微光成像技术在航空机载领域的应用研究

刘文彬

【摘 要】随着微光成像技术的发展,微光夜视系统在现代化战争中发挥着重要作用.分析了微光成像技术的特点及在航空机载领域的典型应用,梳理了微光夜视系统在国内外航空机载领域装备应用情况.讨论了航空机载领域微光成像技术的发展趋势,为国内航空机载微光夜视装备的研制提供参考. 【期刊名称】《电子测试》 【年(卷),期】2019(000)003 【总页数】3页(P57-59)

【关键词】微光成像;微光像增强器;机载夜视;夜视镜 【作 者】刘文彬

【作者单位】中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所,河南洛阳,471009 【正文语种】中 文 0 引言

微光成像技术是在夜天光（如微弱月光、星光、大气辉光等）照明条件下实现光-电子图像信息之间相互转换、增强、处理、显示的一门技术等。利用微光成像技术，能将人眼不能或不易看见的近红外辐射、极微弱星光等景物图像通过各类微光像增强器和微光视频成像器件进行光谱和光电转换，变成亮度被增强的人眼易看的可见光图像，从而弥补了人眼的局限性，扩展了人眼的视野和功能[1]。

随着20世纪40年代国外开始研究微光夜视技术开始研究以来，作为微光夜视技术核心的微光像增强技术得到了迅猛发展，先后有了一代、二代、三代和超二代微光像增强器的问世，代表的厂家有美国ITT公司、诺斯罗普·格鲁曼公司，法国的PHOTONIS公司、荷兰DEP公司等。我国微光夜视技术经过发展，已具备一代和二代以及高性能超二代微光像增强器的批量生产能力，并大量装备部队。三代微光器件研究已获得重大技术突破，实验室样管可以达到美国标准三代管的水平[2、3]。 国外目前已大量装备微光夜视系统，尤其是在航空机载领域，美军表现比较突出，其在轰炸机、歼击机、加油机、运输机以及各种旋翼机平台上都配备了多种微光夜视系统，以突出其在夜战中的优势力量。目前，国内微光夜视产品由于受核心器件发展限制，微光夜视产品从装备数量和技术指标与国外相比仍有差距。 1 微光成像技术特点及在航空机载领域的应用

微光成像系统通常有两种类型：直视型微光夜视镜和视频型微光夜视摄像机。其中，前者通过目镜直接观察，结构简单、成本低廉；后者通过各类视频型微光器件转换为视频信号，能够实现图像的传输、多传感器信号叠加以及图像优化处理。 微光成像技术具有以下特点：（1）成像效果与人眼的视觉效果接近；（2）微光夜视仪体积小、重量轻，而且由于工作方式是被动的，便于隐蔽使用；（3）不易识别伪装目标；（4）作用距离与观察效果受到气象影响较大。

综合国内外航空机载领域夜视系统装备平台和应用领域，夜视系统在航空机载领域的主要应用包括以下几个方面：（1）可在灯光管制等特殊环境下进行舱内及舱外观察，并可辅助飞行员目视观察进行飞机的起降及搜索目标；（2）可辅助进行夜间飞行编队，有效缩短编队距离；（3）可以辅助观察它机或本机特定波段激光照射所产生的激光斑；（4）可进行夜间空中加油的观察与监视；（5）配合其他传感器完成飞行员飞行数据信息综合显示。 2 国内外航空机载领域微光夜视系统装备情况

2.1 国外航空机载领域微光夜视系统装备情况

目前，美国空军、海军及国外战机已经装备了大量的微光夜视系统，其中美军机载平台应用的夜视镜有AN/AVS-6、AN/AVS-9、AN/AVS-10 PNVG等，分别应用包括A-10、F-15C、F-15E、F-16、F117、C-5、C-130、KC-135、HH-60、AH-64等固定翼飞机以及旋翼机平台。英国、法国、荷兰、俄罗斯等也在多种机型平台（例如台风战斗机、鹰狮战斗机、米-17、米-24、“虎”式直升机等）装备了微光夜视系统。

航空机载领域应用的微光夜视系统主要包括直视型微光夜视镜和视频型微光夜视摄像机。其中传统的直视型夜视镜在机载领域应用较为广泛，直视型微光夜视镜典型产品包括以下几种类型。 （1）双管双目夜视镜

