微光成像技術在航空機載的應用

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摘要：隨著微光成像技術的發展，微光夜視系統在現代化戰爭中發揮著重要作用。分析了微光成像技術的特點及在航空機載領域的典型應用，梳理了微光夜視系統在國內外航空機載領域裝備應用情況。討論了航空機載領域微光成像技術的發展趨勢，為國內航空機載微光夜視裝備的研制提供參考。

關鍵詞：微光成像；微光像增強器；機載夜視；夜視鏡

微光成像技術是在夜天光（如微弱月光、星光、大氣輝光等）照明條件下實現光-電子圖像信息之間相互轉換、增強、處理、顯示的一門技術等。利用微光成像技術，能將人眼不能或不易看見的近紅外輻射、極微弱星光等景物圖像通過各類微光像增強器和微光視頻成像器件進行光譜和光電轉換，變成亮度被增強的人眼易看的可見光圖像，從而彌補了人眼的局限性，擴展了人眼的視野和功能[1]。隨著20世紀40年代國外開始研究微光夜視技術開始研究以來，作為微光夜視技術核心的微光像增強技術得到了迅猛發展，先后有了一代、二代、三代和超二代微光像增強器的問世，代表的廠家有美國ITT公司、諾斯羅普•格魯曼公司，法國的PHOTONIS公司、荷蘭DEP公司等。我國微光夜視技術經過發展，已具備一代和二代以及高性能超二代微光像增強器的批量生產能力，并大量裝備部隊。三代微光器件研究已獲得重大技術突破，實驗室樣管可以達到美國標準三代管的水平[2、3]。國外目前已大量裝備微光夜視系統，尤其是在航空機載領域，美軍表現比較突出，其在轟炸機、殲擊機、加油機、運輸機以及各種旋翼機平臺上都配備了多種微光夜視系統，以突出其在夜戰中的優勢力量。目前，國內微光夜視產品由于受核心器件發展限制，微光夜視產品從裝備數量和技術指標與國外相比仍有差距。

1微光成像技術特點及在航空機載領域的應用

微光成像系統通常有兩種類型：直視型微光夜視鏡和視頻型微光夜視攝像機。其中，前者通過目鏡直接觀察，結構簡單、成本低廉；后者通過各類視頻型微光器件轉換為視頻信號，能夠實現圖像的傳輸、多傳感器信號疊加以及圖像優化處理。微光成像技術具有以下特點：（1）成像效果與人眼的視覺效果接近；（2）微光夜視儀體積小、重量輕，而且由于工作方式是被動的，便于隱蔽使用；（3）不易識別偽裝目標；（4）作用距離與觀察效果受到氣象影響較大。綜合國內外航空機載領域夜視系統裝備平臺和應用領域，夜視系統在航空機載領域的主要應用包括以下幾個方面：（1）可在燈光管制等特殊環境下進行艙內及艙外觀察，并可輔助飛行員目視觀察進行飛機的起降及搜索目標；（2）可輔助進行夜間飛行編隊，有效縮短編隊距離；（3）可以輔助觀察它機或本機特定波段激光照射所產生的激光斑；（4）可進行夜間空中加油的觀察與監視；（5）配合其他傳感器完成飛行員飛行數據信息綜合顯示。

