热成像仪，黑夜中的“火眼金睛”
www.163.com 2023-11-23 17:58
出品|网易新闻
导语：在“侦察-打击”的杀伤链中，传感器夜视技术的应用能够极大提升全天候战场的态势感知能力，创造战术优势，微光增强和热成像仪哪个才是夜战中“火眼金睛”?曾经仅用于军事等高端应用的热成像技术为什么能大量涌入民用市场?
一、夜战的“第三只眼”
从古至今，战斗经常在夜间打响。利用微光增强和红外热成像等夜视技术，作战部队能够突破夜幕的障碍、获得夜战的自由。士兵、坦克、舰船、飞机等装备安装夜视器材后，大大延长有效的作战时间。
夜视仪下的地面装甲车辆
1)微光增强放大
微光夜视仪因为原理简单图像质量较好和造价低廉，成为至今各国军队应用最广泛的夜视仪类型。基本都是建立在第三、四代管微光夜视技术的基础上的，如采用3代无膜白磷增强管的美军特种部队主流夜视仪AN/PVS-31、GPNVG-18;装备法国、德国等欧洲军队的LUCIE夜视仪等都属于微光夜视仪。
微光夜视仪结构原理示意图
微光夜视仪又被称为像增强技术，其实就是将微小的光源电子信号增强放大，让其可见。可以在极低亮度的环境下，利用图像增强器将月光、星光等微弱光线或者发射红外探测光照射物体，物体反射的光通过像增强器放大后转变成人眼可清晰观察的图像，从而实现在夜间对目标进行观察。所以图像增像管是微光夜视仪的关键器件，它的好坏直接决定夜视仪的效果。
微光夜视仪下的美军士兵
微光夜视仪固然好用，但在阴天和漆黑无光或烟雾条件下使用效果就不太好了，这时候更高端的红外热成像夜视仪就派上用场了。
2)无处不在红外热辐射
光是一种电磁波，我们肉眼只能看到电磁波中400-600nm之间所展现的世界，人类缺乏视觉感知温度的视觉能力，760-1000nm之间波长比的非可见光，被称为红外线(IR)。我们生活中无论是生物还是机械，即便是冰，都会散发出热能，而且热辐射的波长是在红外波段。
电磁波频谱
与照相机成像可见光类似，热成像仪是将红外线成像的装置，通过被动接收来自目标的辐射，不主动发出信号。根据不同物体辐射出的红外线强度不同，首先利用热成像仪获取目标的热辐射信息，并根据目标物体与背景物体辐射的红外线差异识别目标物体。
热成像仪的基本原理与照相机类似
热成像真正的优势在于目标观测和识别，只要目标的表面发射率和背景有一定差别，或是自己有温度，热成像就可以轻松通过温差分辨出目标，比如在树林中热成像虽然只能看到糊成一团的树冠，但可以非常轻松的看到一百多米范围内的所有动物，就算是它们被草或其他东西遮住，只要露出一点影子都能让使用者发现，红外和微光就很难做到。
热像仪视角下的士兵
3)超强CP-复合夜视方案
当然，热成像仪也不是万能的，由于靠温差成像，图像对比度低，而且不能透过玻璃等障碍物看清楚目标。
热成像比红外微光也有自己的劣势。热成像依靠目标的表面温度分辨目标，而表面温度受物体表面材质影响发射率差异很大，如果有大量表面温度相差很小的物体堆积在画面中，热成像难以分辨，就会导致画面糊成一团。比如地面草地树冠等，热成像通常很难分辨这些景物的细节，如果只依赖热成像在夜间行动，在崎岖不平的地面，就很容易被带坑里。
增强型夜视镜的融合轮廓成像效果
于是整合微光夜视镜和红外热成像的复合夜视仪登场啦，以美国第四代AN/PVS-21双目夜视仪为例，其双镜头使其有两个光通道，可将目标的红外成像与微光成像经处理后叠加，即使在完全无光的环境下，也能穿过伪装物看到敌方发出的热源红外图像。
二、热成像蕴藏的“军民融合”战略
与国外相比，我国的夜视仪技术起步相对较晚，尽管中美的微光夜视仪技术相差约20年，但我国对夜视技术研究工作从没放弃追赶的脚步。红外热成像是高端制造产业里极少数可以在国内形成全产业链应用的行业之一。
红外热成像探测器是红外热成像仪的核心，亦成为这场红外热成像技术翻身仗胜利的关键所在。
国产四目夜视仪
1)中国红外热成像的“翻身仗”
