WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA
INSTYTUT OPTOELEKTRONIKI
LABORATORIUM DETEKCJI SYGNAA
ÓW OPTYCZNYCH
GRUPA: PROTOKÓA
DO ĆWICZENIA nr & ......
& & & & & & & & & & & ..
Temat ćwiczenia:
Badanie noktowizorów
Skład podgrupy nr .....
1. .& & & & & & & & & &
Prowadzący ćwiczenie
2. & & & & & & & & & & .
Data wykonania ćwiczenia
3. & & & & & & & & & & .
& & & & & & & & & & ...
& & & & & & & & & & & .
4. & & & & & & & & & & .
5. & & & & & & & & & & .
Podpis prowadzącego
6. & & & & & & & & & & . Ocena
ćw.
7. & & & & & & & & & & . & & & & & & & & & &
& & & & & & & & & & &
8. & & & & & & & & & & .
Tabela 1 Dane urządzeń pomiarowych
Lp. Nazwa urządzenia Marka Typ
1 Urządzeni testujące NVT1
2 Noktowizor pasywny
3 Noktowizor aktywny
4 Kabel zasilający do noktowizorów
5 Zasiacz 12V
6 Komputer z oprogramowaniem Nightmet
1
1 CEL ĆWICZENIA
Celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów z zasadą działania
noktowizorów oraz zbadanie ich właściwości.
2 OPIS UKA
ADU POMIAROWEGO
Ćwiczenie podzielone jest na dwie części: symulacyjną i
eksperymentalną. W obydwu częściach badana jest rozdzielczość
noktowizora. Polega ona na określeniu grupy testu USAF 1951 o
maksymalnej częstości przestrzennej, przy której wszystkie elementy
danej grupy testów paskowych są rozróżnialne.
Część symulacyjna ćwiczenia wykonywana jest w
specjalistycznym programie Nightmet firmy Inframet1. Na rysunku 1
przedstawiono widok okna głównego programu.
Rys. 1 Widok okna głównego programu Nightmet
Przy użyciu dostępnych opcji, istnieje możliwość regulacji poziomu
oświetlenia testu oraz wyboru modelu badanego noktowizora.
Procedury określenia rozróżnialności pasków przeprowadza się na w
widocznym w centralnej części ekranu teście. Na podstawie tabeli
określającej wartości częstości przestrzennej każdego z elementów
testu USAF 1951 wyrażonych w liniach na milimetr można
scharakteryzować właściwości danego noktowizora. Poprzez
przeprowadzenie procedury powtórzeń pomiarów dla jednego
noktowizora można również oszacować predyspozycje danego
użytkownika do przeprowadzenia badań testujących noktowizorów.
2
W tym przypadku głównym parametrem będzie powtarzalność
wyników pomiarów.
Część eksperymentalna wykonywana jest na stanowisku
składającym się z urządzenia NVT-1, zasilacza, dwóch badanych
noktowizorów oraz woltomierza. Podstawowym elementem
stanowiska pomiarowego jest urządzenie NVT-1 zbudowane z
kolimatora, testu USA 1951 i oświetlacza. Na rysunku 2
przedstawiono widok urządzenia.
Rys. 2 Widok urządzenia NVT-1
y
ródło światła, za pomocą przesłony z otworami i matówki, zapewnia
regulację natężenia i utrzymanie jednorodności oświetlenia testu
USAF 1951. Pomiar natężenia oświetlenia testu dokonywany jest za
pomocą luksomierza, a regulacja natężenia odbywa się poprzez
zmianę stopnia położenia osiowego średnicy otworów w dwóch
przesłonach.
Jednorodnie oświetlony test znajduje się w płaszczyz
nie ogniskowej
kolimatora, co umożliwia jego póz
niejszą obserwację za pomocą
przyrządów noktowizyjnych.
Dane techniczne dotyczące zestawu NVT-1 zawarto w tabeli 2.
3
Tabela 2 Parametry zestawu pomiarowego NVT-1
Parametr Wartość
Apertura wyjściowa 90 mm
Ogniskowa kolimatora 750 mm
Typ testu USAF 1951
Natężenie oświetlenia testu Regulowane w zakresie
(2�"10-5 � 300) lx
3 PRZEBIEG ĆWICZENIA
3.1 Symulacja komputerowa
1. Uruchomić program Nightmet
2. Dla pięciu różnych noktowizorów (Tube no 1�5), regulując
natężenie oświetlenia testu określić numer grupy i numer
elementu testu USAF 1951 o maksymalnej częstości
przestrzennej, dla której wszystkie pionowe paski testu są
rozróżnialne. Operacje powtórzyć trzykrotnie i dla różnych
oświetleń testu.
