Kamery termowizyjne III generacji o średniej rozdzielczości (np. 320×240 pikseli) zbudowane na bazie matryc detektorów bolometrycznych są stosowane powszechnie przez nowoczesne armie, jako podstawowy moduł wojskowych przyrządów obserwacyjnych.
Zakres zastosowania kamer termowizyjnych obejmuje takie zagadnienia jak wykrywanie i rozpoznanie pola walki (np. w głowicach bezpilotowych samolotów rozpoznawczych), detekcja obiektów trudnowykrywalnych we wszystkich warunkach pogodowych, w dzień i w nocy, systemy broni inteligentnej (np. rakiety samonaprowadzające, roboty pola walki), systemy ochrony obiektów, pojazdów i stanowisk dowodzenia, systemy kierowania ogniem i celowniki broni strzeleckiej. Należy zaznaczyć, że zakres zastosowań militarnych i specjalnych ciągle ulega poszerzeniu o nowe zastosowania.
Celownik termowizyjny do broni strzeleckiej typu CTS-1, przeznaczony jako wyposażenie indywidualne żołnierza do prowadzenia obserwacji terenu w warunkach dziennych i nocnych bez dodatkowego korzystania z jakichkolwiek źródeł sztucznego oświetlenia. W celowniku zastosowano matrycowy detektor mikrobolometryczny pracujący w zakresie dalekiej podczerwieni.
Celownik termowizyjny jest przeznaczony do obserwacji oraz prowadzenia ognia z broni ręcznej i zespołowej o kalibrze do 12.7 mm włącznie, w dowolnej porze dnia i nocy, bez względu na warunki oświetlenia, a także przy niekorzystnych warunkach atmosferycznych (lekka mgła, zadymienie).
Celownik termowizyjny do broni strzeleckiej CTS-1
W konstrukcji celownika można wyróżnić następujące zasadnicze zespoły: obiektyw (specjalny dla zakresu podczerwieni), matryca detektorów podczerwieni, elektroniczne układy odczytu i przetwarzania obrazu, układy sterowania i zasilania oraz monitor. Najważniejszym i najbardziej technologicznie zaawansowanym elementem celownika jest matryca detektorów mikrobolometrycznych. W celowniku zastosowano matrycę firmy ULIS (Francja) o wymiarach 384×288 detektorów, co w sumie daje 110592 detektory podczerwieni.
Na obrazie termicznym jest znak celowniczy, który może być precyzyjnie przesuwany w płaszczyźnie pionowej i poziomej, aby dostosować celownik do danego typu karabinka.
W celowniku istnieje możliwość wprowadzenia oprogramowania dla kilkunastu rodzajów broni i amunicji. Zaletą tej funkcji jest to, że po wprowadzeniu odległości (ręcznie lub z dalmierza) znak celowniczy ustawi się automatycznie w odpowiedniej pozycji. Celownik posiada również złącze wyprowadzające obraz termiczny do innego monitora. Dzięki dodatkowemu monitorowi (np. mały monitor mocowany na hełmie) strzelec będzie mógł prowadzić ogień zza ukrycia, przez okno, z okopu, zza rogu budynku nie wystawiając się na ostrzał.
Podstawowe parametry celownika termowizyjnego do broni strzeleckiej CTS-1 kolejno parametr, wartość:
- zasięg wykrycia człowieka do 2000 m
- detektor mikrobolometryczny 384×288
- kąt pola widzenia 8° x 6°
- rozdzielczość termiczna 0.09°C
- czas gotowości do pracy 40 s
- ciężar z bateriami i uchwytem 1.4 kg
- zasilanie 6 szt. baterii (akumulatorów) typu AA
- moc pobierana z baterii 1.6 W
- czas pracy 16 godz.
