夜視技術

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更新時間: 2013-12-11

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夜視技術是藉助於光電成象器件實現夜間觀察的一種光電技術。

夜視技術 -概念

夜視技術是藉助於光電成象器件實現夜間觀察的一種光電技術。

夜視技術 -分類

夜視技術包括微光夜視和紅外夜視兩方面。

微光夜視技術

微光夜視技術又稱像增強技術,是通過帶像增強管的夜視鏡,對夜天光照亮的微弱目標像進行增強,以供觀察的光電成像技術。微光夜視儀,是目前國外生產量和裝備量最大和用途最廣的夜視器材,可分為直接觀察(如夜視觀察儀、武器瞄準具、夜間駕駛儀、夜視眼鏡)和間接觀察(如微光電視)兩種。

紅外夜視技術

紅外夜視技術又分為主動紅外夜視技術和被動紅外夜視技術。

主動紅外夜視技術是通過主動照射並利用目標反射紅外源的紅外光來實施觀察的夜視技術,對應裝備為主動紅外夜視儀。

被動紅外夜視技術是藉助於目標自身發射的紅外輻射來實現觀察的紅外技術,它根據目標與背景或目標各部分之間的溫差或熱輻射差來發現目標。其裝備為熱像儀。熱成像儀具有不同於其它夜視儀的獨特優點,如可在霧、雨、雪的天氣下工作,作用距離遠,能識別偽裝和抗干擾等,已成國外夜視裝備的發展重點,並將在一定成度上取代微光夜視儀。 

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夜視技術 -裝備:大口徑鏡頭
仿生學原理,貓頭鷹和狗的眼睛(所有夜行動物都一樣),在紅外光照射下
1. 貓頭鷹的眼睛的瞳孔在黑暗下放大到超過12mm遠遠比人類的瞳孔要大。這就保證了貓頭鷹在黑暗中絕對的夜視能力
2. 貓頭鷹的眼睛不反射光,這個特性和人類,狼以及其他晝行動物不一樣。

從物理學和仿生學得出的結論是:
一個好的夜視鏡頭: 
1. 必須有大的通光口徑。
2. 要儘可能多的吸收光線。 
3. 不但要吸收可見光,而且要吸收近紅外光。 
夜視技術 -紅外夜視鏡頭
特種作戰夜視儀
特種作戰夜視儀
夜晚一般光線都很弱,普通鏡頭不能提供足夠的光線能量。夜視鏡頭在設計時都考慮了光通量的問題。在夜晚室外,紅外光的能量相對可見光要大許多。普通鏡頭的設計和製造時,為了保證拍攝的圖像清晰度,有意識的減弱了紅外光的透過量。

普通鏡頭在設計時沒有在紅外波段考慮近紅外的圖像清晰度,所以夜晚使用普通鏡頭,即使有足夠的紅外光,不能得到清晰的圖像。我們都知道,紅外光的波長比可見光都要長,那麼以可見光為設計標準的普通鏡頭當然不會在紅外波段里把光線匯聚像面上。

除了以上的問題,夜視鏡頭在圖像清晰度的指標也和普通鏡頭完全不一樣。普通鏡頭的最高解析度是以最小光圈計算,而夜視鏡頭則是以最大的光圈計算:夜間本來光線就極微弱 ,而當使用普通鏡頭的用戶在夜晚把光圈開到最大拍攝時,圖像的清晰度就損失到不可忍受的程度了。

紅外夜視鏡頭與普通鏡頭的成本、技術比較
1. 製造材料不一樣。紅外鏡頭的通光口徑大,折光率也要大,材料成本自然就比普通鏡頭高的多。 
2. 設計製造難度大很多,工藝複雜。
3. 價格和產量、生產批量有關。紅外鏡頭市場份額比普通監控鏡頭小的不可比,所以價格也下不來。 
4. 為達到良好的拍攝效果,除了要達到普通鏡頭同樣的技術指標以外,夜視鏡頭的其他製造標準也比普通鏡頭的指標高的多。有的問題普通鏡頭根本就不用考慮,而夜視鏡頭就要花費很大的成本來解決。 

