Kluczowym problemem poszczególnych kamer termowizyjnych jako części kompleksu oprzyrządowania i obserwacji są rygorystyczne wymagania dotyczące masy i wymiarów. Nie da się postawić systemu chłodzenia matrycy ciekłym azotem, dlatego trzeba szukać nowych rozwiązań inżynierskich. A po co zawracać sobie głowę ogrodzeniem w najbardziej skomplikowanej i drogiej kamerze termowizyjnej, skoro istnieją już doskonałe noktowizory na podczerwień do indywidualnej broni strzeleckiej? Chodzi o kamuflowanie wroga, dym, opady atmosferyczne i zakłócenia świetlne, wszystko to drastycznie obniża sprawność noktowizorów, nawet z przetwornikami elektrooptycznymi trzeciej generacji. Produkt Nowosybirskiego Centralnego Biura Projektowego „Tochpribor” o indeksie 1PN116 jest właśnie przeznaczony do pracy w takich warunkach i jest oldschoolowym przedstawicielem urządzeń do wykrywania promieniowania podczerwonego obiektów na polu bitwy.
Celownik termowizyjny 1PN116 ze swoim bystrym wzrokiem widzi wszystko, co jest wielkości człowieka i co jest gorętsze niż naturalne tło 1200 metrów przed nami. Urządzenie ma znaczną masę (3,3 kg), dlatego jest umieszczone głównie na SVD, karabinach maszynowych "Pecheneg" i "Kord". Jako „siatkówka” wykorzystywany jest niechłodzony mikrobolometr o matrycy 320x240 pikseli. Przyjrzyjmy się bliżej sztuczkom niechłodzonego obrazowania termicznego.
[środek]
Ta technika jest już trzecią generacją, która zasadniczo różni się od poprzednich pod nieobecność złożonego i nie zawsze niezawodnego optyczno-mechanicznego systemu skanowania. W tej generacji kamery termowizyjne są oparte na półprzewodnikowych odbiornikach matrycowych FPA (Focal Plate Area), montowanych bezpośrednio za płaszczyzną obiektywu. „Chemia” termowizji w tego typu gadżetach w zdecydowanej większości opiera się na warstwach rezystancyjnych tlenków wanadu VOx lub amorficznego krzemu α-Si. Ale są też wyjątki, w których fotodetektory lub „serce” kamer termowizyjnych oparte są na PbSe, układach fotodetektorów piroelektrycznych, czy matrycach opartych na związkach CdHgTe, wyposażonych w chłodzenie termoelektryczne. Co ciekawe, takie chłodzenie najczęściej nie jest wykorzystywane zgodnie z przeznaczeniem, a jedynie zapewnia stabilność termiczną w zmiennych warunkach środowiskowych. Mikrobolometry z serii VOx lub α-Si rejestrują zmiany oporności elektrycznej pod wpływem temperatury, co należy do podstawowej zasady działania kamery termowizyjnej. Każdy taki czujnik półprzewodnikowy zawiera układ przetwarzania wstępnego sygnału, który przekształca rezystancję na napięcie wyjściowe i kompensuje promieniowanie tła. Ważnym wymogiem mikrobolometru jest praca w próżni i „przezroczysta dla ciepła” optyka germanowa, co poważnie komplikuje pracę zarówno projektantom, jak i producentom. A sam czujnik musi mieć niezawodne podłoże z wtrąceniami arsenku germanu lub galu. Aby zrozumieć wszystkie zawiłości pracy mikrobolometru, należy zauważyć, że wahania temperatury kryształu o 0,1 K prowadzą do niewielkiej zmiany rezystancji o 0,03%, którą należy śledzić. Przy wszystkich innych rzeczach bez zmian, amorficzny krzem ma pewne zalety w porównaniu z tlenkami wanadu - jednorodność sieci krystalicznej i wysoką czułość. Dzięki temu obraz dla użytkownika jest bardziej kontrastowy i mniej podatny na zakłócenia w porównaniu z podobną techniką na VOx. Każdy piksel mikrobolometru jest na swój sposób niepowtarzalny – ma swoje własne, nieco