Відмінності між технологіями покращення зображення Gen3 та 4G
Хоча технологія підсилювача зображення (I2 ) виникла задовго до Другої світової війни (1934), лише в 1970-х роках нічне бачення пережило технологічний прорив з появою Покоління 2 (Gen2); відтоді підсилення зображення у вакуумній трубці проводиться в три етапи: 1. Фотокатод вловлює фотони (світло) і перетворює їх на електрони, 2. Мікроканальна пластина (MCP) розмножує електрони (це було нововведенням Gen2), 3. Люмінофорний екран перетворює (розмножені) електрони назад у фотони (світло). У більшості (але не у всіх) випадках для повороту зображення на 180 градусів використовувався оптоволоконний твістер (для цього не потрібно було використовувати важкий об’єктив). І в усіх випадках блок живлення (БЖ), що працює від маленької батарейки (в приладі нічного бачення), забезпечує і контролює весь процес роботи підсилювача зображення.
Хоча функціонування кожного з цих 3 каскадів і блоку живлення кожен виробник обґрунтовує по-своєму, на сьогоднішній день всі підсилювачі зображення все ще працюють за цим самим, описаним вище (Gen2), принципом!
У 2001 році уряд США дійшов висновку, що показник “покоління” сенсора підсилювача зображення (або приладу нічного бачення I2 ), будь то покоління 2, покоління 3 або будь-яке інше, не є визначальним фактором у характеристиках підсилювача зображення, підтвердивши, що показник “покоління” не має жодного значення для визначення характеристик підсилювача зображення . З цього приводу уряд США також вилучив термін “покоління” як основу для своїх експортних правил, ITAR Cat XII, частина (e), §7. Натомість показник корисної дії (FOM) став ключовим у визначенні доцільності експорту.
США і ЄС мають різні правила експорту до третіх країн. Американський ITAR загалом дозволяє експортувати до армій країн, що не є членами НАТО, лише FOM не більше 1600 (і вимагає детального адміністрування місцезнаходження кожної такої трубки за адресою, в той час як Фотонісу дозволено надавати будь який FOM (і це не накладає жодних логістичних/адміністративних зобов’язань).
Відмінності в трьох етапах та блоку живлення
Що дійсно має значення, так це те, як кожна з трьох описаних стадій і блок живлення разом впливають на загальну продуктивність підсилювача зображення. Склад (і методи виробництва) кожного з елементів, що складають каскад підсилювача зображення, дуже складні (і секретні) і відрізняються у різних виробників. Тим не менш, найважливіші відмінності будуть описані якомога детальніше.
Сьогодні фотокатод в основному складається або з арсеніду галію, GaAs (виробляється компаніями L3-Harris та ELBIT USA, і, незважаючи ні на що , все ще називається Gen3), або з гібридного мультилужного матеріалу, HyMa (виробляється компанією Photonis, називається 4G). З часом характеристики обох фотокатодів були вдосконалені і покращені; і цей процес, безумовно, продовжиться в найближчі десятиліття.
Фірмова технологія 4G компанії Photonis (представлена на ринку в 2014 році) використовує запатентований наноструктурований фотокатод, що забезпечує чутливість на основі дифракції, збільшує електрооптичне поглинання і розширює рівень енергетичного сприйняття фотокатодного елемента.
Основна відмінність між фотокатодами GaAs і HyMa полягає в ширині смуги пропускання, або спектральному діапазоні. Іншими словами, діапазон типів світла (від ультрафіолетового синього до інфрачервоного червоного), які фотокатод здатен “поглинати” і перетворювати на електрони, суттєво відрізняється. Смуга пропускання GaAs становить приблизно від 500 (синій) до 900 (червоний) нанометрів. Смуга пропускання HyMa становить приблизно від 350 (УФ) до 1100 (ІЧ) нанометрів. Зрозуміло, що смуга пропускання або спектральний діапазон підсилювача зображення з фотокатодом HyMa значно довший (ширший), ніж у підсилювача зображення з фотокатодом GaAs.