紅外夜視鏡頭
夜視鏡頭是一種精密的光學設備,使用中一定要注意:
1. 無論何時都應該避免強烈震動。
2. 避免強烈溫度變化。
3. 避免腐蝕性氣體侵害。
4. 注意防止沙塵。
5. 避免濕度變化造成在設備表面結露,發現后立即清除。 
6. 使用保養過程中一定要帶細紗的薄手套!用手直接接觸鏡面,會對鏡面造成不可逆轉的損傷。
夜視技術 -夜視儀系統的基本要素
航空器上的夜視儀
航空器上的夜視儀
只有具備了以下所有的要素,才能被稱為是夜視監控系統:
1. 超大通光口徑的夜視鏡頭。一般夜視鏡頭F值是在 1.5 以下,如F=1.0,F=1.2 等等。同時鏡頭應該具備良好的紅外特性。

2. 超高靈敏度的攝像機。所謂的高靈敏度是在 0.01Lux以下的環境中有較高的信噪比的攝像機。普通攝像機不可以冒充夜視攝像機。如果是高級或者是特種監視系統,都配備了微光攝像機。這樣的系統夜視能力都有極大的加強,可達到0.0001 Lux 的水平。

3. 紅外光源。為保證在極低的照度環境中可以監控目標,民用系統一般要配備紅外光源。紅外光源的配置要注意三個內容:功率,照射角度,波長。每一個細節處理不好都會影響視看效果。但軍用 和警用系統不在此列。  
夜視技術 -軍用夜視和民用夜視的區別
1. 同類產品,原理相同。 
2. 軍用的指標要高出很多,價格高出普通民用產品 30 倍以上。 
3. 惡劣天氣和使用環境的考慮也增加了產品成本。主要表現在5 項指標方面:高溫,低溫,震動,沙塵和鹽霧。 
4. 在結構方面:防彈,防爆和抗震。這些都是普通民品根本不用考慮的問題。
5. 在可維護方面:防彈。需要迅速方便的維護,這也是普通民品不用考慮的問題。 
6. 世界上發達國家的軍用夜視現在已經大量轉向紅外熱成像,普通民品因為價格的因素,連微光系統還沒有普及。
夜視技術 -夜視設備種類
1. 高靈敏度CCD, 微光攝像管,熱成像攝像機。 
2. 高靈敏度CCD 是普通監控的高檔產品。 

微光管是典型的高技術產品,至今已經發展了30多年了。目前全世界有6個國家(美,俄,荷,法,日)可以獨立生產。產品已經進入第五代,三代管以後對中國封鎖,其夜視性能是普通CCD 的1000倍。但是壽命比較短。 
   
熱成像技術不依賴於外來光線,只是測量物體和周邊環境的溫度差,所以可以在全黑暗的條件下觀察,其軍事用途顯而易見。目前只有美國和法國可以大批量生產,高檔晶元對中國封鎖。價格極其昂貴。美軍現裝夜視設備:坦克車上的車長和炮長的夜視設備都是微光和熱像同時使用。
夜視技術 -夜視畫面評測標準
第一等級是「發現」,指大致知道目標形態,從畫面上僅僅能判斷目標是否存在;
第二等級是「識別」,指發現目標較為細緻,能夠辨識目標,例如是人還是車,是大炮還是飛機;
第三等級是「確認」,能較為詳細地區分目標,能從同一類目標中指出其所屬類型,例如車輛是卡車還是公共汽車,房子是住宅還是工廠;
第四等級是「描述」,能更為細緻地知道目標的具體形狀,識別目標的特徵和細節。例如能指出飛機、汽車的型號和艦船上的裝備,明確區分主要物體和附屬物等。
在這四個等級中,「發現」要求的圖像解析度最低,圖像雜訊容忍度最大,「描述」所要求的圖像解析度最高,圖像雜訊容忍度最小。
夜視技術 -紫外線技術與紅外線技術比較
1. 等輻射強度的紫外線的能量比紅外線要大許多。當其作用在 CCD上,量子能量轉換顯然要比相同照度的紅外線要大4~6倍。
2. 紫外線有熒光效應。有增光的效應,非常奇妙。
3. 紫外線的燈沒有紫曝,符合人類的視覺生理特性,很容易隱蔽。不像紅外燈,總有紅曝現象。
4. 紫外燈多數是冷光源,壽命長,安全性好。不像紅外燈,總是要考慮散熱問題。 特別在倉庫,夏天等比較特殊的場合環境中。
5. 紫外線監視還有一個特別的東西:可以採用熒光物質標記目標。這個是紅外線所不具備的。
以上所述,以 100 米內距離為靶。

