激光对抗微光夜视仪研究综述

戴颜斌 DAI Yan-bin；张宇航 ZHANG Yu-hang

（陆军装甲兵学院兵器与控制系，北京100072）

0 引言

微光夜视仪是利用月光、星光等自然光照明景物，将目标反射的微弱光子收集并放大，最终产生人眼可观察图像的仪器。微光夜视仪的光学结构包含物镜系统、像增强器和目镜系统，其中像增强器是最核心的部件。微光夜视仪随着像增强器技术的发展，可以分为四代产品，分别是单管像增强器的第零代、采用级联技术像增强器的第一代、加入微通道板（MCP）结构的第二代和采用负电子亲和势光电阴极的第三代。曾经有将无膜MCP 称作第四代像增强器的说法，但是因为该像增强器过于脆弱无法投入实用，美国夜视和电子传感器委员会（NVESD）于2002 年取消了这个说法，公认的像增强器仍只发展到第三代[1]。

从20 世纪60 年代以来，微光夜视仪就在军事、工业、农业等各个领域发挥着重要的作用，尤其是军事上的作用极为显著。拥有夜视仪的军队可以在夜间发起进攻，在弱光情况下精确打击；若是战斗双方夜间视力不对等，优势方更容易压制战场。因此，一方面各国都在加紧研制成像更加清晰、探测距离更远的微光夜视仪，另一方面如何对抗敌方的夜视系统，使其致盲、损毁，也是重要的课题。

激光干扰手段因为反应速度快、能量集中、效费比高等优势，在战场上得到了大量的应用。用激光束直接照射微光夜视仪的光学窗口，在入射能量较低时可以造成夜视仪的致盲，干扰敌方观察；能量高时可以直接损毁设备，使敌方单位失去夜视能力。因此，使用激光对抗夜视仪是一种可行且高效的方法，研究激光对抗夜视仪的原理、激光干扰夜视仪效果的评估，以及夜视仪防范激光干扰的方法，是促进微光夜视仪进一步改进、提高我国军队的夜间作战能力的有效方法。

1 微光夜视仪工作原理

本文讨论的微光夜视仪指利用像增强器放大图像信息的夜视设备，如夜视单筒望远镜、夜视双筒望远镜、夜视瞄准镜等。其结构和工作原理是相同的。以第二代微光夜视系统为例，一般结构包含：物镜系统、像管（内部结构包括光电阴极、电子光学系统、微通道板、光纤面板、显示屏、电源和控制电极）、目镜系统等（图1）。

图1 微光夜视仪结构简图

夜视仪工作时，微弱的目标辐射进入物镜系统，成像在像管的光阴极上。入射光子引发外光电效应，使光阴极辐射出电子，产生二维电子图像。电子光学系统对光生电子进行加速和聚焦，使电子获得能量的增强，进入MCP。电子撞击MCP 内壁的二次电子发射涂料，实现电子数量的倍增。最后，经过光纤面板的传像，电子图像轰击在荧光屏上，荧光屏上电子和空穴经过复合发光过程产生光子，得到增强的二维可见光图像。该图像从像管后端输出，进入目镜系统，目镜系统对图像进行大小和出瞳位置的调整，得到适合人眼观察的目标图像。

2 国内外研究现状

国内外关于激光对抗夜视仪的研究集中于几个方面：一，激光辐照对夜视仪各个部件的损伤机理研究和建模；二，强光干扰效果的测量、评估；三，微光夜视仪防强光措施的改进。前两个方面从不同角度得到激光对抗夜视仪的效果预期，期望为设计对抗系统提供技术指标；第三个方面则着力优化夜视仪的抗干扰性能。两种研究相互拮抗，推进激光对抗夜视仪技术的发展。

2.1 损伤机理

依照微光夜视仪的工作原理，激光首先经过物镜系统，再投射到像管的光阴极面，产生大量的电子，经过电子透镜和微通道板打在荧光屏上。当入射激光波长和夜视仪的光学系统相匹配，大部分能量会穿过物镜系统作用在像管上；若是激光波长在夜视仪工作波段外，激光对物镜系统的损伤就会十分明显。因此，激光对夜视仪的损伤机理往往从物镜、光阴极、微通道板和荧光屏入手。这些研究往往从热学效应、力学效应和电子状况分析损伤机理，并建立估算损伤阈值的模型；另外，也有不少研究关注不同条件（如激光波长、脉冲频率）对损伤的影响。

2.1.1 物镜的损伤

物镜的损伤机理基本包括：高能激光辐照在玻璃上，玻璃吸收能量造成温升，在含有杂质粒子或是缺陷处率先熔融，导致光学表面的破坏，这是热学效应造成的破坏；温升后玻璃内部产生了热应力，应力足够大时造成镜面破裂或解理，是力学效应造成的破坏。同时还要考虑激光支持爆轰波（LSDW）的影响，实际上激光对玻璃的破坏是热力场、应力场和冲击波的多因素耦合作用，如何综合各种因素，建立多物理场的耦合模型是一个难点。（图2）

