红外技术(1)-hy (1).ppt

,燕山大学信息科学与工程学院,主讲老师：韩颖Email:lucyhan2004,红外,技术,红外技术,红外技术是光电子学的重要组成部分，属于光学的应用分支。红外技术课是一门培养学生掌握红外基本理论和相关的红外探测技术的应用基础课。,本课程内容,本课程分七章：一、绪论（红外辐射）红外辐射的基本概念。二、光度学与辐射度学基础辐射物理量和光谱辐射量。三、热辐射的基本规律基尔霍夫定律，黑体和普朗克公式，斯蒂芬玻尔兹曼定律和维恩位移定律四、红外辐射源黑体等常用辐射源的介绍五、红外线在大气中的传输大气特性，大气吸收，大气散射。六、红外辐射测量仪器及基本参数测量单色仪及傅里叶变换红外光谱仪的组成原理，红外辐射基本参数七、红外探测器概述红外探测器的构成、分类及其性能参数,选用教材,红外技术基础教学参考书,1、红外系统，陈玻若2、红外系统原理，（美）R.D哈得逊，3、红外物理，张建奇4、红外物理学，陈衡5、红外探测器，陈继述等6、红外光学系统，冯克诚7、红外探测器，王义玉8、红外物理，刘景生,第一章红外辐射及其传输和探测第二章光学系统第三章辐射调制与调制盘第四章红外辐射测温第五章红外跟踪系统第六章红外搜索系统第七章热成像系统第八章系统分析与设计,(1995),第一章绪论第二章辐射度学和光度学第三章热辐射的基本规律第四章红外辐射源第五章目标和背景的红外辐射特性第六章红外辐射在大气中的传输第七章红外辐射测量仪器及基本参数测量,(2004),第1章红外辐射(InfraredRadiation,IR),1.1红外技术的基本概念1.2红外技术的发展与现状1.3红外系统1.4红外技术应用,1.1红外技术的基本概念,1.红外技术（InfraredTechnique)研究红外波段内电磁波的特性、变化规律及其应用的一门现代技术。,E=hv，h为普朗克常数，h=6.6310-34Js,THz：0.1THz10THz(3mm0.03mm）,尧泽艾拍太吉兆千YZEPTGMk10241021101810151012109106103毫微纳皮飞阿仄幺mnpfazy10-310-610-910-1210-1510-1810-2110-24,数量级的标准写法,2、红外辐射热辐射，其波长范围从0.7微米到1000微米。绝对0度以上的物体对向外辐射电磁波大部分是IR按产生机理不同，分为3个波段：极近红外：0.75m2.5m原子能级跃迁和分子振动泛频区近红外：2.5m25m分子转动、振动能级间跃迁远红外：25m1000m分子转动能级间的跃迁,按传播性质不同，分为3个波段(InternationalCommissiononIllumination(CIE,国际照明委员会)：Near-infrared(NIR，IR-A)：0.7m1.4m水吸收窗口，常用于光纤通讯(fiberopticstelecommunication)Shortwavelengthinfrared(SWIR，IR-B)：1.4m3mMid-wavelengthinfrared(MWIR，IR-C)：3m8m大气窗口，被动式热寻导弹的工作窗口。Longwavelengthinfrared(LWIR，IR-C)：8m15m热成像的工作区域(人体热辐射波长10m)Farinfrared(FIR，IR-C)：15m1000m,近红外,中红外,远红外,3.红外线的性质,具有真空传播速度C；遵守反射、折射、干涉、衍射、偏振等传播规律。,差别：具有不同的频率。,红外辐射具有电磁辐射的基本属性。,频率不同产生的机理不同；测量方法不同；实际中的应用也不同。,红外线波长介于0.75m1000m之间,有分段研究的必要。,4.主要研究内容-红外辐射的性质辐射在光谱、强度和方向的分布，传播等-红外元器件、部件辐射源、探测器、微制冷器、材料等-红外系统各部件构成的完整系统-红外应用军事国民经济中的各种应用,相关技术：探测、精确制导、光电子、先进材料技术,1.2红外技术的发展与现状,1.发展历程1800年，英国天文学家S.W.赫胥耳(SirWilliamHerschel)第一次发现红外辐射现象。做实验时，用热敏探测器(水银温度计)发现了频率低于红光的“不可见(invisible)光”，他称这为“热射线（calorificrays）”。后来，红外线的英语单词取Infra-red意思是“belowred”。