夜視技術 -為何捨棄紫外線
1. 紫外的波長比較短,散射現象嚴重。夜間有效距離不遠。最多500米。
2. 紫外光照明有比較強的生物損傷。不可以在公共場合長期使用。高強度紫外照射會對人體造成不適。 高強度紫外線會有臭氧產生,容易嗅覺暴露。
3. 紫外燈的製造價格遠比紅外的高。舉個例子:紅外激光地攤上都有買的,但是有幾個人見過紫外激光器?
4. 紫外鏡頭的製造難度極大。波長短,折射效應非常明顯,要保證高質量的圖像,在技術的上非常難解決。紫外監視需要特種鏡頭,不容易普及。
5. 深紫外光學材料很難找,僅有的幾種價格都是以克為計量單位計算價格的。

夜視技術 -夜視儀使用
夜視儀是一種特殊的光學電子設備,除了一般光電設備共有的特點外,在使用中一定要注意:
1. 無論何時何地, 不可以把夜視儀對著強烈光源。儘管現在對攝像機已經作了技術保護,但是對於攝像機來說,強光的損害是累積的。可能當時看不出機器有損壞,但是對攝像機的壽命是絕對有影響的。
2.  避免強烈溫度變化。
3.  避免腐蝕性氣體侵害。
4.  注意防止沙塵。
5.  避免濕度變化造成在設備表面結露,發現后立即清除。 
6.  無論何時都應該避免強烈震動。 
夜視技術 -夜視儀維護保養
1. 如果有可能,每天應檢查避光罩。如果沒有必要,可以定期檢查並記錄。
2. 定期檢查溫度保護系統(大型)。
3. 外殼定期清洗。
4. 根據使用情況,定期除塵。工具:吸塵器,毛刷,皮吹,鏡頭布。千萬不要用水擦鏡頭!
5. 在使用時一定注意下雨、結露等水汽變化。不要等水氣沾上了鏡頭再採取措施。 
6. 大型夜視儀使用中注意連接,不能有跌落、碰撞情況發生的可能。
7. 大型的夜視儀要定期檢查傳動系統,液壓系統。
8. 大型的夜視儀要定期檢查防雷擊系統。
夜視技術 -國外概況

1、微光夜視技術目前,微光夜視儀在國外正廣泛裝備部隊。它分為像增強微光夜視技術(直接觀察)和微光電視(間接觀察)兩種。

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  (1) 像增強技術
  像增強微光夜視技術是通過帶增強管的夜視鏡,對夜天光照亮的微弱目標像進行增強,以供觀察的光電成像技術。其工作原理為:首先將進行光電轉換,然後用微通道版(MCP)增強電子信號,最後進行電光轉換。
  在50-60年代,由於多鹼光電陰極、光纖面板、微通道板(MCP)和負電子親和力(NEA)光電陰極的誕生,該技術迅速發展起來。由於它克服了主動紅外夜視的致命弱點,所以,它一出現,便成為夜視領域的發展重點。它逐漸代替了較早應用的主動紅外夜視技術,佔據著統治地位。迄今為止,已發展到第三代。第一代產品於60年代初期開始發展,它採用光電陰極、光纖面板耦合的級聯式像增強管,1966年美軍在侵越戰場使用,於70年進行批量生產,裝備部隊。第二代產品於七十年代初期開始發展,採用多鹼光電陰極和微通道板(MCP)的像增強管,目前,美、英、法、德、荷蘭、以色列等許多技術先進國家都能生產第二代產品,自80年代以後,這些國家基本上用第二代取代了第一代產品。第三代產品於70年代初期開始研究,自80年代末美軍開始裝備,美國研製的第三代產品目前只限於向北約、韓國、日本、以色列和澳大利亞出售。

