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，將目標反射的微弱光子收集并放大，最終產生人眼可觀察圖像的儀器。微光夜視儀的光學結構包含物鏡系統(tǒng)、像增強器和目鏡系統(tǒng)，其中像增強器是最核心的部件。微光夜視儀隨著像增強器技術的發(fā)展，可以分為四代產品，分別是單管像增強器的第零代、采用級聯(lián)技術像增強器的第一代、加入微通道板（MCP）結構的第二代和采用負電子親和勢光電陰極的第三代。曾經有將無膜MCP 稱作第四代像增強器的說法，但是因為該像增強器過于脆弱無法投入實用，美國夜視和電子傳感器委員會（NVESD）于2002 年取消了這個說法，公認的像增強器仍只發(fā)展到第三代[1]。

從20 世紀60 年代以來，微光夜視儀就在軍事、工業(yè)、農業(yè)等各個領域發(fā)揮著重要的作用，尤其是軍事上的作用極為顯著。擁有夜視儀的軍隊可以在夜間發(fā)起進攻，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。

激光干擾手段因為反應速度快、能量集中、效費比高等優(yōu)勢，在戰(zhàn)場上得到了大量的應用。用激光束直接照射微光夜視儀的光學窗口，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，是促進微光夜視儀進一步改進、提高我國軍隊的夜間作戰(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器放大圖像信息的夜視設備，如夜視單筒望遠鏡、夜視雙筒望遠鏡、夜視瞄準鏡等。其結構和工作原理是相同的。以第二代微光夜視系統(tǒng)為例，一般結構包含：物鏡系統(tǒng)、像管（內部結構包括光電陰極、電子光學系統(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 微光夜視儀結構簡圖

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

2 國內外研究現(xiàn)狀

國內外關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理研究和建模；二，強光干擾效果的測量、評估；三，微光夜視儀防強光措施的改進。前兩個方面從不同角度得到激光對抗夜視儀的效果預期，期望為設計對抗系統(tǒng)提供技術指標；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，推進激光對抗夜視儀技術的發(fā)展。

2.1 損傷機理

依照微光夜視儀的工作原理，激光首先經過物鏡系統(tǒng)，再投射到像管的光陰極面，產生大量的電子，經過電子透鏡和微通道板打在熒光屏上。當入射激光波長和夜視儀的光學系統(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效應、力學效應和電子狀況分析損傷機理，并建立估算損傷閾值的模型；另外，也有不少研究關注不同條件（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，在含有雜質粒子或是缺陷處率先熔融，導致光學表面的破壞，這是熱學效應造成的破壞；溫升后玻璃內部產生了熱應力，應力足夠大時造成鏡面破裂或解理，是力學效應造成的破壞。同時還要考慮激光支持爆轟波（LSDW）的影響，實際上激光對玻璃的破壞是熱力場、應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。（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，進行了計算和仿真[2]；2017年，J.X.Cai 等結合熱傳導方程和彈性力學方程，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力場模型，進行數(shù)值模擬分析，討論了不同脈寬的激光對溫度、應力場的影響[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部傳播規(guī)律，結合實驗詳細分析了沖擊波對應力的影響和產生的玻璃損傷形貌[4]。

對于損傷規(guī)律的研究，可以明確當入射能量一定，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 年吳朱杰等通過實驗分析激光焦點位于玻璃前表面和后表面的不同情況，得出了激光焦點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)，實驗得到了飛秒脈沖激光作用玻璃的溫度、應力和毀傷情況隨重復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將物鏡接收的光學圖像轉變?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，因此容易被強光干擾。第二代像管使用多堿光電陰極，第三代像管使用負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體材料受熱熔融、熱應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、大光強的情況下產生電子雪崩而失去工作性能；強光飽和失效模型用以描述大光強的情況下光陰極達到飽和，產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 材料的應力場模型，發(fā)現(xiàn)可以將材料表面的滑移系分切應力分為五類，其中第一類占據(jù)主導，并與實驗結果吻合[7]；2019 年，童靖壘等建立了包含熱熔、熱應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

