указанных отличительных признаков, позволяет обеспечить возможность построения унифицированных тепловизионных приборов с различными техническими характеристиками на общих интерфейсах с использованием приемников ИК излучения различных классов (матричных, линейчатых), работающих в реальных условиях эксплуатации.

Литература

1. Патент РФ №2244949, 2005 г. Тепловизор с зонным сканированием.

2. Свидетельство на полезную модель RU 79002, 2008. Тепловизионный канал.

3. Патент RU 2213429, 2003. Способ формирования несканирующего тепловизора с переменным углом поля зрения и несканирующий тепловизор, реализующий этот способ.

4. Патент РФ 2182717, 2002 г. Тепловизионный прибор.

5. Патент США №6274868 В1, 2001. All purpose FLIR kit for aircraft.

6. Чуриловский В.Н. Теория хроматизма и аберраций третьего порядка. - Л.: Машиностроение, 1968.

7. Патент US 6424460, 2002. Dual field-view objects system for the infrared.

8. Патент РФ 2342686, 2007. Телескоп с панкратической сменой увеличения для дальней ИК-области спектра.

9. Патент РФ 2348955, 2009. Инфракрасный телескоп с двумя увеличениями для дальней ИК-области спектра.

10. Патент US 6424969, 2002. Dual band objective lens.

11. Dual Axis Mikroscanners for Infra-red Camera / Electronics Review, vol.13, No.3.

12. Mann A. Infrared Optics and Zoom Lenses // Tutorial Texts in Optical Engineering, vol. TT42, SPIE PRESS, Bellingham, Washington, USA.

13. Патент US 5504628, 1996. Passive athermalization of optics.

14. Патент US 4148548, 1979. Temperature compensating focusing in infrared zoom lenses.

Прибор содержит многоэлементное фотоприемное устройство, оптическую систему формирования ИК изображения в плоскости чувствительных элементов многоэлементного фотоприемного устройства, систему охлаждения и блок обработки информации, объединенные на единой несущей раме, и видеоконтрольное устройство визуализации теплового изображения. Объединяемые элементы выполнены в виде модулей с унифицированными интерфейсами. В состав объединяемых модулей введены модуль предварительной обработки сигналов, модуль управления системой охлаждения, модуль интерфейса управления, устройство управления и модуль питания. Блок обработки информации выполнен в виде модуля электронной обработки. Модуль электронной обработки обеспечивает осуществление связей между модулем предварительной обработки сигналов, модулем управления системой охлаждения, модулем интерфейса управления, модулем питания и видеоконтрольным устройством. Устройство управления связано с модулем интерфейса управления и видеоконтрольным устройством. Технический результат - улучшение технических характеристик, упрощение модернизации и снижение затрат на нее, снижение затрат на изготовление, проведение контроля и испытаний прибора. 23 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Унифицированный тепловизионный прибор, содержащий многоэлементное фотоприемное устройство, оптическую систему формирования ИК-изображения в плоскости чувствительных элементов многоэлементного фотоприемного устройства, систему охлаждения, блок обработки информации, объединенные на единой несущей раме, а также видеоконтрольное устройство визуализации теплового изображения, отличающийся тем, что объединяемые элементы выполнены в виде модулей с унифицированными интерфейсами, в состав объединяемых модулей введены модуль предварительной обработки сигналов, модуль управления системой охлаждения, модуль интерфейса управления, устройство управления, модуль питания, при этом блок обработки информации выполнен в виде модуля электронной обработки, обеспечивающего осуществление связей со следующими модулями: модулем предварительной обработки сигналов, модулем управления системой охлаждения, модулем интерфейса управления, модулем питания, видеоконтрольным устройством; а устройство управления связано с модулем интерфейса управления и видеоконтрольным устройством.

2. Прибор по п.1, отличающийся тем, что видеоконтрольное устройство выполнено на единой несущей раме совместно с остальными унифицированными модулями.

3. Прибор по п.1, отличающийся тем, что многоэлементное фотоприемное устройство выполнено охлаждаемым линейчатым второго поколения и выше с режимом временной задержки и накопления форматом не менее 4×288 элементов, оптическая система формирования ИК-изображения выполнена на основе сканера строчной развертки с качающимся зеркалом, в прибор введен модуль управления сканером, связанный со сканером и модулем электронной обработки, при этом диапазон спектральной чувствительности многоэлементного фотоприемного устройства находится в пределах среднего или дальнего ИК-диапазонов длин волн.

4. Прибор по п.1, отличающийся тем, что многоэлементное фотоприемное устройство выполнено двухспектральным охлаждаемым линейчатым второго поколения и выше с режимом временной задержки и накопления форматом не менее 4×288 элементов, оптическая система формирования ИК-изображения выполнена на основе сканера строчной развертки с качающимся зеркалом, в прибор введен модуль управления сканером, связанный со сканером и модулем электронной обработки, при этом диапазон спектральной чувствительности многоэлементного фотоприемного устройства находится в пределах среднего и дальнего ИК-диапазонов длин волн.

