紅外技術(shù)概述

日期：2013-10-30 點擊數(shù)：526

英文名稱；Infrared Technique 檢索詞：紅外技術(shù);紅外探測器;紅外系統(tǒng)技術(shù)類別：信息系統(tǒng)技術(shù);探測技術(shù);

[定義]

研究紅外輻射的產(chǎn)生、傳播、轉(zhuǎn)化、測量及其應(yīng)用的技術(shù)科學(xué)。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(yuǎn)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(yuǎn)紅外則指波長為20～1000微米。在光譜學(xué)中，波段的劃分方法尚不統(tǒng)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(yuǎn)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(qū)，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(yīng)用上，又分別將這三個波段稱為近紅外、中紅外和遠(yuǎn)紅外。

8～13微米還稱為熱波段。紅外技術(shù)的內(nèi)容包含四個主要部分：1.紅外輻射的性質(zhì)，其中有受熱物體所發(fā)射的輻射在光譜、強度和方向的分布；輻射在媒質(zhì)中的傳播特性--反射、折射、衍射和散射；熱電效應(yīng)和光電效應(yīng)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(gòu)成系統(tǒng)的光學(xué)、電子學(xué)和精密機械。4.紅外技術(shù)在軍事上和國民經(jīng)濟中的應(yīng)用。由此可見，紅外技術(shù)的研究涉及的范圍相當(dāng)廣泛，既有目標(biāo)的紅外輻射特性，背景特性，又有紅外元、部件及系統(tǒng)；既有材料問題，又有應(yīng)用問題。

[相關(guān)技術(shù)]

探測技術(shù);精確制導(dǎo)技術(shù);光電子技術(shù);先進材料技術(shù)

[技術(shù)難點]

紅外技術(shù)的發(fā)展關(guān)鍵在于紅外材料的研制、紅外設(shè)備的制冷、紅外設(shè)備向更長波段發(fā)展、紅外焦平面陣列器件的研制和紅外設(shè)備與數(shù)據(jù)處理設(shè)備的結(jié)合等。

[國外概況]

自從1800年英國天文學(xué)家F·W·赫歇爾發(fā)現(xiàn)紅外輻射至今，紅外技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了將近兩個世紀(jì)。從那時開始，紅外輻射和紅外元件、部件的科學(xué)研究逐步發(fā)展，但發(fā)展比較緩慢，直到1940年前后才真正出現(xiàn)現(xiàn)代的紅外技術(shù)。當(dāng)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(tǒng)，如高射炮用導(dǎo)向儀、海岸用船舶偵察儀、船舶探測和跟蹤系統(tǒng)，機載轟炸機探測儀和火控系統(tǒng)等等。其中有些達到實驗室試驗階段，有些已小批量生產(chǎn)，但都未來得及實際使用。此后，美國、英國、前蘇聯(lián)等國競相發(fā)展。特別是美國，大力研究紅外技術(shù)在軍事方面的應(yīng)用。

目前，美國將紅外技術(shù)應(yīng)用于單兵裝備、裝甲車輛、航空和航天的偵察監(jiān)視、預(yù)警、跟蹤以及武器制導(dǎo)等各個領(lǐng)域。

紅外技術(shù)發(fā)展的先導(dǎo)是紅外探測器的發(fā)展。1800年，F(xiàn)·W·赫歇爾發(fā)現(xiàn)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(jì)，科學(xué)家們使用熱敏型紅外探測器，認(rèn)識了紅外輻射的特性及其規(guī)律，證明了紅外線與可見光具有相同的物理性質(zhì)，遵守相同的規(guī)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(shù)并可以測量。

20世紀(jì)初開始，測量了大量的有機物質(zhì)和無機物質(zhì)的吸收、發(fā)射和反射光譜，證明了紅外技術(shù)在物質(zhì)分析中的價值。

30年代，首次出現(xiàn)紅外光譜代，以后，它發(fā)展成在物質(zhì)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(yōu)良、結(jié)構(gòu)牢靠。

