红外技术的发展及其在航空中的应用

朱玮峰0808201081红外技术的发展及其在航空中的应用红外技术的发展红外技术发展的先导是红外探测器的发展。1800年：F·W·赫歇尔发现红外辐射时使用的是水银温度计，这是最原始的热敏型红外探测器。1830年以后：相继研制出温差电偶的热敏探测器、测辐射热计等。在1940年以前，研制成的红外探测器主要是热敏型探测器。19世纪：科学家们使用热敏型红外探测器，认识了红外辐射的特性及其规律，证明了红外线与可见光具有相同的物理性质，遵守相同的规律。它们都是电磁波之一，具有波动性，其传播速度都是光速、波长是它们的特征参数并可以测量。20世纪初开始：测量了大量的有机物质和无机物质的吸收、发射和反射光谱，证明了红外技术在物质分析中的价值。30年代：首次出现红外光谱代，以后，它发展成在物质分析中不可缺少的仪器。40年代初：朱玮峰0808201082光电型红外探测器问世，以硫化铅红外探测器为代表的这类探测器，其性能优良、结构牢靠。50年代：半导体物理学的迅速发展，使光电型红外探测器得到新的推动。到60年初期：对于1～3、3～5和8～13微米三个重要的大气窗口都有了性能优良的红外探测器。在同一时期内，固体物理、光学、电子学、精密机械和微型致冷器等方面的发展，使红外技术在军、民两用方面都得到了广泛的应用。60年代中叶：60年代中叶起，红外探测器和系统的发展体现了红外技术的现状及发展方向。1.在1～14微米范围内的探测器已从单元发展到多元，从多元发展到焦平面阵列。2.红外探测器的工作波段从近红外扩展到远红外。3.轻小型化。非致冷、集成式、大面阵红外探测器方向发展。4.红外探测系统从单波段向多波段发展。在红外技术的发展中，需要特别指出的是：60年代激光的出现极大地影响了红外技术的发展，很多重要的激光器件都在红外波段，其相干性便于移用电子技术中的外差接收技术，使雷达和通信都可以在红外波段实现，并可获得更高的分辨率和更大的信息容量。在此之前，红外技术仅仅能探测非相干红外辐射，外差接收技术用于红外探测，使探测性能比功率探测高好几个数量级。另外，由于这类应用的需要，促使出现新的探测器件和新的辐射传输方式，推动红外技术向更先进的方向发展。红外技术在航空中的应用红外隐身技术：红外隐身技术是指对目标在3~5μm及8~14μm红外波段特征信号进行控制,进而能有效对抗中远红外侦察装备对目标的探测和识别的能力[1]。研究表明,目标红外辐射能力的高低取决于目标发射率和目标温度[2]。因朱玮峰0808201083此,目标的红外隐身可以采取以下两个基本措施:一是降低目标表面的红外发射率;二是降低目标的表面温度。红外探测技术：在军事航空领域，对目标的探测定位能力的更高要求已成为航空电子系统不断扩展的需求牵引之一，而现代隐身技术、对地攻击武器技术的不断发展逐步使光电探测设备的地位不断上升。目前隐身技术主要是针对电磁微波雷达而设计的，而对可见光或红外光波段只能降低其可探测水平，要做到真正意义上的隐身，在短期内技术上的难度很大。任何物体，只要其温度高于绝对零度，就会发出红外辐射，其他部位温度不同，辐射率不同，就会形成物体的红外图像，经过大气传输，就能被红外探测设备所探测，经光电转换，成为人眼可观察的图像，这完全是被动探测的过程。红外探测技术的主要优点在于符合隐身飞机自身高度隐蔽性的要求，即被动探测、不辐射电磁波，而且由于工作波长较微波雷达短3～4个数量级，可以形成高度细节的目标图像，目标分辨率高。随着隐身技术的发展，红外探测系统正逐步成为新一代战斗机的主要传感器之一，与电磁微波雷达处在了同样重要的位置。