Презентация "Электронные средства наблюдения" по физике – проект, доклад

Общие сведения об оптико-электронных средствах наблюдения

Лекция 13/1

УЧЕБНЫЕ ВОПРОСЫ

Физические основы устройства оптико-электронных средств (ОЭС) наблюдения. Особенности устройства и принцип действия современных тепловизионных средств наблюдения. Особенности применения оптико-электронных и тепловизионных средств наблюдения при охране и обороне объектов.

Учебный вопрос №1

Физические основы устройства оптико-электронных средств (ОЭС) наблюдения

Оптоэлектронные приборы наблюдения - класс технических устройств, позволяющих значительно расширить возможности личного состава в ведении наблюдения за подступами к объекту, передвижением противника, ведении прицельного огня независимо от времени года, погодных условий и времени суток.

К таким приборам относятся:

приборы ночного видения, использующие принцип преобразования невидимого для невооруженного глаза изображения местности и целей ночью в видимое изображение; приборы ночного видения, использующие лазерную подсветку целей для наблюдения в ограниченных условиях видимости днем и ночью, вызванных метеорологическими факторами или применением противником средств искусственной маскировки и противодействия; приборы ночного видения, основанные на использовании телевизионных передающих трубок, работающих при низких уровнях ЕНО; тепловизионные приборы, использующие принцип преобразования собственного теплового излучения местности и целей (тепловой картины) в изображение, наблюдаемое человеческим глазом, в том числе в условиях тумана, дождя, снегопада и искусственных помех - задымления и применения маскирующих аэрозольных образований днем и ночью.

Классификация оптических приборов

По назначению: устройства наблюдения и разведки; измерительные системы; приборы управления; приборы обмена информацией; средства противодействия.

Устройства наблюдения и разведки

смотровые приборы; бинокли; перископы; приборы ночного видения; приборы фоторегистрации; телевизионные устройства; тепловизионные устройства; лазерные приборы разведки

Измерительные оптические устройства включают:

буссоли и стереотрубы, панорамные визиры и теодолиты, секстаны, дальномеры, теплопеленгаторы, радиометры.

оптические приборы управления.

инфракрасные, телевизионные, лазерные прицелы и прицельные станции, оптические головки самонаведения, неконтактные оптические взрыватели, оптические гироскопы, астроориентаторы.

Приборы обмена информацией

Светосигнальные устройства, приборы для обработки стереофотоснимков, технические средства отображения оптической информации, оптические тренажеры, оптические линии связи

Средства противодействия оптической технике

осветительные и дымовые устройства, маскировочные материалы и краски, устройства защиты оптических приборов и органов зрения от ярких вспышек света.

По физическим признакам

оптико-механические устройства световая энергия без промежуточного преобразования поступает в зрительную систему человека и создает в его мозгу зрительный образ. оптикоэлектронные устройства. Световая энергия преобразуется с помощью фотоэлектронных преобразователей в электрический сигнал, а затем в удобном виде выдается в исполнительное устройство или отображается на экране оптического индикатора.

поиск представляет собой процесс обследования пространства средствами зрительного или технического наблюдения с целью обнаружения какого либо объекта, являющегося объектом поиска. поиск объекта как результат решения трех задач: обнаружение, когда наблюдатель выделяет из фона объект, характер которого остается для него неясным; опознавание, когда наблюдатель называет объект и может определить его форму, т. е. крупные дета­ли объекта; идентификация объекта, когда наблюдатель, различая отдельные мелкие детали, может отличить этот объект от других, находящихся в поле его зрения

При ухудшении видимости, при необходимости поиска малоразмерных объектов или изменении поля обзора используют оптические приборы. К числу характеристик оптических приборов, определяющих возможность наблюдения неподвижных и движущихся объектов в полевых условиях, относятся: увеличение ГX крат; поле зрения , град; коэффициент светопропускания , %; диаметры входного (Д) и выходного (d) зрачков, мм.

Физический принцип действия оптико-электронного прибора

Схема электронно-оптического преобразователя Если на фотокатод такого преобразователя, называемого стаканом Холста, направить поток ИК-лучей или сфокусированное объективом изображение какого-либо предмета в ИК-лучах, то его кванты вырывают из фотокатода электроны, которые под действием ускоряющего поля, создаваемого высоким напряжением, направляются к экрану, где в месте соударения электронов с люминофором возникает свечение, наблюдаемое глазом.

