1基于微光与红外融合的夜视技术关键字：红外器件红外焦平面阵列微光夜视仪夜视技术光机扫描红外热成像红外热像红外图像量子效率BCG-MCPIV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。

将微弱的光信号转换成电信号，并进一步放大、转换成可视信号的固态电子器件。

是在黑夜或低照度（小于1勒克斯）下扩展人眼视力的微光夜视技术的关键部件。

其中包括：①直接微光成像器件。

功能是把微弱的光学图像转换成电子图像，再经过增强传递到荧光屏上，以得到人眼可视的照度(1～105勒克斯)和可见的光谱范围(350～760纳米)。

②把微弱光信息转换成视频信号的微电摄像器件。

把收集到的光学图像以其光强的分布转换成电荷量的分布并存储，随后将存储的电荷图像转换成视频信号，从而扩展人眼接收微光信息的范围。

在工、农业、航天、科研、国防、公安等部门中，凡需要采集低照度下的光学信息时，都离不开微光器件。

由微光器件组成的微光夜视仪广泛应用于战术武器和防盗系统。

1背景：20世纪40年代研制成功的主动式红外夜视仪是夜视器材的鼻祖，它的出现使人类第一次看到黑暗中的目标。

主动式红外夜视仪成像清晰，对比度好，但由于需要红外光源照射，存在着能耗大，易暴露的缺点。

1962年，美国人研制成功像增强器，使得夜视器材的发展产生了一个飞跃。

我们平时所谓的黑夜，很少是绝对黑暗的，因为自然界总是存在着微弱的光线，例如星月光，大气的辉光和黄道光。

即使肉眼不容易察觉的星星，对地面的照度仍然可以达到2x10负4次方勒克司。

能够利用如此微弱的光线进行观测，是因为两个技术上的重大突破。

首先，研制成功了灵敏度极高的光电阴极，既S-20多碱光电阴极。

比以前的光电阴极灵敏度提高了一个数量级，使得夜视仪的光电增益大大提高。

另一个突破是采用了光学纤维面板。

既一种由大量光导纤维组成的薄板阵列，每根纤维传导一个像素减少了光的散射，传导效果好，由于可以将纤维的末端排列成曲面，天然的避免了像差，大大提高了成像质量。

将多个上述结构的像增强管串联起来，将光线逐级放大，使得极其微弱光线下的图象放大到了人眼可以清晰观看的程度，便实现了无须红外照明的微光观测。

越南战争时期，美国将利用级联像增强技术投入实战应用，研制成功了第一带微光夜视仪，主要有AN/PVS-2星光镜，AN/TVS-2班组武器瞄准镜和AN/TVS-4微光观察镜。

微光夜视仪的工作原理可以归纳为：目标反射的微弱光线经物镜会聚后在像增强器的阴极面上成像，逐级放大并将红外光转变为可见光，在最后一级的荧光屏上形成有足够亮度和清晰度的图象，供使用者观察。

第二代微光夜视仪微光夜视仪能耗小，但是体积仍然嫌大，越战期间，美国人又研制成了微通道板像增强器，于是第二代微光夜视仪应运而生。

有些材料具有在电子的撞击下能够发射出更多的电子的特性，60年代，材料研究获得突破，导致了微通道板像增强器的诞生。

连续型通道像增强器的原理是一根内壁涂有电子发射材料的细管子，在管子两端的电极上加上直流电压，当电子从管子一头射入时，便在管内来回碰撞，激发出越来越多的电子，这些电子被管壁的电压加速，并且碰撞出的几何级数增加的电子，使得管子末端出射的电子获得很高的增益。

通道电子倍增器的电子增益与管壁内的电子发射材料有关，与通道的长径比有关，与电压有关，但与通道的大小无关，所以可以做的极小，将其并列起来组成阵列，就可以用来传递显示图象了。

单根通道的直径一般为10-12微米，长500微米，一块通道板包含数百万根通道管，既数百万像素，可以使图象的亮度增加几千乃至上万倍。

微通道的制作对工艺的要求很高。

微通道板的制作方法有多种，一般采用实芯拉制法。

所制成的夜视仪像增强器有两种，一种叫做近贴式，一种叫做倒像式。

近贴式微通道板像增强器将通道板放置在光电阴极和荧光屏之间。

阴极发射的电子束在电场作用下打到微通道板上，经过倍增后，投射到荧光屏上成像。

由于结构的关系，这种夜视仪尺寸小，但鉴别率较低，光学增益相对小些，需附加正像装置，又称为薄片管。

倒像式微通道板像增强器，是在荧光屏前面放置微通道板，能达到几万倍以上的光学增益，而且不用再次倒像始于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。