红外热成像探测器直接决定了设备最终成像的分辨率和灵敏度，它能够帮助设备收集红外线的温度数据和热分布信息，并通过其余零部件进行成像以检测物体温度。
上世纪90年代，我国在红外技术领域应用的是一种比较低端的热释电红外探测器，其余所有红外热成像设备全部依赖进口。
2008年前后，我国科研院所和军工企业开始发力红外热成像的研发之路。“从上游红外热成像探测器到中游芯片和机芯，再到红外热成像仪整机，逐步摆脱了重要部件需要自美、德、法、日进口和技术封锁的窘境，也形成了高德红外、大立科技、睿创微纳等民营企业自主可控的产业链。
国产8μm红外热成像探测器芯片
红外热成像仪又可分为制冷型和非制冷型。目前我国的非制冷型探测器已基本实现进口的国产化替代，制冷型目前仍与国外顶尖企业仍存在一定的差距。
制冷型红外热像仪需要超低温环境下工作，具有灵敏度高和作用距离远、隐蔽性好、抗干扰性强和目标识别能力强等特点，通常应用在航天、船舰、导弹、科研等高端军工领域，国外已经能研发出能够迅速地将探测器表面温度降到零下200℃的极小压缩机，工艺技术和制造成本也非常高。
非制冷型红外热像仪可以在常温下工作，虽然灵敏度和观测距离较短，但在成本、功耗、重量和寿命等方面具有优势，工艺技术门槛相对更低，能够应用在常规军用领域，在民用市场亦十分具有发展潜力。
国产的手持式热像仪
2)红外热成像在民用的延伸
近年来，红外热像仪作为我国新兴战略产业的重点布局领域，已经从军用领域转向民用领域，2021年我国红外热像仪军用市场的市场规模达到389.93亿元，民用市场的市场规模为365.41亿元。未来随着光学、算法、图像处理等领域的持续积累与进步，产品应用也将逐步趋向于高端化发展。
目前在工业生产、食品安全检测、安保监控、预防检测、消防、交通监控、辅助驾驶、民用夜视等领域都得到了实际应用，未来随着红外热成像技术、“互联网+”技术、小型化设计技术的进一步发展，红外热成像仪的功能将进一步扩展。
热成像仪的民用技术
三、驱动未来的全天候自动驾驶
作为下一阶段的技术制高点，热成像仪对于未来自动驾驶的发展也将起到重要驱动作用，众多公司都试图通过探索不同的方案获得真正意义上的自动驾驶技术，重新定义汽车。
汽车红外夜视摄像头可以帮助驾驶员感知道路环境
现阶段的自动驾驶技术以激光雷达和视觉传感器的感知方案占据主流，基本思路是利用不同的传感器互相之间“补盲”获得更好的整体效果。然而在夜晚或极端天气条件下，这两种传感器都存在一定的物理局限性，间接导致了自动驾驶技术无法在相应场景下使用。
广义上的完全自动驾驶需要具备全天候的驾驶能力——也就意味着车辆需要具备超出人类的态势感知能力，离不开热成像仪这一模态在各类场景下输入的信息。
热成像图被认为包含更多物体的纹理信息
部分主流的自动驾驶研究机构已经确认，由于引入了物体的热辐射信息，安装于汽车上的热成像系统能够检测到视觉传感器、激光雷达所不能识别的物体，并能高效稳定地识别行人和车辆等对象，更好地与雷达模态融合。
本质上它舍弃了对自动驾驶作用不大的物体色彩信息，而专注于物体的纹理信息。引入热成像模态能够从根本上提升系统在夜间和雨雾天情况下的探测能力，并给予系统更多的信息量冗余，减少事故发生。
结语：从军用到民用，从导弹到安防，我国红外热成像技术的布局应用正不断延展，随着AI、物联网、5G和汽车电子等新技术的发展，红外热成像能挖掘出更多的可能性，国产夜视技术亦有无限的潜力和想象空间。
参考文献：
1. 中科院西安光学精密机械研究所.红外夜视仪:深夜中的“火眼金睛”. 2021.9
2. 新华网. 红外热成像仪的原理是什么.2021.11
3. 解放军报. 夜战方式正发生悄然变革，未来战场如何“以夜制胜”?2022.6
4. 艾邦智造. 自动驾驶“加速”，车载红外热像仪在多传感器融合中的应用.2022.8
5. 战略前沿技术. “是与非”：外国眼中的中国军民融合.2021.6
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