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夜間可見光很微弱,但人眼看不見的紅外線卻很豐富。紅外夜視儀可以幫助人們在夜間進行觀察、搜索、瞄準和駕駛車輛。盡管人們很早就發(fā)現(xiàn)了紅外線,但受到紅外元器件的限制,紅外遙感技術發(fā)展很緩慢。直到1940年德國研制出硫化鉛和幾種紅外透射材料后,才使紅外遙感儀器的誕生成為可能。此后德國首先研制出主動式紅外夜視儀等幾種紅外探測儀器,在一次與英軍坦克縱隊的遭遇戰(zhàn)中,裝備了紅外觀瞄裝置的德軍豹式坦克一舉擊毀兩輛英軍螢火蟲坦克,值得一提的是,此戰(zhàn)役中德軍使用的是主動式紅外夜視裝置,因此作戰(zhàn)時還有一部貓頭鷹紅外探照燈車在遠方用紅外線為豹式坦克照明。

幾乎同時,美國也在研制紅外夜視儀,雖然試驗成功的時間比德國晚,但卻搶先將其投入實戰(zhàn)應用。1945年夏,美軍登陸進攻沖繩島,隱藏在巖洞坑道里的日軍利用復雜的地形,夜晚出來偷襲美軍。于是美軍將一批剛剛制造出來的紅外夜儀緊急運往沖繩,把安有紅外夜視儀的槍炮架在巖洞附近,當日軍趁黑夜剛爬出洞口,立即被一陣準確的槍炮擊倒。洞內(nèi)的日軍不明其因,繼續(xù)往外沖,又糊里糊涂地送了命。紅外夜視儀初上戰(zhàn)場,就為肅清沖繩島上頑抗的日軍發(fā)揮了重要作用。

主動式紅外夜視儀具有成像清晰、制作簡單等特點,但它的致命弱點是紅外探照燈的紅外光會被敵人的紅外探測裝置發(fā)現(xiàn)。60年代,美國首先研制出被動式的熱像儀,它不發(fā)射紅外光,不易被敵發(fā)現(xiàn),并具有透過霧、雨等進行觀察的能力。

1982年4月─6月,英國和阿根廷之間爆發(fā)馬爾維納斯群島戰(zhàn)爭。4月13日半夜,英軍攻擊承軍據(jù)守的最大據(jù)點斯坦利港。3000名英軍布設的雷區(qū),突然出現(xiàn)在阿軍防線前。英國的所有槍支、火 炮都配備了紅外夜視儀,能夠在黑夜中清楚地發(fā)現(xiàn)阿軍目標。而阿軍卻缺少夜視儀,不能發(fā)現(xiàn)英軍,只有被動挨打的份。在英軍火力準確的打擊下,阿軍支持不住,英軍趁機發(fā)起沖鋒。到黎明時,英軍已占領了阿軍防線上的幾個主要制高點,阿軍完全處于英軍的火力控制下。6月14日晚9時,14 000名阿軍不得不向英軍投降。英軍領先紅外夜視器材贏得了一場兵力懸殊的戰(zhàn)斗。

1991年海灣戰(zhàn)爭中,在風沙和硝煙彌漫的戰(zhàn)場上,由于美軍裝備了先進的紅外夜視器材,能夠先于伊拉克軍的坦克而發(fā)現(xiàn)對方,并開炮射擊。而伊軍只是從美軍坦克開炮時的炮口火光上才得知大敵在前。由此可以看出紅外夜視器材在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的重要作用。

想要理解夜視儀的原理,就必須對光的原理有所了解。光波的能量大小與其波長有關:波長越短,能量越高。在可見光中,紫光的能量最高,而紅光的能量最低。與可見光光譜相鄰的是紅外線光譜。 紅外線分為三類:

近紅外線(近IR)——近紅外線與可見光相鄰,其波長范圍是0.7-1.3微米(1微米等于百萬分之一米)。

中紅外線(中IR)——中紅外線的波長范圍是1.3-3微米。近紅外線和中紅外線應用到各種電子設備中,例如遙控器。

熱紅外線(熱IR)——熱紅外線占據(jù)了紅外線光譜中最大的一部分,其波長范圍是3-30微米。

熱紅外線與其他兩種紅外線的主要區(qū)別是,熱紅外線是由物體發(fā)射出來的,而不是從物體上反射出來的。物體之所以能夠發(fā)射紅外線,是因為其原子發(fā)生了某種變化。

