熱視覺和紅外成像技術提高近地作戰軍隊作戰能力

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熱視覺和紅外成像技術提高近地作戰軍隊作戰能力

發表於 2019-01-02 09:13:37

據麥姆斯諮詢報導，美國國防部部長James Mattis近日強烈表示：「我們一直在致力於提高我國近地作戰軍隊的戰備、殺傷力、生存能力和靈活性。」儘管美國軍方在軍事實力方面仍然保持著世界強國的優勢，但與幾十年前相比，這種差距也正在慢慢縮小。為了實現作戰人員的「超能力」，如今的軍隊不僅要不斷擴充作戰人才，還必須要增強設備和技術的現代化。目前軍方正為實現「超能力」進行現代化的一項技術為夜視技術，具體來說，就是在低光照或無光照下作戰的能力。雖然傳統上作戰人員更依賴於圖像增強技術，並且目前看來這項技術仍然是作戰關鍵技術之一，但在使用多波長紅外傳感器的士兵系統中，需要繼續進行重大的技術改進。

圖像增強設備：非紅外夜視是如何工作的？

傳統的圖像增強（Image Intensified，簡稱II）設備工作原理是先將極低水平的可見光光子轉換為電子，然後放大這些電子，再將電子轉換回光子。來自低光源的光子進入物鏡，物鏡將圖像聚焦到光電陰極管上。當入射光子撞擊光電陰極時，光電陰極再通過光電效應釋放電子。電子通過高壓電勢加速進入微通道板（Microchannel Plate，MCP）。每個撞擊MCP的高能電子都會使MCP釋放出更多電子，這一過程稱為二級聯射。MCP由成千上萬甚至數百萬個微導電通道組成，這些通道再通過組成一定角度來實現更多的電子碰撞，並能夠在受控的電子雪崩過程中發射二次電子。本質上講，MCP其實是光放大器，但至少需要一些光才能工作。

在II設備的示意圖中（上圖），來自低光源的光子進入物鏡（左）並撞擊光電陰極（灰色）。光電陰極通過光電效應釋放電子。微通道板（紅色）可通過二級聯射增加電子數。最後這些電子撞擊螢光屏（綠色），產生光子，可通過右側的透鏡觀察。
 

圖像增強設備之優缺點II

設備是美軍作戰的主力傳感器，幾乎用於各個軍事領域。弱光增強設備在近零光照條件下可提供出色的夜視圖像，有效解析度高達1300萬像素，成本相對較低且功耗極低，能夠在小型電池上長時間運行。然而，該管線設備缺點是體積大且笨重，又因為是模擬信號，很難適應數字戰場。雖然在數字低光傳感器方面人們已經進行了大量工作，但是要以低功率和低成本實現管線設備的性能還有很長的路要走。就近期來說，該技術可能還是站不住腳的。目前，空軍部隊、特種部隊和陸地部隊通過多種配置使用II設備，包括單目護目鏡、熱融合（即增強型夜視鏡）、武器瞄準器等。

紅外傳感器

利用紅外光譜的傳感器在不斷發展，並為實現作戰人員的「超能力」做出了重大貢獻。紅外傳感器，特別是熱傳感器，近幾十年來一直是軍方作戰的關鍵技術之一；然而，該技術的局限性也限制了其應用的範圍。傳統上，傳感器體積大、耗電大，且價格昂貴。因此，他們僅用於最緊急的軍事任務，如消防或遠程監視。但是據悉，目前該技術的最新進展可以使紅外傳感器更廣泛地應用於更多任務中，隨著該技術的進一步發展，這將成為實現作戰人員「超能力」的關鍵組成部分。

短波、中波和長波紅外傳感器

紅外傳感器可根據他們探測到的波長分成幾類。紅外光譜與可見光光譜相近，可見光和紅外光的波長以光速傳播。然而，紅外光和可見光（我們的眼睛所看到的）的能量存在顯著差異。

電磁波譜，顯示SWIR、MWIR和LWIR輻射的波長範圍（圖片來源：FLIR）在大多數情況下，紅外光譜主要分為近紅外（NIR）、短波紅外（SWIR）、中波紅外（MWIR）和長波紅外（LWIR）。「熱像儀」利用MWIR或LWIR傳感器，探測從目標發射出的熱能。簡單地說，他們探測到的是熱而不是光。與圖像增強系統相比，這是顯著的優勢，因為II設備至少需要一定量的環境光才能工作。熱成像攝像頭無需可見光即可工作，因為它只探測從場景中的目標發出的熱量。當熱像儀首次開發並用於軍事領域中時，使用的傳感器主要是需要低溫冷卻至液氮溫度（77K或-200℃）的LWIR或MWIR傳感器。他們需要保持這一溫度以提高熱敏性並降低噪音。最初，這些系統包含單個或多個元件傳感器或線性陣列，並且還配備機械掃描設備用於「繪製」完整的熱像圖。這些組合在一起就形成了一臺非常複雜的設備，體積龐大且笨重、價格昂貴，並且會頻繁出現維護問題。而在當時的技術看來，人們還無法做到真正的可攜式系統。

使用熱成像設備拍攝的圖片

實用可攜式MWIR傳感器的研製

20世紀90年代初，隨著二維焦平面陣列系統的出現，該技術從基於掃描的系統發展到凝視系統。最初，這些焦平面陣列的解析度相對較低（128 x 128或256 x 256像素），每個像素都很大，為50μm或更大（相比之下，典型的消費類可見光CMOS傳感器的像素大小為1~3μm)。最初使用的傳感器是MWIR傳感器，由矽化鉑（PtSi）或銻化銦（InSb）等材料製成。他們必須被冷卻到同樣的溫度77K，但隨著更先進的機械冷卻器被開發出來，該技術又朝著正確的方向邁近了一步，創造了更便攜的系統，但這仍遠非理想狀態。

20世紀90年代的LWIR技術突破

MWIR適合於多種應用，但並非所有應用都適用。LWIR是眾多地面軍事應用的首選。由於在較低的溫度下LWIR通量較大，所以LWIR在通過大氣時更清晰。最重要的是，LWIR比MWIR能夠更好地穿透煙霧、灰塵和戰場障礙物。然而，在20世紀90年代，由於沒有實用的二維LWIR傳感器，因此也沒有實用的LWIR解決方案。因此，軍方僅限於使用LWIR的掃描設備。20世紀90年代末，微測輻射熱計技術開始解決LWIR在軍事應用中無法解決的問題。我們將在下一篇文章中詳細解釋微測輻射熱計技術的進步是如何讓LWIR傳感器在更多的作戰應用中得到更廣泛的應用。

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