高清激光夜视仪

日前，中国计量科学研究院研制的微光夜视仪测量装置顺利通过国家质检总局组织的专家鉴定。　　微光夜视仪是在夜间无人工照明情况下用于目标观察的光电成像仪器，是低照度环境下摄取图像的重要装备。为统一弱光光度量值，确保微光夜视行业的量值统一性和可溯源性，并为各种微光夜视仪和微光成像系统进行性能评价，我国迫切需要建立微光夜视仪测量标准装置和简易型现场评价设备。　　为此，中国计量科学研究院于2008年围绕夜视环境的模拟、夜视器件光学性能参数测试、简易型微光光度/辐射度测量仪器三方面开展了微光夜视仪测量装置的研究工作。　　项目组以微光夜视仪光电性能参数测量为重点，同时把测量对象扩展至各类光电成像系统及核心器件光电性能参数测量评价领域，首次建立了微光夜视仪测量装置和夜视辐射亮度测量装置。　　据课题负责人、中国计量科学研究院光学所副研究员徐英莹介绍，该项目在三方面实现了创新：一是微光夜视仪测量装置适于微光夜视行业光度量和辐射度量的量值溯源，相关参数的测试水平已步入国际先进行列 二是建立了夜视辐亮度测量装置，完成了弱光照度下光谱辐亮度的量值传递 三是研制了真实环境光谱模拟的可调积分球光源。　　目前，该研究成果已得到广泛应用，为飞机座舱照明系统、头盔夜视仪等提供了辐射度计量标准和光度计量标准，实现了光电成像系统/器件的性能评价，为微光夜视领域的量值溯源和量值统一打下了基础。

能见度不到100米的浓雾天气里，一架无人机腾空而起。通过机上红外探测系统，公安交管部门能清晰“看到”高架桥上缓行的车流，并有针对性地作出决策。在物理学中，凡是高于绝对零度的物质，都会依据温度的不同对外辐射电磁波。利用这一特性，红外探测技术成为突破人类视觉障碍探测物体的利器。高灵敏度、高可靠性、高分辨率的红外探测核心器件更是各国角逐的焦点。20多年来，武汉高德红外股份有限公司（以下简称“高德红外”）从零起步、不等不靠、勇往直前，成功研制出拥有完全自主知识产权的红外探测器芯片。——十年磨一“芯”——位于武汉的中国光谷，新春开工正忙。高德红外终端生产线上，身穿静电服的工作人员正在调试一款观瞄型热成像夜视仪。透过生产线测试屏幕，只见影像正随温度变化，呈现出不同亮度和色块。2月28日，在高德红外智感科技民品生产线上，工作人员对红外热成像仪进行程序烧录。“你看，脸部整体高亮，但戴眼镜的地方就偏黑，这是因为散发的能量温度不同。”高德红外董事长黄立介绍，红外探测器芯片可以把肉眼不可见的红外线，转化为光电信号和成像，帮助人们更好洞悉身边环境。“这款夜视仪很受户外爱好者青睐，很快将出口海外。”黄立（右三）与科研人员在高德红外生产调试车间忙碌（2020年2月11日摄）。作为红外行业领军企业，高德红外年产各类红外产品150多万台，销往全球70多个国家和地区。在民用热成像市场的占有率居中国第一、全球第二。这些放在十多年前，简直是难以想象。高德红外成立之初主要用进口芯片组装工业用红外测温仪。由于国外出口管制，长期以来，中国企业只能进口最低端的芯片，且数量少、价格高、交货周期长。“卖给你的芯片连售后都没有，你爱要不要。”黄立说，即便这样，2008年高德红外还是遭遇进口芯片断供。“芯片就是‘心脏’，没有它，企业的命运就掌握在别人手里，随时可能死亡。”黄立逐渐意识到，关键核心技术是要不来、买不来、讨不来的。于是，高德红外开启了漫漫“追芯”路。“从零起步，任何一个技术难点都会让你‘卡壳’。”2009年入职高德红外的中国科学院上海技术物理研究所博士周文洪说，氧化钒是制造红外芯片的基本原料，它的配比及加工时的温度、气压等直接关系芯片性能。没有技术参考，科研人员只能“硬刚”，“耗时2年多、1000多次试验，相关问题才得以攻克。”缺技术，就翻遍资料文献寻找蛛丝马迹；缺设备，就借用外地专业院所机器开展样品研发；缺材料，就托人东挪西借，有一点用一点；缺资金，就提高研发经费投入强度，将上市募资全部用于研发……历经9年多时间、投资近20亿元、突破数百项技术难题和数千项工艺难关，高德红外自主研发的高性能制冷单色百万像素红外探测器芯片于2017年成功面世，2018年实现量产。这一国产红外芯片的问世，直接将同类型进口产品价格拉低50%以上。