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目前美軍已裝備和即將裝備的主要微光夜視裝備如下:
航空應用

  AN/AVS-6型飛行員夜視鏡,研製公司為Bell Hawell,視場40o,美陸軍先後通過"奧米尼巴斯"採辦計劃(OminibusⅠ,omnibusⅡ,OmnibusⅢ,Omnibus Ⅳ),進行過四次採辦,每次採辦,性能都有所改進。目前正大量裝備陸軍航空部隊,用於固定翼飛機或直升機。其中,OmniBus Ⅳ計劃由ITT承包,負責提供改進的AN/AVS-6,改后的AN/AVS-6的核心部分為ITT研製的MX-10160像增強管,這種第三代像增強管使用最新砷化鎵技術,工作於近紅外區,代替了早期(Omnibus Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ)系統的像增強管,使分辯率提高78%,光靈敏度提高80%,信噪比提高30%,探測距離也大大提高,在星光和更暗的夜光下也能看清物體。

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  ITT也研製和生產AN/AVS-9型(前身為F4949)夜視鏡,安裝在固定翼飛機飛行員的頭盔上。
  美國和以色列聯合提供的AN/AVS-7型夜視飛行圖像系統/平視顯示器(ANVIS/HUD),是對AN/AVS-6型的改進。該系統安裝在飛行員護目鏡上部兩側,以獲取關鍵飛行信息,並傳輸至護目鏡,和護目鏡的圖像疊加后,飛行員可看到綜合夜景和關鍵飛行數據符號體系。配備該裝置后,飛行員低頭看儀錶的時間大大減少,而平視擋風玻璃的時間大大增加。美陸軍原計劃部署1904部這種系統,到目前為止,已得到大約1800部,目前,正在進一步改進這種系統,以和UH-60A/L和CH-47D平台所使用的改進型全球定位系統(GPS)相兼容。計劃今年9月份,將有1200部這種系統進一步升級為"高級平視顯示器",以取得現場可編程能力、錄像能力和更快的反應速度。該系統也用於美海軍陸戰隊。

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地面部隊應用

  美陸軍地面部隊用的新一代在役夜視裝置主要為單筒眼鏡,如由ITT公司提供的AN/PVS-7D和當前最先進的AN/PVS-14。AN/PVS-14結合了第三代"超級" MX-10160型無源像增強管和航空用夜視鏡AN/AVS-6的優點,有助於增強觀察、指揮和控制能力,它比AN/PVS-7D分辯率更高(1.3圈/微弧度,而AN/PVS-7D為1.15)、重量更輕(0.4公斤,而AN/PVS-7D為0.68公斤),步兵作戰小組指揮員使用起來更加靈活可戴到頭上, 觀察距離也大大增加。1996年,ITT和Litton兩公司跟美國陸軍通信-電子司令部研究、發展和工程中心所屬的夜視和電子感測器委員會(NVESD)簽訂了Omnibus(OMNI) Ⅴ共同生產合同,來生產AN/PVS-14裝置。迄今為止,AN/PVS-14裝置已部署了大約3000部。預期到2000年時,ITT公司將向美陸軍交付3萬部這種裝置。Omnibus Ⅴ還繼續為地面戰鬥應用生產先進的 AN/PVS-7D單管夜視護目鏡和Litton公司建議的先進的I2改進型AN/AVS-6飛行員護目鏡,這些工作希望在2001年3月31日前完成。據Litton公司的首席執行官稱,該項目通過適當的改進延長了數千個野外系統的壽命,同時大大地提高了夜視系統的性能。

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  第三代像增強管也是AN/PVS-10狙擊手夜晚瞄準具和改進型晝/夜火控和觀察裝置的必要組成部分。該增強管的採辦由陸軍特種作戰司令部負責,以向特種部隊提供實時可見的像增強(I2)圖像,既可用於中型和重型阻擊步槍瞄準,也可用於戰略偵察。