光電陰極產生的電子圖像經過電子光學系統(tǒng)處理后進入微通道板。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壁產生電子倍增，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，值得關注的是它具有自飽和的特性，當入射光強度超出閾值，倍增產生的電流達到飽和狀態(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生的過大電流，會導致微通道板持續(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)學模型[9]；2011 年，他將弱輸入下MCP 增益的傳輸線模型增加適當?shù)倪吔鐥l件，用在飽和輸出情況下[10]；2018 年，謝運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，并且當重復頻率達到某一較高的值時，輸出維持飽和狀態(tài)[11]；并且在實驗中發(fā)現(xiàn)，隨入射激光增強，像增強器由點飽和加重到面飽和，但不會發(fā)生串擾，分析是MCP 的自飽和特性起了保護作用，分析了自飽和特性的原因是MCP 內壁電子得不到補充[12]。

2.1.4 熒光屏的損傷

被電子光學系統(tǒng)加速倍增后的電子，直接匯聚或經過光纖面板，撞擊在熒光屏上。熒光屏起到將電子圖像轉為人眼可觀察的光學圖像的作用。其結構是包括鋁膜、熒光粉層和光纖面板的薄膜結構。電子撞擊在熒光屏上時，使熒光粉層基質的滿帶電子受激躍遷，產生的受激電子和空穴經過短暫遷移后復合，輻射出可見光光子。當激光照射微光夜視儀時，過高的光強輸入使像管產生大量電子，進入過飽和狀態(tài)；當轟擊熒光屏的電子流量大于閾值，熒光屏會出現(xiàn)點區(qū)域的燒毀。

2.2 干擾效果測量評估

早在上個世紀，炮口閃焰、強光炸彈等非相干光源對夜視儀已經有較好的干擾效果，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準[13]，存在不穩(wěn)定、不能量化的缺點；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，其中基于特征點分布特性的全參考圖像質量評價方法（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）在抗干擾實驗中較為實用[14]；2018 年，高俊光設計了一套測試強光干擾夜視儀的實驗系統(tǒng)，定義了歸一化相關函數(shù)C 表征圖像受干擾的狀況，得到了受瞬時強光干擾時夜視儀的圖像相干度曲線，證實該系統(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鍵特征的變化[16]。

2.3 防強光措施改進

微光夜視儀的強光防護基本思路是保護像增強器不承受過大的電流。常見的強光防護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。由于像增強器的亮度增益正比于像增強器對電子的能量增益，當入射光光強過大，陰極產生過多電子，經過加速和倍增撞擊到熒光屏上，造成熒光屏飽和；因此加入一個負反饋電路，當熒光屏電流過大時，降低像管的電壓，減少像管增益，進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 電路可以擴展夜視儀工作的環(huán)境照度范圍，但對于光強過大或持續(xù)存在的強光源，其防護作用就有限了。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，最為實用。該電路同樣采用負反饋方式，當環(huán)境照度過高引起陰極電流過大，控制電源脈沖寬度減小，進而減少進入微通道板的電子數(shù)量，使夜視儀正常成像。在改進自動門控電源電路方面，不少研究者做出了改進，對于二代和三代像增強器加裝的陰極選通電路能夠將環(huán)境工作照度從從10-4~10-1lx，擴展到10-4~105lx[17-19]。但是自動門控電路是針對閃光設計的，對于大功率激光的防護效果的作用還需要進一步測試。

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)字微鏡設備的傳感器，一是復合波段傳感器。數(shù)字微鏡設備是裝在光陰極之前的反射光路：目標光束入射時，經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，經過傅里葉反變換恢復成景物圖像，進入光陰極。當有激光入射時，某些微鏡接收到光強多大的輻射，電路控制這些微鏡偏轉，將光束反射出光路，就實現(xiàn)了包含激光波段的濾光。復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作用，可見從頻率角度濾掉激光的影響是防強光干擾的一個方向。

圖3 基于數(shù)字微鏡設備的傳感器

圖4 三波段復合傳感器

3 總結

顯然，激光是壓制夜視設備、剝奪敵方戰(zhàn)場視野的優(yōu)秀手段。相關領域的研究集中于激光輻照的損傷機理、輻照后成像效果評估和夜視儀反制強光等方面，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，損傷的多物理耦合場計算日漸精確；數(shù)字圖像處理技術大大提高了激光干擾夜視儀的效果評估；多種防強光電路和傳感器的設計，提高了夜視儀對激光的防護能力。