夜视的工作原理

作者:杰夫·泰森
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清晨,一名美国海军陆战队员在伊拉克安巴尔省执行搜索任务时戴着夜视镜。
约翰摩尔/盖蒂图片社

当你看到这些单词时,你可能首先想到的是夜视是你看过的间谍或动作片,在一个无月之夜,有人戴上夜视镜,在黑暗的建筑里寻找别人。你可能会想“这些东西真的有用吗?”你真的能在黑暗中看见东西吗?”

答案绝对是肯定的。有了合适的夜视设备,在无月多云的夜晚,你可以看到一个站在200码(183米)外的人!夜视有两种截然不同的工作方式,这取决于所使用的技术。乐动-软件

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  • 图像增强-它的工作原理是收集微小的光,包括红外光谱的较低部分,这些光存在,但我们的眼睛可能察觉不到,并将其放大到我们可以轻松观察图像的程度。乐动体育网站5.0
  • 热成像-这项技术通过乐动-软件捕捉红外光谱的上半部分来运作,红外光谱是由物体以热的形式发出的,而不是简单地以光的形式反射。温度较高的物体,如温暖的物体,比温度较低的物体(如树木或建筑物)发出更多的这种光。

在本文中,您将了解两种主要的夜视技术。乐动-软件我们还将讨论各种类型的夜视设备和应用。但首先,让我们来谈谈红外光。

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红外线

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红外光是光谱的一小部分。

为了理解夜视,了解光是很重要的。光波的能量与其波长有关:波长越短,能量越高。在可见光中,紫色的能量最大,红色的能量最小。乐动体育网站5.0紧邻可见光谱的是红外光谱。

红外光可分为三类:

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

热红外和其他两种的关键区别是热红外是发出通过一个对象而不是反映了了它。红外线是由一个物体发出的,因为在原子的水平。

原子

原子不断地运动。它们不断地振动、移动和旋转。甚至构成我们坐的椅子的原子也在移动。固体实际上是在运动的!原子可以处于不同的状态.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,它就会留下所谓的基态能级然后搬到兴奋的水平.激发的程度取决于通过热、光或电施加给原子的能量的多少。

原子由a组成(包含质子而且中子)及电子云.把电子云中的电子想象成以不同的方式围绕着原子核旋转轨道.虽然更现代的原子观点没有描述电子的离散轨道,但将这些轨道看作原子的不同能级是有用的。换句话说,如果我们对一个原子加热,我们可能会期望一些低能量轨道上的电子会跃迁到高能轨道上,远离原子核。

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原子有一个原子核和一个电子云。

一旦电子移动到更高能量的轨道,它最终会回到基态。当它这样做时,它以a的形式释放能量光子——一个光的粒子。你可以看到原子一直在以光子的形式释放能量。例如,当加热元件在一个烤面包机变成鲜红色,红色是由原子被热激发,释放红色光子造成的。一个被激发的电子比一个被放松的电子具有更多的能量,正如电子吸收了一定量的能量来达到这个激发水平,它可以释放这些能量回到乐动体育网站5.0基态。这种发射的能量以光子(光能)的形式存在。发射出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的能量状态。

任何有生命的东西都要消耗能量,许多无生命的东西,如发动机和火箭,也是乐动体育网站5.0如此。能量消耗产生热量。反过来,热量使物体中的原子发射出热红外光谱中的光子。物体温度越高,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谱中的光子,发出红色的光,然后穿过橙色、黄色、蓝色,最终变成白色。一定要阅读灯泡是如何工作的,激光是如何工作的,光是如何工作的,以获得关于光和光子发射的更详细的信息。

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。

以下是热成像的工作原理:

  1. 一种特殊的透镜聚焦视野内所有物体发出的红外光。
  2. 聚焦的光被扫描相控阵红外探测器元件。探测器元素创建一个非常详细的温度模式,称为热法.探测器阵列获得温度信息来制作热图只需要大约三十分之一秒。这些信息是从探测器阵列视场中的几千个点获得的。
  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,这是一个带有专用芯片的电路板,它将元素中的信息转换成数据用于显示。乐动体育网站5.0
  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显示为各种颜色。来自所有元素的所有脉冲的组合创造了图像。
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在白天很容易看到所有的东西。
图片由红外线,Inc。
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...但是在晚上,你能看到的很少。
图片由红外线,Inc。
热成像能让你重见光明。"width=
热成像能让你重见光明。
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。它们可以感知从零下4华氏度(零下20摄氏度)到3600华氏度(2000摄氏度)的温度,通常可以检测到0.4华氏度(0.2摄氏度)的温度变化。乐动体育网站5.0

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,立即激活和有乐动体育网站5.0电池内置的。
  • 低温冷却-这些系统更昂贵,更容易因长期使用而损坏,这些系统将元件密封在一个容器中,将其冷却到32华氏度(零摄氏度)以下。这种系统的优点是冷却元件后产生的令人难以置信的分辨率和灵敏度。低温冷却系统可以在超过1000英尺(300米)的距离上“看到”0.2华氏度(0.1摄氏度)的差异,这足以判断一个人是否在这个距离上拿着枪!

