軍用紅外技術(shù)課件

一切溫度高于絕對零度的物體都有其自的紅外輻射，這就是為目標(biāo)和景物的探測、識別奠定了客觀基礎(chǔ)。1800年，英國天文學(xué)家F.W.Herschel首先發(fā)現(xiàn)了紅外輻射。二戰(zhàn)后，許多國家都認(rèn)識到紅外技術(shù)的重要性，并致力于其研究和發(fā)展，其重要的工作是研制響應(yīng)波段在大氣窗口的光子型紅外探測器，并研制出如硫化鉛(PbS)、銻化銦(InSb)、鍺摻汞(Ge:Hg)、碲鎘汞(HgCdTe)等紅外探測器。

50年代中期，紅外點源制導(dǎo)型空-空導(dǎo)彈誕生，即美國的“響尾蛇”導(dǎo)彈。

60年代研制出記載紅外行掃描儀、紅外前視裝備及早期的空間紅外儀。70年代涌現(xiàn)出通用組件式紅外熱視儀、星載紅外預(yù)警系統(tǒng)等。80年代發(fā)展以焦平面器件為基礎(chǔ)的紅外軍事裝備和空間紅外偵察、告警技術(shù)。在美國戰(zhàn)區(qū)彈道導(dǎo)彈防御計劃中，天基星載紅外探測系統(tǒng)均是探測助推段導(dǎo)彈的主要裝備，也是識別中段彈道導(dǎo)彈的手段之一。

大氣層中紅外波段的三個“大氣窗口”：1~2.7m、3~5m、8~14m在窗口，紅外輻射盡管也有衰減，但總算可以被有效地傳輸；在窗口之外，大氣基本是不透明的。故紅外系統(tǒng)在大氣中的典型探測距離約為10km，故意戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用為主，如探測飛機、艦船、車輛等。但在大氣層之外，目標(biāo)各波長的紅外輻射都可以被有效地傳輸，使紅外系統(tǒng)的探測距離可延伸兩個數(shù)量級，達(dá)到1000km以上，可做戰(zhàn)略應(yīng)用。

紅外技術(shù)的軍事意義可歸納為：

⑴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)一步成為國家安全防衛(wèi)所依賴的主要探測手段。

⑵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)之一在夜間和惡劣天氣條件下，在高強度的電子對抗、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)施與機動目標(biāo)。

⑶紅外技術(shù)的應(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。對于高速運動的飛行體，如超音速飛行的飛機、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)300～500oC,

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。

相對于雷達(dá)而言，紅外系統(tǒng)體積小、重量輕、功耗低、容易制成靈巧裝備，且不怕電磁干擾，特別適合于“發(fā)射后不管”的精確制導(dǎo)武器。紅外技術(shù)的缺點：大氣層內(nèi)的探測能力不如微波雷達(dá)，且只能利用在三個大氣窗口內(nèi)的目標(biāo)輻射信息；紅外材料品種太少；探測器工藝復(fù)雜，成本高昂，其尺寸小，大大限制了紅外系統(tǒng)的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能；現(xiàn)役紅外裝備大多需制冷手段，影響其應(yīng)用。軍用紅外技術(shù)的三個主要方面：跟蹤與制導(dǎo)，紅外夜視，偵察和預(yù)警。工作溫度：

⑴室溫—常取為295K或300K。⑵干冰---194.6K（固態(tài)的升華溫度）。⑶液氧沸點---90.2K.⑷液氬沸點---87.2K.⑸液氮沸點---77.3K.⑹液氖沸點---27.1K.⑺液氫沸點---20.4K.⑻液氦沸點---4.2K.

二、紅外探測器紅外探測器是把紅外輻射能轉(zhuǎn)換為電能或其它便于測量的物理量的器件。紅外探測器是基于紅外輻射與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生熱效應(yīng)或光電效應(yīng)而工作。故探測器常分為熱探測器和光子探測器。1800年赫謝爾發(fā)現(xiàn)紅外輻射所用的水銀溫度計是最早使用的熱探測器。1830年意大利人L.諾比利應(yīng)用溫差效應(yīng)制成輻射熱電偶。1880年美國人S.P.郎利用鉑箔制成測輻射熱計。埃略特(Elliott)等人研制出SPRITE(SignalProcess-ingInTheElement)紅外探測器，實現(xiàn)了在器件內(nèi)部的信號處理。1、熱探測器熱探測器利用紅外輻射的熱效應(yīng)而工作。當(dāng)探測器的響應(yīng)元受到紅外輻射后，其溫度上升，引起材料的某些物理性質(zhì)發(fā)生變化，器件及產(chǎn)生相應(yīng)的電輸出，測量這種輸出，即可感知器件接收到的紅外輻射。