Для фокусировки электронного изображения в ЭОП используется т.н. "электронная" линза. Фокусировка электронного пучка производится с помощью фокусирующих колец, к которым прикладывается постоянное напряжение от высоковольтного источника тока через делитель напряжения. Фокусирующие кольца образовывают эквипотенциальные поля, напоминающие по распределению в них напряжения линзу.

Процесс преобразования в этом ЭОП, называемом по современной терминологии трубкой нулевого поколения, начинается с вылета фотоэлектронов из катодного слоя при проецировании на него ИК-излучения. Количество освобожденных фотоэлектронов зависит от плотности и ин­тенсивности излучения на фотокатоде, а их поток в целом оказывается промодулированным в пространстве той картиной, какая была заложена в потоке излучения, воспринятом объективом. Ускорение вылетевших из фотокатода фотоэлектронов происходит под действием электрического поля, образованного высоким напряжением, приложенным к экрану трубки: фотоэлектроны получают энергию. Под действием фотоэлектронов, бомбардирующих экран, возникает свечение люминофора экрана, но уже в видимой области, которое можно наблюдать невооруженным глазом. При этом изображение на экране по распределению светлых и темных мест отвечает картине, спроецированной на фотокатод, но по энергетическим характеристикам ин­тенсивность на выходе трубки (экране) будет в 20-50 раз больше, чем интенсивность излучения на ее входе. Такое усиление называется фотонным, т. е. световым.

Характеристики усилителей яркости I поколения

усилители II поколения способ умножения электронного потока, образованного воздействием внешнего излучения на фотокатод. электронный поток не подвергается фокусировке и проецированию на фосфорный экран, а прямо при вылете фотоэлектронов из фотокатода направляется непосредственно на близлежащую пластину, называемую микроканальной и представляющую собой диск с огромным числом микроскопических каналов, являющихся фотоэлектронными умножителями, путем возбуждения в каналах эффекта вторичной электронной эмиссии

При попадании первичного электрона, вылетевшего из фотокатода, на внутреннюю поверхность микроканала, состоящую из полупроводникового материала, возникает некоторое количество вторичных электронов, которые, ударяясь о стенки, вызывают лавинный процесс умножения, в результате чего при соударении электронного потока с экраном возникает свечение, яркость которого в десятки тысяч раз превышает яркость ИК-излучения на фотокатоде трубки.

Новинкой в трубке III поколения является высокоэффективный фотокатод - цезиево-галлиевый арсенид, или, как его чаще называют, арсенид галлия. Преимущества нового фотокатода состоят в том, что при крайне низком уровне ЕНО, действующей на фотокатод, эмиссия фотоэлементов увеличивается почти в 4 раза по сравнению с фотокатодами II поколения за счет использования спектрального излучения с длиной волны около 0,9 мкм, что обеспечивает высокое разрешение целей в этой спектральной области, где контраст достигает максимальной величины, а значит, и увеличение дальности обнаружения и опознавания целей на природных фонах ПНВ с усилителем III поколения отличается от ПНВ II поколения большей эффективностью фотокатода при меньшей освещенности

Характеристики трубок II и III поколений

Требования к оптико-электронным средствам

возможность наблюдения на возможно большем расстоянии в любое время года и суток; скрытность наблюдения; качество изображения; высокий динамический диапазон освещенностей; малый вес и габариты; возможность транспортирования и установки на наземных, воздушных и морских носителях; высокая технологичность и надежность; простота конструкции и управления.

Основные характеристики электронно-оптических средств.

Технологические: Интегральная чувствительность фотокатода - отношение величины фототока (Iф) к величине светового потока (F).(D= Iф / F). Среднее значение составляет 40 - 300 мка/лм. Минимально допустимая освещенность на фотокатоде (Е) от 5.10-3 до 5.10-4 лк. Максимальная разрешающая способность ЭОП - число пар линий в одном миллиметре изображения на фотокатоде, различаемых на экране ЭОП в четырех направлениях, при оптимальной для наблюдателя яркости экрана и окулярной оптике достаточного увеличения. Величина составляет 25-28 мм-1. Поле зрения (угол поля зрения) - от 5 до 12 град. Увеличение - 3,5....7 Масса - 1,6 ....32 кг.

