紅外物理(第二版)緒論

緒論1.1

引言1.2紅外物理及紅外技術(shù)

1.1-引

言

1.1.1-電磁波譜

從電磁學理論知道,物質(zhì)內(nèi)部的帶電粒子(如電子)的變速運動都會發(fā)射或吸收電磁輻射。電磁輻射在空間傳播過程中所攜帶的能量,稱為電磁輻射能。

在日常生活中,我們遇到的各種輻射,如γ射線、X射線、紫外線、可見光、紅外線、微波、無線電波等都是電磁輻射。由于產(chǎn)生或探測各種輻射的方法不同,歷史上它們就得到了上述各種不同的名稱。但在本質(zhì)上它們是相同的,統(tǒng)稱為電磁輻射。如果把這些輻射按其波長(或頻率)的次序排列成一個連續(xù)譜,則稱為電磁波譜,如圖1-1所示。所有的電磁輻射都具有波動性,因此電磁輻射又稱為電磁波。所有電磁波都遵循同樣形式的反射、折射、干涉、衍射和偏振定律,且在真空中傳播的速度具有同樣的數(shù)值,稱為真空中的光速,其數(shù)值為c=(2.99792458±0.00000012)×108(m/s)。圖1-1-電磁波譜

在真空中,頻率為υ的電磁波,波長為λ,真空中的光速為c,則有

在介質(zhì)中,同樣頻率為υ的電磁波,波長為λ',速度為c',則有

由前面兩式得到

式中,n=c/c'稱為介質(zhì)對真空的折射率。(1-3)式表明,同一頻率的電磁波,在介質(zhì)中的波長是真空中波長的n分之一。

在光譜學中,由于電磁波的頻率是很大的數(shù)值,不能直接測量,并且測得的數(shù)值精度通常比測得的波長數(shù)值精度低,因此多用波長來標志紫外線、可見光和紅外線。如無特殊說明,后面所引用的波長數(shù)值均是指在真空中的數(shù)值。

在描述紅外輻射時,波長的單位通常用微米(μm)表示,它與納米(nm)以及埃(?)的關(guān)系為

由于電磁輻射具有波粒二象性,因此,電磁輻射除了作為一種電磁波而遵守上述的波動規(guī)律以外,它還以光量子的形式存在。在考慮輻射的發(fā)射和吸收問題時,必須把輻射看成分立的微粒集合,這種微粒稱為光子。一個光子具有的能量為

式中,h=(6.62606957±0.000029)×10-34(J·s),稱為普朗克(Planck)常量。

1.1.2紅外輻射

紅外輻射也稱紅外線,是在1800年由英國天文學家赫謝耳(Herschel)在研究太陽光的熱效應時發(fā)現(xiàn)的。他用分光棱鏡將太陽光分解成從紅色到紫色的單色光,依次測量不同顏色光的熱效應。他發(fā)現(xiàn):當水銀溫度計移到紅色光譜邊界以外人眼看不見有任何光線的黑暗區(qū)時,溫度反而比紅光區(qū)域的溫度高。反復實驗證明,在紅光外側(cè),確實存在一種人眼看不見的“熱線”,后來稱為“紅外線”。

由圖1-1可知,紅外輻射從可見光的紅光邊界開始,一直擴展到電子學中的微波區(qū)邊界。紅外輻射的波長范圍為0.78μm~1000μm,是個相當寬的區(qū)域。

在電磁波譜中,紅外輻射只占有小部分波段。整個電磁波譜包括20個數(shù)量級的頻率范圍,可見光譜的波長范圍(0.38μm~0.77μm)只跨過一個倍頻程,而紅外波段(0.78μm~1000μm)卻跨過大約10個倍頻程。因此,紅外光譜區(qū)比可見光譜區(qū)含有更豐富的內(nèi)容。

一般情況下,通常把整個紅外輻射波段按波長分為4個波段,見表1-1。

以上的劃分方法是以紅外輻射在地球大氣層中的傳輸特性確定的。例如,前三個波段中,每一個波段都至少包含一個大氣窗口。所謂的大氣窗口,是指在一定的波長范圍內(nèi),大氣對紅外輻射的吸收較小,透過率比較高,像通過可見光的窗戶一樣,將紅外波長分割成許多小的區(qū)域,如圖1-2所示,而將這些能通過紅外輻射的區(qū)域稱為大氣窗口。圖1-2紅外大氣窗口

