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研究紅外輻射的產生、傳播、轉化、測量及其應用的技術科學。

1 紅外技術 -紅外技術

 

2 紅外技術 -正文

  研究紅外輻射的產生、傳播、轉化和測量及其應用的技術科學。紅外輻射包括介於可見光與微波之間的廣闊的電磁波段。紅外技術的內容包含四個主要部分:①紅外輻射的性質,其中有受熱物體所發射的輻射在光譜、強度和方向的分佈;輻射在媒質中的傳播特性──反射、折射、衍射和散射;熱電效應和光電效應等。②紅外元件、部件的研製,包括輻射源、微型製冷器、窗口材料和濾光片等。③把紅外元件部件組織成系統的光學、電子學和精密機械。④在軍事上和國民經濟中的應用。
  簡史  1800年,F.W.赫歇耳發現了紅外輻射。此後,紅外輻射和紅外元件、部件的科學研究逐步發展,但比較緩慢,直到1940年前後才真正出現現代的紅外技術。當時,德國研製成硫化鉛和幾種紅外透射材料,利用這些元件、部件製成一系列軍用紅外系統,如高射炮用導向儀、海岸用船舶偵察儀、船舶探測和跟蹤系統、機載轟炸機探測儀和火控系統、通話設備等。其中有些達到實驗室試驗階段,有些已小批量生產,但都未來得及實際使用。此後,美、英、蘇等國競相發展。特別是美國,大力研究紅外技術在軍事方面的應用。
  紅外探測器的發展是紅外技術發展的先導。1940年以前研製成的紅外探測器,主要是熱敏型探測器。19世紀,由於熱敏型紅外探測器的應用,科學家們認識了紅外輻射的特性及其規律,驗證了J.C.麥克斯韋的經典的電磁理論。從黑體輻射的研究導致普朗克的量子假設,從而開創了20世紀的量子物理學。20世紀初開始,測量了大量的有機和無機物質的吸收、發射和反射光譜,證明紅外技術在物質分析中的價值。30年代,首次出現紅外光譜儀,以後發展成在物質分析方面不可缺少的儀器。
  以硫化鉛紅外探測器為開端的光電型(光子型)探測器,性能優良、結構牢靠。50年代半導體物理學的迅速發展,使光電型紅外探測器得到新的推動。到60年代初期,對於1~3、3~5和8~13微米三個重要的大氣窗口都有了性能優良的紅外探測器。在同一時期內,固體物理、光學、電子學、精密機械和微型致冷器等方面的發展,使紅外技術在軍事技術上和國民經濟建設的各個方面得到廣泛的應用。
  60年代中葉起,紅外探測器開始向兩個方面發展:①在1~14微米範圍內的探測器,由單元向多元發展。第一步是線列多元探測器,元數密度逐步增大。以多元探測器先後掃過(串掃)同一目標時,可得到比單元探測器的輸出高紅外技術倍的信噪比,n為元數。以多元探測器平行掃過(平掃)目標時,可得到目標輻射的一維分佈。以這類線列探測器為基礎的探測系統,大都裝在遙感平台(飛機或衛星)上,平台的前進運動垂直於線列作為第二維,就可得到目標輻射的分布圖像。因此,可省去使用單元探測器的紅外相機所必需的光機掃描結構。多元探測器的第二步發展是研製二維列陣探測器。以nm個元件排成nm列的方陣,放在光學系統的焦平面上(又稱焦平面紅外探測器)就能獲取目標的瞬時紅外圖像。每個元件的輸出信號,由電荷耦合器件或其他方式按順序輸出,經用電子技術處理后,以黑白或彩色在屏幕上顯示出目標的紅外圖像。二維列陣探測器在攝取紅外圖像時,不需要運動部件,也可對準同一目標連續攝取紅外圖像的時間變化,因而,也稱為凝視型紅外探測器。