红外技术(主讲老师：刘丙国).pptVIP

物理化学学院应用物理系 主讲老师 刘丙国 红外 技术 第七章红外技术的应用 自从1800年英国天文学家威 赫谢尔通过实验发现红外线以来 很长一段时间内人们主要从事红外线的本质方面的研究以及红外光学材料研究 随着一些高灵敏度的探测器的出现 红外技术才开始走向实用阶段 第七章红外技术的应用 赫歇尔 当时他将温度计放在太阳光谱的红端之外 无意间发现了来自太阳的红外线 1816年受封为爵士 1821年当选为刚建立的英国皇家天文学会首任会长 用近红外光束照射目标 并将目标反射的红外图像转换成为可见光图像 以进行夜间观察的仪器 军事上主要用于夜间瞄准 驾驶车辆 侦察照相等 红外探照灯发出一束近红外光照射目标 由目标反射回来的红外光 通过红外物镜聚焦 成像在红外变像管的光电阴极上 利用银氧铯光电阴极的外光电效应 将人眼不可见的近红外图像变成相应的光电子图像 再通过变像管中间的电子光学系统 对光电子进行加速 聚焦和成像 轰击变像管另一端的荧光屏 激发荧光屏发出可见光 从而将一个不可见的红外图像转换并增强为一个可见光图像 人眼通过目镜 就能在荧光屏上看到一个正立的目标图像 1 主动红外夜视仪 工作原理 第七章红外技术的应用 一 军事方面的应用 主动红外夜视仪一般由红外探照灯 红外光学系统 红外变像管 高压转换器和电池组5部分组成 主动红外夜视仪的构成 1 红外探照灯通常由红外光源 红外滤光片和抛物面反光镜组成 2 红外光学系统通常由一个强光力的折射式或折反式红外物镜和一个具有适当放大率的目镜组成 3 红外变像管由光电阴极 电子光学系统和荧光屏组成 电子光学系统一般多使用静电聚焦系统 也有采用电磁聚焦的 荧光屏通常使用短余辉的阴极射线致发光材料 如铜激活的硫硒化锌 ZnS ZnSe Cu 和银激活的硫化锌镉 ZnS CdS Ag 等 4 高压转换器和电池组为红外变像管提供一个直流高压电源 通常为14 28千伏 第七章红外技术的应用 主要优点是造价低廉 像质较好 因有红外探照灯照明场景 使景物间形成较显著的明暗反差 受外界自然环境的影响较小 有利于观察 由于不同的物体对红外辐射的反射能力不同 因而具有部分识别伪装的能力 第二次世界大战后期 主动红外夜视仪开始用于实战 德国将其用于东部战场 50年代初期 美国在朝鲜战争中将它作为狙击兵的夜间瞄准具 60年代以前 它在夜视技术中一直居于统治地位 主动红外夜视仪的优缺点 主要缺点是容易暴露自己 体积大 重量重 耗电多 观察范围只限于被照射的景物 视距受到探照灯尺寸和功率的限制 其应用范围正在不断缩小 第七章红外技术的应用 2 热像仪 获取景物热图像并转变成可见光图像的仪器 安装在飞机上 用以获取机关前下方的景物图像的热像仪 通常称为红外前视热像系统 热像仪的构成 热像仪一般由红外光学望远镜 二维扫描器 红外探测器及制冷器 信号处理器及显示器等部分组成 红外光学望远镜用以收集并会聚目标的红外辐射 然后经过一个作垂直及水平扫描的二维扫描器 对目标进行逐点扫描 将像面各点的红外信息传递给红外探测器 红外探测器将红外辐射转换成电信号 由信号处理器进行处理后 再由显示器显示出目标的可见光图像 第七章红外技术的应用 串扫型是使线列多元探测器排列方向与扫描方向相同 当扫描时 每元探测器依次对目标进行探测 并转换成电信号 经延时积分电路 将这些信号叠加 使目标的信息得到增强 以提高信噪比 热像仪的扫描方式 热像仪常用的扫描方式有三种 