最新紅外成像技術(shù)應(yīng)用

1、電 磁 波 頻 譜系統(tǒng)組成及工作原理光學(xué)系統(tǒng) 紅外變像管紅外探照燈目標(biāo)高壓電源工作原理 紅外探照燈發(fā)出的紅外輻射照射前方目標(biāo)，由光學(xué)系統(tǒng)的物鏡接受被目標(biāo)反射回來的紅外輻射，并在紅外變像管的光陰極面上形成目標(biāo)輻射的紅外圖像。 變形管對目標(biāo)的紅外圖像進(jìn)行光譜轉(zhuǎn)換和亮度增強(qiáng)，最后在熒光屏上顯示出目標(biāo)的可見光圖像。 人眼通過目鏡觀察增強(qiáng)的目標(biāo)圖像優(yōu)點(diǎn) 1.能充分利用軍事目標(biāo)和自然界景物之間反射能力的顯著差異，在一定程度上識別偽裝目標(biāo)反射光譜曲線綠色植物暗綠色漆粗糙混凝土離開樹木的綠葉，其紅外光譜反射率迅速下降，可以利用這點(diǎn)識別偽裝。 優(yōu)點(diǎn) 近紅外輻射比可見光受大氣散射的影響小而較易通過大氣層。 由于系

2、統(tǒng)自身攜帶光源而“主動照明”目標(biāo)，而使這類系統(tǒng)在工作時(shí)不受環(huán)境照明的影響，可以在“全黑”條件下工作，如在照相館的暗室等場合。 主動照明還可以利用紅外探照燈的狹窄光束照明目標(biāo)，使目標(biāo)在視場中突出，造成與背景較大的反差，從而獲得較為清晰的圖像缺點(diǎn) 軍事上，燈源本身成了對方偵察的目標(biāo)而易于暴露自己。這是主動紅外成像系統(tǒng)最致命的弱點(diǎn)，也是成像系統(tǒng)由主動向被動發(fā)展的根本原因發(fā)展與應(yīng)用 主動紅外系統(tǒng)由于易于暴露的致命的弱點(diǎn)使其在軍事上的應(yīng)用受到限制，但它的一系列優(yōu)點(diǎn)使它在夜視上得到廣泛應(yīng)用。 某些場合下主被動結(jié)合，即用被動系統(tǒng)捕獲目標(biāo)后，再用主動系統(tǒng)進(jìn)行更清晰的觀察。 在公安部門、航空、航海及生物研究等方

3、面仍有相當(dāng)?shù)纳Α?如主動紅外夜視儀1929年，柯勒發(fā)明AgOCs近紅外光電陰極。30年代中期，荷、德、美研制成功紅外變像管。40年代研制出主動紅外夜視儀。二戰(zhàn)后期，德、美軍應(yīng)用于戰(zhàn)場。50年代，紅外變像管技術(shù)成熟，主動紅外夜視儀的性能不斷改善，形成北約部隊(duì)系列裝備。50年代末，前蘇聯(lián)研制出主動紅外機(jī)槍瞄準(zhǔn)具，并裝備部隊(duì)。主動紅外夜技術(shù)的發(fā)展概況主動紅外夜視儀適用于近距離偵察、搜索，短射程武器的夜間瞄準(zhǔn)和各種車輛的夜間駕駛。車輛駕駛儀：50200米。步槍、輕機(jī)槍瞄準(zhǔn)鏡：4001000米。坦克火炮瞄準(zhǔn)鏡：8001000米。一般情況下：300米左右。被動探測距離約為主動觀察距離的3倍。主動紅外夜

4、視儀的軍事應(yīng)用英阿馬島戰(zhàn)爭1982年5月4日阿“超級軍旗”15m高度掠海飛行45km處發(fā)射4枚AM-39導(dǎo)彈10km處降至0.53m高度飛行，并啟動主動雷達(dá)制導(dǎo)英“謝菲爾德”驅(qū)逐艦15m高度飛行20萬美元擊沉2.34億美元雷達(dá)探測掠海導(dǎo)彈的弱點(diǎn)：海面對雷達(dá)波的反射，易產(chǎn)生鏡像效應(yīng)；海面雜波和干擾機(jī)干擾，使雷達(dá)圖像模糊；被動式雷達(dá)對探測紅外尋的導(dǎo)彈的作用不大；易遭受反輻射導(dǎo)彈的攻擊；導(dǎo)彈截面積很小，致使雷達(dá)探測距離變近；雷達(dá)波長相對較長，難以分辨出群體中的單個(gè)目標(biāo)。包括熱成像在內(nèi)的紅外探測技術(shù)是光電跟蹤的關(guān)鍵技術(shù)之一。 被動紅外搜索、跟蹤、告警裝置組成的空中防御系統(tǒng)才能有效對空中威脅進(jìn)行早期告警

