军用夜视新技术及其创新应用

泰国《亚洲军事评论》杂志2017年第10期发表了彼得·唐纳森的文章：TURNING NIGHT INTO DAYTIME。夜视仪从其诞生那天开始，就与军队有关。最早就是因为军队需要晚上的夜视设备，夜视仪才应运而生。军用夜视仪具有高度隐蔽性、高清晰度、远距离、高耐用性以及长时观测性等特征。在长达近100年的发展过程，夜视仪经历了从一代到四代的变迁，目前五代夜视仪已经研制成功。本文详细介绍了图像增强技术、联通技术、互补金属氧化物半导体材料、短波红外技术在军用夜视仪中最新应用。文章编译如下：

《亚洲军事评论》杂志报道：正如步兵所希望携带的任何装备一样，夜视装置的设计必须实现功能与重量、体积、功耗之间的平衡。

尽管核心传感装置正在变得更小、更轻，使用的功率越来越小，同时覆盖了比以往更多的电磁频谱带，但是光谱带必须通过不同的技术才能显现出来。这迫使士兵需要根据其将看到的光谱带，选择携带几种不同的设备，或携带结合两种或更多种传感器技术的笨重设备。光谱带中包括来自月球、星星或人造光源的可见光，放大可见光的传感器通常对近红外（IR）光谱的较长波长具有扩展的响应。这其中包括数十年来主导步兵夜视领域的模拟图像增强器，以及在这些应用中最终将挑战传统设备的数字化互补金属氧化物半导体（Complementary metal Oxide Silicon，CMOS）芯片。

图像增强器的创新发展

以色列梅普洛光学公司（Meprolight）使基于图像增强器的步兵观察装置和武器瞄准具成为可能。在一个日益数字化的世界中，作为模拟设备，图像增强器可能被认为是异类，但是它们的性能还在不断提高。以色列梅普洛光学公司销售和市场总监约纳坦·宾卡斯（Yonatan Pinkas）说：“慢慢地，我的确看到了这种技术的进步，主要是反映在图像增强管本身产生的图像质量。”他在接受《亚洲军事评论》杂志采访时称：“你曾经可以在一根图像增强管上通过一定的放大倍数获得确定的探测、识别或鉴定范围，但是在放大相同倍数的情况下，由于图像的清晰度，现在可以达到更大的范围。这就是过去五年来所发生的事情，我认为未来五年将会看到技术的巨大飞跃。”

图1、以色列梅普洛光学公司的“拳击手”手持/头戴式观察设备。

以色列梅普洛光学公司的最新产品是“迷你猎人”（Mini Hunter），这是一种为小口径武器，如突击步枪设计的放大瞄准器，填补了市场空白。“大多数夜视瞄准器都是为更远的距离要求，为精确射击步枪(Designated Marksman Rifle，DMR）、神枪手、狙击手而设计。这个瞄准器是专门为冲锋枪而设计的，提供了两倍的放大倍数。”他说，“对于‘猎人’系列瞄准器来说，实现非常精确的点射非常重要，所以瞄准器在较远距离的情况下也非常精确，用户可以通过一种简单的方式来调准瞄准器并实现弹道补偿。”以色列梅普洛光学公司研发了一种可以安装在面罩、头盔或武器上的装置，命名为Minimon-L，宾卡斯告诉《亚洲军事评论》的记者：“并不是市场上所有的单片望远镜都有这种能力。在同一个设备上拥有三种能力对我们来说是非常重要的。”宾卡斯先生认为，基于非制冷型微测辐射热计探测器的热成像夹式装置，再加上图像增强瞄准器，将作为提供双传感器功能的最实用方法，满足市场最迫切的需求。

