夜視技術(shù)中的微光成像和紅外熱成像技術(shù)對(duì)比分析
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,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(jìn)行探測,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,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)和長壽命、高增益MCP技術(shù)等,又為發(fā)展第四代微光管和長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
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,微光管的設(shè)計(jì)者從MCP中去除離子壁壘膜以得到無膜的微光管,同時(shí)增加1個(gè)自動(dòng)門開關(guān)電源,以控制光電陰極電壓的開關(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)光下的視覺性能。1998年Litton公司首先研制成功無膜MCP的成像管,在目標(biāo)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(guān)鍵技術(shù)涉及到新型高性能無膜MCP、光電陰極與MCP間采用的自動(dòng)脈沖門控電源及無暈成像技術(shù)等。這種無膜的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,場頻較低,只限于小范圍應(yīng)用。直到20世紀(jì)70年代中長波碲鎘汞(MCT)材料與光導(dǎo)型多元線列器件工藝成熟之后,熱像儀才開始大量生產(chǎn)并裝備軍隊(duì)。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(shè)計(jì)的熱像儀。
美國發(fā)展的是60元、120元與180元光導(dǎo)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(fā)光二極管對(duì)應(yīng)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(dǎo)MCT探測器為基礎(chǔ)構(gòu)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(jī)掃描。因此,此類熱像儀統(tǒng)稱為第一代熱像儀。
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)百元以上的探測器陣列,可得到更大張角的視場,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(shù)
第三代紅外熱像技術(shù)采用的紅外焦平面探測器單元數(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(biāo)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(shù)中格外的重要。從長遠(yuǎn)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(fā)展的首選。
3.4 紅外技術(shù)的發(fā)展趨勢
紅外技術(shù)的發(fā)展以紅外探測器的發(fā)展為標(biāo)志,可以從紅外探測器的發(fā)展來推斷其發(fā)展趨勢。
(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)不同波長的多光譜成像探測,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。
評(píng)論