基于微光与红外的夜视技术

摘要：以像增强器为主线概述微光成像技术，以红外探测器为主线概述红外热成像技术，分别介绍各自的发展历程、技术特点和发展趋势，并对这二种夜视技术进行了比较，最后介绍微光图像和红外图像的融合技术。
关键词：微光；红外；夜视技术；图像融合

1 引言
    始于20世纪60年代的微光夜视技术靠夜里自然光照明景物，以被动方式工作，自身隐蔽性好，在军事、安全、交通等领域得到广泛的应用。近年来，微光夜视技术得到迅速发展，在第一代、第二代、第三代的基础上，第四代技术应运而生。始于20世纪50年代的红外热成像技术也走过了三代的历程，它以接收景物自身各部分辐射的红外线来进行探测，与微光成像技术相比，具有穿透烟尘能力强、可识别伪目标、可昼夜工作等特点。可以说，微光成像技术和红外热成像技术已经成为夜视技术的二大砥柱。

2 微光夜视技术及其发展
2.1 第一代微光夜视技术
    20世纪60年代初，在多碱光阴极(Sb-Na-K-Cs)、光学纤维面板的发明和同心球电子光学系统设计理论的完善的基础上，将这三大技术工程化，研制成第一代微光管。其一级单管可实现约50倍亮度增益，通过三级级联，增益可达5x104～105倍。第一代微光夜视技术属于被动观察方式，其特点是隐蔽性好、体积小、重量小、成品率高，便于大批量生产；技术上兼顾并解决了光学系统的平像场与同心球电子光学系统要求有球面物(像)面之间的矛盾，成像质量明显提高。其缺点是怕强光，有晕光现象。

2.2 第二代微光夜视技术
    第二代微光夜视器件的主要特色是微通道板电子倍增器(MCP)的发明并将其引入单级微光管中。装有1个MCP的一级微光管可达到104—105亮度增益，从而替代了原有的体积大、笨重的三级级联第一代微光管；同时，MCP微通道板内壁实际上是具有固定板电阻的连续打拿级，因此，在恒定工作电压下，有强电流输入时，有恒定输出电流的自饱和效应，此效应正好克服了微光管的晕光现象；加之它的体积更小、重量更轻，所以，第二代微光夜视仪是目前国内微光夜视装备的主体。

2.3 第三代微光夜视技术
    第三代微光夜视器件的主要特色是将透射式GaAs光阴极和带Al2O3，离子壁垒膜的MCP引入近贴微光管中。与第二代微光器件相比，第三代微光器件的灵敏度增加了4倍-8倍，达到800μA/Im～2600μA/Im，寿命延长了3倍，对夜天光光谱利用率显著提高，在漆黑(10-4lx)夜晚的目标视距延伸了50％-100％。第三代微光器件的工艺基础是超高真空、NEA表面激活，双近贴、双铟封、表面物理、表面化学和长寿命、高增益MCP技术等，又为发展第四代微光管和长波红外光阴极像增强器等高技术产品创造了良好的条件。

    图1所示是用三代微光夜视仪在同样条件下分别获取的图像，从图中可明显看出第三代要优于第二代，而第二代又远远优于第一代。

2.4 微光夜视技术的发展趋势
    微光夜视器件的研究方向是致力于提高已有的几代产品的性能，降低成本，扩大装备；进一步延伸新一代产品的红外响应和提高器件的灵敏度。

2.4.1 超二代微光夜视技术
    超二代微光管采用与第三代微光近贴管结构大体相同的技术，主要技术特点是将高灵敏度的多碱光电阴极引入到第二代微光管中，并借用第三代微光MCP、管结构、集成电源以及结晶学、半导体本体特性等机理和工艺研究成果，其成像质量大幅度提高，由于工艺相对简单，价格相对较低，因而成为目前的主流产品。

2.4.2 第四代徽光夜视技术
    近来，微光管的设计者从MCP中去除离子壁垒膜以得到无膜的微光管，同时增加1个自动门开关电源，以控制光电阴极电压的开关速度，并且改进了低晕成像技术，有助于增强在强光下的视觉性能。1998年Litton公司首先研制成功无膜MCP的成像管，在目标探测距离和分辨力上有很大的提高，尤其是在极低照度条件下。其关键技术涉及到新型高性能无膜MCP、光电阴极与MCP间采用的自动脉冲门控电源及无晕成像技术等。这种无膜的BCG-MCPIV代微光管技术虽然刚刚起步，但良好的性能使其必然成为本世纪微光像增强技术领域的新热点。

3 红外成像技术及其发展
3.1 第一代红外热像技术
    热成像技术的发展始于上世纪50年代，起初只能研制出基于单元器件的热像仪，场频较低，只限于小范围应用。直到20世纪70年代中长波碲镉汞(MCT)材料与光导型多元线列器件工艺成熟之后，热像仪才开始大量生产并装备军队。热像仪的种类繁多，可大致分为二类：一类是通用组件化的热像仪；另一类是按特殊要求设计的热像仪。

