泰國(guó)《亞洲軍事評(píng)論》雜志2017年第10期發(fā)表了彼得·唐納森的文章：TURNING NIGHT INTO DAYTIME。夜視儀從其誕生那天開(kāi)始，就與軍隊(duì)有關(guān)。最早就是因?yàn)檐婈?duì)需要晚上的夜視設(shè)備，夜視儀才應(yīng)運(yùn)而生。軍用夜視儀具有高度隱蔽性、高清晰度、遠(yuǎn)距離、高耐用性以及長(zhǎng)時(shí)觀測(cè)性等特征。在長(zhǎng)達(dá)近100年的發(fā)展過(guò)程，夜視儀經(jīng)歷了從一代到四代的變遷，目前五代夜視儀已經(jīng)研制成功。本文詳細(xì)介紹了圖像增強(qiáng)技術(shù)、聯(lián)通技術(shù)、互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體材料、短波紅外技術(shù)在軍用夜視儀中最新應(yīng)用。文章編譯如下：

《亞洲軍事評(píng)論》雜志報(bào)道：正如步兵所希望攜帶的任何裝備一樣，夜視裝置的設(shè)計(jì)必須實(shí)現(xiàn)功能與重量、體積、功耗之間的平衡。

盡管核心傳感裝置正在變得更小、更輕，使用的功率越來(lái)越小，同時(shí)覆蓋了比以往更多的電磁頻譜帶，但是光譜帶必須通過(guò)不同的技術(shù)才能顯現(xiàn)出來(lái)。這迫使士兵需要根據(jù)其將看到的光譜帶，選擇攜帶幾種不同的設(shè)備，或攜帶結(jié)合兩種或更多種傳感器技術(shù)的笨重設(shè)備。光譜帶中包括來(lái)自月球、星星或人造光源的可見(jiàn)光，放大可見(jiàn)光的傳感器通常對(duì)近紅外（IR）光譜的較長(zhǎng)波長(zhǎng)具有擴(kuò)展的響應(yīng)。這其中包括數(shù)十年來(lái)主導(dǎo)步兵夜視領(lǐng)域的模擬圖像增強(qiáng)器，以及在這些應(yīng)用中最終將挑戰(zhàn)傳統(tǒng)設(shè)備的數(shù)字化互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（Complementary metal Oxide Silicon，CMOS）芯片。

圖像增強(qiáng)器的創(chuàng)新發(fā)展

以色列梅普洛光學(xué)公司（Meprolight）使基于圖像增強(qiáng)器的步兵觀察裝置和武器瞄準(zhǔn)具成為可能。在一個(gè)日益數(shù)字化的世界中，作為模擬設(shè)備，圖像增強(qiáng)器可能被認(rèn)為是異類，但是它們的性能還在不斷提高。以色列梅普洛光學(xué)公司銷售和市場(chǎng)總監(jiān)約納坦·賓卡斯（Yonatan Pinkas）說(shuō)：“慢慢地，我的確看到了這種技術(shù)的進(jìn)步，主要是反映在圖像增強(qiáng)管本身產(chǎn)生的圖像質(zhì)量?！彼诮邮堋秮喼捃娛略u(píng)論》雜志采訪時(shí)稱：“你曾經(jīng)可以在一根圖像增強(qiáng)管上通過(guò)一定的放大倍數(shù)獲得確定的探測(cè)、識(shí)別或鑒定范圍，但是在放大相同倍數(shù)的情況下，由于圖像的清晰度，現(xiàn)在可以達(dá)到更大的范圍。這就是過(guò)去五年來(lái)所發(fā)生的事情，我認(rèn)為未來(lái)五年將會(huì)看到技術(shù)的巨大飛躍。”