——攀登无止境——走进高德红外产品展厅，几十款大大小小、形状各异的红外探测器映入眼帘。它们有的只有指甲盖大小，却集成了传感器等重要设备；有的被厚重金属外壳包裹，可适应零下200摄氏度的极端工作环境；有的可装载在其他设备上，能够高灵敏度、全天候、全被动工作……这是2月28日在武汉高德红外股份有限公司产品展厅内拍摄的展品。一款款红外探测器，展示了高德红外的技术实力，更彰显着企业坚定自主创新、把科技命脉牢牢掌握在自己手中的决心。这是2月28日在武汉高德红外股份有限公司产品展厅内拍摄的展品。黄立介绍，高德红外在生产出单色百万像素红外探测器芯片时，少数国家已掌握双色百万像素红外探测器芯片技术，我国在此方面与之差距明显。红外芯片要实现从“单色”到“双色”突破，并非易事。高德红外芯片研发负责人刘斌介绍，红外芯片要通过读出电路，将光转化成电子后，采集放大并以视频格式输出。这需要电路与芯片互联互通。一个双色芯片有130多万个像素，每个像素都有一个焊点，要在蚕豆大小的芯片上制备如此密集的焊点并确保互联互通异常困难。刘斌说，焊接双色红外芯片的倒装焊接机精度要求在1微米以下，而当时国内只有3微米左右倒装焊接机，且无法进口高精度设备。高德红外研发人员只好不停地试验、总结、修改方案。最终，一举攻克了让130多万个像素点连通率达99.99%以上的微组装技术难题。从单色百万像素芯片到双色百万像素芯片，高德红外瞄准国际领先技术的脚步从未停歇。目前，该企业已搭建起非制冷探测器、制冷型碲镉汞及二类超晶格3条完全自主可控的批量生产线，具备多种型号探测器芯片的研制生产能力。公司核心器件技术水平已与西方国家第一梯队持平，并成功实现核心器件全面国产化。——融合再跨越——2月22日15时02分，武汉东湖新技术开发区，一架无人机在空中巡查发现，雄楚大道高架往关山大道方向的匝道有车辆因道路结冰陷车，导致拥堵。公安交管部门随即派出警力铲冰除雪，15时20分，道路恢复畅通。“这架无人机之所以如此精准，因为它有双‘高清红外眼睛’。”武汉市公安局东湖新技术开发区分局相关负责人介绍，借助实时回传的高清红外画面，指挥中心能够全天候掌握道路结冰、交通拥堵等路况信息，进行科学决策。正是因为中国自主红外芯片的突破，红外热成像技术才大范围普及。目前高德红外部分型号的红外芯片成本已降到几百元，随着红外核心芯片小型化、低成本、高可靠性、大批量生产的实现，红外科技产品迎来飞入寻常百姓家的契机，也为千行百业的迭代更新带来更大的想象空间。自动驾驶集成红外模块，可穿透黑暗、雨雾精准发现行人，保证驾驶安全；智能空调集成红外模块，可根据人员数量、方位、姿态调节风向风速，既节能又精准；电力线路检测整合红外模块，可更快发现温度异常和隐患，提高检测精度和效率……高德红外的探测器已被广泛应用于人体测温、工业测温、安防监控、消防救援、户外运动、自动驾驶等领域。2月28日，在高德红外智感科技民品生产线上，工作人员在操作设备对红外模组进行数据采集。当前，高德红外正全面打造红外“芯”平台战略，围绕产业链部署创新链，围绕创新链布局产业链。通过不同行业、企业间优势互补、资源共享，推动红外技术的规模化、多样化、普及化和消费化，共同打造红外生态圈。“有人跟我说，红外芯片研发是国家的事，民企没必要折腾，但事实证明，掌握核心技术，实现自立自强，每个人都义不容辞。”黄立说，正是由于坚持不懈地推进自主创新，高德红外才取得了今天的成绩。“没有做不到的，只有想不到的。”在高德红外园区中心花园里，镌刻着这样一句话，往来员工会不由自主地抬头看看。“每一代人都有自己的机遇，我们不能辜负这个伟大的时代。”不少员工如是说。

