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    夜視儀工作原理

    [瀏覽:836 次] [更新時間:2012-7-16]

    作用

      夜間可見光很微弱,但人眼看不見的紅外線卻很豐富。紅外線視儀可以幫助人們在夜間進行觀察、搜索、瞄準駕駛車輛。盡管人們很早就發現了紅外線,但受到紅外元器件的限制,紅外遙感技術發展很緩慢。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,但它們都未能在第二次世界大戰中實際使用。

    紅外夜視儀的作用

      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。洞內的日軍不明其因,繼續往外沖,又糊里糊涂地送了命。紅外夜視儀初上戰場,就為肅清沖繩島上頑抗的日軍發揮了重要作用。

      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按照燈的紅外光會被敵人的紅外探測裝置發現。60年代,美國首先研制出被動式的熱像儀,它不發射紅外光,不易被敵發現,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馬爾維納斯群島戰爭。4月13日半夜,英軍攻擊承軍據守的最大據點斯坦利港。3000名英軍布設的雷區,突然出現在阿軍防線前。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現阿軍目標。而阿軍卻缺少夜視儀,不能發現英軍,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斗。

      1991年海灣戰爭中,在風沙和硝煙彌漫的戰場上,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現對方,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代戰爭中的重要作用。

    基本原理

      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:

      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)。

      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別是,熱紅外線是由物體發射出來的,而不是從物體上反射出來的。物體之所以能夠發射紅外線,是因為其原子發生了某種變化。

    原子理論

      原子是永恒運動的。它們不停地、移動旋轉。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狀態。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,它就會擺脫基態能級而達到激發水平。激發水平取決于以熱、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。在此過程中,電子會以光子(一種光線粒子)的形式釋放能量。您會發現,原子不斷地以光子的形式釋放能量。舉例來說,當烤面包爐內的發熱器之所以會變成亮紅色,就是因為原子被熱力激發,釋放出了紅色的光子。激發態的電子比未受激發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水平,它會將這一能量釋放出來以回歸基態。這一能量會以光子的形式(光能)被釋放出來。發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,例如引擎火箭。能量消耗會產生熱量。反過來,熱能會促使物體中的原子發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、藍光,直至白光。

    工作原理

      1.用一種特制的透鏡,能夠將視野內物體發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出的信息轉換為顯示器能夠識別的數據。

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

    成像設備

      多數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,可在室溫下工作。這種系統可以迅速激活,工作時完全靜音,并且具有內置的電池。

      低溫冷卻型——這種系統價格更高,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,并將其冷卻至0℃以下。由于冷卻了探測器元,因此這種系統的具有極高的分辨率和敏感度。低溫冷卻型系統可以“看到”300米以外0.1℃的溫差,這樣該系統足以判斷出一個人手里是不是拿著一把槍!

    技術

      提到夜視儀,多數人想到的是圖像增強技術。事實上,圖像增強系統一般稱為夜視設備(NVD)。NVD內有一種圖像增強管,可以用來采集、放大紅外線及可見光。 以下是圖像增強系統的工作原理:

      一種稱為物鏡的傳統透鏡能捕捉環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NVD中,圖像增強管的供電系統會從兩節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,其數目為原有電子數乘以一個因數(約為幾千倍),利用管道內的微通道板(MCP)就能完成這項工作。微通道板是一個微型玻璃盤,內部含有數百萬個微型孔隙(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,會導致通道中數千個電子被釋放出來,這一過程稱為級聯二次發射。簡言之,原始電子會撞擊微通道的側邊,而后受激發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,而離開微通道的電子卻數以千計。一個有趣的現象是:MCP上的微通道有一個微小的傾斜角(約5-8°),這既是為了能引發電子碰撞,也是為了降低來自輸出端磷光質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達到激發狀態并釋出光子。這些磷光質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節焦距。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。

    歷代產品

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

      最早一代——最早的夜視系統由美國軍方研制,它們被應用在第二次世界大戰和朝鮮戰爭的戰場上,這些NVD系統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射單元。該單元能發射出一束近紅外線,類似于普通閃光燈發出的光束。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:敵方在短時間內就能仿制出這種系統,這使得敵軍士兵也可以用它們的NVD系統觀測到設備發射出的紅外光束。

      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出的環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區別,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,這一代系統的性能在強光和弱光兩種環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

      自動門限供電系統的引入,使得光電陰極的電壓能夠迅速地接通和切斷,從而讓NVD能夠對發光條件的波動做出即時反應。這項技術的進步對于NVD系統來說具有關鍵意義,具備了這種能力,用戶可以迅速從強光環境轉移到弱光環境(或從弱光環境到強光環境),而圖像不會產生任何顛簸。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生這樣的惡果,改進的NVD系統能夠立即對光環境的變化做出反應。

      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境光線的地方,使用紅外輻射源對于任何一款NVD系統都是有益的。

      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格(COMSPEC)。

    類型

      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額頭上。目鏡采用雙筒(兩只眼睛)鏡身,根據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置的夜視功能。

    應用

      一般來講,夜視儀的用途包括: 軍用、執法、 狩獵、野外觀察 、監視、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、監視、瞄準等用途。警方和安全部門經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。不少商業機構也會利用安裝在固定位置的夜視攝像頭監測周圍環境。

      熱成像技術真正令人驚奇的是,它能夠揭示出一個地區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。執法部門也能借此發現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現某些區域(如墻壁)最近發生的變化,這能為一些案件提供重要線索。

      很多人已經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。

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