熱探測器常被分成四種：輻射熱電偶、氣動探測器、測輻射熱計、熱釋電攤測器。

它們的共同特點：對輻射波長的響應(yīng)無明顯的選擇性，實際上由于材料對不同波長的輻射的吸收、反射有一定的差異，使器件的響應(yīng)對波長略有一定的選擇，可通過鍍制一層良好的吸收曾來改善；器件可在室溫下工作。但它們的響應(yīng)率低，

響應(yīng)速度慢，軍事應(yīng)用受到限制。

⑴測輻射熱計對溫度敏感的材料（導(dǎo)體或半導(dǎo)體）受到紅外輻射后，溫度上升，電阻也隨之改變，其變化量與溫度的變化量成正比：R=TR?T測得R即可知接收到的紅外輻射量。

T--材料的電阻溫度系數(shù)對金屬：T=1/T半導(dǎo)體：T=-/T2

=3000K高溫超導(dǎo)探測器原理：超導(dǎo)體從正常態(tài)轉(zhuǎn)變至超導(dǎo)態(tài)時，其阻值隨溫度的變化而劇烈變化。在超導(dǎo)轉(zhuǎn)折點附近，微小的溫度變化將產(chǎn)生很明顯的電阻變化（約為10n/2k)，故響應(yīng)率很高。此類探測器的光譜響應(yīng)向長波方可延伸至亞毫米甚至毫米區(qū)，且響應(yīng)與波長無關(guān)?，F(xiàn)國際上再研究氧化物高溫超導(dǎo)體室溫光熱輻射探測器，其突出的優(yōu)點是可在室溫

下工作，不要求器件處于超導(dǎo)轉(zhuǎn)變點附近。如在傾斜的SrTiO3（三氧化鈦鍶）單晶襯底上制成的室溫工作光熱輻射探測器，噪聲小，響應(yīng)快，在很寬的輻射波段內(nèi)有相當(dāng)高的靈敏度。高溫超導(dǎo)紅外探測器優(yōu)勢明顯的性能：

可探測從X射線到微波的電磁輻射，覆蓋紫外、可見光、紅外、亞毫米和毫米波。在8～14m波段，HgCdTe最好，但對波長〉20m，HgCdTe難以勝任，但超導(dǎo)紅外探測器仍有很好的性能。高溫超導(dǎo)探測器被認(rèn)為是紅外與亞毫米波波段的最佳器件，填補目前亞毫米波段無探測儀的空白。工耗小，噪聲低，有利于制成均勻的大面積陣列。全天候工作能力較好。成本低。Honeywell93年稱，淀積在Si微結(jié)構(gòu)上的高溫超導(dǎo)測輻射熱計之成本比HgCdTe的要低幾個數(shù)量級。

若極性軸與晶軸方向一致，則有0=PS。在無外界作用時，此束縛電荷0會被表面吸附的雜散電荷(1)、晶體自身擴散來的電荷(2)所中和，而顯中性。即PS+1+2=0當(dāng)晶體吸收了紅外輻射后，溫度上升。由于PS是溫度的函數(shù)，且馳豫時間很短（10-12s)，故PS迅速變化。但1和2馳豫時間長達(dá)幾分鐘（甚至達(dá)小時），遠(yuǎn)跟不上通常條件下的溫度變化，于是晶體表面的

電中性條件被破壞，呈帶電狀態(tài)。若沿與極化強度正交方向?qū)⒕w切成薄片，并在兩端表面沉淀金屬電極，在紅外輻射照射下，兩電極間就有電壓。此電壓與晶體的溫度變化的變化率成正比，而不是與溫度的變化量成正比。若外接電路，則形成所謂的熱釋電流。此類晶體叫熱釋晶體。此效應(yīng)稱為熱釋電效應(yīng)。

若以調(diào)制頻率為f的紅外輻射照射，則晶體的溫度、自發(fā)極化強度及由此引起的表面束縛電荷密度均以同樣頻率變化。只要f-1小于自由電荷中和面束縛電荷所需要的時間，則在垂直PS的兩端面間就產(chǎn)生交變的開路電壓。熱釋電現(xiàn)象與溫度密切相關(guān)。這是因為曲線(PS-T)在不同T點有不同的斜率。且每種熱釋電材料都有一個特定溫度Tcu,

