2018-02-11 11:49:00
來源： 知遠戰略與防務研究所
自：泰國《亞洲軍事評論》2017年第10期
[知遠導讀]泰國《亞洲軍事評論》雜志2017年第10期發表了彼得·唐納森的文章：TURNING NIGHT INTO DAYTIME。夜視儀從其誕生那天開始，就與軍隊有關。最早就是因為軍隊需要晚上的夜視設備，夜視儀才應運而生。軍用夜視儀具有高度隱蔽性、高清晰度、遠距離、高耐用性以及長時觀測性等特征。在長達近100年的發展過程，夜視儀經歷了從一代到四代的變遷，目前五代夜視儀已經研制成功。本文詳細介紹了圖像增強技術、聯通技術、互補金屬氧化物半導體材料、短波紅外技術在軍用夜視儀中最新應用。文章編譯如下：
《亞洲軍事評論》雜志報道：正如步兵所希望攜帶的任何裝備一樣，夜視裝置的設計必須實現功能與重量、體積、功耗之間的平衡。
盡管核心傳感裝置正在變得更小、更輕，使用的功率越來越小，同時覆蓋了比以往更多的電磁頻譜帶，但是光譜帶必須通過不同的技術才能顯現出來。這迫使士兵需要根據其將看到的光譜帶，選擇攜帶幾種不同的設備，或攜帶結合兩種或更多種傳感器技術的笨重設備。光譜帶中包括來自月球、星星或人造光源的可見光，放大可見光的傳感器通常對近紅外（IR）光譜的較長波長具有擴展的響應。這其中包括數十年來主導步兵夜視領域的模擬圖像增強器，以及在這些應用中最終將挑戰傳統設備的數字化互補金屬氧化物半導體（Complementary Metal Oxide Silicon，CMOS）芯片。
圖像增強器的創新發展
以色列梅普洛光學公司（Meprolight）使基于圖像增強器的步兵觀察裝置和武器瞄準具成為可能。在一個日益數字化的世界中，作為模擬設備，圖像增強器可能被認為是異類，但是它們的性能還在不斷提高。以色列梅普洛光學公司銷售和市場總監約納坦·賓卡斯（Yonatan Pinkas）說：“慢慢地，我的確看到了這種技術的進步，主要是反映在圖像增強管本身產生的圖像質量。”他在接受《亞洲軍事評論》雜志采訪時稱：“你曾經可以在一根圖像增強管上通過一定的放大倍數獲得確定的探測、識別或鑒定范圍，但是在放大相同倍數的情況下，由于圖像的清晰度，現在可以達到更大的范圍。這就是過去五年來所發生的事情，我認為未來五年將會看到技術的巨大飛躍。”
圖1、以色列梅普洛光學公司的“拳擊手”手持/頭戴式觀察設備。
以色列梅普洛光學公司的最新產品是“迷你獵人”（Mini Hunter），這是一種為小口徑武器，如突擊步槍設計的放大瞄準器，填補了市場空白。“大多數夜視瞄準器都是為更遠的距離要求，為精確射擊步槍（Designated Marksman Rifle，DMR）、神槍手、狙擊手而設計。這個瞄準器是專門為沖鋒槍而設計的，提供了兩倍的放大倍數。”他說，“對于‘獵人’系列瞄準器來說，實現非常精確的點射非常重要，所以瞄準器在較遠距離的情況下也非常精確，用戶可以通過一種簡單的方式來調準瞄準器并實現彈道補償。”以色列梅普洛光學公司研發了一種可以安裝在面罩、頭盔或武器上的裝置，命名為Minimon-L，賓卡斯告訴《亞洲軍事評論》的記者：“并不是市場上所有的單片望遠鏡都有這種能力。在同一個設備上擁有三種能力對我們來說是非常重要的。”賓卡斯先生認為，基于非制冷型微測輻射熱計探測器的熱成像夾式裝置，再加上圖像增強瞄準器，將作為提供雙傳感器功能的最實用方法，滿足市場最迫切的需求。
連通性障礙？
