红外探测技术应用与发展

严彪

摘要：红外探测技术在军事、工业、气象等领域应用广泛，本文主要介绍了红外探测技术的工作原理、性能影响因素以及未来技术发展方向。

1.引言

红外探测技术是一种利用红外探测器感知物体辐射红外线，通过光电转换、信息处理等技术手段，以数字、信号、图像等方式显示被测物体温度场分布情况，并加以利用的集探知、观察等功能于一体的综合性技术[1]。红外探测技术在军事、工业、农业、医疗、气象等领域应用广泛。本文主要介绍了红外探测技术的原理、主要性能影响因素以及未来发展方向等。

2.工作原理

任何物体，只要表面温度超过绝对零度（-273K），即会辐射出电磁波，电磁波的辐射强度和波长分布特性随温度变化[2]，辐射波长范围在0.78μm～1000μm的电磁波称为红外线辐射。红外探测技术就是利用红外探测器将物体红外线辐射功率信号转换成电信号，然后经系统处理，将物体表面温度场分布情况实现可视化分析的技术。红外探测技术在各个领域被广泛应用，具有响应速度快、测量范围宽、测量结果直观形象以及远距离非接触探测等诸多特点[1]。

红外线辐射是自然界中存在最为广泛的辐射，其具有两个重要特性：

（1）物体红外辐射强度直接和物体温度和表面特性相关;

（2）大气、烟云等吸收可见光和近红外线，但对3μm～5μm（中波红外）和8μm～14μm（长波红外）的红外线是透明的[3]。

3.红外探测性能主要影响因素

3.1 物体红外辐射强度

根据红外探测作用距离的普遍公式[3]，红外探测距离的平方与目标的红外辐射强度呈正比;根据斯特藩-玻尔兹曼定律，物体红外辐射强度只与其温度和表面特性相关，与温度的四次方呈正比，具有较强的温度效应;根据维恩位移定律，物体辐射峰值波长随其温度升高而向短波方向移动，直接影响探测器响应波长范围[4]。

3.2 大气传输特性

大气对红外辐射传输的影响主要体现在散射和吸收作用两个方面，使红外辐射信号产生衰减，增加探测器噪声。不同气体分子对不同波长的红外辐射有比较强烈的选择性吸收作用，主要包括二氧化碳、水蒸气、氮气、臭氧等。根据文献[4]研究成果，红外辐射强度在大气传输过程中的衰减系数主要受作用距离、相对湿度、工作频段等因素影响，此外，不同纬度和季节以及海域、陆地、沙漠等诸多因素对大气传输特性也存在影响。

3.3光學传输特性

光学系统性能与使用的材料直接相关，不同的材料对不同的红外波段透射率、反射率不同，锗（2～15μm）是当前光学系统使用最广泛的材料[5]。光学系统传输特性的主要参数包括透过率、通光口径、焦距、F数（光圈数）等。F数（光圈数）主要用于衡量光学镜头进光量大小，F数越小，进光量越大。镜头焦距与通光孔径决定红外探测视场大小，在其他参数不变的条件下，焦距越长，探测视场越小，探测距离越远。

3.4 红外探测器性能

红外探测器是红外热像仪的核心器件，其主要性能参数包括灵敏度、功率响应、光谱响应范围、等效噪声温度等参数。

灵敏度受制于探测器本身的噪声和背景辐射，和等效噪声温度均表现红外探测器的温差响应灵敏性。对于目前使用最广泛的量子阱探测器，功率响应与波长成正比，功率响应越高，探测能力越强。目前常用的探测器光谱响应范围大都集中在3～5μm和8～14μm两个窗口。光谱探测能力用于衡量红外探测器的噪声，光谱探测能力越小，探测噪声越大，探测器灵敏度越低。

4.红外探测技术发展

（1）新型多光谱/高光谱红外探测技术

多光谱/高光谱探测[6]是指在一个以上的红外谱段探测由目标（场景）的红外辐射信号，并将探测信息进行融合后，基于不同物质在不同谱段的辐射、反射、吸收特性等不同，实现对探测目标的多维信息获取和高精度识别。其中自适应多光谱红外成像技术是着重发展的方向。

自适应多光谱红外成像采用新型光学系统或智能化超大规模集成探测芯片，实现对多个谱段进行同时探测，并能够完成自适应谱段选择，以提升局部背景和目标对比度，在空间分辨率、目标识别能力、工作速度等方面有巨大提升。

（2）红外偏振成像探测技术

自然界物体在反射自然光和辐射红外线的过程中都会产生由它们自身性质和光学基本定律决定的偏振特性，利用偏振成像技术，可以获取除亮度、形状、颜色之外的目标偏振态信息。不同物体或同一物体的不同状态会产生不同的偏振信息，且与波长密切相关，形成偏振光谱。由于偏振信息是不同于辐射的另一种表征事物的信息，相同辐射的被测物体可能有不同的偏振度，使用偏振成像探测手段可以在复杂辐射背景下提升目标成像锐度和对比度，提升目标信息检出能力，对隐身目标探测、目标识别以及目标特性分析等方面具有广阔的应用前景。

5 结论

红外探测技术在海湾战争中成为最闪亮的高科技技术之一，其之后在军事领域和民用领域开始飞速发展，时至今日，技术成熟度高，应用广泛，成为安防、军事、工业、医疗等领域的重要技术。随着隐身技术发展和使需求的提升，红外探测技术也存在着诸多难题需要突破，而多光谱红外探测、高光谱红外探测、偏振红外探测等新型红外探测技术的研究发展将成为未来主要的发展方向。

参考文献

[1]张敏，韩芳等.红外热成像技术在民用领域的应用[J]，红外.2019，40（6）：35-43.

[2]田华.关于辐射的经典理论.河北师范大学学报（自然科学版），1995，19（1）：36-41.

[3]李文胜，张琴，付艳华，等.一种基于光子晶体结构的军用车辆红外隐身涂层的设计[J].红外与激光工程，2015，44（011）：3299-3303.

[4]寇人可，王海晏，吴学铭.低纬度地区红外波段大气透射率研究[J].激光与光电子学进展，2017（01）：51-58.

[5]寇小明.红外成像观测系统性能评价方法研究[D].西安电子科技大学.9-30.

[6]李程华.低空高光谱探测技术[J].舰船电子工程，2013，33（012）：26-29.