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一、红外技术的基本概念 红外技术是研究红外波段内电磁波的规律并使其应用的一门现代技术。众所周知，从波长很长的无线电波到波长很短的宇宙射线都是不同波长的电磁波，或称为电磁辐射。一切物质都不停地发射和吸收电磁辐射。电磁波谱上的每一段都具有其独特的规律，每一段都是一个研究领域，都有其特性和规律，研究并使其应用，造福与人类，是每个学科的宗旨。红外技术则是研究红外辐射的产生、传播、转化等过程的应用技术。
图1 电磁波谱范围很宽 频率ν和波长λ的关系为λν= c（光速），例如 0.55µm波长对应的频率是5.4×1012Hz。也有用波数σ表示波长的，σ=1/λ(cm-1)，这种表示方法在光谱仪器中常用，例如2.5µm波长对应的波数是4000cm-1 。 红外辐射是一切物体固有的物理特性，只要其温度大于绝对零度（-273.15°C或0 K），就要不断向外辐射红外线。物体的辐射强度与温度及表面的辐射能力有关，辐射的光谱分布则与物体温度密切相关。早在1800 年，英国天文学家赫胥尔为寻找观察太阳时保护自己眼睛的方法就发现了这一“不可见光线”。但是，红外技术取得迅速发展还是在二次大战期间和战后的几十年，推动技术发展的原因主要是由于军事上的迫切需要和航天工程的蓬勃开展。 红外辐射的波长范围是0.75μm~1000μm，从可见光的红光边界开始，一直扩展到电子学中的微波区边界，见图1所示。红外辐射光谱区可划分为：近红外0.76μm~1.1μm、短波红外1μm~2μm、中红外（中波红外）3μm~6μm、远红外（长波红外）6μm~15μm以及极远红外15μm~1000μm。它既有与可见光相似的特性，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发射和吸收。(注：波长在30μm ~3mm 范围的辐射也称作太赫兹THz)。 红外辐射波段的划分根据不同的研究方向划分方法不同，在红外技术领域中，红外辐射波段的划分如表1所示。 表1红外辐射波段的划分
不同的研究方向、不同文献对红外辐射波段的划分方法不同，各有各的道理，不十分严格，上述划分方法是在前三个波段中，每一个波段都至少包含一个大气窗口，所谓大气窗口，大气对辐射强度的衰减作用称之为消光。消光作用的强弱与空气密度、传播路程、大气中的气溶胶、气象条件等多种因素密切相关。大气的消光作用也与波长相关，且具有明显的选择性。除可见光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等波段也有较大的透射比，犹如光谱波段上辐射透射的窗口，故称为“大气窗口”。其中，近红外0.76μm~1.1μm、短波红外1μm~2μm、中波红外3μm~5μm和长波红外8μm~14μm是红外系统的主要工作波段。 在光谱学中是根据红外辐射产生的机理不同划分成三个区域，它们各对应着分子跃迁的不同状态。近红外区是0.75～2.5μm，对应原子能级之间的跃迁和分子振动泛频区的振动光谱带；中红外区是2.5～25μm，对应分子转动能级和振动能级之间的跃迁；远红外区是25～1000μm，对应分子转动能级之间的跃迁。 红外技术的主要研究内容包含以下几个主要部分： 1、红外辐射的性质。其中有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、红外元器件、部件的研制。包括红外探测器、辐射源、微型制冷器、红外光学材料和滤光片等。 3、把各种红外元器件、部件构成完整的应用系统。 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。 红外技术的相关技术是探测技术、精确制导技术、光电子技术和先进材料技术，红外技术发展的技术难点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。 红外技术的相关技术是探测技术、精确制导技术、光电子技术和先进材料技术。 二、红外技的发展与应用