odmienne od swoich odpowiedników wzmocnienie i przesunięcie, które wpływają na finalny obraz. Poprzez zwiększenie liczby pikseli, zmniejszenie odstępu między nimi (do 9-12 mikronów) i ich miniaturyzację projektanci starają się między innymi zmniejszyć poziom szumu na obrazie. „Złe” lub wadliwe piksele są poważnym problemem w produkcji mikrobolometrów, zmuszając inżynierów do opracowania mechanizmów programowych eliminujących białe lub czarne kropki na ekranie oraz migoczące cząsteczki. Jest to zwykle zorganizowane za pomocą interpolacji, to znaczy sygnał wychodzący z „uszkodzonego” piksela jest zastępowany pochodną wartości sąsiadów. Najważniejszym parametrem matrycy jest wartość NETD (Noise Equivalent Temperature Difference) czyli temperatura, przy której mikrobolometr odróżnia sygnał od szumu. Oczywiście czujnik musi być szybki, więc kolejnym parametrem jest stała czasowa, czyli szybkość, z jaką kamera reaguje na zmiany temperatury. Współczynnik wypełnienia lub współczynnik wypełnienia to charakterystyka matrycy odzwierciedlająca poziom wypełnienia mikrobolometru czułymi elementami, im większy, tym lepszy obraz widzi operator. Matryce hi-tech mogą pochwalić się 90% pokryciem matrycy przy liczbie pikseli sięgającej 1 miliona. Użytkownik może obserwować pole bitwy w dwóch wersjach - monochromatycznej i kolorystycznej. Produkty militarne i ochronne zwykle generują obraz monochromatyczny, ponieważ wyrazistość postaci wroga i jego wyposażenia jest znacznie wyższa niż w wersji kolorowej.
Obiecująco wyglądają postępy amerykańskich naukowców dotyczące wykorzystania grafenu jako czujnika podczerwieni. Próbują wszędzie wprowadzić ten materiał 2D, a teraz przyszła kolej na technologie termowizyjne. Biorąc pod uwagę, że 70-80% kosztów niechłodzonej kamery termowizyjnej to mikrobolometr i optyka germanowa, pomysł stworzenia grafenowych czujników termoelektrycznych jest bardzo kuszący. Według Amerykanów wystarczy jedna warstwa stosunkowo niedrogiego grafenu na podłożu z azotku krzemu, a prototyp nabiera już zdolności rozróżniania osoby w temperaturze pokojowej.
Zarówno za granicą, jak i w Rosji wiele uwagi poświęca się rozwojowi związanemu z atermalizacją układów optycznych kamer termowizyjnych, czyli odpornością na ekstremalne temperatury otoczenia. Soczewki są używane z materiałów chalkogenkowych - GeAsSe i GaSbSe, w których współczynniki załamania promieni w niewielkim stopniu zależą od temperatury. LPT i Murata Manufacturing opracowały metodę wytwarzania takich soczewek przez prasowanie na gorąco, a następnie toczenie diamentowe soczewek asferycznych i hybrydowych. W Rosji jednym z nielicznych producentów soczewek atermicznych jest JSC NPO GIPO - Państwowy Instytut Optyki Stosowanej, który jest częścią holdingu Shvabe. Materiałem soczewek jest szkło beztlenowe, selenki cynku i germanu, a obudowa wykonana jest z wysokowytrzymałego stopu aluminium, co docelowo gwarantuje brak zniekształceń w zakresie od -400C do +500C.
W Rosji, oprócz wspomnianego 1PN116 z FSUE TsKB Tochpribor (lub „urządzenia Szwabe”), znacznie lżejszy celownik termowizyjny „Szahin” (JSC TsNII „Cyklon”), nazwany „czujnością” na cześć gatunku drapieżnego sokoła, charakteryzująca się francuską matrycą Ulisse o rozdzielczości 160x120 pikseli (lub 640x480) i zasięgu rozpoznawania wysokiej sylwetki 400-500 metrów. W ostatnich generacjach importowany mikrobolometr został zastąpiony modelem krajowym.
