紅外光學系統系列講座（一）——紅外技術概述

最新 07-16

一、紅外技術的基本概念

紅外技術是研究紅外波段內電磁波的規律並使其應用的一門現代技術。眾所周知，從波長很長的無線電波到波長很短的宇宙射線都是不同波長的電磁波，或稱為電磁輻射。一切物質都不停地發射和吸收電磁輻射。電磁波譜上的每一段都具有其獨特的規律，每一段都是一個研究領域，都有其特性和規律，研究並使其應用，造福與人類，是每個學科的宗旨。紅外技術則是研究紅外輻射的產生、傳播、轉化等過程的應用技術。

圖1 電磁波譜範圍很寬

頻率ν和波長λ的關係為λν= c（光速），例如 0.55μm波長對應的頻率是5.4×1012Hz。也有用波數σ表示波長的，σ=1/λ(cm-1)，這種表示方法在光譜儀器中常用，例如2.5μm波長對應的波數是4000cm-1。

紅外輻射是一切物體固有的物理特性，只要其溫度大於絕對零度（-273.15°C或0 K），就要不斷向外輻射紅外線。物體的輻射強度與溫度及表面的輻射能力有關，輻射的光譜分布則與物體溫度密切相關。早在1800 年，英國天文學家赫胥爾為尋找觀察太陽時保護自己眼睛的方法就發現了這一「不可見光線」。但是，紅外技術取得迅速發展還是在二次大戰期間和戰後的幾十年，推動技術發展的原因主要是由於軍事上的迫切需要和航天工程的蓬勃開展。

紅外輻射的波長範圍是0.75μm~1000μm，從可見光的紅光邊界開始，一直擴展到電子學中的微波區邊界，見圖1所示。紅外輻射光譜區可劃分為：近紅外0.76μm~1.1μm、短波紅外1μm~2μm、中紅外（中波紅外）3μm~6μm、遠紅外（長波紅外）6μm~15μm以及極遠紅外15μm~1000μm。它既有與可見光相似的特性，如反射、折射、干涉、衍射和偏振，又具有粒子性，即可以以光量子的形式被發射和吸收。(註：波長在30μm ~3mm 範圍的輻射也稱作太赫茲THz)。

紅外輻射波段的劃分根據不同的研究方向劃分方法不同，在紅外技術領域中，紅外輻射波段的劃分如表1所示。

表1紅外輻射波段的劃分

不同的研究方向、不同文獻對紅外輻射波段的劃分方法不同，各有各的道理，不十分嚴格，上述劃分方法是在前三個波段中，每一個波段都至少包含一個大氣窗口，所謂大氣窗口，大氣對輻射強度的衰減作用稱之為消光。消光作用的強弱與空氣密度、傳播路程、大氣中的氣溶膠、氣象條件等多種因素密切相關。大氣的消光作用也與波長相關，且具有明顯的選擇性。除可見光0.38μm~0.76μm波段外，在0.76μm~1.1μm、1.2μm~1.3μm、1.6μm~1.75μm、2.1μm~2.4μm、3.4μm~4.2μm、4.4μm~5.4μm、8μm~14μm等波段也有較大的透射比，猶如光譜波段上輻射透射的窗口，故稱為「大氣窗口」。其中，近紅外0.76μm~1.1μm、短波紅外1μm~2μm、中波紅外3μm~5μm和長波紅外8μm~14μm是紅外系統的主要工作波段。

在光譜學中是根據紅外輻射產生的機理不同劃分成三個區域，它們各對應著分子躍遷的不同狀態。近紅外區是0.75～2.5μm，對應原子能級之間的躍遷和分子振動泛頻區的振動光譜帶；中紅外區是2.5～25μm，對應分子轉動能級和振動能級之間的躍遷；遠紅外區是25～1000μm，對應分子轉動能級之間的躍遷。

紅外技術的主要研究內容包含以下幾個主要部分：

1、紅外輻射的性質。其中有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、紅外元器件、部件的研製。包括紅外探測器、輻射源、微型製冷器、紅外光學材料和濾光片等。

