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夜视技术的新发展和新动向

为了提高部队的夜战能力,夜视技术多年来一直是发达国家重点发展的技术领域。美国在这个领域一直占据领先地位。

近年来,美国又在微光夜视和红外夜视方面取得了新进展,研制出第四代微光夜视仪,开始装备横向技术集成型第二代前视红外传感器,并正在开发突出量小的增强型微光夜视仪、大视场的全景夜视眼镜和第三代红外技术。

第四代微光夜视仪

众所周知,微光夜视技术已经发展了三代。60年代开创的第一代微光夜视技术以采用级联像增强器为特征;70年代的第二代像增强器则采用了微通道板;80年代中期开始生产的第三代像增强器官的特征是采用砷化镓光电阴极和镀离子阻挡膜的微通道板。砷化镓光电阴极提高了微光管的响应能力,并将工作波长延伸到近红外。离子阻挡膜则可以防止离子反馈和保护灵敏的光电阴极。但是,离子阻挡膜还会降低管子的分辨率和信噪比,影响像增强器在微光下有效的工作。因此,找出既不用阻挡膜又能保护光电阴极的方法,一直是夜视技术领域的研究目标。

1998年初,美国利顿光电系统公司和ITT夜视公司在陆军的资助下,先后取得技术突破,成功地制造出采用不镀膜微通道板、工作寿命可与标准第三代管相当(10000小时)的像增强器管。利顿公司的技术措施是,采用能大幅度减少离子反馈的新型高性能玻璃制作的微通道板,以及采用能减少离子反馈的光电阴极的自动门控电源。与使用连续直流电源不同,加在光电阴极上的自动通断的电压是脉冲式的,即电源感知进入像增强器管的光量,自动高速接通和切断。通断的频率在光照强时较高,光照弱时较低,以在光照极强时减少进入微通道板的电子流,避免其饱和。于是,观察者始终看到均匀一致的图像。

自动门控允许像增强器管在照明区域和白天仍产生对比度良好的高分辨率影像,而不产生模糊的影像。这个特点对陆军直升机驾驶员来说是特别重要的。因为驾驶员在城镇、村庄上空飞行和着陆时,会遇到各种光照情况。在未来的城区作战中自动门控也是至关重要的,使陆军士兵或陆战队员能快速在黑暗和明亮区域间运动,而不必摘除夜视眼镜。自动门控还有助于减少夜间车灯等明亮光源产生的晕圈或影像模糊效应。

美国陆军认为,采用不镀膜微通道板和自动门控电源的像增强器,其性能产生了质的飞跃,被称为第四代。

第四代管不仅增加了夜间的观察距离,而且扩大了徒步士兵和驾驶员使用像增强器的范围。

试验表明,采用二代管、二代半管、三代管和四代管的微光夜视仪,在1/4月条件下的作用距离分别为145米、225米、355米和390米;二代管在满月到1/4月条件下工作,三代管则使士兵能在星光下观察,四代管采用门控电源和低晕圈,不仅能在云遮星光的极暗条件下有效工作,而且能在包括黄昏和拂晓的各种光照条件下工作。

2000年末,利顿公司的第四代管已通过了美国陆军合格鉴定试验,并将这种管用于美国特种作战司令部所属部队使用的M4A1卡宾枪上的新型夜视瞄具,不久还将向陆军航空兵提供采用第四代管的新型夜视仪,而且还将用第四代管取代现役夜视仪上的第三代管。

ITT夜视公司在1998年与陆军签定了合同,提交第一批数量有限的第四代管;又在1999年8月赢得了海军航空系统司令部的合同,定于2001年初开始交付2252具采用第四代管的飞行员夜视仪,供海军和海军陆战队直升机驾驶员使用。

增强型夜视仪

夜视眼镜给夜间行动的步兵、直升机驾驶员等作战人员提供了极大的便利,但佩带时,特别对地面部队来说,仍然显得笨重。而且现有的夜视眼镜从面部突出,重心离开面部一定距离,佩带时就很不舒适,甚至会妨碍空降兵这类作战人员的行动。因此,美国陆军根据实战的需要,希望夜视仪的突出量尽可能地小,以不影响或限制士兵的行动。例如,步兵必须能佩带着夜视仪跳出车辆、快速跑动、扑向地面、旋转身躯。陆军把这种夜视仪称为增强型夜视仪。

根据军方的要求,美国ITT夜视公司和利顿光电公司提出了增强型夜视仪的概念。为了减小尺寸,增强型夜视眼镜使用的像增强器的直径可能比现装备夜视仪使用的18毫米像增强器小,多半是16毫米。由于采集光的光电阴极比较小,因而可能造成性能的少许下降,但最新的第四代像增强器管在目标探测距离和分辨率方面获得明显的突破,可以弥补这种性能下降。2001年初两家公司开始制造演示型夜视仪,以供陆军步兵学校进行试验。计划要求增强型夜视仪在2003~2004财年经过工程和制造发展阶段,2004或2005财年进入初始生产。