這種探測器還可加上信息處理電路,直按輸出所需的信息。在多元探測器的發展過程中,又出現碲鎘汞(Hg1-xCdxTe)紅外探測器,根據化學配比的不同,製成響應不同波段的各種探測器。這種材料還具有若干特別符合紅外探測器要求的特性,用這種材料製成的探測器,堪與過去在1~14微米範圍的各種光電探測器相比。因此,碲鎘汞材料就成為發展多元紅外探測器的基礎材料。②響應波段向長波延伸,從幾十微米到幾百微米以至幾千微米。在15~1000微米波段,大氣吸收嚴重,在野外使用的前途較小,但其科學研究內容豐富。對於這一波段,已有一些性能良好的探測器可供選用。在1~3毫米波段,有大氣吸收很小的透射窗口,而且可以製造相當強的相干輻射源,因而可以採用外差探測技術,具有重要的應用前景。
  60年代,激光的出現極大地影響了紅外技術的發展。在這以前,紅外技術僅探測非相干紅外輻射。激光的出現,很多重要的激光都在紅外波段,其相干性便於移用電子技術中的外差接收技術。探測性能比功率探測高好幾個數量級。雷達和通信等,都有可能在紅外波段實現,而且可以得到更高的解析度和更大的信息容量。由於這類應用的需要,出現了新的探測器件和新的輻射傳輸方式。
  應用  紅外技術在軍事上和國民經濟各部門都有廣泛的應用。
  軍用  紅外技術可用於目標探測、通信和夜視。
  ①軍事目標的探測與跟蹤:紅外探測技術有廣泛的用途,其根本原因之一就在於一切物體都在不斷地產生紅外輻射。物體溫度越高,其紅外輻射的波長就越短。例如,室溫(≈300K)物體發出大量的8~13微米內的輻射,飛機發動機在工作時發出大量的3~5微米的輻射。利用紅外探測技術,就有可能發現這些物體。這一可能性首先受到軍事上的重視。因為一切軍事目標,如空中的飛機、導彈,海洋中的軍艦,甚至部隊的行動,都散發熱量,發出大量的紅外輻射。利用紅外探測技術可以偵察、跟蹤和監視這些目標,或者引導炸彈投向這些目標。70年代以來,紅外預警衛星一直監視著彈道導彈的發射,紅外反導彈在大氣外層的搜索、跟蹤距離已接近2000公里,偵察衛星依靠紅外和多光譜儀器及時獲取大量的軍事情報。紅外製導導彈已成為用量最大的近程戰術導彈。紅外探測裝置能比微波雷達更為有效地追蹤貼近海面飛行的低仰角導彈和飛機。
  ②紅外通信:在發射端,用紅外輻射的平行光束作載波,其強度受發送信息的調製。在接收端收到這束紅外輻射時,就能從強度的變化獲得所需的信息。激光完全可以移用於微波通信技術。與微波通信相比,紅外通信具有更好的方向性,適用於國防邊界哨所與哨所之間的保密通信。
  ③軍用夜視儀:在夜間軍事行動中用來「照明」或偵察敵方行動的儀器。夜視儀分為主動式和被動式兩類。主動式夜視儀是利用光電子發射現象的變像管,工作波段不大於1.3微米,用近紅外輻射照射敵方目標,變像管將反射回來的紅外像轉變成可見像而顯示在屏幕上。這種夜視儀有著廣泛的用途,但其缺點是易為對方發現。被動式夜視儀則是利用目標本身發射的輻射,利用單元紅外探測器加光機掃描或多元列陣探測器攝取目標的熱圖像,並轉變成可見圖像顯示出來。這種夜視儀,實質上就是熱像儀。根據軍事上的需要,紅外成像裝置有各種不同形式的發展,熱像儀就是這類裝置的總稱。
  民用  紅外技術廣泛用於工業、醫學和科學研究等許多方面。