串扫型 并扫型和串并扫型 并扫型的多元线列探测器排列方向与扫描方向垂直 每扫一次 每元探测器都同时并行扫过一次 形成一条与探测器数目相同线数的扫描带 与串扫型相比 并扫型的扫描频率可大大降低 串并扫型综合了上述两种方式的特点 其探测器按水平与垂直方向排列成矩阵 垂直排列的多元探测器与并扫型的功能相同 而水平排列的多元探测器与串扫型的功能相同 它既具有目标信息增强的特点 又可降低扫描频率 第七章红外技术的应用 利用热像仪获取景物的热图像来搜索和跟踪目标 隐蔽性好 不易受干扰 获取的信息丰富 分辨能力强 在军事上得到广泛应用 陆军可用于夜间侦察瞄准 火炮及导弹火控系统 靶场跟踪测量系统 海军可用于舰载火控 夜间导航及防空报警系统 空军可用于飞机夜间导航 侦察及机载火控系统 星载热成像系统可用于侦察地面 海上目标和对导弹预警等 热像仪的使用大大提高了军队的夜战能力 20世纪70年代中期以后 热像仪已成为现代化军队的重要装备 第七章红外技术的应用 热像仪的优势 随着红外焦平面器件的发展 出现一种新型固体自扫描的热像仪 凝视式热像仪 省去了笨重的光机扫描机构 而且灵敏度及分辨率得到改善 一种更新型的三维红外传感器的发展 将会给热像仪带来突破性的变革 它的体积与重量将比现有的热像仪有成倍的下降 而功能将更完善 1952年 美国陆军首先采用单元辐射热探测器 研制成二维慢帧扫描的非实时显示装置 50年代后期 由于快速响应的红外探测器 如锑化铟 锗掺汞 的发展 使研制快速扫描实时显示的热像仪成为可能 60年代初 美国德克萨斯仪器公司和休斯公司分别制定了发展红外热像仪的计划 并于1965年完成样机 1960 1974年 大约研制出60余种不同的热像仪 用于地面 舰船和飞机 1972年 美国国防部制订并推行了热像仪通用组件化计划 1976年 美国通用组件热像仪诞生 并批量生产 70年代末 采用扫积型器件 见红外探测器 的通用组件热像仪在英国诞生 80年代以来 热像仪性能进一步提高 并在夜战中发挥了重要作用 热像仪的发展历史 第七章红外技术的应用 3 红外电视 将景物的红外辐射转变成可见光图像的电视摄像和显示装置 它与普通电视的主要区别在于采用了能探测红外辐射的红外摄像管 红外电视主要由光学系统 红外摄像管 信号处理电路及显示器等部分组成 红外电视的构成 光学系统接收并会聚目标的红外辐射 使之成像于红外摄像管的靶面上 利用靶面材料的光电或热电效应产生相应的电荷图像 再由电子束在靶面上扫描 将信号读出 即实现了将红外图像转换成电信号 由处理电路对此信号进行处理 变成标准电视信号 送至电视显示器 在荧光屏上显示出目标红外辐射强度分布的可见光电视图像 第七章红外技术的应用 红外摄像管通常可分为热电型和光导型两类 红外摄像管的类型 热电型可在常温下工作 响应波段宽 如硫酸三甘肽 钽酸锂靶面的热电摄像管 可工作在8 14微米波段 但灵敏度较低 响应速度慢 光导型灵敏度较高 响应速度也较快 但一般都需致冷 且响应波段范围较窄 如氧化铅和硫化铅复合靶光导摄像管 工作在0 4 2 2微米波段 光导型摄像管只适用于近红外波段的摄像 且多数又需致冷 而热电型管的灵敏度及分辨率还不很高 所以红外电视在军事上的应用远不如采用光学机械扫描方式的热像仪广泛 仅在夜间侦察 监视和低空导航方面有少量应用 红外电荷耦合器件的研制成功 为红外电视开辟了新的前景 第七章红外技术的应用 4 红外跟踪 利用目标的红外辐射以发现 