Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО АДАПТИВНОЙ МАСКИРОВКИ ОБЪЕКТОВ

Изобретение относится к маскировке, а конкретно - к устройствам маскировки стационарных или движущихся объектов с помощью адаптивных маскировочных устройств, работающих в оптическом диапазоне длин волн.

Известно устройство маскировки объектов на окружающем фоне, содержащее покрытия в виде пятен различных цветовых оттенков (см., например, патент России №2150658 по классу F41H 3/00, 2002 г.), представляющих собой полутоновой растр, пространственная частота которого выбрана так, чтобы элементы растра воспринимались при наблюдении с малых расстояний как отдельные пятна, а при наблюдении с больших расстояний группировались в крупные блоки.

Известно также устройство маскировки объектов, содержащее тканевую основу и несколько нанесенных на нее полимерных слоев различного цвета и толщины, образующих маскировочный рисунок в виде случайно расположенных пятен неправильной формы (см. патент России №2229089 по классу F41H 3/00, 2002 г.).

Известна мультиспектральная избирательно отражающая структура (см. патент России №2429441 по классу F41H 3/00, 2012 г.), содержащая переднюю и заднюю поверхности, теплопроницаемую визуально непрозрачную подложку, содержащую полимерный слой, включающий окрашивающее средство, при этом теплопроницаемая визуально непрозрачная подложка имеет первую поверхность вблизи передней поверхности структуры, вторую поверхность и теплоотражающий слой, содержащий компонент с низкой излучательной способностью.

Основным недостатком указанных аналогов является неизменность их маскировочных параметров (цвета и яркости) в зависимости от меняющихся условий наблюдения в видимом диапазоне длин волн. Действительно, для эффективной маскировки объекта необходимо поддержание непрерывного сочетания яркости и цвета маскируемых элементов объекта (а значит и объекта в целом) с окружающим фоном в зависимости от изменения условий его освещенности в течение суток, отдельных дней, времен года и т.д. Кроме того, при освещении поверхности объекта прямым солнечным светом имеет место значительный контраст между его затененными и освещенными сторонами.

Известно также устройство адаптивной маскировки объектов (см. патент РФ №2309363, F41H 13/00, 2007 г.), содержащее маскировочное покрытие, выполненное в виде капиллярных сосудов для циркуляции окрашенной жидкости, фотокамеру и ЭВМ. Количество и цвет жидкости зависит от контраста местности и покрытия маскируемого объекта на наблюдаемом фоне, который регистрируется фотокамерой и обрабатывается на ЭВМ.

Основным недостатком этого устройства является значительная инерционность устройства (жидкость поступает в капилляры через определенные промежутки времени), которая не позволяет использовать его для маскировки подвижных объектов, а также неполный диапазон условий маскировки в видимом диапазоне длин волн, так как яркость капилляров с окрашенной жидкостью не в состоянии обеспечить маскировку затененных поверхностей объекта.

Наиболее близким по назначению и технической сущности к предлагаемому изобретению относится устройство адаптивной маскировки объектов (см. патент РФ №2313056, F41H 13/00, 2007 г.). Устройство содержит последовательно расположенные термоизолирующее и термочувствительное покрытия, устройство, управляющее температурой электрических источников нагрева, цифровую камеру с выносным объективом, соединенную с входом ЭВМ, выход которой соединен с устройством, управляющим температурой.

Данное устройство обеспечивает адаптивное управление характеристиками покрытий за счет использования в устройстве термочувствительных покрытий, изменяющих окрашенность (цвет и яркость) при управляемом нагреве с помощью электрических источников тепла.

Основным недостатком данного устройства является демаскирование объекта в инфракрасном диапазоне длин волн и недостаточная эффективность маскировки из-за невозможности устранения отрицательного контраста поверхностей объекта, находящихся в тени.

Действительно, применение термочувствительных красок приводит к нагреву наблюдаемой поверхности объекта и, следовательно, к демаскированию его в тепловом диапазоне. Так, для обеспечения окрашенности покрытий с помощью термочувствительных красок требуется их нагрев до весьма значительных температур (см. Абрамович Б.Г. Термоиндикаторы и их применение / Химия и Химики. №5. 2008. с. 19-64). В качестве примера в таблице 1 приведены критические температуры, при которых при нормальном атмосферном давлении происходит изменение цвета для термочувствительных красок на основе термоиндикаторов с химическим взаимодействием, которые предлагается использовать в прототипе (см. Абрамович Б.Г. Термоиндикаторы и их применение / Химия и Химики. №5. 2008. С. 21).

