紅外探測技術應用與發展

嚴彪

摘要：紅外探測技術在軍事、工業、氣象等領域應用廣泛，本文主要介紹了紅外探測技術的工作原理、性能影響因素以及未來技術發展方向。

1.引言

紅外探測技術是一種利用紅外探測器感知物體輻射紅外線，通過光電轉換、信息處理等技術手段，以數字、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[1]。紅外探測技術在軍事、工業、農業、醫療、氣象等領域應用廣泛。本文主要介紹了紅外探測技術的原理、主要性能影響因素以及未來發展方向等。

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。紅外探測技術就是利用紅外探測器將物體紅外線輻射功率信號轉換成電信號，然后經系統處理，將物體表面溫度場分布情況實現可視化分析的技術。紅外探測技術在各個領域被廣泛應用，具有響應速度快、測量范圍寬、測量結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;

（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的紅外輻射強度呈正比;根據斯特藩-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，與溫度的四次方呈正比，具有較強的溫度效應;根據維恩位移定律，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波長范圍[4]。

3.2 大氣傳輸特性

大氣對紅外輻射傳輸的影響主要體現在散射和吸收作用兩個方面，使紅外輻射信號產生衰減，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光學傳輸特性

光學系統性能與使用的材料直接相關，不同的材料對不同的紅外波段透射率、反射率不同，鍺（2～15μm）是當前光學系統使用最廣泛的材料[5]。光學系統傳輸特性的主要參數包括透過率、通光口徑、焦距、F數（光圈數）等。F數（光圈數）主要用于衡量光學鏡頭進光量大小，F數越小，進光量越大。鏡頭焦距與通光孔徑決定紅外探測視場大小，在其他參數不變的條件下，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，其主要性能參數包括靈敏度、功率響應、光譜響應范圍、等效噪聲溫度等參數。

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紅外探測器的溫差響應靈敏性。對于目前使用最廣泛的量子阱探測器，功率響應與波長成正比，功率響應越高，探測能力越強。目前常用的探測器光譜響應范圍大都集中在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.紅外探測技術發展

（1）新型多光譜/高光譜紅外探測技術

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（場景）的紅外輻射信號，并將探測信息進行融合后，基于不同物質在不同譜段的輻射、反射、吸收特性等不同，實現對探測目標的多維信息獲取和高精度識別。其中自適應多光譜紅外成像技術是著重發展的方向。

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

（2）紅外偏振成像探測技術

自然界物體在反射自然光和輻射紅外線的過程中都會產生由它們自身性質和光學基本定律決定的偏振特性，利用偏振成像技術，可以獲取除亮度、形狀、顏色之外的目標偏振態信息。不同物體或同一物體的不同狀態會產生不同的偏振信息，且與波長密切相關，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雜輻射背景下提升目標成像銳度和對比度，提升目標信息檢出能力，對隱身目標探測、目標識別以及目標特性分析等方面具有廣闊的應用前景。

5 結論

紅外探測技術在海灣戰爭中成為最閃亮的高科技技術之一，其之后在軍事領域和民用領域開始飛速發展，時至今日，技術成熟度高，應用廣泛，成為安防、軍事、工業、醫療等領域的重要技術。隨著隱身技術發展和使需求的提升，紅外探測技術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的研究發展將成為未來主要的發展方向。

參考文獻

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

[2]田華.關于輻射的經典理論.河北師范大學學報（自然科學版），1995，19（1）：36-41.

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

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

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

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