夜视是如何工作的

由:杰夫泰森

美国海洋使用夜视护目镜,同时在伊拉克Anbar省的早期搜索操作。
约翰摩尔/盖蒂图片社

当你看到这些词时,你可能首先想到的是夜视是你看过的一部间谍或动作电影,在电影中,一个人戴上夜视镜,在没有月亮的夜晚在黑暗的大楼里寻找另一个人。你可能会想:“这些东西真的有用吗?”你在黑暗中真的能看得见吗?”

答案是肯定的。有了合适的夜视设备,在一个没有月亮的多云夜晚,你可以看到一个人站在200码(183米)以外!夜视的工作方式有两种,这取决于所使用的技术。

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  • 图像增强-它的工作原理是收集微小的光,包括存在但我们眼睛可能察觉不到的红外光谱的较低部分,并将其放大到我们可以很容易地观察图像。
  • 热成像-该技术通过捕捉红外光谱的上半部分进行操作。红外线是物体以热的形式发射的,而不是简单地以光的形式反射。较热的物体,如温暖的物体,比树木或建筑等较冷的物体发射出更多的这种光。

在本文中,您将了解两个主要的夜视技术。我们还将讨论各种类型的夜视设备和应用。但首先,让我们谈谈红外线。

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红外线

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红外线是光谱的一小部分。

为了了解夜视,重要的是要了解一些事情.光波中的能量的量与其波长有关:更短的波长具有更高的能量。可见光,紫罗兰有最多的能量,红色有最少。刚刚旁边的可见光谱是红外光谱。

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红外光可分为三类:

  • 近红外(近红外)-近红外最接近可见光,波长范围从0.7到1.3微米也就是7000亿分之一米到1300亿分之一米。
  • 中红外(中红外)-中红外波长范围为1.3 - 3微米。近红外和中红外都被各种电子设备使用,包括遥控器
  • 热红外(热红外)-热红外占据红外光谱的最大部分,波长从3微米到30微米以上。

热红外和其他两个的关键区别是热红外是发出用一个物体代替反映了了它。红外线是由物体发出的,因为在原子等级。

原子

原子不断运动。它们持续振动,移动和旋转。即使是构成我们坐在椅子的椅子上也在移动。实体实际上是运动!原子可以是不同的状态.换句话说,它们可以有不同的能量。如果我们对一个原子施加大量的能量,它会留下所谓的基态能级然后移动到兴奋的水平.激发的程度取决于通过热、光或电施加到原子上的能量的多少。

原子由原子组成(包含质子中子)和一个电子云.将该云中的电子展示在许多不同的核中旋转核轨道.虽然更现代的原子观点没有描绘出电子的离散轨道,但把这些轨道看作是原子的不同能级是有用的。换句话说,如果我们对一个原子施加一些热量,我们可能会期望一些低能量轨道上的电子会转移到高能量轨道上,远离原子核。

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原子有原子核和电子云。

一旦电子向更高能量的轨道移动,它最终想要返回到地位。它的时候,它会将其能量释放为a光子——一粒光。你可以看到原子一直以光子的形式释放能量。例如,当加热元件在烤面包机变成亮红色,红色是由原子被热激发而产生的,释放红色光子。一个激发态的电子比一个松弛态的电子有更多的能量,就像电子吸收了一些能量到达这个激发态,它可以释放这些能量回到基态。这种发射的能量以光子(光能)的形式存在。发射的光子有一个非常特定的波长(颜色),这取决于光子释放时电子能量的状态。

任何活力的东西都使用能量,因此许多诸如的无生命物品引擎火箭.能源消耗产生热量。反过来,热量使物体中的原子发射出热红外光谱中的光子。物体越热,它释放的红外光子波长就越短。一个非常热的物体甚至会开始发射可见光光谱中的光子,发红光,然后向上移动,经过橙色、黄色、蓝色,最后是白色。一定要读灯泡如何工作激光器的工作原理轻盈如何工作查阅有关光和光子发射的更详细资料。

在夜视中,热成像利用了这种红外发射。在下一节中,我们将看到它是如何做到这一点的。

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热成像

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热成像系统的基本部件
图片由红外线,Inc。

下面是热成像的工作原理:

  1. 特殊镜头将所有物体发出的红外光聚焦在视图中。
  2. 聚焦的光被扫描相控阵红外探测器的元素。探测器元件会产生一个非常详细的温度图形,叫做热法.探测器阵列只需要大约三十分之一秒的时间就可以获得温度信息来制作热图。这个信息是从探测器阵列视场的几千个点获得的。
  3. 由探测器元件产生的热图被转换成电脉冲。
  4. 脉冲被发送到一个信号处理单元,一个带有专用芯片的电路板,将元件的信息转换成用于显示的数据。
  5. 信号处理单元将信息发送到显示器,根据红外发射的强度,信息会呈现出不同的颜色。来自所有元素的所有脉冲的组合创造了图像。
白天很容易就能看到一切。"width=
白天很容易就能看到一切。
图片由红外线,Inc。
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......但在晚上,你可以看到很少。
图片由红外线,Inc。
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热成像让你再次看到。
图片由红外线,Inc。

