Техника ночного видения (Инженер-подполковник С. Рыков)

В различных областях техники, и в том числе в военном деле, все большее применение получают инфракрасные лучи. Это объясняется тем, что с помощью инфракрасных лучей удается создавать скрытно работающую аппаратуру для обнаружения различных объектов в темноте или в сложных метеорологических условиях.

Что же представляют собой инфракрасные лучи? Прежде чем ответить на этот вопрос, напомним, как они были открыты. Один из ученых проделал такой опыт. На пути солнечного луча он поместил трехгранную призму, которая способна разлагать белый свет на составляющие его цвета - фиолетовый, синий, голубой, зеленый, желтый, оранжевый и красный. На столе, против призмы, появились полоски всех этих цветов, образующих так называемый солнечный спектр. Исследуя тепловое действие лучей, ученый попробовал расположить термометр не на цветных полосках, а за их пределами, немного дальше красного участка спектра, туда, куда, казалось бы, совсем не попадают солнечные лучи. Неожиданно оказалось, что термометр показал температуру большую, чем температура окружающей среды. Так, нагревание термометра впервые доказало существование в солнечном спектре, помимо видимого света, невидимых излучений. То невидимое излучение, которое в спектре следует за красным участком, было названо инфракрасным (инфра - по-русски ниже, под).

Наукой установлено, что свет есть не что иное, как поток электромагнитной энергии определенной длины волны. Нашими органами зрения воспринимаются электромагнитные колебания с длиной волны 0,4-0,76 микрона (микрон - одна миллионная доля метра).

Однако видимый человеческим глазом свет занимает лишь часть всего диапазона электромагнитных колебаний, как это и показано в средней части рис. 50. Инфракрасные лучи имеют длины волн большие, чем видимый свет, и меньшие, чем ультракороткие радиоволны, т. е. от 0,76 микрона до 300 микрон. В настоящее время весь диапазон инфракрасных волн условно делят на два участка: на собственно инфракрасные волны и тепловые.

Рис. 50. Источники и приемники инфракрасного излучения

Изучение инфракрасных лучей показало, что их свойства в основном не отличаются от свойств видимого света. Однако есть и различия. Одним из них является то, что инфракрасные лучи и видимый свет по-разному проходят в различных средах. Инфракрасные лучи, например, сравнительно легко проходят через такие непрозрачные для видимого света материалы, как картон, черная бумага, тонкий слой эбонита, а длинноволновое инфракрасное излучение - даже через асфальт. Разумеется, не все составляющие спектра инфракрасных лучей одинаково хорошо проходят через один и тот же материал. Обычное стекло, например, пропускает лишь очень короткие инфракрасные лучи с длиной волны до 3,5 микрона, кварц - до 5 микрон. Подобное свойство позволяет применять различные вещества в качестве фильтров, задерживающих видимый свет и пропускающих лишь инфракрасные лучи определенной длины волны.

Характерно прохождение инфракрасных лучей в атмосфере. В ряде случаев инфракрасные лучи лучше проходят, чем видный свет, при наличии дымки, дождя, снегопада, слабого тумана, Проникающая способность различных участков диапазона инфракрасных волн различна и зависит от размеров частиц атмосферы, мешающих прохождению лучей.

Большое значение имеет то, что с помощью инфракрасных лучей можно получать изображение сравнительно мелких объектов. Этого не могут дать радиотехнические методы, ибо длина волны радиоизлучений больше, чем инфракрасных лучей.

Свойства инфракрасных лучей определили и их практическое применение. Одним из них, в частности, является фотографирование в инфракрасных лучах. Оно производится на специальную пленку, чувствительную к этим лучам, и позволяет получить изображение более удаленных объектов в условиях дымки и слабого тумана, чем при фотографировании в лучах видимого света. Правда, вследствие того, что инфракрасные лучи сильно поглощаются водой и слабо листвой растений, на фотографиях ландшафтов, снятых в инфракрасных лучах, растительность оказывается светлой, а вода темной.

Другое важное применение инфракрасных лучей - для видения в темноте. Берется источник невидимых инфракрасных лучей и направляется на объект, который нужно обнаружить или рассмотреть. У наблюдателя есть приемник для того, чтобы улавливать отраженные инфракрасные лучи и вести наблюдение ночью. Другой тип инфракрасной аппаратуры работает, как говорят, без подсвета, ибо такие приборы принимают собственные инфракрасные излучения различных объектов.

Таким образом, при осуществлении ночного видения мы имеем дело с источниками и приемниками инфракрасного излучения.

Познакомимся с тем, какие существуют источники инфракрасного излучения.

Это излучение может испускаться любым нагретым телом. Около половины всей отдаваемой солнцем энергии несут в себе именно инфракрасные лучи. К искусственным источникам инфракрасных лучей можно отнести, например, электрические лампы накаливания. Интересно отметить, что в лампе накаливания лишь 5% излучаемой энергии приходится на видимый свет, а остальные 95% падают на инфракрасное излучение. Если на обычный прожектор надеть фильтр, задерживающий видимый свет, прожектор будет излучать концентрированный пучок инфракрасных лучей.