,SirFrederickWilliamHerschel(1738-1822)wasborninHanover,Germany,andbecamewellknownasbothamusicianandanastronomer.HeemigratedtoEnglandin1757,andwithhissisterCaroline,constructedtelescopestosurveythenightsky.Theirworkresultedinseveralcatalogsofdoublestarsandnebulae.WilliamHerschelisperhapsmostfamousforhisdiscoveryoftheplanetUranusin1781,thefirstnewplanetfoundsinceantiquity.CarolineHerschelgainedfameforthediscoveryofseveralcomets.,Intheyear1800,WilliamHerschelmadeanotherveryimportantdiscovery.HewasinterestedinlearninghowmuchheatpassedthroughthedifferentcoloredfiltersheusedtoobservetheSunandnoticedthatfiltersofdifferentcolorsseemedtopassdifferentlevelsofheat.Herschelthoughtthatthecolorsthemselvesmightcontaindifferentlevelsofheat,sohedevisedacleverexperimenttoinvestigatehishypothesis.,赫胥耳测量了火焰、蜡烛、火炉的辐射，用近50种物质作滤光器。,存在探测新波段的探测器。光和热是基本类似的。不同材料对热和光的透过规律不大相同。,赫胥耳的研究表明,1830年，温差热电偶研制成功（灵敏度提高40倍）1835年，安培宣告了光和热射线的同一性。1870年，兰利制成了面积只有针孔那样大小的探测器，并用凹面反射光栅、岩盐及氟化物棱镜来提高测量色散的能力，这为红外应用的重要方面航空摄影奠定了基础。1880年，“红外”一词出现在阿贝尼的文章中（最早）。1888年，麦洛尼用比较灵敏的热电堆改进了赫胥耳的探测和测量方法，为红外技术奠定了基础。1904年，开始采用近红外进行摄影。1929年，苛勒发明了银氧铯（Ag-O-Cs）光阴极，开创了红外成像器件的先河。二十世纪30年代中期，荷兰、德国、美国各自独立研制成红外变像管，红外夜视系统应用于实战。1952年，美国陆军制成第一台热像记录仪。,对红外辐射的研究已有两百多年的历史，但作为一门应用技术还是在20世纪50年代以后发展起来，并在20世纪60年代进入了全面发展时期。,2.发展现状上世纪50年代以来，工业、农业、军事、医疗、交通及空间技术广泛应用探测器：单元-多元-焦平面阵列工作波段：由近红外拓展到远红外设备：由大型向轻小型化发展3.面临问题红外材料及设备的制冷，拓展长波长，焦平面阵列器件,红外技术的进展是物理学、光学、光谱学、电子学、半导体技术等学科互相渗透的结果。,红外技术的发展需要多学科相互配合,红外技术的发展关键在于红外材料的研制、红外设备的制冷、红外设备向更长波段发展、红外焦平面阵列器件的研制和红外设备与数据处理设备的结合等。,红外技术的难点,1.3红外系统,1.红外系统结构红外系统，又称红外整机,2.红外系统的分类,探测、测量装置：辐射计、测温仪、方位仪、光谱辐射计等,跟踪装置,搜索装置,成像装置,通讯系统和测距系统,按其工作性质分,按辐射源的形式可分两类：,被动式：直接接收目标发出的辐射。,主动式：由辐射源发出红外辐射，照射到目标上，接收由目标反射的红外辐射能量。,3.红外系统的理论基础及其发展,红外辐射是光谱辐射的一部分，红外辐射具有光的基本属性。,红外技术是光学的一个应用分支，光学中的几何光学和物理光学同样是红外系统设计的理论基础。,红外系统设计中：运用光学设计的一般理论，结合红外系统的特点做系统的光学结构设计。,红外系统的性能分析和计算中：常用光学传递函数的方法进行系统设计和质量评价。,红外系统的能量计算中：运用波动光学理论和光学频谱分析理论。,从信息观点考虑：红外系统实质上是一个信息接收器。,红外系统通常也是一个控制系统。