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红外技术概述

日期:2013-10-30 点击数:403

英文名称;Infrared Technique 检索词:红外技术;红外探测器;红外系统技术类别:信息系统技术;探测技术;

[定义]

研究红外辐射的产生、传播、转化、测量及其应用的技术科学。任何物体的红外辐射包括介于可见光与微波之间的电磁波段。通常人们又把红外辐射称为红外光、红外线。

实际上其波段是指其波长约在0.75微米到1000微米的电磁波。通常人们将其划分为近、中、远红外三部分。近红外指波长为0.75~3.0微米;中红外指波长为3.0~20微米;

远红外则指波长为20~1000微米。在光谱学中,波段的划分方法尚不统一,也有人将0.75~3.0微米、3.0~40微米和40~1000微米作为近红外、中红外和远红外波段。另外,由于大气对红外辐射的吸收,只留下三个重要的"窗口"区,即1~3微米、3~5微米和8~13微米可让红外辐射通过,因而在军事应用上,又分别将这三个波段称为近红外、中红外和远红外。

8~13微米还称为热波段。红外技术的内容包含四个主要部分:1.红外辐射的性质,其中有受热物体所发射的辐射在光谱、强度和方向的分布;辐射在媒质中的传播特性--反射、折射、衍射和散射;热电效应和光电效应等。2.红外元件、部件的研制,包括辐射源、微型制冷器、红外窗口材料和滤光电等。3.把各种红外元、部件构成系统的光学、电子学和精密机械。4.红外技术在军事上和国民经济中的应用。由此可见,红外技术的研究涉及的范围相当广泛,既有目标的红外辐射特性,背景特性,又有红外元、部件及系统;既有材料问题,又有应用问题。

[相关技术]

探测技术;精确制导技术;光电子技术;先进材料技术

[技术难点]

红外技术的发展关键在于红外材料的研制、红外设备的制冷、红外设备向更长波段发展、红外焦平面阵列器件的研制和红外设备与数据处理设备的结合等。

[国外概况]

自从1800年英国天文学家F·W·赫歇尔发现红外辐射至今,红外技术的发展经历了将近两个世纪。从那时开始,红外辐射和红外元件、部件的科学研究逐步发展,但发展比较缓慢,直到1940年前后才真正出现现代的红外技术。当时,德国研制成硫化铅和几种红外透射材料,利用这些元、部件制成一些军用红外系统,如高射炮用导向仪、海岸用船舶侦察仪、船舶探测和跟踪系统,机载轰炸机探测仪和火控系统等等。其中有些达到实验室试验阶段,有些已小批量生产,但都未来得及实际使用。此后,美国、英国、前苏联等国竞相发展。特别是美国,大力研究红外技术在军事方面的应用。

目前,美国将红外技术应用于单兵装备、装甲车辆、航空和航天的侦察监视、预警、跟踪以及武器制导等各个领域。

红外技术发展的先导是红外探测器的发展。1800年,F·W·赫歇尔发现红外辐射时使用的是水银温度计,这是最原始的热敏型红外探测器。1830年以后,相继研制出温差电偶的热敏探测器、测辐射热计等。在1940年以前,研制成的红外探测器主要是热敏型探测器。

19世纪,科学家们使用热敏型红外探测器,认识了红外辐射的特性及其规律,证明了红外线与可见光具有相同的物理性质,遵守相同的规律。它们都是电磁波之一,具有波动性,其传播速度都是光速、波长是它们的特征参数并可以测量。

20世纪初开始,测量了大量的有机物质和无机物质的吸收、发射和反射光谱,证明了红外技术在物质分析中的价值。

30年代,首次出现红外光谱代,以后,它发展成在物质分析中不可缺少的仪器。

40年代初,光电型红外探测器问世,以硫化铅红外探测器为代表的这类探测器,其性能优良、结构牢靠。

50年代,半导体物理学的迅速发展,使光电型红外探测器得到新的推动。

到60年初期,对于1~3、3~5和8~13微米三个重要的大气窗口都有了性能优良的红外探测器。在同一时期内,固体物理、光学、电子学、精密机械和微型致冷器等方面的发展,使红外技术在军、民两用方面都得到了广泛的应用。