另一個障礙是來自觀察設備或武器瞄準器的圖像傳輸至頭盔上的遠程顯示器，并且上傳至網絡的連通性。“這里有一定的技術分界線，但這是一場競賽，”賓卡斯先生補充說，“每個制造商都有來自最終用戶的相同需求，似乎每個人都在爭取拿出一個解決方案。”分界線在于將增強器的圖像數字化，其中涉及將諸如互補金屬氧化物半導體芯片之類的高分辨率數字成像裝置緊密地耦合到熒光屏，而不會降低圖像的品質，這是非常困難的。在未來十年左右，賓卡斯先生說，他預計模擬和數字夜視技術之間的性能差異仍會存在，但最后肯定會消失。“我認為圖像質量會非常相似，但價格因素將對用戶最終購買哪些設備產生更大的影響。”
互補金屬氧化物半導體的發展
當然，使用數字成像技術的夜視設備已經問世。其中最新的產品是羅徹斯特精密光學公司（Rochester Precision Optics）的互補金屬氧化物半導體夜視儀（CMOS Night Observation Device，CNOD）。該夜視儀可以作為一種手持式單目光學器件，也可以作為一個夾式或獨立的武器瞄準器，它可以通過一個基座安裝至M-1913皮卡汀尼導軌上，并且經過了加固處理，能夠經得起包括7.62毫米口徑在內的大部分武器發射時的沖擊。它的互補金屬氧化物半導體傳感器能夠從明亮的陽光到黑暗的夜晚，響應波長在500~1080納米之間的高分辨率圖像，并且能夠在黃昏和黎明期間進行操作。當然，在此期間士兵通常必須在白天和夜晚的光學系統之間進行切換。互補金屬氧化物半導體夜視儀的光譜覆蓋也使用戶能夠在白天和黑夜看到大多數戰術激光的光點。它還可以在內部錄制靜止圖像并導出視頻，確保用戶能夠面對潛在危險目標時實現暴露最小化，而RS-232和USB接口提供與戰術通信系統的連接，因此可以將其聯網輸出。雖然互補金屬氧化物半導體成像器可以在白天產生清晰的彩色圖像，但隨著光照水平的下降，顏色將變為灰度。然而，大部分的夜晚都有少量的來自月亮和星星的全光譜可見光。
圖2、互補金屬氧化物半導體夜視儀代表了新一代的步兵數字成像系統，已經開始在光譜覆蓋和圖像質量方面媲美傳統的圖像增強技術。
能夠在夜晚拍攝彩色影像的X27“魚鷹”相機
能夠利用這種技術在黑暗的夜晚拍攝彩色影像的相機明顯很有吸引力。SPI紅外公司（SPI Infrared）就是一家提供此類設備的公司，該公司的X27“魚鷹”（Osprey）相機內核基于寬光譜薄膜陣列（Broad Spectrum Thin Film Array， BSTFA）互補金屬氧化物半導體技術。相當于ISO（國際標準化組織）500萬的光靈敏度等級和390~1200微米的光譜覆蓋率，X27“魚鷹”的亮度增益達到了x85000。傳感器本身就是一個1000萬像素的設備，能夠生成低至1毫勒克斯的4K高清晰度彩色圖像，可實現60赫茲的視頻幀速率，并且信噪比相當于或者超過最新的圖像增強器。該公司網站上的錄像展示了在陰天星光條件下拍攝的令人印象深刻的全彩影像。
該公司發言人稱，其他低照度互補金屬氧化物半導體彩色相機，使用過濾器來確保自然的色彩，但阻擋了一些光。X27“魚鷹”相機采用片上處理技術避免了顏色校正。該相機已為集成至步兵武器瞄準器以及單目和雙目觀察瞄準裝置做好準備。其中之一就是配置在具有護眼型激光測距儀的手持式雙筒望遠鏡上。此外，這款相機正在開發的一個版本，被稱為X28，它的光譜響應擴展到1600微米，以接收1500微米的紅外激光。
圖3、SPI紅外公司的X27“魚鷹”相機可以在最黑暗的夜晚利用微量的全光譜光拍攝出自然的彩色圖像。
短波紅外照相機