识别和自动跟踪目标的技术 红外跟踪系统主要由光学系统 扫描机构 红外探测器 红外信号处理器 伺服系统和显示记录器等部分组成 当目标进入红外跟踪系统视场时 红外探测器产生的信号经过处理和逻辑判断 实现对目标的自动跟踪和参数测量 红外跟踪系统分类 红外跟踪系统可分为点源跟踪和成像跟踪两种类型 点源跟踪主要有调制盘式和非调制盘式 成像跟踪主要有光机扫描式和电扫描式 第七章红外技术的应用 点源跟踪系统的工作过程如下 目标和背景的红外辐射 通过大气传输 被光学系统接收 会聚 经过光谱滤波和空间滤波 消除背景干扰 并对目标红外辐射进行调制扫描 红外探测器将其转换为电信号 经过红外信号处理器处理后 产生目标相对仪器视轴的偏差信号 然后输到伺服系统 控制红外跟踪器连续地自动跟踪目标 同时 该信息输到实时数据处理系统 供记录和显示 红外跟踪系统的工作原理 成像跟踪系统的工作过程是 光学系统接收的红外辐射 经光机扫描 并扫 串扫或串并扫 使具有小瞬时视场的每个红外探测器 重复扫描总视场 产生目标的红外图像视频信号 红外信号处理器可按形心 边缘 区域平衡 相关跟踪等算法 滤除背景干扰 产生跟踪误差信号 对目标进行识别和自动跟踪 第七章红外技术的应用 红外跟踪系统测角精度高 隐蔽性好 不易受电磁干扰 并具有识别和选择跟踪多目标的能力 是电子对抗的一种重要手段 红外跟踪器与电影摄影机 激光测距仪 高速摄影机 雷达安装在同一个跟踪架上 由计算机控制 自动跟踪和测量空中 地面和海上目标 是火控系统和靶场测量系统的重要组成部分 红外跟踪系统的优势 随着红外焦平面探测器的发展 红外跟踪器将省掉光机扫描机构 向具有自适应跟踪能力和智能化方向发展 第七章红外技术的应用 5 红外制导 第七章红外技术的应用 利用红外自动跟踪测量的方法 控制和导引导弹飞向目标的技术 导弹上安装的红外导引头 红外寻的器 接收目标的红外辐射 经光电转换和信号处理后 给出目标相对于导弹的角度 角速度等信息 控制导弹按一定规律接近并命中目标 红外制导的基本方式有点源制导和成像制导两类 红外点源制导由红外导引头 自动驾驶仪和执行机构等组成 红外导引头由光学系统 包括整流罩 主镜 次镜 滤光片等 调制盘 红外探测器和信号处理电路组成 目标的红外辐射 经光学系统聚焦在调制盘上 调制盘是一种具有透明和不透明栅格图案组成的斩光器 当目标像相对于调制盘运动时 调制盘即对目标红外辐射进行调制并滤除背景辐射 红外探测器将目标的红外辐射转换为电信号 产生目标相对于导引头光轴的误差信号 用以驱动导引头的光轴自动跟踪目标 同时 该信号经变换处理后 用以驱动执行机构 控制导弹飞向目标 红外成像制导有光机扫描和电扫描两种类型 主要包括光学系统 红外焦平面探测器 信号处理器 目标鉴别和跟踪系统等 目标的红外辐射 由光学系统聚焦在红外焦平面探测器上 产生相应的电信号 经过均匀性补偿 背景抑制 图像处理和目标鉴别 然后输送到多方式跟踪处理器 选择最有利的目标跟踪算法 产生目标相对于视轴的误差信号 驱动红外导引头的光轴自动跟踪目标 同时驱动导弹按一定规律飞向目标 红外制导技术广泛用于空空 地空 空地 地地 岸舰 舰舰等战术导弹的制导 以及战略导弹和炮弹等的末制导 红外制导导弹的优点是 精度高 抗电磁干扰性能好 体积小 重量轻 其缺点是受气象条件的限制 不能全天候工作 为了提高导弹的适应能力 需要采用红外 激光 红外 紫外 红外 电视 红外 微波 红外 毫米波 红外 