图2 英国天文学家F·W·赫歇尔 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两个世纪。但发展比较缓慢，直到1940年前后德国才真正出现现代的红外技术。当时，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。此后，各国竞相发展。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。 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。目前先进的红外焦平面阵列技术正处在从第二代向第三代更为先进的阵列技术发展的转变时期。世界各国正在加紧确定第三代红外焦平面阵列技术的概念，各有关公司和厂家机构的注意力已转向第三代红外焦平面阵列传感器的发展。第三代红外焦平面阵列技术的特征是：(1) 焦平面上探测器像元的集成度进一步提高，至少双色工作；（2）高的工作温度，以便实现低功耗和小型轻量化的系统应用；（3）非致冷工作红外焦平面阵列传感器的性能达到或接近目前第二代致冷工作红外焦平面阵列传感器的水平；（4）极低成本的微型传感器，甚至是一次性应用的传感器。最终的第三代红外焦平面阵列将是极低成本的微型传感器，它将占领整个红外市场，其未来的应用将是无人操作的一次性应用传感器，如微型无人驾驶航空飞行器，头盔安装式红外摄像机和微型机器人等。红外热成像技术已从当初的机械扫描机构发展到了目前的固体小型化全电子自扫描凝视摄像，特别是非致冷技术的发展使红外热摄像技术从长期的主要军事目的扩展到诸如工业监控测温、执法缉毒、安全防范、医疗卫生、遥感、设备先期性故障诊断与维护、海上救援、天文探测，以及车辆、飞行器和舰船的驾驶员夜视增强观察仪等广阔的民用领域。
图3 红外技术应用 红外技术在军事方面的应用非常广泛。自然界中，任何物体都在向外辐射红外线，物体的温度越高，其辐射红外线的强度也越大。根据各类目标和背景辐射温度特性的差异，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。 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。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。 1、红外制导 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。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。1999年3月，北约国家在对南联盟的轰炸中使用的11种精确制导武器中，有近半数采用了红外技术制导。
图4美国AIM-9X“响尾蛇”红外制导导弹 2、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。
图5 空间激光通信 3、军用红外夜视侦查 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。
图6 红外夜视侦查 4、探测隐身武器装备 隐身武器装备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。
图7 洛马“狙击手”瞄准吊舱 5、红外预警 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。红外预警有优越性，不易被发现。无线电雷达易被攻击。
图8 洛克希德·马丁公司2017年已经赢得了近4600万美元的 制造两颗基于太空红外系统的导弹预警卫星合同 6、红外对抗
图9 BAE系统公司的先进威胁红外对抗 (ATIRCM)系统 红外对抗是消除目标与背景之间红外辐射的差别，使敌方红外探测设备失灵，达到保护目标作用的手段。例如，红外干扰机是模拟被保护目标的红外辐射并加以调制，使敌方导弹的制导系统产生误差，攻击不到目标；红外诱饵是利用不同的材料燃烧时发出的红外辐射特性不同的原理，制作成红外曳光弹、热气球及喷射燃油等，制造假象，引诱敌红外制导的导弹偏离目标，保护自己；红外烟幕利用光被吸收或散射的原理，主要干扰热成像系统，对可见光、电视、激光等瞄准器材都有很大阻碍作用；红外隐身则是:用各种方法改变目标的红外辐射特性，使红外仪器观测不到，例如使用特殊涂料或不利于反射的外表形状进行隐身。 红外技术在国民经济方面的应用也越来越广泛。主要体现在以下几个方面： 红外测温技术：是利用红外探测器接收被测物体的热辐射原理工作非接触测温方法，有很多优越性，可测量不易接触的高温、移动、化学、危险等物品的温度； 红外遥控技术：是早已经是成熟的技术。