Поскольку инфракрасное излучение может испускаться любым нагретым телом, то очевидно, что источниками этого излучения являются все объекты, содержащие двигатели.

В верхней части рис. 50 показаны некоторые источники инфракрасного излучения.

Рассмотрим теперь, каким же образом удается определить наличие инфракрасного собственного излучения какого-либо объекта или отраженного от него при облучении с помощью инфракрасного прожектора. Для определения наличия инфракрасного излучения применяются специальные приемники (см. нижнюю часть рис. 50). Устройство фотоэлектрических приемников основано на использовании фотоэффекта - под воздействием электромагнитной энергии инфракрасного излучения электроны в веществе приходят в движение (образуя электрический ток) или даже вовсе покидают это вещество.

Создание современных фотоэлектрических приемников стало возможным благодаря успехам электронной оптики. В развитие этой новой отрасли науки и техники большой вклад внесли выдающийся русский физик А. Г. Столетов, советские ученые П. В. Тимофеев, А. А. Лебедев и др.

К фотоэлектрическим приемникам относится, например, электроннооптический преобразователь, описание которого приведено ниже.

Существуют устройства не только для приема отраженных невидимых лучей, но и собственных излучений самолетов, кораблей и т. д. Примером таких приемников могут служить фотосопротивления, которые являются фотоэлементами с внутренним фотоэффектом, ибо под действием инфракрасного излучения электроны не вылетают из них. Однако величина этих сопротивлений уменьшается, так как увеличивается число электронов проводимости в веществе. Подобное сопротивление включается в электрическую цепь. Как только появляется инфракрасное излучение, оно тотчас же отмечается специальным индикатором, изображенным на рис. 50 в виде кружка со стрелкой.

Третьим типом фотоэлектрических приемников являются так называемые вентильные фотоэлементы. К ним относится, например, меднозакисный фотоэлемент, состоящий из медной пластинки, покрытой слоем закиси меди. Под воздействием инфракрасного излучения образуется разность потенциалов между слоем закиси меди и пластинкой меди. Если эти электроды присоединить к индикатору, то его стрелка отклонится, показывая наличие инфракрасного излучения.

Среди приемников инфракрасных излучений важнейшее место занимает так называемый болометр, представляющий собой не что иное, как тонкую зачерненную полоску из полупроводника. Болометр включается в электрическую цепь с индикатором. Как только до болометра доходит инфракрасное излучение, его сопротивление падает, ток в цепи увеличивается и индикатор отмечает появление излучения.

Приемником инфракрасного излучения может служить также термоэлемент, состоящий из разнородных проводников, соединенных между собой. Если места соединений этих проводников имеют разную температуру, в цепи термоэлемента появляется электродвижущая сила, а если цепь замкнута, то и ток. Появление инфракрасного излучения как раз и приводит к возникновение разности потенциалов и тока в цепи термоэлемента. Ток усиливается, а затем измеряется с помощью стрелочного прибора.

Используя фотоэлектрические и тепловые приемники, удается создать самые разнообразные приборы, действующие в инфракрасных лучах.

Современная наука и техника, используя свойства невидимых инфракрасных лучей, нашла пути создания совершенных приборов ночного видения и теплопеленгации. Применение этих приборов основано на том, что различные объекты обладают различной способностью излучать и отражать инфракрасные лучи. Для наблюдения объектов, почти не обладающих собственным инфракрасным излучением, используется их отражательная способность. От источника, например от прожектора, на эти объекты направляется пучок инфракрасных лучей, который после отражения улавливается специальным прибором наблюдения. Однако объект может быть виден лишь в том случае, если его отражательная способность в инфракрасном участке спектра отличается от отражательной способности окружающего его фона.

Объекты, имеющие температуру в десятки и сотни градусов, сами являются источниками значительных инфракрасных (тепловых) излучений. К таким объектам можно отнести двигатели самолетов, танков, кораблей и т. д. Принимая тепловое излучение этих объектов, можно не только обнаружить их, но и достаточно точно определить направление на них. Приборы такого типа принято называть теплопеленгаторами. Их основное назначение - определять направление на теплоизлучающий объект.

Рассмотрим вкратце работу приборов обоих типов.

К приборам наблюдения следует прежде всего отнести электроннооптический прибор, который находит самое разнообразное применение в технике. Он состоит из объектива, электроннооптического преобразователя, окуляра и блока питания (рис. 51).

Рис. 51. Схема действия прибора наблюдения

Основным узлом прибора наблюдения является электронно-оптический преобразователь, превращающий невидимое изображение в видимое. При этом можно получить изображение объекта более яркое, чем сам объект. По устройству простейший электроннооптический преобразователь представляет собой пустотный стеклянный цилиндр с двумя электродами - фотокатодом и анодом (экраном), покрытым светосоставом. В приборах наблюдения могут использоваться более сложные преобразователи, у которых между катодом и анодом установлены промежуточные электроды. Электрические поля этих электродов действуют на электроны, вылетающие из фотокатода, примерно так, как оптическая линза на луч света. Поэтому такие электроды принято называть электронными линзами. Подбирая электрические поля этих электродов, можно получить хорошую четкость изображения и восстановить его нормальный вид после объектива, создающего, как известно, перевернутое изображение.