惯导等组合方式的复合制导 第七章红外技术的应用 1948年 美国开始研制 响尾蛇 空空导弹 1956年投产 使用非致冷的硫化铅探测器 工作波段为1 3微米 只能对飞机进行尾随攻击 60年代中期至70年代 该导弹先后采用致冷的硫化铅红外探测器和锑化铟红外探测器 并改进了调制方式和信号处理电路 扩大了导弹攻击角 跟踪速度和加速度 适合于近距离格斗 在此期间 美国 英国 法国 瑞典 苏联等国相继研制和生产了多种红外制导导弹 如法国的 玛特拉 550 美国的 响尾蛇 AIM 9等空空导弹 以及美国的 红眼 尾刺 和苏联的SAM 7地空导弹 从70年代中期开始研制红外成像制导系统 采用多元线列或小规模面阵红外探测器 通过光机扫描成像 如美国的AGM 65D空地导弹 80年代初 采用红外焦平面探测器 电扫描方式的成像导引头 比点源导引头信息丰富 具有识别目标和较强的抗干扰能力 可全方位攻击 适合于各种战术导弹的制导和战略导弹 反卫星导弹的末制导 第七章红外技术的应用 第七章红外技术的应用 我国关于红外制导导弹的研究是自1958年研制空 空导弹开始的 虽起步较晚 但发展是很快的 相应于国外的第三代红外空 空导弹 尾追攻击型 全向攻击型和近距格斗型导弹 我国也都进行了研制 近年来全国许多厂所正在开展红外地 空 空 地 地 地制导 反坦克等导弹的研制工作 相信在不久的将来随着我国元器件生产的进展 红外制导导弹的发展和应用会取得更加可喜的成果 红外制导空空导弹 6 红外遥感技术 在紫外至红外光学波段范围内远距离获取目标和环境信息的技术 任何物体都能辐射和反射电磁波 并具有不同的辐射和反射特性 利用不同的光学遥感器 从空中或远距离探测目标和环境的光学波段电磁波信息 经光学 电子技术处理后 为军事应用 科学研究和经济建设服务 各种物体和军事目标 由于它们的种类 结构和环境条件不同 对不同的光谱波长具有各不相同的反射率和辐射率 它们反射和辐射光波的能量大小及其随波长的分布特性 是光学遥感技术的物理基础 在0 3 2 5微米波段内 它们主要反射太阳辐射的电磁波 本身的热辐射可以忽略不计 波长大于6微米的波段 则主要是本身的热辐射 太阳辐射的影响较小 2 5 6微米波段内 太阳辐射和本身的热辐射均应考虑 第七章红外技术的应用 光学遥感的工作方式 可分为接收自然辐射能的被动方式和接收人造辐射能的主动方式 被动方式利用地物和目标对太阳光的反射和自身的辐射光进行探测 是光学遥感的主要工作方式 主动方式是用人造光源 如激光 照射目标 对反射光进行探测 第七章红外技术的应用 大气对不同波长的光波有不同的透射特性 只有大气透过率高的那些波段范围可供遥感应用 这些波段称为大气窗口 常用的波段有0 3 2 7 3 5和8 14微米 光学遥感系统通常由遥感器 遥感平台 信息传输和信息处理设备等组成 2 遥感平台装载遥感器的工具 常用的遥感平台有飞机 高空气球和航天器等 遥感信息处理设备 在进行遥感信息处理和应用时 必须知道地物 环境和军事目标的光学特性 才能对获取的信息作出正确的判断和解译 为此 需要进行大量的调查研究和实际测量 建立目标与背景光学特性数据库 第七章红外技术的应用 1 遥感器在紫外 可见光和近红外波段 常用的遥感器有远距离照相机 多光谱照相机 航空照相机 电视摄像机和电荷耦合器件扫描仪等 在中远红外波段 通常采用红外辐射计 红外扫描仪 热像仪等 照相机用胶片记录地物和目标的影像 其特点是空间几何分辨率高 