紅外技術(shù) 精品課件

1、紅外技術(shù) 第1頁，共71頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)40分，星期二紅 外 技 術(shù)紅外技術(shù)是光電子學(xué)的重要組成部分，屬于光學(xué)的應(yīng)用分支。紅外技術(shù)課是一門培養(yǎng)學(xué)生掌握紅外基本理論和相關(guān)的紅外探測技術(shù)的應(yīng)用基礎(chǔ)課。第2頁，共71頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)40分，星期二本 課 程 內(nèi) 容本課程分七章：一、緒論（紅外輻射） 紅外輻射的基本概念。二、光度學(xué)與輻射度學(xué)基礎(chǔ) 輻射物理量和光譜輻射量。三、熱輻射的基本規(guī)律 基爾霍夫定律，黑體和普朗克公式，斯蒂芬玻爾茲曼定律和維恩位移定律四、紅外輻射源 黑體等常用輻射源的介紹五、紅外線在大氣中的傳輸 大氣特性，大氣吸收，大氣散射。 六、紅外輻射測量儀

2、器及基本參數(shù)測量 單色儀及傅里葉變換紅外光譜儀的組成原理，紅外輻射基本參數(shù)七、 紅外探測器概述 紅外探測器的構(gòu)成、分類及其性能參數(shù) 第3頁，共71頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)40分，星期二選 用 教 材第4頁，共71頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)40分，星期二紅外技術(shù)基礎(chǔ)教學(xué)參考書1、 紅外系統(tǒng)，陳玻若2、紅外系統(tǒng)原理，（美） R.D哈得遜， 3、紅外物理，張建奇4、紅外物理學(xué)，陳衡5、紅外探測器，陳繼述等6、紅外光學(xué)系統(tǒng)，馮克誠7、紅外探測器，王義玉8、紅外物理，劉景生第5頁，共71頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)40分，星期二第一章 紅外輻射及其傳輸 和探測第二章 光學(xué)系統(tǒng)第三

3、章 輻射調(diào)制與調(diào)制盤第四章 紅外輻射測溫第五章 紅外跟蹤系統(tǒng)第六章 紅外搜索系統(tǒng) 第七章 熱成像系統(tǒng)第八章 系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì) (1995)第6頁，共71頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)40分，星期二第一章 緒論第二章 輻射度學(xué)和光度學(xué)第三章 熱輻射的基本規(guī)律第四章 紅外輻射源第五章 目標(biāo)和背景的紅外 輻射特性第六章 紅外輻射在大氣中 的傳輸?shù)谄哒?紅外輻射測量儀器 及基本參數(shù)測量(2004)第7頁，共71頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)40分，星期二第1章 紅外輻射(Infrared Radiation, IR)第8頁，共71頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)40分，星期二1.1 紅外技術(shù)的

4、基本概念1.2 紅外技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀1.3 紅外系統(tǒng)1.4 紅外技術(shù)應(yīng)用第9頁，共71頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)40分，星期二1.1 紅外技術(shù)的基本概念1. 紅外技術(shù)（Infrared Technique) 研究紅外波段內(nèi)電磁波的特性、變化規(guī)律及其應(yīng)用的 一門現(xiàn)代技術(shù)。E=hv，h為普朗克常數(shù)，h=6.6310-34Js第10頁，共71頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)40分，星期二Light ComparisonNameWavelengthFrequency (Hz)Photon Energy (eV)Gamma rayless than 0.01nmmore than 10 EHz

5、124 keV - 300+ GeVX-Ray0.01nm to 10nm30 EHz - 30 PHz124 eV to 124 keVUltraviolet10nm - 380nm30 PHz - 790 THz3.3 eV to 124 eVVisible380nm - 700nm790 THz - 430 THz1.7 eV - 3.3 eVInfrared700nm - 1mm430 THz - 300GHz1.24 meV - 1.7 eVMicrowave1mm - 1 meter300GHz - 300MHz1.24 neV - 1.24 meVRadio1mm - 100,0

6、00km300 GHz - 3 Hz12.4 feV - 1.24 meVTHz：0.1THz10THz(3mm0.03mm）第11頁，共71頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)40分，星期二第12頁，共71頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)40分，星期二堯 澤 艾 拍 太 吉 兆 千 Y Z E P T G M k1024 1021 1018 1015 1012 109 106 103毫 微 納 皮 飛 阿 仄 幺 m n p f a z y10-3 10-6 10-9 10-12 10-15 10-18 10-21 10-24 數(shù) 量 級 的 標(biāo) 準(zhǔn) 寫 法第13頁，共71頁，2022年，5

