激光對抗微光夜視儀研究綜述

戴顏斌 DAI Yan-bin；張宇航 ZHANG Yu-hang

（陸軍裝甲兵學(xué)院兵器與控制系，北京100072）

0 引言

微光夜視儀是利用月光、星光等自然光照明景物，將目標(biāo)反射的微弱光子收集并放大，最終產(chǎn)生人眼可觀察圖像的儀器。微光夜視儀的光學(xué)結(jié)構(gòu)包含物鏡系統(tǒng)、像增強(qiáng)器和目鏡系統(tǒng)，其中像增強(qiáng)器是最核心的部件。微光夜視儀隨著像增強(qiáng)器技術(shù)的發(fā)展，可以分為四代產(chǎn)品，分別是單管像增強(qiáng)器的第零代、采用級聯(lián)技術(shù)像增強(qiáng)器的第一代、加入微通道板（MCP）結(jié)構(gòu)的第二代和采用負(fù)電子親和勢光電陰極的第三代。曾經(jīng)有將無膜MCP 稱作第四代像增強(qiáng)器的說法，但是因?yàn)樵撓裨鰪?qiáng)器過于脆弱無法投入實(shí)用，美國夜視和電子傳感器委員會（NVESD）于2002 年取消了這個說法，公認(rèn)的像增強(qiáng)器仍只發(fā)展到第三代[1]。

從20 世紀(jì)60 年代以來，微光夜視儀就在軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等各個領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用，尤其是軍事上的作用極為顯著。擁有夜視儀的軍隊(duì)可以在夜間發(fā)起進(jìn)攻，在弱光情況下精確打擊；若是戰(zhàn)斗雙方夜間視力不對等，優(yōu)勢方更容易壓制戰(zhàn)場。因此，一方面各國都在加緊研制成像更加清晰、探測距離更遠(yuǎn)的微光夜視儀，另一方面如何對抗敵方的夜視系統(tǒng)，使其致盲、損毀，也是重要的課題。

激光干擾手段因?yàn)榉磻?yīng)速度快、能量集中、效費(fèi)比高等優(yōu)勢，在戰(zhàn)場上得到了大量的應(yīng)用。用激光束直接照射微光夜視儀的光學(xué)窗口，在入射能量較低時可以造成夜視儀的致盲，干擾敵方觀察；能量高時可以直接損毀設(shè)備，使敵方單位失去夜視能力。因此，使用激光對抗夜視儀是一種可行且高效的方法，研究激光對抗夜視儀的原理、激光干擾夜視儀效果的評估，以及夜視儀防范激光干擾的方法，是促進(jìn)微光夜視儀進(jìn)一步改進(jìn)、提高我國軍隊(duì)的夜間作戰(zhàn)能力的有效方法。

1 微光夜視儀工作原理

本文討論的微光夜視儀指利用像增強(qiáng)器放大圖像信息的夜視設(shè)備，如夜視單筒望遠(yuǎn)鏡、夜視雙筒望遠(yuǎn)鏡、夜視瞄準(zhǔn)鏡等。其結(jié)構(gòu)和工作原理是相同的。以第二代微光夜視系統(tǒng)為例，一般結(jié)構(gòu)包含：物鏡系統(tǒng)、像管（內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括光電陰極、電子光學(xué)系統(tǒng)、微通道板、光纖面板、顯示屏、電源和控制電極）、目鏡系統(tǒng)等（圖1）。

