论文红外与夜视仪

1基于微光与红外融合的夜视技术
关键字：红外器件红外焦平面阵列微光夜视仪夜视技术光机扫描红外热成像红外热像红外图像量子效率BCG-MCPIV
摘要：以像增强器为主线概述微光成像技术,以红外探测器为主线概述红外热成像技术,
分别介绍各自的发展历程、技术特点和发展趋势,并对这二种夜视技术进行了比较,最后介绍微光图像和红外图像的融合技术。

将微弱的光信号转换成电信号，并进一步放大、转换成可视信号的固态电子器件。

是在黑夜或低照度（小于1勒克斯）下扩展人眼视力的微光夜视技术的关键部件。

其中包括：①直接微光成像器件。

功能是把微弱的光学图像转换成电子图像，再经过增强传递到荧光屏上，以得到人眼可视的照度(1～105勒克斯)和可见的光谱范围(350～760纳米)。

②把微弱光信息转换成视频信号的微电摄像器件。

把收集到的光学图像以其光强的分布转换成电荷量的分布并存储，随后将存储的电荷图像转换成视频信号，从而扩展人眼接收微光信息的范围。

在工、农业、航天、科研、国防、公安等部门中，凡需要采集低照度下的光学信息时，都离不开微光器件。

由微光器件组成的微光夜视仪广泛应用于战术武器和防盗系统。

1背景：20世纪40年代研制成功的主动式红外夜视仪是夜视器材的鼻祖，它的出现使人类第一次看到黑暗中的目标。

主动式红外夜视仪成像清晰，对比度好，但由于需要红外光源照射，存在着能耗大，易暴露的缺点。

1962年，美国人研制成功像增强器，使得夜视器材的发展产生了一个飞跃。

我们平时所谓的黑夜，很少是绝对黑暗的，因为自然界总是存在着微弱的光线，例如星月光，大气的辉光和黄道光。

即使肉眼不容易察觉的星星，对地面的照度仍然可以达到2x10负4次方勒克司。

能够利用如此微弱的光线进行观测，是因为两个技术上的重大突破。

首先，研制成功了灵敏度极高的光电阴极，既S-20多碱光电阴极。

比以前的光电阴极灵敏度提高了一个数量级，使得夜视仪的光电增益大大提高。

另一个突破是采用了光学纤维面板。

既一种由大量光导纤维组成的薄板阵列，每根纤维传导一个像素减少了光的散射，传导效果好，由于可以将纤维的末端排列成曲面，天然的避免了像差，大大提高了成像质量。

将多个上述结构的像增强管串联起来，将光线逐级放大，使得极其微弱光线下的图象放大到了人眼可以清晰观看的程度，便实现了无须红外照明的微光观测。

越南战争时期，美国将利用级联像增强技术投入实战应用，研制成功了第一带微光夜视仪，主要有AN/PVS-2星光镜，AN/TVS-2班组武器瞄准镜和AN/TVS-4微光观察镜。

微光夜视仪的工作原理可以归纳为：目标反射的微弱光线经物镜会聚后在像增强器的阴极面上成像，逐级放大并将红外光转变为可见光，在最后一级的荧光屏上形成有足够亮度和清晰度的图象，供使用者观察。

第二代微光夜视仪
微光夜视仪能耗小，但是体积仍然嫌大，越战期间，美国人又研制成了微通道板像增强器，于是第二代微光夜视仪应运而生。

有些材料具有在电子的撞击下能够发射出更多的电子的特性，60年代，材料研究获得突破，导致了微通道板像增强器的诞生。

连续型通道像增强器的原理是一根内壁涂有电子发射材料的细管子，在管子两端的电极上加上直流电压，当电子从管子一头射入时，便在管内来回碰撞，激发出越来越多的电子，这些电子被管壁的电压加速，并且碰撞出的几何级数增加的电子，使得管子末端出射的电子获得很高的增益。