紅外光譜中還有大約在900~3000微米之間的短波紅外（Short Wave IR，SWIR）波段。從白天的日光到晚上天空中的輝光，短波紅外輻射很強。短波紅外照相機依靠反射光，而不是與較長的熱波長相關的發射光產生自然的灰度圖像。與熱紅外波長相比，短波紅外具有另一個優點，它可以穿過玻璃，并且可以像熱成像儀一樣透過窗戶看到里面的物體。目前短波紅外照相機的尺寸適合步兵裝備。美國古德里奇公司（Goodrich）旗下的傳感器無限公司（Sensors Unlimited Inc）率先推出了該型產品，現在提供包括“勇士”手持設備/武器配裝/頭盔配置（Warrior Handheld / Weapon / Helmet（HWH），短波紅外袖珍型（SWIR Pocket Scope，SPS）以及轉換激光照明的“勇士”照明裝置（Warrior Illuminator）在內的眾多設備。“勇士”手持設備/武器配裝/頭盔配置使用戶能夠在白晝和夜間穿過粉塵、煙霧或者霧霾，看到戰場激光標記的目標。該公司的短波紅外探測器使用一種對于700~1700微米波長敏感的高分辨率（640×512）銦鎵砷焦平面陣列。像所有的短波紅外傳感器一樣，它不需要冷卻，依靠電池可以連續工作4個小時以上。該系統能夠附著在皮卡汀尼導軌上，武器架允許瞄準器在必要時快速翻轉至另一邊。
圖4、短波紅外照相機能夠拍攝到隱藏在水中的游泳者。
“勇士”PRF（脈沖重復頻率首字母縮寫）解碼器模塊連接到“勇士”手持設備/武器配裝/頭盔配置左側的觸點式插座，并從其電池獲取電力。通過使用自己的短波紅外焦平面陣列探測器和九度視場鏡頭，無論是白天還是黑夜，它能夠在4千米（2.5英里）范圍內同時并連續地追蹤和解碼多達三個激光標記或指示器，該公司稱，在圖像上覆蓋彩色符號和脈沖重復頻率代碼。與此同時，短波紅外袖珍型照相機具有“勇士”手持設備/武器配裝/頭盔配置非常類似的優勢，但體積更小，重量更輕。短波紅外袖珍型照相機采用25毫米鏡頭，其640×500像素芯片能夠在700~1700微米的譜帶提供圖像，能夠依靠一對CR123A電池連續工作兩小時以上。像該系列體積較大的產品一樣，它可以手持或安裝在頭盔或武器導軌上。它具有數碼變焦功能，可以將靜止圖像和視頻保存到內部存儲卡。美國政府將帶有短波紅外傳感器產品歸入了《國際武器貿易條例》范圍之內。
多傳感器系統
將多個傳感器集成至手持式設備是最新互補金屬氧化物半導體相機的下一步目標，其擴展的光譜響應降低了對追蹤激光點獨立設備的需求。賽峰公司（Safran）的JIM Compact輕量化遠程多功能雙筒望遠鏡和Vectronix分公司的Moskito-TI多用途目標定位器是此類設備的最新典范。賽峰公司發言人告訴《亞洲軍事評論》雜志的記者：“它們最具創新性的功能是能夠在不增加重量的情況下看到來自激光指示器的斑點甚至指示器。JIM-LR包含兩個互補金屬氧化物半導體攝像頭，一個是1500萬像素的日光彩色電視傳感器，提供13.5度的寬視場和4.5度的窄視場，另一個傳感器是具有兩個獨立視場（6.2度和4.5度）低光攝像頭。賽峰公司發言人表示，兩者都比其他同級別的設備更輕，功能更全面。“它們能夠滿足包括步兵、特種部隊和聯合火力部隊（如聯合終端攻擊控制員）或前線觀察員在內的大量用戶的需求。”JIM Compact雙筒望遠鏡重量不到2千克（4.4磅），還配備了法國索弗拉迪公司（Sofradir）的一臺制冷式中紅外熱成像儀，這種熱成像儀由索弗拉迪公司與泰利斯公司共同研發，能夠提供與彩色電視攝像頭和640×480像素探測器相匹配的視場。JIM Compact遠程多功能望遠鏡還配備了有效范圍超過12千米（7.5英里）的護眼型安全激光測距儀、數字磁羅盤、傾角儀和嵌入式全球定位系統（GPS）接收器。
