紅外技術概述

日期:2013-10-30 點擊數:300

英文名稱;Infrared Technique 檢索詞:紅外技術;紅外探測器;紅外系統技術類別:信息系統技術;探測技術;

[定義]

研究紅外輻射的產生、傳播、轉化、測量及其應用的技術科學。任何物體的紅外輻射包括介于可見光與微波之間的電磁波段。通常人們又把紅外輻射稱為紅外光、紅外線。

實際上其波段是指其波長約在0.75微米到1000微米的電磁波。通常人們將其劃分為近、中、遠紅外三部分。近紅外指波長為0.75~3.0微米;中紅外指波長為3.0~20微米;

遠紅外則指波長為20~1000微米。在光譜學中,波段的劃分方法尚不統一,也有人將0.75~3.0微米、3.0~40微米和40~1000微米作為近紅外、中紅外和遠紅外波段。另外,由于大氣對紅外輻射的吸收,只留下三個重要的"窗口"區,即1~3微米、3~5微米和8~13微米可讓紅外輻射通過,因而在軍事應用上,又分別將這三個波段稱為近紅外、中紅外和遠紅外。

8~13微米還稱為熱波段。紅外技術的內容包含四個主要部分:1.紅外輻射的性質,其中有受熱物體所發射的輻射在光譜、強度和方向的分布;輻射在媒質中的傳播特性--反射、折射、衍射和散射;熱電效應和光電效應等。2.紅外元件、部件的研制,包括輻射源、微型制冷器、紅外窗口材料和濾光電等。3.把各種紅外元、部件構成系統的光學、電子學和精密機械。4.紅外技術在軍事上和國民經濟中的應用。由此可見,紅外技術的研究涉及的范圍相當廣泛,既有目標的紅外輻射特性,背景特性,又有紅外元、部件及系統;既有材料問題,又有應用問題。

[相關技術]

探測技術;精確制導技術;光電子技術;先進材料技術

[技術難點]

紅外技術的發展關鍵在于紅外材料的研制、紅外設備的制冷、紅外設備向更長波段發展、紅外焦平面陣列器件的研制和紅外設備與數據處理設備的結合等。

[國外概況]

自從1800年英國天文學家F·W·赫歇爾發現紅外輻射至今,紅外技術的發展經歷了將近兩個世紀。從那時開始,紅外輻射和紅外元件、部件的科學研究逐步發展,但發展比較緩慢,直到1940年前后才真正出現現代的紅外技術。當時,德國研制成硫化鉛和幾種紅外透射材料,利用這些元、部件制成一些軍用紅外系統,如高射炮用導向儀、海岸用船舶偵察儀、船舶探測和跟蹤系統,機載轟炸機探測儀和火控系統等等。其中有些達到實驗室試驗階段,有些已小批量生產,但都未來得及實際使用。此后,美國、英國、前蘇聯等國競相發展。特別是美國,大力研究紅外技術在軍事方面的應用。

目前,美國將紅外技術應用于單兵裝備、裝甲車輛、航空和航天的偵察監視、預警、跟蹤以及武器制導等各個領域。

紅外技術發展的先導是紅外探測器的發展。1800年,F·W·赫歇爾發現紅外輻射時使用的是水銀溫度計,這是最原始的熱敏型紅外探測器。1830年以后,相繼研制出溫差電偶的熱敏探測器、測輻射熱計等。在1940年以前,研制成的紅外探測器主要是熱敏型探測器。

19世紀,科學家們使用熱敏型紅外探測器,認識了紅外輻射的特性及其規律,證明了紅外線與可見光具有相同的物理性質,遵守相同的規律。它們都是電磁波之一,具有波動性,其傳播速度都是光速、波長是它們的特征參數并可以測量。

20世紀初開始,測量了大量的有機物質和無機物質的吸收、發射和反射光譜,證明了紅外技術在物質分析中的價值。

30年代,首次出現紅外光譜代,以后,它發展成在物質分析中不可缺少的儀器。

40年代初,光電型紅外探測器問世,以硫化鉛紅外探測器為代表的這類探測器,其性能優良、結構牢靠。

50年代,半導體物理學的迅速發展,使光電型紅外探測器得到新的推動。

到60年初期,對于1~3、3~5和8~13微米三個重要的大氣窗口都有了性能優良的紅外探測器。在同一時期內,固體物理、光學、電子學、精密機械和微型致冷器等方面的發展,使紅外技術在軍、民兩用方面都得到了廣泛的應用。

