形形色色的輕武器瞄準裝置

熱成像技術是20世紀中葉發展起來的一項新技術。它能夠將不可見的熱輻射圖像轉變為人眼可以看見的可見光圖像，在新的領域開拓了人的視覺能力，在國民經濟和軍事領域有廣泛的用途。

20世紀70年代初，在成功地研制出便攜式手持熱成像觀察儀之后，美國即開始研制用于步槍等輕武器的熱成像瞄準鏡。70年代末研制出可用于M16步槍的熱成像瞄準鏡樣機。至90年代，以美國為首的西方發達國家將夜視技術的發展重點轉向熱成像技術，新研制的熱成像瞄準鏡性能大大提高，而成本則逐漸下降。熱成像瞄準鏡成為步兵裝備的熱門產品。

那么，熱成像瞄準鏡是怎樣工作的?它有什么優點呢?

萬物都是輻射源

熱成像瞄準鏡是依靠熱輻射工作的。熱是構成物體的大量粒子(分子、原子、亞原子粒子等)微觀無規則運動的宏觀表現。粒子無規則運動越劇烈，粒子所含平均動能就越大，物體的溫度就越高。物理學研究證明，就像無線電臺的天線中有電流通過會發出電磁波一樣，物體中大量粒子晝夜不停地運動也會發出電磁波，不過其波長大都在紅外波段，因此熱輻射又稱“紅外輻射”。

物體不管其溫度高低，粒子的運動是不會停止的，即使是零度以下的冰雪也是這樣。溫度降到零下，水失去了流動性，凝固成冰，結冰后水分子不能隨意移動位置，但微觀上水分子并未停止運動，冰塊中的分子在平衡位置附近無規則振動，而只要分子在運動，必然發出熱輻射。甚至絕對零度(—273℃)的物體，也有熱輻射。

物體在發出熱輻射的同時，也在吸收和反射太陽、大氣及其他物體的熱輻射，不斷進行能量的交換。物體的溫度隨熱輻射的“收支”而改變，“收支”平衡則溫度保持不變，“收支”不平衡，則溫度會隨之起伏。

物體熱輻射能量的大小與物體的溫度有關。溫度越高，構成物質的分子、原子的振動和扭動就越激烈，所產生的電磁輻射幅度就越大，因此溫度高的物體發出的熱輻射較強，溫度低的物體發出的熱輻射較弱。地表各物體由于內部熱能供應情況不同，其溫度并不都相同，因此發出的熱輻射的強弱是不一樣的。

物體熱輻射能量的大小除了與溫度有關外，還與物體的材料和表面狀態有關。吸收熱輻射能力強的材料，發出熱輻射的能力也強一些，例如黑色油漆是良吸收體，也是良輻射體。有的材料只對某些波段的熱輻射有較強的吸收和輻射能力，而在其他波段則吸收和輻射能力很小。表面粗糙的物體吸熱性好一些，而表面光滑的物體吸熱性差一些，因此表面粗糙的物體發出熱輻射能力要強一些。

物體熱輻射的波長也與物體的溫度有關。物體的溫度越高，短波熱輻射所占比例越大，即熱輻射峰值波長越短。例如地面物體的溫度約為2TC，熱輻射的峰值波長約10Nm，白熾燈鎢絲溫度約為2500~C，熱輻射的峰值波長大約為1．3 L1m，其輻射能量大部分是波長大于1 ilm的紅外電磁波，波長較短的可見光的能量占15％左右。

萬物都是輻射源，而且物體的熱輻射能力存在差異，為熱探測儀探測和識別物體提供了客觀的條件。

熱輻射探測器

根據物體熱輻射的特性，可以了解物體的某些性能，如測定物體的溫度等。根據物體間熱輻射的差異，還可以將物體區分開，達到發現和識別物體的目的。

但是用什么來探測物體的熱輻射呢?