- temperatura pracy -35° ÷ +60 °C
Istotną cechą celownika jest zasilanie z typowych baterii lub akumulatorków o wymiarach AA (standardowe „paluszki”), przy czym baterie umieszczone są w wymiennym pojemniku. Zastosowanie wymiennego pojemnika na baterie (akumulatorki) sprawia, że wymiana źródła zasilania zajmuje strzelcowi jedynie kilka sekund. Celownik wyposażono w uchwyt do mocowania na tzw. szynie picatinny (MIL STD-1913). Uchwyt jest wymienny i można dostosować mocowanie celownika do dowolnej broni. Po zdjęciu z karabinka celownik może również służyć jako termowizyjne urządzenie obserwacyjne.
Obraz termowizyjny grupy ludzi i samochodów uzyskany za pomocą celownika do
broni strzeleckiej CTS-1 (odległość do grupy ludzi 160 m, teren WAT)
W ramach prac badawczo-wdrożeniowych opracowano i wykonano celownik termowizyjny z obiektywem 6×8 stopni, w którym zastosowano soczewki germanowe asferyczne. Pozwoliło to na zwiększenie transmisji obiektywu, wyeliminowanie jednej soczewki oraz na zmniejszenie masy obiektywu. Celownik został wyposażony w specjalnie zaprojektowany okular, w którym umieszczono czujnik dotykowy załączający wyświetlacz w momencie dotknięcia czujnika. Zapobiega to szkodliwemu oświetlaniu użytkownika prze wyświetlacz, co może prowadzić do wykrycia strzelca.
Schemat modułów zespołu elektronicznego celownika termowizyjnego
Generalnie zespół elektroniczny celownika termowizyjnego składa się z trzech zasadniczych modułów: modułu matrycy detektorów, modułu sterowania i cyfrowego przetwarzania obrazu, modułu wyświetlacza. Szczególnie zaawansowanym technologicznie blokiem celownika jest zespół elektronicznych układów przetwarzania, sterowania i analizy sygnałów, którego zadaniem jest przetworzenie analogowych sygnałów z matrycy na postać cyfrową i ich zamiana na obraz termiczny. Wykonanie takiego zespołu wymaga zastosowania najnowszych generacji układów scalonych i wielowarstwowych płytek drukowanych, gdyż nowoczesne układy FPGA, mikroprocesory i pamięci są wykonywane głównie w specjalizowanych obudowach BGA.
Uproszczony schemat funkcjonalny zespołu odczytu i przetwarzania obrazu
do modelu celownika termowizyjnego
Dzięki zastosowaniu najnowszych układów scalonych w obudowach BGA (pamięci, mikroprocesor, układ programowalny) udało się znaczenie zminiaturyzować moduł sterowania i cyfrowego przetwarzania obrazu. Jednak zastosowanie tych układów spowodowało, że płytka drukowana ma 12 warstw.
Zdjęcie wykonanego zespołu odczytu i przetwarzania obrazu do celownika
termowizyjnego CTS-1 (widok płytki od strony elementów)
Następnym technicznie zaawansowanym zespołem celownika termowizyjnego jest moduł wizualizacji zbudowany z wyświetlacza z OLED. Wyświetlacz OLED to matryca 852x600x3 świecących elementów organicznych (podobnych do diod luminescencyjnych). W układzie wyświetlacza znajdują się również wzmacniacze oraz układy zapewniające komunikację – interfejs współpracy z układami zewnętrznymi VESA lub SMPTE-170M. Sygnały wideo RED, BLUE, GREEN oraz impulsy synchronizacji linii (HS) i ramki (VS) są generowane przez moduł odczytu i cyfrowego przetwarzania obrazów.
Najważniejszym zadaniem układów elektronicznych bloku matrycy detektorów jest odczytanie sygnałów z poszczególnych detektorów matrycy, przy czym wartość wzmocnienia i wartość napięcia przesunięcia charakterystyki czułości (dla każdego detektora matrycy) musi być odpowiednio dobrana. Moduł detekcyjny zawiera matrycę mikrobolometryczną o rozmiarach 384×288 oraz odpowiednie analogowe układy zasilające wyposażone w układy filtrujące i przeciwzakłóceniowe dostarczające głównych napięć wymaganych do zasilania matrycy detektorów. Mikrobolometry w matrycy UL 03 08 1 firmy ULIS (Francja) wykonane są na bazie krzemu amorficznego domieszkowanego wodorem a-Si:H.