连通性障碍？

另一个障碍是来自观察设备或武器瞄准器的图像传输至头盔上的远程显示器，并且上传至网络的连通性。“这里有一定的技术分界线，但这是一场竞赛，”宾卡斯先生补充说，“每个制造商都有来自最终用户的相同需求，似乎每个人都在争取拿出一个解决方案。”分界线在于将增强器的图像数字化，其中涉及将诸如互补金属氧化物半导体芯片之类的高分辨率数字成像装置紧密地耦合到荧光屏，而不会降低图像的品质，这是非常困难的。在未来十年左右，宾卡斯先生说，他预计模拟和数字夜视技术之间的性能差异仍会存在，但最后肯定会消失。“我认为图像质量会非常相似，但价格因素将对用户最终购买哪些设备产生更大的影响。”

互补金属氧化物半导体的发展

当然，使用数字成像技术的夜视设备已经问世。其中最新的产品是罗彻斯特精密光学公司（Rochester Precision Optics）的互补金属氧化物半导体夜视仪（CMOS Night Observation Device，CNOD）。该夜视仪可以作为一种手持式单目光学器件，也可以作为一个夹式或独立的武器瞄准器，它可以通过一个基座安装至M-1913皮卡汀尼导轨上，并且经过了加固处理，能够经得起包括7.62毫米口径在内的大部分武器发射时的冲击。它的互补金属氧化物半导体传感器能够从明亮的阳光到黑暗的夜晚，响应波长在500～1080纳米之间的高分辨率图像，并且能够在黄昏和黎明期间进行操作。当然，在此期间士兵通常必须在白天和夜晚的光学系统之间进行切换。互补金属氧化物半导体夜视仪的光谱覆盖也使用户能够在白天和黑夜看到大多数战术激光的光点。它还可以在内部录制静止图像并导出视频，确保用户能够面对潜在危险目标时实现暴露最小化，而RS-232和USB接口提供与战术通信系统的连接，因此可以将其联网输出。虽然互补金属氧化物半导体成像器可以在白天产生清晰的彩色图像，但随着光照水平的下降，颜色将变为灰度。然而，大部分的夜晚都有少量的来自月亮和星星的全光谱可见光。

图2、互补金属氧化物半导体夜视仪代表了新一代的步兵数字成像系统，已经开始在光谱覆盖和图像质量方面媲美传统的图像增强技术。

能够在夜晚拍摄彩色影像的X27“鱼鹰”相机

能够利用这种技术在黑暗的夜晚拍摄彩色影像的相机明显很有吸引力。SPI红外公司（SPI Infrared）就是一家提供此类设备的公司，该公司的X27“鱼鹰”（Osprey）相机内核基于宽光谱薄膜阵列(Broad Spectrum Thin Film Array, BSTFA)互补金属氧化物半导体技术。相当于ISO（国际标准化组织）500万的光灵敏度等级和390～1200微米的光谱覆盖率，X27“鱼鹰”的亮度增益达到了x85000。传感器本身就是一个1000万像素的设备，能够生成低至1毫勒克斯的4K高清晰度彩色图像，可实现60赫兹的视频帧速率，并且信噪比相当于或者超过最新的图像增强器。该公司网站上的录像展示了在阴天星光条件下拍摄的令人印象深刻的全彩影像。

该公司发言人称，其他低照度互补金属氧化物半导体彩色相机，使用过滤器来确保自然的色彩，但阻挡了一些光。X27“鱼鹰”相机采用片上处理技术避免了颜色校正。该相机已为集成至步兵武器瞄准器以及单目和双目观察瞄准装置做好准备。其中之一就是配置在具有护眼型激光测距仪的手持式双筒望远镜上。此外，这款相机正在开发的一个版本，被称为X28，它的光谱响应扩展到1600微米，以接收1500微米的红外激光。

