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红外光学系统--红外夜视仪
来源:本站   编辑:管理员   时间:2011-04-17   浏览:13288

夜间可见光很微弱,但人眼看不见的红外线却很丰富。红外夜视仪可以帮助人们在夜间进行观察、搜索、瞄准和驾驶车辆。红外夜视仪是利用光电转换技术的军用夜视仪器。它分为主动式和被动式两种:前者用红外探照灯照射目标,接收反射的红外辐射形成图像;后者不发射红外线,依靠目标自身的红外辐射形成 “热图像”,故又称为“热像仪”。尽管人们很早就发现了红外线,但受到红外元器件的限制,红外遥感技术发展很缓慢。直到1940年德国研制出硫化铅和几种红外透射材料后,才使红外遥感仪器的诞生成为可能。此后德国首先研制出主动式红外夜视仪等几种红外探测仪器,但它们都未能在第二次世界大战中实际使用。几乎同时,美国也在研制红外夜视仪,虽然试验成功的时间比德国晚,但却抢先将其投入实战应用。1945年夏,美军登陆进攻冲绳岛,隐藏在岩洞坑道里的日军利用复杂的地形,夜晚出来偷袭美军。于是美军将一批刚刚制造出来的红外夜仪紧急运往冲绳,把安有红外夜视仪的枪炮架在岩洞附近,当日军趁黑夜刚爬出洞口,立即被一阵准确的枪炮击倒。洞内的日军不明其因,继续往外冲,又糊里糊涂地送了命。红外夜视仪初上战场,就为肃清冲绳岛上顽抗的日军发挥了重要作用。

图1. 夜视仪产品

主动式红外夜视仪具有成像清晰、制作简单等特点,但它的致命弱点是红外按照灯的红外光会被敌人的红外探测装置发现。60年代,美国首先研制出被动式的热像仪,它不发射红外光,不易被敌发现,并具有透过雾、雨等进行观察的能力。

1982年4月-6月,英国和阿根廷之间爆发马尔维纳斯群岛战争。4月13日半夜,英军攻击承军据守的最大据点斯坦利港。3000名英军布设的雷区,突然出现在阿军防线前。英国的所有枪支、火炮都配备了红外夜视仪,能够在黑夜中清楚地发现阿军目标。而阿军却缺少夜视仪,不能发现英军,只有被动挨打的份。在英军火力准确的打击下,阿军支持不住,英军趁机发起冲锋。到黎明时,英军已占领了阿军防线上的几个主要制高点,阿军完全处于英军的火力控制下。6月14日晚9时,14000名阿军不得不向英军投降。英军领先红外夜视器材赢得了一场兵力悬殊的战斗。

1991年海湾战争中,在风沙和硝烟弥漫的战场上,由于美军装备了先进的红外夜视器材,能够先于伊拉克军的坦克而发现对方,并开炮射击。而伊军只是从美军坦克开炮时的炮口火光上才得知大敌在前。由此可以看出红外夜视器材在现代战争中的重要作用。

提到夜视仪,多数人想到的是图像增强技术。事实上,图像增强系统一般称为夜视设备(NVD)。NVD内有一种图像增强管,可以用来采集、放大红外线及可见光。 以下是图像增强系统的工作原理:

1.用一种特制的透镜,能够将视野内物体发出的红外线会聚起来。

2.红外线探测器元上的相控阵能够扫描会聚的光线。探测器元能够生成非常详细的温度样式图,称为温谱图。大约只需1/30秒,探测器阵列就能获取温度信息,并制成温谱图。这些信息是从探测器阵列视域场中数千个探测点上获取的。

3.探测器元生成的温谱图被转化为电脉冲。

4.这些脉冲被传送到信号处理单元——一块集成了精密芯片的电路板,它可以将探测器元发出的信息转换为显示器能够识别的数据。

5.信号处理单元将信息发送给显示器,从而在显示器上呈现出各种色彩,色彩强度由红外线的发射强度决定。将从探测器元传来的脉冲组合起来,就生成了图像。

 

