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发表人:m_xiang 发表时间:2019-2-1 16:40:00  

 

 本栏论题: 热视觉与红外成像技术赋予美军“超能力”  [750]

    据麦姆斯咨询报道,美国国防部部长James Mattis近日强烈表示:“我们一直在致力于提高我国近地作战军队的战备、杀伤力、生存能力和灵活性。”尽管美国军方在军事实力方面仍然保持着世界强国的优势,但与几十年前相比,这种差距也正在慢慢缩小。为了实现作战人员的“超能力?#20445;?#22914;今的军队不仅要不断扩充作战人才,还必须要增强设备和技术的现代化。
   
    目前军方正为实现“超能力”进行现代化的一项技术为夜视技术,具体来说,就是在低光照或无光照下作战的能力。虽然传?#25104;?#20316;战人?#22791;览?#20110;图像增强技术,并且目前看来这项技术仍然是作战关键技术之一,但在使用多波长红外传感器的士兵?#20302;?#20013;,需要继续进行重大的技术改进。
   
    传统的图像增强(Image Intensified,简称II)设备工作原理是先将极低水平的可见光光子转换为电子,然后放大这些电子,再将电子转换回光子。来自低光源的光子进入物镜,物镜将图像聚焦到光电阴极管上。?#27604;?#23556;光子?#19981;?#20809;电阴极?#20445;?#20809;电阴极再通过光电效应释放电子。
   
    电子通过高压电势加速进入微通道板(Microchannel Plate,MCP)。每个?#19981;鱉CP的高能电子都会使MCP释放出更多电子,这一过?#22363;?#20026;二级联射。MCP由成千上万甚至数百万个微导电通道组成,这些通道再通过组成一定角度来实现更多的电子碰?#29627;?#24182;能够在受控的电子雪崩过程中发射二次电子。?#23616;?#19978;?#29627;琈CP其实是光放大器,但至少需要一些光才能工作。
   
    在II设备的示意图中(上图),来自低光源的光子进入物镜(左)并?#19981;?#20809;电阴极(灰色)。光电阴极通过光电效应释放电子。微通道板(红色)可通过二级联射增加电子数。最后这些电子?#19981;?#33639;光屏(绿色),产生光子,可通过?#20063;?#30340;透镜观察。
   
    II设备是美军作战的主力传感器,几乎用于各个军事领域。弱光增强设备在近零光照条件下可提供出色的夜视图像,?#34892;Х直?#29575;高达1300万像素,成本相对较低?#22812;?#32791;极低,能够在小型电池上长时间运行。然而,该管线设备缺点是体积大且笨重,又因为是模拟信号,很难?#35270;?#25968;字战场。
   
    虽然在数字低光传感器方面人们已经进行了大量工作,但是要以低功率和低成本实现管线设备的性能还有很长的路要走。就近期来说,该技术可能?#25925;?#31449;不住脚的。目前,空军部队、特种部队和陆地部队通过多种配置使用II设备,包括单目护目镜、热融合(即增强型夜视镜)、武器瞄准器等。
   
    利用红外光谱的传感器在不断发展,并为实现作战人员的“超能力”做出了重大贡?#20303;?br>   
    红外传感器,特别是热传感器,近几十年来一直是军方作战的关键技术之一;然而,该技术的局限性也限制了其应用?#22982;?#22260;。
   
    传?#25104;希?#20256;感器体积大、耗电大,且价格昂贵。因此,他们仅用于最紧急的军事任务,如消防或远程监视。但是据悉,目?#26696;?#25216;术的最?#38470;?#23637;可以使红外传感器更广泛地应用于更多任务中,随着该技术的进一步发展,这将成为实现作战人员“超能力”的关键组成部分。
   
    红外传感器可根据他们探测到的波长分成几类。红外光谱与可见光光谱相近,可见光和红外光的波长以光速传播。然而,红外光和可见光(我们的眼睛所看到的)的能量存在显著差异。
   
    在大多数情况下,红外光谱主要分为近红外(NIR)、短波红外(SWIR)、中波红外(MWIR)和长波红外(LWIR)。“热像仪?#23849;?#29992;MWIR或LWIR传感器,探测从目标发射出的热能。简单地说,他们探测到的是热而不是光。与图像增强?#20302;诚?#27604;,这是显著的优势,因为II设备至少需要一定量的环境光才能工作。热成像摄像头无需可见光即可工作,因为它只探测从场景中的目标发出的热量。
   
    当热像仪首次开发并用于军事领域中?#20445;?#20351;用的传感器主要是需要低温冷却?#28872;?#27694;温度(77K或-200℃)的LWIR或MWIR传感器。他们需要保持这一温度以提高热敏性并降低噪音。最初,这些?#20302;?#21253;含单个或多个元件传感器或线性阵列,并?#19968;?#37197;备机械扫描设备用于“绘制”完整的热像图。这些组合在一起就形成了一台非常复杂的设备,体积庞大且笨重、价格昂贵,并?#19968;?#39057;繁出现维护问题。而在当时的技术看来,人们还无法做到真正的便携式?#20302;场?br>   
    20世纪90年代初,随着二维焦平面阵列?#20302;?#30340;出现,该技术从基于扫描的?#20302;?#21457;展到凝视?#20302;场?#26368;初,这些焦平面阵列?#22982;直?#29575;相对较低(128 x 128或256 x 256像素),每个像素都很大,为50μm或更大(相比之下,典型的消费类可见光CMOS传感器的像素大小为1~3μm)。最初使用的传感器是MWIR传感器,由硅化铂(PtSi)或锑化铟(InSb)等材料制成。他们必须被冷却到同样的温度77K,但随着更先进的机?#36947;?#21364;器被开发出来,该技术又朝着正确?#22982;较?#36808;近了一步,创造了更便携的?#20302;常?#20294;这仍远非理想状态。来源:OFweek传感器网
   
    MWIR适合于多种应用,但并非所有应用都?#35270;謾WIR是众多地面军事应用的首选。由于在较低的温度下LWIR通量较大,所以LWIR在通过大气?#22791;?#28165;晰。最重要的是,LWIR比MWIR能够更好地穿透烟雾、?#39029;?#21644;战场障碍物。然而,在20世纪90年代,由于没有实用的二维LWIR传感器,因此也没有实用的LWIR解决方?#28014;?#22240;此,军方仅限于使用LWIR的扫描设备。
   
    20世纪90年代末,微测辐射热计技术开始解决LWIR在军事应用中无法解决的问题。我们将在下一篇文章中详细解释微测辐射热计技术的进步是如何让LWIR传感器在更多的作战应用中得到更广泛的应用。

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