熱視覺(jué)和紅外成像技術(shù)提高近地作戰(zhàn)軍隊(duì)作戰(zhàn)能力

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，美國(guó)國(guó)防部部長(zhǎng)James Mattis近日強(qiáng)烈表示：“我們一直在致力于提高我國(guó)近地作戰(zhàn)軍隊(duì)的戰(zhàn)備、殺傷力、生存能力和靈活性。”盡管美國(guó)軍方在軍事實(shí)力方面仍然保持著世界強(qiáng)國(guó)的優(yōu)勢(shì)，但與幾十年前相比，這種差距也正在慢慢縮小。為了實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)人員的“超能力”，如今的軍隊(duì)不僅要不斷擴(kuò)充作戰(zhàn)人才，還必須要增強(qiáng)設(shè)備和技術(shù)的現(xiàn)代化。目前軍方正為實(shí)現(xiàn)“超能力”進(jìn)行現(xiàn)代化的一項(xiàng)技術(shù)為夜視技術(shù)，具體來(lái)說(shuō)，就是在低光照或無(wú)光照下作戰(zhàn)的能力。雖然傳統(tǒng)上作戰(zhàn)人員更依賴于圖像增強(qiáng)技術(shù)，并且目前看來(lái)這項(xiàng)技術(shù)仍然是作戰(zhàn)關(guān)鍵技術(shù)之一，但在使用多波長(zhǎng)紅外傳感器的士兵系統(tǒng)中，需要繼續(xù)進(jìn)行重大的技術(shù)改進(jìn)。

圖像增強(qiáng)設(shè)備：非紅外夜視是如何工作的？

傳統(tǒng)的圖像增強(qiáng)（Image Intensified，簡(jiǎn)稱II）設(shè)備工作原理是先將極低水平的可見(jiàn)光光子轉(zhuǎn)換為電子，然后放大這些電子，再將電子轉(zhuǎn)換回光子。來(lái)自低光源的光子進(jìn)入物鏡，物鏡將圖像聚焦到光電陰極管上。當(dāng)入射光子撞擊光電陰極時(shí)，光電陰極再通過(guò)光電效應(yīng)釋放電子。電子通過(guò)高壓電勢(shì)加速進(jìn)入微通道板（Microchannel Plate，MCP）。每個(gè)撞擊MCP的高能電子都會(huì)使MCP釋放出更多電子，這一過(guò)程稱為二級(jí)聯(lián)射。MCP由成千上萬(wàn)甚至數(shù)百萬(wàn)個(gè)微導(dǎo)電通道組成，這些通道再通過(guò)組成一定角度來(lái)實(shí)現(xiàn)更多的電子碰撞，并能夠在受控的電子雪崩過(guò)程中發(fā)射二次電子。本質(zhì)上講，MCP其實(shí)是光放大器，但至少需要一些光才能工作。

在II設(shè)備的示意圖中（上圖），來(lái)自低光源的光子進(jìn)入物鏡（左）并撞擊光電陰極（灰色）。光電陰極通過(guò)光電效應(yīng)釋放電子。微通道板（紅色）可通過(guò)二級(jí)聯(lián)射增加電子數(shù)。最后這些電子撞擊熒光屏（綠色），產(chǎn)生光子，可通過(guò)右側(cè)的透鏡觀察。

圖像增強(qiáng)設(shè)備之優(yōu)缺點(diǎn)II

設(shè)備是美軍作戰(zhàn)的主力傳感器，幾乎用于各個(gè)軍事領(lǐng)域。弱光增強(qiáng)設(shè)備在近零光照條件下可提供出色的夜視圖像，有效分辨率高達(dá)1300萬(wàn)像素，成本相對(duì)較低且功耗極低，能夠在小型電池上長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。然而，該管線設(shè)備缺點(diǎn)是體積大且笨重，又因?yàn)槭?a href="http://ttokpm.com/analog/" target="_blank">模擬信號(hào)，很難適應(yīng)數(shù)字戰(zhàn)場(chǎng)。雖然在數(shù)字低光傳感器方面人們已經(jīng)進(jìn)行了大量工作，但是要以低功率和低成本實(shí)現(xiàn)管線設(shè)備的性能還有很長(zhǎng)的路要走。就近期來(lái)說(shuō)，該技術(shù)可能還是站不住腳的。目前，空軍部隊(duì)、特種部隊(duì)和陸地部隊(duì)通過(guò)多種配置使用II設(shè)備，包括單目護(hù)目鏡、熱融合（即增強(qiáng)型夜視鏡）、武器瞄準(zhǔn)器等。