3. Wyniki zapisać w tabeli 3.
Tabela 3 Rozróżnialność pasków testu USAF 1951 zaobserwowana podczas
symulacji komputerowej
Oświetlenie Oświetlenie Oświetlenie
..... ..... .....
Noktowizor
test test test test test test
(Tube no)
poziomy pionowy poziomy pionowy poziomy pionowy
grupa/ grupa/ grupa/ grupa/ grupa/ grupa/
element element element element element element
1 / / / / / /
/ / / / / /
/ / / / / /
2 / / / / / /
/ / / / / /
/ / / / / /
3 / / / / / /
/ / / / / /
/ / / / / /
4 / / / / / /
/ / / / / /
/ / / / / /
5 / / / / / /
/ / / / / /
/ / / / / /
4
3.2 Badanie rozdzielczości noktowizorów przy użyciu
urządzenia NVT-1
1. Włączyć urządzenie NVT-1  włącznik na tylnym panelu
przyrządu
2. Sprawdzić, czy w centralnej części ekranu noktowizora
wyświetlony został obraz testu. Przeprowadzić ewentualną
korektę położenia noktowizora względem zestawu NVT-1.
3. Sprawdzić działanie luksomierza
4. Włączyć zasilanie 12V do noktowizora
5. Ustawić noktowizor współosiowo w obszarze apertury
wyjściowej kolimatora zestawu NVT-1.
6. Określić numer grupy i numer elementu testu USAF 1951 o
maksymalnej częstości przestrzennej, dla której wszystkie
pionowe paski testu są rozróżnialne dla dwóch wartości
natężenia oświetlania. Regulację natężenie testu
przeprowadzić za pomocą pokrętła znajdującej się na
pokrywie górnej urządzenia i według wskazań luksomierza.
7. Wykonać przez każdego obserwatora po pięć pomiarów dla
każdego badanego noktowizora i wyniki zapisać w tab. 4.
Badania przeprowadzać cyklicznie, jeden obserwator -jeden
pomiar, a następnie zmiana obserwatorów na stanowisku
badawczym.
Tabela 4 Rozróżnialność pasków testu USAF 1951
Oświetlenie ..... Oświetlenie ..... Oświetlenie .....
Typ test test test test test test
Noktowizora poziomy pionowy poziomy pionowy poziomy pionowy
grupa/ grupa/ grupa/ grupa/ grupa/ grupa/
element element element element element element
/ / / / / /
/ / / / / /
aktywny / / / / / /
/ / / / / /
/ / / / / /
/ / / / / /
/ / / / / /
pasywny / / / / / /
/ / / / / /
/ / / / / /
5
4 OPRACOWANIE WYNIKÓW
4.1 Symulacja komputerowa
Na podstawie tabeli 3 i tabeli 9 wyznaczyć rozdzielczości badanych
noktowizorów wyniki zapisać do tabeli 5.
Tabela 5 Rozdzielczość symulowanych noktowizorów
Noktowizor Oświetlenie..... Oświetlenie..... Oświetlenie.....
(Tube no) rozdzielczość rozdzielczość rozdzielczość
pozioma/pionowa pozioma/pionowa pozioma/pionowa
/ / /
1 / / /
/ / /
/ / /
2 / / /
/ / /
/ / /
3 / / /
/ / /
/ / /
4 / / /
/ / /
/ / /
5 / / /
/ / /
Wyznaczyć wartość średnią i niepewność standardową wyników
pomiaru rozdzielczości otrzymanych dla poszczególnych
noktowizorów przy największym oświetleniu. Wyniki obliczeń zapisać
w tabeli 6. Niepewność standardową wyznaczyć jako
eksperymentalne odchylanie standardowe średniej.
Tabela 6 Wyniki pomiarów rozdzielczości symulowanych noktowizorów
Noktowizor Rozdzielczość Niepewność standardowa
(Tube no) pomiaru rozdzielczości
pozioma pionowa poziomej pionowej
1
2
3
4
5
6
4.2 Badanie rozdzielczości noktowizorów
Na podstawie tabel 4 i 9 wyznaczyć rozdzielczości badanych
noktowizorów wyniki zapisując do tabeli 7.
