熱成像儀，黑夜中的“火眼金睛”

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導(dǎo)語(yǔ)：在“偵察-打擊”的殺傷鏈中，傳感器夜視技術(shù)的應(yīng)用能夠極大提升全天候戰(zhàn)場(chǎng)的態(tài)勢(shì)感知能力，創(chuàng)造戰(zhàn)術(shù)優(yōu)勢(shì)，微光增強(qiáng)和熱成像儀哪個(gè)才是夜戰(zhàn)中“火眼金睛”？曾經(jīng)僅用于軍事等高端應(yīng)用的熱成像技術(shù)為什么能大量涌入民用市場(chǎng)？

一、夜戰(zhàn)的“第三只眼”

從古至今，戰(zhàn)斗經(jīng)常在夜間打響。利用微光增強(qiáng)和紅外熱成像等夜視技術(shù)，作戰(zhàn)部隊(duì)能夠突破夜幕的障礙、獲得夜戰(zhàn)的自由。士兵、坦克、艦船、飛機(jī)等裝備安裝夜視器材后，大大延長(zhǎng)有效的作戰(zhàn)時(shí)間。

夜視儀下的地面裝甲車輛

1）微光增強(qiáng)放大

微光夜視儀因?yàn)樵砗?jiǎn)單圖像質(zhì)量較好和造價(jià)低廉，成為至今各國(guó)軍隊(duì)?wèi)?yīng)用最廣泛的夜視儀類型。基本都是建立在第三、四代管微光夜視技術(shù)的基礎(chǔ)上的，如采用3代無(wú)膜白磷增強(qiáng)管的美軍特種部隊(duì)主流夜視儀AN/PVS-31、GPNVG-18；裝備法國(guó)、德國(guó)等歐洲軍隊(duì)的LUCIE夜視儀等都屬于微光夜視儀。

微光夜視儀結(jié)構(gòu)原理示意圖

微光夜視儀又被稱為像增強(qiáng)技術(shù)，其實(shí)就是將微小的光源電子信號(hào)增強(qiáng)放大，讓其可見(jiàn)。可以在極低亮度的環(huán)境下，利用圖像增強(qiáng)器將月光、星光等微弱光線或者發(fā)射紅外探測(cè)光照射物體，物體反射的光通過(guò)像增強(qiáng)器放大后轉(zhuǎn)變成人眼可清晰觀察的圖像，從而實(shí)現(xiàn)在夜間對(duì)目標(biāo)進(jìn)行觀察。所以圖像增像管是微光夜視儀的關(guān)鍵器件，它的好壞直接決定夜視儀的效果。

微光夜視儀下的美軍士兵

微光夜視儀固然好用，但在陰天和漆黑無(wú)光或煙霧條件下使用效果就不太好了，這時(shí)候更高端的紅外熱成像夜視儀就派上用場(chǎng)了。

2）無(wú)處不在紅外熱輻射

光是一種電磁波，我們?nèi)庋壑荒芸吹诫姶挪ㄖ?00-600nm之間所展現(xiàn)的世界，人類缺乏視覺(jué)感知溫度的視覺(jué)能力，760-1000nm之間波長(zhǎng)比的非可見(jiàn)光，被稱為紅外線(IR)。我們生活中無(wú)論是生物還是機(jī)械，即便是冰，都會(huì)散發(fā)出熱能，而且熱輻射的波長(zhǎng)是在紅外波段。

電磁波頻譜

與照相機(jī)成像可見(jiàn)光類似，熱成像儀是將紅外線成像的裝置，通過(guò)被動(dòng)接收來(lái)自目標(biāo)的輻射，不主動(dòng)發(fā)出信號(hào)。根據(jù)不同物體輻射出的紅外線強(qiáng)度不同，首先利用熱成像儀獲取目標(biāo)的熱輻射信息，并根據(jù)目標(biāo)物體與背景物體輻射的紅外線差異識(shí)別目標(biāo)物體。

熱成像儀的基本原理與照相機(jī)類似

熱成像真正的優(yōu)勢(shì)在于目標(biāo)觀測(cè)和識(shí)別，只要目標(biāo)的表面發(fā)射率和背景有一定差別，或是自己有溫度，熱成像就可以輕松通過(guò)溫差分辨出目標(biāo)，比如在樹(shù)林中熱成像雖然只能看到糊成一團(tuán)的樹(shù)冠，但可以非常輕松的看到一百多米范圍內(nèi)的所有動(dòng)物，就算是它們被草或其他東西遮住，只要露出一點(diǎn)影子都能讓使用者發(fā)現(xiàn)，紅外和微光就很難做到。