2、光子探測器光子探測器亦稱量子探測器，系基于光電效應(yīng)而工作。其中基于外光電效應(yīng)叫外光電探測器或真空光電探測器；而基于內(nèi)光電效應(yīng)又分為光電導(dǎo)(PC)和光伏(PV)型探測器。外光電探測器于微光夜視儀類似，利用逸出功低的光電陰極。

光電導(dǎo)(PC)探測器的工作物質(zhì)多為半導(dǎo)體。當(dāng)入射光子的能量不小于被輻射半導(dǎo)體的禁帶寬度或雜質(zhì)電離能時，便在體內(nèi)產(chǎn)生自由電子或空穴，使材料的電導(dǎo)率上升。在外加偏壓的作用下，輸出與入射能量相應(yīng)的電信號。光電導(dǎo)效應(yīng)有本征型與非本征型之分。PbS、InSb、HgCdTe屬本征型半導(dǎo)體，而鍺參雜、硅參雜者屬非本征型。由于雜質(zhì)的電離能遠(yuǎn)小于半導(dǎo)體的

可將上述過程總結(jié)為三個主要物理過程：

吸收光能發(fā)出非平衡電子空穴對；非平衡電子和空穴從產(chǎn)生處向非均勻勢場區(qū)運動，這種運動可以是擴散運動也可是飄移運動；非平衡電子和空穴在非均勻勢場區(qū)作用下向相反方向運動而分離。

這種非均勻勢場可以是p-n結(jié)、金屬與半導(dǎo)體間的肖特基勢壘和異質(zhì)結(jié)等。肖特基勢壘光電探測器是光伏探測器的一種。將金屬沉積在半導(dǎo)體表面。由于金屬和半導(dǎo)體中的載流子所處的能級的差異，它們會由高能級向低能級方向轉(zhuǎn)移，其結(jié)果是出現(xiàn)內(nèi)建電場。由于此電場對上述轉(zhuǎn)移的抑制，很快就達(dá)到平衡，形成穩(wěn)定的結(jié)區(qū)勢壘--肖特基勢壘(Schottky—barrier).

當(dāng)入射光輻射打破這種平衡時，就產(chǎn)生光伏效應(yīng)。在這種器件中，勢壘就在半導(dǎo)體表面形成，光生載流子直接在勢壘區(qū)內(nèi)，這既省去了擴散時間，又減少了復(fù)合損失，使器件響應(yīng)快、靈敏度高。但入射光要通過金屬層，有部分光能損失。Josephson界探測器。1962年Josephson指出：在兩片超導(dǎo)體之間夾一層薄絕緣

材料(如厚10-3m的氧化層)，形成小勢壘的弱耦合結(jié)。由于結(jié)兩邊超導(dǎo)體種電子的相位相關(guān)性和量子隧道效應(yīng)，電子可穿過此絕緣層。這種具有量子隧道效應(yīng)的弱耦合結(jié)叫做Josephson結(jié)。若將外路連通，街上就有零偏壓超導(dǎo)電流，稱之為直流Josephson電流。如在結(jié)上另加直流電壓V,則結(jié)上除有直流Josephson電流外，還有一交流超導(dǎo)電流，

即交流Josephson電流，其頻率與V成正比。若有輻射照射在結(jié)上，則流過結(jié)的零偏壓超導(dǎo)電流將發(fā)生變化，至使界的伏安特性改變?；丝芍瞥尚阅軆?yōu)良的探測器---Josephson結(jié)探測器。目前點接觸型Josephson結(jié)探測器達(dá)到的性能指標(biāo)：工作溫度<10k，響應(yīng)波長<0.3mm，響應(yīng)時間10-8s(直測值),

10-10s(實驗推算)。

InSb(銻化鋅)光電導(dǎo)探測器本征型PC器件，其禁帶寬度Eg很小。當(dāng)T=300k時，Eg=0.17eV,相應(yīng)波長

c=7.3m;當(dāng)T=77k時，Eg=0.23eV,相應(yīng)波長

c=5.4m;實驗表明，降低工作溫度可大大提高器件的探測率，但截止波長和峰值波長都回向短波方向移動。常用且性能最好的是77k溫度的低溫探測器?？紤]到大氣窗口，77k工作溫度的低溫期間是3～5m波段常選用的。封在杜瓦瓶內(nèi)。