图1所示美军的AN/AVS-9夜视镜，另外还有美军的AN/AVS-6、荷兰的NL-93夜视镜、英国NITE-OP夜视镜等。该类型夜视镜通常采用40°典型视场，放大倍率为1倍，包括手动焦距调节以及目镜视度调节以及眼距、瞳间距调节等功能。座椅弹射时通过爆炸脱落或过载自动脱落的形式。目前装备的夜视镜均采用标准三代像增强器或高性能三代像增强器。 （2）双管双目头显夜视镜

图2所示美军的ANVIS/HUD-24夜视镜。该类夜视镜通过平视显示元件与双管数目夜视镜叠加，实现飞行数据与夜视场景的叠加显示。该款夜视镜头显视场为32°，夜视视场为40°，头显像元的分辨率为512×512。其余结构和功能与双管双目夜视镜相近。

图1 美国飞行员使用的AN/AVS-9夜视镜 图2 美国飞行员使用的ANVIS/HUD夜视镜 （3）多管双目超大视场夜视镜

图3所示美军的AN/AVS-10夜视镜。该夜视镜采用4个16mm的三代像增强器。四个光通道两两进行目镜拼接，最终实现了100°×40°的超宽视场，亦能实现手动焦距调节以及目镜视度调节以及眼距、瞳间距调节等功能。该夜视镜弹射兼容性采用过载自动脱落的形式。 （4）折转式双管双目微光夜视镜

图4所示法国的Sagem JADE夜视镜。该类夜视镜采用折转组合目镜的形式，使飞行员既能观看到夜视光路反射的夜视增强图像，亦能通过透视组合镜看到平显、座舱仪表、舱外未增强器的可见光图像。这种构型既缩短了夜视镜的突出量，改善了重心分布，又增强了飞行员的对飞行的态势感知。 图3 美国飞行员使用的AN/AVS-10夜视镜 图4 法国飞行员使用的Sagem JADE夜视镜

视频型微光夜视摄像机，通常应用于多功能综合夜视头盔上，例如台风战斗机上配备的BAE System公司设计的HMDS system（如图5所示）、鹰狮战斗机飞行员配备的新型HMDS system以及F35飞行员配备的新型夜视头盔显示器（如图6所示）。微光夜视摄像机形成的外界场景的增强视频经视频处理传输叠加显示在头显的显示像元上并接投射在护目镜上，实现增强场景与飞行数据的叠加显示。 图5 台风飞行员使用的HMDS system 图6 F35飞行员配备的夜视头盔显示器 2.2 国内航空机载领域微光夜视系统装备情况

目前，国内只有直升机平台装备有头盔微光夜视镜和综合头盔瞄准具（含夜视组件），且涉及型号少，装备量低。相比国外航空机载领域微光夜视系统装备的产品类型及装备的机型相比，国内仍有较大差距。国内航空机载领域装备的夜视镜的主要差距体现在以下几个方面。 （1）核心器件像增强器性能差距

受制于核心器件的限制，目前国内装备的夜视镜像增强器主要为超二代水平，与美军的大量装备三代像增强器以及高性能三代像增强器差距明显。主要差距在器件的分辨率（超二代最高达到64对线/mm，三代像增强器典型值为64对线/mm，最高可达72对线/mm）、信噪比（超二代最高达25db，三代像增强器典型值大于25）和灵敏度（超二代典型值为700μA/lm、三代典型值不小于1800μA/lm）等，体现在系统的作用距离、动态范围等。 （2）微光夜视镜构型单一

目前，国内机载装备夜视镜多采用双管双目微光夜视镜构型，该种构型佩戴舒适性相对较差，视场局限，不利于直接观察平视显示器以及座舱仪表等。国外除双管双目构型外，还装备有折转耦合式构型、多视场拼接构型等。 （3）微光夜视镜功能单一

国外装备的夜视镜功能丰富，包含头显综合式双管微光夜视镜、超宽视场微光夜视镜、等，并且更多的多功能综合夜视头盔集成。国内装备的微光夜视镜大多只能提供单一的微光增强图像，用于叠加飞行数据信息的综合头盔瞄准具使用和装备较少。 3 机载微光成像技术发展趋势 （1）宽视场微光夜视镜