5、。即紅外熱成像系統(tǒng)，是將物體自然發(fā)射的紅外輻射轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姷臒釄D象，從而使人眼的視覺范圍擴(kuò)展到遠(yuǎn)紅外區(qū)。被動紅外成像系統(tǒng)1.紅外輻射2.紅外輻射在大氣中的傳輸3.紅外熱成像系統(tǒng)4.熱成像技術(shù)的發(fā)展、應(yīng)用5.紅外熱成像技術(shù)的發(fā)展趨勢 被動紅外成像系統(tǒng)紅外輻射 1800年英國天文學(xué)家赫謝耳在研究太陽光譜中各色光的熱效應(yīng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)最強(qiáng)的熱效應(yīng)位于紅色光的外面。 1848年利用干涉效應(yīng)測量到紅外輻射的波長，才最終確定紅外輻射與可見光是同一類東西，即電磁輻射，所不同的只是波長差別。Wien位移定律mT2897.80.4（mK） 黑體光譜輻射度峰值對應(yīng)的波長m隨黑體的絕對溫度T成反比移動。解釋熱體發(fā)光的顏色。

6、太陽地表發(fā)動機(jī)、尾噴管材質(zhì)溫度樣品形貌特征化學(xué)特征物理學(xué)結(jié)構(gòu)特征樣品厚度等等物體發(fā)射率的影響因素典型目標(biāo)和背景的熱紅外輻射理論上，凡是溫度高于絕對零度的物體都可以發(fā)射紅外熱輻射，因而自然界任何實(shí)際物體都是紅外輻射源。 目標(biāo)和背景的關(guān)系目標(biāo)背景飛機(jī)和機(jī)場相互影響。 坦克與地面背景。 地面的熱輻射影響坦克的溫度場。 地面的熱輻射被坦克反射，與坦克的輻射疊加。 目標(biāo)影響背景的熱特征。坦克駛過地面。晝夜變化。太陽的加熱、晝夜溫度的變化。動力目標(biāo)：靜止和工作狀態(tài)。目標(biāo)和背景的紅外輻射對比度：紅外制導(dǎo)武器發(fā)現(xiàn)識別的依據(jù)。地面目標(biāo)的熱紅外輻射光譜分布和空間分布取決于輻射體的材料、表面面積、溫度、外形和表面發(fā)

7、射率等。目標(biāo)：裝甲車輛火炮、電站、橋梁、機(jī)場、高速公路、導(dǎo)彈、衛(wèi)星發(fā)射廠。背景：土壤、草地、灌木、林冠、農(nóng)作物、地面設(shè)施等。配電間11時(shí)17時(shí)24時(shí)人體皮膚的發(fā)射率很高，在4m以上的平均值為0.99，且與膚色無關(guān)。人體輻射大約32%的能量處在813m波段，僅有1%處在3.24.8m波段。黑色服裝的發(fā)射率很高，而白色服裝很低.地面車輛是一個(gè)明顯的紅外目標(biāo)。車輛表漆的發(fā)射率一般在0.85以上，灰塵和污垢均使發(fā)射率增大。由于排氣管和消聲器的溫度高，其輻射能量比車輛其余部位要高好幾倍。 目標(biāo)和環(huán)境的紅外熱圖像空中目標(biāo)的熱紅外輻射飛機(jī)、導(dǎo)彈、火箭和衛(wèi)星等是重要的紅外輻射源。 發(fā)動機(jī)殼體、尾噴管的輻射、尾

8、焰（排出的燃燒廢氣）輻射，以及高速飛行時(shí)的蒙皮輻射。不同型式的飛機(jī)，輻射的強(qiáng)度和分布具有很大差別。 發(fā)動機(jī)外殼溫度較低（80100），發(fā)射率低（0.20.45）。廢氣（CO2、H2O）C顆粒，連續(xù)的輻射光譜。排氣管溫度在接近集氣管部分為650800，接近排氣口處250350，表面發(fā)射率0.80.9。螺旋槳飛機(jī)的紅外輻射特征廢氣和發(fā)動機(jī)外殼的輻射約占3545%，其余部分則是排氣管的輻射。尾噴管的有效發(fā)射率約為0.9，輻射溫度等于排出氣體溫度（400700）。尾焰輻射與排出氣體的溫度及數(shù)量有關(guān)，4.4m的光譜輻亮度約為2.8m處的3倍。噴氣飛機(jī)的紅外輻射特征當(dāng)無加力燃燒時(shí)，尾噴管的輻射遠(yuǎn)大于尾焰輻