圖1、以色列梅普洛光學(xué)公司的“拳擊手”手持/頭戴式觀察設(shè)備。

以色列梅普洛光學(xué)公司的最新產(chǎn)品是“迷你獵人”（Mini Hunter），這是一種為小口徑武器，如突擊步槍設(shè)計(jì)的放大瞄準(zhǔn)器，填補(bǔ)了市場(chǎng)空白?！按蠖鄶?shù)夜視瞄準(zhǔn)器都是為更遠(yuǎn)的距離要求，為精確射擊步槍(Designated Marksman Rifle，DMR）、神槍手、狙擊手而設(shè)計(jì)。這個(gè)瞄準(zhǔn)器是專門為沖鋒槍而設(shè)計(jì)的，提供了兩倍的放大倍數(shù)。”他說(shuō)，“對(duì)于‘獵人’系列瞄準(zhǔn)器來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)非常精確的點(diǎn)射非常重要，所以瞄準(zhǔn)器在較遠(yuǎn)距離的情況下也非常精確，用戶可以通過(guò)一種簡(jiǎn)單的方式來(lái)調(diào)準(zhǔn)瞄準(zhǔn)器并實(shí)現(xiàn)彈道補(bǔ)償?！币陨忻菲章骞鈱W(xué)公司研發(fā)了一種可以安裝在面罩、頭盔或武器上的裝置，命名為Minimon-L，賓卡斯告訴《亞洲軍事評(píng)論》的記者：“并不是市場(chǎng)上所有的單片望遠(yuǎn)鏡都有這種能力。在同一個(gè)設(shè)備上擁有三種能力對(duì)我們來(lái)說(shuō)是非常重要的。”賓卡斯先生認(rèn)為，基于非制冷型微測(cè)輻射熱計(jì)探測(cè)器的熱成像夾式裝置，再加上圖像增強(qiáng)瞄準(zhǔn)器，將作為提供雙傳感器功能的最實(shí)用方法，滿足市場(chǎng)最迫切的需求。

連通性障礙？

另一個(gè)障礙是來(lái)自觀察設(shè)備或武器瞄準(zhǔn)器的圖像傳輸至頭盔上的遠(yuǎn)程顯示器，并且上傳至網(wǎng)絡(luò)的連通性。“這里有一定的技術(shù)分界線，但這是一場(chǎng)競(jìng)賽，”賓卡斯先生補(bǔ)充說(shuō)，“每個(gè)制造商都有來(lái)自最終用戶的相同需求，似乎每個(gè)人都在爭(zhēng)取拿出一個(gè)解決方案。”分界線在于將增強(qiáng)器的圖像數(shù)字化，其中涉及將諸如互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體芯片之類的高分辨率數(shù)字成像裝置緊密地耦合到熒光屏，而不會(huì)降低圖像的品質(zhì)，這是非常困難的。在未來(lái)十年左右，賓卡斯先生說(shuō)，他預(yù)計(jì)模擬和數(shù)字夜視技術(shù)之間的性能差異仍會(huì)存在，但最后肯定會(huì)消失。“我認(rèn)為圖像質(zhì)量會(huì)非常相似，但價(jià)格因素將對(duì)用戶最終購(gòu)買哪些設(shè)備產(chǎn)生更大的影響。”

互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體的發(fā)展

當(dāng)然，使用數(shù)字成像技術(shù)的夜視設(shè)備已經(jīng)問(wèn)世。其中最新的產(chǎn)品是羅徹斯特精密光學(xué)公司（Rochester Precision Optics）的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體夜視儀（CMOS Night Observation Device，CNOD）。該夜視儀可以作為一種手持式單目光學(xué)器件，也可以作為一個(gè)夾式或獨(dú)立的武器瞄準(zhǔn)器，它可以通過(guò)一個(gè)基座安裝至M-1913皮卡汀尼導(dǎo)軌上，并且經(jīng)過(guò)了加固處理，能夠經(jīng)得起包括7.62毫米口徑在內(nèi)的大部分武器發(fā)射時(shí)的沖擊。它的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器能夠從明亮的陽(yáng)光到黑暗的夜晚，響應(yīng)波長(zhǎng)在500～1080納米之間的高分辨率圖像，并且能夠在黃昏和黎明期間進(jìn)行操作。當(dāng)然，在此期間士兵通常必須在白天和夜晚的光學(xué)系統(tǒng)之間進(jìn)行切換?；パa(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體夜視儀的光譜覆蓋也使用戶能夠在白天和黑夜看到大多數(shù)戰(zhàn)術(shù)激光的光點(diǎn)。它還可以在內(nèi)部錄制靜止圖像并導(dǎo)出視頻，確保用戶能夠面對(duì)潛在危險(xiǎn)目標(biāo)時(shí)實(shí)現(xiàn)暴露最小化，而RS-232和USB接口提供與戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)的連接，因此可以將其聯(lián)網(wǎng)輸出。雖然互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體成像器可以在白天產(chǎn)生清晰的彩色圖像，但隨著光照水平的下降，顏色將變?yōu)榛叶取Ｈ欢蟛糠值囊雇矶加猩倭康膩?lái)自月亮和星星的全光譜可見(jiàn)光。

圖2、互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體夜視儀代表了新一代的步兵數(shù)字成像系統(tǒng)，已經(jīng)開(kāi)始在光譜覆蓋和圖像質(zhì)量方面媲美傳統(tǒng)的圖像增強(qiáng)技術(shù)。

能夠在夜晚拍攝彩色影像的X27“魚(yú)鷹”相機(jī)