Розширена смуга пропускання і спектральний діапазон фотокатода HyMa має два важливих експлуатаційних наслідки. По-перше, це гарантує, що підсилювач зображення працює якнайкраще в усіх типах світла, які використовуються в різних місцях по всьому світу. Від високого синього/УФ-спектру, як у пустелі, до високого червоного/ІЧ-освітлення неба, як у джунглях. Останнє, до речі, сильно залежить від нічного світіння (частинок в атмосфері), яке, на відміну від залишків ультрафіолетового зоряного світла, не завжди присутнє! По-друге, він забезпечує можливість бачити джерела світла за межами візуального спектру (і таким чином бачити світло, яке не бачать підсилювачі зображення з фотокатодами GaAs). Звичайно, всі підсилювачі зображення можуть відображати промінь і цільову точку звичайних індивідуальних солдатських ІЧ-лазерних указок (800-950 нм). Але лише ширша смуга пропускання фотокатода HyMa дозволяє йому також бачити лазерний цілевказівник 1064 (використовується підрозділами JTAC), чого не може зробити GaAs-трубка. Крім того, фотокатод HyMa також надає інші можливості (як в ультрафіолетовій, так і в інфрачервоній частині спектру) для тактичного використання (лазери нового покоління, освітлювачі, покажчики і маяки, такі як французький CILAS DHY208 або американський ELBIT AN/PEQ-17). Це може допомогти солдату залишатися непомітним, а отже, менш вразливим.
Спочатку вважалося, що GaAs є більш ефективним матеріалом, але це було 30 років тому (перенесення світла, фотонів на більшу кількість електронів). Зараз прийнято вважати, що відношення сигнал/шум (SNR) – це параметр, що описує, наскільки ефективно підсилювач зображення працює в умовах низького рівня освітленості. Підсилювач зображення з кращим співвідношенням сигнал/шум забезпечить краще зображення в умовах низького рівня освітленості, ніж з нижчим SNR, незалежно від матеріалу фотокатода або “покоління”.
Також стало очевидним, що матеріал GaAs є набагато крихкішим і досить швидко втрачає свої основні властивості, що значно скорочує термін служби підсилювача зображення. Щоб захистити фотокатод GaAs від руйнування, на MCP потрібно було встановити іонно-бар’єрну плівку (яка не потрібна для фотокатода HyMa; всі трубки Photonis не мають плівки), щоб захистити шар фотокатода GaAs від іонного зворотного зв’язку.
Це призводить до двох експлуатаційних наслідків. По-перше, це робить підсилювачі зображення з фотокатодом GaAs надзвичайно чутливими до лазерних опіків, що спричиняє незворотні пошкодження. Покрита цезієм поверхня фотокатода з GaAs набагато чутливіша до пошкоджень через надмірне опромінення і особливо до лазерних променів, ніж безплівковий фотокатод з HyMa, оскільки цезій хімічно зв’язується з HyMa, а не з GaAs.
По-друге, підсилювачі зображення з фотокатодом GaAs призводять до появи більших ореолів. Ореоли – це круглі яскраві області навколо найяскравіших точок сцени, наприклад, вуличних ліхтарів або автомобільних фар; вони погіршують загальну якість зображення, “вибілюючи” частину або все зображення. Гало в підсилювачі зображення з фотокатодом GaAs зазвичай становить близько 1 мм, тоді як безплівковий підсилювач зображення 4G зазвичай генерує гало 0,7 мм. Чим менший розмір ореолу, тим краща здатність ідентифікувати можливу загрозу (особливо в міських умовах). Зменшений розмір ореолу в підсилювачі зображення 4G забезпечує чіткіше (менш затемнене) зображення цілей у джерелах світла або з джерелами світла.