Как следует из данных, приведенных в таблице 2, минимальная критическая температура для таких термокрасок составляет 45-50°C. Если исходный и приобретенный цвета значительно отличаются по цвету и по яркости (белый в черный), то критическая температура достигает сотни градусов. Такой же порядок температур, необходимых для перехода термокрасок из одного цвета в другой, имеют жидкокристаллические поверхностно-градиентные индикаторы, термоиндикаторные лаки плавления и люминесцентные покрытия (см. Абрамович Б.Г. Термоиндикаторы и их применение / Химия и Химики. №5. 2008. с. 19-64), которые также предлагаются к использованию в прототипе.

Учитывая, что термочувствительные краски расположены на наружной поверхности объекта, то нагрев этой поверхности приведет к значительному температурному контрасту с фоном. Применение в прототипе термоизолирующего покрытия между объектом и термокрасками позволит только предохранить объект от внутреннего нагрева, а наружная поверхность с термочувствительными красками будет иметь значительный температурный контраст с фоном.

В связи с этим адаптивное снижение контраста в видимом диапазоне длин волн приведет к значительному увеличению контраста в инфракрасном диапазоне длин волн, что является существенным недостатком данного устройства.

Известно, что существующие и перспективные наземные и воздушные средства разведки имеют в своем составе как телевизионные (работающие в видимом диапазоне длин волн), так и инфракрасные (работающие в тепловом диапазоне длин волн) средства обнаружения (см. Разведывательные системы MAV (США). Сборник научно-технической информации. №4 (30). Тула 2009. С. 165-169). Как правило, они работают одновременно и входят в состав единой станции обнаружения (см. Григорьев А. Канадские станции воздушной оптоэлектронной разведки серии MX // Зарубежное военное обозрение. 2011. №9. С. 60-65).

Кроме того, для ситуаций, когда фон освещен прямыми лучами солнца, а наблюдаемая сторона объекта находится в тени, могут потребоваться покрытия, обладающие коэффициентом отражения, большим единицы, то есть обладающие свойствами самосвечения. Это обусловлено следующими обстоятельствами.

В общем случае освещенность боковой поверхности складывается из трех составляющих: прямое солнечное излучение, рассеянное излучение небосвода и излучение, отраженное от земной поверхности. В предположении, что рассеянное излучение небосвода и излучение, отраженное от земной поверхности, носят диффузный характер (что вполне допустимо при расчете освещенности за счет рассеянной составляющей), освещенность боковой поверхности определится как

где - освещенность прямым солнечным светом боковой поверхности объекта; - суммарная (прямая+рассеянная) освещенность горизонтальной поверхности (фона); - освещенность горизонтальной поверхности прямым солнечным светом; ρ_ф - коэффициент отражения фона.

С учетом (1) контраст боковой поверхности в плоскости объекта при освещении ее прямым и рассеянным светом запишется в виде

где ρ_об - коэффициент отражения объекта; - отношение освещенности горизонтальной поверхности прямым солнечным излучением к освещенности этой же поверхности суммарным излучением, i - зенитное расстояние солнца.

Если наблюдаемая боковая поверхность находится в тени, то ее контраст определяется как

Из (3) следует, что для обеспечения минимального (нулевого) контраста боковой поверхности значение требуемого коэффициента отражения объекта должно удовлетворять соотношению

В таблице 2 приведены значения требуемых коэффициентов отражения боковых поверхностей объекта, не освещенных прямыми лучами солнца. Значения отношения освещенности горизонтальной поверхности прямым солнечным излучением к освещенности этой же поверхности суммарным излучением заимствованы из известной литературы (см. Таблицы для расчета природной освещенности и видимости. М: АН СССР. 1945. С. 153).

