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第二代—— 图像增强管技术的重大进步催生了第二代NVD。它们的分辨率比第一代设备更高,性能更为出色,可靠性也更好。第二代技术最大的收获是,它们具备了在极弱的光线条件下(例如在一个没有月亮的夜晚)生成图像的能力。敏感度得以增加,是因为图像增强管附加了微通道板。由于MCP能够增加电子数目而非仅对原有电子加速,所以图像扭曲的程度显著下降,而亮度也高于前几代NVD。
第三代——目前美军采用第三代技术。尽管其原理与第二代相比并无本质区别,但这一代NVD的分辨率和敏感度要更好。这是因为其光电阴极由砷化镓制成,这种物质有助于提高光子转化为电子的效率。另外,MCP上还覆有一个离子壁垒层,能够有效地增加管道寿命。
第四代——通常我们提到的第四代技术亦称“无胶片门限”技术,总体上讲,这一代系统的性能在强光和弱光两种环境中都有较大幅度的改善。 MCP去除了第三代技术加入的离子壁垒,因而背景噪声有所降低,同时信噪比得以提升。去除离子胶片在实际中能够让更多的电子被放大,这样一来图像的扭曲度显著降低,而亮度则有明显提高。
自动门限供电系统的引入,使得光电阴极的电压能够迅速地接通和切断,从而让NVD能够对发光条件的波动做出即时反应。这项技术的进步对于NVD系统来说具有关键意义,具备了这种能力,用户可以迅速从强光环境转移到弱光环境(或从弱光环境到强光环境),而图像不会产生任何颠簸。举例来说,请想象一个随处可见的电影场景:一名特工在使用夜视仪目镜时,如果有人打开了附近的电灯,他就会“失明”。有了最新的门限电源技术,光线条件的变化不会产生这样的恶果,改进的NVD系统能够立即对光环境的变化做出反应。

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在图像增强管的末端,电子会撞击一个具有磷光质涂层的屏幕。这些电子会保持它们通过微通道时的相对位置,这会确保图像的完好,因为电子排列的方式同起初光子排列的方式相同。这些电子带有的能量会使磷光质达到激发状态并释出光子。这些磷光质会在屏幕上生成绿色图像,这也成了夜视仪的一大特色。
通过另一副称为目镜的透镜,就可以观测到绿色磷光图像,还可以使用目镜放大图像或调节焦距。NVD可以与电子显示设备相连,例如显示器,也可以直接透过目镜观测图像。夜视设备历代产品 NVD已有40多年的历史。这些产品可分为几代。NVD技术发展道路上的每一次重大突破都会催生新一代产品。
最早一代——最早的夜视系统由美国军方研制,它们被应用在第二次世界大战和朝鲜战争的战场上,这些NVD系统采用主动红外线技术。这意味着NVD上须附有一个称为红外辐射源的发射单元。该单元能发射出一束近红外线,类似于普通闪光灯发出的光束。这种光束不能为肉眼所见,它们会从物体上反射出来,然后返回NVD的透镜。这种系统使阳极与阴极相连,以便对电子进行加速。这种方法的问题是,电子加速会使图像扭曲,而且还会大大缩减管道的寿命。这项技术最早用于军事中时,还存在一个重要问题:敌方在短时间内就能仿制出这种系统,这使得敌军士兵也可以用它们的NVD系统观测到设备发射出的红外光束。
第一代——这一代NVD放弃了主动红外技术,转而采用了被动红外线技术。这种NVD能够利用月亮和星星发出的环境光线放大周围的反射红外线,因而曾被美军称为星光。这意味着它们不需要红外线发射源。这也意味着在多云或没有月亮的夜晚时,它们的工作效果不是很好。第一代NVD采用与第0代相同的图像增强管技术,同样靠阴极和阳极进行电子加速,所以仍然存在图像扭曲和管道寿命较短的问题。

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b以下是图像增强系统的工作原理:

