红外探测技术的应用

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1、红外探测技术的应用摘要：红外探测技术广泛应用于生活与科技的方方面面，不过红外技 术的发展也经历了一个比较漫长的过程，从发现到应用，都是一点一 丁的积累的。在这个过程中，红外技术也慢慢改变，极大方便人们的 生活。关键词：红外探测技术；应用；发展趋势一、引言红外辐射是波长介于可见光与微波之间的电磁波辐射，人眼察觉不到。要 察觉这种辐射的存在并测量其强弱，必须把它转变成可以察觉和测量的其他物 理量。一般说来，红外辐射照射物体所引起的任何效应，只要效果可以测量而 且足够灵敏，均可用来度量红外辐射的强弱。现代红外探测器所利用的主要是 红外热效应和光电效应。这些效应的输出大都是电量，或者可用适当的方法转

2、变成电量。红外探测技术是利用目标辐射的红外线来搜索、探测和跟踪目标的 一门高技术。由于红外探测器环境适应性好、隐蔽性好、抗干扰能力强、能在一定程度 上识别伪装目标，且具有设备体积小、重量轻、功耗低等特点，所以在军事， 医疗，工程等领域都得到广泛的应用。二、红外探测的发展历史发展过程：温度计=热电偶电堆“则辐射热计1800 年, 英国人赫婿尔用水银温度计发现红外辐射。1821 年, 塞贝克发现温差电效应, 之后把热电偶、热电堆用于红外探测器。1859 年, 基尔霍夫提出有关物体热辐射吸收与发射关系的定律。18791884年，斯特番玻尔兹曼提出了有关绝对黑体总辐射能量与其绝对 温度之间关系的定律。

3、1893 年, 维恩推出黑体分布的峰值与其温度之间关系的位移定律。1900 年, 普朗克发表能量子模型和黑体辐射定律 , 导出黑体光谱辐射出射 度随温度和波长变化的关系式。上述这些工作为红外技术的发展奠定了坚实的理 论基础。在19101920年的10年中，出现了探测舰船、飞机、炮兵阵地和冰山等 目标的红外装置, 发展了通信、保安、红外测温等设备。二战期间, 出现了红外 变像管、光子探测器等, 开创了夜视技术。19521953 年, 美国研制出世界上最 早的热像仪,1956 年长波热像仪问世, 随后, 1964 年美国 TI 公司研制的热像仪 成功地用在越南战场上。近 20 年来, 红外技术得到

4、了迅猛发展, 不仅用于机载前视红外, 而且也出 现了大量的红外侦查搜索跟踪系统( IRST) ; 在天基红外方面, 天基红外相机蓬勃 发展, 如哈勃太空望远镜, 其中的 WFC3 型红外相机是一种比较新的星载相机 ; 又如我国发射的风云系列气象卫星, 正在发挥着重要作用。1三、红外探测技术的原理任何物体在常规环境下都会由于自身分子原子运动不停地辐射出红外能量， 分子和原子的运动愈剧烈，辐射的能量愈大，反之，辐射的能量愈些。温度在绝 对零度以上的物体，都会因自身的分子运动而辐射出红外线。物体的温度越高， 辐射出的红外线越多。物体在辐射红外线的同时，也在吸收红外线，物体吸收了 红外线后自身温度就升

5、高。红外线其实是无处不在的。光辉的太阳、燃烧的蜡烛、 炽热的火炉固然会发出我们肉眼看不到的红外线；任何物体，只要它的温度比零 下 273 度高，就无一例外地发射出红外线。2红外探测器是将入射的红外辐射信号转变成电信号输出的器件。红外辐射是 波长介于可见光与微波之间的电磁波，人眼察觉不到。要察觉这种辐射的存在并 测量其强弱，必须把它转变成可以察觉和测量的其他物理量。一般说来，红外辐 射照射物体所引起的任何效应，只要效果可以测量而且足够灵敏，均可用来度量 红外辐射的强弱。现代红外探测器所利用的主要是红外热效应和光电效应。这些 效应的输出大都是电量，或者可用适当的方法转变成电量。3四、红外探测技术的

6、应用1、生活上的应用在日常生活中，我们经常会看到感应灯，感应水龙头，感应开关等等，这些 应用很广泛,比如家庭楼道、小区、酒店、公共洗手间。实际上，这些都是利用 了红外探测技术做成的。下面我们以感应灯为例，详细介绍下它的工作原理以及 特性。红外感应灯是一种靠感应人体的红外热辐射，检测光环境状态，通过内置延 时开关，对灯具进行开启和关闭的新一代智能型照明灯具，又叫人体感应灯。红外感应灯内置三大功能模块，(1)红外线感应模块。(2)光感应模块。(3)延 时开关模块。在 LED 红外感应灯的这三大模块中，光感应模块首先检测光线的强 度，决定是否将 LED 红外感应灯的各模块待命和锁定。有两种情况：(1