Matryca mikrobolometryczna umieszczona jest w metalowej obudowie próżniowej z oknem germanowym stanowiącym filtr optyczny dla zakresu widmowego LWIR 8-14 μm. Matryca posiada wewnętrzny układ odczytu ROIC (readout integrated circuit) wykonany w technologii CMOS. Zadaniem układu ROIC jest konwersja zmiany rezystancji mikrobolometrów wywołanej padającym promieniowaniem IR na użyteczny sygnał napięciowy i przesłanie tego sygnału na wyjście matrycy. Zespół detekcyjny do celownika termowizyjnego wykonano na 4-warstwowej płytce drukowanej, na której poprowadzono ścieżki drukowane w taki sposób, aby zminimalizować szumy napięć zasilających matrycę mikrobolometryczną.
Zdjęcie zespołu detekcyjnego celownika termowizyjnego – widoczna
matryca detektorów mikrobolometrycznych
Generalnie celownik termowizyjny ze względu na wszystkie bloki funkcjonalne jest urządzeniem o znacznej złożoności. Przykładowo pozornie łatwy do rozwiązania zespół zasilaczy musi sprostać bardzo wysokim wymaganiom (pod względem szumowym) stawianym przez producenta matrycy (np. wartość skuteczna szumu w paśmie 10 MHz musi być poniżej 100 mV).
Badania laboratoryjne i poligonowe oraz kalibracja celownika
Celownik termowizyjny do broni strzeleckiej CTS-1 został zbadany laboratoryjnie. Oprócz badań klimatycznych i wibracyjnych przetestowano także szereg innych parametrów. Jednym z istotnych parametrów są szumy napięć zasilających, przebiegi sygnałów analogowych i cyfrowych oraz stabilność krótko i długoterminowa napięć zasilających. Pomiar tych parametrów jest niezbędny w celu oceny działania wszystkich układów elektronicznych.
Laboratoryjne stanowisko pomiarowe do analizy poprawności działania
układów elektronicznych celownika termowizyjnego
W celowniku termowizyjnym układem detekcyjnym jest matryca detektorów stanowiąca zbiór wielu elementów aktywnych. Matryca detektorów charakteryzuje się pewną niejednorodnością odpowiedzi (response nonuniformity) poszczególnych detektorów (bolometrów) na takie samo wymuszenie (moc promieniowania padającego na detektor). Efektem niejednorodności jest występowanie w sygnale generowanym przez matrycę tzw. stałego wzorca szumu FPN (Fixed Pattern Noise). Niejednorodność odpowiedzi matrycy jest powodowana rozrzutem technologicznym parametrów mikrobolometrów w matrycy.
Generalnie, zintegrowany z matrycą układ odczytu nie realizuje funkcji korekcji niejednorodności NUC (Non-Uniformity Correction). W związku z tym należy wykonać korekcję niejednorodności układu matrycy za pomocą oddzielnego układu przy użyciu współczynników korekcyjnych. Współczynniki korekcyjne wyznacza się laboratoryjnie dla każdego egzemplarza matrycy.
Celownik termowizyjny strzelecki został poddany specjalistycznym badaniom poligonowym w Wojskowym Instytucie Technicznym Uzbrojenia, gdzie prowadzono badania strzelaniem na siedmiu typach broni od kalibru 5,56 mm do 12,7 mm. Sprawdzeniu na celność ognia poddano celowniki z następującą bronią: 5,56 mm karabinek M4, 5,56 mm karabin wz. 96 Beryl, 7,62 mm karabin wyborowy Sako TRG-22, 12,7 mm karabin wyborowy kbw Tor. Dodatkowo badaniom na wytrzymałość celowników podczas ognia seryjnego i ciągłego poddano celowniki z bronią: 7,62 mm karabin maszynowy UKM 2000, 12,7 mm karabin maszynowy Ucios.