2國內外航空機載領域微光夜視系統裝備情況

2.1國外航空機載領域微光夜視系統裝備情況。目前，美國空軍、海軍及國外戰機已經裝備了大量的微光夜視系統，其中美軍機載平臺應用的夜視鏡有AN/AVS-6、AN/AVS-9、AN/AVS-10PNVG等，分別應用包括A-10、F-15C、F-15E、F-16、F117、C-5、C-130、KC-135、HH-60、AH-64等固定翼飛機以及旋翼機平臺。英國、法國、荷蘭、俄羅斯等也在多種機型平臺（例如臺風戰斗機、鷹獅戰斗機、米-17、米-24、“虎”式直升機等）裝備了微光夜視系統。航空機載領域應用的微光夜視系統主要包括直視型微光夜視鏡和視頻型微光夜視攝像機。其中傳統的直視型夜視鏡在機載領域應用較為廣泛，直視型微光夜視鏡典型產品包括以下幾種類型。（1）雙管雙目夜視鏡圖1所示美軍的AN/AVS-9夜視鏡，另外還有美軍的AN/AVS-6、荷蘭的NL-93夜視鏡、英國NITE-OP夜視鏡等。該類型夜視鏡通常采用40°典型視場，放大倍率為1倍，包括手動焦距調節以及目鏡視度調節以及眼距、瞳間距調節等功能。座椅彈射時通過爆炸脫落或過載自動脫落的形式。目前裝備的夜視鏡均采用標準三代像增強器或高性能三代像增強器。（2）雙管雙目頭顯夜視鏡圖2所示美軍的ANVIS/HUD-24夜視鏡。該類夜視鏡通過平視顯示元件與雙管數目夜視鏡疊加，實現飛行數據與夜視場景的疊加顯示。該款夜視鏡頭顯視場為32°，夜視視場為40°，頭顯像元的分辨率為512×512。其余結構和功能與雙管雙目夜視鏡相近。（3）多管雙目超大視場夜視鏡圖3所示美軍的AN/AVS-10夜視鏡。該夜視鏡采用4個16mm的三代像增強器。四個光通道兩兩進行目鏡拼接，最終實現了100°×40°的超寬視場，亦能實現手動焦距調節以及目鏡視度調節以及眼距、瞳間距調節等功能。該夜視鏡彈射兼容性采用過載自動脫落的形式。（4）折轉式雙管雙目微光夜視鏡圖4所示法國的SagemJADE夜視鏡。該類夜視鏡采用折轉組合目鏡的形式，使飛行員既能觀看到夜視光路反射的夜視增強圖像，亦能通過透視組合鏡看到平顯、座艙儀表、艙外未增強器的可見光圖像。這種構型既縮短了夜視鏡的突出量，改善了重心分布，又增強了飛行員的對飛行的態勢感知。視頻型微光夜視攝像機，通常應用于多功能綜合夜視頭盔上，例如臺風戰斗機上配備的BAESystem公司設計的HMDSsystem（如圖5所示）、鷹獅戰斗機飛行員配備的新型HMDSsystem以及F35飛行員配備的新型夜視頭盔顯示器（如圖6所示）。微光夜視攝像機形成的外界場景的增強視頻經視頻處理傳輸疊加顯示在頭顯的顯示像元上并接投射在護目鏡上，實現增強場景與飛行數據的疊加顯示。2.2國內航空機載領域微光夜視系統裝備情況。目前，國內只有直升機平臺裝備有頭盔微光夜視鏡和綜合頭盔瞄準具（含夜視組件），且涉及型號少，裝備量低。相比國外航空機載領域微光夜視系統裝備的產品類型及裝備的機型相比，國內仍有較大差距。國內航空機載領域裝備的夜視鏡的主要差距體現在以下幾個方面。（1）核心器件像增強器性能差距受制于核心器件的限制，目前國內裝備的夜視鏡像增強器主要為超二代水平，與美軍的大量裝備三代像增強器以及高性能三代像增強器差距明顯。主要差距在器件的分辨率（超二代最高達到64對線/mm，三代像增強器典型值為64對線/mm，最高可達72對線/mm）、信噪比（超二代最高達25db，三代像增強器典型值大于25）和靈敏度（超二代典型值為700μA/lm、三代典型值不小于1800μA/lm）等，體現在系統的作用距離、動態范圍等。（2）微光夜視鏡構型單一目前，國內機載裝備夜視鏡多采用雙管雙目微光夜視鏡構型，該種構型佩戴舒適性相對較差，視場局限，不利于直接觀察平視顯示器以及座艙儀表等。國外除雙管雙目構型外，還裝備有折轉耦合式構型、多視場拼接構型等。（3）微光夜視鏡功能單一國外裝備的夜視鏡功能豐富，包含頭顯綜合式雙管微光夜視鏡、超寬視場微光夜視鏡、等，并且更多的多功能綜合夜視頭盔集成。國內裝備的微光夜視鏡大多只能提供單一的微光增強圖像，用于疊加飛行數據信息的綜合頭盔瞄準具使用和裝備較少。