图2 激光辐照材料的破坏原理

2016 年，王玺用有限元分析的方法，建立了紫外激光辐照K9 玻璃的温度场模型，进行了计算和仿真[2]；2017年，J.X.Cai 等结合热传导方程和弹性力学方程，建立了随时间变化的1064nm 毫秒脉冲激光辐照熔融石英的温度场和应力场模型，进行数值模拟分析，讨论了不同脉宽的激光对温度、应力场的影响[3]；2019 年，于慧波等基于有限元法计算并模拟了等离子体冲击波在石英玻璃内部传播规律，结合实验详细分析了冲击波对应力的影响和产生的玻璃损伤形貌[4]。

对于损伤规律的研究，可以明确当入射能量一定，随着激光脉冲频率的提高，镜面的最高温度和温度梯度、应力都将增大，离子支持冲击波作用更明显。2019 年吴朱杰等通过实验分析激光焦点位于玻璃前表面和后表面的不同情况，得出了激光焦点位置变化时的损伤规律[5]；2019年林晓初搭建了一系列测量系统，实验得到了飞秒脉冲激光作用玻璃的温度、应力和毁伤情况随重复频率和作用时间而变化的规律[6]。

2.1.2 光阴极的损伤

激光进入像管时，首先作用在光电阴极上。光电阴极是利用外光电效应将物镜接收的光学图像转变为电子图像的元件。为了能在微光条件下工作，光阴极具有较高的量子效率和光谱灵敏度，以及尽量低的噪声电流，因此容易被强光干扰。第二代像管使用多碱光电阴极，第三代像管使用负电子亲和势光电阴极（例如砷化镓材料），所以研究激光对半导体材料的作用效果是这个课题的切入口。激光对光阴极的损伤模型一般有三种：热损伤模型描述半导体材料受热熔融、热应力作用和等离子体冲击波影响而损伤；电离损伤模型描述材料收到高频激光照射，在高频率、大光强的情况下产生电子雪崩而失去工作性能；强光饱和失效模型用以描述大光强的情况下光阴极达到饱和，产生的饱和电子不能反映探测图像的情况[7]。即使不直接损坏光阴极，在强光照射下容易使阴极材料元素蒸发，造成性能永久降低。

2017 年，李柏华根据晶体塑性形变理论，建立了激光照射GaAs 材料的应力场模型，发现可以将材料表面的滑移系分切应力分为五类，其中第一类占据主导，并与实验结果吻合[7]；2019 年，童靖垒等建立了包含热熔、热应力和等离子体等因素的热损伤模型，研究了532nm 激光对GaAs 光阴极的损伤情况，提出在光阴极尚未熔融时，Se 元素的脱附会导致光阴极形成暗斑，量子效率下降[8]。

2.1.3 微通道板的损伤

光电阴极产生的电子图像经过电子光学系统处理后进入微通道板。微通道板是具有良好二次电子发射性能和一定导电性能的，密集排列的玻璃纤维通道的组合。两个端面有电极，确保电子正向通过；通道和电子入射方向成7~15°的夹角，便于电子充分撞击内壁产生电子倍增，同时阻挡正电荷离子反向撞击光电阴极。微通道板一般附有离子反馈膜，起到保护光电阴极不受正离子撞击的作用。微通道板具有高增益、低噪声、高分辨力的特点，值得关注的是它具有自饱和的特性，当入射光强度超出阈值，倍增产生的电流达到饱和状态不再增大，可以防止电流值过大直接损坏荧光屏和后续部件。激光作用在光阴极后产生的过大电流，会导致微通道板持续在饱和情况下工作，造成性能降低、影响寿命或产生损伤。

早在1993 年，L. Giudicotti 等就建立了饱和情况下微通道板输出电流和电压降的数学模型[9]；2011 年，他将弱输入下MCP 增益的传输线模型增加适当的边界条件，用在饱和输出情况下[10]；2018 年，谢运涛等使用传输线法分析MCP 的放大过程，分析单脉冲和多脉冲情况下MCP 的放大特性，发现在脉冲激光照射下，后一脉冲的MCP 增益会受前一脉冲影响而降低，并且当重复频率达到某一较高的值时，输出维持饱和状态[11]；并且在实验中发现，随入射激光增强，像增强器由点饱和加重到面饱和，但不会发生串扰，分析是MCP 的自饱和特性起了保护作用，分析了自饱和特性的原因是MCP 内壁电子得不到补充[12]。

2.1.4 荧光屏的损伤

被电子光学系统加速倍增后的电子，直接汇聚或经过光纤面板，撞击在荧光屏上。荧光屏起到将电子图像转为人眼可观察的光学图像的作用。其结构是包括铝膜、荧光粉层和光纤面板的薄膜结构。电子撞击在荧光屏上时，使荧光粉层基质的满带电子受激跃迁，产生的受激电子和空穴经过短暂迁移后复合，辐射出可见光光子。当激光照射微光夜视仪时，过高的光强输入使像管产生大量电子，进入过饱和状态；当轰击荧光屏的电子流量大于阈值，荧光屏会出现点区域的烧毁。