虽然热成像技术在探测人或在接近绝对黑暗的环境中工作时非常有用,但大多数夜视设备都使用图像增强技术。乐动-软件

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图像增强

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图像增强管将光子转换成电子,然后再转换回来。

说到夜视,大多数人想到的是图像增强技乐动-软件术。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,叫做图像增强器管,收集和放大红外线和可见光。

下面是图像增强的工作原理:

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  1. 一个传统的透镜,叫做物镜它能捕捉环境光和一些近红外光。
  2. 聚集的光被发送到图像增强管。在大多数nvd中,图像增强管的电源来自两个N-Cell或两个“AA”。电池.显像管输出一个大约5000伏的高电压到显像管组件。乐动体育网站5.0
  3. 图像增强管有一个光电阴极,用于将光能的光子转换为电子。
  4. 当电子通过管时,类似的电子从管中的原子中释放出来,通过使用a将原始电子数乘以数千倍微通道板(MCP)在管中。MCP是一个微小的玻璃圆盘,上面有数百万个微孔(微通道)光纤技术乐动-软件.MCP包含在真空中,在圆盘的两侧有金属电极。每个通道的长度大约是宽度的45倍,它的作用是电子倍增器。乐动体育网站5.0当来自光阴极的电子击中MCP的第一个电极时,它们被电极对之间发送的5000伏脉冲加速进入玻璃微通道。当电子通过微通道时,它们会在每个通道中释放数千个其他电子,这一过程被称为级联二次发射.基本上,原始电子与通道的一侧碰撞,激发原子并导致其他电子被释放。这些新的电子也会与其他原子碰撞,产生链式反应,导致成千上万的电子离开通道,而只有少数电子进入。一个有趣的事实是,MCP中的微通道以一个轻微的角度(约5度至8度偏压)创建,以鼓励电子碰撞,并减少来自输出侧荧光粉的离子和直接光反馈。
  5. 在图像增强管的末端,电子击中一个涂有荧光粉.这些电子保持其相对于它们所经过的通道的位置,这提供了一个完美的图像,因为电子保持与原始光子相同的排列。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形成绿色图像,这已经成为夜视的特征。
  6. 绿色的荧光粉图像是通过另一个透镜,称为接目镜,可以放大和聚焦图像。NVD可能连接到电子显示器,例如监控,或可直接透过晶状体观看影像。

一代又一代

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nvd有多种风格,包括可以安装在相机上的。

nvd已经存在了40多年。它们被分类为一代.NVD技术的每一次重大变革都将催生新一代技术。乐动-软件

  • 第0代-最初的夜视系统由美国陆军创建,并用于第二次世界大战和朝鲜战争,这些nvd使用主动红外.这意味着一个投影单位,叫做红外照明器,挂载在NVD上。该装置投射出一束近红外光,类似于普通手电筒的光束。由于肉眼不可见,这种光束反射物体并反射回NVD的透镜。这些系统使用阳极和阴极一起加速电子。这种方法的问题是,电子的加速度会扭曲图像,并大大降低管的寿命。这项技术在最初的军事用途中存在的另一个主要问题是,它很快被敌对国乐动-软件家复制,这使得敌方士兵可以使用自己的nvd看到该设备投射的红外光束。
  • 第一代-下一代nvd不再使用主动红外,使用被动红外代替。曾经被称为星光由美国陆军提供,这些nvd利用月球和恒星提供的环境光来增加环境中正常的反射红外量。这意味着它们不需要投射红外光的光源。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,具有阴极和阳极,因此图像失真和短管寿命仍然是一个问题。乐动-软件
  • 一代2-图像增强管的重大改进导致了第2代nvd。与第一代设备相比,它们提供了更好的分辨率和性能,并且更加可靠。乐动体育网站5.0第二代最大的进步是能够在极低的光照条件下看到东西,比如没有月亮的夜晚。这种增加的灵敏度是由于添加了微通道板的图像增强管。由于MCP实际上增加了电子的数量,而不仅仅是加速原始的电子,因此图像的扭曲程度明显低于前一代nvd,而且更明亮。
  • 一代3-美国军方目前使用的是第3代。虽然与第二代相比,底层技术没有实质性的变化,但这些nvd具有更好的分辨率和灵敏度。乐动-软件这是因为光电阴极是用砷化镓它在将光子转换为电子方面非常有效。此外,MCP涂有离子屏障,这极大地增加了管的寿命。
  • 代4-通常被称为第四代或“无影门控”技术在低光和高光环境下都显示出显著的整体改善。乐动-软件第3代技术中添加的MCP离子屏障的去除降低了背景噪声,从而提高了信噪比。乐动-软件去除离子膜实际上可以让更多的电子到达放大阶段,这样图像就会明显减少扭曲和更明亮。自动门控供电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。这种能力是NVD系统的一个关键进步,因为它允许NVD用户快速地从高光环境切换到低光环境(或从低光环境切换到高光环境),而没有任何停止效果。例如,考虑一个无处不在的电影场景,当有人打开附近的灯时,一个使用夜视镜的特工是“失明的”。有了新的门控电源功能,照明的变化不会产生同样的影响;改进后的NVD会立即对照明变化做出反应。

