红外技术与系统

《红外技术与系统》读书报告姓名：吕凯院系：航天学院时间：2015.6.151.引言当我拿起专业书籍《红外技术与系统》时，面对那些专业术语，心里有些为难，，有些看不懂，但既然作为自我提升的手段，作为专业推荐的书籍，自然有它的道理，再次拿起书籍，我强迫自己去接受自己应该接受而未接受的东西，通过几次阅读和思考，发现自己的专业知识差的太多了，，那些不感兴趣的图标表格时刻给予自己深思2.对红外技术的理解任何物体的红外辐射包括介于可见光与微波之间的电磁波段。通常人们又把红外辐射称为红外光、红外线。具有与无线电波及可见光一样的本质，波长在770纳米至1毫米之间，在光谱上位于红色光外侧。具有很强热效应，并易于被物体吸收，通常被作为热源。透过云雾能力比可见光强。在通讯、探测、医疗、军事等方面有广泛的用途。3.红外物理基础红外技术的发展以红外线的物理特性为基础。红外线是由于物质内部带电微粒的能量发生变化而产生的,它是一种电磁波,处于可见光谱红光之外,突出特点是热作用显著。红外线的波长介于可见光与无线电波之间,从0.75μm~l000μm,可分为四个波段:近红外(0.75~3μm)、中红外(3~6μm)、远红外(6~15μm)和极远红外(15-1000μm),红外线具有以下特性:l、红外光电效应当光线照射在金属表面时,金属中有电子逸出的现象叫做光电效应。红外线光子的能量低于可见光光子,它能对一些较活波的金属产生光电效应(即红外光电效应),红外光电效应是红外技术得到应用的关键。通过红外光电效应可把红外光转换成电信号,经放大后,作用到荧光屏上,再把电信号转换成可见的光,使人眼看得见红外线照射的物体。2、红外辐射实验表明,物体在任何温度下都要向周围空间辐射电磁波,物体在一定时间内向周围辐射电磁波的能量的多少以及能量按波长(或频率)的分布与物体的温度有关。在室温下,大多数物体发出的辐射能分布在电磁波谱的红外线部分,随着温度的升高,辐射能量也随着增加。同时,辐射能的分布逐渐向频率高的方向移动,即温度愈高,辐射能中高频电磁波成份愈多。自然界的一切物体都是红外辐射源,物体温度不同,辐射的红外线波长就不同,温度越高波长越短,并且产生的红外线越多。这种红外辐射的普遍性和差异性正是红外技术有着广泛应用的根本原因。根据辐射特性,知道了军事目标的温度范围,就可求出其辐射红外波长的范围,选用相应的红外探测器,可探测目标与景物的红外辐射差异。这种差异体现在目标与景物的温度分布,故所形成的图像叫热图像,热图像通过红外光—电—光信号的转换,成为可见光图像,即可从复杂的背景里识别目标。3、红外反射目标和环境对可见光的反射差异不大,但在近红外区对红外线的反射差异很大,故用近红外线比可见光更易识别目标。军事上利用目标和景物对红外线的不同成像,经转换获得可见光图像以发现识别目标;在反红外伪装时,既要考虑颜色的近似感,同时还要注意它们对红外线的反射情况。4、大气传输特性大气中的二氧化碳、水蒸气、臭氧等对各种波长的红外线有着不同程度的吸收。有些波段的红外线被吸收得多,不易透过大气传播;有些被吸收得少,容易透过大气。这些能透过或能较多透过大气的红外波段称大气窗口,红外线有三个大气窗口:0.76~2.5μm、3~5μm、8~14μm.战争中主要军事目标辐射的红外线大都在窗口内:导弹辐射的红外线波段是l~3μm,处于第一窗口;喷气飞机辐射的红外线波段是3~4μm,坦克发动机辐射的红外线约5μm,均位于第二窗口;装备、工厂、人员等地面和水上目标辐射8~14μm的红外线,处在第三窗口。故第一窗口的红外装置可用于侦察导弹,第二窗口可用于制导、侦察和跟踪;第三窗口可用于观察地面和水上的一般军事目标。除吸收效应外,红外线在大气中传播时,还会被尘埃、雾滴等散射,在传播方向上不断衰减。