从60年代中叶起,红外探测器和系统的发展体现了红外技术的现状及发展方向。

1.在1~14微米范围内的探测器已从单元发展到多元,从多元发展到焦平面阵列。红外探测器最早是用单元探测器,为了提高灵敏度和分辨率,后来发展为多元线列探测器。多元线列探测器先后扫过(串扫)同一目标时,它输出的信噪比可比单元探测器高n(开平方)倍,n为元数。如果多元线列探测器平行扫过(平扫)目标时,则可获得目标辐射的一维分布。以线列探测器为基础的红外探测系统,大都安装在飞机或卫星遥感平台上,平台的前进运动垂直于线列作为第二维时,就可得到目标辐射的分布图像。现在,红外探测器已从多元发展到焦平面阵列,相应的系统已实现了从点探测到目标热成像的飞跃。红外热成像仪是一种最有发展前途的设备,代表着夜视器材的发展方向,它用焦平面阵列取代了光机扫描结构。

目前,长波碲镉汞(HgCdTe)探测器面阵已达640×480元,焦平面阵列探测器的实验室水平已达256×256元,预计到2000年可达到百万元。

2.红外探测器的工作波段从近红外扩展到远红外。

早期的红外探测器通常工作在近红外。随着红外技术的发展,红外探测器的工作波段已扩展到中红外和远红外,例如,美国国防高级研究计划局提出了一项超波谱地雷探测计划,目的是为了提供一种安全有效地探测地雷的方法。该计划采用空间调制成像傅里叶变换光谱仪,这是一种红外传感器,它已在直升机上进行了近、中波段的试验,下一步计划把工作波段延伸到远红外。远红外已经成为科学家们关注的重点。

3.轻小型化。非致冷、集成式、大面阵红外探测器方向发展。采用低温制冷技术,是为了提高红外探测器件的灵敏度和输出信号的信噪比,使其具有良好的性能,但它也使红外探测器体积大、成本高。为了实现小型化,必须减少制冷设备和相关电源,因此,高效小型制冷器和无需制冷的红外探测器将是今后的发展方向。如采用非致冷工作的红外焦平面阵列技术,不仅可使系统成本降低2个数量级,而且可以使体积、重量和功耗也将大大减少。此外,利用材料电子计算机和微电子方面的最新技术,可使红外探测器与具有一定数据处理能力的数据处理设备相结合,使其轻集成化、大面阵、焦平面化方向发展,以提高其性能,实现对室温目标的探测。

4.红外探测系统从单波段向多波段发展。正如前面所述:在大气环境中,目标的红外辐射只能在1~3、3~5和8~13微米三个大气窗口内才能有效地传输。如果一个红外探测系统能在两个或多个波段上获取目标信息,那么这个系统就可更精确、更可靠地获取更多的目标信息,提高对目标的探测效果,降低预警系统的虚警概率,提高系统的搜索和跟踪性能,适用更多的应用需求,更好地满足各军兵种的需要。目前,多波段的红外探测系统已经研制成功,如法国和瑞典联合研制的"博纳斯"末敏子弹药,就采用了多波段红外探测系统探测目标。

在红外技术的发展中,需要特别指出的是:60年代激光的出现极大地影响了红外技术的发展,很多重要的激光器件都在红外波段,其相干性便于移用电子技术中的外差接收技术,使雷达和通信都可以在红外波段实现,并可获得更高的分辨率和更大的信息容量。在此之前,红外技术仅仅能探测非相干红外辐射,外差接收技术用于红外探测,使探测性能比功率探测高好几个数量级。另外,由于这类应用的需要,促使出现新的探测器件和新的辐射传输方式,推动红外技术向更先进的方向发展。

[影响]