HgCdTe光電到探測器Hg1-xCdxTe是由半導(dǎo)體CdTe和HgTe組成的固溶三元化合物半導(dǎo)體，式中x代表CdTe的克分子數(shù)。近于0k時，CdTe的禁帶寬度Eg=1.6eV；HgTe是一種半金屬，此時其禁帶寬度Eg=-0.3eV。

Hg1-xCdxTe的禁帶寬度Eg隨組分x和工作溫度T而變，其總的趨勢是：Eg隨x、T的增大而變大，但T的影響比x要弱得多。常用組分x有0.2,0.28,0.39等：x=0.2,T=77K,用于8～14m波段.x=0.28,T=195K,用于3～5m波段.x=0.39,T=300K,用于1～3m波段.用于8～14m波段的HgCdTe器件具有重要的實用意義。因具有同等性能的探測器需要30K以下的低溫。工作于室溫的1～3m波段的HgCdTe器件某些方面雖不如PbS,但它的快速響應(yīng)特點使之在激光測距和通信領(lǐng)域被成功應(yīng)用。SPRITE探測器1974年，英國Dr.Ellliot首先提出光導(dǎo)HgCdTe掃積型條狀探測器，實現(xiàn)在器件內(nèi)部作信號處理。它由若干條型器件組成，每條又相當(dāng)N個分立的HgCdTe探測器。當(dāng)目標(biāo)的紅外像斑沿長條方向掃過時，外加電場驅(qū)使光生載流子也沿上述掃描方向遷移，并使遷移速率與像斑掃描速率相同。這就使載流子經(jīng)過串行累積后再由讀出區(qū)輸出，從而實現(xiàn)目標(biāo)信號在器件內(nèi)部的延遲與疊加。現(xiàn)已制成的SPRITE探測器有用于中紅外和遠(yuǎn)紅外的兩種，分別工作于3～5m和8～14m波段。其探測率比通常在此波段工作的探測器背景現(xiàn)提高了好幾倍，這主要歸功于“掃積”作用---光場在整個元件上各處所產(chǎn)生的載流子均被外電場“掃”在一起，堆“積”在該元件末端的兩電極之間，使此區(qū)域的光生載流子密度比沒有“掃積”作用的器件高得多。該探測器既能對紅外輻射探測，又具有對信號的延遲與積分功能，使后續(xù)信號處理電路大大簡化，有利于探測器的密集封裝和整機體積的縮小。

PbS光電導(dǎo)探測器用沉淀法或真空升華法在石英基板上生成PbS薄膜，再在兩側(cè)涂黃金薄層(厚約

5m)作為加偏壓的電極。PbS膜層后置有附于云母基片的黃金層，使穿透PbS

層的光子被反射再進(jìn)入PbS層，以提高入射光子的量子效率。PbS探測器最早被用于紅外制導(dǎo)系統(tǒng)。

室溫下其長波限為3m，

Eg=0.37eV.近年來制成了單晶PbS光導(dǎo)器件。在77K時，它相應(yīng)率高，響應(yīng)時間短，易于制作大面陣器件，是性能優(yōu)良的近紅外波段探測器InSb光伏探測器InSb材料可制成p-n結(jié)伏探測器。以P型層表面作光照面，產(chǎn)生的少數(shù)載流子市電子，具有較高遷移率和擴散長度。這確保大部分光生少數(shù)載流子能擴散至p-n結(jié)而形成光生電動勢，故靈敏度較高。InSb光伏探測器是中紅外波段常用的高性能器件，響應(yīng)快，靈敏度高，已用于多種全向攻擊性紅外導(dǎo)彈。這種器件的靈敏度隨工作溫度降低而提高，在77K時響應(yīng)率最大，且比同溫度下的光導(dǎo)器件約高一倍；響應(yīng)也比光導(dǎo)器件快。但其工藝更難---增加成結(jié)工藝和形成p-n結(jié)臺面工藝。焦平面器件肖特基勢壘探測器出現(xiàn)后，紅外焦平面陣列(IRFPA)探測器成為研究的熱點。使用IRFPA器件，可大大簡化甚至取消光機掃描機構(gòu)，系統(tǒng)靈敏度可提高兩個量級，且可同時處理多個目標(biāo)，是紅外技術(shù)的一個重要變革。這使紅外系統(tǒng)體積縮小、重量減輕、響應(yīng)更快、可靠性提高，在軍事上更有突出的適用性。紅外焦平面器件有混成式、單片式等多種結(jié)構(gòu)。前者是分別制備紅外面陣和相應(yīng)的信號處理芯片，然后互連成一體。后者是在同一襯底上同時制備紅外光敏元件和信號處理元件?；斐墒浇Y(jié)構(gòu)可充分利用成熟的硅工藝，但互連復(fù)雜，面陣均勻性差。單片式單片式易于制備元數(shù)多、均勻性好、價格低的器件。

