Инфракрасные хроники

Природа одарила человека уникальным мозгом, но с ночной зоркостью, необходимой в кишащей хищниками темноте, дала промашку. И ведь нельзя сказать, что эволюция плохо старалась! Палочек, отвечающих за ночное зрение, на нашем глазном дне в 17 раз больше, чем «дневных» колбочек. Разбираться с такой несправедливостью и искать способ видеть во тьме человеку пришлось уже с помощью того самого замечательного мозга.

3328 0 0

отправить по e-mail

Даже самые совершенные автомобильные фары не в состоянии осветить дорогу дальше 150 м. А когда все усугубляется туманом, дождем или снегопадом, дальность обнаружения препятствия резко сокращается. На помощь приходят всепроникающие инфракрасные (ИК) лучи, для которых почти не существует понятия «сложные метеоусловия».

Германия с ее безумными автобанами первой реализовала в серии автомобильное «ночное зрение»: инженеры Mercedes-Benz создали, пожалуй, самую продвинутую систему Night View Assist Plus. Наряду с обычным видимым светом машина на несколько сотен метров испускает в ночь инфракрасный луч, который, отражаясь, создает на приборной панели довольно подробное изображение трассы и обочины. Это так называемый активный тип ночного видения – картинка отличается высоким разрешением, но низкой контрастностью. Инженеры BMW пошли по другому пути – их система Night Vision оснащается специальным высокочувствительным сенсором, регистрирующим излучение теплокровных животных. Такой пассивный способ регистрации позволяет получать на выходе высококонтрастную картинку, не отличающуюся высокой детализацией.

Тепловизор FLIR. Фото: www.flir.su

АТИПИЧНАЯ ПНЕВМОНИЯ и свиной грипп вдохнули новую жизнь в технологии бесконтактной регистрации тепла посредством ИК-излучения. В аэропортах тепловизоры FLIR отслеживают у пассажиров тепловую картину лица с точностью до 0,08 °С, помогая выявлять носителей смертельно опасных вирусов или просто простудившихся.

Как известно, в инфракрасном диапазоне излучают все тела, имеющие температуру выше абсолютного нуля, и, к примеру, жилые дома не являются исключением. Новыми терминами – тепло- и энергоаудит – назвали термографическое исследование зданий с помощью цифровых тепловизоров на предмет утечек тепла. Картинка с таких приборов позволяет обнаружить скрытые глазу дефекты в теплоизоляции и, в итоге, повысить модную сейчас энергоэффективность.

А вот наша атмосфера непрозрачна для космического инфракрасного излучения, так что астрономам приходится выводить ИК-телескопы на орбитальное пространство Земли. Здесь выдающимся стал аппарат Spitzer с 360-литровым баком для хладагента гелия, необходимого для охлаждения матрицы, наверное, самой дорогой инфракрасной камеры-спектрометра IRAC. С 2003 года телескоп поражает мир фотографиями звездных скоплений и галактик, ранее недоступных человеческому зрению.

Надо сказать, что инфракрасная история встала на гражданские рельсы только сейчас – до этого были десятилетия секретности и гонки вооружений.

Космический телескоп "Спитцер". Фото: Russ Underwood Lockheed Martin Space System, www.appel.nasa.gov

ОСНОВА ОСНОВ ПРИБОРОВ НОЧНОГО ВИДЕНИЯ – электронно-оптический преобразователь, который отвечает за конвертацию инфракрасного излучения в видимое глазу изображение. В дело идет так называемый ближний диапазон ИК с длиной волны от 0,75 до 1,4 мкм, что как раз на границе с ощущаемым человеком (0,4–0,75 мкм). Принцип незамысловат: световой поток попадает на фотокатод, преобразуется с помощью него в электрические сигналы и снова становится фотонами. За последнее действие отвечает люминофор-анод, формирующий изображение сцены для человеческого зрения. Последовательность «фотон – электрон – снова фотон» не передает цветового разнообразия окружающего мира, поэтому все приборы ночного видения монохроматические. Инженеры обычно используют оттенки зеленого, к которому наш глаз особенно чувствителен.

Первооткрывателем эффекта стал инженер исследовательского центра «Филипс» Жиль Холст, который экспериментировал с усилением видимого света посредством фотокатодов различной конструкции. В его исходные задачи не входило изобретать прибор ночного видения, но произошло то, что произошло: в 1934 году конструкция «стакан Холста» стала первым в мире электронно-оптическим преобразователем. Все в нем было дорого: серебряно-кислород-цезиевый фотокатод (Ag-O-Cs) типа S-1, система охлаждения до –40 °С (для исключения шумов изображения) и громоздкие батареи питания для высоковольтного напряжения. Но истинные ценители hi-tech – военные – приняли возможность видеть в темноте с энтузиазмом.

