一、紅外技術的基本概念

紅外技術是研究紅外波段內電磁波的規(guī)律并使其應用的一門現代技術。眾所周知，從波長很長的無線電波到波長很短的宇宙射線都是不同波長的電磁波，或稱為電磁輻射。一切物質都不停地發(fā)射和吸收電磁輻射。電磁波譜上的每一段都具有其獨特的規(guī)律，每一段都是一個研究領域，都有其特性和規(guī)律，研究并使其應用，造福與人類，是每個學科的宗旨。紅外技術則是研究紅外輻射的產生、傳播、轉化等過程的應用技術。

圖1 電磁波譜范圍很寬

頻率ν和波長λ的關系為λν= c（光速），例如 0.55μm波長對應的頻率是5.4×1012Hz。也有用波數σ表示波長的，σ=1/λ(cm-1)，這種表示方法在光譜儀器中常用，例如2.5μm波長對應的波數是4000cm-1 。

紅外輻射是一切物體固有的物理特性，只要其溫度大于絕對零度（-273.15°C或0 K），就要不斷向外輻射紅外線。物體的輻射強度與溫度及表面的輻射能力有關，輻射的光譜分布則與物體溫度密切相關。早在1800 年，英國天文學家赫胥爾為尋找觀察太陽時保護自己眼睛的方法就發(fā)現了這一“不可見光線”。但是，紅外技術取得迅速發(fā)展還是在二次大戰(zhàn)期間和戰(zhàn)后的幾十年，推動技術發(fā)展的原因主要是由于軍事上的迫切需要和航天工程的蓬勃開展。

紅外輻射的波長范圍是0.75μm~1000μm，從可見光的紅光邊界開始，一直擴展到電子學中的微波區(qū)邊界，見圖1所示。紅外輻射光譜區(qū)可劃分為：近紅外0.76μm~1.1μm、短波紅外1μm~2μm、中紅外（中波紅外）3μm~6μm、遠紅外（長波紅外）6μm~15μm以及極遠紅外15μm~1000μm。它既有與可見光相似的特性，如反射、折射、干涉、衍射和偏振，又具有粒子性，即可以以光量子的形式被發(fā)射和吸收。(注：波長在30μm ~3mm 范圍的輻射也稱作太赫茲THz)。

紅外輻射波段的劃分根據不同的研究方向劃分方法不同，在紅外技術領域中，紅外輻射波段的劃分如表1所示。

表1紅外輻射波段的劃分

不同的研究方向、不同文獻對紅外輻射波段的劃分方法不同，各有各的道理，不十分嚴格，上述劃分方法是在前三個波段中，每一個波段都至少包含一個大氣窗口，所謂大氣窗口，大氣對輻射強度的衰減作用稱之為消光。消光作用的強弱與空氣密度、傳播路程、大氣中的氣溶膠、氣象條件等多種因素密切相關。大氣的消光作用也與波長相關，且具有明顯的選擇性。除可見光0.38μm~0.76μm波段外，在0.76μm~1.1μm、1.2μm~1.3μm、1.6μm~1.75μm、2.1μm~2.4μm、3.4μm~4.2μm、4.4μm~5.4μm、8μm~14μm等波段也有較大的透射比，猶如光譜波段上輻射透射的窗口，故稱為“大氣窗口”。其中，近紅外0.76μm~1.1μm、短波紅外1μm~2μm、中波紅外3μm~5μm和長波紅外8μm~14μm是紅外系統(tǒng)的主要工作波段。

在光譜學中是根據紅外輻射產生的機理不同劃分成三個區(qū)域，它們各對應著分子躍遷的不同狀態(tài)。近紅外區(qū)是0.75～2.5μm，對應原子能級之間的躍遷和分子振動泛頻區(qū)的振動光譜帶；中紅外區(qū)是2.5～25μm，對應分子轉動能級和振動能級之間的躍遷；遠紅外區(qū)是25～1000μm，對應分子轉動能級之間的躍遷。

紅外技術的主要研究內容包含以下幾個主要部分：

1、紅外輻射的性質。其中有物體所發(fā)射的輻射在光譜、強度和方向的分布；輻射在媒質中的傳播特性——反射、折射、衍射和散射；熱電效應和光電效應等。

2、紅外元器件、部件的研制。包括紅外探測器、輻射源、微型制冷器、紅外光學材料和濾光片等。

3、把各種紅外元器件、部件構成完整的應用系統(tǒng)。

4、紅外技術在軍事上和國民經濟中的應用。

由此可見，紅外技術的研究涉及的范圍相當廣泛，既有目標的紅外輻射特性，背景特性，又有紅外元、部件及系統(tǒng)；既有材料問題，又有應用問題。

紅外技術的相關技術是探測技術、精確制導技術、光電子技術和先進材料技術，紅外技術發(fā)展的技術難點關鍵在于紅外材料的研制、紅外設備的制冷、紅外設備向更長波段發(fā)展、紅外焦平面陣列器件的研制和紅外設備與數據處理設備的結合等。