7、月20日，17點(diǎn)40分，星期二2、紅外輻射熱輻射，其波長范圍從0.7微米到1000微米。 絕對0度以上的物體對向外輻射電磁波大部分是IR按產(chǎn)生機(jī)理不同，分為3個波段 ：極近紅外：0.75m2.5m原子能級躍遷和分子振動泛頻區(qū)近紅外：2.5m25m分子轉(zhuǎn)動、振動能級間躍遷遠(yuǎn)紅外：25m1000m分子轉(zhuǎn)動能級間的躍遷第14頁，共71頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)40分，星期二按傳播性質(zhì)不同，分為3個波段 (International Commission on Illumination(CIE, 國際照明委員會)：Near-infrared (NIR，IR-A)：0.7m1.4m水吸收窗口，常

8、用于光纖通訊(fiber optics telecommunication)Short wavelength infrared(SWIR，IR-B)：1.4m3mMid-wavelength infrared(MWIR，IR-C)：3m8m大氣窗口，被動式熱尋導(dǎo)彈的工作窗口。Long wavelength infrared(LWIR，IR-C)：8m15m熱成像的工作區(qū)域(人體熱輻射波長10m)Far infrared(FIR，IR-C)：15m1000m近紅外中紅外遠(yuǎn)紅外第15頁，共71頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)40分，星期二3. 紅外線的性質(zhì)具有真空傳播速度C；遵守反射、折射、干涉

9、、衍射、偏振等 傳播規(guī)律。差別：具有不同的頻率。紅外輻射具有電磁輻射的基本屬性。第16頁，共71頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)40分，星期二 頻率不同 產(chǎn)生的機(jī)理不同； 測量方法不同； 實(shí)際中的應(yīng)用也不同。紅外線波長介于0.75m1000m 之間 有分段研究的必要。第17頁，共71頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)40分，星期二4. 主要研究內(nèi)容 -紅外輻射的性質(zhì) 輻射在光譜、強(qiáng)度和方向的分布，傳播等 -紅外元器件、部件 輻射源、探測器、微制冷器、材料等 -紅外系統(tǒng) 各部件構(gòu)成的完整系統(tǒng) -紅外應(yīng)用 軍事國民經(jīng)濟(jì)中的各種應(yīng)用相關(guān)技術(shù)：探測、精確制導(dǎo)、光電子、先進(jìn)材料技術(shù)第18頁，共71頁，

10、2022年，5月20日，17點(diǎn)40分，星期二1.2 紅外技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀1. 發(fā)展歷程 1800年，英國天文學(xué)家S.W.赫胥耳(Sir William Herschel)第一次發(fā)現(xiàn)紅外輻射現(xiàn)象。做實(shí)驗(yàn)時，用熱敏探測器(水銀溫度計(jì))發(fā)現(xiàn)了頻率低于紅光的“不可見(invisible)光”，他稱這為“熱射線（ calorific rays ）”。后來，紅外線的英語單詞取Infra-red意思是“below red”。第19頁，共71頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)40分，星期二Sir Frederick William Herschel (1738-1822) was born in Hanove

11、r, Germany, and became well known as both a musician and an astronomer. He emigrated to England in 1757, and with his sister Caroline, constructed telescopes to survey the night sky. Their work resulted in several catalogs of double stars and nebulae. William Herschel is perhaps most famous for his

12、discovery of the planet Uranus in 1781, the first new planet found since antiquity. Caroline Herschel gained fame for the discovery of several comets. In the year 1800, William Herschel made another very important discovery. He was interested in learning how much heat passed through the different co

13、lored filters he used to observe the Sun and noticed that filters of different colors seemed to pass different levels of heat. Herschel thought that the colors themselves might contain different levels of heat, so he devised a clever experiment to investigate his hypothesis. 第20頁，共71頁，2022年，5月20日，17

14、點(diǎn)40分，星期二太陽光熱效應(yīng)溫度計(jì)T 赫胥耳測量了火焰、蠟燭、火爐的輻射，用近50種物質(zhì)作濾光器。第21頁，共71頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)40分，星期二 存在探測新波段的探測器。 光和熱是基本類似的。 不同材料對熱和光的透過規(guī)律不大相同。赫胥耳的研究表明第22頁，共71頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)40分，星期二1830年，溫差熱電偶研制成功（靈敏度提高40倍）1835年，安培宣告了光和熱射線的同一性。1870年，蘭利制成了面積只有針孔那樣大小的探測器，并用凹面反射光柵、巖鹽及氟化物棱鏡來提高測量色散的能力，這為紅外應(yīng)用的重要方面航空攝影奠定了基礎(chǔ)。1880年，“紅外”一詞出現(xiàn)在