在光譜學中,根據(jù)紅外輻射產(chǎn)生的機理不同,紅外輻射按波長分為三個區(qū)域:

近紅外區(qū):0.77μm~2.5μm,對應原子能級之間的躍遷和分子振動泛頻區(qū)的振動光譜帶;

中紅外區(qū):2.5μm~25μm,對應分子轉(zhuǎn)動振動能級之間的躍遷;

遠紅外區(qū):25μm~1000μm,對應分子轉(zhuǎn)動能級之間的躍遷。

1.1.3紅外輻射的基本特點

紅外輻射是一種電磁輻射,它既具有與可見光相似的特性,如反射、折射、干涉、衍射和偏振,同時,又具有粒子性,即它可以以光量子的形式發(fā)射和吸收。這已在電子對產(chǎn)生、康普頓散射、光電效應等實驗中得到充分證明。

此外,紅外輻射還有一些與可見光不一樣的獨有特性:

(1)人的眼睛對紅外輻射不敏感,所以必須借助于對紅外輻射敏感的紅外探測器;

(2)紅外輻射的光量子能量比可見光的小,例如10μm波長的紅外光子的能量大約是可見光光子能量的1/20;

(3)紅外輻射的熱效應比可見光要強得多;

(4)紅外輻射更易被物質(zhì)所吸收,但對于薄霧來說,長波紅外輻射更容易通過。

1.2紅外物理及紅外技術(shù)

紅外物理學是現(xiàn)代物理學的一個分支,它以電磁波譜中的紅外輻射為特定研究對象,是研究紅外輻射與物質(zhì)之間相互作用的學科。紅外物理學運用物理學的理論和方法,研究和分析紅外輻射的產(chǎn)生、傳輸及探測過程中的現(xiàn)象、機理、特征和規(guī)律,從而為紅外輻射的技術(shù)應用,探索新的原理、新的材料、新型器件和開拓新的波譜區(qū),提供理論基礎和實驗依據(jù)。

1.2.1-紅外物理

紅外物理的主要內(nèi)容包括:

(1)紅外輻射的度量;

(2)熱輻射的基本規(guī)律;

(3)實用型紅外輻射源;

(4)目標與背景紅外輻射特性;

(5)大氣紅外輻射傳輸特性;

(6)紅外輻射與物質(zhì)的相互作用;

(7)物體紅外輻射參數(shù)測量。

1.2.2紅外技術(shù)及應用

所謂紅外技術(shù),是對物體紅外輻射在多維空間上經(jīng)光/電(熱)轉(zhuǎn)換,產(chǎn)生適合特定任務要求的信號形式,并進行處理和應用的方法和手段的集成。

紅外技術(shù)的具體形式是紅外系統(tǒng),一個比較完整的紅外系統(tǒng)通常包括目標、光學系統(tǒng)、光學調(diào)制器/光機掃描機構(gòu)、紅外探測器、信號放大處理電路以及顯示記錄裝置等,如圖1-3所示。圖1-3紅外系統(tǒng)的組成

?目標是紅外系統(tǒng)所作用的對象,目標的紅外輻射通過大氣的吸收和散射作用后到達光學系統(tǒng)。

?光學系統(tǒng)的作用是收集、匯聚來自目標的紅外輻射能量,經(jīng)調(diào)制器將能量送到探測器,因而,光學系統(tǒng)類似于無線電設備的接收天線。

?光學調(diào)制器是在能透過紅外輻射的基板上,用光刻的方法做成許多透輻射和不透輻射的柵格,這些柵格構(gòu)成了調(diào)制器的圖案。

?光機掃描機構(gòu)是由電機驅(qū)動光學鏡面轉(zhuǎn)動或擺動的執(zhí)行機構(gòu),在水平和豎直兩個方向?qū)σ晥鼍拔镞M行二維空間掃描,逐點把場景的紅外輻射投射到探測器上,探測器依時序輸出各景物的單元信號。