原子是永恒運動的。它們不停地振動、移動和旋轉。即便是構成我們座椅的原子也是不斷運動著的。原子有幾種不同的激發(fā)狀態(tài)。換言之,它們具有不同的能量。如果我們將大量的能量賦予一個原子,它就會擺脫基態(tài)能級而達到激發(fā)水平。激發(fā)水平取決于以熱、光或電等形式施加到原子上的能量的多少。

原子由原子核(包括質(zhì)子和中子)和電子云構成。我們可以將電子云中的電子設想成在不同軌道上圍繞著原子核運動�，F(xiàn)在還無法觀察到電子的離散軌道,但把這些軌道設想成原子不同的能級會更容易理解。換句話說,如果我們向原子施加一定的熱能,可以預見的是,一些處于低能軌道的電子會轉移到高能軌道上,即離原子核更遠。

電子轉移到高能軌道后,最終仍要回到基態(tài)。在此過程中,電子會以光子(一種光線粒子)的形式釋放能量。您會發(fā)現(xiàn),原子不斷地以光子的形式釋放能量。舉例來說,當烤面包爐內(nèi)的發(fā)熱器之所以會變成亮紅色,就是因為原子被熱力激發(fā),釋放出了紅色的光子。激發(fā)態(tài)的電子比未受激發(fā)的電子具有更高的能量,并且正是由于電子吸收了若干能量才達到了激發(fā)水平,它會將這一能量釋放出來以回歸基態(tài)。這一能量會以光子的形式(光能)被釋放出來。發(fā)射出的光子具有特定的波長(顏色),這取決于釋出光子時電子的能量。

任何生物都要耗費能量,很多沒有生命的物品也是如此,例如引擎和火箭。能量消耗會產(chǎn)生熱量。反過來,熱能會促使物體中的原子發(fā)射出位于熱紅外線光譜中的光子。物體溫度越高,釋出的紅外線光子的波長就越短。如果物體的溫度非常高,它發(fā)出的光子甚至能進入可見光光譜,從紅光開始,然后是橙光、黃光、白光,直至藍光。

1、用一種特制的透鏡,能夠?qū)⒁曇皟?nèi)物體發(fā)出的紅外線會聚起來。

2、紅外線探測器元上的相控陣能夠掃描會聚的光線。探測器元能夠生成非常詳細的溫度樣式圖,稱為溫譜圖。大約只需1/30秒,探測器陣列就能獲取溫度信息,并制成溫譜圖。這些信息是從探測器陣列視域場中數(shù)千個探測點上獲取的。

3、探測器元生成的溫譜圖被轉化為電脈沖。

4、這些脈沖被傳送到信號處理單元——一塊集成了精密芯片的電路板,它可以將探測器元發(fā)出的信息轉換為顯示器能夠識別的數(shù)據(jù)。

5、信號處理單元將信息發(fā)送給顯示器,從而在顯示器上呈現(xiàn)出各種色彩,色彩強度由紅外線的發(fā)射強度決定。將從探測器元傳來的脈沖組合起來,就生成了圖像。

多數(shù)熱成像設備的掃描速率為30次/秒。它們能檢測的溫度范圍為-20℃至2000℃,能檢測出的溫差約為0.2℃。

熱成像設備一般有兩大類:

非冷卻型——這種熱成像設備最為常見。其紅外探測器元封裝在一個單元內(nèi),可在室溫下工作。這種系統(tǒng)可以迅速激活,工作時完全靜音,并且具有內(nèi)置的電池。

低溫冷卻型——這種系統(tǒng)價格更高,而且操作不當很容易損毀。這種熱成像設備將探測器元封裝在一個外包裝內(nèi),并將其冷卻至0℃以下。由于冷卻了探測器元,因此這種系統(tǒng)的具有極高的分辨率和敏感度。低溫冷卻型系統(tǒng)可以"看到"300米以外0.1℃的溫差,這樣該系統(tǒng)足以判斷出一個人手里是不是拿著一把槍!