MCP 4G є секретним за своїм складом і конструкцією, але забезпечує максимально можливе сфокусоване розмноження електронів, що сприяє унікальному високоякісному зображенню підсилювача зображення 4G. Це забезпечує вищі показники якості (вищу роздільну здатність і нижчий рівень шуму). Photonis може виробляти підсилювачі зображення 4G з роздільною здатністю 1800 FOM і навіть більше. До речі, слід мати на увазі, що Photonis, як європейська компанія, не пов’язана з ITAR (як її конкуренти в США) і, таким чином, буде постачати підсилювачі зображення, кожен з яких, принаймні, відповідає заявленим значенням (а не максимальним значенням, яких змушені дотримуватися американські конкуренти). Крім того, якість зображення трубки 4G, завдяки її MCP, набагато вища, ніж у трубок Gen.3, з точки зору шуму фіксованої картини (FPN). FPN – це тривожний візерунок стільникової структури, який з’являється на зображенні трубки 3-го покоління, коли рівень освітленості стає вищим (наприклад, гелікоптер, що пролітає над містом).
Блок живлення (БЖ) 4G оснащений надшвидким автоматичним стабілізатором напруги (SFATG). ATG – це електронна функція, яка регулює напругу, що подається на фотокатод і MCP в такому порядку, щоб підтримувати оптимальну продуктивність підсилювача зображення за будь-яких умов освітлення.
Оператору потрібен підсилювач зображення, який оптимально працює за будь-яких умов освітлення (в максимально широкому динамічному діапазоні яскравості), включаючи динамічні умови освітлення (наприклад, екстремальні світлові сплески вибуху, спалахи полум’я під час стрільби, раптове освітлення в темній кімнаті та точкове світло, наприклад, вуличного ліхтаря). Це особливо актуально при роботі на полі бою, в міських умовах та/або в закритих приміщеннях. ATG дозволяє підсилювачу зображення завжди виявляти важливі для місії деталі (дозволяє безперервно “тримати очі на цілі”); чітке зображення як в темну ніч, так і в сутінках (або навіть вдень).
Переваги високоякісного 4G SFATG можна легко побачити не лише під час переходу від дня до ночі, але й в умовах динамічного освітлення, коли відбувається швидка зміна освітлення від низького до високого, наприклад , раптове включення світла в темній кімнаті. Типова перевага 4G SFATG найкраще відчувається при використанні прицілу, який під час пострілу відчуває спалах полум’я. SFATG дозволяє уникнути тимчасової сліпоти, яка виникає при використанні стандартних підсилювачів зображення, і дозволяє солдату постійно тримати “очі на цілі”.
SFATG, розроблений і виготовлений Photonis для 4G, є не тільки найшвидшим з доступних на ринку, але й налаштований таким унікальним чином, що гарантує збереження номінальної MTF і роздільної здатності навіть при високих нічних рівнях освітленості, на відміну від трубок покоління 3, у яких роздільна здатність при високих рівнях освітленості різко падає.
Навіть якщо станеться вибух, 4G SFATG може швидко відреагувати, тому це не є проблемою, оскільки він прозорий. Звичайні або погані/повільні підсилювачі зображення ATG стають білосніжними і непридатними для використання, і потрібно чекати, поки вони перетворяться протягом секунди або близько того. Тепер 4G SFATG може зробити це за десятки мілісекунд, це ближче до нормального очного сприйняття.
З огляду на їхні особливі завдання, SOF та антитерористичні команди високо цінують цю унікальну електронну функцію 4G SFATG. Але під час операцій у міських районах та/або на динамічному полі бою ця функція також сприяє підвищенню оперативної ефективності та безпеки звичайних солдатів (морських піхотинців або піхотинців). Операторам регулярно доводиться переходити з темряви або низької освітленості в більш яскраве середовище, наприклад, виходити/входити в будівлю. Ще однією перевагою 4G SFATG є те, що він забезпечує можливість бачити в умовах слабкого освітлення.