50年代，半導(dǎo)體物理學(xué)的迅速發(fā)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(yōu)良的紅外探測器。在同一時期內(nèi)，固體物理、光學(xué)、電子學(xué)、精密機械和微型致冷器等方面的發(fā)展，使紅外技術(shù)在軍、民兩用方面都得到了廣泛的應(yīng)用。

從60年代中葉起，紅外探測器和系統(tǒng)的發(fā)展體現(xiàn)了紅外技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展方向。

1.在1～14微米范圍內(nèi)的探測器已從單元發(fā)展到多元，從多元發(fā)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(fā)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(biāo)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(shù)。如果多元線列探測器平行掃過(平掃)目標(biāo)時，則可獲得目標(biāo)輻射的一維分布。以線列探測器為基礎(chǔ)的紅外探測系統(tǒng)，大都安裝在飛機或衛(wèi)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(biāo)輻射的分布圖像。現(xiàn)在，紅外探測器已從多元發(fā)展到焦平面陣列，相應(yīng)的系統(tǒng)已實現(xiàn)了從點探測到目標(biāo)熱成像的飛躍。紅外熱成像儀是一種最有發(fā)展前途的設(shè)備，代表著夜視器材的發(fā)展方向，它用焦平面陣列取代了光機掃描結(jié)構(gòu)。

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(yù)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(yuǎn)紅外。

早期的紅外探測器通常工作在近紅外。隨著紅外技術(shù)的發(fā)展，紅外探測器的工作波段已擴展到中紅外和遠(yuǎn)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(diào)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(yuǎn)紅外。遠(yuǎn)紅外已經(jīng)成為科學(xué)家們關(guān)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(fā)展。采用低溫制冷技術(shù)，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(xiàn)小型化，必須減少制冷設(shè)備和相關(guān)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(fā)展方向。如采用非致冷工作的紅外焦平面陣列技術(shù)，不僅可使系統(tǒng)成本降低2個數(shù)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(shù)，可使紅外探測器與具有一定數(shù)據(jù)處理能力的數(shù)據(jù)處理設(shè)備相結(jié)合，使其輕集成化、大面陣、焦平面化方向發(fā)展，以提高其性能，實現(xiàn)對室溫目標(biāo)的探測。

4.紅外探測系統(tǒng)從單波段向多波段發(fā)展。正如前面所述：在大氣環(huán)境中，目標(biāo)的紅外輻射只能在1～3、3～5和8～13微米三個大氣窗口內(nèi)才能有效地傳輸。如果一個紅外探測系統(tǒng)能在兩個或多個波段上獲取目標(biāo)信息，那么這個系統(tǒng)就可更精確、更可靠地獲取更多的目標(biāo)信息，提高對目標(biāo)的探測效果，降低預(yù)警系統(tǒng)的虛警概率，提高系統(tǒng)的搜索和跟蹤性能，適用更多的應(yīng)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(tǒng)已經(jīng)研制成功，如法國和瑞典聯(lián)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(tǒng)探測目標(biāo)。

在紅外技術(shù)的發(fā)展中，需要特別指出的是：60年代激光的出現(xiàn)極大地影響了紅外技術(shù)的發(fā)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(shù)中的外差接收技術(shù)，使雷達和通信都可以在紅外波段實現(xiàn)，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(shù)僅僅能探測非相干紅外輻射，外差接收技術(shù)用于紅外探測，使探測性能比功率探測高好幾個數(shù)量級。另外，由于這類應(yīng)用的需要，促使出現(xiàn)新的探測器件和新的輻射傳輸方式，推動紅外技術(shù)向更先進的方向發(fā)展。

[影響]

產(chǎn)生紅外輻射的物體就是紅外輻射源。物理學(xué)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(jù)各類目標(biāo)和背景輻射特性的差異，就可以利用紅外技術(shù)在白天和黑夜對目標(biāo)進行探測、跟蹤和識別，以獲取目標(biāo)信息。在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，獲取戰(zhàn)場信息的優(yōu)勢已經(jīng)成為掌握戰(zhàn)爭主動權(quán)的關(guān)鍵，紅外技術(shù)是從空中和空間獲取戰(zhàn)場信息的關(guān)鍵技術(shù)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(shù)，并將其廣泛地應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，并產(chǎn)生巨大影響。