能夠利用這種技術(shù)在黑暗的夜晚拍攝彩色影像的相機(jī)明顯很有吸引力。SPI紅外公司（SPI Infrared）就是一家提供此類設(shè)備的公司，該公司的X27“魚(yú)鷹”（Osprey）相機(jī)內(nèi)核基于寬光譜薄膜陣列(Broad Spectrum Thin Film Array, BSTFA)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體技術(shù)。相當(dāng)于ISO（國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織）500萬(wàn)的光靈敏度等級(jí)和390～1200微米的光譜覆蓋率，X27“魚(yú)鷹”的亮度增益達(dá)到了x85000。傳感器本身就是一個(gè)1000萬(wàn)像素的設(shè)備，能夠生成低至1毫勒克斯的4K高清晰度彩色圖像，可實(shí)現(xiàn)60赫茲的視頻幀速率，并且信噪比相當(dāng)于或者超過(guò)最新的圖像增強(qiáng)器。該公司網(wǎng)站上的錄像展示了在陰天星光條件下拍攝的令人印象深刻的全彩影像。

該公司發(fā)言人稱，其他低照度互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體彩色相機(jī)，使用過(guò)濾器來(lái)確保自然的色彩，但阻擋了一些光。X27“魚(yú)鷹”相機(jī)采用片上處理技術(shù)避免了顏色校正。該相機(jī)已為集成至步兵武器瞄準(zhǔn)器以及單目和雙目觀察瞄準(zhǔn)裝置做好準(zhǔn)備。其中之一就是配置在具有護(hù)眼型激光測(cè)距儀的手持式雙筒望遠(yuǎn)鏡上。此外，這款相機(jī)正在開(kāi)發(fā)的一個(gè)版本，被稱為X28，它的光譜響應(yīng)擴(kuò)展到1600微米，以接收1500微米的紅外激光。

圖3、SPI紅外公司的X27“魚(yú)鷹”相機(jī)可以在最黑暗的夜晚利用微量的全光譜光拍攝出自然的彩色圖像。

短波紅外照相機(jī)

紅外光譜中還有大約在900～3000微米之間的短波紅外（Short Wave IR，SWIR）波段。從白天的日光到晚上天空中的輝光，短波紅外輻射很強(qiáng)。短波紅外照相機(jī)依靠反射光，而不是與較長(zhǎng)的熱波長(zhǎng)相關(guān)的發(fā)射光產(chǎn)生自然的灰度圖像。與熱紅外波長(zhǎng)相比，短波紅外具有另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，它可以穿過(guò)玻璃，并且可以像熱成像儀一樣透過(guò)窗戶看到里面的物體。目前短波紅外照相機(jī)的尺寸適合步兵裝備。美國(guó)古德里奇公司（Goodrich）旗下的傳感器無(wú)限公司(Sensors Unlimited Inc）率先推出了該型產(chǎn)品，現(xiàn)在提供包括“勇士”手持設(shè)備/武器配裝/頭盔配置（Warrior Handheld / Weapon / Helmet（HWH），短波紅外袖珍型（SWIR Pocket Scope，SPS）以及轉(zhuǎn)換激光照明的“勇士”照明裝置（Warrior Illuminator）在內(nèi)的眾多設(shè)備。“勇士”手持設(shè)備/武器配裝/頭盔配置使用戶能夠在白晝和夜間穿過(guò)粉塵、煙霧或者霧霾，看到戰(zhàn)場(chǎng)激光標(biāo)記的目標(biāo)。該公司的短波紅外探測(cè)器使用一種對(duì)于700～1700微米波長(zhǎng)敏感的高分辨率（640×512）銦鎵砷焦平面陣列。像所有的短波紅外傳感器一樣，它不需要冷卻，依靠電池可以連續(xù)工作4個(gè)小時(shí)以上。該系統(tǒng)能夠附著在皮卡汀尼導(dǎo)軌上，武器架允許瞄準(zhǔn)器在必要時(shí)快速翻轉(zhuǎn)至另一邊。