散射效应对近红外线影响较大,对中、远红外影响较小,故中远红外线适于全天候和远距离的传输。4.辐射在大气中的传播红外辐射大气透过率的计算是红外技术研究的重要内容之一。所有物体发出的辐射都要经过大气的衰减才能到达红外光学系统，这是整个系统中必不可少的一个重要环节。特别是随着红外侦察和红外制导技术的广泛应用，对红外辐射大气透过率问题的研究有助于完善和提高武器装备的红外对抗手段。然而这方面的研究目前在军事上的运用还不够成熟和完善，而且复杂环境条件下红外辐射大气透过率的计算问题比较复杂，需要深入探讨，目标红外辐射通过大气到达红外探测器的过程是非常复杂的,在这个过程中辐射能会受到大气中各种因素的影响而衰减，衰减的程度可以用大气透过率来衡量。大气透过率就是根据大气中各种分子对红外辐射吸收和散射造成的衰减来计算的。在计算大气透过率的时候一般分为2个过程：大气分子的吸收和大气分子以及气溶胶的散射。计算大气分子吸收所决定的大气透过率一般有以下几种方法：根据光谱线参数，逐条进行理论计算；根据带模型和有效的实验测量或实际谱线资料，进行理论计算；直接利用实验仪器进行测量；在实验室模拟大气条件进行测量。红外辐射在大气传输的过程中会遇到分子密度的起伏以及各种微粒，使得传输方向改变，从而导致某一特定方向上的辐射能减弱，即散射计算大气的散射衰减必须解决的基本问题是确定散射随辐射波长、方向角以及散射元的特性和尺寸的变化关系，可以得到3种处理方法，即Rayleigh散射、Mie散射和无选择性散射。5..红外光学系统红外光学系统是红外探测系统不可分割的重要组成部分，它用于收集来自目标和背景的红外辐射，并将其汇聚到红外探测器的光敏面上，以便形成目标和背景的图象。随着红外探测器器件的不断升级换代，以及各种应用对红外探测系统要求的不断提高，对红外光学系统的性能和优化设计也提出了更高的要求统前端一般包括红外接收光学系统、红外探测器（组件）和扫描装置。扫描方式分光学扫描和机械扫描两种，用于实现对整个探测视场的高低和方位扫描。在光学扫描方式下，光学系统和探测器（组件）固定不动，光学扫描器在相应方向上旋转使入射光进入接收光学系统，到达红外探测器的光敏面，实现快速搜索。红外光学系统结构形式主要有3种:透射式、反射式、折反射式，折衍射式，它们各自有不同的优缺点,要根据系统的应用目的和成本要求来决定光学系统结构形式的选择。通常,选择透射系统还是反射系统与整机对重量、尺寸和成本要求有关。红外光学系统的主要应用特性是放大倍率、视场、瞬时视场、相对口径或F数、口径等,它与热成像系统的图像大小、视场、分辨力和辐射灵敏度密切相关。放大倍率可改变视场和图像的大小,口径与辐射灵敏度相关,F数、瞬时视场、口径与分辨力相关,视场决定物方的观察范围。红外光学系统的设计主要保证红外辐射充分汇聚到探测器传感元上、获得必要的探测灵敏度和分辨力;视场设计实现使用目的所要求的物方空间;放大倍率设计使显示图像方便观察;光学系统结构设计要考虑用途对重量、体积和成本的要求。同时红外光学设计还要考虑经济性,避免过设计(红外光学材料价格昂贵)。口径和F数可决定热像仪的角分辨力和线分辨力6.红外探测器红外探测器是红外的核心，也是红外发展最活跃的领域，是一种能够度量入射到其基本辐射量的点输出器件，红外探测器是将入射的红外辐射信号转变成电信号输出的器件。红外辐射是波长介于可见光与微波之间的电磁波，人眼察觉不到。要察觉这种辐射的存在并测量其强弱，必须把它转变成可以察觉和测量的其他物理量。一般说来，红外辐射照射物体所引起的任何效应，只要效果可以测量而且足够灵敏，均可用来度量红外辐射的强弱。现代红外探测器所利用的主要是红外热效应和光电效应。这些效应的输出大都是电量，或者可用适当的方法转变成电量。