紅外傳感器

利用紅外光譜的傳感器在不斷發(fā)展，并為實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)人員的“超能力”做出了重大貢獻(xiàn)。紅外傳感器，特別是熱傳感器，近幾十年來(lái)一直是軍方作戰(zhàn)的關(guān)鍵技術(shù)之一；然而，該技術(shù)的局限性也限制了其應(yīng)用的范圍。傳統(tǒng)上，傳感器體積大、耗電大，且價(jià)格昂貴。因此，他們僅用于最緊急的軍事任務(wù)，如消防或遠(yuǎn)程監(jiān)視。但是據(jù)悉，目前該技術(shù)的最新進(jìn)展可以使紅外傳感器更廣泛地應(yīng)用于更多任務(wù)中，隨著該技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，這將成為實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)人員“超能力”的關(guān)鍵組成部分。

短波、中波和長(zhǎng)波紅外傳感器

紅外傳感器可根據(jù)他們探測(cè)到的波長(zhǎng)分成幾類。紅外光譜與可見(jiàn)光光譜相近，可見(jiàn)光和紅外光的波長(zhǎng)以光速傳播。然而，紅外光和可見(jiàn)光（我們的眼睛所看到的）的能量存在顯著差異。

電磁波譜，顯示SWIR、MWIR和LWIR輻射的波長(zhǎng)范圍（圖片來(lái)源：FLIR）在大多數(shù)情況下，紅外光譜主要分為近紅外（NIR）、短波紅外（SWIR）、中波紅外（MWIR）和長(zhǎng)波紅外（LWIR）?！盁嵯駜x”利用MWIR或LWIR傳感器，探測(cè)從目標(biāo)發(fā)射出的熱能。簡(jiǎn)單地說(shuō)，他們探測(cè)到的是熱而不是光。與圖像增強(qiáng)系統(tǒng)相比，這是顯著的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)镮I設(shè)備至少需要一定量的環(huán)境光才能工作。熱成像攝像頭無(wú)需可見(jiàn)光即可工作，因?yàn)樗惶綔y(cè)從場(chǎng)景中的目標(biāo)發(fā)出的熱量。當(dāng)熱像儀首次開(kāi)發(fā)并用于軍事領(lǐng)域中時(shí)，使用的傳感器主要是需要低溫冷卻至液氮溫度（77K或-200℃）的LWIR或MWIR傳感器。他們需要保持這一溫度以提高熱敏性并降低噪音。最初，這些系統(tǒng)包含單個(gè)或多個(gè)元件傳感器或線性陣列，并且還配備機(jī)械掃描設(shè)備用于“繪制”完整的熱像圖。這些組合在一起就形成了一臺(tái)非常復(fù)雜的設(shè)備，體積龐大且笨重、價(jià)格昂貴，并且會(huì)頻繁出現(xiàn)維護(hù)問(wèn)題。而在當(dāng)時(shí)的技術(shù)看來(lái)，人們還無(wú)法做到真正的便攜式系統(tǒng)。

使用熱成像設(shè)備拍攝的圖片

實(shí)用便攜式MWIR傳感器的研制

20世紀(jì)90年代初，隨著二維焦平面陣列系統(tǒng)的出現(xiàn)，該技術(shù)從基于掃描的系統(tǒng)發(fā)展到凝視系統(tǒng)。最初，這些焦平面陣列的分辨率相對(duì)較低（128 x 128或256 x 256像素），每個(gè)像素都很大，為50μm或更大（相比之下，典型的消費(fèi)類可見(jiàn)光CMOS傳感器的像素大小為1~3μm)。最初使用的傳感器是MWIR傳感器，由硅化鉑（PtSi）或銻化銦（InSb）等材料制成。他們必須被冷卻到同樣的溫度77K，但隨著更先進(jìn)的機(jī)械冷卻器被開(kāi)發(fā)出來(lái)，該技術(shù)又朝著正確的方向邁近了一步，創(chuàng)造了更便攜的系統(tǒng)，但這仍遠(yuǎn)非理想狀態(tài)。

20世紀(jì)90年代的LWIR技術(shù)突破

MWIR適合于多種應(yīng)用，但并非所有應(yīng)用都適用。LWIR是眾多地面軍事應(yīng)用的首選。由于在較低的溫度下LWIR通量較大，所以LWIR在通過(guò)大氣時(shí)更清晰。最重要的是，LWIR比MWIR能夠更好地穿透煙霧、灰塵和戰(zhàn)場(chǎng)障礙物。然而，在20世紀(jì)90年代，由于沒(méi)有實(shí)用的二維LWIR傳感器，因此也沒(méi)有實(shí)用的LWIR解決方案。因此，軍方僅限于使用LWIR的掃描設(shè)備。20世紀(jì)90年代末，微測(cè)輻射熱計(jì)技術(shù)開(kāi)始解決LWIR在軍事應(yīng)用中無(wú)法解決的問(wèn)題。我們將在下一篇文章中詳細(xì)解釋微測(cè)輻射熱計(jì)技術(shù)的進(jìn)步是如何讓LWIR傳感器在更多的作戰(zhàn)應(yīng)用中得到更廣泛的應(yīng)用。