2.2 干扰效果测量评估

早在上个世纪，炮口闪焰、强光炸弹等非相干光源对夜视仪已经有较好的干扰效果，但由于功率低、持续时间短，只能暂时性致盲，夜视仪停止工作一段时间就能再次使用。对于干扰的效果，传统的做法是基于人工观察分辨图像，或是简单地把“白屏”状态作为夜视仪受干扰的标准[13]，存在不稳定、不能量化的缺点；因此评估方法有向图像特征分析的趋势，力求在基本符合人眼观察实际的情况下得到量化稳定的评估方式。具体来说，2015 年，钱方针对提取激光光斑特征、提取图像目标特征和多帧连续图像等不同情况分别提出了图像处理算法，其中基于特征点分布特性的全参考图像质量评价方法（FPSIM）和基于连续多帧图像动态特征变化的无参考干扰评估算法（FPD）在抗干扰实验中较为实用[14]；2018 年，高俊光设计了一套测试强光干扰夜视仪的实验系统，定义了归一化相关函数C 表征图像受干扰的状况，得到了受瞬时强光干扰时夜视仪的图像相干度曲线，证实该系统可用，下一步可用到激光光源的测试上[15]；2019 年，任立均提出了一种基于卷积特征相似度的激光干扰图像质量评价算法（CNNSIM），算法综合考虑了激光干扰图像相对于参考图像的颜色、边缘、纹理、有区别性的特征和具有辨别性关键特征的变化[16]。

2.3 防强光措施改进

微光夜视仪的强光防护基本思路是保护像增强器不承受过大的电流。常见的强光防护手段是在夜视仪上配置自动亮度控制（Auto-Brightness control，ABC）电路和自动快门（Auto-gating）电路。

配置自动亮度控制电路的目的是扩展夜视仪工作环境照度的范围，使夜视仪在环境光照略大于弱光条件时也能得到清晰可辨的图像。由于像增强器的亮度增益正比于像增强器对电子的能量增益，当入射光光强过大，阴极产生过多电子，经过加速和倍增撞击到荧光屏上，造成荧光屏饱和；因此加入一个负反馈电路，当荧光屏电流过大时，降低像管的电压，减少像管增益，进而降低了撞击荧光屏的电子能量，使荧光屏维持一个合适的亮度，使夜视仪正常工作。

ABC 电路可以扩展夜视仪工作的环境照度范围，但对于光强过大或持续存在的强光源，其防护作用就有限了。此时自动快门电路就起到了作用。自动快门电路，也叫做自动门控电源保护电路，将像管的传统直流电源替换为高频脉冲电源，并使用脉冲宽度调制（PWM）来控制像管电压。自动快门电路常用的电源选通方案有三种：阴极选通，微通道板选通和荧光屏选通，其中阴极选通由于所需电压值较小，最为实用。该电路同样采用负反馈方式，当环境照度过高引起阴极电流过大，控制电源脉冲宽度减小，进而减少进入微通道板的电子数量，使夜视仪正常成像。在改进自动门控电源电路方面，不少研究者做出了改进，对于二代和三代像增强器加装的阴极选通电路能够将环境工作照度从从10-4~10-1lx，扩展到10-4~105lx[17-19]。但是自动门控电路是针对闪光设计的，对于大功率激光的防护效果的作用还需要进一步测试。

Gunnar Ritt 等提到了两种传感器防激光炫目的措施[20-21]：一是基于数字微镜设备的传感器，一是复合波段传感器。数字微镜设备是装在光阴极之前的反射光路：目标光束入射时，经过透镜的傅里叶变换，不同波长的光在空间上分离，照射到反射镜上；反射镜由许多“微镜”组成，将光反射到下一组透镜，经过傅里叶反变换恢复成景物图像，进入光阴极。当有激光入射时，某些微镜接收到光强多大的辐射，电路控制这些微镜偏转，将光束反射出光路，就实现了包含激光波段的滤光。复合波段传感器则是将入射光分光为多个波段，由不同的光阴极接收，最后处理合成为一幅图像。当有激光入射，只会有一个波段受到干扰，其余波段传感器还能正常工作，经过图像处理得到景物图像。这两种措施都能起到很好的保护作用，可见从频率角度滤掉激光的影响是防强光干扰的一个方向。

图3 基于数字微镜设备的传感器

图4 三波段复合传感器

3 总结

显然，激光是压制夜视设备、剥夺敌方战场视野的优秀手段。相关领域的研究集中于激光辐照的损伤机理、辐照后成像效果评估和夜视仪反制强光等方面，相互拮抗共同发展：随着数值方法和仿真模型的不断改进，损伤的多物理耦合场计算日渐精确；数字图像处理技术大大提高了激光干扰夜视仪的效果评估；多种防强光电路和传感器的设计，提高了夜视仪对激光的防护能力。