据报道,美国以研制出型号为AN/PVS-21的小突出量双目夜视仪,并交付特种作战部门。AN/PVS-21夜视仪使用折叠光学系统,其两个像增强器管垂直安置,每个管的前段物镜位于面颊两侧。增强的场景仍直接映入佩带者的眼睛中。AN/PVS-21还提供了独特的通视能力。士兵或直升机驾驶员可以用直视光学系统观看前方场景,并同时观看增强的场景。微光视场和直视视场叠加在一起,如果遇到使增强的影像看不清的明亮灯光或日光,佩带者可以直接观察。直视光学系统的水平视场为1650,微光系统水平视场为400。此外,该夜视仪还嵌入平视显示器,可以将有关信息叠加在观看的影像上。AN/PVS-21夜视眼镜的突出量小,安装在头盔上时重心低,不仅减少了佩带者的颈部负担,而且将仪器碰撞或挂住其他物体的可能减到最小。

据称,AN/PVS-21已成功地进行了空降作战试验,包括高空、低空、固定开伞索和自由落体空降,可以在整个跳伞过程中佩带在眼前。

全景夜视仪

目前,夜视仪的水平视场为400,而人眼的水平视场可以达到1350,因此佩带夜视仪的人员尽管可以通过头部的转动来弥补夜视仪有限的视场,但仍感到不十分方便。为此,美国陆军和空军决定一起研制视场为800~1000、且不降低影象分辨率的宽视场夜视眼镜。空军将其称作全景夜视仪,陆军称其为先进夜视仪。

为了获得宽视场,先进夜视眼镜可能采用双目目镜,并使用4个16 毫米像增强器管,而不是以往的2 个18 毫米管。

据报道,美国空军和陆军已在UH-60“黑鹰‘直升机”上对宽视场夜视眼镜进行了低空飞行、着陆等试验。夜视公司为试验提供了一种视场为100 的夜视仪。该仪器安装在头盔上,每个仪器有两个像增强器管,即采用了4个像增强器管。试验结果表明全景夜视仪是有前途的。尚需要解决的问题是:增加像增强器与减轻夜视仪重量的矛盾、夜视仪的调焦以及如何折衷解决增加视场与减少分辨率、景深的矛盾。

横向技术集成型前视红外传感器

在“沙漠风暴”行动后,美国陆军发现由于各部队使用不同的前视红外传感器,使联合部队的成员在作战中所观察的战场态势不能互通。为了克服这个缺陷,陆军部进行了专题研究。研究的结论是,陆军应有统一的前视红外管理单位,应发展一套通用的第二代硬件,并在陆军的装甲车队横向集成。于是,组建了横向技术集成型二代前视红外产品办公室,以发展和集成新的通用型前视红外系统。

90年代末,美国研制出通用型第二代前视红外传感器,即横向技术集成型二代前视红外传感器。这种前视红外系统的特点是:具有双视场;扫描速率30赫兹和60赫兹;2倍和4倍电子变焦能力;能与数字化战场兼容;作用距离是第一代通用组件的2倍,使乘员能在夜间或透过烟雾发现和识别6公里外的目标,使美国作战人员具有空前的昼夜全天候作战能力。

这种横向技术集成型二代前视红外传感器被称为B套件。为了将通用的B套件组合到不同的作战平台上,还研制了平台专用的A套件。

B套件由杜瓦瓶、制冷器、扫描器、离焦光学系统以及处理热像的电子装置组成。其中杜瓦瓶和制冷器是两个核心部件。杜瓦瓶的正式称谓是标准先进杜瓦瓶组件Ⅱ(SADAⅡ),使用1瓦制冷能力的线性驱动分置式斯特林制冷器。制造这种杜瓦瓶需要各类技术,如新材料、微电子器件、高真空、先进结构和制冷技术。红外探测器采用480×4元碲镉汞混合焦平面阵列,位于抽真空的杜瓦瓶内。在1.27厘米(1/2英寸)的芯片上制造出这种480×4元高响应、低噪声红外探测器阵列,并与读出电子部件混合,技术难度很大。为了获得8—12微米波段的性能,这种组件的光敏探测器材料必须制冷到低温。

标准先进杜瓦瓶组件Ⅱ采用了将制冷器换热器与杜瓦瓶冷指组合的集成设计法,因此对制造精度的要求及其严格,但是允许制冷器能力低50%。此外,线性驱动技术使可靠性提高4—10倍,并在减少音频噪声、振动输出、制冷时间方面有显著的优点。