圖4、短波紅外照相機(jī)能夠拍攝到隱藏在水中的游泳者。

“勇士”PRF（脈沖重復(fù)頻率首字母縮寫）解碼器模塊連接到“勇士”手持設(shè)備/武器配裝/頭盔配置左側(cè)的觸點(diǎn)式插座，并從其電池獲取電力。通過(guò)使用自己的短波紅外焦平面陣列探測(cè)器和九度視場(chǎng)鏡頭，無(wú)論是白天還是黑夜，它能夠在4千米（2.5英里）范圍內(nèi)同時(shí)并連續(xù)地追蹤和解碼多達(dá)三個(gè)激光標(biāo)記或指示器，該公司稱，在圖像上覆蓋彩色符號(hào)和脈沖重復(fù)頻率代碼。與此同時(shí)，短波紅外袖珍型照相機(jī)具有“勇士”手持設(shè)備/武器配裝/頭盔配置非常類似的優(yōu)勢(shì)，但體積更小，重量更輕。短波紅外袖珍型照相機(jī)采用25毫米鏡頭，其640×500像素芯片能夠在700～1700微米的譜帶提供圖像，能夠依靠一對(duì)CR123A電池連續(xù)工作兩小時(shí)以上。像該系列體積較大的產(chǎn)品一樣，它可以手持或安裝在頭盔或武器導(dǎo)軌上。它具有數(shù)碼變焦功能，可以將靜止圖像和視頻保存到內(nèi)部存儲(chǔ)卡。美國(guó)政府將帶有短波紅外傳感器產(chǎn)品歸入了《國(guó)際武器貿(mào)易條例》范圍之內(nèi)。

多傳感器系統(tǒng)

將多個(gè)傳感器集成至手持式設(shè)備是最新互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體相機(jī)的下一步目標(biāo)，其擴(kuò)展的光譜響應(yīng)降低了對(duì)追蹤激光點(diǎn)獨(dú)立設(shè)備的需求。賽峰公司（Safran）的JIM Compact輕量化遠(yuǎn)程多功能雙筒望遠(yuǎn)鏡和Vectronix分公司的Moskito-TI多用途目標(biāo)定位器是此類設(shè)備的最新典范。賽峰公司發(fā)言人告訴《亞洲軍事評(píng)論》雜志的記者：“它們最具創(chuàng)新性的功能是能夠在不增加重量的情況下看到來(lái)自激光指示器的斑點(diǎn)甚至指示器。JIM-LR包含兩個(gè)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體攝像頭，一個(gè)是1500萬(wàn)像素的日光彩色電視傳感器，提供13.5度的寬視場(chǎng)和4.5度的窄視場(chǎng)，另一個(gè)傳感器是具有兩個(gè)獨(dú)立視場(chǎng)（6.2度和4.5度）低光攝像頭。賽峰公司發(fā)言人表示，兩者都比其他同級(jí)別的設(shè)備更輕，功能更全面。“它們能夠滿足包括步兵、特種部隊(duì)和聯(lián)合火力部隊(duì)（如聯(lián)合終端攻擊控制員）或前線觀察員在內(nèi)的大量用戶的需求?！盝IM Compact雙筒望遠(yuǎn)鏡重量不到2千克（4.4磅），還配備了法國(guó)索弗拉迪公司(Sofradir)的一臺(tái)制冷式中紅外熱成像儀，這種熱成像儀由索弗拉迪公司與泰利斯公司共同研發(fā)，能夠提供與彩色電視攝像頭和640×480像素探測(cè)器相匹配的視場(chǎng)。JIM Compact遠(yuǎn)程多功能望遠(yuǎn)鏡還配備了有效范圍超過(guò)12千米（7.5英里）的護(hù)眼型安全激光測(cè)距儀、數(shù)字磁羅盤、傾角儀和嵌入式全球定位系統(tǒng)（GPS）接收器。

Moskito-TI多用途目標(biāo)定位器重量不到1.3千克（2.9磅），配備了一組傳感器套件，其中包括一個(gè)視場(chǎng)為6.1度、放大倍數(shù)為6倍的直觀光學(xué)通道，可以不需要電力提供日光觀察能力。該公司發(fā)言人還稱：“另外，賽峰公司的產(chǎn)品還包括先進(jìn)的連接功能，如以太網(wǎng)接口，并且采用了圖片/視頻流技術(shù)（一邊下載一邊播放），有助于提高在戰(zhàn)場(chǎng)上的效率?！痹谶@樣的系統(tǒng)中使用的制冷式探測(cè)器有兩個(gè)主要的發(fā)展重點(diǎn)。第一是產(chǎn)生焦平面陣列，即將各個(gè)元件放置在一起，以在相同的物理包絡(luò)中提供更高的分辨率；第二是在保持分辨率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)小型化。

圖5、多傳感器系統(tǒng)包括近紅外、中紅外和可見(jiàn)光波長(zhǎng)等多個(gè)傳感器，以及激光測(cè)距儀、數(shù)字磁羅盤、傾角儀和各種連接JIM緊湊型觀測(cè)和瞄準(zhǔn)裝置的接口。