І останнє, але не менш важливе: за останнє десятиліття в підсилювачах зображення 4G, а також Gen.3 відбулися значні покращення з точки зору терміну служби. Всі трубки мають гарантований термін служби понад 10000 годин відповідно до тих самих критеріїв Mil-Spec з обмеженим зниженням продуктивності з часом. Що стосується 4G, то, як нещодавно було підтверджено незалежним дослідженням відомого Інституту Фраунгофера, характеристики SNR мають типове падіння значень менше 5% протягом усього терміну служби, що в значній мірі замінює американський стандарт MIL-SPEC.
Усі сучасні підсилювачі зображення працюють за тим самим принципом – 3 каскади з блоком живлення. Індикація покоління (підтверджена урядом США) застаріла для позначення продуктивності. Що насправді є визначальним, так це те, як кожна з 3 стадій і блок живлення разом дають загальну продуктивність підсилювача зображення. І цю продуктивність можна визначити в лабораторії, вимірявши такі параметри, як коефіцієнт передачі, відношення сигнал/шум, гранична роздільна здатність, модульна передавальна функція, автогатування макета і т.д. і т.п.
Технологія 4G від Photonis надає нові можливості, які, виходячи з технічних характеристик, не тільки перевершують сучасні (американські) підсилювачі зображення Gen3, але й можуть бути використані таким чином, щоб зробити існуючі прилади нічного бачення Gen3 сліпими до значних існуючих і нових загроз на полі бою.
Підсилювачі зображення 4G від Photonis мають широку спектральну чутливість від 350 нм до 1100 нм, мінімальний коефіцієнт передачі (FОM) від 1800 до 2400 (без обмежень ITAR), високу світлову роздільну здатність понад 57 лк/мм і розмір ореолу менше 0,7 міліметра. Надшвидкий ATG забезпечує оптимальну роботу в будь-яких (динамічних) умовах освітлення.
Йдеться не лише про нові технології, винайдені на заводах, чи теоретичні критерії, виміряні в лабораторіях, а й про те, що перевіряється в бою. Photonis, перш за все, продовжує надавати кінцевому користувачеві кращі експлуатаційні характеристики; збільшує дальність виявлення, розпізнавання та ідентифікації (DRI), дозволяючи солдату бачити на більшій відстані в глибокій темряві. Зрештою, це дозволяє солдату діяти більш ефективно і безпечно, ніж будь-який супротивник; дозволяє йому “бачити першим”.
Усі країни НАТО вже кілька років модернізують свої армійські окуляри нічного бачення, причому перевага надається бінокулярним окулярам (з 2 трубами), які забезпечують набагато краще зображення вночі і глибину сприйняття. У Німеччині, Великобританії, Франції, Данії, США, Канаді, Польщі (а також в ОАЕ, Йорданії, Марокко, Саудівській Аравії) тривають великі програми з переходу на кращі трубки FOM, легше обладнання (менше 450 г) і менше енергоспоживання. Старе спорядження, що використовує XD-4 або Gen.III, зазвичай використовується для тренувань, тоді як нове спорядження призначене для бойових дій і операцій.
Компанія Photonis вже більше десяти років постачає трубки для систем нічного бачення місцевого виробництва для корейських сил оборони. На початку цього десятиліття ці трубки і системи були дуже інноваційними, проте більш ніж через десять років з’явилися нові, більш ефективні трубки і системи. Найновіша розробка (окрім подальшого покращення характеристик) – це легкі 16-міліметрові трубки невеликого розміру, які дозволяють зробити систему на 30% меншою і легшою.
Photonis сподівається поглибити своє довгострокове партнерство з Корейськими силами оборони (і суміжними відомствами) в найближчі роки, надаючи трубки, які відповідають найвищим стандартам за розумною ціною. Системи вже виробляються на місцевому рівні, повністю компанією EOSYSTEMS, і Photonis відкрита для обговорення співпраці щодо подальших досліджень і розробок труб (наприклад, щодо блоку живлення) і остаточного будівництва своїх труб.
Більше інформації:
Містер Джон Е. Вейн
Капітан (у відставці) RNLN
Віце-президент зі стратегії та розвитку бізнесу T:+31 (0)505 01 88 08