Тактические (эксплуатационные): Дальность обнаружения целей максимальная - 200...1700 м; Дальность распознавания - 150....1100 м; Перископичность - 357...375 мм; Время непрерывной работы от одного комплекта батарей 8...16 час (при нормальных климатических условиях); Напряжение питания - 2,2 ...6.25 В; Диапазон изменения температуры окружающей среды от -40 до + 50 град.; Время перевода из походного положения в боевое до 2.5 мин, из боевого в походное от 15 с до 2 мин.

Учебный вопрос №2

Особенности устройства и принцип действия современных тепловизионных средств наблюдения.

Принцип тепловидения использует источник информации, недоступный невооруженному глазу человека, - собственное излучение нагретых тел, не зависящее от уровня освещенности и времени суток, - путем сбора этой информации и ее преобразования в видимое изображение, доступное глазу. А так как излучение тепловой энергии присуще всем без исключения телам на земле и в космосе, температура которых отличается от абсолютного нуля по шкале Кельвина (-273°С), то с помощью тепловизионных приборов можно наблюдать все тела и предметы в спектре их собственного излучения в области длин волн, соответствующих рабочему диапазону этих приборов.

положительные качества тепловизионной аппаратуры по сравнению с ПНВ:

полная независимость от освещенности как днем, так и ночью; абсолютно пассивный принцип работы, исключающий возможность обнаружения аппаратуры по признакам демаскировки, а также путем наблюдения в ПНВ ; значительная дальность действия, обеспечивающая наблюдение тактических целей по их собственному излучению в условиях маскировки в редком кустарнике или масксетями, а также в туман и при использовании обычных средств маскировки; безотказная работа в условиях слепящих засветок интенсивными источниками света, включая осветительные средства всех видов; возможность обнаружения следов транспортных и боевых машин на местности; возможность определения тактических ситуаций (засад).

Все виды приемников для регистрации теплового излучения можно разделить на два класса: приемники теплового излучения приемники фотонов.

В качестве приемников излучения применяют термоэлемент, термистор, пироэлектрический приемник и болометр. Другой класс приемников использует электронные переходы, вызванные фотонами, что также приводит к изменению свойств приемника: проводимости в случае фоторезистора, электрического поля - в случае фотогальванического приемника.

В тепловизоре изображение объекта в тепловом контрасте собственного излучения с излучением фона воспроизводится с четкостью, близкой к тепловизионному стандарту, сканированием картины и расположенных на ее фоне объектов с помощью фоточувствительного элемента или решетки из этих элементов весьма сложным путем - применением оптико-механических схем сканирования и электронного преобразования полученных сигналов в видимое изображение.

В настоящее время наиболее рациональным способом видения нагретых тел является способ, основанный на сканировании местности и расположенных на ней объектов теплочувствительным приемником с помощью последовательного и многократно повторяющегося осмотра их фотоприемником для образования кадра с частотой, обеспечивающей наблюдение картины в реальном масштабе времени.

Здесь должна была бытть картинка, но я ее удалил, т.к. нельзя на сайт кидать файлы более 5 кб

Учебный вопрос №3

Особенности применения оптико-электронных и тепловизионных средств наблюдения при охране и обороне объектов.

возможные области применения ЭО (ОЭ) средств наблюдения.

наблюдение в видимых и ИК-лучах; охрана рубежей и объектов; управление; телеуправление объектами;

Задачи, решаемые с помощью ЭО и ТВ средств

Разведка противника и местности С помощью ЭО и ТВ средств возможности вести наземную, морскую и воздушную разведку противника и местности практически в любых условиях местности, погоды и времени суток. Разведка может вестись с открытых и скрытых наблюдательных постов на глубину до нескольких километров. Проверка (уточнение) сведений полученных из других источников. Организация системы войскового (радиотехнического) наблюдения в различных условиях боевых действий войск с целью обнаружения противника. Обзор общим планом больших площадей и просмотр отдельных участков местности крупным планом с целью контроля состояния и функционирования подъездных путей, дорог, коммуникаций, мостов, переправ, заграждений и т.п. Контроль за действиями своих сил и средств в пограничном поиске, в бою. Передача информации (создание телекоммуникационной сети) особенно графической на командные пункты (пункты управления) пог­ранвойск. Отображение радиолокационной информации. Измерение углов и расстояний, прицеливание и целеуказание.

