第八章-夜视技术

高科技在军事中的应用第九章夜视技术第一节夜视技术及其简要原理第二节夜视技术的现状与发展第三节夜视技术对战争的影响第四节对抗夜视技术器材的方法与措施第一节夜视技术及其简要原理一、什么叫夜视技术夜视技术是指在夜间低照度条件下，通过应用光电探测和成像器材，将肉眼不可视的月光、夜天光及红外光图像放大并转化成可视影像，从而扩展人眼在夜间低照度下的观察视力范围，实现夜间低照度下隐蔽观察的信息采集、处理和显示技术。二、夜间自然光照特征在一个月中，有半个多月的夜间有月光。在那些无月的夜晚，则还可见到星光、微弱星体光、大气辉光、黄道光等微弱的自然光。夜间的自然光，除月光外，统称为夜天光，也称微光，我们后面要介绍到的微光夜视仪就是由此而得名的。此外，夜间地面上的各种景物和目标还散发着丰富的肉眼看不到的红外线。三、军事目标的光反射特征通常军事目标等物体本身是不发光的，我们之前之所以能看得见它们，是因为它们能反射阳光、月光、星光和灯光等光线，也就是说，我们所看到的物体实际上是物体反射的光，进入人眼中并聚集成像。如果某种物体本身不发光，而又没有光线照射的话，我们就看不到了。物理学上，人们把物体的这种对光线向各个方向的反射称为漫反射，而能产生漫反射的物体就称为二次光源。某个目标能否被看到，决定于该目标反射光能量的大小，也就是说与目标的亮度有关。这种特性，称为目标的光反射特性。公式EB此式表示，二次光源的亮度与其反射率及光线的照度等因素有关。在同样照度的光线照射下，若目标与背景的反射率不一样，亮度也就不一样，就可容易地区分出来。由于军事目标的反射率在昼夜等不同的环境光照明下各不相同，从而为开展夜间观察和揭示伪装创造了条件。四、军事目标的红外辐射特征任何物体，包括军事目标，只要其温度高于绝对零度，都会不停地向外散发出红外热辐射。而军事目标由于有发动机、火器及运动体的存在，其温度一般都会高于周围的物体（背景），所以，军事目标的红外热辐射比起一般目标来，将更加明显。这种特征就是军事目标的红外热辐射特征，也称发射特征。第一个特征理想物体单位面积热辐射功率W与其绝对温度T的四次方成正比。4WT第二个特征热辐射峰值波长λm（微米）与绝对温度T（K）之积为一不变常数。2896mT第三个特征实际物体热辐射功率通常都低于理想物体的热辐射。其中ε是发射率。发射率表示的是目标的实际辐射量与理想物体辐射量间的比值，理想物体的辐射率是1，其他物体的辐射率都小于1。'4WWT五、大气衰减对观察的影响大气衰减是大气对光线的散射与吸收现象。散射是由于大气中的雨、雾、霾、冰、尘和烟等微粒使光线偏离了原传输方向而引起的；吸收则是大气中的各种物质微粒对光线具有的吸收作用，这种吸收随着传输路程的增长而按指数函数衰减。大气这种对光线散射和吸收的现象，对于波长不同的光线效果是不一样的，有些波长的光线散射和吸收作用小，光线就传得较远，有些作用大，光线就难以传得远，这种现象称为大气窗口现象。夜视器材正是工作在光线在大气中衰减较弱的几个大气窗口中的，如0.3～1.3微米以下的近紫外光、可见光和近红外光波段、3～5微米的中红外波段和8～14微米的远红波段。六、增强夜视能力的技术措施人眼对夜暗的自适应能力。当人在室内灯光下，其瞳孔直径约为2毫米，来到室外经过约1小时的适应后，其瞳孔直径已扩大到8毫米以上，此时对光波的敏感也从0.55微米的绿光下降到0.5微米的蓝绿光，并且所看到的景物没有颜色的区别。同时，其最小分辨角则由60分下降到15分。（一）影响夜间观察能力的原因1.视角太小。由于同样一个目标，在白天或强光照射下，其大小正好位于人眼视角范围内，因此可以观察到其细节。而到了夜晚，由于光线强度下降了6～9个数量级，因而使人眼的视觉分辨率大大下降，原本能观察到细节的物体，只能看到其大致的轮廓。因此，夜暗对视角的影响是造成夜间观察能力低的重要原因之一。2.对比太小。阳光下，目标与背景间的反差和对比较大，颜色上的差别也更加明显，所以观察起来比较容易。