紅外探測技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展

嚴(yán)彪

摘要：紅外探測技術(shù)在軍事、工業(yè)、氣象等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，本文主要介紹了紅外探測技術(shù)的工作原理、性能影響因素以及未來技術(shù)發(fā)展方向。

1.引言

紅外探測技術(shù)是一種利用紅外探測器感知物體輻射紅外線，通過光電轉(zhuǎn)換、信息處理等技術(shù)手段，以數(shù)字、信號、圖像等方式顯示被測物體溫度場分布情況，并加以利用的集探知、觀察等功能于一體的綜合性技術(shù)[1]。紅外探測技術(shù)在軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、氣象等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。本文主要介紹了紅外探測技術(shù)的原理、主要性能影響因素以及未來發(fā)展方向等。

2.工作原理

任何物體，只要表面溫度超過絕對零度（-273K），即會輻射出電磁波，電磁波的輻射強度和波長分布特性隨溫度變化[2]，輻射波長范圍在0.78μm～1000μm的電磁波稱為紅外線輻射。紅外探測技術(shù)就是利用紅外探測器將物體紅外線輻射功率信號轉(zhuǎn)換成電信號，然后經(jīng)系統(tǒng)處理，將物體表面溫度場分布情況實現(xiàn)可視化分析的技術(shù)。紅外探測技術(shù)在各個領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，具有響應(yīng)速度快、測量范圍寬、測量結(jié)果直觀形象以及遠距離非接觸探測等諸多特點[1]。

紅外線輻射是自然界中存在最為廣泛的輻射，其具有兩個重要特性：

（1）物體紅外輻射強度直接和物體溫度和表面特性相關(guān);

（2）大氣、煙云等吸收可見光和近紅外線，但對3μm～5μm（中波紅外）和8μm～14μm（長波紅外）的紅外線是透明的[3]。

3.紅外探測性能主要影響因素

3.1 物體紅外輻射強度

根據(jù)紅外探測作用距離的普遍公式[3]，紅外探測距離的平方與目標(biāo)的紅外輻射強度呈正比;根據(jù)斯特藩-玻爾茲曼定律，物體紅外輻射強度只與其溫度和表面特性相關(guān)，與溫度的四次方呈正比，具有較強的溫度效應(yīng);根據(jù)維恩位移定律，物體輻射峰值波長隨其溫度升高而向短波方向移動，直接影響探測器響應(yīng)波長范圍[4]。

3.2 大氣傳輸特性

大氣對紅外輻射傳輸?shù)挠绊懼饕w現(xiàn)在散射和吸收作用兩個方面，使紅外輻射信號產(chǎn)生衰減，增加探測器噪聲。不同氣體分子對不同波長的紅外輻射有比較強烈的選擇性吸收作用，主要包括二氧化碳、水蒸氣、氮氣、臭氧等。根據(jù)文獻[4]研究成果，紅外輻射強度在大氣傳輸過程中的衰減系數(shù)主要受作用距離、相對濕度、工作頻段等因素影響，此外，不同緯度和季節(jié)以及海域、陸地、沙漠等諸多因素對大氣傳輸特性也存在影響。

3.3光學(xué)傳輸特性

光學(xué)系統(tǒng)性能與使用的材料直接相關(guān)，不同的材料對不同的紅外波段透射率、反射率不同，鍺（2～15μm）是當(dāng)前光學(xué)系統(tǒng)使用最廣泛的材料[5]。光學(xué)系統(tǒng)傳輸特性的主要參數(shù)包括透過率、通光口徑、焦距、F數(shù)（光圈數(shù)）等。F數(shù)（光圈數(shù)）主要用于衡量光學(xué)鏡頭進光量大小，F(xiàn)數(shù)越小，進光量越大。鏡頭焦距與通光孔徑?jīng)Q定紅外探測視場大小，在其他參數(shù)不變的條件下，焦距越長，探測視場越小，探測距離越遠。