一种称为物镜的传统透镜能捕捉环境光线和某些近红外线。
收集到的光线会传送给图像增强管。在多数NVD中,图像增强管的供电系统会从两节 N-Cell或“AA”电池中获取电力。管道会向图像管组件输出约为5000伏的高压。
图像增强管中有一个光电阴极,能将光子转化为电子。
当电子通过管道时,管中的原子会释放相似的电子,其数目为原有电子数乘以一个因数(约为几千倍),利用管道内的微通道板(MCP)就能完成这项工作。微通道板是一个微型玻璃盘,内部含有数百万个微型孔隙(微通道),采用光纤技术制成。微通道板处于真空中,在盘片的两面都安装了金属电极。每条微通道的长度是其宽度的45倍左右,工作原理类似于电子放大器。 当来自光电阴极的电子触击微通道板上第一个电极时,在两电极间5000伏高压作用下电子会加速通过玻璃微通道。电子通过微通道时,会导致通道中数千个电子被释放出来,这一过程称为级联二次发射。简言之,原始电子会撞击微通道的侧边,而后受激发的原子会释出更多的电子。这些新电子也会撞击其他原子,从而造成一种链式反应,其结果是,进入微通道的电子屈指可数,而离开微通道的电子却数以千计。一个有趣的现象是:MCP上的微通道有一个微小的倾斜角(约5-8°),这既是为了能引发电子碰撞,也是为了降低来自输出端磷光质层的离子反馈和直接光反馈。


供图
夜视成像图以其诡异的绿色光泽而著称。

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信号处理单元将信息发送给显示器,从而在显示器上呈现出各种色彩,色彩强度由红外线的发射强度决定。将从探测器元传来的脉冲组合起来,就生成了图像。

Infrared, Inc.供图
热成像系统的基本组件
各种热成像设备
多数热成像设备的扫描速率为30次/秒。它们能检测的温度范围为-20℃至2000℃,能检测出的温差约为0.2℃。


[size=-2]Infrared, Inc.供图
[size=-1]在白天,很容易 [size=-1]就能一览无余……


[size=-2]Infrared, Inc.供图
[size=-1]……但在夜晚, [size=-1]您能看到的少之又少。


[size=-2]Infrared, Inc.供图
[size=-1]热成像技术能让您重新看到这一切。
热成像设备一般有两大类:
非冷却型——这种热成像设备最为常见。其红外探测器元封装在一个单元内,可在室温下工作。这种系统可以迅速激活,工作时完全静音,并且具有内置的电池。
低温冷却型——这种系统价格更高,而且操作不当很容易损毁。这种热成像设备将探测器元封装在一个外包装内,并将其冷却至0℃以下。由于冷却了探测器元,因此这种系统的具有极高的分辨率和敏感度。低温冷却型系统可以“看到”300米以外0.1℃的温差,这样该系统足以判断出一个人手里是不是拿着一把抢!尽管热成像技术非常擅长探测人体,还能在几乎绝对黑暗的环境中工作,但多数夜视设备采用的是图像增强技术,在下一节中您将了解到这种技术。
图像增强技术 提到夜视仪,多数人想到的是图像增强技术。事实上,图像增强系统一般称为夜视设备(NVD)。NVD内有一种图像增强管,可以用来采集、放大红外线及可见光。