9、射，但在有加力燃燒時(shí)，尾焰將成為主要輻射源。當(dāng)飛行速度超過1.5馬赫時(shí)，因沖壓效應(yīng)使得進(jìn)入發(fā)動機(jī)壓縮機(jī)的空氣壓力和溫度都隨飛行速度急劇增加，所以尾焰溫度將隨排氣噴嘴的壓力增加而降低，這導(dǎo)致在高速飛行時(shí)尾焰溫度和輻亮度都下降。例如，在速度達(dá)到3.5馬赫，即使有加力燃燒的尾焰也小于熱尾噴管的輻射。飛行速度大時(shí)，飛機(jī)蒙皮溫度較高。vF104A飛機(jī)以2.0馬赫的速度飛行時(shí)，蒙皮溫度達(dá)122。vX2飛機(jī)以3馬赫飛行時(shí)，蒙皮溫度達(dá)333。隨著飛行速度的增加，蒙皮輻射在飛機(jī)的總輻射中所占的比例不斷增加。 飛行速度一般都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過音速，因而是功率更強(qiáng)的紅外輻射源。輻射主要來自發(fā)動機(jī)排氣噴管，相當(dāng)于1940K溫度

10、和0.9的灰體輻射。另外，發(fā)動機(jī)放出的熾熱羽狀煙柱的輻射，以及在大氣層中空氣動力加熱和在宇宙飛行時(shí)太陽輻射引起的殼體輻射，也是明顯的紅外輻射特征。 火箭和導(dǎo)彈的紅外輻射特征導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星只能探測：發(fā)射助推段（發(fā)動機(jī)火焰紅外特征非常明顯）上升、慣性飛行段：不太明顯。無火焰，特征不明顯。大氣層中高速飛行：與大氣強(qiáng)烈摩擦，紅外特征明顯。飛出大氣層：無大氣摩擦，特征減弱。再入大氣層：天空背景的熱紅外輻射大氣散射的太陽光。波長小于23m。大氣層自身的熱輻射。波長大于34m。70100km高空受激氫氧根離子產(chǎn)生的輻射。行星與恒星的輻射。第一項(xiàng)僅存在于白晝，而后三項(xiàng)日夜存在。各項(xiàng)均受氣象條件、地面環(huán)境溫度及觀

11、測方向等因素的影響。太陽是個(gè)近似于6000K黑體的巨大輻射源，輻射峰值波長為0.48m。太陽輻照度為1353Wm-2，其中紅外區(qū)為692.6Wm-2，占太陽常數(shù)的51.2%。經(jīng)大氣散射后，構(gòu)成低于3m區(qū)的重要天空背景輻射。 白天，地球表面的輻射是反射和散射太陽光線以及地球本身熱輻射的組合。夜間，以地面熱輻射為主。地球相當(dāng)于一個(gè)280K的灰體，地面熱輻射的峰值波長約為10m。地面背景的熱紅外輻射2.紅外輻射在大氣中的傳輸紅外輻射在大氣中傳輸時(shí)受到以下因素的影響：大氣的吸收和散射v大氣分子的吸收v大氣分子的散射v霾、雨、霧、雪及云等質(zhì)點(diǎn)所引起的散射大氣的發(fā)射：大氣和地面目標(biāo)不同的溫度大氣的折射：彎

12、曲和密度的不均勻性大氣的閃爍：密度、溫度等起伏典型大氣透射譜圖大氣窗口地表輻射平均溫度290K720K發(fā)動機(jī)、動力設(shè)施和燃?xì)獾葻嵩?.紅外熱成像系統(tǒng)什么是紅外熱成像？照相機(jī)成像得到照片電視攝像機(jī)成像得到電視圖像利用探測儀測定目標(biāo)的本身和背景之間的紅外線差并可以得到不同的紅外圖像，熱紅外線形成的圖像稱為熱圖。目標(biāo)的熱圖像和目標(biāo)的可見光圖像不同，它不是人眼所能看到的目標(biāo)可見光圖像，而是目標(biāo)表面溫度分布圖像，即紅外熱成像使人眼不能直接看到目標(biāo)的表面溫度分布，變成人眼可以看到的代表目標(biāo)表面溫度分布的熱圖像。光線、紅外線火眼星睛熱成像的特點(diǎn)人類的發(fā)展可分為三個(gè)階段。第一階段：人類通過制造工具，擴(kuò)展體力活