7、)白天或 光线比较强时，光感应模块根据感应值锁定红外感应模块和延时开关模块。 (2) 晚上或光线比较暗时，光感应模块根据感应值，将红外感应模块和延时开关模块 处于待命状态。这个时候，如果有人体进入灯具的感应范围内活动，红外感应模 块将启动并检测到信号，信号触发延时开关模块开启LED红外感应灯。如果人持 续的在其范围内活动，LED人体感应灯将常亮，当人离开其范围后，已无红外感 应信号，延时开关在60秒的设定值内自动关闭LED红外感应灯。各个模块回到 待命状态，等待下一个周期。4人来灯亮、人走灯灭是红外感应要最大的特点。就目前来讲，节能减排，绿 色经济是社会的主题，感应灯的大规模应用带来的经济效益

8、与社会效益都是巨大 的。不仅仅在感应灯，红外探测技术在其他方面的应用，同样有着巨大的作用以 及效益。军事上的应用 第二次世界大战后，特别是70年代以后，随着世界新技术革命的深入发展， 涌现出了以信息技术、生物技术、新材料技术、新能源技术、空间技术、海洋开 发技术等为主体的一大批高新技术。这些高技术广泛应用于军事领域，使武器装 备产生质变，其杀伤威力、命中精度、机动能力等作战效能空前提高，进而改变 了战争的原有形态,使战争呈现高技术特征。而红外探测技术作为一种高新技术 在军事上有着广泛的应用。红外探测技术在军事上的应用主要有红外侦查，红外隐身，红外制导等。 红外探测技术在红外侦查中的应用在夜视仪

9、上得到充分体现。根据前面的 理论介绍，我们不难设想，如果我们能过“看”到红外线，那么我们会看到一个 光亮的世界，每一个物体都在发光。不过，如果某个物体温度比环境的温度高， 它可能会更亮一些。因此人们想到了在夜间没有可见光光源的情况下，可以采用 红外线成像，并采用特殊的手段使红外图像变成人眼可以看到的可见光图像，就 是夜视仪。早在二次大战的后期，在美军登陆进攻日本冲绳岛的战争中，红外夜 视仪初露锋芒，把鬼鬼祟祟偷袭的日本兵看得真真切切，打得落花流水。5“响 尾蛇”也是红外线在军事上的典型应用。另外，通过测量物体的红外辐射的强度 或者测量物体辐射出的各种波长红外光的比例，可以判断物体的温度。根据这

10、个 原理研制出了工业用的红外测温仪。如图，一只狗的红外线照片获得战场上的单向透明性，即获得战场信息优势，是获得战争主动权的关 键因素之一，为达到此目的，红外系统现已是发达国家的陆、海、空、天各类武 器系统中不可缺少的、甚至是主要的传感器。红外隐身技术又称“低可探测技术”,是通过降低武器装备等目标的信号特 征 , 使其难以被发现、识别、跟踪和攻击的技术。红外隐身术隐蔽的信息是目标 （如飞机、导弹等） 的相对辐射能级与红外辐 射特征 ,隐蔽信息的中心是目标的红外辐射强度和辐射波段。尽管为达到红外隐 身的目的采取了许多技术措施 , 但它们主要为三个方面的技术 : 改变红外辐射 波段、降低红外辐射强度

11、和调节红外辐射的传输过程。此外还可采用红外干扰措 施 , 如用红外干扰信号 , 投放红外诱饵等。 6 目前 , 红外隐身术的重要性仅次 于雷达隐身术 , 因而受到各国的高度重视 , 并取得了一系列重要进展。据报道 , 如果在飞行器上采用上述综合红外隐身措施 , 则可以抑制 90 %以上的红外辐 射。红外制导技术是利用目标本身的红外辐射来引导导弹自动接近目标，以提高 命中率。红外制导是当前空空、空地、地空、反坦克导弹等普遍采用的工作方式。据不完全统计，目前各国已生产和试制的红外制导导弹已超过 50 种。红外焦平面陈列制导技术具有识别各类诱饵的能力，从而对真目标有较高的命中率。陀螺仪导引头电子 装

12、置控制 系统战斗部红外感应 引信发动机红外成像制导是利用红外探测器探测目标的红外辐射 ,以捕获目标红外图象 的制导技术,其图象质量与电视相近,但却可在电视制导系统难以工作的夜间和低 能见度下作战。红外成像制导技术已成为制导技术的一个主要发展方向。实现红 外成像的途径有许多，主要有以下两种：（1）多元红外探测器线阵扫描成像制导； （2）多元红外探测器平面阵的非扫描成像探测器（通常称为凝视焦面阵红外成 像制导系统）。与非成像制导技术相比，红外成像制导系统具有更好的目标识别 能力和制导精度。全天候作战能力和抗干扰能力也有较大改善。但成本较高，全 天候作战能力仍不如微波和毫米波制导系统。在天文地理上的