产生红外辐射的物体就是红外辐射源。物理学的研究告诉我们,在自然界中,任何温度高于绝对零度(0°K或-273℃)的物体都在向外辐射各种波长的红外线,物体的温度越高,其辐射红外线的强度也越大。我们根据各类目标和背景辐射特性的差异,就可以利用红外技术在白天和黑夜对目标进行探测、跟踪和识别,以获取目标信息。在现代战争中,获取战场信息的优势已经成为掌握战争主动权的关键,红外技术是从空中和空间获取战场信息的关键技术之一,因此,许多国家均投入很大的人力和物力去研究红外技术,并将其广泛地应用于军事领域,并产生巨大影响。

1.成为军事目标的侦察、监视、预警与跟踪的重要手段。一切军事目标,如海洋中的舰船、地面部队行动及各种装备、空中的飞机、导弹,都散发热量,发出大量的红外辐射。利用红外技术装备,就可以从空中和空间对这些目标进行侦察、监视与跟踪。如侦察卫星依靠红外成像设备和多光谱仪可以白天黑夜地获取大量的军事情报。装有红外探测器的导弹预警卫星从70年代以来,一直监视着世界各国的弹道导弹发射,为国家及军事指挥部门提供警报,如目前美国国防支援计划中的预警卫星在几十秒钟内,就可以鉴别来袭导弹的发射和方向,据说将来美国的天基红外系统可在20秒内,提供有关导弹发射和方向方面的精确信息,为拦截来袭导弹提供宝贵的预警时间。又如,在1991年的海湾战争中,美国的导弹预警卫星把伊拉克的所有导弹发射尽收眼底,然后及时地把有关信息传送给美军的"爱国者"导弹部队,使"爱国者"导弹有效地拦截了伊方的"飞毛腿"导弹,如果没有预警卫星为"爱国者"导弹系统提供信息,其拦截"飞毛腿"的效能将大打折扣!而对于贴近海面飞行的低仰角导弹和飞机,红外技术装备比微波雷达能更有效地进行侦察、监视与追踪。

2.红外制导是一种重要的制导方式。红外制导是利用目标自身的红外辐射来引导导弹和其他武器装备自动接近目标,以提高命中率。目前,世界各国已生产和试制的红外制导导弹已超过50种。空空、空地、地空和反坦克导弹等都有采用红外制导技术的。红外焦平面阵列制导技术还具有识别各类诱饵的能力,从而使武器对目标有更高的命中率。又如,从1999年3月24开始,北约国家在对南联盟的79天狂轰乱炸中使用的11种精确制导武器中,有近半数采用了红外技术制导。3.红外通信。在发射端,用红外辐射的平行光束作载波,其强度受发送信息调制。在接收端收到这束红外辐射时,就可从强度变化获得所需信息。与微波通信相比,红外通信具有更好的方向性,适于国防边界哨所与哨所间的保密通信。

4.军用夜视仪。这类仪器在飞机昼夜飞行、导航、搜索、目标捕获;武器制导和瞄准;车辆驾驶;夜间战场侦察与观测;夜间对目标进行精确定位、跟踪与射击;高炮防空系统抗电子干扰等都将发挥重要作用。5.是探测隐身飞行器的一种手段。隐身飞行器虽然采取了红外隐身技术,但其温度总比背景温度要高,仍有可能被红外探测器探测到,将红外成像设备安装在空间平台上,可精确提供目标的角位置信息,探测距离可达数百公里。6.对威胁进行红外告警。将红外探测器安装在舰艇和飞机等平台上,可用以对来袭导弹和其他红外威胁进行告警,或自动发出对抗指令、启动红外干扰设备进行自卫。总之,红外技术的发展及其广泛应用,它已涉及到战术或战略的情报搜集、目标的侦察监视、武器制导等各个领域,将对未来战争产生重大的影响。在工业、医学和科学研制等许多方面也广为使用,例如热源探测,医用热像仪、温度测量与过程控制、红外光谱分析、红外加热干燥、红外遥感、红外天文学等等。

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