Tabela 7 Rozdzielczość noktowizora aktywnego
Typ Oświetlenie ..... Oświetlenie ..... Oświetlenie .....
Noktowizora Rozdzielczość, Rozdzielczość, Rozdzielczość,
lp/mm lp/mm lp/mm
pozioma pionowa pozioma pionowa pozioma pionowa
& ..& & ..& & ..& & ..& & ..& & ..&
& ..& & ..& & ..& & ..& & ..& & ..&
aktywny & ..& & ..& & ..& & ..& & ..& & ..&
& ..& & ..& & ..& & ..& & ..& & ..&
& ..& & ..& & ..& & ..& & ..& & ..&
& ..& & ..& & ..& & ..& & ..& & ..&
& ..& & ..& & ..& & ..& & ..& & ..&
pasywny & ..& & ..& & ..& & ..& & ..& & ..&
& ..& & ..& & ..& & ..& & ..& & ..&
& ..& & ..& & ..& & ..& & ..& & ..&
Wyznaczyć wartość średnią i niepewność standardową wyników
pomiaru rozdzielczości otrzymanych dla poszczególnych
noktowizorów przy największym oświetleniu. Wyniki obliczeń zapisać
w tabeli 8. Niepewność standardową wyznaczyć jako
eksperymentalne odchylanie standardowe średniej.
Tabela 8 Wyniki pomiarów rozdzielczości noktowizorów
Niepewność
Rozdzielczość,
standardowa pomiaru
lp/mm
rozdzielczości
pozioma pionowa poziomej pionowej
Noktowizor
aktywny
Noktowizor
pasywny
7
4.3 Napisać komentarz do otrzymanych wyników
We wnioskach należy zawrzeć informacje o przedmiocie badań i
otrzymanych wynikach. Wypowiedzieć się na temat rozdzielczości
noktowizorów w funkcji oświetlenia.
& & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & .
& & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & .
& & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & .
& & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & .
& & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & .
& & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & .
& & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & .
& & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & .
& & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & .
& & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & .
& & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & .
& & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & .
& & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & .
& & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & .
& & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & .
8
5 PODSTAWOWE WIADOMOŚCI TEORETYCZNE
5.1 Noktowizor
Noktowizor jest urządzeniem umożliwiającym nocną obserwację
obiektów oświetlonych tzw. szczątkową ilością światła
pochodzącego od gwiazd lub księżyca.
Zbudowany jest z obiektywu, wzmacniacza obrazu, układu
sterującego, układu zasilania i okularu. Na rysunku 3 przedstawiono
budowę przykładowego noktowizora.
Rys. 3 Budowa noktowizora
Noktowizor pracuje w następujący sposób. Światło emitowane od
nieboskłonu posiadające szersze widmo emisyjne od szerokości
widma czułości oka pada na elementy scenerii. Między innymi odbija
się od nich i część odbitego światła pada na układ optyczny
noktowizora. W ognisku układu optycznego znajduje się wzmacniacz
obrazu, który przekształca powstały obraz na strumień elektronów.
Analogicznie jak w telewizji analogowej elektrony kierowane są na
luminofor powodując jego świecenie i w konsekwencji powstanie
obrazu. Uzyskany w ten sposób obraz obserwowany jest przez
użytkownika za pomocą okularu. Na rysunku 4 przedstawiono
zasadę działania noktowizora.
9
Rys. 4 Zasada działania noktowizora
Noktowizory używane są przede wszystkim w technice wojskowej.
Służą do nocnych obserwacji terenu zastępując konwencjonalne
lornetki, a przymocowane do karabinów pełnią funkcję przyrządów
celowniczych. Gogle noktowizyjne używane są również przez załogi
pojazdów lub statków powietrznych.
Noktowizory znalazły również szerokie cywilne zastosowanie.
Używane są przez myśliwych na polowaniach, przez filmowców
realizujących filmy przyrodniczych w warunkach nocnych bez
płoszenia zwierząt sztucznym oświetleniem oraz wspomagają
nocny monitoring ważnych obiektów.
5.2 Wzmacniacz obrazu
Podstawowym elementem noktowizora jest wzmacniacz obrazu.
Posiada on cylindryczną zamkniętą obudowę, w której umieszczono
fotokatodę oraz ekran. Z wnętrza wzmacniacza obrazu
wyprowadzone są przewody zasilające. Na rysunku 5 przedstawiona
została zasada działania wzmacniacza obrazu.