?紅外探測器是一種對紅外輻射敏感的器件,它能將紅外輻射轉(zhuǎn)換成可測量的物理量,如體積、壓力、電壓、電阻等,其中常用的是電壓信號。

?信號放大處理電路的作用是將紅外探測器的光電信號進行放大、處理和多路傳輸,其功能主要有前置放大、偏置、采樣讀出、線性變換、非均勻性校正、A/D轉(zhuǎn)換、多路傳輸、自動增益與亮度控制、灰度調(diào)節(jié)和控制等。

?讀出顯示裝置是按一定要求輸出數(shù)字信號或成像顯示,對場景各部分的溫度和輻射量差用圖像顯示出來,可以用不同灰度顯示場景圖像,亮(或暗)代表場景中高溫部分(或低溫);可以用光標對圖像各部分進行測溫,或以等高線形式定量表示溫度值;也可以用偽彩色顯示溫度分布等各種信息。

與雷達系統(tǒng)和可見光儀器相比,紅外系統(tǒng)具有如下的特點:

(1)結(jié)構(gòu)簡單,尺寸小,重量輕;

(2)分辨率高,隱蔽性好,抗干擾能力強;

(3)可在白天和夜間工作;

(4)透過煙塵能力強;

(5)對輔助裝置要求最少。

1.紅外技術(shù)的軍事應用

紅外技術(shù)是伴隨軍用需要而迅速發(fā)展起來的。紅外系統(tǒng)既可以單獨作為裝備使用(如夜視、偵察、多光譜遙感),又可以作為核心部件或分系統(tǒng)用于其它武器系統(tǒng)(如導彈制導、火控、告警等),它們對取得戰(zhàn)場主動權(quán)和進行夜戰(zhàn),發(fā)揮了突出作用。

自20世紀70年代以來,以美國為首發(fā)動的歷次局部戰(zhàn)爭中,飛機轟炸主要都是在夜間進行的,靠的是夜視裝備的優(yōu)勢。從常規(guī)的夜間紅外瞄準器到空間的衛(wèi)星攔截器都使用了紅外技術(shù),可以說紅外武器裝備已經(jīng)成為各軍兵種必備的現(xiàn)代武器裝備。

下面列舉一些具體的應用。

1)紅外偵察

用于不同裝備上的高靈敏度、高分辨力熱像儀能在晝夜與不良天氣條件下進行有效的工作,獲得良好質(zhì)量的圖像;裝甲偵察車,可用于戰(zhàn)場前沿機動偵察;偵察飛機可以快速、全景、大范圍進行偵察,無人偵察機已經(jīng)發(fā)展為目前戰(zhàn)場偵察的主要工具;偵察衛(wèi)星能夠全方位不間斷連續(xù)偵察。

2)紅外夜視

現(xiàn)代戰(zhàn)車、坦克都裝備有紅外夜視儀,前方的田野、山林、水面、道路,一目了然;不分晝夜、天氣狀況,戰(zhàn)場完全變“明亮”了,對于眼前的戰(zhàn)場勢態(tài)、兵力部署、陣地、人員調(diào)動等,夜視儀都能觀察到。如果戰(zhàn)爭一方不具備夜視裝備,夜間作戰(zhàn)就等于“瞎子”作戰(zhàn),只有被動挨打。

3)紅外遙感

將紅外遙感儀置于飛機或衛(wèi)星等平臺上,在其飛行過程中便能探測到地表和空間的紅外輻射分布和目標運動情況。通過遙感對地面和地面附近空間進行觀察探測,比在地面設備觀察效果要好得多,而且范圍大、速度快,無地形障礙

4)紅外告警

紅外告警也稱為紅外報警,其主要功能是通過對來襲威脅源進行探測,在發(fā)現(xiàn)目標后,發(fā)出告警信號,提示相關(guān)人員采取防范措施,或啟動自動反擊系統(tǒng)破壞威脅來源,或施放假目標將威脅源引開,或施放煙幕采取隱身措施等。目前,紅外告警裝置絕大多數(shù)采用被動式工作體制,它隱蔽、安全,能準確判定目標方位,處理多目標,并與火控系統(tǒng)聯(lián)動;反應時間短、測角精度高,便于與光電系統(tǒng)和火控系統(tǒng)協(xié)調(diào)行動。目前,各類飛機(甚至民航機)、大型艦船、重要陣地、關(guān)鍵設施等重點防范部位都逐漸安裝了告警系統(tǒng),以提高生存能力和反擊作戰(zhàn)能力。