紅外技術的相關技術是探測技術、精確制導技術、光電子技術和先進材料技術。

二、紅外技的發(fā)展與應用

圖2 英國天文學家F·W·赫歇爾

自從1800年英國天文學家F·W·赫歇爾發(fā)現紅外輻射至今，紅外技術的發(fā)展經歷了兩個世紀。但發(fā)展比較緩慢，直到1940年前后德國才真正出現現代的紅外技術。當時，研制成硫化鉛和幾種紅外透射材料，利用這些元、部件制成一些軍用紅外系統(tǒng)。此后，各國競相發(fā)展。特別是美國，大力研究紅外技術在軍事方面的應用。目前，美國將紅外技術應用于單兵裝備、裝甲車輛、航空和航天的偵察監(jiān)視、預警、跟蹤以及武器制導等各個領域。

從60年代中葉起，紅外探測器和系統(tǒng)的發(fā)展體現了紅外技術的現狀及發(fā)展方向。目前先進的紅外焦平面陣列技術正處在從第二代向第三代更為先進的陣列技術發(fā)展的轉變時期。世界各國正在加緊確定第三代紅外焦平面陣列技術的概念，各有關公司和廠家機構的注意力已轉向第三代紅外焦平面陣列傳感器的發(fā)展。第三代紅外焦平面陣列技術的特征是：(1) 焦平面上探測器像元的集成度進一步提高，至少雙色工作；（2）高的工作溫度，以便實現低功耗和小型輕量化的系統(tǒng)應用；（3）非致冷工作紅外焦平面陣列傳感器的性能達到或接近目前第二代致冷工作紅外焦平面陣列傳感器的水平；（4）極低成本的微型傳感器，甚至是一次性應用的傳感器。最終的第三代紅外焦平面陣列將是極低成本的微型傳感器，它將占領整個紅外市場，其未來的應用將是無人操作的一次性應用傳感器，如微型無人駕駛航空飛行器，頭盔安裝式紅外攝像機和微型機器人等。紅外熱成像技術已從當初的機械掃描機構發(fā)展到了目前的固體小型化全電子自掃描凝視攝像，特別是非致冷技術的發(fā)展使紅外熱攝像技術從長期的主要軍事目的擴展到諸如工業(yè)監(jiān)控測溫、執(zhí)法緝毒、安全防范、醫(yī)療衛(wèi)生、遙感、設備先期性故障診斷與維護、海上救援、天文探測，以及車輛、飛行器和艦船的駕駛員夜視增強觀察儀等廣闊的民用領域。

圖3 紅外技術應用

紅外技術在軍事方面的應用非常廣泛。自然界中，任何物體都在向外輻射紅外線，物體的溫度越高，其輻射紅外線的強度也越大。根據各類目標和背景輻射溫度特性的差異，就可以利用紅外技術（在白天和黑夜）對目標進行探測、跟蹤和識別，以獲取目標信息。在現代戰(zhàn)爭中，獲取戰(zhàn)場信息的優(yōu)勢已經成為掌握戰(zhàn)爭主動權的關鍵，紅外技術是獲取戰(zhàn)場信息的關鍵技術之一，因此，許多國家均投入很大的人力和物力去研究紅外技術，并將其廣泛地應用于軍事領域，并產生巨大影響。

一切軍事目標，如海洋中的艦船、地面部隊行動及各種裝備、空中的飛機、導彈，都散發(fā)熱量，發(fā)出大量的紅外輻射。利用紅外技術裝備，就可以從空中和空間對這些目標進行偵察、監(jiān)視與跟蹤。如偵察衛(wèi)星依靠紅外成像設備和多光譜儀可以白天黑夜地獲取大量的軍事情報。裝有紅外探測器的導彈預警衛(wèi)星從70年代以來，一直監(jiān)視著世界各國的彈道導彈發(fā)射，為國家及軍事指揮部門提供警報，如目前美國國防支援計劃中的預警衛(wèi)星在幾十秒鐘內，就可以鑒別來襲導彈的發(fā)射和方向，據說將來美國的天基紅外系統(tǒng)可在20秒內，提供有關導彈發(fā)射和方向方面的精確信息，為攔截來襲導彈提供寶貴的預警時間。對于貼近海面飛行的低仰角導彈和飛機，紅外技術裝備比微波雷達能更有效地進行偵察、監(jiān)視與追蹤。