机载红外夜视装备是现代飞机的重要传感器，主要用于辅助低空飞行、飞行着陆、侦察瞄准等用途。机载红外夜视主要利用目标与背景的热辐射进行成像，并送给飞行员进行视觉观察，工作波段主要覆盖短波、中波和长波。机载红外夜视技术可分为被动红外夜视技术和主动红外夜视技术，被动红外夜视技术是借助目标自身发射的红外辐射成像，从而实现对目标的观察；主动红外夜视技术是通过主动照射并利用目标反射红外光成像。近期，中国电子科技集团公司光电研究院的科研团队在《真空电子技术》期刊上发表了以“机载红外夜视技术及其发展趋势”为主题的文章。该文章第一作者为朱卓高级工程师，通讯作者为李季波高级工程师。本文总结了机载红外夜视装备现状，介绍了国外典型机载红外夜视装备的技术特点及其在辅助低空飞行、飞行着陆和夜间侦察／瞄准方面的应用，分析了目前机载红外夜视技术应用挑战及多光谱图像融合、大面阵高清红外成像、智能辅助飞行、三维视觉成像等技术发展趋势。国外典型装备情况民用领域国外机载红外夜视装备已被应用于民用飞机领域，辅助飞行着陆与导航。增强视景系统（EVS）是典型的机载红外夜视装备，采用红外传感器等设备获取飞机外部场景图像，进行图像增强处理，并在飞机平视显示器（HUD）上显示，使飞行员在包括雾霾、雨雪、烟尘低能见度和夜间情况下，能够更好地识别周围地形、机场跑道、辅助导航和着陆。EVS提高了飞机在起飞、低空飞行和着陆过程中的视觉感知能力，提升了执行任务期间人员的安全性。增强飞行视景系统（EFVS）是EVS与HUD的综合，它将EFVS获取飞机前方场景的红外图像与HUD上显示的主飞行信息融合，显示在飞行员前方的屏显系统上，保证所显示的图像、符号与外界场景是重合的。EFVS能够增强飞行员的视觉感知能力，在夜晚低能见度条件下，EFVS能将飞机前方场景呈现给飞行员，从而增强飞行员的着陆感知能力，提高操作的准确性。军用领域国外机载红外夜视装备已被广泛应用于军用飞机领域，一般采用多功能复合体制，除具备导航、着陆功能外，还可实现夜间侦察／瞄准功能。直升机载红外夜视装备法国Sagem公司开发的Euroflir 410系统装备于直升机平台，用于飞行导航、夜间侦察、目标识别和打击指示引导。该系统光电转塔包含了中波红外成像传感器、电视传感器、微光夜视传感器、激光测距机、激光照射器及光斑跟踪器，转塔质量不大于45 kg。配备红外成像传感器具有光学自动变焦功能，电子变倍后最小视场可达0.16°，可以更好地在夜间识别目标。系统除具备地理跟踪、地理指示及地理定位功能外，还具备对目标的成像识别能力，该系统对地面装甲车目标的识别距离为9.5 km，确认距离为5.5 km。战斗机载红外夜视装备F-35飞机的光电系统作为当前最先进的机载光电传感器系统，是典型的战斗机载红外夜视装备，包括光电分布孔径系统（EODAS）和光电侦察瞄准系统（EOTS）。EODAS由6套分布于机身的中波红外焦平面阵列传感器和光窗组成，每个传感器覆盖90°×90°视场，通过图像无缝拼接，为飞行员提供360°球形空域视野，通过对图像进行算法处理，实现昼夜导航、对面目标打击瞄准、对空红外搜索与跟踪、红外态势感知、全空域导弹逼近告警及毁伤效果识别等能力，图1所示为EODAS对地面的大视场显示图像和目标场景标识。EODAS获取的夜视图像和经过处理的识别符号可以叠加到F-35飞机的头盔显示器上，辅助飞行员了解周围态势。图1 F-35飞机EODAS系统观测到的夜间地貌吊舱红外夜视装备图2所示为F-15E战斗机挂装红外夜视设备显示的红外图像。美军从80年代开始，先后装备了多款带有前视红外（FLIR）的吊舱，从最开始洛马公司的“蓝盾”（LANTIRN）吊舱，到最新一代洛马公司的“狙击手”先进瞄准增强型传感器吊舱和诺格公司“莱特宁”吊舱的增强型传感器吊舱。与“蓝盾”吊舱相比，新一代吊舱能显示更清晰的视频图像。此外，这两款吊舱都有能力将这些视频图像信息发送给地面部队，提供重要情报。图2 F-15E战斗机平视显示器上的前视红外画面国外应用情况辅助低空飞行战机在中高空的飞行条件下，很容易被敌方发现和攻击，为了实现作战目的，飞行员会采用低空突防模式对目标进行攻击。当飞机在夜晚低能见度条件下低空飞行时，飞机的飞行环境复杂，驾驶员的视觉能力受到限制，无法快速有效地了解机身外部环境，无法对航迹上的高山、森林等危险目标和障碍进行有效规避，易导致事故发生。飞机着陆飞行员在着陆过程中，由于受夜晚光线暗或雨雾等低能见度天气影响，跑道及其周围指示灯的可视性变差，导致飞行员通过视觉获取的跑道及周围信息不足，无法正常降落。在民用领域，以EFVS和EVS大量应用于民用飞机起飞降落。在军用领域，在不确定战场环境下，不具备民航领域的基础导航定位、传感与地图信息，美军已开展了降级视觉环境缓解（DVE-M）项目。