夜視技術(shù)中的微光成像和紅外熱成像技術(shù)比較

1 引言

始于20世紀(jì)60年代的微光夜視技術(shù)靠夜里自然光照明景物，以被動(dòng)方式工作，自身隱蔽性好，在軍事、安全、交通等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，微光夜視技術(shù)得到迅速發(fā)展，在第一代、第二代、第三代的基礎(chǔ)上，第四代技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。始于20世紀(jì)50年代的紅外熱成像技術(shù)也走過(guò)了三代的歷程，它以接收景物自身各部分輻射的紅外線(xiàn)來(lái)進(jìn)行探測(cè)，與微光成像技術(shù)相比，具有穿透煙塵能力強(qiáng)、可識(shí)別偽目標(biāo)、可晝夜工作等特點(diǎn)?？梢哉f(shuō)，微光成像技術(shù)和紅外熱成像技術(shù)已經(jīng)成為夜視技術(shù)的二大砥柱。

2 微光夜視技術(shù)及其發(fā)展

2.1 第一代微光夜視技術(shù)

20世紀(jì)60年代初，在多堿光陰極 (Sb-Na-K-Cs)、光學(xué)纖維面板的發(fā)明和同心球電子光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論的完善的基礎(chǔ)上，將這三大技術(shù)工程化，研制成第一代微光管。其一級(jí)單管可實(shí)現(xiàn)約50倍亮度增益，通過(guò)三級(jí)級(jí)聯(lián)，增益可達(dá)5x104～105倍。第一代微光夜視技術(shù)屬于被動(dòng)觀察方式，其特點(diǎn)是隱蔽性好、體積小、重量小、成品率高，便于大批量生產(chǎn)；技術(shù)上兼顧并解決了光學(xué)系統(tǒng)的平像場(chǎng)與同心球電子光學(xué)系統(tǒng)要求有球面物(像)面之間的矛盾，成像質(zhì)量明顯提高。其缺點(diǎn)是怕強(qiáng)光，有暈光現(xiàn)象。

2.2 第二代微光夜視技術(shù)

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(fā)明并將其引入單級(jí)微光管中。裝有1個(gè)MCP的一級(jí)微光管可達(dá)到104—105亮度增益，從而替代了原有的體積大、笨重的三級(jí)級(jí)聯(lián)第一代微光管；同時(shí)，MCP微通道板內(nèi)壁實(shí)際上是具有固定板電阻的連續(xù)打拿級(jí)，因此，在恒定工作電壓下，有強(qiáng)電流輸入時(shí)，有恒定輸出電流的自飽和效應(yīng)，此效應(yīng)正好克服了微光管的暈光現(xiàn)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(guó)內(nèi)微光夜視裝備的主體。

2.3 第三代微光夜視技術(shù)

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(dá)到800μA/Im～2600μA/Im，壽命延長(zhǎng)了3倍，對(duì)夜天光光譜利用率顯著提高，在漆黑(10-4lx)夜晚的目標(biāo)視距延伸了50％-100％。第三代微光器件的工藝基礎(chǔ)是超高真空、NEA表面激活，雙近貼、雙銦封、表面物理、表面化學(xué)和長(zhǎng)壽命、高增益MCP技術(shù)等，又為發(fā)展第四代微光管和長(zhǎng)波紅外光陰極像增強(qiáng)器等高技術(shù)產(chǎn)品創(chuàng)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(yōu)于第二代，而第二代又遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于第一代。
?

2.4 微光夜視技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

微光夜視器件的研究方向是致力于提高已有的幾代產(chǎn)品的性能，降低成本，擴(kuò)大裝備；進(jìn)一步延伸新一代產(chǎn)品的紅外響應(yīng)和提高器件的靈敏度。

2.4.1 超二代微光夜視技術(shù)

超二代微光管采用與第三代微光近貼管結(jié)構(gòu)大體相同的技術(shù)，主要技術(shù)特點(diǎn)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(jié)構(gòu)、集成電源以及結(jié)晶學(xué)、半導(dǎo)體本體特性等機(jī)理和工藝研究成果，其成像質(zhì)量大幅度提高，由于工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，價(jià)格相對(duì)較低，因而成為目前的主流產(chǎn)品。

2.4.2 第四代徽光夜視技術(shù)