Таблица 2 - Требуемые значения коэффициентов отражения покрытий боковых поверхностей наземного объекта, не освещенных прямыми лучами солнца

Из данных, приведенных в таблице 2, видно, что в ряде случаев (например, при высоком солнце, когда доля рассеянного излучения мала по сравнению с прямым солнечным светом) для обеспечения нулевого контраста боковых поверхностей, не освещенных прямым солнечным светом, требуются покрытия, с коэффициентом отражения, большим единицы, то есть обладающие свойствами самосвечения.

Задачей данного изобретения является повышение эффективности маскировки путем устранения демаскирующих свойств устройства в инфракрасном диапазоне длин волн при одновременном расширении диапазона условий применения устройства для маскировки в видимом диапазоне длин волн.

Технический результат достигается за счет того, что в устройство адаптивной маскировки объектов, содержащее последовательно соединенные цифровую камеру с выносным объективом, ЭВМ, устройство управления яркостью и цветом, введено многослойное покрытие, состоящее из последовательно расположенных теплоизоляционного материала, слоя диэлектрических люминесцентных красок, нанесенных в виде цветных пятен, слоя прозрачного эмиттерного электрода, в виде электроизолированных площадок, по конфигурации совпадающих с цветными пятнами, слоя прозрачного электрохромного материала, слоя твердого электролита и слоя прозрачного коллекторного электрода, при этом эмиттерные и коллекторные электроды электрически связаны с выходами устройства управления яркостью и цветом.

Улучшение маскировочных свойств в инфракрасном диапазоне длин волн обеспечивается, с одной стороны, тем, что в предлагаемом устройстве по сравнению с прототипом не происходит нагрева наблюдаемой поверхности объекта, то есть отсутствует демаскирование объекта в инфракрасном диапазоне длин волн, а с другой стороны, использование теплоизоляционного материала способствует защите от внутренних источников теплоты (как в прототипе).

Расширение диапазона условий применения устройства для маскировки в видимом диапазоне длин волн осуществляется за счет использования люминесцентных красок, обладающих высоким коэффициентом яркости и обеспечивающих устранение дефицита освещенности поверхностей объекта, находящихся в тени.

Действительно, в предлагаемом устройстве адаптация к цвету и яркости фона наблюдения происходит за счет того, что управление цветом и яркостью покрытия в соответствии с зарегистрированными цифровой фотокамерой характеристиками фона происходит путем изменения светопропускания в слое электрохромного материала, расположенного над пятнами синего, зеленого и красного цветов, которое не сопровождается нагревом поверхности объекта (см. Гусев А.Л., Кондырина Т.Н., Куршева В.В. и др. Перспективы применения гибких электрохромных панелей на объектах ЖКХ и транспортных средствах. Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология». №10 (78). С. 122-137). При этом, как и в прототипе, при достаточно малых размерах цветных пятен и большом расстоянии до средства обнаружения отдельные пятна не будут различаться и на сетчатке глаза будет происходить суммирование цветовых стимулов от цветных пятен. Благодаря тому что прозрачный эмиттерный электрод выполнен в виде электроизолированных площадок, расположенных над пятнами каждого цвета, в предлагаемом устройстве реализуется возможность управлять яркостью каждого из цветов в требуемом соотношении.

Указанная выше совокупность отличительных существенных признаков за счет того, что адаптация к фону местности в видимом диапазоне длин волн не приводит к повышению температуры наблюдаемой поверхности объекта, обеспечивает улучшение маскировочных свойств в инфракрасном диапазоне длин волн при одновременном расширении условий применения устройства в видимом диапазоне за счет применения люминесцентных красок. Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, идентичных всем признакам заявляемого технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие заявляемого изобретения условию патентоспособности "новизна".

Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными признаками заявляемого устройства, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники и не подтверждена известность влияния отличительных признаков на заявляемый технический результат (повышение эффективности маскировки путем устранения демаскирующих свойств в инфракрасном диапазоне длин волн при одновременном расширении диапазона условий применения устройства для маскировки в видимом диапазоне длин волн).

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".

Заявляемое техническое решение промышленно применимо, так как оно может быть использовано в военно-промышленном комплексе, и для его реализации могут быть использованы стандартное оборудование и материалы.

Изобретение иллюстрируется чертежом. На фигуре приведена структурная схема предлагаемого устройства.