但只能在有光照和晴朗天气条件下使用 利用光电探测器 见红外探测器 像增强器 和分光 扫描技术 获取的信息经过光电转换 既能用胶片或磁带记录 又能用无线或有线通信手段进行远距离传输 并能进行实时处理 显示 已在航天 航空遥感中广泛应用 采用光学遥感技术可以探测和识别各种军事目标 在侦察 预警 制导 测绘 气象等方面有广泛的应用 光学侦察红外遥感能昼夜工作 温度分辨率高 获取的信息可实时传输和处理显示 多光谱遥感的波段范围宽 光谱信息丰富 有利于识别目标 是战略侦察和战术侦察的重要手段 红外预警星载或机载红外遥感设备可发现和跟踪敌方导弹 飞机等目标 主要是在预警卫星上采用红外预警 对洲际和潜射导弹进行监视 导弹发射时 发动机喷焰温度高达3000 以上 辐射出很强的红外线 将红外探测设备安装在预警飞机上 可以警戒敌方导弹和飞机的入侵 第七章红外技术的应用 遥感的军事应用 光电制导光学遥感技术用于武器制导 可大幅度提高武器的命中精度 红外制导 激光制导和光电复合制导技术 已广泛用于战术导弹 炮弹和航空炸弹的制导 也可用于战略导弹的末制导 军事测绘航空摄影早已用于测绘军事地图 利用卫星进行大地测绘 具有测绘速度快 范围广和精度高等特点 卫星上通常装有高精度照相机 多光谱扫描仪等 地物相机对地面景物拍照 用星相机同步拍摄恒星 并用地面测量设备精确测定卫星的轨道 从而保证测量结果的准确性 卫星遥感资料经过处理后 可制成各种军用地图 气象探测气象卫星上装有可见光 红外 多光谱扫描仪和辐射计等多种光学遥感设备 能实时获取全球的气象资料 为军事行动提供气象保障 利用激光探测设备 可监测大气成分 污染和毒剂 专门设计的激光雷达还可测量大气的温度 湿度 风速 能见度和云层高度 第七章红外技术的应用 1858年在巴黎上空的气球上拍摄了第一张空中照片 20世纪初发明飞机后 航空摄影广泛用于军事侦察 黑白 彩色的可见光和近红外波段照相技术得到实际应用 60年代初 美国研制成功红外扫描仪和多光谱扫描仪 提供了新的遥感手段 1957年人造地球卫星发射成功后 航天遥感技术得到迅速发展 照相侦察卫星 预警卫星 测地卫星 气象卫星和载人飞船等多种航天器上 广泛采用可见光 红外和多光谱遥感设备 随着光学遥感器性能和信息处理技术水平的提高 光学遥感技术已成为一种先进的探测手段 在农业 工业 科研和国防建设中得到广泛应用 中国在1930年初开始采用航空摄影测量 20世纪50年代 开展了航测仪器的研制 进行了大规模的航测工作 60年代中期 开始研制红外扫描相机 现已研制成多种可见光 红外和多光谱遥感仪器 在航空遥感和航天遥感中应用 第七章红外技术的应用 光学遥感技术的发展 8 红外扫描仪 采用一维扫描 并通过载体飞行完成另一维扫描的红外成像装置 它能把景物发射 反射的红外辐射转变成光电信号 存贮在磁带上或记录在胶片上 完成摄像功能 红外扫描仪主要装载于人造地球卫星或飞机上 用于航天和航空的军事侦察 如侦察地下导弹发射井 机场 兵营 基地 桥梁 铁路 舰艇等军事目标 红外扫描仪由行扫描器 光学及分光系统 红外探测器及制冷器 信息处理及显示 记录系统等部分组成 星载行扫描器通常是由一摆镜组成的摆动扫描器 随着扫描器的旋转或摆动 逐次地将地物信息反射到光学及分光系统 通过会聚或分光 由红外探测器接收并转变成电信号 将此信号进行放大 整形及同步控制等处理 然后用磁带机记录并回放成照片 或用此信号去调制发光管的亮度 将光信号记录在胶片上 