13、应用由于红外线穿透云雾的能力比较强，利用灵敏的红外传感器可以在很远的距 离以外探测物体发出的红外线，再经仪器的处理，可以显示出被测物体的形状和 特征，这叫做红外遥感。利用卫星进行红外遥感，可以实施对地球勘测，寻找水 源、监视森林火灾、估测大面积农作物的长势和收成，天气预报、预报风暴、寒 潮和沙尘暴，甚至预报地震等。俄罗斯克柳切夫斯科伊火山喷发熔岩的红外线图像。热红外线辐射技术可以拍摄人类肉眼不能看见的红外线图像，以帮助科学家 跟踪世界 1500 座活火山里面和周边所出现的致命热能。从这些图像获得的数据 可以在危险到来之前提醒人们火山将会爆发，此技术或许有一天能让科学家更好 地预测火山爆发。因红

14、外线光波的波长比可见光长，它可以帮助我们看到肉眼观察不到的事 物。利用红外线照相机，人们可以超越空间的限制进行各种天文研究。其不但拥 有无与伦比的宽阔视野，而且还具有极高的分辨率。通过它的帮助，天文学家们 将有可能找到那些位于遥远地区的微弱星体和银河系中距离我们最遥远的陌生 天体。在医疗上的应用人身体上有病变的组织和正常组织的温度会有所不同，利用红外探测技术可 以区分出他们之间的微小差别，因而可以很方便的探测到人体的病变部位，如图 所示。Skin Cancera) 显示出鼻尖由于皮肤癌新陈代谢快而导致温度比周围健康组织高(b)正常鼻子的图象，通常鼻子耳朵是脸上凸出部位而比其它地方要稍冷些。五、

15、红外探测技术的发展红外探测技术的飞速发展得益于军事领域的有效应用，因此，未来红外探测 技术的发展必定是以军事为主的发展方向。1、高分辨率探测技术红外隐身技术在军事上的应用，导致越来越多的战争目标的红外特征并不明 显，因此需要发展高分辨探测技术，保证武器系统能在远距离准确识别隐身目标。 高分辨探测技术的发展主要是提高探测系统的温度分辨力和空间分辨力。探测系 统的温度分辨力，一方面取决于高灵敏度探测器，另一方面取决于大的通光孔径、 高透过率光学系统和低的预处理电路噪声。提高空间分辨力主要有三条技术途径：一是采用变焦距光学系统，二是采用 新型焦平面阵列红外探测器，三是采用超分辨率技术。变焦距光学系统

16、可以有效地兼顾大视场和小的单元瞬时视场的需求。目前多 档变焦技术较为成熟，其优点是结构较简单，但缺点是机械结构占据空间较大， 焦距调整范围有限，且在换档过程前后信息处理系统记录的目标特征会有较大变 化，给连续跟踪目标带来一定困难。目前连续变焦技术已经在监视系统中得到了 应用，能够弥补多档变焦技术的不足，但缺点是变焦响应速度较慢，结构较为复 杂。通过增大焦平面阵列探测器的规模，可以有效地提高空间分辨率。2、低成本红外探测技术红外探测器在红外探测系统的成本中占有较大的份额。传统的红外探测器价 格较为昂贵，一方面制约了其在民用产品上的推广，另一方面造成红外制导武器 价格不菲，给军事部门带来较大的经济

17、压力。因此低成本红外探测技术得到越来 越多的重视。3、复合探测由于红外焦平面阵列技术已由单像元单色发展到双色, 并向三色、四色的方 向发展, 预计年前将获得超光谱应用的能力。目前双色凝视焦平面阵列的野外测 试已在进行。同时采用光谱滤波器线阵多色焦平面可实现覆盖可见光到长波红外 的探测,其光谱段已可多达数十个到数百个。美国波音飞机公司电子系统和导弹 防御部在这方面的研究已取得了很大的进展，波音0罗克威尔的遥感器用 HgCdTe多光谱红外焦平面PACE1已达1024X1024元，Haw aii2采用2048X2048元阵列已研制出来，其像元尺寸小达18X18Lm2。采用雷达、红外、紫外、激光等技术

18、的综合型复合光电探测器系统, 并不断 拓展其响应频谱范围, 降低虚警率和提高多传感器数据融合能力, 才能满足未来 战场的需要。例如, 美国空军研制的复合告警器, 可同时探测红外、可见光、紫 外及射频威胁。 7六、总结在半个多世纪的发展历程中，得到了突飞猛进的发展。现阶段的红外探测器 种类繁多，量子阱、超晶格、非制冷等测器也开始逐步实用化，也促使红外系统 的成本逐步降低，应用领域也逐步扩大。预计未来红外探测技术仍然会沿着高性 能、低成本、小型化的方向发展，用不同的产品满足军用和民用的不同要求。 参考文献1 葛文奇红外探测技术的进展、应用及发展趋势J.光机电信息.2007(04)2 袁华,王召巴.红外探测技术的原理及发展前景J.信息科技.2008(04)3 鲍可庆.红外技术探测原理及其在工业消防领域的应用J.河南科技.2013(04)4 李波.家用智能热释电红外感应灯的功能原理及检修J.新课程学习.2012(12)5 激素君，张海元.穿过黑暗的那只眼之夜视仪大起底J.移动信息.2013 (04)6 刘默伟，李航.红外隐身技术的发展分析J.舰船电子工程.2009(05)7 王大海，梁宏光，邱娜，徐世录红外探测技术的应用与分析J.红外与激光工程.2007(s4)