最新紅外成像技術應用

1、電 磁 波 頻 譜系統(tǒng)組成及工作原理光學系統(tǒng) 紅外變像管紅外探照燈目標高壓電源工作原理 紅外探照燈發(fā)出的紅外輻射照射前方目標，由光學系統(tǒng)的物鏡接受被目標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輻射的紅外圖像。 變形管對目標的紅外圖像進行光譜轉(zhuǎn)換和亮度增強，最后在熒光屏上顯示出目標的可見光圖像。 人眼通過目鏡觀察增強的目標圖像優(yōu)點 1.能充分利用軍事目標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，可以利用這點識別偽裝。 優(yōu)點 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，而使這類系統(tǒng)在工作時不受環(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，使目標在視場中突出，造成與背景較大的反差，從而獲得較為清晰的圖像缺點 軍事上，燈源本身成了對方偵察的目標而易于暴露自己。這是主動紅外成像系統(tǒng)最致命的弱點，也是成像系統(tǒng)由主動向被動發(fā)展的根本原因發(fā)展與應用 主動紅外系統(tǒng)由于易于暴露的致命的弱點使其在軍事上的應用受到限制，但它的一系列優(yōu)點使它在夜視上得到廣泛應用。 某些場合下主被動結(jié)合，即用被動系統(tǒng)捕獲目標后，再用主動系統(tǒng)進行更清晰的觀察。 在公安部門、航空、航海及生物研究等方

3、面仍有相當?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、美軍應用于戰(zhàn)場。50年代，紅外變像管技術成熟，主動紅外夜視儀的性能不斷改善，形成北約部隊系列裝備。50年代末，前蘇聯(lián)研制出主動紅外機槍瞄準具，并裝備部隊。主動紅外夜技術的發(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和各種車輛的夜間駕駛。車輛駕駛儀：50200米。步槍、輕機槍瞄準鏡：4001000米。坦克火炮瞄準鏡：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導彈10km處降至0.53m高度飛行，并啟動主動雷達制導英“謝菲爾德”驅(qū)逐艦15m高度飛行20萬美元擊沉2.34億美元雷達探測掠海導彈的弱點：海面對雷達波的反射，易產(chǎn)生鏡像效應；海面雜波和干擾機干擾，使雷達圖像模糊；被動式雷達對探測紅外尋的導彈的作用不大；易遭受反輻射導彈的攻擊；導彈截面積很小，致使雷達探測距離變近；雷達波長相對較長，難以分辨出群體中的單個目標。包括熱成像在內(nèi)的紅外探測技術是光電跟蹤的關鍵技術之一。 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展到遠紅外區(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.熱成像技術的發(fā)展、應用5.紅外熱成像技術的發(fā)展趨勢 被動紅外成像系統(tǒng)紅外輻射 1800年英國天文學家赫謝耳在研究太陽光譜中各色光的熱效應時，發(fā)現(xiàn)最強的熱效應位于紅色光的外面。 1848年利用干涉效應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、尾噴管材質(zhì)溫度樣品形貌特征化學特征物理學結(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，因而自然界任何實際物體都是紅外輻射源。 目標和背景的關系目標背景飛機和機場相互影響。 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：靜止和工作狀態(tài)。目標和背景的紅外輻射對比度：紅外制導武器發(fā)現(xiàn)識別的依據(jù)。地面目標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：裝甲車輛火炮、電站、橋梁、機場、高速公路、導彈、衛(wèi)星發(fā)射廠。背景：土壤、草地、灌木、林冠、農(nóng)作物、地面設施等。配電間11時17時24時人體皮膚的發(fā)射率很高，在4m以上的平均值為0.99，且與膚色無關。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.地面車輛是一個明顯的紅外目標。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。 目標和環(huán)境的紅外熱圖像空中目標的熱紅外輻射飛機、導彈、火箭和衛(wèi)星等是重要的紅外輻射源。 發(fā)動機殼體、尾噴管的輻射、尾

8、焰（排出的燃燒廢氣）輻射，以及高速飛行時的蒙皮輻射。不同型式的飛機，輻射的強度和分布具有很大差別。 發(fā)動機外殼溫度較低（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。螺旋槳飛機的紅外輻射特征廢氣和發(fā)動機外殼的輻射約占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，4.4m的光譜輻亮度約為2.8m處的3倍。噴氣飛機的紅外輻射特征當無加力燃燒時，尾噴管的輻射遠大于尾焰輻

