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(dòng)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(lái)，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(guò)了三代的歷程,，它以接收景物自身各部分輻射的紅外線來(lái)進(jìn)行探測(cè)，與微光成像技術(shù)相比,，具有穿透煙塵能力強(qiáng),、可識(shí)別偽目標(biāo)、可晝夜工作等特點(diǎn),?？梢哉f(shuō)，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(jì)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(jí)單管可實(shí)現(xiàn)約50倍亮度增益,，通過(guò)三級(jí)級(jí)聯(lián),，增益可達(dá)5x104～105倍。第一代微光夜視技術(shù)屬于被動(dòng)觀察方式,，其特點(diǎn)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(chǎng)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(diǎn)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(jí)微光管中,。裝有1個(gè)MCP的一級(jí)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(jí)級(jí)聯(lián)第一代微光管,；同時(shí)，MCP微通道板內(nèi)壁實(shí)際上是具有固定板電阻的連續(xù)打拿級(jí),，因此,，在恒定工作電壓下，有強(qiáng)電流輸入時(shí),，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(guó)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(zhǎng)了3倍，對(duì)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(zhǎng)壽命、高增益MCP技術(shù)等,，又為發(fā)展第四代微光管和長(zhǎng)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(shì)
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(diǎn)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(duì)簡(jiǎn)單,，價(jià)格相對(duì)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(lái),，微光管的設(shè)計(jì)者從MCP中去除離子壁壘膜以得到無(wú)膜的微光管,，同時(shí)增加1個(gè)自動(dòng)門開(kāi)關(guān)電源，以控制光電陰極電壓的開(kāi)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(jué)性能。1998年Litton公司首先研制成功無(wú)膜MCP的成像管,，在目標(biāo)探測(cè)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(wú)膜MCP,、光電陰極與MCP間采用的自動(dòng)脈沖門控電源及無(wú)暈成像技術(shù)等,。這種無(wú)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(diǎn),。
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(chǎng)頻較低,，只限于小范圍應(yīng)用,。直到20世紀(jì)70年代中長(zhǎng)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(kāi)始大量生產(chǎn)并裝備軍隊(duì),。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(jì)的熱像儀,。
美國(guó)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(chǎng)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(duì)應(yīng)地顯示每幀的圖像。在歐洲,，以英國(guó)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(cè)器為基礎(chǔ)構(gòu)成了英國(guó)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(cè)器陣列,，可得到更大張角的視場(chǎng),，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(cè)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(gè)數(shù)量級(jí)。目前,，3μm-5μm焦平面探測(cè)器的單元靈敏度又比8μm-14μm探測(cè)器高2～3倍左右,。因而，基于320x240元的中波與長(zhǎng)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(cè)器在第三代焦平面熱成像技術(shù)中格外的重要,。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看,，高量子效率,、高靈敏度、覆蓋中波和長(zhǎng)波的HgCdTe焦平面探測(cè)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(shì)
紅外技術(shù)的發(fā)展以紅外探測(cè)器的發(fā)展為標(biāo)志,，可以從紅外探測(cè)器的發(fā)展來(lái)推斷其發(fā)展趨勢(shì)。
(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(shí)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(shí)實(shí)現(xiàn)不同波長(zhǎng)的多光譜成像探測(cè),，成倍擴(kuò)大系統(tǒng)信息量,，成為目標(biāo)識(shí)別和光電對(duì)抗的有效手段,。
(3)探測(cè)器在焦平面上實(shí)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(shí)現(xiàn)智能化,。
(4)提高探測(cè)器工作溫度，高性能室溫紅外探測(cè)器和焦平面器件是發(fā)展重點(diǎn)之一,，不需要制冷器,，將會(huì)使整機(jī)更精巧、更可靠,，從而實(shí)現(xiàn)全固體化,。
(5)提高成品率，降低價(jià)格,。
4 夜視技術(shù)的未來(lái)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(shí)全天候工作。
(2)隨著計(jì)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(shí)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(guò)偽裝,，探測(cè)出隱蔽的熱目標(biāo),，甚至能識(shí)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(jià)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(shí)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(cè)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(shì),?？梢?jiàn)光的存在是有條件的，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(wú)處不在。目前,，在近距離夜視方面,，由于微光夜視儀價(jià)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(jià)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(shí)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(diǎn)研究之一。
微光圖像的對(duì)比度差,，灰度級(jí)有限,，瞬間動(dòng)態(tài)范圍差，高增益時(shí)有閃爍,，只敏感于目標(biāo)場(chǎng)景的反射,，與目標(biāo)場(chǎng)景的熱對(duì)比無(wú)關(guān)。而紅外圖像的對(duì)比度差,，動(dòng)態(tài)范圍大,，但其只敏感于目標(biāo)場(chǎng)景的輻射,，而對(duì)場(chǎng)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(chǎng)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(cè)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(shí)別性能,，減小操作者的疲勞感,。