但到了夜晚，月光、星光强度太弱，人眼看出去没有颜色的差别，其明暗对比也很小，所以，夜暗对对比度的影响也是重要因素之一。3.光能太弱。夜晚军事目标反射的光线能量太弱，所形咸的图像能量达不到人眼观察的最低阈值，人眼不能感知，也不能进行观察。4.非可见光。在无月无星的夜晚，夜天光几乎衰减到10-4勒克斯以下，相当于晴天正午阳光垂直照射下光照的10-9倍，人眼几乎无法再通过暗适应进行观察，所以，也就几乎是看不清任何东西了。然而，这时的自然界却存在着大量的红外热辐射。只是这样的红外线，我们人眼无法看到。如果设法使非可见光转化为可见光，就可进行有效的观察了。因此，将非可见光转化为可见光，就是实现夜间低照度下隐蔽侦察的一种最先想到的，也是最有效的办法。（二）增强夜视能力的技术措施在夜间，自然界有人眼能感知的微光，也有人眼无法感知的红外热辐射，利用微光和红外线这两个自然条件，通过把微光增强到足以引起人的视觉的强度，把看不见的红外线转变为可见图像，从而改善和扩大人眼的视觉范围。这种增强微光和转变红外线的过程，就是增强夜视能力的两条基本途径。具体六条措施集光，即通过大入瞳、大相对孔径光学成像装置，并延长曝光时间等办法，最大限度地接收目标辐射的光能；扩角，即用物镜将物像放大；转化，利用光电效应将红外、紫外等不可见弱光信号转化为电信号，再通过电子放大转化为荧光信号，供人眼观看；增幅（增亮），如微光夜视仪用像增强器将整幅图像亮度增亮50000倍以上；处理，用计算机处理图像信息，用于识别伪装等；辅助照明，即在不会造成己方暴露的前提下，对目标进行瞬间辅助照明，提高观察能力等。第二节夜视技术的现状与发展概括地讲，夜视技术是指能将非可视目标转化为可被人或装备感知的信息传感技术。工作方式夜视技术根据其工作方式分为主动式和被动式。主动式，即工作时需要使用人工探照器照射目标，其作用距离和观察效果主要取决于人工照明条件，受外界自然条件影响较小，所以称为主动式。被动式，即工作时不需要人工照明器，其工作距离和观察效果取决于自然光对客观景物的照度或目标自身辐射的红外线强弱程度等，受外界条件影响大，故称为被动式。所适应的波段夜视技术根据所适应的工作波段，可分为红外夜视技术和微光夜视技术两大类。红外夜视技术：包括红外像转换技术、红外热成像技术、红外照相技术等，红外夜视技术已发展成为红外应用技术领域的一个重要分支。微光夜视技术：包括微光像增强技术、微光电视技术、微光照相技术，可视为应用光学领域的一个新发展。一、夜视器材及其分类夜视器材是指在夜间低照度情况下，通过对月光、夜天光图像放大，或对红外光图像放大并转化，从而扩展人眼在夜间低照度下观察能力的技术器材。夜视器材按工作方式分，有主动式和被动式两大类。主动式仅有主动式红外夜视仪一种，而被动式有微光夜视器材和热成像器材等，其中微光夜视器材包括微光夜视仪和微光电视两种，热成像器材分为热成像仪和红外电视等。主动式红外夜视仪，是指在夜间低照度情况下，用近红外光主动照射目标，再将目标反射红外光形成的红外图像转化为可见图像，供夜间观察、瞄准的夜视器材。主动式红外夜视仪主动红外夜视仪由红外探照灯和红外探测器组成。红外探照灯好比是手电筒，它用于发射人眼不可见的波长范围为0.9~1.2微米的近红外光，照射被观察的景物。红外探测器就是把被照景物的反射光所形成的红外图像转变成人眼可视图像。探测器部分是红外夜视仪的主体，由红外物镜、红外变像管、目镜、电源等组成，其中红外变像管是它的核心，内部由光电阴极、电子透镜、荧光屏组成。主动红外夜视系统工作原理示意图工作原理用红外探照灯发出的红外光主动照射目标，目标反射回的红外线经物镜聚焦，在红外变像管的光电阴极上形成红外图像，使光电阴极产生光电效应，放出电子，各点的电子流密度与入射红外光强度成正比，从而形成电子潜像。这些电子在电子透镜的高压作用下得到聚焦和加速，加速后的电子流轰击荧光屏，发出荧光，各点的亮度与电子流密度成正比，这样，从目镜中就能看到目标的荧光图像了。