熱像儀視角下的士兵

3）超強(qiáng)CP-復(fù)合夜視方案

當(dāng)然，熱成像儀也不是萬(wàn)能的，由于靠溫差成像，圖像對(duì)比度低，而且不能透過(guò)玻璃等障礙物看清楚目標(biāo)。

熱成像比紅外微光也有自己的劣勢(shì)。熱成像依靠目標(biāo)的表面溫度分辨目標(biāo)，而表面溫度受物體表面材質(zhì)影響發(fā)射率差異很大，如果有大量表面溫度相差很小的物體堆積在畫(huà)面中，熱成像難以分辨，就會(huì)導(dǎo)致畫(huà)面糊成一團(tuán)。比如地面草地樹(shù)冠等，熱成像通常很難分辨這些景物的細(xì)節(jié)，如果只依賴熱成像在夜間行動(dòng)，在崎嶇不平的地面，就很容易被帶坑里。

增強(qiáng)型夜視鏡的融合輪廓成像效果

于是整合微光夜視鏡和紅外熱成像的復(fù)合夜視儀登場(chǎng)啦，以美國(guó)第四代AN/PVS-21雙目夜視儀為例，其雙鏡頭使其有兩個(gè)光通道，可將目標(biāo)的紅外成像與微光成像經(jīng)處理后疊加，即使在完全無(wú)光的環(huán)境下，也能穿過(guò)偽裝物看到敵方發(fā)出的熱源紅外圖像。

二、熱成像蘊(yùn)藏的“軍民融合”戰(zhàn)略

與國(guó)外相比，我國(guó)的夜視儀技術(shù)起步相對(duì)較晚，盡管中美的微光夜視儀技術(shù)相差約20年，但我國(guó)對(duì)夜視技術(shù)研究工作從沒(méi)放棄追趕的腳步。紅外熱成像是高端制造產(chǎn)業(yè)里極少數(shù)可以在國(guó)內(nèi)形成全產(chǎn)業(yè)鏈應(yīng)用的行業(yè)之一。

紅外熱成像探測(cè)器是紅外熱成像儀的核心，亦成為這場(chǎng)紅外熱成像技術(shù)翻身仗勝利的關(guān)鍵所在。

國(guó)產(chǎn)四目夜視儀

1）中國(guó)紅外熱成像的“翻身仗”

紅外熱成像探測(cè)器直接決定了設(shè)備最終成像的分辨率和靈敏度，它能夠幫助設(shè)備收集紅外線的溫度數(shù)據(jù)和熱分布信息，并通過(guò)其余零部件進(jìn)行成像以檢測(cè)物體溫度。

上世紀(jì)90年代，我國(guó)在紅外技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用的是一種比較低端的熱釋電紅外探測(cè)器，其余所有紅外熱成像設(shè)備全部依賴進(jìn)口。

2008年前后，我國(guó)科研院所和軍工企業(yè)開(kāi)始發(fā)力紅外熱成像的研發(fā)之路。“從上游紅外熱成像探測(cè)器到中游芯片和機(jī)芯，再到紅外熱成像儀整機(jī)，逐步擺脫了重要部件需要自美、德、法、日進(jìn)口和技術(shù)封鎖的窘境，也形成了高德紅外、大立科技、睿創(chuàng)微納等民營(yíng)企業(yè)自主可控的產(chǎn)業(yè)鏈。

國(guó)產(chǎn)8μm紅外熱成像探測(cè)器芯片

紅外熱成像儀又可分為制冷型和非制冷型。目前我國(guó)的非制冷型探測(cè)器已基本實(shí)現(xiàn)進(jìn)口的國(guó)產(chǎn)化替代，制冷型目前仍與國(guó)外頂尖企業(yè)仍存在一定的差距。

制冷型紅外熱像儀需要超低溫環(huán)境下工作，具有靈敏度高和作用距離遠(yuǎn)、隱蔽性好、抗干擾性強(qiáng)和目標(biāo)識(shí)別能力強(qiáng)等特點(diǎn)，通常應(yīng)用在航天、船艦、導(dǎo)彈、科研等高端軍工領(lǐng)域，國(guó)外已經(jīng)能研發(fā)出能夠迅速地將探測(cè)器表面溫度降到零下200℃的極小壓縮機(jī)，工藝技術(shù)和制造成本也非常高。

非制冷型紅外熱像儀可以在常溫下工作，雖然靈敏度和觀測(cè)距離較短，但在成本、功耗、重量和壽命等方面具有優(yōu)勢(shì)，工藝技術(shù)門(mén)檻相對(duì)更低，能夠應(yīng)用在常規(guī)軍用領(lǐng)域，在民用市場(chǎng)亦十分具有發(fā)展?jié)摿Α?/p>