早期的熱探測器

人的感“熱”細胞幾乎遍布全身，但不能細致地感知物體溫度分布。18世紀時，科學家就利用加有染料的薄膜受熱變色的原理，發明了用薄膜探測熱輻射強度的方法。20世紀30年代高萊和查爾發明了氣動探測器，利用氣體吸收紅外輻射后體積增大引起氣壓升高的原理，測量氣壓的變化，從而間接測出輻射的強弱。20世紀30年代曾經發明出利用薄膜受熱變色原理給熱輻射體“拍照”的儀器，用于探測物體各局部區域的溫度。

紅外感光膠片是另一種紅外輻射探測器材。近紅外照相曾是第一次世界大戰和第二次世界大戰中最受重視的偵察手段之一。20世紀40年代研制的紅外相機，用凸輪驅動式反射鏡對目標掃描，用照相膠片記錄目標的熱圖像，溫度分辨能力可達0．1℃，但需要3～6分鐘才能記錄一個目標，還要用加倍的時間沖洗顯影。彩色紅外膠片一般由3層感光乳膠構成，分別對紅外光、紅光和綠光敏感，所以洗印出來的是顏色反常的照片。

熱成像探測器

熱輻射探測器多種多樣，用途各有不同。可以實時顯示目標圖像的熱成像探測器，是在20世紀中葉根據光電轉換的原理研制出來的，主要有光電導型光子探測器、光伏型光子探測器和熱釋電型熱探測器。

光電導型探測器

在接收熱輻射之后，由于內部導電電子數量增多，材料的電阻率變小，由電阻率的變化即可探測到熱輻射的強度。這類探測器．又名光敏電阻。例如用硫化鉛(PbS)制作的探測器就是光電導型探測器。這種探測器對波長為1．2—2．9腥m的熱輻射敏感，1952年美國陸軍用這種探測器制成了第一臺熱像記錄儀。

光伏型探測器

在接收熱輻射之后，半導體中的電子和空穴分開，在P—N極的兩側產生電壓、根據所產生電壓的大小即可測定熱輻射的強弱。

有的材料既能夠以光電導的方式工作，又能以光伏方式工作。例如用銻化銦(1nSb)制作的探測器，既有光電導型的，又有光伏型的。光伏型銻化銦探測器對2．0～6．4煌m的熱輻射敏感，光電導型銻化銦探測器對3．0—6．4 L1m熱輻射敏感。20世紀50年代末瑞典AGA公司用銻化銦制作的探測器研制成功實時紅外掃描儀，可在電視屏上實時顯示溫差0．2℃的低速運動目標的熱像。

用碲鎘汞(HgTeCd)晶體制成的探測器，也能以光電導和光伏兩種方式工作。光電導型碲鎘汞對波長為9～13llm的熱輻射敏感，光伏型碲鎘汞對9～13um牙口1．0～5．5腥m熱輻射敏感，碲鎘汞探測器工作波段較寬，探測反應時間極短(響應時間只有3x 10—’s)，靈敏度很高，工作溫度相對較高，是性能非常優秀的熱探測器，得到廣泛應用。

碲鎘汞探測器的制備是一項非常精細而困難的工作，需要極其昂貴的設備、超凈的廠房，要實施復雜而獨特的工藝。

熱釋電型探測器

不同于前面所說的光電導型和光伏型探測器，這種探測器的材料通常為硫酸三甘酞(縮寫為TGS)、氘化硫酸三甘酞(縮寫為DTGS)等鐵電材料。這些材料近于絕緣體，外加電壓時不導電，但其上、下表面將產生符號相反的電荷，這種現象被稱為“極化”。當紅外輻射照射鐵電薄片時，鐵電材料升溫，導致表面電荷減少，這就相當于“釋放”了一部分電荷，電荷的變化量與熱輻射的變化量有對應關系。受一定強度的熱輻射照射，鐵電材料的溫度升高到穩定值時，表面電荷不再變化，就不再輸出信號。為了探測熱輻射強度相對穩定的目標，可以人為地周期性改變照射到探測器上的輻射量，例如在入射光路上加一個遮光調制器，可以使這種探測器不斷輸出電荷變化量的信號。根據這種人為產生的熱輻射變化量的大小，可以探測出該輻射體熱輻射的強弱。

熱釋電探測器一般對各種波長的熱輻射響應比較平均，即工作波段較寬，而且工作溫度高，但它的探測反應相對較慢，探測靈敏程度相對差一些。目前已經研制出可以在常溫下工作的高性能的探測器和熱釋電電視攝像管。

(待續)

(編輯／王曉濤)