夜视技术中的微光成像和红外热成像技术比较

1、夜视技术中的微光成像和红外热成像技术比较摘要：实现了一种全集成可变带宽中频宽带低通滤波器，讨论分析了跨导放大 器-电容(OTAC)连续时间型滤波器的结构、设计和具体实现，使用外部可编程 电路对所设计滤波器带宽进行控制，并利用 ADS软件进行电路设计和仿真验 证。仿真结果表明，该滤波器带宽的可调范围为 126 MHz，阻带抑制率大于 35 dB，带内波纹小于 05 dB，采用 18 V 电源， TSMC 018m CMOS工艺 库仿真，功耗小于 21 mW，频响曲线接近理想状态。关键词： Butte1 引言 始于 20世纪 60年代的微光夜视技术靠夜里自然光照明景物，以被动方式工 作，自身隐蔽性

2、好，在军事、安全、交通等领域得到广泛的应用。近年来，微 光夜视技术得到迅速发展，在第一代、第二代、第三代的基础上，第四代技术 应运而生。始于 20 世纪 50 年代的红外热成像技术也走过了三代的历程，它以 接收景物自身各部分辐射的红外线来进行探测，与微光成像技术相比，具有穿 透烟尘能力强、可识别伪目标、可昼夜工作等特点。可以说，微光成像技术和 红外热成像 技术已经成为 夜视 技术的二大砥柱。2 微光夜视技术及其发展2.1 第一代微光夜视技术20 世纪 60年代初，在多碱光阴极 (Sb-Na-K-Cs) 、光学纤维面板的发明和同心 球电子光学系统设计理论的完善的基础上，将这三大技术工程化，研制成

3、第一 代微光管。其一级单管可实现约 50 倍亮度增益，通过三级级联，增益可达 5x104105倍。第一代微光夜视技术属于被动观察方式，其特点是隐蔽性好、 体积小、重量小、成品率高，便于大批量生产；技术上兼顾并解决了光学系统 的平像场与同心球电子光学系统要求有球面物 ( 像) 面之间的矛盾，成像质量明 显提高。其缺点是怕强光，有晕光现象。2.2 第二代微光夜视技术 第二代微光夜视器件的主要特色是微通道板电子倍增器 (MCP)的发明并将其引入 单级微光管中。装有 1个 MCP的一级微光管可达到 104 105亮度增益，从而替 代了原有的体积大、笨重的三级级联第一代微光管；同时， MCP微通道板内壁

4、 实际上是具有固定板电阻的连续打拿级，因此，在恒定工作电压下，有强电流 输入时，有恒定输出电流的自饱和效应，此效应正好克服了微光管的晕光现 象；加之它的体积更小、重量更轻，所以，第二代微光夜视仪是目前国内微光 夜视装备的主体。2.3 第三代微光夜视技术 第三代微光夜视器件的主要特色是将透射式 GaAs光阴极和带 Al2O3，离子壁垒 膜的 MCP引入近贴微光管中。与第二代微光器件相比，第三代微光器件的灵敏 度增加了 4 倍-8 倍，达到 800A/Im2600A/Im，寿命延长了 3 倍，对夜天 光光谱利用率显著提高，在漆黑 (10-4lx) 夜晚的目标视距延伸了 50-100 。 第三代微光

5、器件的工艺基础是超高真空、 NEA表面激活，双近贴、双铟封、表 面物理、表面化学和长寿命、高增益 MCP技术等，又为发展第四代微光管和长 波红外光阴极像增强器等高技术产品创造了良好的条件。图 1 所示是用三代微光夜视仪在同样条件下分别获取的图像，从图中可明显看 出第三代要优于第二代，而第二代又远远优于第一代。2.4 微光夜视技术的发展趋势微光夜视器件的研究方向是致力于提高已有的几代产品的性能，降低成本，扩 大装备；进一步延伸新一代产品的红外响应和提高器件的灵敏度。2.4.1 超二代微光夜视技术超二代微光管采用与第三代微光近贴管结构大体相同的技术，主要技术特点是 将高灵敏度的多碱光电阴极引入到第