得到反映地物红外辐射的可见图像 第七章红外技术的应用 红外扫描仪的发展 20世纪50年代末 美国德克萨斯仪器公司研制成采用单元锗掺汞探测器的红外扫描仪 并正式装备在U 2飞机上 60年代末期 随着碲镉汞材料的成熟及其多元探测器的发展 出现了新一代高性能 大速高比的红外扫描仪 70年代开始 将红外波段分解成若干个窄波段 研制成多光谱扫描仪装在卫星上 此后又发展了小型化多光谱扫描仪 装在无人驾驶飞机上 中国自60年代中期开始研制红外扫描仪 70年代末开始研制多光谱扫描仪 现已在气象卫星和机载遥感中应用 红外扫描仪的发展方向 进一步提高灵敏度 分辨率 减小体积 减轻重量 采用计算机技术以提高信息处理功能 用无线电通信技术把获得的信息实时传输给地面设备 组成实时侦察系统 进一步满足军事侦察的要求 随着红外电荷耦合器件的发展 用线列红外电荷耦合器件取代光机扫描的红外扫描仪成为新的发展方向 第七章红外技术的应用 8 红外预警 利用星载或机载红外探测设备早期发现和跟踪敌方弹道导弹 人造地球卫星 飞机等目标 并能迅速提供预警信息的技术 主要是在预警卫星上采用红外探测技术 对陆基和潜射弹道导弹进行预警 第七章红外技术的应用 将红外探测设备安装在地球同步卫星上 由多颗卫星组成预警网 确保最佳全球覆盖 预警卫星上采用红外探测技术 不受地球曲率的影响 监视区域大 大气衰减小 作用距离远 不易受干扰 探测概率高 可在弹道导弹发射的初始阶段就发现目标 获得15 30分钟的预警时间 采用长波红外探测器 可探测熄火后的运载火箭 弹头 卫星等目标 1 星载红外预警 为了提高测量精度 降低虚警 正在发展低轨道预警卫星 红外预警技术将随红外焦平面探测器阵列 图像处理和自适应光学技术的发展 性能更加完善 第七章红外技术的应用 其特点是 发现目标早 预警时间长 发现概率高 作用距离远 目标信息容量大 能测定目标的运动参数 目标的信息能迅速传到指挥中心和拦截系统 供指挥机构决策 将红外探测设备安装在预警飞机上 可用于弹道导弹的再入和突防装置的识别和跟踪 以及对高空或低空目标 如飞机 巡航导弹等 的搜索监视 把目标运动参数传送给指挥中心和拦截系统 以完成防御和攻击任务 2 机载红外预警 第七章红外技术的应用 温度高于绝对零度的物体都要不断地发射红外辐射 红外辐射的功率随物体温度的升高而增加 只要测出物体所发射的红外辐射 便可以计算出它的温度 这就是红外测温的依据 二 国民经济各个领域中的应用 1 温度检测 红外测温在工业上被广泛用于安全监控 无损探伤 火车热轴探测 供电部门输电线路及电厂故障检测等 在医学上被用于无接触测量体温及人体靠近表面部位肿瘤的早期疹断 红外测温的优点 1 测量时不接触物体 不影响被测物体温度分布 应用方便 2 测温速度快 3 温度灵敏度高 可分辨微小的温差 一种国产测温仪室温下能分辨0 1 的温度变化 第七章红外技术的应用 所谓红外遥感就是利用红外辐射传达环境信息的过程 红外遥感除了可见光遥感 还包括利用反射辐射传达信息的过程 更加普遍的是 利用物体自身发出的辐射来传达信息 因此不仅信息量丰富 而且更容易传达物体内部的详情 2 红外遥感 红外遥感仪器可以安装在飞机或人造卫星上 从而对大面积的地面或空间进行探测 红外遥感技术已广泛用于地球资源勘探 地质测绘 探矿 测地下水位 鉴别农作物长势 预防病虫害 气象预报 海洋考察 环境保护等方面 由于红外辐射有很明显的热效应 故可用以加热烘干之用 3 红外加热干燥