圖1 微光夜視儀結(jié)構(gòu)簡圖

夜視儀工作時，微弱的目標(biāo)輻射進(jìn)入物鏡系統(tǒng)，成像在像管的光陰極上。入射光子引發(fā)外光電效應(yīng)，使光陰極輻射出電子，產(chǎn)生二維電子圖像。電子光學(xué)系統(tǒng)對光生電子進(jìn)行加速和聚焦，使電子獲得能量的增強(qiáng)，進(jìn)入MCP。電子撞擊MCP 內(nèi)壁的二次電子發(fā)射涂料，實(shí)現(xiàn)電子數(shù)量的倍增。最后，經(jīng)過光纖面板的傳像，電子圖像轟擊在熒光屏上，熒光屏上電子和空穴經(jīng)過復(fù)合發(fā)光過程產(chǎn)生光子，得到增強(qiáng)的二維可見光圖像。該圖像從像管后端輸出，進(jìn)入目鏡系統(tǒng)，目鏡系統(tǒng)對圖像進(jìn)行大小和出瞳位置的調(diào)整，得到適合人眼觀察的目標(biāo)圖像。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外關(guān)于激光對抗夜視儀的研究集中于幾個方面：一，激光輻照對夜視儀各個部件的損傷機(jī)理研究和建模；二，強(qiáng)光干擾效果的測量、評估；三，微光夜視儀防強(qiáng)光措施的改進(jìn)。前兩個方面從不同角度得到激光對抗夜視儀的效果預(yù)期，期望為設(shè)計對抗系統(tǒng)提供技術(shù)指標(biāo)；第三個方面則著力優(yōu)化夜視儀的抗干擾性能。兩種研究相互拮抗，推進(jìn)激光對抗夜視儀技術(shù)的發(fā)展。

2.1 損傷機(jī)理

依照微光夜視儀的工作原理，激光首先經(jīng)過物鏡系統(tǒng)，再投射到像管的光陰極面，產(chǎn)生大量的電子，經(jīng)過電子透鏡和微通道板打在熒光屏上。當(dāng)入射激光波長和夜視儀的光學(xué)系統(tǒng)相匹配，大部分能量會穿過物鏡系統(tǒng)作用在像管上；若是激光波長在夜視儀工作波段外，激光對物鏡系統(tǒng)的損傷就會十分明顯。因此，激光對夜視儀的損傷機(jī)理往往從物鏡、光陰極、微通道板和熒光屏入手。這些研究往往從熱學(xué)效應(yīng)、力學(xué)效應(yīng)和電子狀況分析損傷機(jī)理，并建立估算損傷閾值的模型；另外，也有不少研究關(guān)注不同條件（如激光波長、脈沖頻率）對損傷的影響。

2.1.1 物鏡的損傷

物鏡的損傷機(jī)理基本包括：高能激光輻照在玻璃上，玻璃吸收能量造成溫升，在含有雜質(zhì)粒子或是缺陷處率先熔融，導(dǎo)致光學(xué)表面的破壞，這是熱學(xué)效應(yīng)造成的破壞；溫升后玻璃內(nèi)部產(chǎn)生了熱應(yīng)力，應(yīng)力足夠大時造成鏡面破裂或解理，是力學(xué)效應(yīng)造成的破壞。同時還要考慮激光支持爆轟波（LSDW）的影響，實(shí)際上激光對玻璃的破壞是熱力場、應(yīng)力場和沖擊波的多因素耦合作用，如何綜合各種因素，建立多物理場的耦合模型是一個難點(diǎn)。（圖2）

圖2 激光輻照材料的破壞原理

2016 年，王璽用有限元分析的方法，建立了紫外激光輻照K9 玻璃的溫度場模型，進(jìn)行了計算和仿真[2]；2017年，J.X.Cai 等結(jié)合熱傳導(dǎo)方程和彈性力學(xué)方程，建立了隨時間變化的1064nm 毫秒脈沖激光輻照熔融石英的溫度場和應(yīng)力場模型，進(jìn)行數(shù)值模擬分析，討論了不同脈寬的激光對溫度、應(yīng)力場的影響[3]；2019 年，于慧波等基于有限元法計算并模擬了等離子體沖擊波在石英玻璃內(nèi)部傳播規(guī)律，結(jié)合實(shí)驗(yàn)詳細(xì)分析了沖擊波對應(yīng)力的影響和產(chǎn)生的玻璃損傷形貌[4]。