美国军方认为,其他国家研制的所谓第二代前视红外系统,确实优于一代产品,但仍不能与美国的横向技术集成型二代前视红外系统相比,它们的目标探测距离和分辨率与美国陆军的横向技术集成型二代前视红外系统的指标还有差距。其中,法国SAGEM公司的二代前视红外系统性能最为接近。

安装这种前视红外系统的第一批平台是:2000年装备的系统增强型M1A2 SEP坦克和M2A3步兵战车;2001年开始装备的远距离先进侦察监视系统和计划中的瞄准线制导反坦克武器系统;2004年开始装备的“阿帕奇”直升机用的“箭头”系统。

此外,美国陆军还计划在首批装备旅战斗部队的过渡性装甲车族上增添二代前视红外系统,并用横向技术集成型二代前视红外系统改造少量的M1A1D坦克和“布雷德利”战车。

M1A2 SEP型坦克用它改进车长独立热观察仪和炮长主瞄准具;M2A3步兵战车用它来改造目标捕获子系统和车长独立观察瞄准具,使其与M1A2坦克具有相同的热成像和战场观察能力。

远距离先进侦察监视系统是安装在“悍马”越野车上或为初建旅战斗队采办的过渡性装甲侦察车顶部的一套传感器,供陆军步兵和装甲营侦察排以及初建旅战斗队侦察营使用。除了二代前视红外系统以外,这套传感器还包括昼用电视摄象机、人眼安全激光测距机、全球定位系统干涉仪。该系统使侦察员探测目标的距离是现有系统的3倍,从而使其能在敌方传感器和直射武器作用距离之外侦察。

瞄准线制导反坦克武器系统是安装在“悍马”车上的超高速导弹系统,正在按照先期概念技术演示计划研制。该系统使用第二代前视红外系统捕获目标。

AH-64“阿帕奇”攻击直升机载的“箭头”系统,可能使用横向技术集成型二代前视红外系统的某些组件,以降低成本。然而,其使用的杜瓦瓶,不是标准先进杜瓦瓶组件Ⅱ,而是为“阿帕奇”和“科曼奇”直升机研制的更新型的标准先进杜瓦瓶组件Ⅰ。该组件使用更大的红外探测器阵列,以获得更远的作用距离和更高的灵敏度。与使用第一代通用组件前视红外系统的、70年代末生产的目标捕获指示瞄准具/驾驶员夜视传感器光电系统相比,其目标捕获距离加倍,而且可靠性好,以致使支持费用减少一半以上。


第三代前视红外技术

美国陆军通信-电子司令部夜视和电子传感器局正投资研究第三代前视红外技术。陆军可能部署三类第三代前视红外系统。第一类安装在优先级高的平台上,如“未来战斗系统”。这种高性能第三代前视红外系统可能是制冷型传感器,但工作温度较高,允许制冷器较小。它使用大型凝视焦平面阵列,例如1000×1000元或2000×2000元,以使作用距离更远,灵敏度更高。它还可能工作在两个不同的红外波段。

中波(3—5微米)和长波(8—12微米)是大气中探测红外辐射的最好波段。长波红外传感器通过战场烟尘观看时优于中波传感器,因而主要被陆军采用。中波传感器可在远距离提供较高的目标分辨率。第三代双波段红外传感器将具有两个波段的优点,通过使目标-背景的对比度最大,提供较高的识别隐藏在杂乱回波中的目标的几率。

夜视和电子传感器局的研究表明,第三代前视红外系统的目标识别距离将比第二代增加50%。而且,双波段红外系统能得到同一目标场景的两个不同的影像,并同时馈送给自动目标识别系统,故有助于目标的识别,可显著提高探测伪装目标的能力,甚至可识别车辆的类型,从而保持极低的虚警率。

陆军研究人员发展的另外两类第三代前视红外系统是非制冷型的。陆军官员认为,由于去掉了制冷器,减少了功率需求,可导致装置的成本显著降低,因此非制冷型前视红外系统是革命性的。而且,去掉带活动部分的前视红外系统机械制冷器,将大大增加系统可靠性,减低寿命周期支持费用。

第一种非制冷型第三代前视红外系统将是高性能单色传感器,采用1000×1000元凝视焦平面阵列,可用于陆军计划的理想班组武器和无人驾驶地面车辆。第二种非制冷型第三代前视红外系统,将是一种低成本微型前视红外系统,采用小型凝视阵列,可能用于小型无人机或用作遥控监视传感器以及士兵通用传感器。

陆军希望将非制冷微型前视红外系统的成本、重量和功耗减少到使其足够便宜、足够轻便,以致可以向小型手电筒那样装备每一个徒步作战的士兵。士兵将可以通过头盔显示器观看影像;也可以象手持装置那样使用,绕过墙角瞄准而不暴露士兵自己;也可以夹在步枪或头盔上作为昼夜瞄准器具

摘自《全民国防教育网 》

 

 

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