  第三代像增強(I2)管也用於改進許多現役系統。例如,用於將70年代服役的AN/PVS-4型武器瞄準具改進為當前的AN/PVS-4A型,到目前為止,已改進了1000多個,計劃最終要改進5000多個。覆行全球作戰任務的一些美軍作戰部隊不久也將把"目標定位和觀察系統(TLOS)" 裝配於其M-16系列步槍上。這種系統裝有一個第三代門控像增強管、兩個視域物鏡和一個激光發光器。該系統使用近紅外低能激光來直接獲取目標光電信息。該裝置不具有激光對抗能力,但可獲取無源式目標信息、提供夜晚隱蔽發光和直接射擊瞄準。

  英國精密儀器公司向德國聯邦國防軍提供的新型G22狙擊步槍的夜晚瞄準具使用二代半像增強管(型號為NSV80 Ⅱ),可在漆黑的夜晚清楚地發現目標。該瞄準具安排在標準的光學瞄準鏡前面特製的韋弗(Weaver)式導軌上,射手可隨意確定眼睛和瞄具的距離,隨意調整分划,不改變瞄準點位置,在數秒鐘后又可實施射擊。

  技術難點和途徑

  目前,國外像增強夜視儀存在兩方面的技術局限:(1)當明亮的光照在這種夜視儀上會造成遠處或附近的微光圖像丟失;(2)像增強管使用平面式成像面( 即位於焦平面上的為平面式微通道板),這樣會造成光畸變,使目前為部隊所使用的夜視儀的視域最多為400×400,且人眼難以適應。

  美國洛斯·阿拉莫斯實驗室正採用如下途徑來解決上述問題:(1)將微通道板(MCP)分割成不同的電子區域(MCP的5%),對每個電子區域使用各自的自動增益控制(AGC)電路。亮光只通過部分電子區域及其AGC,這樣,夜視儀在受到明亮的光照射的情況下仍能看清亮光後面模糊背景中的物體。微通道分割可用激光碾磨或"選擇區域"沉積(如平版印刷術)等工藝完成;(2)使用弧形微通道板來代替平面式微通道板,這種弧形微通道板目前用於ALEXIS宇宙飛船的X射線望遠鏡上,這樣開發出來的夜視儀為每隻眼提供的視域將至少為600×600,當級聯使用時,可提供900(水平)×600(垂直)的視域,為目前水平的3倍多,同時,人眼更容易適應,長期使用時,大大減少眼睛和頸部疲勞。

  (2)微光電視
  微光電視是像增強管和電視攝像管相結合的微光夜視系統。它誕生於四十年代,七十年才迅速發展起來。它具有成像面積大、直觀性強、連續性、遠距離多點多人觀察等優點,目益廣泛地用於監視、偵察、探測、制導、跟蹤等方面, 國外已裝備30餘 種。典型產品有法國的坦克用的 "卡納斯特 "微光電視系統 、美國的直機用UVR-700 型晝夜兩用電視跟蹤系統、英國的海軍用 V0084型微光電視系統 、瑞士的2704型遠距離 ( 觀察距離為10公里 ) 微光電視攝像機等 。
  目前的微光夜視裝置僅能提供單色的圖像,而利用彩色圖像會有助於目標 識別,使識別速度提高30 %,識別錯誤減少60%, 因此彩色微光夜視技術已受到關注。
  美國Delft感測器系統公司採用光譜響應不同的兩隻像增強器管觀察同一場景,利用它們間的差別,通過濾光和特殊的電子處理技術,來產生彩色圖像。
  麻省理工學院林肯實驗室則將微光圖像和紅外熱像相結合,產生彩色圖像。林肯實驗室設計的小型彩色夜視系統採用與三代像增強器耦合的電荷耦合器件(CCD)獲得微光圖像,又用非致冷熱成像陣列獲得紅外熱像,然後用二向色分光鏡進行匹配和圖像處理器處理,在液晶顯示器上顯示出逼真的彩色圖像。
  美國伍德監視技術公司研製出全彩色夜視攝像機。該攝像機的每一個原色有一個增強型CCD晶元,並採用了視頻增強技術,從而獲得了類似於廣播級攝像機的彩色圖像。
  俄羅斯的喀山光學和機械廠正在研製的彩色夜視系統,可將接收的不 同的紅外頻率轉換彩色圖像,估計幾年後可推入市場。
  2、紅外夜視成像技術
  紅外夜視技術先後經歷了早期的主動紅外夜視成像技術和現在的被動紅外(熱成像)技術。紅外探測器最早是用單元探測器,後來為了提高靈敏度和分辯率而發展為多元線列探測器,現已向多元面陣紅外探測器發展。相應的系統已實現了從點探測到目標熱成像的飛躍。