通道电子倍增器的电子增益与管壁内的电子发射材料有关，与通道的长径比有关，与电压有关，但与通道的大小无关，所以可以做的极小，将其并列起来组成阵列，就可以用来传递显示图象了。

单根通道的直径一般为10-12微米，长500微米，一块通道板包含数百万根通道管，既数百万像素，可以使图象的亮度增加几千乃至上万倍。

微通道的制作对工艺的要求很高。

微通道板的制作方法有多种，一般采用实芯拉制法。

所制成的夜视仪像增强器有两种，一种叫做近贴式，一种叫做倒像式。

近贴式微通道板像增强器将通道板放置在光电阴极和荧光屏之间。

阴极发射的电子束在电场作用下打到微通道板上，经过倍增后，投射到荧光屏上成像。

由于结构的关系，这种夜视仪尺寸小，但鉴别率较低，光学增益相对小些，需附加正像装置，又称为薄片管。

倒像式微通道板像增强器，是在荧光屏前面放置微通道板，能达到几万倍以上的光学增益，而且不用再次倒像始于20世纪60年代的微光夜视技术靠夜里自然光照明景物,以被动方式工作,自身隐蔽性好,在军事、安全、交通等领域得到广泛的应用。

近年来,微光夜视技术得到迅速发展,在第一代、第二代、第三代的基础上,第四代技术应运而生。

始于20世纪50年代的红外热成像技术也走过了三代的历程,它以接收景物自身各部分辐射的红外线来进行探测,与微光成像技术相比,具有穿透烟尘能力强、可识别伪目标、可昼夜工作等特点。

可以说,微光成像技术和红外热成像技术已经成为夜视技术的二大砥柱。

2 微光夜视技术及其发展
2.1 第一代微光夜视技术
20世纪60年代初,在多碱光阴极(Sb-Na-K-Cs)、光学纤维面板的发明和同心球电子光学系统设计理论的完善的基础上,将这三大技术工程化,研制成第一代微光管。

其一级单管可实现约50倍亮度增益,通过三级级联,增益可达5x104～105倍。

第一代微光夜视技术属于被动观察方式,其特点是隐蔽性好、体积小、重量小、成品率高,便于大批量生产;技术上兼顾并解决了光学系统的平像场与同心球电子光学系统要求有球面物(像)面之间的矛盾,成像质量明显提高。

其缺点是怕强光,有晕光现象。

2.2 第二代微光夜视技术
第二代微光夜视器件的主要特色是微通道板电子倍增器(MCP)的发明并将其引入单级微光管中。

装有1个MCP的一级微光管可达到104—105亮度增益,从而替代了原有的体积大、笨重的三级级联第一代微光管;同时,MCP微通道板内壁实际上是具有固定板电阻的连续打拿级,因此,在恒定工作电压下,有强电流输入时,有恒定输出电流的自饱和效应,此效应正好克服
了微光管的晕光现象;加之它的体积更小、重量更轻,所以,第二代微光夜视仪是目前国内微光夜视装备的主体。

2.3 第三代微光夜视技术
第三代微光夜视器件的主要特色是将透射式GaAs光阴极和带Al2O3,离子壁垒膜的MCP 引入近贴微光管中。

与第二代微光器件相比,第三代微光器件的灵敏度增加了4倍-8倍,达到800μA/Im～2600μA/Im,寿命延长了3倍,对夜天光光谱利用率显著提高,在漆黑(10-4lx)夜晚的目标视距延伸了50％-100％。

第三代微光器件的工艺基础是超高真空、NEA表面激活,双近贴、双铟封、表面物理、表面化学和长寿命、高增益MCP技术等,又为发展第四代微光管和长波红外光阴极像增强器等高技术产品创造了良好的条件。