從60年代中葉起,紅外探測器和系統的發展體現了紅外技術的現狀及發展方向。

1.在1~14微米范圍內的探測器已從單元發展到多元,從多元發展到焦平面陣列。紅外探測器最早是用單元探測器,為了提高靈敏度和分辨率,后來發展為多元線列探測器。多元線列探測器先后掃過(串掃)同一目標時,它輸出的信噪比可比單元探測器高n(開平方)倍,n為元數。如果多元線列探測器平行掃過(平掃)目標時,則可獲得目標輻射的一維分布。以線列探測器為基礎的紅外探測系統,大都安裝在飛機或衛星遙感平臺上,平臺的前進運動垂直于線列作為第二維時,就可得到目標輻射的分布圖像。現在,紅外探測器已從多元發展到焦平面陣列,相應的系統已實現了從點探測到目標熱成像的飛躍。紅外熱成像儀是一種最有發展前途的設備,代表著夜視器材的發展方向,它用焦平面陣列取代了光機掃描結構。

目前,長波碲鎘汞(HgCdTe)探測器面陣已達640×480元,焦平面陣列探測器的實驗室水平已達256×256元,預計到2000年可達到百萬元。

2.紅外探測器的工作波段從近紅外擴展到遠紅外。

早期的紅外探測器通常工作在近紅外。隨著紅外技術的發展,紅外探測器的工作波段已擴展到中紅外和遠紅外,例如,美國國防高級研究計劃局提出了一項超波譜地雷探測計劃,目的是為了提供一種安全有效地探測地雷的方法。該計劃采用空間調制成像傅里葉變換光譜儀,這是一種紅外傳感器,它已在直升機上進行了近、中波段的試驗,下一步計劃把工作波段延伸到遠紅外。遠紅外已經成為科學家們關注的重點。

3.輕小型化。非致冷、集成式、大面陣紅外探測器方向發展。采用低溫制冷技術,是為了提高紅外探測器件的靈敏度和輸出信號的信噪比,使其具有良好的性能,但它也使紅外探測器體積大、成本高。為了實現小型化,必須減少制冷設備和相關電源,因此,高效小型制冷器和無需制冷的紅外探測器將是今后的發展方向。如采用非致冷工作的紅外焦平面陣列技術,不僅可使系統成本降低2個數量級,而且可以使體積、重量和功耗也將大大減少。此外,利用材料電子計算機和微電子方面的最新技術,可使紅外探測器與具有一定數據處理能力的數據處理設備相結合,使其輕集成化、大面陣、焦平面化方向發展,以提高其性能,實現對室溫目標的探測。

4.紅外探測系統從單波段向多波段發展。正如前面所述:在大氣環境中,目標的紅外輻射只能在1~3、3~5和8~13微米三個大氣窗口內才能有效地傳輸。如果一個紅外探測系統能在兩個或多個波段上獲取目標信息,那么這個系統就可更精確、更可靠地獲取更多的目標信息,提高對目標的探測效果,降低預警系統的虛警概率,提高系統的搜索和跟蹤性能,適用更多的應用需求,更好地滿足各軍兵種的需要。目前,多波段的紅外探測系統已經研制成功,如法國和瑞典聯合研制的"博納斯"末敏子彈藥,就采用了多波段紅外探測系統探測目標。

在紅外技術的發展中,需要特別指出的是:60年代激光的出現極大地影響了紅外技術的發展,很多重要的激光器件都在紅外波段,其相干性便于移用電子技術中的外差接收技術,使雷達和通信都可以在紅外波段實現,并可獲得更高的分辨率和更大的信息容量。在此之前,紅外技術僅僅能探測非相干紅外輻射,外差接收技術用于紅外探測,使探測性能比功率探測高好幾個數量級。另外,由于這類應用的需要,促使出現新的探測器件和新的輻射傳輸方式,推動紅外技術向更先進的方向發展。

[影響]

