微光夜视

微光夜视与热成像技术发
展及应用
微光夜视技术
1.微光夜视技术的发展
微光夜视技术致力于探索夜间和其它低光照度时目标图像信息的获取、转换、增强、记录和显示。

它的成就集中表现为使人眼视觉在时域、空间和频域的有效扩展。

微光夜视技术的发展以1936年P.Gorlich发明锑铯(Sb-Cs)光电阴极为标志。

A.H.Sommer1955年发明了锑钾钠铯(Sb-K-Na-Cs)多碱光电阴极(S-20)，使微光夜视技术进入实质性发展阶段。

1958年光纤面板问世，加之当时荧光粉性能的提高，为光纤面板耦合的像增强器奠定了基础。

62年美国研制出这种三级及联式像增强器，并以次为核心部件制成第一代微光夜视仪，即所谓的“星光镜”—AN/PVS-2,并用于越战。

62年出现了微通道电子倍增器，70年研制出了实用电子倍增器件MCP-微通道板像增强器，并在此基础上研制了第二代微光夜视仪。

70年代发展起来的高灵敏度摄像管与MCP像增强器耦合，制成了性能更好的微光摄像管和微光电视。

82年英军在马岛战争中使用，取得了预期的夜战效果。

65年J.Van Laar 和J.J.Scheer制成了世界上第一个砷化镓(GaAs)光电阴极。

79年美国ITT公司研制出利用GaAs负电子亲和势光电阴极与MCP技术的成像器件（薄片管），把微光夜视仪推进到第三代，工作波段也向长波延伸。

60年代研制出的电子轰击硅靶(EBS)摄像管和二次电子电导(SEC)摄像管与像增强器耦合产生第一代微光摄像管。

80年代以来，由于电荷耦合器件(CCD)的发展，不断涌现新的微光摄像器件。

像增强器通过光纤面板与CCD耦合，做成了固态自扫描微光摄像组件，和以它为核心的新型微光电视。

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5*104～105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。

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。

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。

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。

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。

2.微光夜视技术的应用
采用上述几代微光像增强器和物镜、目镜组合,并用人眼直接观察的系统称为微光直视系统。

与之并行发展的还有微光电视系统,通常采用微光像增强器和各种摄像管或CCD耦合组成。

微光电视是通过监视器进行夜间观察的,景物图像由监视器的荧光屏显示 ,所以可供多人同时观察,也可配用多个监视器供不同指挥层次观察。

由于监视器显示的图像面积大,可使人眼长时间观察而不疲劳。

微光电视的图像信号可以采用开路和闭路两种方法进行传输,监视器也可设置在任何希望的理想位置,因而具有较高的隐蔽性和机动性。

对微光电视运用图像处理技术,可滤除噪声,改善信噪比 ,提高反差和像质。

微光电视可广泛应用于夜间监视、观察、瞄准、驾驶、指挥、警戒、导航、投弹、着陆、火控、制导、跟踪、遥感、遥测,以及侦察摄影和水下作业等领域。

在军事上，微光夜视技术已实用于夜间侦查、瞄准、车辆驾驶、光电火控和其它战场作业，并可与红外、激光、雷达等技术结合，组成完整的光电侦查、测量和警告系统。

在其他上，可用于远程目标（ 100km的卫、导弹）预警的微光图像光子计数器技术；脉冲选通观察微光像增强器；光寻址微通道空间光调制器；GaAs阴极强电流脉冲激光（激光武器）国外己达到1802
/
A cm、35MW微波输出；与以上相应各类微光夜视器件配套的高增益、长寿命、低噪声、大电流MCP技术,如长寿命、低噪声MCP技术；高增益、大电流、宽动态MCP技术高增益、高分辨、低噪声弯曲MCP技术等。

热成像技术
1.热成像技术的发展
20世纪40年代德国率先开始研究热成像技术，但第一个热成像系统却是美国德克萨斯仪器公司于20世纪50年代研制成功的。

它利用振动反射镜连续扫描一个场景，然后将扫描的图像传送到固定的探测器上。

早期的热成像系统存在电噪声问题，因此图像不清晰。

第一代红外热像技术
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。

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。

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320*240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。

在热成像制冷方面发展
1964年取得了技术突破，美军研制成功了制冷式前视红外系统，将红外探测器冷却至-196℃，使电噪声降至最小，从而提高了灵敏度，图像也清晰了许多。

