|
1 引言 始于20世紀60年代的微光夜視技術靠夜里自然光照明景物，以被動方式工作，自身隱蔽性好，在軍事、安全、交通等領域得到廣泛的應用。近年來，微光夜視技術得到迅速發展，在第一代、第二代、第三代的基礎上，第四代技術應運而生。始于20世紀50年代的紅外熱成像技術也走過了三代的歷程，它以接收景物自身各部分輻射的紅外線來進行探測，與微光成像技術相比，具有穿透煙塵能力強、可識別偽目標、可晝夜工作等特點。可以說，微光成像技術和紅外熱成像技術已經成為夜視技術的二大砥柱。 2 微光夜視技術及其發展 2.1 第一代微光夜視技術 20世紀60年代初，在多堿光陰極 (Sb-Na-K-Cs)、光學纖維面板的發明和同心球電子光學系統設計理論的完善的基礎上，將這三大技術工程化，研制成第一代微光管。其一級單管可實現約50倍亮度增益，通過三級級聯，增益可達5x104～105倍。第一代微光夜視技術屬于被動觀察方式，其特點是隱蔽性好、體積小、重量小、成品率高，便于大批量生產；技術上兼顧并解決了光學系統的平像場與同心球電子光學系統要求有球面物(像)面之間的矛盾，成像質量明顯提高。其缺點是怕強光，有暈光現象。 2.2 第二代微光夜視技術 第二代微光夜視器件的主要特色是微通道板電子倍增器(MCP)的發明并將其引入單級微光管中。裝有1個MCP的一級微光管可達到104—105亮度增益，從而替代了原有的體積大、笨重的三級級聯第一代微光管；同時，MCP微通道板內壁實際上是具有固定板電阻的連續打拿級，因此，在恒定工作電壓下，有強電流輸入時，有恒定輸出電流的自飽和效應，此效應正好克服了微光管的暈光現象；加之它的體積更小、重量更輕，所以，第二代微光夜視儀是目前國內微光夜視裝備的主體。 2.3 第三代微光夜視技術 第三代微光夜視器件的主要特色是將透射式GaAs光陰極和帶Al2O3，離子壁壘膜的MCP引入近貼微光管中。與第二代微光器件相比，第三代微光器件的靈敏度增加了4倍-8倍，達到800μA/Im～2600μA/Im，壽命延長了3倍，對夜天光光譜利用率顯著提高，在漆黑(10-4lx)夜晚的目標視距延伸了50％-100％。第三代微光器件的工藝基礎是超高真空、NEA表面激活，雙近貼、雙銦封、表面物理、表面化學和長壽命、高增益MCP技術等，又為發展第四代微光管和長波紅外光陰極像增強器等高技術產品創造了良好的條件。 圖1所示是用三代微光夜視儀在同樣條件下分別獲取的圖像，從圖中可明顯看出第三代要優于第二代，而第二代又遠遠優于第一代。 2.4 微光夜視技術的發展趨勢 微光夜視器件的研究方向是致力于提高已有的幾代產品的性能，降低成本，擴大裝備；進一步延伸新一代產品的紅外響應和提高器件的靈敏度。 2.4.1 超二代微光夜視技術 超二代微光管采用與第三代微光近貼管結構大體相同的技術，主要技術特點是將高靈敏度的多堿光電陰極引入到第二代微光管中，并借用第三代微光MCP、管結構、集成電源以及結晶學、半導體本體特性等機理和工藝研究成果，其成像質量大幅度提高，由于工藝相對簡單，價格相對較低，因而成為目前的主流產品。 2.4.2 第四代徽光夜視技術 近來，微光管的設計者從MCP中去除離子壁壘膜以得到無膜的微光管，同時增加1個自動門開關電源，以控制光電陰極電壓的開關速度，并且改進了低暈成像技術，有助于增強在強光下的視覺性能。1998年Litton公司首先研制成功無膜MCP的成像管，在目標探測距離和分辨力上有很大的提高，尤其是在極低照度條件下。其關鍵技術涉及到新型高性能無膜MCP、光電陰極與MCP間采用的自動脈沖門控電源及無暈成像技術等。這種無膜的BCG-MCPIV代微光管技術雖然剛剛起步，但良好的性能使其必然成為本世紀微光像增強技術領域的新熱點。 3 紅外成像技術及其發展 3.1 第一代紅外熱像技術 熱成像技術的發展始于上世紀50年代，起初只能研制出基于單元器件的熱像儀，場頻較低，只限于小范圍應用。直到20世紀70年代中長波碲鎘汞(MCT)材料與光導型多元線列器件工藝成熟之后，熱像儀才開始大量生產并裝備軍隊。熱像儀的種類繁多，可大致分為二類：一類是通用組件化的熱像儀；另一類是按特殊要求設計的熱像儀。 美國發展的是60元、120元與180元光導線列器件并掃的通用組件化熱成像體制。它們的幀頻與電視兼容，也是隔行掃描制，每場只有60行、120 行和 180行，并分別由同步掃描的60元、120元和180元發光二極管對應地顯示每幀的圖像。在歐洲，以英國的熱像儀為代表采用了串并掃體制。它以掃積型光導MCT探測器為基礎構成了英國的第二類通用組件熱像儀。