產生紅外輻射的物體就是紅外輻射源。物理學的研究告訴我們,在自然界中,任何溫度高于絕對零度(0°K或-273℃)的物體都在向外輻射各種波長的紅外線,物體的溫度越高,其輻射紅外線的強度也越大。我們根據各類目標和背景輻射特性的差異,就可以利用紅外技術在白天和黑夜對目標進行探測、跟蹤和識別,以獲取目標信息。在現代戰爭中,獲取戰場信息的優勢已經成為掌握戰爭主動權的關鍵,紅外技術是從空中和空間獲取戰場信息的關鍵技術之一,因此,許多國家均投入很大的人力和物力去研究紅外技術,并將其廣泛地應用于軍事領域,并產生巨大影響。

1.成為軍事目標的偵察、監視、預警與跟蹤的重要手段。一切軍事目標,如海洋中的艦船、地面部隊行動及各種裝備、空中的飛機、導彈,都散發熱量,發出大量的紅外輻射。利用紅外技術裝備,就可以從空中和空間對這些目標進行偵察、監視與跟蹤。如偵察衛星依靠紅外成像設備和多光譜儀可以白天黑夜地獲取大量的軍事情報。裝有紅外探測器的導彈預警衛星從70年代以來,一直監視著世界各國的彈道導彈發射,為國家及軍事指揮部門提供警報,如目前美國國防支援計劃中的預警衛星在幾十秒鐘內,就可以鑒別來襲導彈的發射和方向,據說將來美國的天基紅外系統可在20秒內,提供有關導彈發射和方向方面的精確信息,為攔截來襲導彈提供寶貴的預警時間。又如,在1991年的海灣戰爭中,美國的導彈預警衛星把伊拉克的所有導彈發射盡收眼底,然后及時地把有關信息傳送給美軍的"愛國者"導彈部隊,使"愛國者"導彈有效地攔截了伊方的"飛毛腿"導彈,如果沒有預警衛星為"愛國者"導彈系統提供信息,其攔截"飛毛腿"的效能將大打折扣!而對于貼近海面飛行的低仰角導彈和飛機,紅外技術裝備比微波雷達能更有效地進行偵察、監視與追蹤。

2.紅外制導是一種重要的制導方式。紅外制導是利用目標自身的紅外輻射來引導導彈和其他武器裝備自動接近目標,以提高命中率。目前,世界各國已生產和試制的紅外制導導彈已超過50種。空空、空地、地空和反坦克導彈等都有采用紅外制導技術的。紅外焦平面陣列制導技術還具有識別各類誘餌的能力,從而使武器對目標有更高的命中率。又如,從1999年3月24開始,北約國家在對南聯盟的79天狂轟亂炸中使用的11種精確制導武器中,有近半數采用了紅外技術制導。3.紅外通信。在發射端,用紅外輻射的平行光束作載波,其強度受發送信息調制。在接收端收到這束紅外輻射時,就可從強度變化獲得所需信息。與微波通信相比,紅外通信具有更好的方向性,適于國防邊界哨所與哨所間的保密通信。

4.軍用夜視儀。這類儀器在飛機晝夜飛行、導航、搜索、目標捕獲;武器制導和瞄準;車輛駕駛;夜間戰場偵察與觀測;夜間對目標進行精確定位、跟蹤與射擊;高炮防空系統抗電子干擾等都將發揮重要作用。5.是探測隱身飛行器的一種手段。隱身飛行器雖然采取了紅外隱身技術,但其溫度總比背景溫度要高,仍有可能被紅外探測器探測到,將紅外成像設備安裝在空間平臺上,可精確提供目標的角位置信息,探測距離可達數百公里。6.對威脅進行紅外告警。將紅外探測器安裝在艦艇和飛機等平臺上,可用以對來襲導彈和其他紅外威脅進行告警,或自動發出對抗指令、啟動紅外干擾設備進行自衛。總之,紅外技術的發展及其廣泛應用,它已涉及到戰術或戰略的情報搜集、目標的偵察監視、武器制導等各個領域,將對未來戰爭產生重大的影響。在工業、醫學和科學研制等許多方面也廣為使用,例如熱源探測,醫用熱像儀、溫度測量與過程控制、紅外光譜分析、紅外加熱干燥、紅外遙感、紅外天文學等等。

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