1、紅外制導

紅外制導是利用目標自身的紅外輻射來引導導彈和其他武器裝備自動接近目標，以提高命中率?？湛?、空地、地空和反坦克導彈等都有采用紅外制導技術的。紅外焦平面陣列制導技術還具有識別各類誘餌的能力，從而使武器對目標有更高的命中率。1999年3月，北約國家在對南聯盟的轟炸中使用的11種精確制導武器中，有近半數采用了紅外技術制導。

圖4美國AIM-9X“響尾蛇”紅外制導導彈

2、紅外通信

在發(fā)射端，用紅外輻射的平行光束作載波，其強度受發(fā)送信息調制。在接收端收到這束紅外輻射時，就可從強度變化獲得所需信息。與微波通信相比，紅外通信具有更好的方向性，適于國防邊界哨所與哨所間的保密通信。

圖5 空間激光通信

3、軍用紅外夜視偵查

這類儀器在飛機晝夜飛行、導航、搜索、目標捕獲；武器制導和瞄準；車輛駕駛；夜間戰(zhàn)場偵察與觀測；夜間對目標進行精確定位、跟蹤與射擊；高炮防空系統(tǒng)抗電子干擾等都將發(fā)揮重要作用。

圖6 紅外夜視偵查

4、探測隱身武器裝備

隱身武器裝備雖然采取了紅外隱身技術，但其溫度總比背景溫度要高，仍有可能被紅外探測器探測到，將紅外成像設備安裝在空間平臺上，可精確提供目標的角位置信息，探測距離可達數百公里。

圖7 洛馬“狙擊手”瞄準吊艙

5、紅外預警

將紅外探測器安裝在艦艇和飛機等平臺上，可用以對來襲導彈和其他紅外威脅進行告警，或自動發(fā)出對抗指令、啟動紅外干擾設備進行自衛(wèi)。紅外預警有優(yōu)越性，不易被發(fā)現。無線電雷達易被攻擊。

圖8 洛克希德·馬丁公司2017年已經贏得了近4600萬美元的

制造兩顆基于太空紅外系統(tǒng)的導彈預警衛(wèi)星合同

6、紅外對抗

圖9 BAE系統(tǒng)公司的先進威脅紅外對抗 (ATIRCM)系統(tǒng)

紅外對抗是消除目標與背景之間紅外輻射的差別，使敵方紅外探測設備失靈，達到保護目標作用的手段。例如，紅外干擾機是模擬被保護目標的紅外輻射并加以調制，使敵方導彈的制導系統(tǒng)產生誤差，攻擊不到目標；紅外誘餌是利用不同的材料燃燒時發(fā)出的紅外輻射特性不同的原理，制作成紅外曳光彈、熱氣球及噴射燃油等，制造假象，引誘敵紅外制導的導彈偏離目標，保護自己；紅外煙幕利用光被吸收或散射的原理，主要干擾熱成像系統(tǒng)，對可見光、電視、激光等瞄準器材都有很大阻礙作用；紅外隱身則是:用各種方法改變目標的紅外輻射特性，使紅外儀器觀測不到，例如使用特殊涂料或不利于反射的外表形狀進行隱身。

紅外技術在國民經濟方面的應用也越來越廣泛。主要體現在以下幾個方面：

紅外測溫技術：是利用紅外探測器接收被測物體的熱輻射原理工作非接觸測溫方法，有很多優(yōu)越性，可測量不易接觸的高溫、移動、化學、危險等物品的溫度；

紅外遙控技術：是早已經是成熟的技術。其使用一個紅外發(fā)射源，通常是紅外發(fā)光二極管，發(fā)射編碼信號，被紅外接收器受到后經過解碼得到指令，控制各種動作，抗干擾能力強；

紅外遙感技術：紅外遙感技術是紅外物理與技術研究和應用進展的重要標志。利用飛機、衛(wèi)星等運載工具把紅外傳感器帶到空中，接收和記錄地面各種物體發(fā)射和反射的輻射信號，并將這些信息進行圖象處理和分析判斷，達到探測地球和環(huán)境的目的，在軍事、農業(yè)、地質、測繪、海洋、氣象等很多方面有廣泛的應用。紅外遙感由于具有保密性好、抗干擾本領強、能晝夜連續(xù)工作等優(yōu)點，因此首先在空中軍事偵察中占有十分重要的位置。同時在氣象、土地資源管理、自然災害、環(huán)境污染分析等方面得到廣泛的應用，并取得了令世人矚目的成果。紅外光學遙感器是空間光學遙感器中研制難度最大、用途最廣的。它集合了光學、精密機械、空間制冷、溫度控制、探測器和系統(tǒng)控制等多種領域的技術成果，體現著一個國家的綜合科技實力。