國(guó)產(chǎn)的手持式熱像儀

2）紅外熱成像在民用的延伸

近年來(lái)，紅外熱像儀作為我國(guó)新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)的重點(diǎn)布局領(lǐng)域，已經(jīng)從軍用領(lǐng)域轉(zhuǎn)向民用領(lǐng)域，2021年我國(guó)紅外熱像儀軍用市場(chǎng)的市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到389.93億元，民用市場(chǎng)的市場(chǎng)規(guī)模為365.41億元。未來(lái)隨著光學(xué)、算法、圖像處理等領(lǐng)域的持續(xù)積累與進(jìn)步，產(chǎn)品應(yīng)用也將逐步趨向于高端化發(fā)展。

目前在工業(yè)生產(chǎn)、食品安全檢測(cè)、安保監(jiān)控、預(yù)防檢測(cè)、消防、交通監(jiān)控、輔助駕駛、民用夜視等領(lǐng)域都得到了實(shí)際應(yīng)用，未來(lái)隨著紅外熱成像技術(shù)、“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)、小型化設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，紅外熱成像儀的功能將進(jìn)一步擴(kuò)展。

熱成像儀的民用技術(shù)

三、驅(qū)動(dòng)未來(lái)的全天候自動(dòng)駕駛

作為下一階段的技術(shù)制高點(diǎn)，熱成像儀對(duì)于未來(lái)自動(dòng)駕駛的發(fā)展也將起到重要驅(qū)動(dòng)作用，眾多公司都試圖通過(guò)探索不同的方案獲得真正意義上的自動(dòng)駕駛技術(shù)，重新定義汽車。

汽車紅外夜視攝像頭可以幫助駕駛員感知道路環(huán)境

現(xiàn)階段的自動(dòng)駕駛技術(shù)以激光雷達(dá)和視覺(jué)傳感器的感知方案占據(jù)主流，基本思路是利用不同的傳感器互相之間“補(bǔ)盲”獲得更好的整體效果。然而在夜晚或極端天氣條件下，這兩種傳感器都存在一定的物理局限性，間接導(dǎo)致了自動(dòng)駕駛技術(shù)無(wú)法在相應(yīng)場(chǎng)景下使用。

廣義上的完全自動(dòng)駕駛需要具備全天候的駕駛能力——也就意味著車輛需要具備超出人類的態(tài)勢(shì)感知能力，離不開(kāi)熱成像儀這一模態(tài)在各類場(chǎng)景下輸入的信息。

熱成像圖被認(rèn)為包含更多物體的紋理信息

部分主流的自動(dòng)駕駛研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)確認(rèn)，由于引入了物體的熱輻射信息，安裝于汽車上的熱成像系統(tǒng)能夠檢測(cè)到視覺(jué)傳感器、激光雷達(dá)所不能識(shí)別的物體，并能高效穩(wěn)定地識(shí)別行人和車輛等對(duì)象，更好地與雷達(dá)模態(tài)融合。

本質(zhì)上它舍棄了對(duì)自動(dòng)駕駛作用不大的物體色彩信息，而專注于物體的紋理信息。引入熱成像模態(tài)能夠從根本上提升系統(tǒng)在夜間和雨霧天情況下的探測(cè)能力，并給予系統(tǒng)更多的信息量冗余，減少事故發(fā)生。

結(jié)語(yǔ)：
從軍用到民用，從導(dǎo)彈到安防，我國(guó)紅外熱成像技術(shù)的布局應(yīng)用正不斷延展，隨著AI、物聯(lián)網(wǎng)、5G和汽車電子等新技術(shù)的發(fā)展，紅外熱成像能挖掘出更多的可能性，國(guó)產(chǎn)夜視技術(shù)亦有無(wú)限的潛力和想象空間。

參考文獻(xiàn)：

1. 中科院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所.紅外夜視儀:深夜中的“火眼金睛”. 2021.9

2. 新華網(wǎng). 紅外熱成像儀的原理是什么.2021.11

3. 解放軍報(bào). 夜戰(zhàn)方式正發(fā)生悄然變革，未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)如何“以夜制勝”？2022.6

4. 艾邦智造. 自動(dòng)駕駛“加速”，車載紅外熱像儀在多傳感器融合中的應(yīng)用.2022.8

5. 戰(zhàn)略前沿技術(shù). “是與非”：外國(guó)眼中的中國(guó)軍民融合.2021.6