其使用一个红外发射源，通常是红外发光二极管，发射编码信号，被红外接收器受到后经过解码得到指令，控制各种动作，抗干扰能力强； 红外遥感技术：红外遥感技术是红外物理与技术研究和应用进展的重要标志。利用飞机、卫星等运载工具把红外传感器带到空中，接收和记录地面各种物体发射和反射的辐射信号，并将这些信息进行图象处理和分析判断，达到探测地球和环境的目的，在军事、农业、地质、测绘、海洋、气象等很多方面有广泛的应用。红外遥感由于具有保密性好、抗干扰本领强、能昼夜连续工作等优点，因此首先在空中军事侦察中占有十分重要的位置。同时在气象、土地资源管理、自然灾害、环境污染分析等方面得到广泛的应用，并取得了令世人瞩目的成果。红外光学遥感器是空间光学遥感器中研制难度最大、用途最广的。它集合了光学、精密机械、空间制冷、温度控制、探测器和系统控制等多种领域的技术成果，体现着一个国家的综合科技实力。 红外医疗技术：医用红外技术是一个重要的应用方面。主要体现在红外诊断和红外理疗两个方面。红外理疗也是中国的传统技术。医用热像仪正在兴起； 红外辐射加热技术：红外辐射加热可以节能，这是因为选用某些发射率高的材料实现的，如红外烤炉等，工业用途很广； 红外光谱技术：利用不同的物体在不同条件下时发出的红外波段光谱辐射特性不同，来检测和鉴别物质。在公安、环保、考古、文物鉴定等方面应用广泛。以傅里叶变换光谱技术为代表的红外光谱学在气态、液态、固态等不同形态分析对象中得到了广泛的应用，例如，大气污染分析、混合气体中大气毒物定量分析、燃烧废气的检测、润滑油品质分析、化妆品质量分析等。红外光谱技术无论是在对固体、液体、气体的定量还是定性分析中都有广泛的应用，如果能够选取恰当的定量分析方法, 就可以达到非常有用的结果，并且红外光谱技术与气相色谱的联用使定量和定性分析更加准确。 红外技术应用于民用行业如下： （一）电力 1. 对变压器工作状况评估：漏磁导致局部温度升高 2. 刀闸、开关类设备工作状况评估：接触不良导致的温度异常 3. 电缆类设备运行状况检测：电缆接头发热引起的温度异常 4. 缘子类架空设备运行状况检测 5. 套管设备运行状况检测：套管负载及接头发热状况评估 6. 线缆及接头运行状况检测：线缆断股及接头发热情况评估 7. 断路器及其接头工作状况评估 8. 电厂整体监控
（二）石油石化
1. 油气加工、油罐储存防爆监控 2. 管道泄漏检测 3. 电气及传动设备工作状况检测 (三)煤矿安全
1. 矿山救护队必备装备－热红外生命探测 2. 井下火区探测 3. 井下观测顶板与密闭 4. 井下机电设备检查 5. 煤垛自燃监测（或煤矸石山监测） 6. 矿用炸药监测和人体测温 （四）制造业
1. 仓库消防安全监测系统 2. 电子工业领域检测 3. 汽车检测 4. 暖通、空调检测应用 （五）建筑行业
1. 仓库消防安全监测系统 2. 电子工业领域检测 3. 汽车检测 4. 暖通、空调检测应用 （六）冶金应用
1. 工业炉内衬损伤检测 2. 大型高炉料面的划定 3. 出炉板坯温度的测定与控制 4. 钢水炉渣分析 （七）太阳能应用
1. 红外热像仪在太阳能组件质量检测的应用 2. 红外热像仪在单晶硅太阳电池漏电流的检测的应用 （八）风能发电
（九）人体测温
（十）高速公路
1. 事件监测；2.高速巡逻 （十一）铁路系统
1. 供电系统 2. 机务系统3.车辆系统 （十二）海洋海事
1.海洋搜索 2.海洋搜救 3. 排污监控 4. 海洋领域监控 （十三）消防搜救
1. 人员搜救--浓烟弥漫的火场寻找围困人员 2. 危险品探测--获得火场中危险品的温度变化情况 3. 火场清理--火灾扑灭后存在的隐燃火源的探测 （十四）医疗诊断
1. 医疗诊断行业应用 2. 头部疾病的诊断 3. 乳腺瘤的诊断 （十五）消费品质量检测
手机发热性能测评 （十六）安防监控
总之，红外技术作为一种现代高科技术，与激光技术并驾齐驱，已涉及到军事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，对未来战争产生重大的影响。在工业、医学和科研等许多方面也广为使用。 |
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来自： 守山学堂 > 《14030 光学》