,红外系统的信号检测：运用信号检测理论（信号形式、检测准则、检测方法及估值问题）。,红外系统发展的两大特点,红外系统的发展与红外探测器的发展有明显的依赖关系,红外技术的发展需要多学科相互配合,红外系统的发展与红外探测器的发展有明显的依赖关系,18001830温度计，测一次16分钟。1830热电偶1833热电堆1840油层薄膜热蒸发图像1843红外照射发磷光1883红外感光（1.3m）1917光子探测器亚硫酸铊（制冷可增加灵敏度）光子探测器发展迅速,20世纪60年代探测列阵技术飞速发展，红外装置进入了全面发展的新阶段。,1.军用军事目标的侦察、监视、预警与跟踪红外通信军用夜视仪,1.4红外技术的应用,红外技术的军事意义,军用红外技术成为国家安全防御体系中的重要探测技术由于大气层外的空间最适于红外系统使用，故红外探测是侦察卫星、导弹预警卫星采用的主要探测手段，也是气象、资源普查、遥感卫星必备的探测方式。红外技术会进一步成为国家安全防卫所依赖的主要探测。,红外技术是未来高科技局部战争中使用的主要技术之一夜间和恶劣天气条件下，在高强度的电子对抗、光电对抗的战场环境中，红外系统被动工作的优越性将得到更充分的发挥。以红外技术为己方获得战场上单向可视性，取得战场信息的强大优势，是自己能在全天候、全时日条件下识破伪装、突破防线，辨认和准确打击要害部位、重要设施与机动目标。,红外非成像制导技术：利用红外探测器捕获和跟踪目标自身所辐射的红外能量来实现精确制导的一种技术手段。特点：制导精度高，不受无线电干扰的影响；可昼夜作战；采用被动寻的方式，攻击隐蔽性好。缺陷：正常工作受云、雾和烟尘的影响；并有可能被曳光弹、红外诱饵、云层反射的阳光和其它热源诱惑，偏离和丢失目标。红外制导系统作用距离有限，一般用作近程武器的制导系统或远程武器的末制导系统。,“响尾蛇”AIM9是世界上第一种红外制导空对空导弹。红外装置可以引导导弹追踪热的目标，如同响尾蛇能感知附近动物的体温而准确捕获猎物一样。,红外制导,红外成像制导：利用红外探测器探测目标的红外辐射,以捕获目标红外图像的制导技术。特点：灵敏度和空间分辨率都很高动态跟踪范围大有效作用距离远抗干扰性好。具有更好的目标识别能力和制导精度。全天候作战能力较强。缺陷成本较高，全天候作战能力仍不如微波和毫米波制导系统。,红外成像系统,核心：如何将红外图像转变为可见光图像？,主动式红外成像系统的特点：,能够区分军事目标和自然景物，识别伪装；,典型目标的反射曲线,可见光谱区,近红外光谱区,在PCF中传输80cm时产生的超连续谱，谱宽范围为4652500nm,热图像再现了景物各部分温度和辐射发射率的差异，能够显示出景物的特征。,红外热成像系统是被动式成像系统。,自然界中，温度高于绝对零度的一切物体，总是在不断地发射红外辐射。收集并探测这些辐射能，就可以形成与景物温度分布相对应的热图像。,红外技术的军事应用更加广泛和深入红外技术将被有效地应用于迅速发展的光电对抗、光通信及定向能武器等方面。对于高速运动的飞行体，如超音速飞行的飞机、导弹等，即是其具备完善的雷达隐身手段，但由于其高速飞行产生的气动加热，使其表面温度高达300500C,红外特征非常明显，难以摆脱红外探测系统的监测、跟踪。此外在雷达被严重干扰时，红外探测就成为主要的防空探测手段。,红外技术的应用,2.民用热源探测医用热像仪温度测量与过程控制红外光谱分析红外加热干燥红外遥感红外天文学,物体,红外镜头,探测器,红外热图,红外辐射,红外热像仪工作示意图,红外热像仪是全被动接收仪器，依靠接收目标自身辐射的红外信号工作，对于其他精密电子仪器设备没有任何干扰。,电路处理,Thermography（热成像）914m,Meteorology(气象学）,红外云图,红外成像,热源探测,医学应用,Arthistory（艺术品鉴定）探伤与识别,激光红外光学成像技术应用于探测SF6气体泄漏,Nightvision（微光夜视）,59,红外摄像机（英军押解伊战俘）,Communications（通讯）,红外线遥控器？,红外光谱,红外光只能激发分子内原子核之间的振动和转动能级的跃迁，因此红外吸收光谱是通过测定这两种能级跃迁的信息来研究分子结构的。,在红外光谱图中，以波长或波数为横坐标，纵坐标一般用线性透光率作标度，称为透射光谱图；也有采用非线性吸光度为标度的，称为吸收光谱图。,红外光谱(infraredspectroscopy，IR),透光度以下式表示：,I：表示透过光的强度；I0：