普通夜视镜视场通常为40°，视场小与飞行员快速机动搜索目标相矛盾。需要研发与人眼正常视觉相匹配的超大视场微光夜视镜。但大视场夜视镜带来新的问题：体积大、重量重。减小像增强器自身尺寸重量、采用新型光学和结构材料、新的光学构型实现超大视场微光夜视镜小型化、轻量化的设计成为设计研发的重点。 （2）折转组合目镜式微光夜视镜

传统直视型微光夜视镜的单目光路中物镜、像增强器、目镜和人眼在一条直线上。该构型主要问题：1、夜视镜突出量大，重量重心靠近飞行员前沿处；2、传统的直视型微光夜视需要通过眼睛余光来观察下视的彩色显示器，给使用过程中带来不

便。折转组合目镜式微光夜视镜一方面能够使夜视镜长度进一步缩短增加佩戴舒适性，另一方面能够使人眼的通视视场增大，便于直接观察座舱内的平视显示器、下视彩色显示器以及其他仪表。 （3）综合夜视头盔系统

相比传统单一类型夜视镜，综合夜视头盔系统能够综合多传感器信息融合显示，既能显示经过微光增强的场景图像，又能叠加显示必要的飞行数据信息，还能综合显示机载其他光电传感器（红外传感器等）的视频图像以及与微光视频融合显示的图像等。综合夜视头盔系统使夜视传感器的布局不再局限于人眼视觉的正前方，无论是通过光叠加的还是视频信号电叠加的夜视传感器都可以布置在头盔两侧护耳处，甚至是机上的其他安装位置，以改善飞行员佩戴的舒适性。 （4）新型微光夜视传感器的应用

新型的EBAPS，其借助光阴极产生光电子，从高压电源获得高能量轰击光敏面，以高电子能量，换取更大的电荷数量转换，具有读出噪声低、灵敏度高的特点[4]。黑硅探测器，采用黑硅半导体技术，使探测器的响应波段能够从紫外扩展到长波红外，具有超高的灵敏度，能够在小于0.001lux低照度环境下成像，能够提供高质量的昼夜成像效果；短波相机，采用InGaAs阴极材料，响应波段0.4μm～1.7μm；增强型CMOS器件，具有更高的帧率（大于100Hz）、更大的动态范围（大于60dB）、较小的可读出噪声（小于4e-）且昼夜都能使用。众多使用新技术、新类型的微光夜视传感器的不断发展和完善，使微光夜视摄像机的传感器不再局限于ICCD或ICMOS等像增强器耦合型视频器件，能够进一步缩短微光传感器的体积并减少重量，扩展机载航空领域的夜视技术的应用范围[5]。 4 结束语

对比国外机载领域的装备、应用及发展趋势情况，结合目前国内机载夜视装备情况及用户使用情况，最后指出国内机载微光成像技术的几个关注点：（1）夜视镜的

人机工效问题。包括佩戴舒适性问题、弹射安全性问题、夜视兼容问题等；（2）新构型的应用。加快研制新型微光夜视镜如宽视场、折转组合目镜式夜视镜等，解决国内夜视镜品种单一、应用单一的局面；（3）新型微光传感器的应用。关注新型微光夜视传感器的发展及应用，包括新型的彩色夜视传感器的发展，拓展机载平台夜视技术的应用；（4）多传感器融合技术。结合机载平台中不同波段传感器的特点，考虑多传感器的融合处理。 参考文献

【相关文献】

[1]向世明等.现代光电子成像技术概论[M].北京：北京理工大学出版社,2010. [2]郭晖,向世明,田民强,微光夜视技术发展动态评述[J].红外技术,2013,35(2)：63-68. [3]艾克聪.微光夜视技术进展与展望[J].应用光学,2006,27(4)：303-307.

[4]徐鹏霄,唐光华,唐家业,杨杰,陈鑫龙,钟伟俊,赵文锦.EBCMOS混合型光电探测器研究[J].光电子技术,2016,36(4),232-236.

[5]金伟其,陶禹,石峰,李本强,微光视频器件及其技术的进展[J].红外与激光工程,2015,44(11),3167-3176.