提到夜視儀,多數(shù)人想到的是圖像增強技術。事實上,圖像增強系統(tǒng)一般稱為夜視設備(NVD)。NVD內(nèi)有一種圖像增強管,可以用來采集、放大紅外線及可見光。 以下是圖像增強系統(tǒng)的工作原理:

一種稱為物鏡的傳統(tǒng)透鏡能捕捉環(huán)境光線和某些近紅外線。

收集到的光線會傳送給圖像增強管。在多數(shù)NVD中,圖像增強管的供電系統(tǒng)會從兩節(jié)N-Cell或"AA"電池中獲取電力。管道會向圖像管組件輸出約為5000伏的高壓。

圖像增強管中有一個光電陰極,能將光子轉化為電子。

當電子通過管道時,管中的原子會釋放相似的電子,其數(shù)目為原有電子數(shù)乘以一個因數(shù)(約為幾千倍),利用管道內(nèi)的微通道板(MCP)就能完成這項工作。微通道板是一個微型玻璃盤,內(nèi)部含有數(shù)百萬個微型孔隙(微通道),采用光纖技術制成。微通道板處于真空中,在盤片的兩面都安裝了金屬電極。每條微通道的長度是其寬度的45倍左右,工作原理類似于電子放大器。

當來自光電陰極的電子觸擊微通道板上第一個電極時,在兩電極間5000伏高壓作用下電子會加速通過玻璃微通道。電子通過微通道時,會導致通道中數(shù)千個電子被釋放出來,這一過程稱為級聯(lián)二次發(fā)射。簡言之,原始電子會撞擊微通道的側邊,而后受激發(fā)的原子會釋出更多的電子。這些新電子也會撞擊其他原子,從而造成一種鏈式反應,其結果是,進入微通道的電子屈指可數(shù),而離開微通道的電子卻數(shù)以千計。一個有趣的現(xiàn)象是:MCP上的微通道有一個微小的傾斜角(約5-8°),這既是為了能引發(fā)電子碰撞,也是為了降低來自輸出端磷光質(zhì)層的離子反饋和直接光反饋。

夜視成像圖以其詭異的綠色光澤而著稱。

在圖像增強管的末端,電子會撞擊一個具有磷光質(zhì)涂層的屏幕。這些電子會保持它們通過微通道時的相對位置,這會確保圖像的完好,因為電子排列的方式同起初光子排列的方式相同。這些電子帶有的能量會使磷光質(zhì)達到激發(fā)狀態(tài)并釋出光子。這些磷光質(zhì)會在屏幕上生成綠色圖像,這也成了夜視儀的一大特色。 通過另一副稱為目鏡的透鏡,就可以觀測到綠色磷光圖像,還可以使用目鏡放大圖像或調(diào)節(jié)焦距。NVD可以與電子顯示設備相連,例如顯示器,也可以直接透過目鏡觀測圖像。

NVD已有40多年的歷史。這些產(chǎn)品可分為幾代。NVD技術發(fā)展道路上的每一次重大突破都會催生新一代產(chǎn)品。

最早一代——最早的夜視系統(tǒng)由美國軍方研制,它們被應用在第二次世界大戰(zhàn)和朝鮮戰(zhàn)爭的戰(zhàn)場上,這些NVD系統(tǒng)采用主動紅外線技術。這意味著NVD上須附有一個稱為紅外輻射源的發(fā)射單元。該單元能發(fā)射出一束近紅外線,類似于普通閃光燈發(fā)出的光束。這種光束不能為肉眼所見,它們會從物體上反射出來,然后返回NVD的透鏡。這種系統(tǒng)使陽極與陰極相連,以便對電子進行加速。這種方法的問題是,電子加速會使圖像扭曲,而且還會大大縮減管道的壽命。這項技術最早用于軍事中時,還存在一個重要問題:敵方在短時間內(nèi)就能仿制出這種系統(tǒng),這使得敵軍士兵也可以用它們的NVD系統(tǒng)觀測到設備發(fā)射出的紅外光束。