图3、SPI红外公司的X27“鱼鹰”相机可以在最黑暗的夜晚利用微量的全光谱光拍摄出自然的彩色图像。

短波红外照相机

红外光谱中还有大约在900～3000微米之间的短波红外（Short Wave IR，SWIR）波段。从白天的日光到晚上天空中的辉光，短波红外辐射很强。短波红外照相机依靠反射光，而不是与较长的热波长相关的发射光产生自然的灰度图像。与热红外波长相比，短波红外具有另一个优点，它可以穿过玻璃，并且可以像热成像仪一样透过窗户看到里面的物体。目前短波红外照相机的尺寸适合步兵装备。美国古德里奇公司（Goodrich）旗下的传感器无限公司(Sensors Unlimited Inc）率先推出了该型产品，现在提供包括“勇士”手持设备/武器配装/头盔配置（Warrior Handheld / Weapon / Helmet（HWH），短波红外袖珍型（SWIR Pocket Scope，SPS）以及转换激光照明的“勇士”照明装置（Warrior Illuminator）在内的众多设备。“勇士”手持设备/武器配装/头盔配置使用户能够在白昼和夜间穿过粉尘、烟雾或者雾霾，看到战场激光标记的目标。该公司的短波红外探测器使用一种对于700～1700微米波长敏感的高分辨率（640×512）铟镓砷焦平面阵列。像所有的短波红外传感器一样，它不需要冷却，依靠电池可以连续工作4个小时以上。该系统能够附着在皮卡汀尼导轨上，武器架允许瞄准器在必要时快速翻转至另一边。

图4、短波红外照相机能够拍摄到隐藏在水中的游泳者。

“勇士”PRF（脉冲重复频率首字母缩写）解码器模块连接到“勇士”手持设备/武器配装/头盔配置左侧的触点式插座，并从其电池获取电力。通过使用自己的短波红外焦平面阵列探测器和九度视场镜头，无论是白天还是黑夜，它能够在4千米（2.5英里）范围内同时并连续地追踪和解码多达三个激光标记或指示器，该公司称，在图像上覆盖彩色符号和脉冲重复频率代码。与此同时，短波红外袖珍型照相机具有“勇士”手持设备/武器配装/头盔配置非常类似的优势，但体积更小，重量更轻。短波红外袖珍型照相机采用25毫米镜头，其640×500像素芯片能够在700～1700微米的谱带提供图像，能够依靠一对CR123A电池连续工作两小时以上。像该系列体积较大的产品一样，它可以手持或安装在头盔或武器导轨上。它具有数码变焦功能，可以将静止图像和视频保存到内部存储卡。美国政府将带有短波红外传感器产品归入了《国际武器贸易条例》范围之内。

多传感器系统

将多个传感器集成至手持式设备是最新互补金属氧化物半导体相机的下一步目标，其扩展的光谱响应降低了对追踪激光点独立设备的需求。赛峰公司（Safran）的JIM Compact轻量化远程多功能双筒望远镜和Vectronix分公司的Moskito-TI多用途目标定位器是此类设备的最新典范。赛峰公司发言人告诉《亚洲军事评论》杂志的记者：“它们最具创新性的功能是能够在不增加重量的情况下看到来自激光指示器的斑点甚至指示器。JIM-LR包含两个互补金属氧化物半导体摄像头，一个是1500万像素的日光彩色电视传感器，提供13.5度的宽视场和4.5度的窄视场，另一个传感器是具有两个独立视场（6.2度和4.5度）低光摄像头。赛峰公司发言人表示，两者都比其他同级别的设备更轻，功能更全面。“它们能够满足包括步兵、特种部队和联合火力部队（如联合终端攻击控制员）或前线观察员在内的大量用户的需求。”JIM Compact双筒望远镜重量不到2千克（4.4磅），还配备了法国索弗拉迪公司(Sofradir)的一台制冷式中红外热成像仪，这种热成像仪由索弗拉迪公司与泰利斯公司共同研发，能够提供与彩色电视摄像头和640×480像素探测器相匹配的视场。JIM Compact远程多功能望远镜还配备了有效范围超过12千米（7.5英里）的护眼型安全激光测距仪、数字磁罗盘、倾角仪和嵌入式全球定位系统（GPS）接收器。