[size=-1]图像增强管可将光子重新转化为电子。

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电子转移到高能轨道后,最终仍要回到基态。在此过程中,电子会以光子(一种光线粒子)的形式释放能量。您会发现,原子不断地以光子的形式释放能量。举例来说,当烤面包炉内的发热器之所以会变成亮红色,就是因为原子被热力激发,释放出了红色的光子。激发态的电子比未受激发的电子具有更高的能量,并且正是由于电子吸收了若干能量才达到了激发水平,它会将这一能量释放出来以回归基态。这一能量会以光子的形式(光能)被释放出来。发射出的光子具有特定的波长(颜色),这取决于释出光子时电子的能量。
任何生物都要耗费能量,很多没有生命的物品也是如此,例如引擎和火箭。能量消耗会产生热量。反过来,热能会促使物体中的原子发射出位于热红外线光谱中的光子。物体温度越高,释出的红外线光子的波长就越短。如果物体的温度非常高,它发出的光子甚至能进入可见光光谱,从红光开始,然后是橙光、黄光、蓝光,直至白光。请查阅电灯泡工作原理、激光器工作原理以及光的原理这几篇文章,了解有关光以及光子发射的详细信息。
夜视仪中的热成像技术正是利用了这种红外线发射现象。下一节,我们将会探讨其中的原理。
热成像工作原理 以下是热成像的工作原理:
用一种特制的透镜,能够将视野内物体发出的红外线会聚起来。
红外线探测器元上的相控阵能够扫描会聚的光线。探测器元能够生成非常详细的温度样式图,称为温谱图。大约只需1/30秒,探测器阵列就能获取温度信息,并制成温谱图。这些信息是从探测器阵列视域场中数千个探测点上获取的。
探测器元生成的温谱图被转化为电脉冲。
这些脉冲被传送到信号处理单元——一块集成了精密芯片的电路板,它可以将探测器元发出的信息转换为显示器能够识别的数据。

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晕死了,我在一个网站复制过来的,贴上发出来就不见图了


在可见光中,紫光的能量最高,而红光的能量最低。与可见光光谱相邻的是红外线光谱。

红外线是光谱中的一小段
红外线分为三类:
近红外线(近IR)——近红外线与可见光相邻,其波长范围是0.7-1.3微米(1微米等于百万分之一米)。
中红外线(中IR)—— 中红外线的波长范围是1.3-3微米。近红外线和中红外线应用到各种电子设备中,例如遥控器。
热红外线(热IR)——热红外线占据了红外线光谱中最大的一部分,其波长范围是3-30微米。热红外线与其他两种红外线的主要区别是,热红外线是由物体发射出来的,而不是从物体上反射出来的。物体之所以能够发射红外线,是因为其原子发生了某种变化。
原子理论 原子是永恒运动的。它们不停地振动、移动和旋转。即便是构成我们座椅的原子也是不断运动着的。原子有几种不同的激发状态。换言之,它们具有不同的能量。如果我们将大量的能量赋予一个原子,它就会摆脱基态能级而达到激发水平。激发水平取决于以热、光或电等形式施加到原子上的能量的多少。
原子由原子核(包括质子和中子)和电子云构成。我们可以将电子云中的电子设想成在不同轨道上围绕着原子核运动。现在还无法观察到电子的离散轨道,但把这些轨道设想成原子不同的能级会更容易理解。换句话说,如果我们向原子施加一定的热能,可以预见的是,一些处于低能轨道的电子会转移到高能轨道上,即离原子核更远。


[size=-1]原子包括原子核和电子云

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a.看到夜视仪一词,您可能首先会联想到以前看过的间谍或动作电影中的一幕:在月黑风高的夜晚,有人戴着一副夜视目镜在漆黑的大楼里搜寻另一个人。或许您想知道:“这种东西真的管用么?在黑暗中真的能看到东西么?”


供图
陀螺稳定式昼夜两用双筒望远镜,B.E. Meyers Company出品


美国国防部供图
答案是肯定的。有了夜视设备,哪怕是在伸手不见五指的夜里,您仍然可以看到200米外的人!如果根据所采用技术的不同,夜视仪有两种不同的工作方式。
图像增强——这种技术能采集微弱的光线,包括红外线光谱的低区(这一区域的光线即便存在,肉眼也看不到),然后将其放大到一定水平,以便让我们能从容地观察图像。
热成像——这种技术能捕捉到红外光谱的高区光线,也就是物体以散热形式发出的光线,而非反射光。温度较高的物体(例如人的身体)会比温度较低的物体(例如树木或建筑物)发出更多的红外线。




在本文中,您会了解这两种主流夜视技术。我们还会讨论其他类型的夜视设备及其用途。不过首先,我们还是要讨论一下红外线。
夜视仪基本原理 想要理解夜视仪的原理,就必须对光的原理有所了解。光波的能量大小与其波长有关:波长越短,能量越高。

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