夜視技術中的微光成像和紅外熱成像技術對比分析

1 引言

始於20世紀60年代的微光夜視技術靠夜裡自然光照明景物，以被動方式工作，自身隱蔽性好，在軍事、安全、交通等領域得到廣泛的應用。近年來，微光夜視技術得到迅速發展，在第一代、第二代、第三代的基礎上，第四代技術應運而生。始於20世紀50年代的紅外熱成像技術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行探測，與微光成像技術相比，具有穿透煙塵能力強、可識別偽目標、可晝夜工作等特點。可以說，微光成像技術和紅外熱成像技術已經成為夜視技術的二大砥柱。

2 微光夜視技術及其發展

2.1 第一代微光夜視技術

20世紀60年代初，在多鹼光陰極 (Sb-Na-K-Cs)、光學纖維面板的發明和同心球電子光學系統設計理論的完善的基礎上，將這三大技術工程化，研製成第一代微光管。其一級單管可實現約50倍亮度增益，通過三級級聯，增益可達5x104～105倍。第一代微光夜視技術屬於被動觀察方式，其特點是隱蔽性好、體積小、重量小、成品率高，便於大批量生產；技術上兼顧並解決了光學系統的平像場與同心球電子光學系統要求有球面物(像)面之間的矛盾，成像質量明顯提高。其缺點是怕強光，有暈光現象。

2.2 第二代微光夜視技術

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)的發明並將其引入單級微光管中。裝有1個MCP的一級微光管可達到104—105亮度增益，從而替代了原有的體積大、笨重的三級級聯第一代微光管；同時，MCP微通道板內壁實際上是具有固定板電阻的連續打拿級，因此，在恆定工作電壓下，有強電流輸入時，有恆定輸出電流的自飽和效應，此效應正好克服了微光管的暈光現象；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微光夜視裝備的主體。

2.3 第三代微光夜視技術

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)夜晚的目標視距延伸了50％-100％。第三代微光器件的工藝基礎是超高真空、NEA表面激活，雙近貼、雙銦封、表面物理、表面化學和長壽命、高增益MCP技術等，又為發展第四代微光管和長波紅外光陰極像增強器等高技術產品創造了良好的條件。

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於第二代，而第二代又遠遠優於第一代。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/160661.htm

2.4 微光夜視技術的發展趨勢

微光夜視器件的研究方向是致力於提高已有的幾代產品的性能，降低成本，擴大裝備；進一步延伸新一代產品的紅外響應和提高器件的靈敏度。

2.4.1 超二代微光夜視技術

超二代微光管採用與第三代微光近貼管結構大體相同的技術，主要技術特點是將高靈敏度的多鹼光電陰極引入到第二代微光管中，並借用第三代微光MCP、管結構、集成電源以及結晶學、半導體本體特性等機理和工藝研究成果，其成像質量大幅度提高，由於工藝相對簡單，價格相對較低，因而成為目前的主流產品。

2.4.2 第四代徽光夜視技術

近來，微光管的設計者從MCP中去除離子壁壘膜以得到無膜的微光管，同時增加1個自動門開關電源，以控制光電陰極電壓的開關速度，並且改進了低暈成像技術，有助於增強在強光下的視覺性能。1998年Litton公司首先研製成功無膜MCP的成像管，在目標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。其關鍵技術涉及到新型高性能無膜MCP、光電陰極與MCP間採用的自動脈衝門控電源及無暈成像技術等。這種無膜的BCG-MCPIV代微光管技術雖然剛剛起步，但良好的性能使其必然成為本世紀微光像增強技術領域的新熱點。

3 紅外成像技術及其發展

3.1 第一代紅外熱像技術

熱成像技術的發展始於上世紀50年代，起初只能研製出基於單元器件的熱像儀，場頻較低，只限於小範圍應用。直到20世紀70年代中長波碲鎘汞(MCT)材料與光導型多元線列器件工藝成熟之後，熱像儀才開始大量生產並裝備軍隊。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計的熱像儀。

美國發展的是60元、120元與180元光導線列器件並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，並分別由同步掃描的60元、120元和180元發光二極體對應地顯示每幀的圖像。在歐洲，以英國的熱像儀為代表採用了串並掃體制。它以掃積型光導MCT探測器為基礎構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、解析度與普通電視相同的熱像儀。不論串掃、並掃或串並掃體制的熱像儀都需要光機掃描。因此，此類熱像儀統稱為第一代熱像儀。

3.2 第二代紅外熱像技術

最近，正在大力發展不用光機掃描而用紅外焦平面陣列(IRFPA)器件成像的熱像儀。由於去掉了光機掃描，這種用大規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。在俯仰方向可有數百元以上的探測器陣列，可得到更大張角的視場，還可採用特殊的掃描機構，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、非製冷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

第三代紅外熱像技術採用的紅外焦平面探測器單元數已達到320x240元或更高(即105-106)，其性能提高了近3個數量級。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，基於320x240元的中波與長波熱像儀的總體性能指標相差不大，所以3μm- 5μm焦平面探測器在第三代焦平面熱成像技術中格外的重要。從長遠看，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展的首選。

3．4 紅外技術的發展趨勢

紅外技術的發展以紅外探測器的發展為標誌，可以從紅外探測器的發展來推斷其發展趨勢。

(1)紅外焦平面器件發展到高密度、快響應、元數達到106—10。元以上的大規模集成器件，由二維向三維多層次結構發展，在應用上就可以實現高清晰度熱像儀，極大地縮小整機體積，增強功能。

(2)雙色、多色紅外器件的發展使整機可同時實現不同波長的多光譜成像探測，成倍擴大系統信息量，成為目標識別和光電對抗的有效手段。

(3)探測器在焦平面上實現神經網絡功能，按程序進行邏輯處理，使紅外整機實現智能化。