微光夜视技术,让夜战场变得更“透明”2019.04.30

  假如有一天你看到以下两张图,你会有什么感觉呢?会不会也和光博会一样产生好奇心呢?下面给我三分钟,让我们怀揣好奇之心,一起了解微光夜视技术吧,


有的人会好奇图片拍摄的事件,有的人会好奇用的什么设备拍摄的。

然而不管怎样,能够让你在漆黑的夜晚也能看清一切事物,这本身就是一件很神奇的事情。

而赋予你“超能力”的,就是红外热成像技术或微光夜视技术。

我们的手机要想完成拍照功能,离不开其中的一块成像器件——CCD(Charge Coupled Devices)。它是一类新型的固体阵列扫描式光敏成像器件。若在CCD前端耦合一级微光管或微光像增强器,即构成ICCD(Image Intensified CCD),能让我们在漆黑的夜晚,不用闪光灯也能看清一切,敏感度远胜于猫的眼睛。

微光遥感成像技术,是指用微光像增强CCD(即ICCD),补充或弥补现有CCD成像器件的遥感相机技术。ICCD微光遥感相机可大大拓展各类航天器的有效工作时间范围,使其能在更宽的时段内,为观察、报告、预警地面的突发事件,如自然灾害、恐怖活动,以及必要的地理、地质和测绘等需求,提供实时宝贵的信息,其应用前景具有积极的意义。

热噪声越低,或者输入信噪比越高,目标看得越清楚。在这三类微光视频器件中,EBCCD的热噪声最低(10-1electron/pixel),其他两类器件中 CCD热噪声较高(101~102electron/pixel),但 EBCCD 工艺复杂,造价高。

目前,据光博会的了解,国内技术发展比较成熟的是第一种,即ICCD,精密且均匀地实施光纤耦合工艺是保证ICCD高清晰度像质的关键因素之一。


三类微光视频器件

像增强CCD:ICCD是把微光像增强器通过光纤元件或中继透镜与CCD耦合为一体,制成目前最常见的微光视频成像器件,方便了图像信号的传输与数字化。微光ICCD可在微光或高速条件下工作,目前已广泛应用于军事侦察、显微检测、天基空间监视和车辆驾驶等军事、科研领域。另外,ICCD相关元器件包括微光管、光纤元件和CCD。

微光像管是微光夜视系统的核心,其光阴极能把输入光子转换为光电子图像,进而通过微通道板的电子数倍增、荧光屏电光转换为亮度得到上万倍增强的可见光图像。整个微光夜视系统,包括光学成像镜头组、微光像增强器、后置处理系统。这里的光纤元件,又名光纤面板,类似光缆中传输光信号的光学元件,它能传递光学图像;CCD,就是固体阵列扫描式光敏成像器件,广泛应用在数码摄影、天文学,尤其是光学遥测技术、光学与频谱望远镜和高速摄影技术。它们的性能优劣和质量控制是微光遥感相机研制工作中的关键环节。


 01、三种微光管/CCD耦合方式比较

微光管与CCD的耦合方式有三种:中继透镜耦合、光纤光锥耦合和光纤传输带耦合。三种方式各有优缺点。

后两者的分辨力损失中等,且均存在CCD的前照明与后照明之分,前照明CCD受电极覆盖影响,有效接收光能力受损;后照明CCD虽无此顾虑,但耦合间隙较大,总体耦合分辨力较低。目前,市场上以光纤光锥耦合的ICCD最为常见。


 02、微光遥感相机用CCD元件的优选

下表列举了ICCD相关的光子泊松噪声、光阴极热噪声、CCD热噪声、单个像元CCD的转移噪声、1000个像元的转移噪声和19×1000个像元的转移噪声水平(10 μm×10 μm,25℃和10-3 lx像面照度条件下)。

泊松噪声,就是噪声分布符合泊松分布模型。

热噪声:通信设备中无源器件如电阻、馈线由于电子布朗运动而引起的噪声。又称电阻噪声。

转移噪声:CCD中前一电荷包的电荷未进行完全转移,一部分电荷残存在势阱中,成为后来电荷包的噪声干扰。引起转移噪声的根本原因是转移损失、界面态俘获和体态俘获。

转移噪声是限制ICCD输出信噪比和观察性能的最大障碍,因为1个像元的转移噪声为102electron/pixel;一行103个像元,转移噪声为105 electron;19个ICCD拼接的阵列探测器的转移噪声为1.9×106electron。这就是提高CCD前端耦合微光管的输入信噪比和选购低转移噪声CCD(同片放大器CCD,输出电容≤0.03pF时mtransfer=69 electron/pixel)的根本原因。


 03、微光遥感相机用微光管的优选

微光管的性能优选对提高微光遥感相机的质量至关重要。下图高度概括了零代、一代、二代、三代微光器件光阴极灵敏度、器件分辨力、信噪比的当前国内外工业水平和极限水平。这是人们进行ICCD结构优化设计的重要依据。

应用:相比于可见光CCD遥感技术而言,ICCD微光遥感技术是近些年发展起来的一种新技术,尚处于严格保密阶段。

光博会根据部分国内外情报资料和承研单位的研究论文,我们得知如下部分应用:

国外在20世纪80年代研制成功、90年代装备使用的机载遥感探测雷达系统代表了这一领域的最高水平。

美国AN/AES-1机载激光水雷探测系统,可挂载于MH-60S直升机上。该系统吊舱直径约为53厘米,长约2.7米,重约365千克,实现对一定区域的海域水体宽波束脉冲激光上下扫描,从而实现对浅层水体中目标的探测。

美国全天时KH-12卫星,可能装备了蓝绿激光/蓝延伸GaAs光阴极像管ICCD探测器。

还可以用于宇宙深空γ射线遥感探测(萨德)成像。美国航空航天局已将其成功用于拍摄地球外层空间等离子体图像。


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来源:搜狐

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