Важную роль играют и остальные элементы электроннооптического прибора наблюдения. С помощью объектива изображение наблюдаемого объекта в инфракрасных лучах проектируется на фотокатод электроннооптического преобразователя, откуда электроны выбиваются и направляются к экрану. Те части экрана, куда попадает больше электронов, будут светиться более ярко. Таким образом, видимая картина на экране почти в точности повторяет инфракрасное изображение объекта на фотокатоде. Чтобы получить увеличенное изображение, эта картина рассматривается наблюдателем с помощью окуляра.

Блок питания, создающий высокое напряжение между катодом и анодом преобразователя, может состоять из аккумуляторной батареи с прерывателем, повышающего трансформатора и выпрямителя. Такой блок питания способен отдавать ток в десятки микроампер при напряжении в несколько тысяч вольт. Выбор столь высокого напряжения вызван тем, что при этом увеличивается скорость, а следовательно, и кинетическая энергия электронов, перемещающихся к экрану, и возрастает яркость экрана.

Электроннооптические приборы наблюдения применялись уже в годы второй мировой войны. Так, например, в пехоте инфракрасные устройства использовались для ночной разведки и как прицелы для снайперского оружия. Эти устройства состояли из небольшого прожектора, закрытого фильтром, не пропускавшим видимых лучей, и электроннооптического прибора, с помощью которого наблюдалась цель. На рис. 51 показаны схема действия такого инфракрасного устройства и картина, наблюдаемая на экране электроннооптического преобразователя. В правой верхней части рис. 51 показан внешний вид инфракрасного прицела для стрелкового оружия. Ясно, что снайпер, вооруженный ночью подобным инфракрасным прибором, будет находиться в несравненно лучших условиях, нежели снайпер, пользующийся обычным оптическим прицелом. Вес инфракрасного прицела с источником питания, по данным иностранной печати, может составлять около 15 кг.

Комплект инфракрасной аппаратуры для Наблюдения, устанавливаемый на танках или автомобилях, также состоял из прожектора, закрытого фильтром, и электроннооптического прибора наблюдения и мог применяться для ориентировки в походе и точного прицеливания.

В авиации инфракрасные огни и приборы наблюдения устанавливались на самолетах, чтобы ночью опознавать свои самолеты в воздухе. Широко применялись инфракрасные средства в военно-морском флоте и при десантных операциях. Инфракрасными маяками обозначались проходы в минных полях, места высадки и пункты сбора десантников. Инфракрасные приборы употреблялись также для связи кораблей между собой и с берегом. Интересно отметить, что вскоре после войны английские газеты писали, что единственный возвратившийся из операции по потоплению немецкого корабля экипаж подводной лодки был обязан своим спасением инфракрасным средствам.

Применение инфракрасных прожекторов, входящих в состав инфракрасных устройств наблюдения, демаскирует наблюдателя. Более скрытно действуют приборы теплопеленгации. Они, как правило, работая без подсвечивающего прожектора, чувствительны к тепловому излучению объектов и позволяют определить направление на них. Подробные сведения об устройстве инфракрасных пеленгаторов даются в следующей статье.

Недостатком теплопеленгатора является отсутствие на индикаторе изображения, целиком аналогичного наблюдаемому объекту, как в электроннооптическом преобразователе, что не позволяет определить, какая именно обнаружена цель. Достоинства теплопеленгатора - простота устройства и скрытность действия.

Наряду с электроннооптическими приборами и теплопеленгаторами во время второй мировой войны применялся портативный инфракрасный прибор обнаружения с использованием энергии радиоактивных веществ. Он позволял, например, парашютистам обнаруживать инфракрасные источники, указывавшие им место приземления. Энергия радиоактивного материала, находящегося в приборе, использовалась для зарядки специального люминесцентного экрана, который после этого становился чувствительным к инфракрасным лучам. Приборы этого типа имеют малые габариты и вес.

Известно также использование инфракрасных волн для скрытной телефонной и телеграфной связи. В комплекте инфракрасной связной аппаратуры - оптическом телефоне, как и в обычном, имеется микрофон, с помощью которого звуковые колебания преобразуются в колебания электрического тока. Далее этот ток подается на устройство, определенным образом изменяющее излучение инфракрасного прожектора, выполняющего роль передатчика. В точке приема эти излучения воспринимаются оптической системой приемного устройства, концентрирующей лучистый поток на фотоэлементе. Под действием изменяющегося лучистого потока в цепи фотоэлемента возникает пульсирующий ток, который после усиления подается на телефоны. Благодаря малому углу излучения инфракрасного прожектора обеспечивается повышенная по сравнению с радиосредствами скрытность переговоров. Поэтому на небольших расстояниях такая связь может конкурировать с радиосвязью.

Рассмотренными выше примерами не исчерпывается все разнообразие существующих инфракрасных приборов.