對于損傷規(guī)律的研究，可以明確當(dāng)入射能量一定，隨著激光脈沖頻率的提高，鏡面的最高溫度和溫度梯度、應(yīng)力都將增大，離子支持沖擊波作用更明顯。2019 年吳朱杰等通過實(shí)驗(yàn)分析激光焦點(diǎn)位于玻璃前表面和后表面的不同情況，得出了激光焦點(diǎn)位置變化時的損傷規(guī)律[5]；2019年林曉初搭建了一系列測量系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)得到了飛秒脈沖激光作用玻璃的溫度、應(yīng)力和毀傷情況隨重復(fù)頻率和作用時間而變化的規(guī)律[6]。

2.1.2 光陰極的損傷

激光進(jìn)入像管時，首先作用在光電陰極上。光電陰極是利用外光電效應(yīng)將物鏡接收的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮訄D像的元件。為了能在微光條件下工作，光陰極具有較高的量子效率和光譜靈敏度，以及盡量低的噪聲電流，因此容易被強(qiáng)光干擾。第二代像管使用多堿光電陰極，第三代像管使用負(fù)電子親和勢光電陰極（例如砷化鎵材料），所以研究激光對半導(dǎo)體材料的作用效果是這個課題的切入口。激光對光陰極的損傷模型一般有三種：熱損傷模型描述半導(dǎo)體材料受熱熔融、熱應(yīng)力作用和等離子體沖擊波影響而損傷；電離損傷模型描述材料收到高頻激光照射，在高頻率、大光強(qiáng)的情況下產(chǎn)生電子雪崩而失去工作性能；強(qiáng)光飽和失效模型用以描述大光強(qiáng)的情況下光陰極達(dá)到飽和，產(chǎn)生的飽和電子不能反映探測圖像的情況[7]。即使不直接損壞光陰極，在強(qiáng)光照射下容易使陰極材料元素蒸發(fā)，造成性能永久降低。

2017 年，李柏華根據(jù)晶體塑性形變理論，建立了激光照射GaAs 材料的應(yīng)力場模型，發(fā)現(xiàn)可以將材料表面的滑移系分切應(yīng)力分為五類，其中第一類占據(jù)主導(dǎo)，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合[7]；2019 年，童靖壘等建立了包含熱熔、熱應(yīng)力和等離子體等因素的熱損傷模型，研究了532nm 激光對GaAs 光陰極的損傷情況，提出在光陰極尚未熔融時，Se 元素的脫附會導(dǎo)致光陰極形成暗斑，量子效率下降[8]。

2.1.3 微通道板的損傷

光電陰極產(chǎn)生的電子圖像經(jīng)過電子光學(xué)系統(tǒng)處理后進(jìn)入微通道板。微通道板是具有良好二次電子發(fā)射性能和一定導(dǎo)電性能的，密集排列的玻璃纖維通道的組合。兩個端面有電極，確保電子正向通過；通道和電子入射方向成7~15°的夾角，便于電子充分撞擊內(nèi)壁產(chǎn)生電子倍增，同時阻擋正電荷離子反向撞擊光電陰極。微通道板一般附有離子反饋膜，起到保護(hù)光電陰極不受正離子撞擊的作用。微通道板具有高增益、低噪聲、高分辨力的特點(diǎn)，值得關(guān)注的是它具有自飽和的特性，當(dāng)入射光強(qiáng)度超出閾值，倍增產(chǎn)生的電流達(dá)到飽和狀態(tài)不再增大，可以防止電流值過大直接損壞熒光屏和后續(xù)部件。激光作用在光陰極后產(chǎn)生的過大電流，會導(dǎo)致微通道板持續(xù)在飽和情況下工作，造成性能降低、影響壽命或產(chǎn)生損傷。