Widok celownika termowizyjnego CTS-1 zamontowanego na 5,56 mm kbs wz. 96 Beryl
Przykładowe wyniki uzyskane podczas strzelania z poszczególnych modeli broni z użyciem celownika termowizyjnego CTS-1 dla odległości 100 m i 300 m.
Wyniki badań celownika termowizyjnego ze strzelaniem z różnych modeli broni, kolejno rodzaj broni, odległość strzelania, skupienie pocisków:
- 5,56 mm kbk M4 – 100 m – 5,7 cm
- 5,56 mm kbs wz. 96 – 100 m – 7,8 cm
- 7,62 mm kw Sako – TRG22 100 m – 4,4 cm
- 12,7 mm wkw Tor – 100 m – 6,9 cm
- 7,62 mm kw Sako TRG22 – 300 m – 10,9 cm
- 12,7 mm wkw Tor – 300 m – 26,6 cm
Wnioski:
W ramach projektu celowego nr 296/BO/A dofinansowanego przez MNiSW opracowano i wdrożono do produkcji celownik termowizyjny do broni strzeleckiej zawierający kamerę termowizyjną III generacji o dużej rozdzielczości przestrzennej z matrycowym detektorem bolometrycznym o wymiarach 384×288 detektorów podczerwieni oraz widmowym zakresie pracy w przedziale 8÷12 μm.
Celownik termowizyjny do broni strzeleckiej został zbadany laboratoryjnie (w tym badania klimatyczne i wibracyjne) oraz zostały przeprowadzone badania poligonowe. W wyniku badań stwierdzono, że rozdzielczość termiczna celownika wynosi 0,09 stopnia Celsjusza, a rozdzielczość geometryczna 0,35 mrad. Dzięki tak niewielkiej rozdzielczości geometrycznej uzyskuje się możliwość wykrycia człowieka znajdującego się w odległości do 2000 m. Użycie najnowszych mikroprocesorów, pamięci i układów programowalnych spowodowało miniaturyzację celownika oraz ograniczenie poboru mocy ze źródła zasilania.
Zastosowanie celownika termowizyjnego umożliwia obserwację, wykrywanie i rozpoznanie celów w trudnych warunkach pogodowych, przy ograniczeniu widoczności spowodowanej pyłem, kurzem, dymem, mgłą – zapewniając tym samym zdolność obserwacji oraz ciągłość informacji o sytuacji na polu walki przez całą dobę.
Prace projektowe i badania celownika termowizyjnego były prowadzone zgodnie z obowiązującymi Polskimi Normami: Normy Obronne NO-06-A101÷NO-06-A108 („Uzbrojenie i sprzęt wojskowy. Ogólne wymagania techniczne, metody kontroli i badań”), Norma Obronna NO-06-A200 („Kompatybilność elektromagnetyczna. Dopuszczalne poziomy emisji ubocznych i odporność na narażenia elektromagnetyczne”), co gwarantuje poprawność opracowania nowego typu uzbrojenia i daje możliwość zabezpieczenia potrzeb rynku wewnętrznego.
Z punktu widzenia osiągnięć naukowych i poznawczych nie bez znaczenia jest fakt poszerzenia wiedzy z zakresu technologii termowizyjnej zarówno przez zespoły z Instytutu Optoelektroniki WAT jak i zespoły konstruktorów z PCO S.A. Należy stwierdzić, iż aktualnie w Polsce opanowane są podstawowe technologie pozwalające na podjęcie prac w zakresie produkcji kamer termowizyjnych przez polski przemysł obronny. Ponadto wprowadzenie nowych technologii z zakresu termowizji umożliwi w dalszej perspektywie produkcję kamer termowizyjnych do zastosowań paramilitarnych (policja, służby graniczne, służby celne, straż, służby ratownicze) oraz cywilnych (nauka, energetyka, budownictwo, medycyna, ekologia itp.).
Bibliografia:
Termowizyjny celownik do broni strzeleckiej budowa, parametry i wyniki bada
Opracował:
sekc. ZS Wojciech BIELECKI
JS 2010 Lublin