3、把各種紅外元器件、部件構成完整的應用系統。

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範圍相當廣泛，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。

紅外技術的相關技術是探測技術、精確制導技術、光電子技術和先進材料技術，紅外技術發展的技術難點關鍵在於紅外材料的研製、紅外設備的製冷、紅外設備向更長波段發展、紅外焦平面陣列器件的研製和紅外設備與數據處理設備的結合等。

紅外技術的相關技術是探測技術、精確制導技術、光電子技術和先進材料技術。

二、紅外技的發展與應用

圖2 英國天文學家F·W·赫歇爾

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兩個世紀。但發展比較緩慢，直到1940年前後德國才真正出現現代的紅外技術。當時，研製成硫化鉛和幾種紅外透射材料，利用這些元、部件製成一些軍用紅外系統。此後，各國競相發展。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於單兵裝備、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。

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。目前先進的紅外焦平面陣列技術正處在從第二代向第三代更為先進的陣列技術發展的轉變時期。世界各國正在加緊確定第三代紅外焦平面陣列技術的概念，各有關公司和廠家機構的注意力已轉向第三代紅外焦平面陣列感測器的發展。第三代紅外焦平面陣列技術的特徵是：(1) 焦平面上探測器像元的集成度進一步提高，至少雙色工作；（2）高的工作溫度，以便實現低功耗和小型輕量化的系統應用；（3）非致冷工作紅外焦平面陣列感測器的性能達到或接近目前第二代致冷工作紅外焦平面陣列感測器的水平；（4）極低成本的微型感測器，甚至是一次性應用的感測器。最終的第三代紅外焦平面陣列將是極低成本的微型感測器，它將佔領整個紅外市場，其未來的應用將是無人操作的一次性應用感測器，如微型無人駕駛航空飛行器，頭盔安裝式紅外攝像機和微型機器人等。紅外熱成像技術已從當初的機械掃描機構發展到了目前的固體小型化全電子自掃描凝視攝像，特別是非致冷技術的發展使紅外熱攝像技術從長期的主要軍事目的擴展到諸如工業監控測溫、執法緝毒、安全防範、醫療衛生、遙感、設備先期性故障診斷與維護、海上救援、天文探測，以及車輛、飛行器和艦船的駕駛員夜視增強觀察儀等廣闊的民用領域。

圖3 紅外技術應用

紅外技術在軍事方面的應用非常廣泛。自然界中，任何物體都在向外輻射紅外線，物體的溫度越高，其輻射紅外線的強度也越大。根據各類目標和背景輻射溫度特性的差異，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，並將其廣泛地應用于軍事領域，併產生巨大影響。

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。對於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。

1、紅外製導

紅外製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。空空、空地、地空和反坦克導彈等都有採用紅外製導技術的。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。1999年3月，北約國家在對南聯盟的轟炸中使用的11種精確制導武器中，有近半數採用了紅外技術制導。

圖4美國AIM-9X「響尾蛇」紅外製導導彈

2、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製。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，適於國防邊界哨所與哨所間的保密通信。

圖5 空間激光通信

3、軍用紅外夜視偵查

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。

圖6 紅外夜視偵查

4、探測隱身武器裝備

隱身武器裝備雖然採取了紅外隱身技術，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台上，可精確提供目標的角位置信息，探測距離可達數百公里。

圖7 洛馬「狙擊手」瞄準吊艙

5、紅外預警

將紅外探測器安裝在艦艇和飛機等平台上，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。紅外預警有優越性，不易被發現。無線電雷達易被攻擊。

