基于微光與紅外的夜視技術
發(fā)布時間:2007/4/23 0:00:00 訪問次數(shù):440
摘要:以像增強器為主線概述微光成像技術,以紅外探測器為主線概述紅外熱成像技術,分別介紹各自的發(fā)展歷程、技術特點和發(fā)展趨勢,并對這二種夜視技術進行了比較,最后介紹微光圖像和紅外圖像的融合技術。
1 引言
始于20世紀60年代的微光夜視技術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、交通等領域得到廣泛的應用。近年來,微光夜視技術得到迅速發(fā)展,在第一代、第二代、第三代的基礎上,第四代技術應運而生。始于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(jīng)成為夜視技術的二大砥柱。
2 微光夜視技術及其發(fā)展
2.1 第一代微光夜視技術
20世紀60年代初,在多堿光陰極(Sb-Na-K-Cs)、光學纖維面板的發(fā)明和同心球電子光學系統(tǒng)設計理論的完善的基礎上,將這三大技術工程化,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5x104~105倍。第一代微光夜視技術屬于被動觀察方式,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);技術上兼顧并解決了光學系統(tǒng)的平像場與同心球電子光學系統(tǒng)要求有球面物(像)面之間的矛盾,成像質(zhì)量明顯提高。其缺點是怕強光,有暈光現(xiàn)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(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,有強電流輸入時,有恒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(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
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(fā)展第四代微光管和長波紅外光陰極像增強器等高技術產(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,而第二代又遠遠優(yōu)于第一代。
2.4 微光夜視技術的發(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,擴大裝備;進一步延伸新一代產(chǎn)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
超二代微光管采用與第三代微光近貼管結(jié)構大體相同的技術,主要技術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、集成電源以及結(jié)晶學、半導體本體特性等機理和工藝研究成果,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
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,并且改進了低暈成像技術,有助于增強在強光下的視覺性能。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間采用的自動脈沖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(fā)展
3.1 第一代紅外熱像技術
熱成像技術的發(fā)展始于上世紀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計的熱像儀。
美國發(fā)展的是60元、120元與180元光導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)光二極管對應地顯示每幀的圖像。在歐洲,以英國的熱像儀為代表采用
摘要:以像增強器為主線概述微光成像技術,以紅外探測器為主線概述紅外熱成像技術,分別介紹各自的發(fā)展歷程、技術特點和發(fā)展趨勢,并對這二種夜視技術進行了比較,最后介紹微光圖像和紅外圖像的融合技術。
1 引言
始于20世紀60年代的微光夜視技術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、交通等領域得到廣泛的應用。近年來,微光夜視技術得到迅速發(fā)展,在第一代、第二代、第三代的基礎上,第四代技術應運而生。始于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?梢哉f,微光成像技術和紅外熱成像技術已經(jīng)成為夜視技術的二大砥柱。
2 微光夜視技術及其發(fā)展
2.1 第一代微光夜視技術
20世紀60年代初,在多堿光陰極(Sb-Na-K-Cs)、光學纖維面板的發(fā)明和同心球電子光學系統(tǒng)設計理論的完善的基礎上,將這三大技術工程化,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5x104~105倍。第一代微光夜視技術屬于被動觀察方式,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);技術上兼顧并解決了光學系統(tǒng)的平像場與同心球電子光學系統(tǒng)要求有球面物(像)面之間的矛盾,成像質(zhì)量明顯提高。其缺點是怕強光,有暈光現(xiàn)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(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,有強電流輸入時,有恒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(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
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(fā)展第四代微光管和長波紅外光陰極像增強器等高技術產(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,而第二代又遠遠優(yōu)于第一代。
2.4 微光夜視技術的發(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,擴大裝備;進一步延伸新一代產(chǎn)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
超二代微光管采用與第三代微光近貼管結(jié)構大體相同的技術,主要技術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、集成電源以及結(jié)晶學、半導體本體特性等機理和工藝研究成果,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
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,并且改進了低暈成像技術,有助于增強在強光下的視覺性能。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間采用的自動脈沖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(fā)展
3.1 第一代紅外熱像技術
熱成像技術的發(fā)展始于上世紀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計的熱像儀。
美國發(fā)展的是60元、120元與180元光導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)光二極管對應地顯示每幀的圖像。在歐洲,以英國的熱像儀為代表采用