美国的Sierra Nevada公司使用多种传感器实时融合地形、图像和地面障碍数据，然后在EVS的支持下，根据字符系统和指令的引导，为飞行员的飞行路线提供目视标志。罗克韦尔柯林斯公司EVS-3000型辅助着陆系统在飞机平显上叠加的着陆图像如图3所示，根据字符系统和指令的引导，为飞行员的飞行路线提供目视标志。图3 在平显上叠加着陆图像夜间侦察/瞄准现代战争通常选择“月黑风高”的夜晚实施攻击，以最大限度地利用“单向透明”的战场态势，发挥己方红外夜视装备优势。夜间空袭依托机载红外夜视装备，能分清500米之外的目标和几千米之外的山峦、村庄，具有全天候发现、定位目标的能力，提高了飞机的战术使用灵活性和作战效能。技术应用挑战与发展方向机载红外夜视技术应用挑战主要有以下三个方面：（1）作用距离较近图像分辨率和灵敏度是红外夜视装备的重要参数，受制于当前红外夜视技术发展现状，现有机载红外夜视装备存在对目标成像距离相对较近、识别分辨率不高的现状。（2）机载红外夜视设备显示颜色单一现有红外夜视设备的成像会“失去颜色”，单一的颜色显示不利于飞行员对外界环境的视觉感知。一方面，机上显示设备都会变成单色，失去了其原先颜色代表的意义或者起到的作用；另一个方面，会影响外界的灯光使其变成单色，如机场跑道的精密进近航道红、黄指示灯。此外，飞行员持续观察显示器上的白色、绿色图像信息可能会引发视觉疲劳等情况，也不利于飞行。（3）大数据存储与计算资源有限机载红外夜视设备具备了在较大视场下捕获广域动态图像并实现监视的功能，会产生大量数据，目前已有的机载数据存储设备已不能满足需求，尤其是随着大面阵红外夜视设备的发展，会产生更大的数据量，这就要求飞机具有大数据存储的记录设备。随着机载红外夜视新技术纷至沓来，机载红外夜视设备的工作波段不断拓展、视场空域不断增大、可视距离不断提升、新质能力不断健全，逐渐成为军民飞机的标配。机载夜视技术的发展重点集中在以下几个方面：（1）多光谱图像融合不同波段的传感器可满足不同作战场景的需求，短波红外传感器的烟雾穿透能力强，相比中波红外传感器在目标与场景温度差异大的情况下成像效果好，长波传感器在目标与场景温度差异小的情况下具有更好的成像效果，微光传感器的生成图像与可见光图像相仿，更符合人眼视觉观察。通过图像融合技术，将多波段红外成像图像和微光夜视图像合成为一幅图像，这种技术有助于综合发挥微光成像和红外成像两种技术的优势，拓展视觉显示波段范围，使图像纹理细节更丰富，可有效提升机载夜视设备的观察能力。（2）大面阵高清红外成像的应用高性能光电探测器是机载夜视设备的核心，随着半导体集成和工艺等关键技术突破，探测器朝着小像元尺寸、大面阵规格方向发展。小像元能够使探测器小型化、提高系统分辨率、增加探测距离。大面阵探测器的分辨率更高、观察的目标细节更丰富、探测距离更远。目前，在红外探测器方面，雷神公司研发的红外探测器像元达到4096×4096，已成功应用于美国空军天基红外预警系统。将小像元、大面阵探测器应用于机载夜视设备中，更能够实现对夜晚目标的远距离、高清探测。（3）增强飞行视景系统智能化发展机载增强飞行视景系统将在夜间飞行安全领域发挥更加重要的作用，朝着智能感知、人机交互方向发展。增强飞行视景系统可利用传感器对机外场景进行多维信息感知，在探测到跑道、障碍物等威胁目标时，实施智能辅助决策，支持完成各种飞行动作、信息处置，为飞行员提供决策支撑。（4）向主动夜视技术应用拓展随着短波、中波、长波红外激光器技术发展，以及垂直腔面发射激光器（VCSEL）技术发展与应用，在夜间成像基础上融入了激光主动探测，进行三维识别，可在二维图像显示器上显示三维信息。三维视觉成像技术已逐步应用于汽车自动驾驶，后续机载夜视技术也将拓展三维成像识别功能，提供飞行员更多维度信息，进一步增强夜间视觉感知能力。结束语本文对机载红外夜视装备现状进行了综述，介绍了国外典型机载红外夜视装备的技术特点，分析了机载红外夜视技术在辅助低空飞行、飞行着陆和夜间侦察／瞄准方面的应用，讨论了该技术的应用挑战，给出了向多光谱图像融合、大面阵高清红外成像、增强飞行视景系统智能化发展、主动夜视技术应用拓展等方面发展的趋势。