ЭТО БЫЛО СОВСЕМ НЕ ТО, что мы сейчас называем «ночным видением». «Нулевое» поколение таких приборов – технику 30–50-х годов – можно было использовать только в активном режиме, то есть с подсветкой наблюдаемой местности ИК-лучами. Представьте, как рядом с наступающей в ночи «Пантерой» плетется бронетранспортер Sd.Kfz. 250/20, оснащенный шестикиловаттным прожектором Uhu (Сова). Только в таком случае наводчик в танке мог увидеть цель на расстоянии до 700 м. Очень скоро пришло понимание демаскирующего эффекта от такой подсветки: противник, оснащенный аналогичными «ночниками», видел ИК-прожекторы как на ладони. Поэтому техника первого поколения уже использовала освещенность от звезд и Луны.

Первенцем здесь стал неохлаждаемый фотокатод Na-K-Sb-Cs-мультищелочной. Американцы с такими приборами ночного видения (с коэффициентом усиления света порядка 1000 и чувствительностью 0,01 лк) уверенно воевали во Вьетнаме при полной Луне. Были и недостатки – чрезмерная восприимчивость к вспышкам и низкая четкость изображения по краям линзы. В СССР в 1960–70-е были распространены преобразователи, расположенные в корпусе прибора ночного видения последовательно друг за другом или каскадом. Это усилило изображение до приемлемых значений, но конструкция была громоздкой и дорогой (что не помешало устанавливать ее почти на все виды военной техники и стрелкового оружия).

От Земли до галактики Боде - 11,7 млн световых лет, но для телескопа "Спитцер" это не помеха. Фото: NASA/JPL/Caltec, www.skyimagelab.com

ВТОРОЕ ПОКОЛЕНИЕ инфракрасной техники ночного видения ассоциируется, прежде всего, с разработанной в США 70-х годов микроканальной пластиной. Строение этого высокотехнологичного продукта незамысловато: стеклянная пластина толщиной 0,5 мм пронизана миллионами микроскопических каналов, покрытых изнутри слоем полупроводника. В качестве последнего выступает йодид цезия: он отвечает за эмиссию вторичных электронов, то есть умножает вылетающие из фотокатода электроны на несколько порядков. У такой схемы одни плюсы: компактность, низкое энергопотребление, высокий коэффициент усиления (до 20 000) и чувствительность (0,0001 лк), приличный срок службы, отличная яркость и разрешающая способность изображения. «Квакер» и AN/PVS-5B (в СССР и США соответственно) стали одними из первых индивидуальных очков ночного видения, в которых применили технологии второго поколения.

Следующий технологический шаг – «ночное зрение» бипланарной конструкции, то есть лишенное электростатической линзы с прямым переносом электронов от фотокатода на микроканальную пластину. Замечательная компактность таких приборов позволила создать очки ночного видения псевдобинокулярного типа, легкие и недорогие. В России самыми распространенными стали 1ПН74 «Наглазник», а страны НАТО пользуются AN/PVS-7. При всем совершенстве техники 70–90-х годов они слабо приспособлены для ориентирования пасмурной ночью, когда тучи закрывают звезды и Луну.

АМЕРИКАНСКИЕ КОМПАНИИ ITT Night Vision и «L-3 Communications» долго были монополистами в изготовлении маленьких шедевров технического искусства – электронно-оптических преобразователей третьего поколения. Ядром здесь стал фотокатод с покрытием из арсенида галлия, позволяющий работать при уровне освещенности объектов всего в 10 микролюкс с усилением в недостижимые ранее 50 000. Все очень хорошо, но и очень дорого – в десять раз дороже приборов-предшественников. Лет десять Россия была в роли отстающих, пока в 1994 году не появилось объединение «Геофизика – НВ», собравшее наши лучшие умы в области техники ночного видения. Сейчас только две страны могут серийно изготавливать арсенидгаллиевый фотокатод по крайне сложной технологии, требующей работы в течение 400 часов в условиях сверхвысокого вакуума для исключения процесса окисления.

AN/PVS-5 времен Вьетнамской войны. Фото: www.ar15.com

ОДНИМ ИЗ ПОЛИГОНОВ использования приборов ночного видения третьего поколения стала авиация: технические характеристики позволяют пилоту темной ночью видеть на многие километры и лететь в плотном строю с огибанием рельефа местности. К примеру, в мейнстриме у вертолетчиков сейчас отечественный прибор ГЕО-ОВН1-01 и натовский ANVIS/AVS-6. Но и пехотинцы не обделены подобным хайтеком – в очках GPNVG-18 американской L-3 Warrior Systems с характерными четырьмя трубками электронно-оптических преобразователей. 97-процентная картина местности позволяет оператору использовать незадействованное ранее периферическое зрение, что резко улучшает ориентирование на поле боя и восприятие ночной действительности. Прибор безумно дорогой, используется преимущественно спецподразделениями американской армии, и есть информация, что лицам без гражданства США за пользование GPNVG-18 грозит тюремный срок. Техника на грани во всех смыслах.