小型探測(cè)器

雖然行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是15微米左右，但法國(guó)索弗拉迪公司現(xiàn)在提供的Dphnis-HD MW探測(cè)器的像素間距為10微米。該公司聲稱，Dphnis-HD MW型探測(cè)器比同類的10微米探測(cè)器有更好的性能，同時(shí)比前一代紅外探測(cè)器的探測(cè)、識(shí)別和鑒定（Detection,Recognition and Identification，DRI）范圍提高了55％?，F(xiàn)在該設(shè)備面臨兩大挑戰(zhàn)：第一，這些像素?cái)?shù)仍然低于與可見(jiàn)光譜檢測(cè)器相關(guān)的像素?cái)?shù)，部分原因是由于熱敏紅外敏感材料制造技術(shù)的局限性。法國(guó)索弗拉迪公司營(yíng)銷副總裁克萊爾·瓦倫?。–laire Valentin）向作者解釋稱：“在可見(jiàn)光波段，波長(zhǎng)大約在0.4～0.9微米之間，在紅外波段，波長(zhǎng)大約在3～5微米，以及8～12微米。“如果你的波長(zhǎng)在8～12微米之間，我們假設(shè)最低音高確保你不會(huì)有太多的干擾，你的波長(zhǎng)需要在10～15微米的范圍內(nèi)?！?/span>

第二個(gè)挑戰(zhàn)是開(kāi)發(fā)在較高溫度下工作而不影響靈敏度的探測(cè)器，應(yīng)對(duì)方式是采用使用壽命更長(zhǎng)的斯特林循環(huán)散熱器，從而確保該設(shè)備的使用壽命更長(zhǎng)，或者更小，更輕。她說(shuō)：“我們這一代的設(shè)備工作溫度是開(kāi)氏110度，我們目標(biāo)是將其提高至開(kāi)氏140度或者開(kāi)氏150度。同時(shí)減小更小型產(chǎn)品的散熱器尺寸，這對(duì)于便攜式系統(tǒng)非常有用。”

圖6、法國(guó)索弗拉迪公司的Dphnis-HD MW高分辨率制冷式熱成像攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)了10微米像素間距探測(cè)，并且能夠使用更小的冷卻器在開(kāi)氏120度環(huán)境下運(yùn)行。

打破現(xiàn)有規(guī)則

展望未來(lái)，衍射極限可能不是發(fā)展的終點(diǎn)，超越它是美國(guó)國(guó)防部先進(jìn)研究計(jì)劃局最終計(jì)劃的目標(biāo)。美國(guó)國(guó)防先進(jìn)研究計(jì)劃局正在要求工業(yè)界，開(kāi)發(fā)工程材料（ENMATS）的新興技術(shù)，從其結(jié)構(gòu)中獲取其光學(xué)特性，從而“擺脫傳統(tǒng)的‘規(guī)則’和人為制約現(xiàn)代光學(xué)的‘規(guī)律’”。任何一名步兵都很容易認(rèn)識(shí)到這種技術(shù)的重要性，它可能導(dǎo)致實(shí)際的夜視鏡比普通的太陽(yáng)鏡只是稍厚一點(diǎn)（傳統(tǒng)的夜視鏡外形看起來(lái)像一個(gè)雙筒望遠(yuǎn)鏡）。這項(xiàng)技術(shù)由澳大利亞國(guó)立大學(xué)（NDU）教授德拉戈米爾·內(nèi)舍夫(Dragomir Neshev）領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)，并利用稱為“二次諧波發(fā)生”的現(xiàn)象將紅外波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)波長(zhǎng)。使用次諧波振蕩的介電質(zhì)鋁砷化鎵納米天線，使控制非線性光的方向和偏振成為現(xiàn)實(shí)。通過(guò)將高品質(zhì)鋁砷化鎵納米材料生產(chǎn)的特殊III-V族半導(dǎo)體嵌入低折射率透明材料，使同時(shí)向前和向后非線性發(fā)射電腦為可能。入射的紅外光與強(qiáng)烈的激光“泵浦”光束混合，產(chǎn)生一個(gè)新的可見(jiàn)光圖像。轉(zhuǎn)換直接發(fā)生，沒(méi)有中間電子的階段，但需要電池。內(nèi)舍夫教授說(shuō)“這是為了將紅外光轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光所需的激光二極管供電。一個(gè)1瓦的激光二極管，類似于一個(gè)明亮的電池供電的手電筒，足以運(yùn)行數(shù)小時(shí)。”他補(bǔ)充說(shuō)，五年內(nèi)可以制造出實(shí)用的軍事裝備?？傊?，夜視技術(shù)，尤其是步兵系統(tǒng)可能正處于革命的風(fēng)口浪尖。