10
Rys. 5 Schemat wzmacniacza obrazu: 1) układ optyczny obiektywu,
2) fotokatoda, 3) płytka mikrokanałowa, 4) korpus obudowy, 5) ekran pokryty
luminoforem, 6) układ optyczny okularu
Fotony niosące informację o obrazie obserwowanej scenerii
ogniskowane są na fotokatodzie wzmacniacza obrazu. Padając na tę
fotokatodę wybijają z niej elektrony, które rozpędzane zostają w
bardzo silnym polu elektrycznym. Elektrony te uderzają następnie w
ekran pokryty luminoforem. Efektem tego zjawiska jest lokalne
rozświtlenie punktu ekranu w miejscu uderzenia elektronu.
Jednoczesna transmisja elektronów z całej powierzchni fotokatody
powoduje rozjaśnienie płaszczyzny ekranu i otrzymanie w rezultacie
obrazu.
Luminancja powstałego obrazu jest kilka tysięcy razy większa w
stosunku do luminancji obrazu nocnej scenerii obserwowanej tzw.
 nieuzbrojonym okiem.
Wzmacniacze obrazu, w zależności od swych parametrów i aplikacji,
mogą być przystosowane do pracy w różnych zakresach widma
optycznego od bliskiej podczerwieni aż po światło widzialne. Są one
bardzo czułe na promieniowanie widzialne i bezpośrednie
skierowanie obiektywu w stronę nawet tak stosunkowo słabych
z
ródeł światła, jak księżyc lub odległy reflektor może spowodować
trwałe ich uszkodzenie.
Technika otrzymywania obrazów w noktowizorach uniemożliwia
rozróżnianie prawdziwych barw obserwowanych obiektów.
Wszystkie barwy mają na ekranie jednakowy np. zielony kolor, a
szczegóły obiektów mogą być wykrywane jedynie na podstawie ich
jasności. Kolor zielony charakteryzuje się największą ilością odcieni
ze wszystkich barw światła, co w efekcie umożliwia wykrywanie
obiektów niewiele się różniące od siebie. Dzięki temu wzrasta
kontrast i widoczność szczegółów.
Noktowizory w zależności od zastosowanych wzmacniaczy obrazu
dzielą się na cztery generacje.
11
Noktowizory pierwszej generacji wzmacniają światło kilka tysięcy
razy umożliwiając dobre widzenie w ciemności. Gwarantują one
jasny i ostry obraz przy niskiej cenie zakupu. W czasie użytkowania
noktowizora I generacji może być lekko słyszalny piskliwy dz
więk,
obraz może być nieco rozmyty na brzegach, a po wyłączeniu
urządzenia luminofor może jeszcze przez pewien czas dawać
poświatę.
Generacja II urządzeń noktowizyjnych jest głównie używana przez
służby mundurowe i adresowana jest do zastosowań
profesjonalnych. Główna różnica między urządzeniami I i II generacji
sprowadza się do zastosowania płytki mikrokanalikowej we wnętrzu
wzmacniacza obrazu. Płytka ta, znajduje się tuż za fotokatodą i
składa się z milionów krótkich równoległych rurek. W wyniku
przejścia elektronów przez te rurki luminofor pobudzany zostaje do
świecenia wyłącznie w obrębie  działania rurki. Noktowizory
pierwszej generacji są bardzo wrażliwe na działanie silnego światła,
które spowodować może chwilowe maksymalne rozjaśnienie całego
ekranu i powolny powrót do poprawnego działania. Konsekwencje
takiego działania mogą być bardzo groz
ne podczas działań
wojennych. W przypadku oślepienia noktowizora drugiej generacji,
dochodzi do nasycenia ekranu jedynie lokalnie. Pozostała część
ekranu pozwala na dalszą obserwację. Ponadto, płytka
mikrokanalikowa umożliwia zwielokrotnienie ilości elektronów
poruszających się w kierunku ekranu. Więcej elektronów w
przetworniku powoduje większe wzmocnienie systemowe. Dzięki
zastosowaniu płytki MCP wzmocnienie w przetworniku drugiej
generacji może sięgać aż 50 000 razy. Tak duże wzmocnienie
zapewnia poprawną pracę np. w bezksiężycową noc.
Do noktowizorów III generacji dodano arsenek galu do fotokatody,
aby uzyskać jaśniejszy i bardziej ostry obraz w porównaniu z
noktowizorami II generacji. Równocześnie tubę wzbogacono o
warstwę bariery jonowej dla zwiększenia jej żywotności.