早在1993 年，L. Giudicotti 等就建立了飽和情況下微通道板輸出電流和電壓降的數(shù)學(xué)模型[9]；2011 年，他將弱輸入下MCP 增益的傳輸線模型增加適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件，用在飽和輸出情況下[10]；2018 年，謝運(yùn)濤等使用傳輸線法分析MCP 的放大過程，分析單脈沖和多脈沖情況下MCP 的放大特性，發(fā)現(xiàn)在脈沖激光照射下，后一脈沖的MCP 增益會受前一脈沖影響而降低，并且當(dāng)重復(fù)頻率達(dá)到某一較高的值時，輸出維持飽和狀態(tài)[11]；并且在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，隨入射激光增強(qiáng)，像增強(qiáng)器由點(diǎn)飽和加重到面飽和，但不會發(fā)生串?dāng)_，分析是MCP 的自飽和特性起了保護(hù)作用，分析了自飽和特性的原因是MCP 內(nèi)壁電子得不到補(bǔ)充[12]。

2.1.4 熒光屏的損傷

被電子光學(xué)系統(tǒng)加速倍增后的電子，直接匯聚或經(jīng)過光纖面板，撞擊在熒光屏上。熒光屏起到將電子圖像轉(zhuǎn)為人眼可觀察的光學(xué)圖像的作用。其結(jié)構(gòu)是包括鋁膜、熒光粉層和光纖面板的薄膜結(jié)構(gòu)。電子撞擊在熒光屏上時，使熒光粉層基質(zhì)的滿帶電子受激躍遷，產(chǎn)生的受激電子和空穴經(jīng)過短暫遷移后復(fù)合，輻射出可見光光子。當(dāng)激光照射微光夜視儀時，過高的光強(qiáng)輸入使像管產(chǎn)生大量電子，進(jìn)入過飽和狀態(tài)；當(dāng)轟擊熒光屏的電子流量大于閾值，熒光屏?xí)霈F(xiàn)點(diǎn)區(qū)域的燒毀。

2.2 干擾效果測量評估

早在上個世紀(jì)，炮口閃焰、強(qiáng)光炸彈等非相干光源對夜視儀已經(jīng)有較好的干擾效果，但由于功率低、持續(xù)時間短，只能暫時性致盲，夜視儀停止工作一段時間就能再次使用。對于干擾的效果，傳統(tǒng)的做法是基于人工觀察分辨圖像，或是簡單地把“白屏”狀態(tài)作為夜視儀受干擾的標(biāo)準(zhǔn)[13]，存在不穩(wěn)定、不能量化的缺點(diǎn)；因此評估方法有向圖像特征分析的趨勢，力求在基本符合人眼觀察實(shí)際的情況下得到量化穩(wěn)定的評估方式。具體來說，2015 年，錢方針對提取激光光斑特征、提取圖像目標(biāo)特征和多幀連續(xù)圖像等不同情況分別提出了圖像處理算法，其中基于特征點(diǎn)分布特性的全參考圖像質(zhì)量評價方法（FPSIM）和基于連續(xù)多幀圖像動態(tài)特征變化的無參考干擾評估算法（FPD）在抗干擾實(shí)驗(yàn)中較為實(shí)用[14]；2018 年，高俊光設(shè)計了一套測試強(qiáng)光干擾夜視儀的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，定義了歸一化相關(guān)函數(shù)C 表征圖像受干擾的狀況，得到了受瞬時強(qiáng)光干擾時夜視儀的圖像相干度曲線，證實(shí)該系統(tǒng)可用，下一步可用到激光光源的測試上[15]；2019 年，任立均提出了一種基于卷積特征相似度的激光干擾圖像質(zhì)量評價算法（CNNSIM），算法綜合考慮了激光干擾圖像相對于參考圖像的顏色、邊緣、紋理、有區(qū)別性的特征和具有辨別性關(guān)鍵特征的變化[16]。

2.3 防強(qiáng)光措施改進(jìn)

微光夜視儀的強(qiáng)光防護(hù)基本思路是保護(hù)像增強(qiáng)器不承受過大的電流。常見的強(qiáng)光防護(hù)手段是在夜視儀上配置自動亮度控制（Auto-Brightness control，ABC）電路和自動快門（Auto-gating）電路。