第一代——這一代NVD放棄了主動紅外技術,轉而采用了被動紅外線技術。這種NVD能夠利用月亮和星星發(fā)出的環(huán)境光線放大周圍的反射紅外線,因而曾被美軍稱為星光。這意味著它們不需要紅外線發(fā)射源。這也意味著在多云或沒有月亮的夜晚時,它們的工作效果不是很好。第一代NVD采用與第0代相同的圖像增強管技術,同樣靠陰極和陽極進行電子加速,所以仍然存在圖像扭曲和管道壽命較短的問題。

第二代——圖像增強管技術的重大進步催生了第二代NVD。它們的分辨率比第一代設備更高,性能更為出色,可靠性也更好。第二代技術最大的收獲是,它們具備了在極弱的光線條件下(例如在一個沒有月亮的夜晚)生成圖像的能力。敏感度得以增加,是因為圖像增強管附加了微通道板。由于MCP能夠增加電子數(shù)目而非僅對原有電子加速,所以圖像扭曲的程度顯著下降,而亮度也高于前幾代NVD。

第三代——目前美軍采用第三代技術。盡管其原理與第二代相比并無本質(zhì)區(qū)別,但這一代NVD的分辨率和敏感度要更好。這是因為其光電陰極由砷化鎵制成,這種物質(zhì)有助于提高光子轉化為電子的效率。另外,MCP上還覆有一個離子壁壘層,能夠有效地增加管道壽命。

第四代——通常我們提到的第四代技術亦稱"無膠片門限"技術,總體上講,這一代系統(tǒng)的性能在強光和弱光兩種環(huán)境中都有較大幅度的改善。

MCP去除了第三代技術加入的離子壁壘,因而背景噪聲有所降低,同時信噪比得以提升。去除離子膠片在實際中能夠讓更多的電子被放大,這樣一來圖像的扭曲度顯著降低,而亮度則有明顯提高。

自動門限供電系統(tǒng)的引入,使得光電陰極的電壓能夠迅速地接通和切斷,從而讓NVD能夠?qū)Πl(fā)光條件的波動做出即時反應。這項技術的進步對于NVD系統(tǒng)來說具有關鍵意義,具備了這種能力,用戶可以迅速從強光環(huán)境轉移到弱光環(huán)境(或從弱光環(huán)境到強光環(huán)境),而圖像不會產(chǎn)生任何顛簸。舉例來說,請想象一個隨處可見的電影場景:一名特工在使用夜視儀目鏡時,如果有人打開了附近的電燈,他就會"失明"。有了最新的門限電源技術,光線條件的變化不會產(chǎn)生這樣的惡果,改進的NVD系統(tǒng)能夠立即對光環(huán)境的變化做出反應。

很多所謂的"便宜"夜視鏡采用第0代或第一代技術,如果對于專業(yè)設備的敏感度抱有較高期待,您可能會大失所望。第二代、第三代以及第四代NVD一般價格較高,但如果保養(yǎng)得當,可以使用較長時間。還有一點,在極其昏暗乃至幾乎不能采集到環(huán)境光線的地方,使用紅外輻射源對于任何一款NVD系統(tǒng)都是有益的。

一根圖像增強管都要進行嚴格的測試,以判斷它能否達到軍方設定的標準。達標的管子被歸為軍用規(guī)格(MILSPEC)。哪怕只有一項指標不符合軍用標準,管子就會被歸為普通規(guī)格(COMSPEC)。

夜視設備可以粗分為三大類:

觀測鏡——觀測鏡一般為手持型,也可以安裝在武器上,它們采用單筒(一只眼睛)鏡身。由于觀測鏡屬于手持設備,不像目鏡那樣佩戴在身上,所以當您想要對某一特定目標進行較為細致的觀察,然后回歸正常觀測條件下時,這種觀測鏡比較適用。

目鏡——盡管目鏡也可以手持,但它們通常還是佩戴在額頭上。目鏡采用雙筒(兩只眼睛)鏡身,根據(jù)樣式不同可采用單透鏡或復合透鏡。目鏡是進行長時間觀測(例如在光線很差的建筑物周圍巡邏時)的最佳選擇。