9、射，但在有加力燃燒時，尾焰將成為主要輻射源。當飛行速度超過1.5馬赫時，因沖壓效應使得進入發(fā)動機壓縮機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，這導致在高速飛行時尾焰溫度和輻亮度都下降。例如，在速度達到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，飛機蒙皮溫度較高。vF104A飛機以2.0馬赫的速度飛行時，蒙皮溫度達122。vX2飛機以3馬赫飛行時，蒙皮溫度達333。隨著飛行速度的增加，蒙皮輻射在飛機的總輻射中所占的比例不斷增加。 飛行速度一般都遠遠超過音速，因而是功率更強的紅外輻射源。輻射主要來自發(fā)動機排氣噴管，相當于1940K溫度

10、和0.9的灰體輻射。另外，發(fā)動機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。 火箭和導彈的紅外輻射特征導彈預警衛(wèi)星只能探測：發(fā)射助推段（發(fā)動機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。第一項僅存在于白晝，而后三項日夜存在。各項均受氣象條件、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。地球相當于一個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)點所引起的散射大氣的發(fā)射：大氣和地面目標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、動力設施和燃氣等熱源3.紅外熱成像系統(tǒng)什么是紅外熱成像？照相機成像得到照片電視攝像機成像得到電視圖像利用探測儀測定目標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。目標的熱圖像和目標的可見光圖像不同，它不是人眼所能看到的目標可見光圖像，而是目標表面溫度分布圖像，即紅外熱成像使人眼不能直接看到目標的表面溫度分布，變成人眼可以看到的代表目標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人類的發(fā)展可分為三個階段。第一階段：人類通過制造工具，擴展體力活

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 判斷事物的標準，第三階段：人類近年來致力于增強獲得輸入信息的能力，擴大 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，在這個階段中，紅外技術的發(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；熱紅外成像技術軍事上提供了先進的夜視裝備并為飛機、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。對物體進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，保護環(huán)境等等方面提供了一個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， 視覺范圍擴展到中、遠紅外區(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，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：可扣除背景。缺點：結(jié)構(gòu)復雜、成本高。光機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。分為光導型和光伏型，分別利用半導體的光導效應和光伏效應。目前主要利用光子探測器，其響應靈敏度和響應速度均優(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致冷v當高壓氣體的溫度低于本身的轉(zhuǎn)換溫度并通過一個很小的節(jié)流孔膨脹時，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30K。v體積小

16、、重量輕、無運動部件，機械噪聲小，使用方便。溫差電致冷v如果用兩塊n型和p型半導體作電偶對時，就會產(chǎn)生非常明顯的珀爾貼效應，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），則像素的灰度愈小（偏白）。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、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)展了光機掃描和紅外攝像管兩種技術。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)，并大量應用于美空、海軍。美研制了多種機載前視紅外系統(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，還與目標的類型和性質(zhì)

18、有關。4.1紅外熱成像儀技術發(fā)展水平 對空觀察：可跟蹤2030千米距離的飛機。水面?zhèn)刹欤嚎砂l(fā)現(xiàn)1520千米遠處的艦艇。地面觀察時，一般識別距離為：1000米/人、2000米/車。空中偵察時，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米深處的運動潛艇。在200千米的衛(wèi)星高度可探測到地面大部隊的集結(jié)與調(diào)動，以及查明偽裝的導彈地下發(fā)射井和戰(zhàn)略導彈的發(fā)射動向。 在幾百千米高空的衛(wèi)星上，可以發(fā)現(xiàn)地面上一支點燃的煙頭。4.2熱像儀的特點能實現(xiàn)“全被動”觀察。能實現(xiàn)“全天候”觀察。能揭露偽裝。能獲得目標的狀態(tài)信息。59

19、坦克熱紅外圖像，2001年6月14日，晴08:1719:4723:1111:30機場上飛機的紅外圖像美軍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地圖伊拉克策劃“火海”戰(zhàn)術切爾諾貝利一號反應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，但雷達的空間分辨較低，一般適合于探測點目標，不易分辨出物體的外形特征。由于目標發(fā)出的熱輻射能量比夜天光強得多，因而與微光夜視儀相比，紅外熱像儀作用距離遠、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。紅外熱像儀及其應用名 稱應 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目標捕獲指示瞄具和飛行員前視系統(tǒng)AH64Lantirn夜間低空導航和目標偵察紅外系統(tǒng)F15、F16AN/AAS38前視紅外裝置F/A18Tiald多用途瞄準吊艙英“旋風”轟炸機海灣戰(zhàn)爭中的部分機載紅外熱成像器材 海灣戰(zhàn)爭中使用的陸用紅外熱成像器材 名 稱應 用AN/VAS3紅外熱成