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)、可識別偽目標(biāo),、可晝夜工作等特點,。可以說,，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,。其一級單管可實現(xiàn)約50倍亮度增益,，通過三級級聯(lián)，增益可達(dá)5x104～105倍,。第一代微光夜視技術(shù)屬于被動觀察方式,，其特點是隱蔽性好、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)明并將其引入單級微光管中。裝有1個MCP的一級微光管可達(dá)到104—105亮度增益,，從而替代了原有的體積大,、笨重的三級級聯(lián)第一代微光管；同時,，MCP微通道板內(nèi)壁實際上是具有固定板電阻的連續(xù)打拿級,，因此，在恒定工作電壓下,，有強(qiáng)電流輸入時,，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,，由于工藝相對簡單，價格相對較低,，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)計者從MCP中去除離子壁壘膜以得到無膜的微光管,，同時增加1個自動門開關(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,。
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,。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個數(shù)量級,。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)可同時實現(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)識別和光電對抗的有效手段,。
(3)探測器在焦平面上實現(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)實現(xiàn)智能化。
(4)提高探測器工作溫度,，高性能室溫紅外探測器和焦平面器件是發(fā)展重點之一,，不需要制冷器，將會使整機(jī)更精巧,、更可靠,，從而實現(xiàn)全固體化。
(5)提高成品率,，降低價格,。
4 夜視技術(shù)的未來發(fā)展
4．1 紅外熱成像技術(shù)與徽光成像技術(shù)的比較
由于工作原理不同，紅外熱成像技術(shù)與微光成像技術(shù)各有利弊,。
(1)紅外熱成像系統(tǒng)不象微光夜視儀那樣借助夜光,，而是靠目標(biāo)與背景的輻射產(chǎn)生景物圖像，因此紅外熱成像系統(tǒng)能24小時全天候工作,。
(2)隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,，很多紅外熱成像系統(tǒng)具有完整的軟件系統(tǒng)以實現(xiàn)圖像處理、圖像運(yùn)算等功能,，圖像質(zhì)量大大改善,。
(3)紅外輻射比微光的光輻射具有更強(qiáng)的穿透霧、霾,、雨,、雪的能力，因而紅外熱成像系統(tǒng)的作用距離更遠(yuǎn),。
(4)紅外熱成像能透過偽裝,，探測出隱蔽的熱目標(biāo)，甚至能識別出剛離去的飛機(jī)和坦克等所留下的熱跡輪廓,。
(5)微光夜視儀圖像清晰,、體積小、重量輕,、價格低,、使用和維修方便、不易被電子偵察和干擾,，所以應(yīng)用范圍廣,。
(6)微光夜視儀的響應(yīng)速度快，利用光電陰極像管可實現(xiàn)高速攝影,。
(7)一般微光成像面為連續(xù)靶面,，期間的分辨率很高，目前最高達(dá)到90lp／ⅡHn,。相當(dāng)于l 600以上的電視行,。
(8)微光夜視頻譜響應(yīng)向短波范圍擴(kuò)展的潛力大,，包括高能離子、x射線,、紫外線,、藍(lán)綠光景物的探測成像基本上都是基于外光電轉(zhuǎn)換、增強(qiáng),、處理,、顯示等微光成像技術(shù)原理口。
從學(xué)科和技術(shù)發(fā)展的角度看,，紅外技術(shù)有一定優(yōu)勢,?？梢姽獾拇嬖谑怯袟l件的,，而任何物體都是紅外源，都在不停地輻射紅外線,，所以紅外技術(shù)的應(yīng)用將無處不在,。目前，在近距離夜視方面,，由于微光夜視儀價格低廉,，圖像質(zhì)量也較好，仍然占據(jù)主要地位,。隨著紅外器件價格的降低,，紅外熱像儀必將大有作為。而在遠(yuǎn)距離夜視方面,，紅外熱像儀的作用更為突出,。
4．2 微光圖像和紅外圖像的融合
在微光與紅外技術(shù)各自不斷進(jìn)展的時期，考慮到二者的互補(bǔ)性,，在不增加現(xiàn)有技術(shù)難度的基礎(chǔ)上,，如何將微光圖像與紅外圖像融合以獲取更好的觀察效果，成為當(dāng)前夜視技術(shù)發(fā)展的熱點研究之一,。
微光圖像的對比度差,，灰度級有限，瞬間動態(tài)范圍差,，高增益時有閃爍,，只敏感于目標(biāo)場景的反射，與目標(biāo)場景的熱對比無關(guān),。而紅外圖像的對比度差,，動態(tài)范圍大，但其只敏感于目標(biāo)場景的輻射,，而對場景的亮度變化不敏感,。二者均存在不足之處,。隨著微光與紅外成像技術(shù)的發(fā)展，綜合和發(fā)掘微光與紅外圖像的特征信息,，使其融合成更全面的圖像已發(fā)展成為一種有效的技術(shù)手段,。夜視圖像融合能增強(qiáng)場景理解、突出目標(biāo),，有利于在隱藏,、偽裝和迷惑的軍用背景下更快更精確地探測目標(biāo)。將融合圖像顯示成適合人眼觀察的自然形式,，可明顯改善人眼的識別性能,，減小操作者的疲勞感。