13、動的能力。第二階段：通過提高判斷能力，尋求更清晰和更廣泛的理解與 判斷事物的標(biāo)準(zhǔn)，第三階段：人類近年來致力于增強(qiáng)獲得輸入信息的能力，擴(kuò)大 感覺范圍或增添新的感官，使我們的大腦能接受更 多的信息，在這個(gè)階段中，紅外技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)把 人類的感官由五種增加到六種” 熱紅外線（或稱熱輻射）是自然界中存在最為廣泛的輻射。 大氣、煙云等吸收可見光和近紅外線，但是對35微米和814微米的熱紅外線卻是透明的。因此，這兩個(gè)波段被稱為熱紅外線的“大氣窗口” 。 怎樣利用大氣窗口。完全無光的夜晚，清晰地觀察到前方的情況；熱紅外成像技術(shù)軍事上提供了先進(jìn)的夜視裝備并為飛機(jī)、艦艇和坦克裝上了全天候前視系統(tǒng)。 物體的熱輻射

14、能量的大小，直接和物體表面的溫度相關(guān)。對物體進(jìn)行無接觸溫度測量和熱狀態(tài)分析，從而為工業(yè)生產(chǎn)，節(jié)約能源，保護(hù)環(huán)境等等方面提供了一個(gè)重要的檢測手段和診斷工具。作用：紅外輻射 可見光圖像信息， 視覺范圍擴(kuò)展到中、遠(yuǎn)紅外區(qū)域。 熱像儀的組成與工作原理原理：圖像反映了目標(biāo)與周圍環(huán)境之間熱輻射（溫度）的差異，即利用熱對比度成像。 軍事目標(biāo)，一般都比周圍環(huán)境溫度高，是熱像儀最好的觀察對象。與紅外夜視儀儀、微光夜視儀的不同熱像儀的類型 光機(jī)掃描型紅外熱像儀焦平面凝視型紅外熱像儀熱釋電型紅外熱像儀優(yōu)點(diǎn)：可扣除背景。缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高。光機(jī)掃描型紅外熱像儀熱探測器，如熱敏電阻、電偶、熱釋電探測器，吸收紅外輻射

15、后，使敏感元件溫度上升，引起與溫度有關(guān)的物理參數(shù)改變。光子探測器是通過光子與物質(zhì)內(nèi)部電子相互作用，產(chǎn)生電子能態(tài)變化而完成光電轉(zhuǎn)換。分為光導(dǎo)型和光伏型，分別利用半導(dǎo)體的光導(dǎo)效應(yīng)和光伏效應(yīng)。目前主要利用光子探測器，其響應(yīng)靈敏度和響應(yīng)速度均優(yōu)于熱探測器。紅外探測器 紅外探測器一般需低溫致冷，以降低噪聲，提高信噪比。致冷系統(tǒng) 利用變相原理致冷例如，液態(tài)空氣、液氮（77K）、固體甲烷、固體氬和干冰等。利用輻射熱交換致冷主要用于太空航天器。利用焦耳湯姆遜效應(yīng)致冷v當(dāng)高壓氣體的溫度低于本身的轉(zhuǎn)換溫度并通過一個(gè)很小的節(jié)流孔膨脹時(shí)，氣體溫度將降低。v工作介質(zhì)需高純氣體。v單級致冷至77K，雙級達(dá)30K。v體積小

16、、重量輕、無運(yùn)動部件，機(jī)械噪聲小，使用方便。溫差電致冷v如果用兩塊n型和p型半導(dǎo)體作電偶對時(shí)，就會產(chǎn)生非常明顯的珀?duì)栙N效應(yīng)，電偶對的一頭發(fā)熱，另一頭變冷。v一級致冷可獲得大約60K的溫差，三級可降至195K的溫度，六級到170K，八級至145K。v致冷溫度不夠低，且致冷量小，一般用于致冷溫度不太低的硫化鉛、硒化鉛等探測器。熱像儀產(chǎn)生的是灰度（黑白）圖像，物體表面溫度愈高（或發(fā)射率愈大），則像素的灰度愈?。ㄆ祝?。為便于觀察，經(jīng)偽彩處理后，物體高溫區(qū)圖像呈紅、黃、白色，低溫區(qū)呈藍(lán)、綠、黑色。圖像顯示 引起圖象差異的原因多種： 物體之間的溫度（真實(shí)溫度）差 物體之間的紅外發(fā)射率差 大氣損耗差軍用車