图1所示是用三代微光夜视仪在同样条件下分别获取的图像,从图中可明显看出第三代要优于第二代,而第二代又远远优于第一代。

2.4 微光夜视技术的发展趋势
微光夜视器件的研究方向是致力于提高已有的几代产品的性能,降低成本,扩大装备;进一步延伸新一代产品的红外响应和提高器件的灵敏度。

2.4.1 超二代微光夜视技术
超二代微光管采用与第三代微光近贴管结构大体相同的技术,主要技术特点是将高灵敏度的多碱光电阴极引入到第二代微光管中,并借用第三代微光MCP、管结构、集成电源以及结晶学、半导体本体特性等机理和工艺研究成果,其成像质量大幅度提高,由于工艺相对简单,价格相对较低,因而成为目前的主流产品。

2.4.2 第四代徽光夜视技术
近来,微光管的设计者从MCP中去除离子壁垒膜以得到无膜的微光管,同时增加1个自动门开关电源,以控制光电阴极电压的开关速度,并且改进了低晕成像技术,有助于增强在强光下的视觉性能。

1998年Litton公司首先研制成功无膜MCP的成像管,在目标探测距离和分辨力上有很大的提高,尤其是在极低照度条件下。

其关键技术涉及到新型高性能无膜MCP、光电阴极与MCP间采用的自动脉冲门控电源及无晕成像技术等。

这种无膜的BCG-MCPIV代微光管技术虽然刚刚起步,但良好的性能使其必然成为本世纪微光像增强技术领域的新热点。

3 红外成像技术及其发展
3.1 第一代红外热像技术
热成像技术的发展始于上世纪50年代,起初只能研制出基于单元器件的热像仪,场频较低,只限于小范围应用。

直到20世纪70年代中长波碲镉汞(MCT)材料与光导型多元线列器件工艺成熟之后,热像仪才开始大量生产并装备军队。

热像仪的种类繁多,可大致分为二类：一类是通用组件化的热像仪;另一类是按特殊要求设计的热像仪。

美国发展的是60元、120元与180元光导线列器件并扫的通用组件化热成像体制。

它们的帧频与电视兼容,也是隔行扫描制,每场只有60行、120行和180行,并分别由同步扫描的60元、120元和180元发光二极管对应地显示每帧的图像。

在欧洲,以英国的热像仪为代表采用了串并扫体制。

它以扫积型光导MCT探测器为基础构成了英国的第二类通用组件热像仪。

这是一种完全电视兼容、分辨率与普通电视相同的热像仪。

不论串扫、并扫或串并扫体制的热像仪都需要光机扫描。

因此,此类热像仪统称为第一代热像仪。

3.2 第二代红外热像技术
最近,正在大力发展不用光机扫描而用红外焦平面阵列(IRFPA)器件成像的热像仪。

由于去掉了光机扫描,这种用大规模焦平面成像的传感器被称为凝视传感器。

它的体积小、重量轻、可靠性高。

在俯仰方向可有数百元以上的探测器阵列,可得到更大张角的视场,还可采用特殊的扫描机构,用比通用热像仪慢得多的扫描速度完成360。

全方位扫描以保持高灵敏度。

这类器件主要包括InSb IRFPA、HgCdTeIRFPA、SBDFPA、非制冷IRFPA和多量子阱IRFPA等。

此类热像仪被称为第二代热像仪。

3.3 第三代红外热像技术
第三代红外热像技术采用的红外焦平面探测器单元数已达到320x240元或更高(即
105-106),其性能提高了近3个数量级。

目前,3μm-5μm焦平面探测器的单元灵敏度又比
8μm-14μm探测器高2～3倍左右。

因而,基于320x240元的中波与长波热像仪的总体性能指标相差不大,所以3μm-5μm焦平面探测器在第三代焦平面热成像技术中格外的重要。

从长远看,高量子效率、高灵敏度、覆盖中波和长波的HgCdTe焦平面探测器仍是焦平面器件发展的首选。