近來(lái)，微光管的設(shè)計(jì)者從MCP中去除離子壁壘膜以得到無(wú)膜的微光管，同時(shí)增加1個(gè)自動(dòng)門(mén)開(kāi)關(guān)電源，以控制光電陰極電壓的開(kāi)關(guān)速度，并且改進(jìn)了低暈成像技術(shù)，有助于增強(qiáng)在強(qiáng)光下的視覺(jué)性能。1998年Litton公司首先研制成功無(wú)膜MCP的成像管，在目標(biāo)探測(cè)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(guān)鍵技術(shù)涉及到新型高性能無(wú)膜MCP、光電陰極與MCP間采用的自動(dòng)脈沖門(mén)控電源及無(wú)暈成像技術(shù)等。這種無(wú)膜的BCG-MCPIV代微光管技術(shù)雖然剛剛起步，但良好的性能使其必然成為本世紀(jì)微光像增強(qiáng)技術(shù)領(lǐng)域的新熱點(diǎn)。

3 紅外成像技術(shù)及其發(fā)展

3.1 第一代紅外熱像技術(shù)

熱成像技術(shù)的發(fā)展始于上世紀(jì)50年代，起初只能研制出基于單元器件的熱像儀，場(chǎng)頻較低，只限于小范圍應(yīng)用。直到20世紀(jì)70年代中長(zhǎng)波碲鎘汞(MCT)材料與光導(dǎo)型多元線(xiàn)列器件工藝成熟之后，熱像儀才開(kāi)始大量生產(chǎn)并裝備軍隊(duì)。熱像儀的種類(lèi)繁多，可大致分為二類(lèi)：一類(lèi)是通用組件化的熱像儀；另一類(lèi)是按特殊要求設(shè)計(jì)的熱像儀。

美國(guó)發(fā)展的是60元、120元與180元光導(dǎo)線(xiàn)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(chǎng)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(fā)光二極管對(duì)應(yīng)地顯示每幀的圖像。在歐洲，以英國(guó)的熱像儀為代表采用了串并掃體制。它以?huà)叻e型光導(dǎo)MCT探測(cè)器為基礎(chǔ)構(gòu)成了英國(guó)的第二類(lèi)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(jī)掃描。因此，此類(lèi)熱像儀統(tǒng)稱(chēng)為第一代熱像儀。

3.2 第二代紅外熱像技術(shù)

最近，正在大力發(fā)展不用光機(jī)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(jī)掃描，這種用大規(guī)模焦平面成像的傳感器被稱(chēng)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(shù)百元以上的探測(cè)器陣列，可得到更大張角的視場(chǎng)，還可采用特殊的掃描機(jī)構(gòu)，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(lèi)器件主要包括InSb IRFPA、HgCdTeIRFPA、SBDFPA、非制冷IRFPA和多量子阱IRFPA等。此類(lèi)熱像儀被稱(chēng)為第二代熱像儀。

3.3 第三代紅外熱像技術(shù)

第三代紅外熱像技術(shù)采用的紅外焦平面探測(cè)器單元數(shù)已達(dá)到320x240元或更高(即105-106)，其性能提高了近3個(gè)數(shù)量級(jí)。目前，3μm-5μm焦平面探測(cè)器的單元靈敏度又比8μm-14μm探測(cè)器高2～3倍左右。因而，基于320x240元的中波與長(zhǎng)波熱像儀的總體性能指標(biāo)相差不大，所以3μm- 5μm焦平面探測(cè)器在第三代焦平面熱成像技術(shù)中格外的重要。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，高量子效率、高靈敏度、覆蓋中波和長(zhǎng)波的HgCdTe焦平面探測(cè)器仍是焦平面器件發(fā)展的首選。

3．4 紅外技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

紅外技術(shù)的發(fā)展以紅外探測(cè)器的發(fā)展為標(biāo)志，可以從紅外探測(cè)器的發(fā)展來(lái)推斷其發(fā)展趨勢(shì)。

(1)紅外焦平面器件發(fā)展到高密度、快響應(yīng)、元數(shù)達(dá)到106—10。元以上的大規(guī)模集成器件，由二維向三維多層次結(jié)構(gòu)發(fā)展，在應(yīng)用上就可以實(shí)現(xiàn)高清晰度熱像儀，極大地縮小整機(jī)體積，增強(qiáng)功能。