配置自動亮度控制電路的目的是擴(kuò)展夜視儀工作環(huán)境照度的范圍，使夜視儀在環(huán)境光照略大于弱光條件時也能得到清晰可辨的圖像。由于像增強(qiáng)器的亮度增益正比于像增強(qiáng)器對電子的能量增益，當(dāng)入射光光強(qiáng)過大，陰極產(chǎn)生過多電子，經(jīng)過加速和倍增撞擊到熒光屏上，造成熒光屏飽和；因此加入一個負(fù)反饋電路，當(dāng)熒光屏電流過大時，降低像管的電壓，減少像管增益，進(jìn)而降低了撞擊熒光屏的電子能量，使熒光屏維持一個合適的亮度，使夜視儀正常工作。

ABC 電路可以擴(kuò)展夜視儀工作的環(huán)境照度范圍，但對于光強(qiáng)過大或持續(xù)存在的強(qiáng)光源，其防護(hù)作用就有限了。此時自動快門電路就起到了作用。自動快門電路，也叫做自動門控電源保護(hù)電路，將像管的傳統(tǒng)直流電源替換為高頻脈沖電源，并使用脈沖寬度調(diào)制（PWM）來控制像管電壓。自動快門電路常用的電源選通方案有三種：陰極選通，微通道板選通和熒光屏選通，其中陰極選通由于所需電壓值較小，最為實(shí)用。該電路同樣采用負(fù)反饋方式，當(dāng)環(huán)境照度過高引起陰極電流過大，控制電源脈沖寬度減小，進(jìn)而減少進(jìn)入微通道板的電子數(shù)量，使夜視儀正常成像。在改進(jìn)自動門控電源電路方面，不少研究者做出了改進(jìn)，對于二代和三代像增強(qiáng)器加裝的陰極選通電路能夠?qū)h(huán)境工作照度從從10-4~10-1lx，擴(kuò)展到10-4~105lx[17-19]。但是自動門控電路是針對閃光設(shè)計的，對于大功率激光的防護(hù)效果的作用還需要進(jìn)一步測試。

Gunnar Ritt 等提到了兩種傳感器防激光炫目的措施[20-21]：一是基于數(shù)字微鏡設(shè)備的傳感器，一是復(fù)合波段傳感器。數(shù)字微鏡設(shè)備是裝在光陰極之前的反射光路：目標(biāo)光束入射時，經(jīng)過透鏡的傅里葉變換，不同波長的光在空間上分離，照射到反射鏡上；反射鏡由許多“微鏡”組成，將光反射到下一組透鏡，經(jīng)過傅里葉反變換恢復(fù)成景物圖像，進(jìn)入光陰極。當(dāng)有激光入射時，某些微鏡接收到光強(qiáng)多大的輻射，電路控制這些微鏡偏轉(zhuǎn)，將光束反射出光路，就實(shí)現(xiàn)了包含激光波段的濾光。復(fù)合波段傳感器則是將入射光分光為多個波段，由不同的光陰極接收，最后處理合成為一幅圖像。當(dāng)有激光入射，只會有一個波段受到干擾，其余波段傳感器還能正常工作，經(jīng)過圖像處理得到景物圖像。這兩種措施都能起到很好的保護(hù)作用，可見從頻率角度濾掉激光的影響是防強(qiáng)光干擾的一個方向。

圖3 基于數(shù)字微鏡設(shè)備的傳感器

圖4 三波段復(fù)合傳感器

3 總結(jié)

顯然，激光是壓制夜視設(shè)備、剝奪敵方戰(zhàn)場視野的優(yōu)秀手段。相關(guān)領(lǐng)域的研究集中于激光輻照的損傷機(jī)理、輻照后成像效果評估和夜視儀反制強(qiáng)光等方面，相互拮抗共同發(fā)展：隨著數(shù)值方法和仿真模型的不斷改進(jìn)，損傷的多物理耦合場計算日漸精確；數(shù)字圖像處理技術(shù)大大提高了激光干擾夜視儀的效果評估；多種防強(qiáng)光電路和傳感器的設(shè)計，提高了夜視儀對激光的防護(hù)能力。