Moskito-TI多用途目標定位器重量不到1.3千克（2.9磅），配備了一組傳感器套件，其中包括一個視場為6.1度、放大倍數為6倍的直觀光學通道，可以不需要電力提供日光觀察能力。該公司發言人還稱：“另外，賽峰公司的產品還包括先進的連接功能，如以太網接口，并且采用了圖片/視頻流技術（一邊下載一邊播放），有助于提高在戰場上的效率。”在這樣的系統中使用的制冷式探測器有兩個主要的發展重點。第一是產生焦平面陣列，即將各個元件放置在一起，以在相同的物理包絡中提供更高的分辨率；第二是在保持分辨率的同時實現系統小型化。
小型探測器
雖然行業標準是15微米左右，但法國索弗拉迪公司現在提供的Dphnis-HD MW探測器的像素間距為10微米。該公司聲稱，Dphnis-HD MW型探測器比同類的10微米探測器有更好的性能，同時比前一代紅外探測器的探測、識別和鑒定（Detection，Recognition and Identification，DRI）范圍提高了55%。現在該設備面臨兩大挑戰：第一，這些像素數仍然低于與可見光譜檢測器相關的像素數，部分原因是由于熱敏紅外敏感材料制造技術的局限性。法國索弗拉迪公司營銷副總裁克萊爾·瓦倫丁（Claire Valentin）向作者解釋稱：“在可見光波段，波長大約在0.4~0.9微米之間，在紅外波段，波長大約在3~5微米，以及8~12微米。“如果你的波長在8~12微米之間，我們假設最低音高確保你不會有太多的干擾，你的波長需要在10~15微米的范圍內。”
第二個挑戰是開發在較高溫度下工作而不影響靈敏度的探測器，應對方式是采用使用壽命更長的斯特林循環散熱器，從而確保該設備的使用壽命更長，或者更小，更輕。她說：“我們這一代的設備工作溫度是開氏110度，我們目標是將其提高至開氏140度或者開氏150度。同時減小更小型產品的散熱器尺寸，這對于便攜式系統非常有用。”
法國索弗拉迪公司的Dphnis-HD MW高分辨率制冷式熱成像攝像機實現了10微米像素間距探測，并且能夠使用更小的冷卻器在開氏120度環境下運行。
打破現有規則
展望未來，衍射極限可能不是發展的終點，超越它是美國國防部先進研究計劃局最終計劃的目標。美國國防先進研究計劃局正在要求工業界，開發工程材料（ENMATS）的新興技術，從其結構中獲取其光學特性，從而“擺脫傳統的‘規則’和人為制約現代光學的‘規律’”。任何一名步兵都很容易認識到這種技術的重要性，它可能導致實際的夜視鏡比普通的太陽鏡只是稍厚一點（傳統的夜視鏡外形看起來像一個雙筒望遠鏡）。這項技術由澳大利亞國立大學（NDU）教授德拉戈米爾·內舍夫（Dragomir Neshev）領導的團隊開發，并利用稱為“二次諧波發生”的現象將紅外波長轉換為可見波長。使用次諧波振蕩的介電質鋁砷化鎵納米天線，使控制非線性光的方向和偏振成為現實。通過將高品質鋁砷化鎵納米材料生產的特殊III-V族半導體嵌入低折射率透明材料，使同時向前和向后非線性發射電腦為可能。入射的紅外光與強烈的激光“泵浦”光束混合，產生一個新的可見光圖像。轉換直接發生，沒有中間電子的階段，但需要電池。內舍夫教授說“這是為了將紅外光轉換為可見光所需的激光二極管供電。一個1瓦的激光二極管，類似于一個明亮的電池供電的手電筒，足以運行數小時。”他補充說，五年內可以制造出實用的軍事裝備。總之，夜視技術，尤其是步兵系統可能正處于革命的風口浪尖。