扫描焦平面阵列的优点在于降低了噪声等效温差（NETD）和最小可分辨温差（MRTD），因而使前视红外的探测距离增大了50％甚至一倍。但是，它的探测单元数量仍然不够多，满足不了全视场成像的要求，属于扫描线列与凝视焦平面阵列之间的过渡型。第四代前视红外体现在中波和长波波段的同时工作能力，最近出现的多量子阱红外探测器为这种双波段探测器提供了一种方法。具有不同光谱灵敏度的多量子阱层可以在纵向集成的结构中生长，通过在多量子阱叠层的中波红外和长波红外部分产生分开的接触层，实现了精确的像元匹配。多量子阱技术为人们提供了一种容易生产的多色焦平面阵列。这种技术允许人们对两种或者更多的颜色同时进行积分和读出，每一种颜色都在同一个焦平面阵列上得到像元配准。这种像元配准多色焦平面阵列提高了系统的性能，同时也大大简化了系统其他元件的设计，简化了现有多色设计中的多个焦平面阵列、扫描器、致冷器等，可降低系统的成本，减轻系统的重量，缩小体积，并能减轻计算机的处理负担，从而可以应用于更多的军事领域。飞机红外诱饵：红外诱饵弹，一般是燃烧磷、镁等材料，用来诱骗敌方红外制导武器脱离真目标，具有较高温度的红外辐射弹。和照明弹什么的材料差不多。又称红外干扰弹、红外曳光弹。它广泛地应用于飞机、舰船的自卫。红外诱饵弹大多数为投掷式燃烧型，内装的烟火剂多为镁粉、硝化棉和聚四氟乙烯的混合物。燃烧时，能产生强烈的红外辐射，在红外寻的装置工作的1～3微米和3～5微米波段范围内，其有效辐射强度比被保护目标的红外辐射至少大2倍。当发现有导弹来袭时，可将红外诱饵弹从目标（飞机、舰船）朱玮峰0808201084上投射到空中，烟火剂经点燃后迅速燃烧形成假目标。使来袭导弹完全抛弃目标而跟踪红外诱饵弹，从而达到诱骗敌方，提高己方生存能力的目的。彩色红外航空遥感技术：应用彩色红外航空遥感技术进行土地资源调查。起初应用国产彩色红外航空照片，以判释地表构造为主，继而应用美国地球资源卫星ＭＳＳ多光谱信息，通过与地球物理信息的计算机图像复合，研究地壳结构，最后发现用美国ＮＯＡＡ气象卫星热红外通道信息与地热学结合，研究地表下隐伏构造、地热、地表水和浅层地下水的分布状况．研究范围涉及到塔里木、准噶尔、阿尔泰、鄂尔多斯、攀西、滇西、皖南、闽东等地区。红外热波无损探伤：热波（ThermalWave）理论与传统的热传导理论一样，都致力于描述媒介中温度场的分布和变化。但热波理论对热在传输过程中的波动性描述加深了人们对热传导现象的认识。热波理论研究的侧重点是研究周期、脉冲、阶梯等变化性热源与媒介材料及媒介的几何结构发生相互作用时所产生的温场变化现象。它不仅方便的引出了诸如不同频率的热波在界面的反射、散射、趋肤深度等物理概念，而且直接衍生了一门实用学科-热波无损检测（ThermalWaveNondestructiveEvaluations）。由于不同媒介材料表面及表面下的物理特性和边界条件将影响热波的传输，而这些影响又以某种方式反映在媒介材料表面的温场变化上，因此通过控制加热和测量材料表面的温场变化，将可以获取材料的均匀性信息以及其表面以下的结构信息，从而达到检测和探伤目的。目前，测量表面温场最直接、最快速的方法是红外热成像技术，所以热波检测又常被称为红外热波检测。值得指出的是，由于应用热波原理并采用主动性控制加热，红外热波无损检测技术与传统的被动式热成像检测是有本质区别的。红外技术的发展前景按产品和技术类别可分为：红外传感器、红外成像器、红外材料、光学元件、制冷器、前放、专用信号读出处理电路、图像处理、系统设计、系统检测、仿真与试验等；按应用领域可分为：安防领域、消防领域、电力领域、企业制程控制领域、医疗领域、建筑领域、遥感领域等。