3機載微光成像技術發展趨勢

（1）寬視場微光夜視鏡普通夜視鏡視場通常為40°，視場小與飛行員快速機動搜索目標相矛盾。需要研發與人眼正常視覺相匹配的超大視場微光夜視鏡。但大視場夜視鏡帶來新的問題：體積大、重量重。減小像增強器自身尺寸重量、采用新型光學和結構材料、新的光學構型實現超大視場微光夜視鏡小型化、輕量化的設計成為設計研發的重點。（2）折轉組合目鏡式微光夜視鏡傳統直視型微光夜視鏡的單目光路中物鏡、像增強器、目鏡和人眼在一條直線上。該構型主要問題：1、夜視鏡突出量大，重量重心靠近飛行員前沿處；2、傳統的直視型微光夜視需要通過眼睛余光來觀察下視的彩色顯示器，給使用過程中帶來不便。折轉組合目鏡式微光夜視鏡一方面能夠使夜視鏡長度進一步縮短增加佩戴舒適性，另一方面能夠使人眼的通視視場增大，便于直接觀察座艙內的平視顯示器、下視彩色顯示器以及其他儀表。（3）綜合夜視頭盔系統相比傳統單一類型夜視鏡，綜合夜視頭盔系統能夠綜合多傳感器信息融合顯示，既能顯示經過微光增強的場景圖像，又能疊加顯示必要的飛行數據信息，還能綜合顯示機載其他光電傳感器（紅外傳感器等）的視頻圖像以及與微光視頻融合顯示的圖像等。綜合夜視頭盔系統使夜視傳感器的布局不再局限于人眼視覺的正前方，無論是通過光疊加的還是視頻信號電疊加的夜視傳感器都可以布置在頭盔兩側護耳處，甚至是機上的其他安裝位置，以改善飛行員佩戴的舒適性。（4）新型微光夜視傳感器的應用新型的EBAPS，其借助光陰極產生光電子，從高壓電源獲得高能量轟擊光敏面，以高電子能量，換取更大的電荷數量轉換，具有讀出噪聲低、靈敏度高的特點[4]。黑硅探測器，采用黑硅半導體技術，使探測器的響應波段能夠從紫外擴展到長波紅外，具有超高的靈敏度，能夠在小于0.001lux低照度環境下成像，能夠提供高質量的晝夜成像效果；短波相機，采用InGaAs陰極材料，響應波段0.4μm～1.7μm；增強型CMOS器件，具有更高的幀率（大于100Hz）、更大的動態范圍（大于60dB）、較小的可讀出噪聲（小于4e-）且晝夜都能使用。眾多使用新技術、新類型的微光夜視傳感器的不斷發展和完善，使微光夜視攝像機的傳感器不再局限于ICCD或ICMOS等像增強器耦合型視頻器件，能夠進一步縮短微光傳感器的體積并減少重量，擴展機載航空領域的夜視技術的應用范圍[5]。

4結束語

對比國外機載領域的裝備、應用及發展趨勢情況，結合目前國內機載夜視裝備情況及用戶使用情況，最后指出國內機載微光成像技術的幾個關注點：（1）夜視鏡的人機工效問題。包括佩戴舒適性問題、彈射安全性問題、夜視兼容問題等；（2）新構型的應用。加快研制新型微光夜視鏡如寬視場、折轉組合目鏡式夜視鏡等，解決國內夜視鏡品種單一、應用單一的局面；（3）新型微光傳感器的應用。關注新型微光夜視傳感器的發展及應用，包括新型的彩色夜視傳感器的發展，拓展機載平臺夜視技術的應用；（4）多傳感器融合技術。結合機載平臺中不同波段傳感器的特點，考慮多傳感器的融合處理。

參考文獻

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[2]郭暉,向世明,田民強,微光夜視技術發展動態評述[J].紅外技術,2013,35(2):63-68.

[3]胡邁,曹維國,王勁松,安志勇,林婉宜,于麗婷.微光夜視環境中自然微光環境模擬[J].長春理工大學學報（自然科學版）,2015,38(1):29-33.

[4]史繼芳,劉宇.用于微光夜視系統檢測的夜天光模擬[J].應用光學,2003,24(5):11-13.

[5]蔡珂珺,付躍剛,顧平平.用于微光夜視儀性能檢測的夜間仿真環境[J].紅外技術,2007,29(2):102-106.

作者:劉文彬 單位:中國航空工業集團公司洛陽電光設備研究所