    美国发展的是60元、120元与180元光导线列器件并扫的通用组件化热成像体制。它们的帧频与电视兼容，也是隔行扫描制，每场只有60行、120行和180行，并分别由同步扫描的60元、120元和180元发光二极管对应地显示每帧的图像。在欧洲，以英国的热像仪为代表采用了串并扫体制。它以扫积型光导MCT探测器为基础构成了英国的第二类通用组件热像仪。这是一种完全电视兼容、分辨率与普通电视相同的热像仪。不论串扫、并扫或串并扫体制的热像仪都需要光机扫描。因此，此类热像仪统称为第一代热像仪。

3.2 第二代红外热像技术
    最近，正在大力发展不用光机扫描而用红外焦平面阵列(IRFPA)器件成像的热像仪。由于去掉了光机扫描，这种用大规模焦平面成像的传感器被称为凝视传感器。它的体积小、重量轻、可靠性高。在俯仰方向可有数百元以上的探测器阵列，可得到更大张角的视场，还可采用特殊的扫描机构，用比通用热像仪慢得多的扫描速度完成360。全方位扫描以保持高灵敏度。这类器件主要包括InSb IRFPA、HgCdTeIRFPA、SBDFPA、非制冷IRFPA和多量子阱IRFPA等。此类热像仪被称为第二代热像仪。

3.3 第三代红外热像技术
    第三代红外热像技术采用的红外焦平面探测器单元数已达到320x240元或更高(即105-106)，其性能提高了近3个数量级。目前，3μm-5μm焦平面探测器的单元灵敏度又比8μm-14μm探测器高2～3倍左右。因而，基于320x240元的中波与长波热像仪的总体性能指标相差不大，所以3μm-5μm焦平面探测器在第三代焦平面热成像技术中格外的重要。从长远看，高量子效率、高灵敏度、覆盖中波和长波的HgCdTe焦平面探测器仍是焦平面器件发展的首选。

3．4 红外技术的发展趋势
    红外技术的发展以红外探测器的发展为标志，可以从红外探测器的发展来推断其发展趋势。

    (1)红外焦平面器件发展到高密度、快响应、元数达到106—10。元以上的大规模集成器件，由二维向三维多层次结构发展，在应用上就可以实现高清晰度热像仪，极大地缩小整机体积，增强功能。

    (2)双色、多色红外器件的发展使整机可同时实现不同波长的多光谱成像探测，成倍扩大系统信息量，成为目标识别和光电对抗的有效手段。

    (3)探测器在焦平面上实现神经网络功能，按程序进行逻辑处理，使红外整机实现智能化。

    (4)提高探测器工作温度，高性能室温红外探测器和焦平面器件是发展重点之一，不需要制冷器，将会使整机更精巧、更可靠，从而实现全固体化。

    (5)提高成品率，降低价格。

4 夜视技术的未来发展
4．1 红外热成像技术与徽光成像技术的比较
    由于工作原理不同，红外热成像技术与微光成像技术各有利弊。

    (1)红外热成像系统不象微光夜视仪那样借助夜光，而是靠目标与背景的辐射产生景物图像，因此红外热成像系统能24小时全天候工作。

    (2)随着计算机技术的发展，很多红外热成像系统具有完整的软件系统以实现图像处理、图像运算等功能，图像质量大大改善。

    (3)红外辐射比微光的光辐射具有更强的穿透雾、霾、雨、雪的能力，因而红外热成像系统的作用距离更远。

    (4)红外热成像能透过伪装，探测出隐蔽的热目标，甚至能识别出刚离去的飞机和坦克等所留下的热迹轮廓。

    (5)微光夜视仪图像清晰、体积小、重量轻、价格低、使用和维修方便、不易被电子侦察和干扰，所以应用范围广。

    (6)微光夜视仪的响应速度快，利用光电阴极像管可实现高速摄影。

    (7)一般微光成像面为连续靶面，期间的分辨率很高，目前最高达到90lp／ⅡHn。相当于l 600以上的电视行。

    (8)微光夜视频谱响应向短波范围扩展的潜力大，包括高能离子、x射线、紫外线、蓝绿光景物的探测成像基本上都是基于外光电转换、增强、处理、显示等微光成像技术原理口。

    从学科和技术发展的角度看，红外技术有一定优势。可见光的存在是有条件的，而任何物体都是红外源，都在不停地辐射红外线，所以红外技术的应用将无处不在。目前，在近距离夜视方面，由于微光夜视仪价格低廉，图像质量也较好，仍然占据主要地位。随着红外器件价格的降低，红外热像仪必将大有作为。而在远距离夜视方面，红外热像仪的作用更为突出。

4．2 微光图像和红外图像的融合
    在微光与红外技术各自不断进展的时期，考虑到二者的互补性，在不增加现有技术难度的基础上，如何将微光图像与红外图像融合以获取更好的观察效果，成为当前夜视技术发展的热点研究之一。

    微光图像的对比度差，灰度级有限，瞬间动态范围差，高增益时有闪烁，只敏感于目标场景的反射，与目标场景的热对比无关。而红外图像的对比度差，动态范围大，但其只敏感于目标场景的辐射，而对场景的亮度变化不敏感。二者均存在不足之处。随着微光与红外成像技术的发展，综合和发掘微光与红外图像的特征信息，使其融合成更全面的图像已发展成为一种有效的技术手段。夜视图像融合能增强场景理解、突出目标，有利于在隐藏、伪装和迷惑的军用背景下更快更精确地探测目标。将融合图像显示成适合人眼观察的自然形式，可明显改善人眼的识别性能，减小操作者的疲劳感。