6、二代微光管中，并借用第三代微光MCP、管结构、集成电源以及结晶学、半导体本体特性等机理和工艺研究成果，其成 像质量大幅度提高，由于工艺相对简单，价格相对较低，因而成为目前的主流 产品2.4.2 第四代徽光夜视技术近来，微光管的设计者从 MCP中去除离子壁垒膜以得到无膜的微光管，同时增 加 1 个自动门开关电源，以控制光电阴极电压的开关速度，并且改进了低晕成 像技术，有助于增强在强光下的视觉性能。 1998 年 Litton 公司首先研制成功 无膜 MCP的成像管，在目标探测距离和分辨力上有很大的提高，尤其是在极低 照度条件下。其关键技术涉及到新型高性能无膜 MCP、光电阴极与 MCP间采用 的

7、自动脉冲门控电源及无晕成像技术等。这种无膜的 BCG-MCPIV代微光管技术 虽然刚刚起步，但良好的性能使其必然成为本世纪微光像增强技术领域的新热3 红外成像技术及其发展3.1 第一代红外热像技术 热成像技术的发展始于上世纪 50 年代，起初只能研制出基于单元器件的热像 仪，场频较低，只限于小范围应用。直到 20 世纪 70 年代中长波碲镉汞 (MCT)材 料与光导型多元线列器件工艺成熟之后，热像仪才开始大量生产并装备军队。 热像仪的种类繁多，可大致分为二类：一类是通用组件化的热像仪；另一类是 按特殊要求设计的热像仪。美国发展的是 60元、 120元与 180元光导线列器件并扫的通用组件化热成

8、像体 制。它们的帧频与电视兼容，也是隔行扫描制，每场只有 60行、 120 行和 180 行，并分别由同步扫描的 60元、120元和 180元发光二极管对应地显示每帧的 图像。在欧洲，以英国的热像仪为代表采用了串并扫体制。它以扫积型光导 MCT探测器为基础构成了英国的第二类通用组件热像仪。这是一种完全电视兼 容、分辨率与普通电视相同的热像仪。不论串扫、并扫或串并扫体制的热像仪 都需要光机扫描。因此，此类热像仪统称为第一代热像仪。3.2 第二代红外热像技术 最近，正在大力发展不用光机扫描而用红外焦平面阵列 (IRFPA) 器件成像的热像 仪。由于去掉了光机扫描，这种用大规模焦平面成像的传感器被称

9、为凝视传感 器。它的体积小、重量轻、可靠性高。在俯仰方向可有数百元以上的探测器阵 列，可得到更大张角的视场，还可采用特殊的扫描机构，用比通用热像仪慢得 多的扫描速度完成 360。全方位扫描以保持高灵敏度。这类器件主要包括 InSb IRFPA、HgCdTeIRFP、A SBDFP、A 非制冷 IRFPA和多量子阱 IRFPA等。此类热像 仪被称为第二代热像仪。3.3 第三代红外热像技术 第三代红外热像技术采用的红外焦平面探测器单元数已达到 320x240 元或更高 (即 105-106) ，其性能提高了近 3个数量级。目前， 3m-5m焦平面探测器的 单元灵敏度又比 8m-14m探测器高 23

10、 倍左右。因而，基于 320x240 元的 中波与长波热像仪的总体性能指标相差不大，所以 3m- 5 m焦平面探测器在 第三代焦平面热成像技术中格外的重要。从长远看，高量子效率、高灵敏度、 覆盖中波和长波的 HgCdTe焦平面探测器仍是焦平面器件发展的首选。34 红外技术的发展趋势 红外技术的发展以红外探测器的发展为标志，可以从红外探测器的发展来推断 其发展趋势。(1) 红外焦平面器件发展到高密度、快响应、元数达到 106 10。元以上的大规 模集成器件，由二维向三维多层次结构发展，在应用上就可以实现高清晰度热 像仪，极大地缩小整机体积，增强功能。(2) 双色、多色红外器件的发展使整机可同时实现不同波长的多光谱成像探测，成倍扩大系统信息量，成为目标识别和光电对抗的有效手段(3) 探测器在焦平面上实现神经网络功能，按程序进行逻辑处理，使红外整机实 现智能化