3.4 紅外探測器性能

紅外探測器是紅外熱像儀的核心器件，其主要性能參數(shù)包括靈敏度、功率響應(yīng)、光譜響應(yīng)范圍、等效噪聲溫度等參數(shù)。

靈敏度受制于探測器本身的噪聲和背景輻射，和等效噪聲溫度均表現(xiàn)紅外探測器的溫差響應(yīng)靈敏性。對于目前使用最廣泛的量子阱探測器，功率響應(yīng)與波長成正比，功率響應(yīng)越高，探測能力越強。目前常用的探測器光譜響應(yīng)范圍大都集中在3～5μm和8～14μm兩個窗口。光譜探測能力用于衡量紅外探測器的噪聲，光譜探測能力越小，探測噪聲越大，探測器靈敏度越低。

4.紅外探測技術(shù)發(fā)展

（1）新型多光譜/高光譜紅外探測技術(shù)

多光譜/高光譜探測[6]是指在一個以上的紅外譜段探測由目標(biāo)（場景）的紅外輻射信號，并將探測信息進行融合后，基于不同物質(zhì)在不同譜段的輻射、反射、吸收特性等不同，實現(xiàn)對探測目標(biāo)的多維信息獲取和高精度識別。其中自適應(yīng)多光譜紅外成像技術(shù)是著重發(fā)展的方向。

自適應(yīng)多光譜紅外成像采用新型光學(xué)系統(tǒng)或智能化超大規(guī)模集成探測芯片，實現(xiàn)對多個譜段進行同時探測，并能夠完成自適應(yīng)譜段選擇，以提升局部背景和目標(biāo)對比度，在空間分辨率、目標(biāo)識別能力、工作速度等方面有巨大提升。

（2）紅外偏振成像探測技術(shù)

自然界物體在反射自然光和輻射紅外線的過程中都會產(chǎn)生由它們自身性質(zhì)和光學(xué)基本定律決定的偏振特性，利用偏振成像技術(shù)，可以獲取除亮度、形狀、顏色之外的目標(biāo)偏振態(tài)信息。不同物體或同一物體的不同狀態(tài)會產(chǎn)生不同的偏振信息，且與波長密切相關(guān)，形成偏振光譜。由于偏振信息是不同于輻射的另一種表征事物的信息，相同輻射的被測物體可能有不同的偏振度，使用偏振成像探測手段可以在復(fù)雜輻射背景下提升目標(biāo)成像銳度和對比度，提升目標(biāo)信息檢出能力，對隱身目標(biāo)探測、目標(biāo)識別以及目標(biāo)特性分析等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

5 結(jié)論

紅外探測技術(shù)在海灣戰(zhàn)爭中成為最閃亮的高科技技術(shù)之一，其之后在軍事領(lǐng)域和民用領(lǐng)域開始飛速發(fā)展，時至今日，技術(shù)成熟度高，應(yīng)用廣泛，成為安防、軍事、工業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域的重要技術(shù)。隨著隱身技術(shù)發(fā)展和使需求的提升，紅外探測技術(shù)也存在著諸多難題需要突破，而多光譜紅外探測、高光譜紅外探測、偏振紅外探測等新型紅外探測技術(shù)的研究發(fā)展將成為未來主要的發(fā)展方向。

參考文獻

[1]張敏，韓芳等.紅外熱成像技術(shù)在民用領(lǐng)域的應(yīng)用[J]，紅外.2019，40（6）：35-43.

[2]田華.關(guān)于輻射的經(jīng)典理論.河北師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），1995，19（1）：36-41.

[3]李文勝，張琴，付艷華，等.一種基于光子晶體結(jié)構(gòu)的軍用車輛紅外隱身涂層的設(shè)計[J].紅外與激光工程，2015，44（011）：3299-3303.

[4]寇人可，王海晏，吳學(xué)銘.低緯度地區(qū)紅外波段大氣透射率研究[J].激光與光電子學(xué)進展，2017（01）：51-58.

[5]寇小明.紅外成像觀測系統(tǒng)性能評價方法研究[D].西安電子科技大學(xué).9-30.

[6]李程華.低空高光譜探測技術(shù)[J].艦船電子工程，2013，33（012）：26-29.