ВСЕ ЭТО ЗДОРОВО, но ночную засаду в чаще, с современным деформирующим камуфляжем, при должном уровне подготовки нападающих почти невозможно обнаружить с помощью самых совершенных приборов ночного видения. И с расстояния 200–300 м в монохроматический окуляр не опознать затаившегося снайпера, покрытого плотной маскировкой. Тупик? Войсковые тепловизионные приборы решают проблему безжалостно и изящно: если врага не обнаружить по отраженному ИК-излучению, будем фиксировать излучаемое человеком тепло. А способов устранения тепловой сигнатуры собственного тела в обозримом будущем не предвидится.

Армия США эксплуатирует в боевых условиях Афганистана и Ирака продвинутую систему ночного видения SENVG (Spiral Enhanced Night Vision Goggles) с «двойным» зрением. Устанавливаемый на шлем прибор комбинирует классическую систему ночного видения и тепловизионное детектирование. В блокбастере «Хищник» подобными технологиями обладал инопланетянин, визуализируя на зеленом фоне красные фигурки людей, которые, кажется, не смогут нигде укрыться. Эта миниатюрная техническая революция стала результатом десятилетий битвы инженеров за инструментальное обнаружение тепла.

В СССР к концу 30-х созданы приборы для кораблевождения и наблюдения за судами противника с дальностью «зрения» до 500 м. Это были плоды работы лаборатории № 1 Вячеслава Архангельского во Всесоюзном электротехническом институте (ВЭИ), ставшей в то время центром отечественного оптического приборостроения для ночных условий. Основной акцент в работе был сделан на обеспечение инфракрасной техникой сил ВМФ – на Черноморском флоте в начале 40-х было 18 теплопеленгаторов, а вход в севастопольскую морскую базу полностью перевели на ИК-огни. Все это позволило обеспечить скрытность передвижения кораблей по фарватеру, и к 1943 году все корабли на Черном море были оборудованы пеленгаторами «Омега – ВЭИ» и биноклями «Гамма – ВЭИ» для совместного плавания в строю.

ТЕПЛОВИЗИОННЫЙ ПРИБОР ночного видения устроен еще проще классического. Система специальных линз концентрирует изображение объекта на особом фотоприемнике, обладающем избирательной чувствительностью к определенному полю инфракрасного излучения. Фотоприемник не простой, а зачастую охлаждаемый жидким азотом для большой точности измерения температуры объекта наблюдения. ИК-излучение вызывает в приемнике изменение его электрических свойств, что фиксируется контролирующей электроникой. Дальше дело техники – конвертировать данные в цифровую картину и визуализировать ее перед глазами оператора. Каждому градусу (и даже сотой его доле) соответствует определенный цвет.

Если вы вдруг решите купить тепловизор, стоит ответить на вопрос: какую матрицу фотоприемника выбрать? Самые лучшие – охлаждаемые до криогенных температур матрицы на основе антимонида индия (InSb) или кадмий-ртуть-теллурового кристалла (CdHgTe). Да, стоимость подобной техники исчисляется десятками тысяч долларов, но и характеристики впечатляют – дальность обнаружения человека может превышать 10 км (с чувствительностью порядка 0,07 °С)! Важный нюанс охлаждаемых тепловизоров – рабочий диапазон детектирования ИК-излучения с длиной волны 3,5–5 мкм. Это так называемая коротковолновая часть теплового спектра, попадающая аккуратно в первое «окно прозрачности». Остальные диапазоны поглощаются различными веществами в составе атмосферы – водой, углекислым и угарным газом, озоном, поэтому применять их не особо перспективно.

Но есть и второе «окно прозрачности» с длиной волны 8–14 мкм, используемое в более дешевых неохлаждаемых микроболометрических тепловизорах. Современный микроболометр – это пластинка размером 25 × 25 мкм из аморфного кремния или окиси ванадия, состоящая из пикселей – 384 на 288. Тепловое излучение вызывает на пикселях изменение электрического сопротивления, которое остается только считать и преобразовать в изображение. Сложности добавляет длинноволновой инфракрасный диапазон 8–12 мкм, который не может преодолеть обычное оптическое кремниевое стекло. Приходится объективы таких тепловизоров изготавливать из химически чистого германия по $ 2000 долларов за килограмм. Дороговато – если не задумываться о том, сколько времени, сил и денег экономят сегодня тепловизоры. Они помогают искать причины неисправностей механизмов, мелкие дефекты материалов и соединений, так что находят применение в строительстве, энергетике, нефтехимии и машиностроении. А еще делают успешнее множество спасательных операций, потому что облегчают поиски людей и животных.

Наш журнал ММ Поддержать ММ

Технологии

Евгений Федоров

Машины и Механизмы