3．4 红外技术的发展趋势
红外技术的发展以红外探测器的发展为标志,可以从红外探测器的发展来推断其发展趋势。

(1)红外焦平面器件发展到高密度、快响应、元数达到106—10。

元以上的大规模集成器件,由二维向三维多层次结构发展,在应用上就可以实现高清晰度热像仪,极大地缩小整机体积,增强功能。

(2)双色、多色红外器件的发展使整机可同时实现不同波长的多光谱成像探测,成倍扩大系统信息量,成为目标识别和光电对抗的有效手段。

(3)探测器在焦平面上实现神经网络功能,按程序进行逻辑处理,使红外整机实现智能化。

(4)提高探测器工作温度,高性能室温红外探测器和焦平面器件是发展重点之一,不需要制冷器,将会使整机更精巧、更可靠,从而实现全固体化。

(5)提高成品率,降低价格。

4 夜视技术的未来发展
4．1 红外热成像技术与徽光成像技术的比较
由于工作原理不同,红外热成像技术与微光成像技术各有利弊。

(1)红外热成像系统不象微光夜视仪那样借助夜光,而是靠目标与背景的辐射产生景物图像,因此红外热成像系统能24小时全天候工作。

(2)随着计算机技术的发展,很多红外热成像系统具有完整的软件系统以实现图像处理、图像运算等功能,图像质量大大改善。

(3)红外辐射比微光的光辐射具有更强的穿透雾、霾、雨、雪的能力,因而红外热成像系统的作用距离更远。

(4)红外热成像能透过伪装,探测出隐蔽的热目标,甚至能识别出刚离去的飞机和坦克等所留下的热迹轮廓。

(5)微光夜视仪图像清晰、体积小、重量轻、价格低、使用和维修方便、不易被电子侦察和干扰,所以应用范围广。

(6)微光夜视仪的响应速度快,利用光电阴极像管可实现高速
(7)一般微光成像面为连续靶面,期间的分辨率很高,目前最高达到90lp／ⅡHn。

相当于l 600以上的电视行。

(8)微光夜视频谱响应向短波范围扩展的潜力大,包括高能离子、x射线、紫外线、蓝绿光景物的探测成像基本上都是基于外光电转换、增强、处理、显示等微光成像技术原理口。

从学科和技术发展的角度看,红外技术有一定优势。

可见光的存在是有条件的,而任何物体都是红外源,都在不停地辐射红外线,所以红外技术的应用将无处不在。

目前,在近距离夜视方面,由于微光夜视仪价格低廉,图像质量也较好,仍然占据主要地位。

随着红外器件价格的降低,红外热像仪必将大有作为。

而在远距离夜视方面,红外热像仪的作用更为突出。

4．2 微光图像和红外图像的融合技术
关键词：图像处理器，中值滤波，图像配准，实时融合算法; 融合性能评价
4.3.1在微光与红外技术各自不断进展的时期,考虑到二者的互补性,在不增加现有技术难度的基础上,如何将微光图像与红外图像融合以获取更好的观察效果,成为当前夜视技术发展的热点研究之一。

图像融合技术(Image Fusion Technology)作为多传感器信息融合的一个非常重要的分支，近二十年来，引起了世界范围内的广泛关注和研究热潮。

其中，红外与微光图像融合是近年来夜视图像领域研究的热点。

它们感应的是目标不同波段的辐射／反射，因此它们的输出信息具有互补性，采用融合处理技术，利用信息互补性，可有效扩展系统目标探测的空间和时间覆盖范围，提高系统的空间分辨率。

本文的研究工作主要是围绕图像处理器的改进和算法的研究展开的，本文分析了本课题中红外、微光图像的来源和特点，针对像素级图像融合预处理中的两个关键技术——图像去噪和图像配准，研究了一种新的改进型中值滤波器，提出了一种新的基于加窗处理的图像配准方法。