15、阿貝尼的文 章中（最早）。1888年，麥洛尼用比較靈敏的熱電堆改進(jìn)了赫胥耳的探測和測量方法，為紅外技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。1904年，開始采用近紅外進(jìn)行攝影。1929年，苛勒發(fā)明了銀氧銫（Ag-O-Cs）光陰極，開創(chuàng)了紅外成像器件的先河。二十世紀(jì)30年代中期，荷蘭、德國、美國各自獨(dú)立研制成紅外變像管，紅外夜視系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)戰(zhàn)。1952年，美國陸軍制成第一臺熱像記錄儀。第23頁，共71頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)40分，星期二 對紅外輻射的研究已有兩百多年的歷史，但作為一門應(yīng)用技術(shù)還是在20世紀(jì)50年代以后發(fā)展起來，并在20世紀(jì)60年代進(jìn)入了全面發(fā)展時期。第24頁，共71頁，2022年，5月20日，

16、17點(diǎn)40分，星期二2. 發(fā)展現(xiàn)狀 上世紀(jì)50年代以來，工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、醫(yī)療、交通及空間技術(shù)廣泛應(yīng)用 探測器：單元-多元-焦平面陣列 工作波段：由近紅外拓展到遠(yuǎn)紅外 設(shè)備：由大型向輕小型化發(fā)展3. 面臨問題 紅外材料及設(shè)備的制冷，拓展長波長，焦平面陣列器件第25頁，共71頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)40分，星期二 紅外技術(shù)的進(jìn)展是物理學(xué)、光學(xué)、光譜學(xué)、電子學(xué)、半導(dǎo)體技術(shù)等學(xué)科互相滲透的結(jié)果。紅外技術(shù)的發(fā)展需要多學(xué)科相互配合第26頁，共71頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)40分，星期二 紅外技術(shù)的發(fā)展關(guān)鍵在于紅外材料的研制、紅外設(shè)備的制冷、紅外設(shè)備向更長波段發(fā)展、紅外焦平面陣列器件的研

17、制和紅外設(shè)備與數(shù)據(jù)處理設(shè)備的結(jié)合等。 紅外技術(shù)的難點(diǎn) 第27頁，共71頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)40分，星期二1.3 紅外系統(tǒng)1. 紅外系統(tǒng)結(jié)構(gòu)紅外系統(tǒng)，又稱紅外整機(jī)第28頁，共71頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)40分，星期二2. 紅外系統(tǒng)的分類探測、測量裝置：輻射計(jì)、測溫儀、方位儀、光譜輻射計(jì)等跟蹤裝置搜索裝置成像裝置通訊系統(tǒng)和測距系統(tǒng)按其工作性質(zhì)分第29頁，共71頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)40分，星期二按輻射源的形式可分兩類：被動式：直接接收目標(biāo)發(fā)出的輻射。主動式：由輻射源發(fā)出紅外輻射，照射 到目標(biāo)上，接收由目標(biāo)反射的 紅外輻射能量。 第30頁，共71頁，2022年，5

18、月20日，17點(diǎn)40分，星期二3. 紅外系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)及其發(fā)展 紅外輻射是光譜輻射的一部分，紅外輻射具有光的基本屬性。 紅外技術(shù)是光學(xué)的一個應(yīng)用分支，光學(xué)中的幾何光學(xué)和物理光學(xué)同樣是紅外系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)。第31頁，共71頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)40分，星期二紅外系統(tǒng)設(shè)計(jì)中： 運(yùn)用光學(xué)設(shè)計(jì)的一般理論，結(jié)合紅外系統(tǒng)的特點(diǎn)做系統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。紅外系統(tǒng)的性能分析和計(jì)算中： 常用光學(xué)傳遞函數(shù)的方法進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和質(zhì)量評價。紅外系統(tǒng)的能量計(jì)算中：運(yùn)用波動光學(xué)理論和光學(xué)頻譜分析理論。 第32頁，共71頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)40分，星期二從信息觀點(diǎn)考慮：紅外系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是一個信息接收器。