Najnowszym rozwiązaniem jest IV generacja posiadająca
wzmacniacz obrazu z automatycznym bramkowaniem. Technologia
ta ma na celu zapewnienie optymalnego działania i minimalizacji
poświaty podczas skanowania zarówno w bardzo ciemnych
obszarach, jak i obszarach lepiej oświetlonych. Noktowizory te stają
się najbardziej efektywnym rozwiązaniem dla działań miejskich i
zapewniają najlepszą ochronę w miejscach, gdzie mogą być jasne
z
ródła światła takie jak światło uliczne, reflektory samochodów itp.
W Polsce prawo zabrania sprzedaży noktowizorów III i IV. Na
rysunku 6 przedstawiono przykładowe obrazy ilustrujące jakość
odwzorowania scenerii za pomocą czterech generacji noktowizorów.
12
Rys. 6 Obraz symulacyjny odwzorowania scenerii za pomocą czterech generacji
noktowizorów
Podstawowymi parametrami wzmacniaczy obrazu (noktowizorów)
są:
1. Czułość  zdolność systemów noktowizyjnych do
wykrywania światła i tworzenia obrazu. Zwykle, im większa
wartość czułości tym lepsza zdolność postrzegania rzeczy w
coraz to ciemniejszych warunkach.
2. Rozdzielczość  zwykle mierzona jako rozdzielczość ekranu.
Większa jej wartość zapewnia lepszą zdolność do
prezentowanie ostrych obrazów.
3. Zasięg  zrównoważona funkcja wzmocnienia systemu,
rozdzielczości, powiększenia obrazu i ilości dostępnego
światła w otoczeniu. Najbardziej skuteczny zasięg w
większości wzmacniaczy jest osiągalny przez zestaw
soczewek, posiadający minimalne powiększenie (<3x).
4. Jakość obrazu  funkcja kilku parametrów m.in.
rozdzielczości, zniekształceń, kontrastu, zakłóceń i in.
5. Powiększenie i pole widzenia
5.3 Metoda pomiaru rozdzielczości przyrządów noktowizyjnych
Rozdzielczość jest definiowana jako maksymalna częstość
przestrzenna wzorcowego testu paskowego, przy której paski testu
są jeszcze rozróżnialne przez doświadczonego obserwatora.
Rozdzielczość wyrażana jest w parach linii na milimetr [lp/mm]
(lp/mm - lines pair per milimetr).
Jako obraz wzorcowy jest wykorzystywany standardowy test
trójpaskowy USAF 1951. Jest on najczęściej stosowanym i
spełniającym normę MIL-STD-150A testem służącym w ocenie
rozdzielczości przyrządów optycznych. Test ten występuje zarówno
w wersji pozytywowej i negatywowej. Na rysunku 7 przedstawiono
widok takiego testu.
13
Numer Numer
grupy elementu
Rys. 7 Widok testu USAF 1951
Test stanowią naprzemiennie rozmieszczone trzy białe i czarne pasy
o ściśle określonej długości i szerokości. W celu szybkiego i
relatywnie łatwego określenia rozdzielczości przyrządów optycznych
i optoelektronicznych na jednej płytce naniesionych zostało wiele
takich elementarnych testów zaszeregowanych w grupy. Jedna
grupa zawiera sześć elementów składających się z umieszczonych
poziomo i pionowo testów elementarnych. Stopniowanie rozmiarów
umożliwia określenie rozdzielczości odnosząc się jedynie do numeru
grupy i numeru elementu, którego test paskowy jest jeszcze
rozróżnialny przez obserwatora. Wartości mierzonej rozdzielczości
odczytuje się z tabeli 9.
Tabela 9 Częstości przestrzenne testu USAF 1951 wyrażone w liniach na
milimetr
Element -2 -1 0 1 2 3 4 5
1 0.250 0.500 1.00 2.00 4.00 8.00 16.00 32.0
2 0.280 0.561 1.12 2.24 4.49 8.98 17.95 36.0
3 0.315 0.630 1.26 2.52 5.04 10.10 20.16 40.3
4 0.353 0.707 1.41 2.83 5.66 11.30 22.62 45.3
5 0.397 0.793 1.59 3.17 6.35 12.70 25.39 50.8
6 0.445 0.891 1.78 3.56 7.13 14.30 28.50 57.0
1
http://www.inframet.pl/computer_simulators.htm
14