熱成像儀，黑夜中的“火眼金睛”

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導(dǎo)語：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)場的態(tài)勢感知能力，創(chuàng)造戰(zhàn)術(shù)優(yōu)勢，微光增強和熱成像儀哪個才是夜戰(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？

一、夜戰(zhàn)的“第三只眼”

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

夜視儀下的地面裝甲車輛

1）微光增強放大

微光夜視儀因為原理簡單圖像質(zhì)量較好和造價低廉，成為至今各國軍隊應(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代無膜白磷增強管的美軍特種部隊主流夜視儀AN/PVS-31、GPNVG-18；裝備法國、德國等歐洲軍隊的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技術(shù)，其實就是將微小的光源電子信號增強放大，讓其可見。可以在極低亮度的環(huán)境下，利用圖像增強器將月光、星光等微弱光線或者發(fā)射紅外探測光照射物體，物體反射的光通過像增強器放大后轉(zhuǎn)變成人眼可清晰觀察的圖像，從而實現(xiàn)在夜間對目標進行觀察。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，但在陰天和漆黑無光或煙霧條件下使用效果就不太好了，這時候更高端的紅外熱成像夜視儀就派上用場了。

2）無處不在紅外熱輻射

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，人類缺乏視覺感知溫度的視覺能力，760-1000nm之間波長比的非可見光，被稱為紅外線(IR)。我們生活中無論是生物還是機械，即便是冰，都會散發(fā)出熱能，而且熱輻射的波長是在紅外波段。

電磁波頻譜

與照相機成像可見光類似，熱成像儀是將紅外線成像的裝置，通過被動接收來自目標的輻射，不主動發(fā)出信號。根據(jù)不同物體輻射出的紅外線強度不同，首先利用熱成像儀獲取目標的熱輻射信息，并根據(jù)目標物體與背景物體輻射的紅外線差異識別目標物體。

熱成像儀的基本原理與照相機類似

熱成像真正的優(yōu)勢在于目標觀測和識別，只要目標的表面發(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溫差分辨出目標，比如在樹林中熱成像雖然只能看到糊成一團的樹冠，但可以非常輕松的看到一百多米范圍內(nèi)的所有動物，就算是它們被草或其他東西遮住，只要露出一點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CP-復(fù)合夜視方案

當(dāng)然，熱成像儀也不是萬能的，由于靠溫差成像，圖像對比度低，而且不能透過玻璃等障礙物看清楚目標。

熱成像比紅外微光也有自己的劣勢。熱成像依靠目標的表面溫度分辨目標，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面中，熱成像難以分辨，就會導(dǎo)致畫面糊成一團。比如地面草地樹冠等，熱成像通常很難分辨這些景物的細節(jié)，如果只依賴熱成像在夜間行動，在崎嶇不平的地面，就很容易被帶坑里。

增強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)合夜視儀登場啦，以美國第四代AN/PVS-21雙目夜視儀為例，其雙鏡頭使其有兩個光通道，可將目標的紅外成像與微光成像經(jīng)處理后疊加，即使在完全無光的環(huán)境下，也能穿過偽裝物看到敵方發(fā)出的熱源紅外圖像。

二、熱成像蘊藏的“軍民融合”戰(zhàn)略

與國外相比，我國的夜視儀技術(shù)起步相對較晚，盡管中美的微光夜視儀技術(shù)相差約20年，但我國對夜視技術(shù)研究工作從沒放棄追趕的腳步。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。

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

國產(chǎn)四目夜視儀

1）中國紅外熱成像的“翻身仗”

紅外熱成像探測器直接決定了設(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，并通過其余零部件進行成像以檢測物體溫度。

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

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

國產(chǎn)8μm紅外熱成像探測器芯片

紅外熱成像儀又可分為制冷型和非制冷型。目前我國的非制冷型探測器已基本實現(xiàn)進口的國產(chǎn)化替代，制冷型目前仍與國外頂尖企業(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、隱蔽性好、抗干擾性強和目標識別能力強等特點，通常應(yīng)用在航天、船艦、導(dǎo)彈、科研等高端軍工領(lǐng)域，國外已經(jīng)能研發(fā)出能夠迅速地將探測器表面溫度降到零下200℃的極小壓縮機，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，雖然靈敏度和觀測距離較短，但在成本、功耗、重量和壽命等方面具有優(yōu)勢，工藝技術(shù)門檻相對更低，能夠應(yīng)用在常規(guī)軍用領(lǐng)域，在民用市場亦十分具有發(fā)展?jié)摿Α?/p>

國產(chǎn)的手持式熱像儀

2）紅外熱成像在民用的延伸

近年來，紅外熱像儀作為我國新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)的重點布局領(lǐng)域，已經(jīng)從軍用領(lǐng)域轉(zhuǎn)向民用領(lǐng)域，2021年我國紅外熱像儀軍用市場的市場規(guī)模達到389.93億元，民用市場的市場規(guī)模為365.41億元。未來隨著光學(xué)、算法、圖像處理等領(lǐng)域的持續(xù)積累與進步，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、安保監(jiān)控、預(yù)防檢測、消防、交通監(jiān)控、輔助駕駛、民用夜視等領(lǐng)域都得到了實際應(yīng)用，未來隨著紅外熱成像技術(shù)、“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)、小型化設(shè)計技術(shù)的進一步發(fā)展，紅外熱成像儀的功能將進一步擴展。

熱成像儀的民用技術(shù)

三、驅(qū)動未來的全天候自動駕駛

作為下一階段的技術(shù)制高點，熱成像儀對于未來自動駕駛的發(fā)展也將起到重要驅(qū)動作用，眾多公司都試圖通過探索不同的方案獲得真正意義上的自動駕駛技術(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)階段的自動駕駛技術(shù)以激光雷達和視覺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)致了自動駕駛技術(shù)無法在相應(yīng)場景下使用。

廣義上的完全自動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)勢感知能力，離不開熱成像儀這一模態(tài)在各類場景下輸入的信息。

熱成像圖被認為包含更多物體的紋理信息

部分主流的自動駕駛研究機構(gòu)已經(jīng)確認，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)能夠檢測到視覺傳感器、激光雷達所不能識別的物體，并能高效穩(wěn)定地識別行人和車輛等對象，更好地與雷達模態(tài)融合。

本質(zhì)上它舍棄了對自動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：
從軍用到民用，從導(dǎo)彈到安防，我國紅外熱成像技術(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，國產(chǎn)夜視技術(shù)亦有無限的潛力和想象空間。

參考文獻：

1. 中科院西安光學(xué)精密機械研究所.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. 夜戰(zhàn)方式正發(fā)生悄然變革，未來戰(zhàn)場如何“以夜制勝”？2022.6

4. 艾邦智造. 自動駕駛“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”：外國眼中的中國軍民融合.2021.6