5)紅外跟蹤

紅外跟蹤包括對目標的搜索、發(fā)現(xiàn)、識別和跟蹤。紅外跟蹤的作用就是通過搜索找到目標,測出目標在視場中的方位及與視場中心軸的偏離信號,偏離信號驅(qū)動隨動系統(tǒng)運動,跟蹤目標,使武器系統(tǒng)能夠精確瞄準和攻擊。紅外跟蹤系統(tǒng)可分為點源跟蹤和成像跟蹤系統(tǒng)兩類。

6)紅外制導

紅外制導即在導彈的前端裝有導引頭,利用紅外跟蹤原理,捕獲、跟蹤目標,并引導導彈飛向目標。紅外導引頭(也稱紅外尋的器)接收目標的紅外輻射,經(jīng)光電轉(zhuǎn)換和信號處理后,給出目標相對于導彈的方位、角速度等信息,產(chǎn)生目標相對于導引頭光軸的誤差信號,用以驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu),控制導彈飛向目標并擊中目標。紅外制導有點源制導和成像制導兩種方式。目前世界上已經(jīng)有各種紅外制導導彈幾十種,已廣泛用于空空、地空、空地、地地、岸艦、艦艦等的戰(zhàn)術(shù)導彈和戰(zhàn)略導彈,以及子母彈、炮彈等。

7)多光譜成像儀

常用的紅外波段都比較寬,要更有效地提取目標特征并進行識別,最好是把光譜分得更窄些并運用多個光譜波段。熱像儀從單波段向雙波段和多波段發(fā)展,在景物輻射進入探測器之前,由分光裝置按光譜波段將其分開,分別進入不同的探測器。探測器分別輸出相應波段景物圖像數(shù)據(jù),同時獲得了同一景物在特定時刻各波段的圖像數(shù)據(jù)。

8)紅外光電對抗技術(shù)

紅外對抗措施可分為主動干擾與被動干擾兩大類。主動干擾有時也稱為紅外誘餌。它產(chǎn)生與被保護體紅外輻射波長相同或相近,但輻射強度更強的紅外輻射,誘騙敵方紅外跟蹤和紅外制導武器,使其誤把誘餌當成目標,從而保護目標體免受攻擊。

科索沃戰(zhàn)爭中,南聯(lián)盟制造了大量的假坦克、假火炮、假導彈發(fā)射裝置迷惑敵人,起了很大作用。紅外隱身主要是采取有效技術(shù)措施,遮蔽目標的表面溫度、表面發(fā)射率和熱場分布。

2.紅外技術(shù)在國民經(jīng)濟和人民生活中的應用

紅外技術(shù)是一種軍民通用技術(shù),軍用需求促使其迅速發(fā)展。隨著技術(shù)進步和制造水平的不斷提高,許多紅外技術(shù)逐漸成熟,紅外產(chǎn)品價格降低,性能價格比提高,達到了一般民用可以接受的程度,紅外技術(shù)和產(chǎn)品已大量進入民用領域。

1)紅外測溫

紅外測溫儀又稱為紅外輻射測溫儀,或稱為紅外溫度計。它接收目標的紅外輻射能量,轉(zhuǎn)換成溫度值后直接顯示。其測量方式有成像與非成像兩種。紅外測溫儀是一種非接觸式的測量儀器,與接觸式測溫相比,有許多優(yōu)點:可對運動目標和溫度變化的目標進行測量,測量速度快,測溫時不影響被測物體表面的溫度分布。

2)設備故障紅外診斷檢測

設備故障紅外診斷檢測是指利用紅外技術(shù)檢測診斷設備或零部件存在的故障。通過探測設備表面的紅外輻射,測量設備表面溫度或溫度分布,確定設備或零部件的當前運行狀態(tài),可在早期發(fā)現(xiàn)故障及其原因,并分析預測設備或零部件的未來運行狀態(tài)。所以,紅外診斷檢測被認為是繼X射線技術(shù)之后的強可視性的、最有前途的診斷檢測技術(shù)。

與傳統(tǒng)的預防性試驗和離線診斷相比,紅外診斷檢測的特點是:不接觸、不停運、不分拆、不破壞,設備可帶電運行,可檢測到設備運行狀態(tài)下的真實狀態(tài);被動式檢測,不影響溫度場分布,對高溫物體、帶電物體、運動物體、高