1972年，德克萨斯仪器公司的工程师们研制出了通用型模块化（制冷式）前视红外系统。

1978年非制冷式热成像技术研制成功，并向美国陆军作了演示。

省去了制冷的必需品，确实是一个较大的突破，使可靠性和使用寿命
都得到了提高。

同时，也大大地降低了成本和复杂性。

为了进一步降低热成像系统的成本和体积，以使该系统能手持或安装在轻武器上，20世纪80年代中期，美国陆军研制出第一个依靠电池工作的非制冷式武器瞄准具。

1992年，监视探测器及依靠电池工作的武器瞄准具---低成本非制冷式探测器样机系统研制成功。

1993年，第一台商业型非制冷式热成像样机在市场上展出。

1995年，德克萨斯仪器公司为商业用户生产出第一个非制冷式热成像系统产品家族---“夜视瞄具”（NightSightTM），并交付使用。

较低成本的夜视瞄具探测器的投入使用，使先进的热成像技术首次应用于执法部门和商业用户。

目前，该产品家族包括200系列可移动式或固定式摄像机，手持式PalmIR250热成像仪，微型W1000瞄具及驾驶员视力增强器（目前已是布雷德利战车上的标准功能部件）。

无论在白天、夜晚或其他许多气候条件下，热成像系统的观察能力都比人眼要强得多。

你可以在全黑的环境下看清目标。

由于它们探测的是热，所以它的应用范围比像增强仪要广得多。

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。

2.热成像技术的应用
红外热成像在医学上的应用：
专业医生可以结合临床对患者全身情况进行全面系统的分析，克服了其他诊断技术局限于某个局部的片面性。

现在应用远红外热像技术已经能够检测炎症、肿瘤、结石、血管性疾病、神经系统、亚健康等100余种病症，涉及人体各个系统的常见病和
多发病。

许多影像学仪器或多或少对人体都有不同程度的伤害，而远红外热成像诊断不会产生任何射线，无需标记药物。

因此，对人体不会造成任何伤害，对环境不会造成任何污染，而且简便经济。

远红外热成像技术实现了人类追求绿色健康的梦想，人们形象地将该技术称为“绿色体检”。

与X光、B超、CT等影像技术相比，远红外热成像检测最重要的一个优势就是早期预警。

X光、B超、CT等技术虽各具特点，但它们只有在疾病形成之后才能发现，而疾病在出现组织结构和形态变化之前，细胞代谢会发生异常，人体会发生温度的改变，温度的高低、温场的形状、温差的大小可反映疾病的部位、性质和程度。

远红外热成像技术根据人体温度的异常发现疾病，因此能够在肌体没有明显体征情况下解读出潜在的隐患，更早地发现问题。

有资料显示，远红外热图比结构影像可提前半年乃至更早发现病变，为疾病的早期发现与防治赢得宝贵的时间。

红外热成像在消防中的应用
在大面积的森林中，火灾往往是由不明显的隐火引发的。

这是毁灭性火灾的根源，用现有的普通方法，很难发现这种隐性火灾苗头。

然而用飞机巡逻，采用红外热成像仪，则可以快速有效地发现这些隐火，把火灾消灭在最初。

红外热像仪还可以用来探测电气设备的不良接触，以及过热的机械部件，以免引起严重短路和火灾。

红外热成像在安全防范中的应用
外热成像仪因其有的特点功能，已广泛应用于安全防范系统中，成为安全监控系统中的明星。

红外热成像仪具有隐蔽式探测功能，它不需要可见光，可以使犯罪份子不知其工作地点和存在，因而产生错误判断，导致犯罪行为被揭。

在一些非常重要的单位，例如：重要的行政中心、银行的金库、机要室、军事要地、监狱等地，特别使用于这种红外热成像仪，它可以24小时处于运行状态，并随时对背景资料进行分析，一旦发生变化，可以及时发出警报，并可以通过智能设备的处理，自动对有关情况进行处理，并随时将情况上报，取得进一步的处理意见。

对于这些特殊重要部门，其防范的灵敏度大大高于其他防范系统，例如在这些单位下了班，只要有人在里面隐藏，系统就会发生报警信号。

红外热成像在军事中的应用
红外热成像装置和系统已作为军用物资装备部队，用于侦察、监视、观察、跟踪、瞄准和导航等用途。

进入90年代后，各国军方面对现代战争和未来信息战要求的新形势，对热成像技术提出了更高的要求。

希望今后制作的红外热成像装置和系统要具有更佳的性能，如更小的体积和更轻的质量、更高的分辨率和灵敏度、更远的作用距离、更加低廉的价格等。

为此，欧美等国为延长第一代红外热成像装置和系统的服役年限，目前正在利用先进技术改造第一代红外热成像装置和系统。

同时继续开发第二代热成像技术新产品，拓展其应用范围。

红外热成像一些产品
福禄克热成像仪热成像侦查搜救系统
夜视热成像器材微光夜视望远镜
微光图像和红外图像的融合
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。

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。

四、参考文献
[1]张河主编.《探测与识别技术》北京理工大学出版社.2005.2
[2]周立伟主编.《目标探测与识别》北京理工大学出版社.2005
[3]威拉德森∙R∙K,比尔∙A∙C著，红外探测器.激光与红外编辑组译.北京：国防工业出版社，1973。