17、輛的可見光和紅外圖像對比4 熱成像技術(shù)的發(fā)展概況紅外熱成像儀發(fā)展歷史 1930年前后，出現(xiàn)了溫度記錄儀。40年代，發(fā)展了光機(jī)掃描和紅外攝像管兩種技術(shù)。1956年，美研制了第一臺長波前視紅外系統(tǒng)XA1。1965年，德克薩斯儀表公司和休斯飛機(jī)公司分別研制了并行掃描和串行掃描前視紅外系統(tǒng)，并大量應(yīng)用于美空、海軍。美研制了多種機(jī)載前視紅外系統(tǒng)，并用于越南戰(zhàn)場。70年代后期，熱像儀取得突破性進(jìn)展，第一代產(chǎn)品大量生產(chǎn)和使用。目前正推行組件化以降低成本。80年代初，研制成功第二代熱像儀，技術(shù)日趨成熟。我國于70年代初研制成功熱電器件，批量生產(chǎn)了熱像儀。熱像儀的作用距離除了儀器本身性能外，還與目標(biāo)的類型和性質(zhì)

18、有關(guān)。4.1紅外熱成像儀技術(shù)發(fā)展水平 對空觀察：可跟蹤2030千米距離的飛機(jī)。水面?zhèn)刹欤嚎砂l(fā)現(xiàn)1520千米遠(yuǎn)處的艦艇。地面觀察時(shí)，一般識別距離為：1000米/人、2000米/車?？罩袀刹鞎r(shí)，在1500米高度上可以發(fā)現(xiàn)地面的單兵活動；在20千米可偵察到地面上的人群和行駛的車輛，并能通過水面航跡與周圍海水的溫并探測到水下40米深處的運(yùn)動潛艇。在200千米的衛(wèi)星高度可探測到地面大部隊(duì)的集結(jié)與調(diào)動，以及查明偽裝的導(dǎo)彈地下發(fā)射井和戰(zhàn)略導(dǎo)彈的發(fā)射動向。 在幾百千米高空的衛(wèi)星上，可以發(fā)現(xiàn)地面上一支點(diǎn)燃的煙頭。4.2熱像儀的特點(diǎn)能實(shí)現(xiàn)“全被動”觀察。能實(shí)現(xiàn)“全天候”觀察。能揭露偽裝。能獲得目標(biāo)的狀態(tài)信息。59

19、坦克熱紅外圖像，2001年6月14日，晴08:1719:4723:1111:30機(jī)場上飛機(jī)的紅外圖像美軍70年代拍攝的胡志明小道夜間行車情況前蘇聯(lián)Uda級補(bǔ)給船為Kanin級驅(qū)逐艦加油的情景紅外熱圖像可見光照片巴格達(dá)地圖伊拉克策劃“火?！睉?zhàn)術(shù)切爾諾貝利一號反應(yīng)堆熱像儀隱蔽性良好，既不易被敵方發(fā)現(xiàn)，又不易受敵方干擾。雖然熱像儀的探測距離不及雷達(dá)，但雷達(dá)的空間分辨較低，一般適合于探測點(diǎn)目標(biāo)，不易分辨出物體的外形特征。由于目標(biāo)發(fā)出的熱輻射能量比夜天光強(qiáng)得多，因而與微光夜視儀相比，紅外熱像儀作用距離遠(yuǎn)、分辨率高、觀測效果不依賴于環(huán)境光照條件。紅外熱像儀是性能最好的夜視器材。紅外熱像儀及其應(yīng)用名 稱應(yīng) 用AN/AVQ28“鋪路釘”夜間偵察攻擊系統(tǒng)F111、F4E和RF4CAN/AAR42前視紅外裝置A10AN/AAR45前視紅外裝置A7TAD/PNVS目標(biāo)捕獲指示瞄具和飛行員前視系統(tǒng)AH64Lantirn夜間低空導(dǎo)航和目標(biāo)偵察紅外系統(tǒng)F15、F16AN/AAS38前視紅外裝置F/A18Tiald多用途瞄準(zhǔn)吊艙英“旋風(fēng)”轟炸機(jī)海灣戰(zhàn)爭中的部分機(jī)載紅外熱成像器材 海灣戰(zhàn)爭中使用的陸用紅外熱成像器材 名 稱應(yīng) 用AN/VAS3紅外熱成