19、紅外系統(tǒng)通常也是一個控制系統(tǒng)。紅外系統(tǒng)的信號檢測：運(yùn)用信號檢測理論（信號形式、檢測準(zhǔn)則、檢測方法及估值問題）。第33頁，共71頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)40分，星期二紅外系統(tǒng)發(fā)展的兩大特點(diǎn) 紅外系統(tǒng)的發(fā)展與紅外探測器的發(fā)展有 明顯的依賴關(guān)系 紅外技術(shù)的發(fā)展需要多學(xué)科相互配合第34頁，共71頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)40分，星期二 紅外系統(tǒng)的發(fā)展與紅外探測器的發(fā)展有 明顯的依賴關(guān)系1800 1830 溫度計(jì)，測一次16分鐘。1830 熱電偶1833 熱電堆1840 油層薄膜熱蒸發(fā)圖像1843 紅外照射發(fā)磷光1883 紅外感光（1.3m）1917 光子探測器亞硫酸鉈 （制冷可增加靈

20、敏度） 光子探測器發(fā)展迅速第35頁，共71頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)40分，星期二 20世紀(jì)60年代探測列陣技術(shù)飛速發(fā)展 ，紅外裝置進(jìn)入了全面發(fā)展的新階段。第36頁，共71頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)40分，星期二1.軍用軍事目標(biāo)的偵察、監(jiān)視、預(yù)警與跟蹤 紅外通信軍用夜視儀1.4 紅外技術(shù)的應(yīng)用第37頁，共71頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)40分，星期二紅外技術(shù)的軍事意義 軍用紅外技術(shù)成為國家安全防御體系中的重要探測技術(shù) 由于大氣層外的空間最適于紅外系統(tǒng)使用，故紅外探測是偵察衛(wèi)星、導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星采用的主要探測手段，也是氣象、資源普查、遙感衛(wèi)星必備的探測方式。紅外技術(shù)會進(jìn)一步成為

21、國家安全防衛(wèi)所依賴的主要探測。第38頁，共71頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)40分，星期二 紅外技術(shù)是未來高科技局部戰(zhàn)爭中使用的主要技術(shù)之一 夜間和惡劣天氣條件下，在高強(qiáng)度的電子對抗、光電對抗的戰(zhàn)場環(huán)境中，紅外系統(tǒng)被動工作的優(yōu)越性將得到更充分的發(fā)揮。以紅外技術(shù)為己方獲得戰(zhàn)場上單向可視性，取得戰(zhàn)場信息的強(qiáng)大優(yōu)勢，是自己能在全天候、全時日條件下識破偽裝、突破防線，辨認(rèn)和準(zhǔn)確打擊要害部位、重要設(shè)施與機(jī)動目標(biāo)。 第39頁，共71頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)40分，星期二 紅外非成像制導(dǎo)技術(shù)：利用紅外探測器捕獲和跟蹤目標(biāo)自身所輻射的紅外能量來實(shí)現(xiàn)精確制導(dǎo)的一種技術(shù)手段。特點(diǎn)：制導(dǎo)精度高，不受無

22、線電干擾的影響；可晝夜作戰(zhàn)；采用被動尋的方式，攻擊隱蔽性好。缺陷：正常工作受云、霧和煙塵的影響；并有可能被曳光彈、紅外誘餌、云層反射的陽光和其它熱源誘惑，偏離和丟失目標(biāo)。紅外制導(dǎo)系統(tǒng)作用距離有限，一般用作近程武器的制導(dǎo)系統(tǒng)或遠(yuǎn)程武器的末制導(dǎo)系統(tǒng)。第40頁，共71頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)40分，星期二“響尾蛇”AIM9是世界上第一種紅外制導(dǎo)空對空導(dǎo)彈。紅外裝置可以引導(dǎo)導(dǎo)彈追蹤熱的目標(biāo)，如同響尾蛇能感知附近動物的體溫而準(zhǔn)確捕獲獵物一樣。紅外制導(dǎo)第41頁，共71頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)40分，星期二 紅外成像制導(dǎo)：利用紅外探測器探測目標(biāo)的紅外輻射,以捕獲目標(biāo)紅外圖像的制導(dǎo)技術(shù)。特