主动式红外夜视仪是应用最早、技术最成熟的一类夜视器材，早在二战后期美军和德军就开始使用了。我国自20世纪70年代开始大量研制和装备部队，主要有步兵武器红外瞄准镜、红外驾驶仪、红外观察仪等该类夜视系统性能指标如下：1.红外夜间观察装置，广泛用于夜间军事活动中观察目标和监视一定的重要区域等。使用600瓦的红外探照灯时，红外夜视仪可以探测400米远处的人、600米远处的吉普车、750米远处的坦克。在港口用作监视船舶的夜视仪可以探测到1600～13000米的目标，而作机场信标探测用的红外夜视仪探测距离可达16000米。2.红外瞄准装置，供步枪、机枪、火炮等夜间瞄准用，作用距离一般是300～500米。3.红外驾驶仪，主要用于坦克、汽车驾驶员夜间行车，作用距离是50～200米。主动红外夜视仪主要特点1．优点亮度高、成像清晰。由于主动式红外夜视仪工作时红外探照灯发出的红外光很强，所以在红外夜视仪的目视镜中看到的图像亮度比其他夜视仪要高得多。而由于亮度高，其成像自然十分清晰。操作使用方便。主动式红外夜视仪的结构非常简单，其工作过程也不复杂，操作起来很是方便。一般来说，一个士兵只要通过半天左右的学习，就可学会其基本操作使用方法，并能使用其进行夜间观察、射击瞄准。2．缺点作用距离近。由于红外光线要来回双程传输，所以损耗较大，作用距离受到了限制，最远只有一千多米。隐蔽性差。在仪器发出红外光照射目标的时候，其本身也成了对方红外观察仪中一个非常醒目的亮点，所以隐蔽性很差，极易暴露。主动红外夜视仪主要缺点是容易暴露，试验表明，如果红外探照灯一次照射超过8秒钟，就容易被敌方探测到红外信号。例如，1973年中东战争中，埃及和以色列双方的坦克都配有主动红外夜视仪，许多坦克就是因为使用了红外探照灯而被对方发现和击毁的。装备主动红外夜视系统的苏式坦克装备主动红外夜视系统的机枪微光夜视仪是在夜间低照度下，将目标反射月光、星光等微弱自然光形成的图像增强、放大成人眼可见图像的夜视器材。微光夜视仪由微光物镜、像增强器、目镜及电源等组成。其核心部分是像增强器，也称微光管，由光电阴极、电子透镜、荧光屏组成。微光夜视仪工作原理微光夜视仪的工作原理同主动式红外夜视仪基本类似，也是一个从光到电子流、电子流再到荧光的转化过程，所不同的是：它的工作光源不是仪器本身发出的，而是由目标反射的月光、星光等夜问微弱的自然光，这也就是微光夜视仪名称的来历。第一代微光夜视效果第二代微光夜视效果第三代微光夜视效果1962年，美国研制出用光学纤维面板耦合的三级级联像增强器，并制成实用的微光夜视仪，即所谓“星光镜”，1960年代末用于越南战场。光学纤维面板：是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，避免了像差，大大提高了成像质量。将多个具有灵敏度极高的光电阴极和光学纤维面板的像增强管串联起来，使微弱光线经物镜会聚后在像增强器的阴极面上成像，光线逐级放大，将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。第一代微光夜视仪1970年，美国在研制成功微通道电子倍增器的基础上，研制成微通道板像增强器和相应的夜视仪，如美国的AN/PVS-2星光镜，AN/TVS-2班组武器瞄准镜和AN/TVS-4微光观察镜等。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，在管两端的电极上加上直流电压，当电子从管一头射入时，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、通道的长径比、电压有关，但与通道的大小无关，可以做的极小，将其并列起来组成阵列，即可用来传递显示图象。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