圖8 洛克希德·馬丁公司2017年已經贏得了近4600萬美元的

製造兩顆基於太空紅外系統的導彈預警衛星合同

6、紅外對抗

圖9 BAE系統公司的先進威脅紅外對抗 (ATIRCM)系統

紅外對抗是消除目標與背景之間紅外輻射的差別，使敵方紅外探測設備失靈，達到保護目標作用的手段。例如，紅外干擾機是模擬被保護目標的紅外輻射並加以調製，使敵方導彈的制導系統產生誤差，攻擊不到目標；紅外誘餌是利用不同的材料燃燒時發出的紅外輻射特性不同的原理，製作成紅外曳光彈、熱氣球及噴射燃油等，製造假象，引誘敵紅外製導的導彈偏離目標，保護自己；紅外煙幕利用光被吸收或散射的原理，主要干擾熱成像系統，對可見光、電視、激光等瞄準器材都有很大阻礙作用；紅外隱身則是:用各種方法改變目標的紅外輻射特性，使紅外儀器觀測不到，例如使用特殊塗料或不利於反射的外表形狀進行隱身。

紅外技術在國民經濟方面的應用也越來越廣泛。主要體現在以下幾個方面：

紅外測溫技術：是利用紅外探測器接收被測物體的熱輻射原理工作非接觸測溫方法，有很多優越性，可測量不易接觸的高溫、移動、化學、危險等物品的溫度；

紅外遙控技術：是早已經是成熟的技術。其使用一個紅外發射源，通常是紅外發光二極體，發射編碼信號，被紅外接收器受到後經過解碼得到指令，控制各種動作，抗干擾能力強；

紅外遙感技術：紅外遙感技術是紅外物理與技術研究和應用進展的重要標誌。利用飛機、衛星等運載工具把紅外感測器帶到空中，接收和記錄地面各種物體發射和反射的輻射信號，並將這些信息進行圖象處理和分析判斷，達到探測地球和環境的目的，在軍事、農業、地質、測繪、海洋、氣象等很多方面有廣泛的應用。紅外遙感由於具有保密性好、抗干擾本領強、能晝夜連續工作等優點，因此首先在空中軍事偵察中佔有十分重要的位置。同時在氣象、土地資源管理、自然災害、環境污染分析等方面得到廣泛的應用，並取得了令世人矚目的成果。紅外光學遙感器是空間光學遙感器中研製難度最大、用途最廣的。它集合了光學、精密機械、空間製冷、溫度控制、探測器和系統控制等多種領域的技術成果，體現著一個國家的綜合科技實力。

紅外醫療技術：醫用紅外技術是一個重要的應用方面。主要體現在紅外診斷和紅外理療兩個方面。紅外理療也是中國的傳統技術。醫用熱像儀正在興起；

紅外輻射加熱技術：紅外輻射加熱可以節能，這是因為選用某些發射率高的材料實現的，如紅外烤爐等，工業用途很廣；

紅外光譜技術：利用不同的物體在不同條件下時發出的紅外波段光譜輻射特性不同，來檢測和鑒別物質。在公安、環保、考古、文物鑒定等方面應用廣泛。以傅里葉變換光譜技術為代表的紅外光譜學在氣態、液態、固態等不同形態分析對象中得到了廣泛的應用，例如，大氣污染分析、混合氣體中大氣毒物定量分析、燃燒廢氣的檢測、潤滑油品質分析、化妝品質量分析等。紅外光譜技術無論是在對固體、液體、氣體的定量還是定性分析中都有廣泛的應用，如果能夠選取恰當的定量分析方法, 就可以達到非常有用的結果，並且紅外光譜技術與氣相色譜的聯用使定量和定性分析更加準確。

紅外技術應用於民用行業如下：

（一）電力

1. 對變壓器工作狀況評估：漏磁導致局部溫度升高

2. 刀閘、開關類設備工作狀況評估：接觸不良導致的溫度異常

3. 電纜類設備運行狀況檢測：電纜接頭髮熱引起的溫度異常

4. 緣子類架空設備運行狀況檢測

5. 套管設備運行狀況檢測：套管負載及接頭髮熱狀況評估

6. 線纜及接頭運行狀況檢測：線纜斷股及接頭髮熱情況評估

7. 斷路器及其接頭工作狀況評估

8. 電廠整體監控