  ①熱源探測:首先是對異常熱源的檢測,例如,火車車輛運行中,輪軸摩擦過甚使溫度升高;森林在冬、春季節局部腐植質發熱,可能導致自然火災;機房中變壓器、發電機、閘刀、鍋爐和輪機等運動發生故障時局部溫度異常升高。用紅外技術探測這些異常的熱源,就能對事故的發生及時報警。為節約能源而對鍋爐和建築物的漏熱檢測,防賊防盜的入侵警報器,也屬這類應用。又如,一塊很小的集成電路某一點有缺陷,通電工作時那一點的溫度就過高;大型機器部件內部有無法看到的缺陷,在均勻加熱的條件下,那一點溫度就異常。利用紅外技術就能檢查出這些缺陷。這類應用也稱為無損探傷。
  ②醫用熱像儀:檢查人體的表皮溫度,如脈管炎、靜脈曲張,和一些表淺部位的癌症,可得到早期診斷。這一應用類似於無損探傷。
  ③溫度測量與過程式控制制:在一般接觸式的測溫方法無法到達之處,只有利用紅外技術,如鍊鋼工業中的鋼水溫度,軋鋼時的鋼板溫度,機械製造業中的熱處理溫度,工件切割和焊接溫度,化工中的化學反應溫度,紡織工業中織物的熱定形溫度,食品工業、造紙和印染工業中各道工序中的工藝溫度,利用紅外技術都可以有效地測量或監視,從而對這些過程進行控制。
  ④紅外光譜分析:是以紅外輻射與物質相互作用的原理為基礎的。用紅外輻射照射物體時,透過物體的、從物體反射回來的或散射出去的紅外輻射,都包含著有關物質內部結構的信息。專門研究物質結構的紅外光譜學,就是以紅外技術作為基本工具,其發展水平也在很大程度上取決於紅外技術的發展水平。紅外光譜儀已經是化學分析中不可缺少的手段。此外,如塑料製造工業中的產品檢驗、木材加工和造紙業中的濕度檢測、煤礦中易燃易爆氣體的指示和警報、大氣污染的檢測、人體呼吸道疾病的診斷等,都可藉助紅外技術解決。
  ⑤紅外加熱乾燥:利用熱源光譜和物質吸收光譜知識而發展起來的紅外加熱乾燥技術,已在工農業的很多方面得到應用。與傳統的加熱烘烤技術相比,可以節約大量的能源。
  ⑥紅外遙感:用紅外技術研究物質結構和識別物體,通常是指物質的微觀結構。紅外技術的作用是擴大人類對微觀世界的觀察能力。紅外遙感技術,從某種意義上講,也是利用紅外技術對地球那樣大的宏觀物體進行物質結構研究和物體識別。紅外技術的作用能擴大人類在空間上和時間上的觀察能力。把紅外儀器裝在飛機上或人造衛星上,能在較短的時間內,收集到地面各種目標如河流、山脈、土壤、冰川、沙漠、森林、農作物和雲霧等的狀況和變化。這種遙感技術已用在氣象衛星中,對實現全球性長、短期天氣預報起著重要作用;也用在地球資源衛星上,預報洪水災情、推測土壤含鹽和含水量、觀察作物生長情況和預報病蟲害等;也能估計作物收成,協助地面尋找富鐵、鎳、銅和石油等重要礦床分佈。
  ⑦紅外天文學:是利用紅外技術擴大人類觀察能力的又一成就。60年代以前,對天體的認識,只限於從天體發射來的可見光和射電無線電波。後來又增加了紅外波段。寬波段紅外望遠鏡已經為揭示宇宙奧秘作出了重要貢獻,如發現了宇宙間充滿著2.7K的輻射背景。又如美、英、荷三國聯合發射的紅外天文衛星,在10個月內對95%的宇宙空間進行觀察,發現了過去人類一無所知的紅外天體達20萬個。
  展望  自40年代開始發展以來,紅外技術已經得到廣泛應用。但所利用的波段僅僅是0.75~13微米所謂的近紅外和中紅外波段。還有廣闊的遠紅外線沒有得到應用。即使是近中紅外線,也遠沒有充分發揮作用,探測技術本身還大有發展的餘地。遠紅外波段是科學家注意的重點。

 

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