热视觉与红外成像技术赋予美军“超能力”

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”，如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。虽然传统上作战人员更依赖于图像增强技术，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系统中，需要继续进行重大的技术改进。

图像增强设备：非红外夜视是如何工作的？

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。当入射光子撞击光电阴极时，光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）。每个撞击MCP的高能电子都会使MCP释放出更多电子，这一过程称为二级联射。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撞，并能够在受控的电子雪崩过程中发射二次电子。本质上讲，MCP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）并撞击光电阴极（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。最后这些电子撞击荧光屏（绿色），产生光子，可通过右侧的透镜观察。

图像增强设备之优缺点

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，有效分辨率高达1300万像素，成本相对较低且功耗极低，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，很难适应数字战场。

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，该技术可能还是站不住脚的。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。

红外传感器

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”做出了重大贡献。

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的范围。

传统上，传感器体积大、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，目前该技术的最新进展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。

短波、中波和长波红外传感器

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。

电磁波谱，显示SWIR、MWIR和LWIR辐射的波长范围（图片来源：FLIR）

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”利用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。与图像增强系统相比，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时，使用的传感器主要是需要低温冷却至液氮温度（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，这些系统包含单个或多个元件传感器或线性阵列，并且还配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，并且会频繁出现维护问题。而在当时的技术看来，人们还无法做到真正的便携式系统。

使用热成像设备拍摄的图片（图片来源：FLIR）

实用便携式MWIR传感器的研制

20世纪90年代初，随着二维焦平面阵列系统的出现，该技术从基于扫描的系统发展到凝视系统。最初，这些焦平面阵列的分辨率相对较低（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，但随着更先进的机械冷却器被开发出来，该技术又朝着正确的方向迈近了一步，创造了更便携的系统，但这仍远非理想状态。

20世纪90年代的LWIR技术突破

MWIR适合于多种应用，但并非所有应用都适用。LWIR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在通过大气时更清晰。最重要的是，LWIR比MWIR能够更好地穿透烟雾、灰尘和战场障碍物。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解决方案。因此，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。