(2)雙色、多色紅外器件的發(fā)展使整機(jī)可同時(shí)實(shí)現(xiàn)不同波長(zhǎng)的多光譜成像探測(cè)，成倍擴(kuò)大系統(tǒng)信息量，成為目標(biāo)識(shí)別和光電對(duì)抗的有效手段。

(3)探測(cè)器在焦平面上實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)功能，按程序進(jìn)行邏輯處理，使紅外整機(jī)實(shí)現(xiàn)智能化。

(4)提高探測(cè)器工作溫度，高性能室溫紅外探測(cè)器和焦平面器件是發(fā)展重點(diǎn)之一，不需要制冷器，將會(huì)使整機(jī)更精巧、更可靠，從而實(shí)現(xiàn)全固體化。

(5)提高成品率，降低價(jià)格。

4 夜視技術(shù)的未來(lái)發(fā)展

4．1 紅外熱成像技術(shù)與徽光成像技術(shù)的比較

由于工作原理不同，紅外熱成像技術(shù)與微光成像技術(shù)各有利弊。

(1)紅外熱成像系統(tǒng)不象微光夜視儀那樣借助夜光，而是靠目標(biāo)與背景的輻射產(chǎn)生景物圖像，因此紅外熱成像系統(tǒng)能24小時(shí)全天候工作。

(2)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，很多紅外熱成像系統(tǒng)具有完整的軟件系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)圖像處理、圖像運(yùn)算等功能，圖像質(zhì)量大大改善。

(3)紅外輻射比微光的光輻射具有更強(qiáng)的穿透霧、霾、雨、雪的能力，因而紅外熱成像系統(tǒng)的作用距離更遠(yuǎn)。

(4)紅外熱成像能透過(guò)偽裝，探測(cè)出隱蔽的熱目標(biāo)，甚至能識(shí)別出剛離去的飛機(jī)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(jià)格低、使用和維修方便、不易被電子偵察和干擾，所以應(yīng)用范圍廣。

(6)微光夜視儀的響應(yīng)速度快，利用光電陰極像管可實(shí)現(xiàn)高速攝影。

(7)一般微光成像面為連續(xù)靶面，期間的分辨率很高，目前最高達(dá)到90lp／ⅡHn。相當(dāng)于l 600以上的電視行。

(8)微光夜視頻譜響應(yīng)向短波范圍擴(kuò)展的潛力大，包括高能離子、x射線(xiàn)、紫外線(xiàn)、藍(lán)綠光景物的探測(cè)成像基本上都是基于外光電轉(zhuǎn)換、增強(qiáng)、處理、顯示等微光成像技術(shù)原理口。

從學(xué)科和技術(shù)發(fā)展的角度看，紅外技術(shù)有一定優(yōu)勢(shì)?？梢?jiàn)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(xiàn)，所以紅外技術(shù)的應(yīng)用將無(wú)處不在。目前，在近距離夜視方面，由于微光夜視儀價(jià)格低廉，圖像質(zhì)量也較好，仍然占據(jù)主要地位。隨著紅外器件價(jià)格的降低，紅外熱像儀必將大有作為。而在遠(yuǎn)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(shù)各自不斷進(jìn)展的時(shí)期，考慮到二者的互補(bǔ)性，在不增加現(xiàn)有技術(shù)難度的基礎(chǔ)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(dāng)前夜視技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)研究之一。

微光圖像的對(duì)比度差，灰度級(jí)有限，瞬間動(dòng)態(tài)范圍差，高增益時(shí)有閃爍，只敏感于目標(biāo)場(chǎng)景的反射，與目標(biāo)場(chǎng)景的熱對(duì)比無(wú)關(guān)。而紅外圖像的對(duì)比度差，動(dòng)態(tài)范圍大，但其只敏感于目標(biāo)場(chǎng)景的輻射，而對(duì)場(chǎng)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(shù)的發(fā)展，綜合和發(fā)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(fā)展成為一種有效的技術(shù)手段。夜視圖像融合能增強(qiáng)場(chǎng)景理解、突出目標(biāo)，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(cè)目標(biāo)。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(shí)別性能，減小操作者的疲勞感。