Устройство адаптивной маскировки объектов (фигура) содержит последовательно соединенные цифровую видеокамеру с выносным объективом 1, ориентированным в направлении объекта и прилегающего к нему фона, ЭВМ 2, устройство управления яркостью и цветом пятен 3. Покрытие 4 состоит из теплоизоляционного материала 5, слоя диэлектрических люминесцентных красок 6, нанесенных в виде пятен синего 7, зеленого 8 и красного 9 цветов, слоя прозрачного эмиттерного электрода, нанесенного в виде электроизолированных площадок 10, слоя прозрачного электрохромного материала 11, слоя твердого электролита 12 и слоя прозрачного коллекторного электрода 13. Площадки 10, расположенные над пятнами одного цвета, подключены к одному из трех выходов устройства 3, а коллекторный электрод соединен с четвертым общим выходом устройства 3.

Цифровая видеокамера с выносным объективом 1 предназначена для регистрации изображения объекта и прилегающего к нему фона наблюдения. Наличие выносного объектива позволяет проводить регистрацию изображений в различных направлениях.

В качестве цифровой видеокамеры 1 может быть использована видеокамера с разрешающей способностью не хуже, чем разрешающая способность существующих и перспективных средств обнаружении (см. Григорьев А. Канадские станции воздушной оптоэлектронной разведки серии MX // Зарубежное военное обозрение. 2011. №9. С. 60-65).

В качестве электрохромного материала 11 могут быть использованы окислы переходных металлов, например трехокись вольфрама или проводящие полимеры на основе, например, полианилина (см. Гусев А.Л., Кондырина Т.Н., Куршева В.В. и др. Перспективы применения гибких электрохромных панелей на объектах ЖКХ и транспортных средствах. Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология». №10(78). С. 122-137).

Управление светопропусканием в слое электрохромного материала может быть основано, например, на регулировании длительности прилагаемым к электродам электрических импульсов или на изменении полярности приложенного электрического поля (см. Лусис А.Р. Электрохромный эффект и электрохромные материалы: физика и применение // Оксидные электрохромные материалы. Межвуз. сб. научн. трудов. Рига: Изд-во ЛГУ им. П. Стучки. 1981. С. 13-37).

Слои прозрачных эмиттерного и коллекторного электродов (соответственно пятна 10 и слой 13) могут быть выполнены из пленки SnO₂ или JnO₂. Слой твердого электролита 12 может быть выполнен из мелкодисперсной пленки из MgF₂ или SiO₂ (см. Оксидные электрохромные материалы. Межвуз. сб. научн. трудов. Рига: Изд-во ЛГУ им. П. Стучки. 1981. 154 с.).

В качестве люминесцентных красок могут быть использованы органические люминофоры, обладающие высокими яркостями свечения и быстродействием. Так, для пятен синего цвета может быть использован 9, 10 дифенилантрацен; для пятен зеленого цвета - 1,8-нафтоплен; для пятен красного цвета - 5-(4-диметила минофенил)-2-(1,8-нафтоплен-1′,2′ -бензамидазолил-5)-оксазол (см. Красовицкий В.М., Болотин В.М. Органические люминофоры. М.: Химия. 1984. С 286, 294, 296).

В качестве теплоизолирующего материала может быть использован, например, пенополистирол или другие теплоизолирующие материалы.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Для обеспечения маскировки объекта на произвольном фоне с помощью видеокамеры 1 регистрируют изображение объекта и прилегающего к нему фона. Полученные изображения обрабатывают на ЭВМ 2 с целью получения цветовых и яркостных характеристик объекта и фона и определения их отличий. С выхода ЭВМ 2 подаются сигналы в устройство управления яркостью и цветом пятен 3, где формируются управляющие сигналы, которые подаются на электроизолированные площадки 10. При наличии управляющего сигнала (напряжения между площадками 10 и коллекторным электродом 13) электрохромный материал над пятнами соответствующего цвета приобретает серую окраску определенной плотности, за счет чего возрастают световые потери в слое 11. При этом с помощью зарегистрированного видеокамерой 1 изображения объекта и фона и ЭВМ 2 находят такое соотношение потерь в электрохромном материале над пятнами 7, 8, 9, чтобы цвет и яркость покрытия и фона были одинаковыми. Например, для желтого фона, характерного для песчаной поверхности, необходимо уменьшить в суммарном цветовом стимуле долю синего цвета, а для зеленого фона, характерного для растительности - доли синего и красного цветов.