热成像设备的类型

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大多数热成像设备的扫描速度为每秒30次。它们能感知从-4华氏度(-20摄氏度)到3600华氏度(2000摄氏度)的温度,通常能感知约0.4华氏度(0.2摄氏度)的温度变化。

有两种常见的热成像设备:

  • Un-cooled-这是最常见的热成像设备类型。红外探测器元件包含在一个在室温下工作的单元中。这种类型的系统是完全安静的,立即激活并具有电池在构建的。
  • 低温冷却- 更昂贵,更容易受到粗糙使用损坏的影响,这些系统使元件密封在一个容器内,该元件将它们冷却至32 f(零C)。这种系统的优点是难以置信的分辨率和灵敏度,从冷却元素。低温冷却系统可以“看到”从超过1000英尺(300米)的小于0.2 f(0.1℃)的差异,这足以判断一个人在该距离处握住枪!

虽然热成像对于探测人员或在近乎绝对黑暗的环境下工作很有用,但大多数夜视设备都使用图像增强技术。

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图像增强

影像增强管将光子转换成电子,再转换成电子。"width=
影像增强管将光子转换成电子,再转换成电子。

当谈到夜视时,大多数人想到的就是图像增强技术。事实上,图像增强系统通常被称为夜视设备(nvd)。nvd依赖于一种特殊的管,叫做图像增强件管,收集和放大红外和可见光。

下面是图像增强的工作原理:

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  1. 一种传统的镜片,叫做物镜,捕捉环境光和一些近红外光。
  2. 收集的光被送入图像增强管。在大多数nvd中,像增强管的电源从两个N-Cell或两个AA接收功率。电池.该管输出一个高电压,约5000伏特,影像管组件。
  3. 图像增强管有一个光电阴极,它被用来将光能中的光子转换成电子。
  4. 当电子通过电子管时,类似的电子从电子管中的原子中被释放出来微通道板(MCP)在管中。MCP是一种微小的玻璃圆盘,上面有数百万个微孔(微通道)光纤技术.MCP包含在真空中,在盘的两侧都有金属电极。每个通道的长度大约是其宽度的45倍,它可以作为电子倍增器工作。当来自光电阴极的电子撞击MCP的第一电极时,它们被电极对之间发出的5,000 v脉冲加速进入玻璃微通道。当电子通过微通道时,它们会导致成千上万的其他电子在每个通道中释放,这一过程称为级联二次发射.基本上,原始电子与通道的侧面碰撞,激发原子并导致其他电子被释放。这些新的电子也与其他原子碰撞,产生了一种链式反应,导致成千上万的电子离开频道,其中只输入了几千。有趣的事实是MCP中的微通道以轻微的角度(约5度至8度偏置)产生以促进电子碰撞并减少从输出侧的磷光体的离子和直光反馈。
  5. 在图像增强管的末端时,电子击中涂有屏幕荧光粉.这些电子保持它们的位置相对于它们穿过的通道,这提供了一个完美的图像,因为电子会与原始光子保持相同的排列。电子的能量使荧光粉达到激发态并释放光子。这些荧光粉在屏幕上创造出绿色的图像,这已经成为夜视的特征。
  6. 通过另一个镜头观察绿色磷光体图像,称为接目镜,它允许你放大和聚焦图像。NVD可以连接到电子显示器,例如监视器,或可直接透过晶状体观看影像。

一代又一代

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nvd有多种样式,包括可以安装到相机上的样式。

NVDS已经存在了40多年。他们被分类为一代.NVD技术的每个大幅变化都建立了新一代。

  • 一代0.-最初的夜视系统由美国陆军创建,并在第二次世界大战中使用朝鲜战争这些nvd使用的主动红外.这意味着一个投影单位,叫做红外照明器,连接到NVD。该装置投射出一束近红外光,类似于普通手电筒的光束。这种光束是肉眼看不见的,它被物体反射回来,反射回NVD的镜片上。这些系统使用阳极和阴极来加速电子。这种方法的问题是,电子的加速使图像扭曲,大大降低了电子管的寿命。该技术最初用于军事用途的另一个主要问题是,它很快就被敌对国家复制,这使得敌方士兵可以使用自己的NVDs看到设备投射的红外光束。
  • 一代1-下一代nvd远离主动红外,使用被动红外反而。一旦被称为星光这些nvd使用由月球和月球提供的环境光星星以增加环境中正常的红外反射量。这意味着它们不需要投射红外线光源。这也意味着它们在多云或无月的夜晚不能很好地工作。第一代nvd使用与第0代相同的图像增强管技术,既有阴极也有阳极,所以图像失真和管寿命短仍然是一个问题。
  • 一代2- 图像增强管中的主要改进导致2N-2 NVDS。它们提供了改进的分辨率和性能,而不是一代 - 1设备,并且具有更高的可靠性。第2代最大的收益是能够在极低的光线条件下看到,如月亮的夜晚。这种增加的灵敏度是由于将微通道板添加到图像增强管。由于MCP实际上增加了电子的数量而不是仅加速原始的电子,因此图像显着较小,而不是比早期的NVD更扭曲和更亮。
  • 一代3.-第3代目前被美国军方使用。虽然与第2代相比,底层技术没有实质性变化,但这些nvd拥有更好的分辨率和灵敏度。这是因为光电阴极是用砷化镓它在将光子转化为电子方面非常高效。此外,MCP上还涂有离子屏障,这大大提高了电子管的寿命。
  • 一代4.-通常被称为第4代或“无电影和门控”技术显示了在低光和高光环境的显著整体改善。在第3代技术中加入的MCP上去除离子屏障,降低了背景噪声,从而提高了信噪比。去除离子膜实际上可以让更多的电子达到放大阶段,从而使图像明显减少失真和更亮。增加的自动门控电源系统允许光电阴极电压快速开关,从而使NVD能够在瞬间响应照明条件的波动。这种功能是NVD系统的一个重要进步,它允许NVD用户快速从强光环境切换到弱光环境(或从弱光环境切换到强光环境),而不会产生任何停顿效果。例如,在电影中随处可见的场景中,当有人在附近打开灯时,一名使用夜视镜的特工就“失明”了。有了新的门控电源功能,照明的变化不会有同样的影响;改进后的NVD会立即对光照变化做出反应。