以HgCdTe制IRFPA的工藝成品率只有0.5%左右。但它已在軍事上實用。PtSi焦平面陣列盡管其響應(yīng)率較低，但由于其較高的工藝成品率還是受到普遍的重視。以制成的256256元中紅外焦平面陣列器件已在導(dǎo)彈和指導(dǎo)炮彈上應(yīng)用。當(dāng)前，HgCdTe陣列的一個像元價格是以美元計，而PtSi陣列的一個像元只以美分計。

三、主動紅外夜視儀主動紅外夜視儀用近紅外光束照射目標(biāo)，將目標(biāo)反射的近紅外輻射轉(zhuǎn)換為可見光圖像，實現(xiàn)有效地“夜視”，故它工作在近紅外區(qū)。采用Ag-O-Cs光電陰極的主動紅外夜視儀工作在0.76～1.2m的近紅外區(qū)，其長波限1.2m是光電陰極的截止波長，其短波限0.76m是人眼的長波截止波長。

選用以上波段有以下優(yōu)點：

⑴在此波段內(nèi)，一般綠色草木的反射率比暗綠色涂漆高得多。這使得主動紅外夜視儀在觀察普通地面背景中的軍事目標(biāo)時，能得到高對比度的圖像。若在可見光譜區(qū)，綠色植物與暗綠色漆的反射光譜積分量相當(dāng)，主動紅外夜視儀就很難區(qū)分植被背景與軍事目標(biāo)。⑵實踐證明，摘下的綠葉在幾小時后，其紅外反射率急劇下降。利用這點，主動紅外夜視儀又容易識別用砍下的枝葉形成的偽裝。⑶相對于可見光而言，近紅外輻射的大氣散射小，有更好的穿透能力。大氣象后散射的影響：當(dāng)照明光束穿過大氣時會被散射，會有部分散射光沿逆向進(jìn)入觀察系統(tǒng)，即向

后散射。它在像平面上造成附加背景，降低圖像的對比度。在能見度較差時，情況更加嚴(yán)重，甚至成為約束此類系統(tǒng)性能的基本因素。選通工作方式：選通工作方式的主動紅外夜視儀采用脈沖紅外激光照射目標(biāo)，以帶選通電極的變像管取代普通紅外變像管，按到達(dá)觀察系統(tǒng)的時間先后來鑒別目標(biāo)光束和散射光束，并基此將散射光束拒之門外，只允許

目標(biāo)光束到達(dá)像面。這是抑制大氣向后散射影響的有效措施。采用此方式，選通像管是關(guān)鍵。在光陰極與錐形陽極之間設(shè)選通電極。當(dāng)選通電極的電位低于陰極的時，光電陰極的電子發(fā)射被阻止，變像管呈“關(guān)閉”狀態(tài)。利用“選通”特性，設(shè)計專門電路控制選通電極的電位，使得當(dāng)由目標(biāo)返回的光束到達(dá)觀察系統(tǒng)時，變像管正好呈“導(dǎo)通”狀態(tài)，

在其余時間內(nèi)，變像管一律是“關(guān)閉”的。實現(xiàn)合理的“選通”需要脈沖激光器與選通變像管在時序上的嚴(yán)格協(xié)調(diào)與配合。激光脈沖的持續(xù)時間與觀察的景深緊密相關(guān)，持續(xù)時間長可得到足夠的景深，但受大氣后向散射的影響就變大。這種矛盾暴露了選通技術(shù)的局限性。

四、熱像儀熱成像技術(shù)把目標(biāo)與場景個部分的溫度分布、發(fā)射率差異轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，再轉(zhuǎn)換為可見光圖像。熱像儀的溫度分辨力較高，可達(dá)0.1-0.01℃,是觀察者容易發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的蛛絲馬跡