Наблюдение за объектами, прямой контакт с которыми невозможен. Наблюдение за полем боя, передвижением войск на марше, десантированием, форсированием водных преград, разрывами в заграждениях систем сигнализации. Контроль ведения огня артиллерией и минометами и степени поражения противника. Обнаружение ИК-средств противника, минно-взрывных заграждений (минных полей), выявление резервов противника. Вождение транспортных, боевых и специальных машин в ночных условиях. Изучение своей маскировки, выполнения инженерных работ. Дистанционное управление объектами. Обеспечение технологии выполнения работ (счет действий объектов, измерение линейных и двухмерных размеров и т.п.) Обеспечение службы КПП: обзор контейнерных площадок, причалов, платформ, грузовых дворов; считывание и передача информации о прибывающих железнодорожных составах, судах, автомобилях; охрана периметров и объектов; проверка личных вещей и документов.

Преимущества ЭО и ТВ средств наблюдения

высокая информативность (Она обусловливается возможностью получения визуальной информации - наиболее наглядной и объективной; фиксацией различных проявлений цели (контраст с фоном, движение, изменение размеров и элементов движения)). скрытность получения информации. Обеспечивается применением пассивных методов работы. минимальное время обработки информации. Достигается за счет того, что информация передается (поступает) к оператору в привычной для человеческого восприятия форме. широкий спектральный диапазон. Оптико-электронные и электронно-оптические средства позволя­ют наблюдать в видимых и невидимых для человеческого глаза лучах (инфракрасных, ультрафиолетовых и т.п.). возможность переносить изображение и выполнять над ним другие операции (увеличивать размеры и число изображений без уменьшения их яркости, изменять формат, комбинировать несколько изображений и др.).

мобильность электронно-оптических средств. простота управления ЭО и ТВ средствами. высокая надежность. высокая разрешающая способность. сравнительно малые вес и габариты. высокая вероятность обнаружения и распознания объек­тов (целей). Телевизионная техника, кроме того, позволяет значительно расширить круг лиц, одновременно участвующих в анализе и оценке обстановки, документировать полученную информацию. Телевизионные средства не "ослепляются" прожекторами, факелами ракет и другими оптическими источниками; хорошо могут обнаруживать цели, расположенные в мелколесье и кустарниках и в населенных пунктах.

недостатки ЭО и ТВ средств

подвержены влиянию метеоусловий (дождь, дымка, густой туман); зависимость дальности действия (обнаружения и опознавания) от контраста (теплового, яркостного) цели и фона; большой вес и габариты отдельных типов приборов (телевизионные, тепловизионные); высокая стоимость средств.

Направления развития электронно-оптических и телевизионных средств наблюдения

создание активно-импульсных приборов наблюдения со стробиро­ванием наблюдаемого участка; применение твердотельных ЭОП и ПТЛТ на основе использования приборов с зарядовой связью (матричный с переносом кадров, однострочный). создание радиотехнических ПНВ применение в ПНВ и ТВ средствах элементов волоконной оптики (например, волоконно-оптических пластин). Это позволит улучшить качество изображения, создать гибридные конструкции приборов, повысить разрешающую способность и надежность средств наблюдения.

применение низкоуровневых и высокочувствительных приборов (Е=10-5 .....10-7 лк). Для достижения этой цели ведутся работы по созданию новых типов трубок (например, широкоспектральных ПТЛТ или трубок с высокой чувствительностью в дискретных участках видимого или ближнего к видимому ИК-диапазона волн, пироэлектрического видикона). создание высокоинформативных комплексов наблюдения (телевизионных, инфракрасных, лазерных). Это позволит существенно расширить возможности подразделений по обнаружению противника, особенно принимающего меры к маскировке своих действий.

применение в оптических элементах адаптивной, градиентной, дифракционной (голографической) оптики. Применение новых типов объективов, например, "булавочные" объективы с широким углом обзора и отверстием 3 мм. Это позволит увеличить поле зрения приборов, яркость и чет­кость изображения, разрешающую способность и вероятность обнаружения малоразмерных целей; внедрение преобразователей видеоизображения, видеомагнитофонов, таймеров; широкое внедрение тепловизионных средств, позволяющих обнаруживать объекты скрытых растительностью или тонким слоем почвы; создание средств, позволяющих внести разведку с движущихся объектов (носителей), создание специальных стабилизирующих устройств; внедрение цифровых методов и средств в системах наблюдения, особенно телевизионных.