许多所谓的“讨价还价”夜视范围使用生成-0或1代技术,如果您期望专业人士使用的设备的灵敏度,可能会令人失望。生成-2,生成-3和第4代NVDS通常购买昂贵,但如果适当地照顾,他们将持续。此外,任何NVD都可以从非常暗区域中的IR发光器中受益,其中几乎没有环境光收集。

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值得注意的一件很酷的事情是,每一个图像增强管都要经过严格的测试,以确定它是否符合军方规定的要求。管被分类为美国军用.即使只有一个类别不符合军事要求的管道也被归类为全路径名

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夜视设备和应用

一名男子在伦敦举行的“建设安全世界大会”上展示夜视镜。"width=
一名男子在伦敦举行的“建设安全世界大会”上展示夜视镜。
卡尔DE SOUZA /法新社/盖蒂图片

夜视设备可分为三大类:

  • 作用域-通常手持或安装在武器上,瞄准镜单手套(一个目镜)。由于示波器是手持的,而不是像护目镜那样佩戴,当你想要更好地观察一个特定的物体,然后回到正常的观察条件下,它们是很好的。
  • 护目镜-虽然护目镜可以手持,但通常戴在头上。眼镜是双筒望远镜(两个目镜),可能有一个透镜或立体透镜,取决于型号。护目镜非常适合持续观察,比如在黑暗的建筑中移动。
  • 相机-相机用夜视技术可以将图像发送到监视器显示或显示录像机记录。当需要在一个永久性的地点进行夜视时,例如在建筑物上或作为直升机设备的一部分,就需要使用照相机。许多较新的摄像机有夜视建立的。

应用程序

常见的夜视应用包括:

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  • 军事
  • 执法
  • 狩猎
  • 观察野生动物
  • 监测
  • 安全
  • 导航
  • 隐藏物体检测
  • 娱乐

夜视的最初目的是在夜间定位敌人的目标。它仍然被军方广泛用于这一目的,以及导航、监视和目标定位。警察和保安经常同时使用热成像和图像增强技术,尤其是在监视方面。猎人和自然爱好者使用NVDs在夜间通过树林。

侦探和私家侦探用夜视来监视他们被指派跟踪的人。许多企业都安装了配备夜视功能的永久性摄像机,以监控周围环境。

热成像有一种非常神奇的能力,那就是它能揭示一个区域是否被破坏过——它能显示出地面被挖出来埋了什么东西,即使肉眼看不到明显的迹象。执法部门利用这个发现了被罪犯隐藏的物品,包括金钱、毒品和尸体。此外,通过热成像可以看到墙壁等区域最近的变化,这在一些情况下提供了重要的线索。

许多人开始发现黑暗降临后可以发现的独特世界。如果你经常外出野营或打猎,夜视设备很有可能对你有用——只是要确保选择适合你需要的类型。

有关夜视和相关主题的更多信息,请查看下一页的链接。

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夜视系统常见问题解答

夜视镜在黑暗中工作吗?
夜视护目镜在热能上工作,可以在整个黑暗中工作,因为它们在相机周围的不同来源注册了热能。
你手机上能装个夜视摄像头吗?
有一款名为夜视相机(Night Vision Camera)的android应用程序,可以显著提高夜间用手机拍照的体验。
夜视双筒望远镜能看多远?
夜视双筒望远镜的观看范围是购买时要考虑的重要措施。大多数双筒望远镜可以看到至多800英尺,在该范围内提供良好的输出。
夜视镜在加拿大合法吗?
第1代和第2代夜视镜、单筒望远镜和步枪瞄准镜在加拿大都是合法的。
人类的夜视能力有多好?
人类是生活在白天的生物。因此,我们白天的视力是不可思议的,而我们晚上的视力就不那么好了。有些夜行动物在晚上比人看得清楚。

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