Moskito-TI多用途目标定位器重量不到1.3千克（2.9磅），配备了一组传感器套件，其中包括一个视场为6.1度、放大倍数为6倍的直观光学通道，可以不需要电力提供日光观察能力。该公司发言人还称：“另外，赛峰公司的产品还包括先进的连接功能，如以太网接口，并且采用了图片/视频流技术（一边下载一边播放），有助于提高在战场上的效率。”在这样的系统中使用的制冷式探测器有两个主要的发展重点。第一是产生焦平面阵列，即将各个元件放置在一起，以在相同的物理包络中提供更高的分辨率；第二是在保持分辨率的同时实现系统小型化。

图5、多传感器系统包括近红外、中红外和可见光波长等多个传感器，以及激光测距仪、数字磁罗盘、倾角仪和各种连接JIM紧凑型观测和瞄准装置的接口。

小型探测器

虽然行业标准是15微米左右，但法国索弗拉迪公司现在提供的Dphnis-HD MW探测器的像素间距为10微米。该公司声称，Dphnis-HD MW型探测器比同类的10微米探测器有更好的性能，同时比前一代红外探测器的探测、识别和鉴定（Detection,Recognition and Identification，DRI）范围提高了55％。现在该设备面临两大挑战：第一，这些像素数仍然低于与可见光谱检测器相关的像素数，部分原因是由于热敏红外敏感材料制造技术的局限性。法国索弗拉迪公司营销副总裁克莱尔·瓦伦丁（Claire Valentin）向作者解释称：“在可见光波段，波长大约在0.4～0.9微米之间，在红外波段，波长大约在3～5微米，以及8～12微米。“如果你的波长在8～12微米之间，我们假设最低音高确保你不会有太多的干扰，你的波长需要在10～15微米的范围内。”

第二个挑战是开发在较高温度下工作而不影响灵敏度的探测器，应对方式是采用使用寿命更长的斯特林循环散热器，从而确保该设备的使用寿命更长，或者更小，更轻。她说：“我们这一代的设备工作温度是开氏110度，我们目标是将其提高至开氏140度或者开氏150度。同时减小更小型产品的散热器尺寸，这对于便携式系统非常有用。”

图6、法国索弗拉迪公司的Dphnis-HD MW高分辨率制冷式热成像摄像机实现了10微米像素间距探测，并且能够使用更小的冷却器在开氏120度环境下运行。

打破现有规则

展望未来，衍射极限可能不是发展的终点，超越它是美国国防部先进研究计划局最终计划的目标。美国国防先进研究计划局正在要求工业界，开发工程材料（ENMATS）的新兴技术，从其结构中获取其光学特性，从而“摆脱传统的‘规则’和人为制约现代光学的‘规律’”。任何一名步兵都很容易认识到这种技术的重要性，它可能导致实际的夜视镜比普通的太阳镜只是稍厚一点（传统的夜视镜外形看起来像一个双筒望远镜）。这项技术由澳大利亚国立大学（NDU）教授德拉戈米尔·内舍夫(Dragomir Neshev）领导的团队开发，并利用称为“二次谐波发生”的现象将红外波长转换为可见波长。使用次谐波振荡的介电质铝砷化镓纳米天线，使控制非线性光的方向和偏振成为现实。通过将高品质铝砷化镓纳米材料生产的特殊III-V族半导体嵌入低折射率透明材料，使同时向前和向后非线性发射电脑为可能。入射的红外光与强烈的激光“泵浦”光束混合，产生一个新的可见光图像。转换直接发生，没有中间电子的阶段，但需要电池。内舍夫教授说“这是为了将红外光转换为可见光所需的激光二极管供电。一个1瓦的激光二极管，类似于一个明亮的电池供电的手电筒，足以运行数小时。”他补充说，五年内可以制造出实用的军事装备。总之，夜视技术，尤其是步兵系统可能正处于革命的风口浪尖。