下面设计的目的：
（1）检验图像融合处理器能否完成微光和红外图像是哦independent试试融合处理
（2）检验红外和微光光学系统的准直性、视场匹配性。

（3）考察红外与微光图像融合质量。

实验设备：
（1）前端系统（红外和微光光学系统、微光象管、红外热成像系统）
（2）图像处理器
（3）监视器
（4）电源及各种连接线
实验过程：
实验在暗室内完成，照度为0.1LX，成像目标为远处的人实验台\桌椅等‘实验过程中,红外和微光视频连接至图像融合处理电路的输入端，融合视频输出在监视器显示。

下图为实验结果图，其中（A）为红外图像(B)为微光图像(C)为融合后的图像。

图2室内实验结果
实验结果表明单独的红外视频可以显示出人的清晰细节，但是远处的场景细节表现的模糊或者根本不能分辨：单独的微光视频对有光照的目标能较清晰的成像，但是对背光的目标(例如人)成像质量较差;而融合图像能够较好的吸收两种图像的优点，把背光的热目标和光照下的目标的细节同时显示出来，但是由于微光视频和红外视频的图像长宽比不同微光和红外光系统无法达到一个像素的匹配精度，所有在图像的中心位置，目标重叠性较好，融合效果显著，偏离中心位置的距离这＝增加，目标重叠性变差，融合效果逐渐降低。

实验结果表明图像融合处理电路已经具备了较好的图像融合功能微光和红外光学系统具有较好的准直性和视唱匹配性。

但是由于微光是视频和红外视频的图像长宽比不同，造成融合图像可能出现目标的重影现象。

4.3.2红外与微光图像融合系统室外实验：
实验目的：(1）检验图像融合处理器能否完成微光和红外图像视频的实时融合技术(2)检验红外和微光光学成像系统的准直性视场匹配性
（3）考察红外与微光图像融合系统的图像融合质量
实验设备：（1）前端系统
（2）图像处理器
（3）计算机
（4）图像采集卡
（5）电源及各种连接线等
实验过程：实验在夜间城市街道存在路灯等光照，成像目标为旗杆
大门灯管球场\楼房树木车辆
红外和微光视频连接至图像融合处理电路的输入端，融合视频采集卡上，在电脑显示器上显示。

下图（A）采集的红外图像
（B）采集的微光图像
（C）采集的融合图像
可以看出红外图像能够很好的观测的热目标，如房间内的热目标，而强光照下的树木汽车等也表现的非常清晰，但分辨率低，细节表现力较差，微光图像分辨率高，细节表现力强，但存在光晕，强光下的目标被完全淹没，例如汽车灯塔等。

而融合图像能够较好的把微光的高分辨率和红外的强光照目标都表现出来。

必须承认，由于微光视频和红外视频的图像长宽比不同，微光和红外光学系统无法达到一个像素的匹配精度，从融合图像中可以明显看出原来的三个旗杆变为六个旗杆，灯塔也由一个变为两个。

由实验可得：融合图像和单纯的红外和微光图像相比，能够表现出更多的图像信息，对强光照下的目标，暗背景下的热目标均能给出清晰的图像，这说明研制红外和微光图像融合成像系统，对改善人眼视觉效果，提高目标发现和识别概率，具有重要的现实意义和广阔的应用前景。

同时也说明图像配准的重要性。

由于微光视频和红外视频的图像长宽比不同，微光和红外光学系统无法达到一个像素的匹配精度，导致融合图像出现重影。

因此，利用软件实现红外和微光图像的精确配准是很必要的，但是图像的配准涉及到的小数位的惩罚数据处理，利用FPGA实现小数的乘法或出发处理的速度比较慢会导致无法实现实时处理。

从融合后图像的质量可以看出，加权平均算法降低了源图像的对比度，这主要是因为微光图像和和红外图像在某些区域会存在灰度反差。

利用算法可以更好的识别目标，细节信息比基于加权平均算法的细节丰富，并且不会降低图像的对比度，但是该算法无法在现有的硬件平台上也无法实现实时的图像匹配，基于此需要改进。