23、點(diǎn)：靈敏度和空間分辨率都很高動態(tài)跟蹤范圍大有效作用距離遠(yuǎn)抗干擾性好。具有更好的目標(biāo)識別能力和制導(dǎo)精度。全天候作戰(zhàn)能力較強(qiáng)。缺陷成本較高，全天候作戰(zhàn)能力仍不如微波和毫米波制導(dǎo)系統(tǒng)。 第42頁，共71頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)40分，星期二紅外成像系統(tǒng)被動式紅外成像系統(tǒng)（紅外熱像儀）利用物體自然發(fā)射的紅外輻射主動式紅外成像系統(tǒng)（紅外夜視儀）利用不同物體對紅外輻射的不同反射核心：如何將紅外圖像轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姽鈭D像？第43頁，共71頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)40分，星期二主動式紅外成像系統(tǒng)的特點(diǎn)：能夠區(qū)分軍事目標(biāo)和自然景物，識別偽裝；典型目標(biāo)的反射曲線可見光譜區(qū)近紅外光譜區(qū)第44頁，共71

24、頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)40分，星期二在PCF中傳輸80cm時產(chǎn)生的超連續(xù)譜，譜寬范圍為4652500 nm 第45頁，共71頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)40分，星期二 熱圖像再現(xiàn)了景物各部分溫度和輻射發(fā)射率的差異，能夠顯示出景物的特征。紅外熱成像系統(tǒng)是被動式成像系統(tǒng)。 自然界中，溫度高于絕對零度的一切物體，總是在不斷地發(fā)射紅外輻射。收集并探測這些輻射能，就可以形成與景物溫度分布相對應(yīng)的熱圖像。第46頁，共71頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)40分，星期二紅外技術(shù)的軍事應(yīng)用更加廣泛和深入 紅外技術(shù)將被有效地應(yīng)用于迅速發(fā)展的光電對抗、光通信及定向能武器等方面。 對于高速運(yùn)動的飛

25、行體，如超音速飛行的飛機(jī)、導(dǎo)彈等，即是其具備完善的雷達(dá)隱身手段，但由于其高速飛行產(chǎn)生的 氣動加熱，使其表面溫度高達(dá)300500C,紅外特征非常明顯，難以擺脫紅外探測系統(tǒng)的監(jiān)測、跟蹤。 此外在雷達(dá)被嚴(yán)重干擾時，紅外探測就成為主要的防空探測手段。第47頁，共71頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)40分，星期二紅外技術(shù)的應(yīng)用2.民用熱源探測醫(yī)用熱像儀溫度測量與過程控制紅外光譜分析紅外加熱干燥紅外遙感紅外天文學(xué)第48頁，共71頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)40分，星期二物體紅外鏡頭探測器紅外熱圖紅外輻射紅外熱像儀工作示意圖紅外熱像儀是全被動接收儀器，依靠接收目標(biāo)自身輻射的紅外信號工作，對于其他精密

26、電子儀器設(shè)備沒有任何干擾。電路處理第49頁，共71頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)40分，星期二Thermography（熱成像）914m第50頁，共71頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)40分，星期二第51頁，共71頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)40分，星期二Meteorology(氣象學(xué)）紅外云圖第52頁，共71頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)40分，星期二紅外成像第53頁，共71頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)40分，星期二第54頁，共71頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)40分，星期二熱源探測醫(yī)學(xué)應(yīng)用第55頁，共71頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)40分，星期二第56頁，共

27、71頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)40分，星期二Art history（藝術(shù)品鑒定）探傷與識別第57頁，共71頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)40分，星期二激光紅外光學(xué)成像技術(shù)應(yīng)用于探測SF6氣體泄漏第58頁，共71頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)40分，星期二Night vision（微光夜視）59紅外攝像機(jī)（英軍押解伊戰(zhàn)俘）第59頁，共71頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)40分，星期二第60頁，共71頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)40分，星期二Communications（通訊）紅外線遙控器？第61頁，共71頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)40分，星期二紅外光譜 紅外光只能激發(fā)分子內(nèi)原子核之間的振動和轉(zhuǎn)動能級的躍遷，因此紅外吸收光譜是通過測定這兩種能級躍遷的信息來研究分子結(jié)構(gòu)的。 在紅外光譜圖中，以波長或波數(shù)為橫坐標(biāo)，縱坐標(biāo)一般用線性透光率作標(biāo)度，稱為透射光譜圖；也有采用非線性吸光度為標(biāo)度的，稱為吸收光譜圖。 紅外光譜(infrared spectroscopy，IR)透光度以下式表示：I：表示透過光的強(qiáng)度； I0：表示入射光的強(qiáng)度。第62頁，共71頁，2022年，5月20日，