紅外醫(yī)療技術：醫(yī)用紅外技術是一個重要的應用方面。主要體現在紅外診斷和紅外理療兩個方面。紅外理療也是中國的傳統(tǒng)技術。醫(yī)用熱像儀正在興起；

紅外輻射加熱技術：紅外輻射加熱可以節(jié)能，這是因為選用某些發(fā)射率高的材料實現的，如紅外烤爐等，工業(yè)用途很廣；

紅外光譜技術：利用不同的物體在不同條件下時發(fā)出的紅外波段光譜輻射特性不同，來檢測和鑒別物質。在公安、環(huán)保、考古、文物鑒定等方面應用廣泛。以傅里葉變換光譜技術為代表的紅外光譜學在氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)等不同形態(tài)分析對象中得到了廣泛的應用，例如，大氣污染分析、混合氣體中大氣毒物定量分析、燃燒廢氣的檢測、潤滑油品質分析、化妝品質量分析等。紅外光譜技術無論是在對固體、液體、氣體的定量還是定性分析中都有廣泛的應用，如果能夠選取恰當的定量分析方法, 就可以達到非常有用的結果，并且紅外光譜技術與氣相色譜的聯用使定量和定性分析更加準確。

紅外技術應用于民用行業(yè)如下：

（一）電力

1. 對變壓器工作狀況評估：漏磁導致局部溫度升高

2. 刀閘、開關類設備工作狀況評估：接觸不良導致的溫度異常

3. 電纜類設備運行狀況檢測：電纜接頭發(fā)熱引起的溫度異常

4. 緣子類架空設備運行狀況檢測

5. 套管設備運行狀況檢測：套管負載及接頭發(fā)熱狀況評估

6. 線纜及接頭運行狀況檢測：線纜斷股及接頭發(fā)熱情況評估

7. 斷路器及其接頭工作狀況評估

8. 電廠整體監(jiān)控

（二）石油石化

1. 油氣加工、油罐儲存防爆監(jiān)控

2. 管道泄漏檢測

3. 電氣及傳動設備工作狀況檢測

(三)煤礦安全

1. 礦山救護隊必備裝備－熱紅外生命探測

2. 井下火區(qū)探測

3. 井下觀測頂板與密閉

4. 井下機電設備檢查

5. 煤垛自燃監(jiān)測（或煤矸石山監(jiān)測）

6. 礦用炸藥監(jiān)測和人體測溫

（四）制造業(yè)

1. 倉庫消防安全監(jiān)測系統(tǒng)

2. 電子工業(yè)領域檢測

3. 汽車檢測

4. 暖通、空調檢測應用

（五）建筑行業(yè)

1. 倉庫消防安全監(jiān)測系統(tǒng)

2. 電子工業(yè)領域檢測

3. 汽車檢測

4. 暖通、空調檢測應用

（六）冶金應用

1. 工業(yè)爐內襯損傷檢測

2. 大型高爐料面的劃定

3. 出爐板坯溫度的測定與控制

4. 鋼水爐渣分析

（七）太陽能應用

1. 紅外熱像儀在太陽能組件質量檢測的應用

2. 紅外熱像儀在單晶硅太陽電池漏電流的檢測的應用

（八）風能發(fā)電

（九）人體測溫

（十）高速公路

1. 事件監(jiān)測；2.高速巡邏

（十一）鐵路系統(tǒng)

1. 供電系統(tǒng) 2. 機務系統(tǒng)3.車輛系統(tǒng)

（十二）海洋海事

1.海洋搜索 2.海洋搜救 3. 排污監(jiān)控 4. 海洋領域監(jiān)控

（十三）消防搜救

1. 人員搜救--濃煙彌漫的火場尋找圍困人員

2. 危險品探測--獲得火場中危險品的溫度變化情況

3. 火場清理--火災撲滅后存在的隱燃火源的探測

（十四）醫(yī)療診斷

1. 醫(yī)療診斷行業(yè)應用

2. 頭部疾病的診斷

3. 乳腺瘤的診斷

（十五）消費品質量檢測

手機發(fā)熱性能測評

（十六）安防監(jiān)控

總之，紅外技術作為一種現代高科技術，與激光技術并駕齊驅，已涉及到軍事戰(zhàn)術或戰(zhàn)略的情報搜集、目標的偵察監(jiān)視、武器制導等各個領域，對未來戰(zhàn)爭產生重大的影響。在工業(yè)、醫(yī)學和科研等許多方面也廣為使用。