许多所谓的“廉价”夜视仪使用的是0代或1代技术,如果你期望专业人士使用的设备的灵敏度,可能会令人失望。乐动-软件乐动体育网站5.0第2代、第3代和第4代nvd通常价格昂贵,但如果保养得当,它们可以使用很长时间。此外,任乐动体育网站5.0何NVD都可以受益于在几乎没有环境光可收集的非常黑暗的地区使用IR照明器。

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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的要求。这样的管子被归类为美国军用.不符合军事要求的管道,甚至在单一类别被归类为全路径名

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夜视设备及应用“,

一名男子在伦敦“建立一个安全的世界大会”上展示夜视镜。"width=
一名男子在伦敦“建立一个安全的世界大会”上展示夜视镜。
卡尔·德·索萨/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,瞄准镜单眼(一个目镜)。因为瞄准镜是手持的,不像护目镜那样戴着,所以当你想更好地观察某个特定物体,然后回到正常的观察状态时,它们很有用。
  • 护目镜虽然护目镜可以手持,但它们通常戴在头上。眼镜是双筒望远镜(两个目镜),可能有一个透镜或立体透镜,这取决于型号。护目镜非常适合持续观看,比如在黑暗的建筑中走动。
  • 相机-相机用夜视技术可以将图像发送到乐动-软件监控用于展示或用于录像机记录。当夜视能力需要在一个固定的位置,如建筑物上或作为直升机设备的一部分时,就会使用摄像机。许多较新的摄像机内置夜视系统。

应用程序

夜视的常见应用包括:

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  • 军事
  • 执法
  • 狩猎
  • 观察野生动物
  • 监测
  • 安全
  • 导航
  • 从中发现
  • 娱乐

夜视仪最初的用途是在夜间定位敌方目标。它仍然被军方广泛用于这一目的,以及导航、监视和瞄准。乐动体育网站5.0警察和安全部门经常同时使用热成像和图像增强技术,特别是用于监视。乐动-软件猎人和自然爱好者使用NVDs在夜间穿越森林。

侦探和私家侦探使用夜视来监视他们被指派跟踪的人。许多企业都安装了装有夜视装置的永久摄像头来监控周围环境。

热成像的一个真正惊人的能力是,它可以揭示一个区域是否被扰动过——它可以显示出地面被挖出来埋什么东西,即使肉眼没有明显的迹象。执法部门利用这一技术发现了罪犯隐藏的物品,包括金钱、毒品和尸体。此外,使用热成像可以看到墙壁等区域的最近变化,这在几个案例中提供了重要的线索。

许多人开始发现夜幕降临后可以发现的独特世界。如果你经常外出露营或打猎,夜视设备很可能对你有用——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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夜视常见问题

夜视镜能在完全黑暗的环境下工作吗?
夜视镜利用热能工作,在完全黑暗的环境中也能很好地工作,因为夜视镜能记录相机周围不同来源提供的热能。
你手机上有夜视摄像头吗?
有一款名为夜视相机的安卓应用程序,可以显著增强夜间用手机拍照的体验。
夜视望远镜能看多远?
夜视双筒望远镜的观看范围是购买时要考虑的重要事项。大多数双筒望远镜可以看到800英尺远,并在这个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、单目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?
人类是昼夜活动的生物。因此,我们在白天的视力是不可思议的,而我们在晚上的视力就不那么好了。一些夜行动物在夜间比人类看得更清楚。
特色

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