  (1)主動紅外像轉換技術(近紅外區)。
  這種技術是利用光電圖像轉換原理來實現夜間觀察的。這類儀器包括紅外光源和含有變像管的夜視鏡兩大部分。紅外光源照射目標,夜視鏡將不可見光紅外像轉換成可見像。這類技術於三十代未期開始研究,二戰中得到發展與應用。裝有主動紅外夜視儀的步槍瞄準鏡廣泛地用於太平洋戰場上。六十代前後,該技術趨於成熟,觀察距離可達3000米,后廣泛裝備部隊,但因其具有靈敏度低、熱發射大、耗電多、體大、量重、觀察距離有限以及易於暴露的致命弱點,因此,逐漸被以後發展的夜視技術所取代,現在只有少數國家有小數量的裝備。
  (2) 被動紅外夜視技術(中、遠紅外區)
  紅外熱像儀是一種最有發展前途的紅外探測器,代表著夜視器材的發展方向。它採用一種內光電效應半導體器件作探測器,將景物的輻射圖像轉換成電荷圖像,經信息處理后,由顯示器件轉換成可見圖像。一些典型型號包括:
  美國Raytheon系統公司為美陸軍研製的ANS/PAS-13 型"熱力武器瞄準器(TWS)" 是乞今為止最為先進的被動紅外夜視設備 ,這是一種使用第二代前視紅外技術的熱成像瞄準系統。這種系統使用的技術包括:用於小型望遠鏡遠距離目標獲取的高靈敏度碲化鎘焦平面技術;以高級塑料作外殼的輕質、高傳輸率二元光學部件;小體積、低功耗的超大規模集成電路(VLSI)電子部件;無聲操作、高可靠性、拇指大小的熱電致冷器;低功耗、高亮度發光二極體(LED)顯示;適用於
  1、 贏得有效夜戰時間
  夜間和不良天氣佔全年時間的比例相當大,夜視裝備使夜間變得透明,大大延長了有效作戰時間。紅外夜視器材分辯率高,具有探測掠海飛行目標的優勢。艦載跟蹤用紅外熱像儀既可用於為發射導彈提供目標數據,還可用於探測敵方掠海飛行導彈。配備熱成像設備在內的光電火控系統,便於識別目標並縮短武器系統的反應時間。
  2、 確立了夜戰的軍事地位
  西方發達國家隨著三軍大量裝備夜視裝備,已將主宰夜晚作戰作為制勝策略。
  3、 倍增武器效能
  夜視技術與武器裝備相結合將大大提高武器裝備在夜間和不良天氣下區獲取信息、實施打擊、指揮部隊、機動兵力和協同作戰的效能。
  4、 減少飛行事故
 通過在飛機上使用配備前視紅外攝像機的導航吊倉和讓飛行員配戴裝有夜視鏡的護目鏡,可大大減少航空事故。
 

【影響】
  1、 贏得有效夜戰時間
  夜間和不良天氣佔全年時間的比例相當大,夜視裝備使夜間變得透明,大大延長了有效作戰時間。紅外夜視器材分辯率高,具有探測掠海飛行目標的優勢。艦載跟蹤用紅外熱像儀既可用於為發射導彈提供目標數據,還可用於探測敵方掠海飛行導彈。配備熱成像設備在內的光電火控系統,便於識別目標並縮短武器系統的反應時間。
  2、 確立了夜戰的軍事地位
  西方發達國家隨著三軍大量裝備夜視裝備,已將主宰夜晚作戰作為制勝策略。
  3、 倍增武器效能
  夜視技術與武器裝備相結合將大大提高武器裝備在夜間和不良天氣下區獲取信息、實施打擊、指揮部隊、機動兵力和協同作戰的效能。
  4、 減少飛行事故
 通過在飛機上使用配備前視紅外攝像機的導航吊倉和讓飛行員配戴裝有夜視鏡的護目鏡,可大大減少航空事故。

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