這是一種完全電視兼容、分辨率與普通電視相同的熱像儀。不論串掃、并掃或串并掃體制的熱像儀都需要光機掃描。因此，此類熱像儀統稱為第一代熱像儀。 3.2 第二代紅外熱像技術 最近，正在大力發展不用光機掃描而用紅外焦平面陣列(IRFPA)器件成像的熱像儀。由于去掉了光機掃描，這種用大規模焦平面成像的傳感器被稱為凝視傳感器。它的體積小、重量輕、可靠性高。在俯仰方向可有數百元以上的探測器陣列，可得到更大張角的視場，還可采用特殊的掃描機構，用比通用熱像儀慢得多的掃描速度完成360。全方位掃描以保持高靈敏度。這類器件主要包括InSb IRFPA、HgCdTeIRFPA、SBDFPA、非制冷IRFPA和多量子阱IRFPA等。此類熱像儀被稱為第二代熱像儀。 3.3 第三代紅外熱像技術 第三代紅外熱像技術采用的紅外焦平面探測器單元數已達到320x240元或更高(即105-106)，其性能提高了近3個數量級。目前，3μm-5μm焦平面探測器的單元靈敏度又比8μm-14μm探測器高2～3倍左右。因而，基于320x240元的中波與長波熱像儀的總體性能指標相差不大，所以3μm- 5μm焦平面探測器在第三代焦平面熱成像技術中格外的重要。從長遠看，高量子效率、高靈敏度、覆蓋中波和長波的HgCdTe焦平面探測器仍是焦平面器件發展的首選。 3．4 紅外技術的發展趨勢 紅外技術的發展以紅外探測器的發展為標志，可以從紅外探測器的發展來推斷其發展趨勢。 (1)紅外焦平面器件發展到高密度、快響應、元數達到106—10。元以上的大規模集成器件，由二維向三維多層次結構發展，在應用上就可以實現高清晰度熱像儀，極大地縮小整機體積，增強功能。 (2)雙色、多色紅外器件的發展使整機可同時實現不同波長的多光譜成像探測，成倍擴大系統信息量，成為目標識別和光電對抗的有效手段。 (3)探測器在焦平面上實現神經網絡功能，按程序進行邏輯處理，使紅外整機實現智能化。 (4)提高探測器工作溫度，高性能室溫紅外探測器和焦平面器件是發展重點之一，不需要制冷器，將會使整機更精巧、更可靠，從而實現全固體化。 (5)提高成品率，降低價格。 4 夜視技術的未來發展 4．1 紅外熱成像技術與徽光成像技術的比較 由于工作原理不同，紅外熱成像技術與微光成像技術各有利弊。 (1)紅外熱成像系統不象微光夜視儀那樣借助夜光，而是靠目標與背景的輻射產生景物圖像，因此紅外熱成像系統能24小時全天候工作。 (2)隨著計算機技術的發展，很多紅外熱成像系統具有完整的軟件系統以實現圖像處理、圖像運算等功能，圖像質量大大改善。 (3)紅外輻射比微光的光輻射具有更強的穿透霧、霾、雨、雪的能力，因而紅外熱成像系統的作用距離更遠。 (4)紅外熱成像能透過偽裝，探測出隱蔽的熱目標，甚至能識別出剛離去的飛機和坦克等所留下的熱跡輪廓。 (5)微光夜視儀圖像清晰、體積小、重量輕、價格低、使用和維修方便、不易被電子偵察和干擾，所以應用范圍廣。 (6)微光夜視儀的響應速度快，利用光電陰極像管可實現高速攝影。 (7)一般微光成像面為連續靶面，期間的分辨率很高，目前最高達到90lp／ⅡHn。相當于l 600以上的電視行。 (8)微光夜視頻譜響應向短波范圍擴展的潛力大，包括高能離子、x射線、紫外線、藍綠光景物的探測成像基本上都是基于外光電轉換、增強、處理、顯示等微光成像技術原理口。 從學科和技術發展的角度看，紅外技術有一定優勢。可見光的存在是有條件的，而任何物體都是紅外源，都在不停地輻射紅外線，所以紅外技術的應用將無處不在。目前，在近距離夜視方面，由于微光夜視儀價格低廉，圖像質量也較好，仍然占據主要地位。隨著紅外器件價格的降低，紅外熱像儀必將大有作為。而在遠距離夜視方面，紅外熱像儀的作用更為突出。 4．2 微光圖像和紅外圖像的融合 在微光與紅外技術各自不斷進展的時期，考慮到二者的互補性，在不增加現有技術難度的基礎上，如何將微光圖像與紅外圖像融合以獲取更好的觀察效果，成為當前夜視技術發展的熱點研究之一。 微光圖像的對比度差，灰度級有限，瞬間動態范圍差，高增益時有閃爍，只敏感于目標場景的反射，與目標場景的熱對比無關。而紅外圖像的對比度差，動態范圍大，但其只敏感于目標場景的輻射，而對場景的亮度變化不敏感。二者均存在不足之處。隨著微光與紅外成像技術的發展，綜合和發掘微光與紅外圖像的特征信息，使其融合成更全面的圖像已發展成為一種有效的技術手段。夜視圖像融合能增強場景理解、突出目標，有利于在隱藏、偽裝和迷惑的軍用背景下更快更精確地探測目標。將融合圖像顯示成適合人眼觀察的自然形式，可明顯改善人眼的識別性能，減小操作者的疲勞感。 |