本书重点针对光子探测器和热探测器进行的诠释光子探测器包括碲镉汞探测器、锑化铟探测器、铂化硅探测器、多量子阱探测器、Ⅱ类超晶格探测器等；而常见的热探测器有辐射热测定器、热释电探测器、热电探测器、超导探测器等。光子探测器的基本工作原理是探测器吸收目标或背景辐射的光子时，探测器材料的最外壳层电子发生跃迁形成晶体内的自由电子，产生光生电导或光生伏特效应。光电导和光生伏特效应的强弱取决与辐射源的辐射强度和探测器的灵敏度。在整个探测工作过程中，光子探测器的温度基本保持恒定；而热探测器主要是通过吸收红外辐射的能量，使探测器的温度发生变化，引起探测器电阻率或电极性的改变，热探测器电阻率或电极性的改变量同样取决与辐射源的辐射强度和探测器的灵敏度。由于工作机理的不同，这两类探测器显出各自不同的红外响应特性：光子探测器有最佳的响应波长（峰值波长），黑体响应率与峰值响应率之间差异随着探测器响应波段的不同而有很大的不同；而热探测器的响应率随波长的变化几乎是平坦的。因此，热探测器的黑体响应和峰值响应几乎没有什么差别[2]另一方面，随着探测器工作高温工作的升高，热探测器可比光电探测器具有更高的灵敏度。因此，通常广泛应用于工作温度接近室温场合，被称为“非制冷”探测器。光子探测器的突出特点是：探测率对工作温度十分敏感，降低探测器的工作温度，光子探测器的探测率将得到大幅度的提高；②探测率强烈的依赖于工作波段，在同一探测器工作温度，工作波段变短，光子探测器的探测率也将大幅度提高。因此，红外光子探测器具有优势的应用领域是：制冷型高性能红外长波、中波领域，非制冷型或制冷型高性能红外短波领域。红外热探测器在非制冷、长波的应用领域具有独特的优势；制冷型红外光子探测器，无论在任何波段都能显示其高探测率的优势；中波和短波红外光子探测器，无论是制冷还是非制冷工作，都明显比热探测器具有更高的探测率。7.焦平面制冷技术红外探测器制冷使用的是物理方法，制冷原理包括相变制冷，焦耳制冷，气体膨胀制冷，辐射热交换制冷和帕尔贴效应制冷，其参数包括制冷量，制冷温度,工作寿命，尺寸重量，信噪比和功耗等。常见制冷器有杜瓦瓶制冷器，气体节流式制冷器，斯特林制冷器，辐射制冷器，半导体制冷器，脉管制冷器等每一种原理各异，其中杜瓦瓶制冷器在红外制冷中用处居多，其体积一般在几十立方厘米，内部还封装多元红外探测器，为了降低漏热，还需在杜瓦瓶内部长时间保持一定的真空。国内多杜瓦瓶的研制以有相当一段长时间8.参考文献[1]路远.斜程红外辐射大气透射率的简易计算[J].红外与激光工程，2007，36（增刊）：423—426.[2]王威，李进杰.红外辐射的气候环境传输特性分析[J].激光与红外，2000，30（5）：290—292.[3]白廷柱,金伟其.光电成像原理与技术[M].北京:北京理工大学出版社,2006.[4]赵丽萍，赵子英，邬敏贤,等.折射混合望远物镜的设计、制作及实验.光学技术，1999，3：28-31.[5]崔庆丰.折衍混合成像光学系统设计.红外与激光工程，2006，35（1）：12-15[6]刘琳，薛鸣球，沈为民.提高离轴三反射镜系统成像质量的途径.光学技术,2002,28(2):181-182[7]易新建，等.320×240红外焦平面阵列驱动电路的小型化设计研究[J].红外与激光工程.2001,30(3).[8]冯生荣，李凯，红外光学系统的热效应，红外与激光工程，1997，32（3）：265～268[9]吴晓靖，孙赤全，孟军和，红外光学系统无热化设计与变焦距镜头的关系，红外与激光工程，2002，31（3）：249～252[10]白廷柱,金伟其.光电成像原理与技术[M].北京:北京理工大学出版社,2006..[11]赵军，张建，杜翠兰.红外辐射大气透过率修正函数[J].激光与红外，2006，36（9）：866—867.