Dalej na liście: celownik termowizyjny PT3 z Nowosybirska „Szwabe – Obrona i Obrona” o rozdzielczości matrycy 640x480 elementów, wadze 0,69 kg i, który stał się „złotym standardem”, zasięgiem detekcji o wartości wzrostu 1200 m. Rozstaw pikseli tego celownika nie jest wybitnym wskaźnikiem i wynosi 25 mikronów, co stanowi skromną rozdzielczość końcową obrazu. Przy okazji holding zorganizował produkcję celownika myśliwskiego na podstawie projektu wojskowego pod kodem PTZ-02. Innym przedstawicielem rodzimej szkoły projektowania jest celownik termowizyjny Alfa TIGER z dywizji Shvabe-Photopribor, który wydaje się być monopolistą, z odbiornikiem mikrobolometrycznym w zakresie 7-14 mikronów o rozdzielczości 384x288 pikseli. W „TIGRZE” operator pracuje z monochromatycznym mikrowyświetlaczem OLED o rozdzielczości 800x600 pikseli, z czego 768x576 jest zarezerwowane do wyświetlania obrazu termicznego. Istotną różnicą w stosunku do wczesnych modeli rosyjskich celowników termowizyjnych jest zwiększony czas działania o 30 minut - teraz można walczyć w podczerwieni przez 4,5 godziny. Jego modyfikacja „Alpha-PT-5” ma rzadki fotodetektor PbSe z elektryczną stabilizacją termiczną. Uniwersalny celownik PT-1 firmy NPO NPZ może łączyć się z wieloma rodzajami broni strzeleckiej dzięki specjalnemu montażowi i pamięci, w której balistyka i celownik są zaprogramowane dla szerokiej gamy broni. Ściśnięcie muszli okularowej mięśniami oka włącza mikrowyświetlacz, a wyciągnięcie go wyłącza - to rodzaj systemu oszczędzania energii zaimplementowanego w PT-1. Amerykańskie mikrobolometry są zainstalowane na urządzeniu termowizyjnym do celowania i obserwacji „Granite-E” od ISPC „Spectrum”. Technikę z „szerokobiegunowym” widzeniem prezentuje firma o długiej nazwie NF IPP SB RAS „KTP PM” pod indeksem TB-4-50 i ma pole widzenia 18 stopni na 13,6 stopnia.
Przy okazji firma oferuje gamę trzech standardowych rozmiarów celowników termowizyjnych TB-4, TB-4-50 i TB-4-100, wyposażonych w nowoczesny mikroprocesor do przetwarzania obrazu oparty na architekturze HPRSC (High Performance Reconfigurable superkomputery). Osobnym kierunkiem są nowe celowniki termowizyjne Mowgli-2M o indeksie 1PN97M, montowane na rodzinach MANPADS typu Strela-2M, Strela-3, Igła-1, Igła, Igla-S oraz najnowszym Verba”. Opracowują i montują celowniki w petersburskim LOMO i różnią się oczywiście ogromnym zasięgiem wykrywania wynoszącym 6000 m. Alternatywą dla Mowgli mogą być celowniki TV/S-02 firmy BELOMO z bliskiej zagranicy, przeznaczone do ciężka broń strzelecka - karabiny dużego kalibru, granatniki, a właściwie MANPADS. Przy masie nie większej niż 2 kg białoruski celownik wykazuje imponujący zasięg wykrywania człowieka wynoszący 2000 metrów i rozpoznawanie 1300 metrów.
W tej części „Kroniki termowizyjnej” omówiliśmy niektóre krajowe celowniki termowizyjne oraz ich odpowiedniki z bliskiej zagranicy. Przed nami zagraniczne analogi, kamery termowizyjne czołgów, a także indywidualne urządzenia obserwacyjne i rozpoznawcze.