5. Прибор по п.1, отличающийся тем, что многоэлементное фотоприемное устройство выполнено охлаждаемым матричным, при этом диапазон его спектральной чувствительности находится в пределах среднего или дальнего ИК-диапазонов длин волн.

6. Прибор по п.1, отличающийся тем, что многоэлементное фотоприемное устройство выполнено двухспектральным охлаждаемым матричным, при этом диапазон его спектральной чувствительности находится в пределах среднего и дальнего ИК-диапазонов длин волн.

7. Прибор по п.1, отличающийся тем, что в него введены датчики температуры, связанные с модулем электронной обработки.

8. Прибор по п.1, отличающийся тем, что в него введены датчики вибрации, ускорения, связанные с модулем электронной обработки.

9. Прибор по п.1, отличающийся тем, что в его оптическую систему введена съемная афокальная насадка, устанавливаемая первой по ходу лучей.

10. Прибор по п.1, отличающийся тем, что в него введен модуль управления устройством микросканирования, а в оптическую систему введено устройство микросканирования, при этом модуль управления устройством микросканирования связан с устройством микросканирования и модулем электронной обработки.

11. Прибор по п.1, отличающийся тем, что в него введен модуль управления устройством калибровки изображения, а в его оптическую систему введено устройство калибровки изображения, при этом модуль управления устройством калибровки изображения связан с устройством калибровки изображения и с модулем электронной обработки.

12. Прибор по п.1, отличающийся тем, что в него введены механизм термокомпенсации и механизм фокусировки, модуль управления механизмом термокомпенсации и модуль управления механизмом фокусировки, при этом модуль управления механизмом термокомпенсации и модуль управления механизмом фокусировки связаны с модулем электронной обработки и соответственно с механизмом термокомпенсации и механизмом фокусировки, а механизм термокомпенсации и механизм фокусировки - с оптической системой.

13. Прибор по п.1, отличающийся тем, что в него введен механизм термокомпенсации и фокусировки, модуль управления механизмом термокомпенсации и фокусировки, при этом модуль управления механизмом термокомпенсации и фокусировки связан с механизмом термокомпенсации и фокусировки и МЭО, а механизм термокомпенсации и фокусировки - с оптической системой.

14. Прибор по п.1, отличающийся тем, что система охлаждения выполнена в виде интегрированной газокриогенной машины роторного или линейного типов.

15. Прибор по п.3 или 4, отличающийся тем, что ось качания зеркала сканера оптически сопряжена с центром входного зрачка оптической системы формирования ИК-изображения.

16. Прибор по п.3, отличающийся тем, что оптическая система формирования ИК-изображения выполнена в виде последовательно установленных по ходу лучей телескопической системы, сканера строчной развертки и объектива, при этом выходной зрачок телескопической системы совмещен с входным зрачком объектива, а выходной зрачок объектива совмещен с охлаждаемой диафрагмой линейчатого многоэлементного фотоприемного устройства.

17. Прибор по п.4, отличающийся тем, что оптическая система формирования ИК-изображения выполнена в виде последовательно установленных по ходу лучей телескопической системы, сканера строчной развертки и объектива, при этом выходной зрачок телескопической системы совмещен с входным зрачком объектива, а выходной зрачок объектива совмещен с охлаждаемой диафрагмой линейчатого многоэлементного фотоприемного устройства.

18. Прибор по п.5 или 6, отличающийся тем, что оптическая система формирования ИК-изображения выполнена в виде объектива.

19. Прибор по п.5 или 6, отличающийся тем, что оптическая система формирования ИК-изображения выполнена в виде последовательно установленных по ходу лучей телескопической системы и объектива.

20. Прибор по п.16 или 17, отличающийся тем, что телескопическая система выполнена с изменяемым угловым увеличением, введены механизм смены увеличения и модуль управления механизмом смены увеличения, при этом модуль управления механизмом смены увеличения связан с телескопической системой и модулем электронной обработки.

21. Прибор по п.18, отличающийся тем, что объектив выполнен с изменяемым фокусным расстоянием, введены механизм смены увеличения и модуль управления механизмом смены увеличения, при этом модуль управления механизмом смены увеличения связан с объективом и модулем электронной обработки.

22. Прибор по п.19, отличающийся тем, что телескопическая система выполнена с изменяемым угловым увеличением, введены механизм смены увеличения и модуль управления механизмом смены увеличения, при этом модуль управления механизмом смены увеличения связан с телескопической системой и модулем электронной обработки.

23. Прибор по п.18, отличающийся тем, что объектив имеет вынесенный выходной зрачок, совмещаемый с охлаждаемой диафрагмой матричного многоэлементного фотоприемного устройства.

24. Прибор по п.19, отличающийся тем, что объектив имеет вынесенный выходной зрачок, совмещаемый с охлаждаемой диафрагмой матричного многоэлементного фотоприемного устройства.