夜視儀

攝像頭——采用夜視技術的攝像頭可將圖像傳送給顯示器,以供即時播放,也可以用錄像機將傳來的圖像記錄下來。當我們需要在一個恒定地點進行高品質(zhì)的夜視觀測時,例如在某固定建筑物上,或是將夜視儀裝配為直升機的機載設備時,攝像頭就能派上用場。很多新型的攝像機已具備內(nèi)置的夜視功能。

一般來講,夜視儀的用途包括: 軍用、執(zhí)法、 狩獵、野外觀察 、監(jiān)視、安全 、導航、隱蔽目標觀測、娛樂等。

夜視儀最早被用來在夜間對敵方目標進行定位。目前軍隊系統(tǒng)仍然大范圍地使用夜視儀,除了上述用途以外,還包括導航、監(jiān)視、瞄準等用途。警方和安全部門經(jīng)常使用熱成像和圖像增強這兩種技術,特別是用它們進行監(jiān)視。獵手和熱愛大自然的旅人們依靠NVD,就能在夜間駕輕就熟地穿過森林。

偵探和私家偵探會利用夜視儀探查人們是否有不軌行為。不少商業(yè)機構也會利用安裝在固定位置的夜視攝像頭監(jiān)測周圍環(huán)境。

熱成像技術真正令人驚奇的是,它能夠揭示出一個地區(qū)有沒有人類活動過的痕跡 ——即便四周沒有任何肉眼可見的明顯標記,它還是能告訴我們,一塊土地曾被挖開并填埋過一些東西。執(zhí)法部門也能借此發(fā)現(xiàn)一些罪犯企圖隱瞞的事證,包括贓款、毒品以及尸體等。此外,利用熱成像技術能發(fā)現(xiàn)某些區(qū)域(如墻壁)最近發(fā)生的變化,這能為一些案件提供重要線索。

很多人已經(jīng)開始探索夜幕下的神奇世界。如果您準備痛痛快快地搞一次野營或狩獵活動,或許夜視設備能對您的旅程有所幫助——不過請務必挑選適合您的類型。

與國外相比,我國對夜視儀的研究起步較晚。從20世紀60年代開始,在中國科學院上海技術物理研究所、昆明物理研究所和一些高校的共同努力下,我國軍用領域的夜視技術研究工作有了較快的發(fā)展,但在向民用領域擴展方面卻一直沒有做好。

因此,隨著我國夜視儀生產(chǎn)企業(yè)數(shù)量的不斷增加,未來夜視儀產(chǎn)品研發(fā)將重點關注民用市場,如汽車用夜視儀、攝像用夜視儀等產(chǎn)品將成為未來市場發(fā)展重點。

隨著我國經(jīng)濟的繼續(xù)高速增長,我國夜視儀市場需求將會大幅增長,我們預計未來幾年夜視儀市場將維持15%左右的增長,國內(nèi)品牌將進一步在產(chǎn)品質(zhì)量和技術方面取得突破,占領更大的市場份額。我國夜視儀企業(yè)在投資時應把握好夜視儀行業(yè)的發(fā)展趨勢,以下是我們的一些建議:

一、企業(yè)必須進一步加強技術投資,提高生產(chǎn)工藝水平、壓縮成本、改善產(chǎn)品質(zhì)量,我們建議我國企業(yè)引進國外企業(yè)的先進技術,在引進的基礎上消化吸收,再進行自主研發(fā)。

二、努力提高產(chǎn)品的質(zhì)量,在提高設備穩(wěn)定性、性能參數(shù)和壽命,降低故障率上下功夫。

三、由于不同產(chǎn)品的需求具有多樣性,就需要一系列不同要求的夜視儀技術來應對不同需求的產(chǎn)品,需要企業(yè)在產(chǎn)品創(chuàng)新上下功夫。

四、關注產(chǎn)品的發(fā)展趨勢,如激光夜視儀的發(fā)展趨勢,投資和開發(fā)出適應行業(yè)發(fā)展趨勢和市場需求的產(chǎn)品。