Для маскировки объекта на белом, сером или черном фоне (снежный покров, облака, обнаженная почва) с помощью управляющих сигналов обеспечивают максимальную прозрачность электрохромного материала 11, и при отношении площади пятен (выполненных из перечисленных выше красок) в пропорции 1,0; 0,8; 1,0 координаты цветности будут равны ~ 0,33, что соответствует белому цвету. Уменьшением прозрачности электрохромного материала при таком же соотношении цветовых пятен можно обеспечит нейтральный цвет любой насыщенности (серый, черный).

Оценку технического результата заявляемого устройства адаптивной маскировки объектов (повышение эффективности маскировки путем устранения демаскирующих свойств в инфракрасном диапазоне длин волн при одновременном расширении диапазона условий применения устройства для маскировки в видимом диапазоне длин волн) по сравнению с прототипом можно провести на основе следующих доказательств.

Степень маскировки объекта в инфракрасном диапазоне длин волн определяется разностью радиационных температур объекта и фона в диапазоне работы тепловизионных средств, то есть радиационным контрастом (ΔT_R). Известно (см. Иванов В.П., Курт В.И., Овсянников В.А., Филиппов В.Л. Моделирование и оценка современных тепловизионных приборов. - Казань: Из-во ФНГЩ НПО ГИПО, 2006. С. 285), что радиационный контраст объекта в заданном спектральном диапазоне λ₁ … λ₂ определяется как

где ε_об - коэффициент излучения объекта; ΔT - разность термодинамических температур объекта и фона K; η - коэффициент, учитывающий влияние на радиационный контраст внешних условий (температуру атмосферы, наличие облачности, скорость ветра и др.); Δε - разность коэффициентов излучения объекта и фона.

Для определенности примем, что температура фона составляет 18°C, температура поверхности объекта с предлагаемым устройством маскировки - 25°C, его коэффициент излучения равен 0,5. Температура поверхности объекта с устройством маскировки, предложенном в прототипе, составляет 50°C (минимальная критическая температура, см. таблицу 1), его коэффициент излучения - 0,5 (такой же, как и в предлагаемом устройстве). Значение η для условий наблюдения объекта, расположенного на открытой местности в условиях сплошной облачности, равно 5 (см. Иванов В.П., Курт В.И., Овсянников В.А., Филиппов В.Л. Моделирование и оценка современных тепловизионных приборов. - Казань: Из-во ФНПЦ НПО ГИПО, 2006. С. 286). Коэффициент излучения фона примем равным 0,92 (см. Р. Хадсон. Инфракрасные системы. - М.: Мир / Под ред. Н.В. Васильченко. 1972. С. 27). Тогда радиационный контраст поверхности объекта (по формуле (5)) с предлагаемым устройством составит ~5,6 K, а для прототипа - ~18 K. Таким образом, имеет место уменьшение радиационного контраста по сравнению с прототипом более чем в 3 раза даже для минимальной критической температуры, необходимой для изменения цвета у термокрасок.

Расширение диапазона условий применения устройства в видимом диапазоне длин волн по сравнению с прототипом достигается тем, что яркость покрытия может меняться от минимального значения (практически черного) при подаче управляющего сигнала, обеспечивающего большую плотность электрохромного материала, до высоких яркостей свечения (электрохромный материал полностью прозрачен), позволяющих устранить дефицит освещенности затененных поверхностей объекта. В то же время используемые в прототипе термочувствительные краски могут обеспечит только ограниченный диапазон яркостей, определяемый температурой нагрева. В предлагаемом устройстве это реализуется путем использования люминесцентных красок, которые обладают свойствами свечения за счет поглощения излучения в одной области спектра и трансформации его в другую область спектра (см. Красовицкий В.М., Болотин В.М. Органические люминофоры. М.: Химия. 1984).

Использование заявляемого устройства позволит устранить демаскирование объекта в инфракрасном диапазоне длин волн за счет снижения радиационного контраста объекта более чем в три раза и расширить диапазон условий применения устройства для маскировки в видимом диапазоне длин волн за счет использования люминесцентных красок, обладающих повышенными яркостями свечения, и, следовательно, повысить эффективность маскировки.