NVD已有40多年的历史。这些产品可分为几代。NVD技术发展道路上的每一次重大突破都会催生新一代产品。

最早一代——最早的夜视系统由美国军方研制,它们被应用在第二次世界大战和朝鲜战争的战场上,这些NVD系统采用主动红外线技术。这意味着NVD上须附有一个称为红外辐射源的发射单元。该单元能发射出一束近红外线,类似于普通闪光灯发出的光束。这种光束不能为肉眼所见,它们会从物体上反射出来,然后返回NVD的透镜。这种系统使阳极与阴极相连,以便对电子进行加速。这种方法的问题是,电子加速会使图像扭曲,而且还会大大缩减管道的寿命。这项技术最早用于军事中时,还存在一个重要问题:敌方在短时间内就能仿制出这种系统,这使得敌军士兵也可以用它们的NVD系统观测到设备发射出的红外光束。

第一代——这一代NVD放弃了主动红外技术,转而采用了被动红外线技术。这种NVD能够利用月亮和星星发出的环境光线放大周围的反射红外线,因而曾被美军称为星光。这意味着它们不需要红外线发射源。这也意味着在多云或没有月亮的夜晚时,它们的工作效果不是很好。第一代NVD采用与第0代相同的图像增强管技术,同样靠阴极和阳极进行电子加速,所以仍然存在图像扭曲和管道寿命较短的问题。

第二代——图像增强管技术的重大进步催生了第二代NVD。它们的分辨率比第一代设备更高,性能更为出色,可靠性也更好。第二代技术最大的收获是,它们具备了在极弱的光线条件下(例如在一个没有月亮的夜晚)生成图像的能力。敏感度得以增加,是因为图像增强管附加了微通道板。由于MCP能够增加电子数目而非仅对原有电子加速,所以图像扭曲的程度显著下降,而亮度也高于前几代NVD。

第三代——目前美军采用第三代技术。尽管其原理与第二代相比并无本质区别,但这一代NVD的分辨率和敏感度要更好。这是因为其光电阴极由砷化镓制成,这种物质有助于提高光子转化为电子的效率。另外,MCP上还覆有一个离子壁垒层,能够有效地增加管道寿命。

第四代——通常我们提到的第四代技术亦称“无胶片门限”技术,总体上讲,这一代系统的性能在强光和弱光两种环境中都有较大幅度的改善。

MCP去除了第三代技术加入的离子壁垒,因而背景噪声有所降低,同时信噪比得以提升。去除离子胶片在自动门限供电系统的引入,使得光电阴极的电压能够迅速地接通和切断,从而让NVD能够对发光条件的波动做出即时反应。这项技术的进步对于NVD系统来说具有关键意义,具备了这种能力,用户可以迅速从强光环境转移到弱光环境(或从弱光环境到强光环境),而图像不会产生任何颠簸。举例来说,请想象一个随处可见的电影场景:一名特工在使用夜视仪目镜时,如果有人打开了附近的电灯,他就会“失明”。有了最新的门限电源技术,光线条件的变化不会产生这样的恶果,改进的NVD系统能够立即对光环境的变化做出反应。

一般来讲,夜视仪的用途包括:军用、执法、狩猎、野外观察、监视、安全、导航、隐蔽目标观测、娱乐。

图2. 夜间使用夜视仪观察到的图像

 

夜视仪最早被用来在夜间对敌方目标进行定位。目前军队系统仍然大范围地使用夜视仪,除了上述用途以外,还包括导航、监视、瞄准等用途。警方和安全部门经常使用热成像和图像增强这两种技术,特别是用它们进行监视。猎手和热爱大自然的旅人们依靠NVD,就能在夜间驾轻就熟地穿过森林。

侦探和私家侦探会利用夜视仪探查人们是否有不轨行为。不少商业机构也会利用安装在固定位置的夜视摄像头监测周围环境。

热成像技术真正令人惊奇的是,它能够揭示出一个地区有没有人类活动过的痕迹 ——即便四周没有任何肉眼可见的明显标记,它还是能告诉我们,一块土地曾被挖开并填埋过一些东西。执法部门也能借此发现一些罪犯企图隐瞒的事证,包括赃款、毒品以及尸体等。此外,利用热成像技术能发现某些区域(如墙壁)最近发生的变化,这能为一些案件提供重要线索。

很多人已经开始探索夜幕下的神奇世界。如果您准备痛痛快快地搞一次野营或狩猎活动,或许夜视设备能对您的旅程有所帮助——不过请务必挑选适合您的类型。

 

资料来源: http://baike.baidu.com/view/347730.htm#sub347730