1.成為軍事目標(biāo)的偵察、監(jiān)視、預(yù)警與跟蹤的重要手段。一切軍事目標(biāo)，如海洋中的艦船、地面部隊行動及各種裝備、空中的飛機、導(dǎo)彈，都散發(fā)熱量，發(fā)出大量的紅外輻射。利用紅外技術(shù)裝備，就可以從空中和空間對這些目標(biāo)進行偵察、監(jiān)視與跟蹤。如偵察衛(wèi)星依靠紅外成像設(shè)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(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星從70年代以來，一直監(jiān)視著世界各國的彈道導(dǎo)彈發(fā)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(yù)警衛(wèi)星在幾十秒鐘內(nèi)，就可以鑒別來襲導(dǎo)彈的發(fā)射和方向，據(jù)說將來美國的天基紅外系統(tǒng)可在20秒內(nèi)，提供有關(guān)導(dǎo)彈發(fā)射和方向方面的精確信息，為攔截來襲導(dǎo)彈提供寶貴的預(yù)警時間。又如，在1991年的海灣戰(zhàn)爭中，美國的導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星把伊拉克的所有導(dǎo)彈發(fā)射盡收眼底，然后及時地把有關(guān)信息傳送給美軍的"愛國者"導(dǎo)彈部隊，使"愛國者"導(dǎo)彈有效地攔截了伊方的"飛毛腿"導(dǎo)彈，如果沒有預(yù)警衛(wèi)星為"愛國者"導(dǎo)彈系統(tǒng)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(dǎo)彈和飛機，紅外技術(shù)裝備比微波雷達能更有效地進行偵察、監(jiān)視與追蹤。

2.紅外制導(dǎo)是一種重要的制導(dǎo)方式。紅外制導(dǎo)是利用目標(biāo)自身的紅外輻射來引導(dǎo)導(dǎo)彈和其他武器裝備自動接近目標(biāo)，以提高命中率。目前，世界各國已生產(chǎn)和試制的紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈已超過50種。空空、空地、地空和反坦克導(dǎo)彈等都有采用紅外制導(dǎo)技術(shù)的。紅外焦平面陣列制導(dǎo)技術(shù)還具有識別各類誘餌的能力，從而使武器對目標(biāo)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(lián)盟的79天狂轟亂炸中使用的11種精確制導(dǎo)武器中，有近半數(shù)采用了紅外技術(shù)制導(dǎo)。3.紅外通信。在發(fā)射端，用紅外輻射的平行光束作載波，其強度受發(fā)送信息調(diào)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(dǎo)航、搜索、目標(biāo)捕獲；武器制導(dǎo)和瞄準(zhǔn)；車輛駕駛；夜間戰(zhàn)場偵察與觀測；夜間對目標(biāo)進行精確定位、跟蹤與射擊；高炮防空系統(tǒng)抗電子干擾等都將發(fā)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(shù)，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(shè)備安裝在空間平臺上，可精確提供目標(biāo)的角位置信息，探測距離可達數(shù)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(dǎo)彈和其他紅外威脅進行告警，或自動發(fā)出對抗指令、啟動紅外干擾設(shè)備進行自衛(wèi)。總之，紅外技術(shù)的發(fā)展及其廣泛應(yīng)用，它已涉及到戰(zhàn)術(shù)或戰(zhàn)略的情報搜集、目標(biāo)的偵察監(jiān)視、武器制導(dǎo)等各個領(lǐng)域，將對未來戰(zhàn)爭產(chǎn)生重大的影響。在工業(yè)、醫(yī)學(xué)和科學(xué)研制等許多方面也廣為使用，例如熱源探測，醫(yī)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(xué)等等。