微光图像的对比度差,灰度级有限,瞬间动态范围差,高增益时有闪烁,只敏感于目标场景的反射,与目标场景的热对比无关。

而红外图像的对比度差,动态范围大,但其只敏感于目标场景的辐射,而对场景的亮度变化不敏感。

二者均存在不足之处。

随着微光与红外成像技术的发展,综合和发掘微光与红外图像的特征信息,使其融合成更全面的图像已发展成为一种有效的技术手段。

夜视图像融合能增强场景理解、突出目标,有利于在隐藏、伪装和迷惑的军用背景下更快更精确地探测目标。

将融合图像显示成适合人眼观察的自然形式,可明显改善人眼的识别性能,减小操作者的疲劳感
5.1红外影像原理：
红外摄影，可能玩相机稍微早几年的朋友脑子里第一个反应就是F707，它所搭载的索尼独特的NightShot模式能够拍摄下物体的红外影像，除了给人以全新的视觉感受之外，还引出了一个敏感话题，那就是“透视”。

冲着这个透视功能，一时间F707适用的49mm口径红外滤镜从无人问经一跃而到了洛阳纸贵的地步。

F707红外摄影的秘密藏在Nightshot模式中，而Nightshot模式的作用原理却要先从我们生活中无处不在的光开始说起。

光是人类眼睛所能观察到的一种辐射。

有实验证明光就是电磁辐射，这部分电磁波的波长范围约在红光的0.77微米到紫光的0.39微米之间。

波长在0.77
微米以上到1000微米左右的电磁波称为“红外线”。

在0.39微米以下到0.04微米左右的称“紫外线”。

红外线和紫外线不能引起视觉，但可以用光学仪器或摄影方法去量度和探测这种发光物体的存在。

所以在光学中光的概念也可以延伸到红外线和紫外线领域，甚至X射线均被认为是光，而可见光的光谱只是电磁光谱中的一部分。

而在数码相机中是用来作为感光器件的CCD/CMOS对于光的感受能力要宽于人眼，基本可以覆盖从红外到紫外的范围，所以，为了不让红外线和紫外线干扰成像，数码相机的镜头镀膜一般具有滤除紫外线的能力(UV镜也有这个功能)而放置在CCD/CMOS之前的低通滤波透镜则具有滤除红外线的能力。

人的眼睛能看到的可见光按波长从长到短排列，依次为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。

其中红光的波长范围为0.62～0.76μm；紫光的波长范围为0.38～0.46μm。

比紫光波长更短的光叫紫外线，比红光波长更长的光叫红外线，人的肉眼是看不到红外线的。

因为数码摄像机用CCD感应所有光线（可见光、红外线和紫外线等）,这就造成所拍摄影像和我们肉眼只看到可见光所产生的影像很不同。

为了解决这个问题,数码摄像机在镜头和CCD之间加装了一个红外滤光镜，其作用就是阻挡红外线进入CCD,让CCD只能感应到可见光，这样就使数码摄像机拍摄到的影像和我们肉眼看到的影像相一致了。

红外夜视，就是在夜视状态下，数码摄像机会发出人们肉眼看不到的红外光线去照亮被拍摄的物体，关掉红外滤光镜，不再阻挡红外线进入CCD，红外线经物体反射后进入镜头进行成像，这时我们所看到的是由红外线反射所成的影像，而不是可见光反射所成的影像，即此时可拍摄到黑暗环境下肉眼看不到的影像。

5.2夜视影像原理：
JVC采用的“夜视”方法采用的是彩色数码夜眼功能。

这一功能与松下彩色夜视功能类似，由于采用的是慢速快门，所以在拍摄的时候最好使用三角架，用手持的方法难以获得良好的画面，比较适合拍摄不移动的彩色画面，当拍摄移动的物体时，与松下的彩色夜视功能一样，影像会有拖尾现象，画面表现得有些断断续续。

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