红外探测技术的应用与发展

时间：2022-10-05 21:39:06 论文范文我要投稿

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红外探测技术的应用与发展

　　红外探测技术的应用与发展【1】

　　【摘要】红外探测技术是一门高新技术，它利用目标所发射出的红外辐射来探索、追踪、预测和预报，用来识别和分析探测目标的详细信息。

　　红外探测技术与激光技术竞相发展，在军事领域应用广泛。

　　经过半个多世界的发展，目前的红外技术已渗透到军事、安全生产工程、生活的方方面面。

　　本文将对红外探测技术的原理和所涉及到的理论、几种最常见的具体技术应用展开详细介绍，最后总结这一趋势的未来努力方向。

　　【关键词】红外探测技术红外制导发展

　　红外物理与技术的不断发展，使得红外探测成功渗透到军事、安生生产工程、生活等方方面面。

　　例如，作战时由于导弹和战斗机平台的雷达探测面积骤减，唯有红外探测系统可以精确捕捉到这些高速运转的空中探测目标;矿山施工时，利用高温度分辨红外热成像仪实时监测岩体，以便及时发现裂缝危石、检测供电设备安全运行，避免煤矿自燃;在开挖岩石隧道是可以利用红外探测探测水源，根据红外辐射能量差异来判断是否有不良地质等。

　　下面本文将展开分析红外探测技术的原理、基本理论及种类，并重点探讨几种代表性红外探测技术，最后总结该技术的未来发展趋势。

　　1 红外探测技术的原理和红外探测器种类

　　1。1 红外探测技术的原理和基本理论

　　探测目标与所在背景的红外存在辐射差异，并且这一差异形成的图像会反应目标的详细信息，红外探测技术依据这一原理而完成探测或追踪任务。

　　因为任何一个物体，只要本身温度高于零度，就会散发出红外辐射，但是不同部位温度不同，辐射率便不同，所以这些不同的辐射特征经过大气传播被红外辐射器接受后再光电转换就可成为人眼可见的图像。

　　这就是红外探测技术的成像原理。

　　红外探测技术所涉及的理论包括光度学、辐射度学。

　　光度学不是简单意义上的物理学描述法，它以人对进入眼睛的辐射所产生的视觉为基础，仅限于研究可见光。

　　辐射度学建立在辐射能的基础上，限制很少，适用于整个的电磁波普。

　　1。2 红外探测器的种类

　　红外探测器是一种典型的光敏器件，可以转换不可见的红外辐射，使之成为可测量的信号。

　　探测器是红外整机系统的重要核心部件，用来探测、识别、和分析所接受的红外信息。

　　按探测器工作机理区分，可分为热探测器和光子探测器两大类。

　　热探测器是研究红外辐射在未出现和出现后所引起的温度差异，敏感元件对这一温差做出准确反应。

　　它的优点是响应波段宽，室温下可正常工作，使用方便。

　　某些半导体材料在红外辐射的照射下，会产生光子效应，光子探测器就是在这一原理的基础上产生的，所用材料的电学性质发生相应变化。

　　通过分析电学性质的变化，可以确定红外辐射的强弱。

　　按照工作原理，可以分为外光电和内光电探测器两种。

　　2 几种红外探测技术的应用与发展趋势

　　2。1 几种红外探测技术的应用

　　红外探测技术独特的优点：红外辐射看不见。

　　保密性好;环境适应性好;采用被动接受系统，抗干扰性强;设备体积小、重量轻、功耗低;可以揭示伪装的目标;分辨率比微波好，因此被广泛应用于红外夜观、红外侦查、红外制导等方面。

　　（1）红外侦查、监视：红外侦察监视主要包括空间、空中、地面的红外侦查与监视，按工作方式来分可划分为主动装置和被动装置。

　　IDRS（红外探测装置）的应用范围非常广：负有监视任务的监视卫星，负有警戒任务的警戒装置，负有救援任务的救援直升机等，舰艇配备的监视系统等等，都需要安装红外探测装置。

　　（2）红外制导：利用目标自身的红外辐射来引导导弹自动接近目标，提高命中率。

　　红外制导普遍采用的工作方式是空空、空地、地空、反坦克导弹等。

　　红外焦平面陈列制导技术因其高识别诱饵能力而有非常高的命中率。

　　红外成像制导在红外探测器探测功能的基础上，探测目标的红外辐射，所成图像质量高，弥补了电视制导受限制的夜间和低能见度下无法工作的缺陷，已成为红外制导的一个重要发展方向。

　　（3）红外隐形：红外隐形主要是抑制、削弱目标的辐射能量，从而使敌人无法预测到。

　　只要物体表面温度高于绝对零度（—273度），总是存在将能量向外释放的热辐射性质，因此，红外辐射已固定为追踪军事目标的特性。

　　但是，大气中的某些成分对红外辐射具有吸收减弱作用，大气悬浮颗粒也会削弱红外辐射的强度。

　　隐身飞行器就是利用了红外隐身技术，但是其温度仍比背景温度高，仍有可能被探测到。

　　（4）红外对抗：为保护大型飞机和直升机免遭红外制导导弹的威胁，红外对抗系统得到迅猛发展。

　　基于激光的多波段对抗系统用来躲避热寻导弹的威胁，保护直升机和攻击机;定向红外对抗系统保护作战平台免受热寻导弹威胁。

　　（5）探测和预报：探测和预报的这一应用主要是用于辐射通量测定、目标温度测量、目标方位测定以及光谱分析等。

　　红外探测技术在开挖隧道岩溶探测和预报中的应用广泛，传统雷达探测方法工时长、探测距离短、准确率不高。

　　红外探测技术可大规模应用在地质灾害的预测上，在开挖隧道岩石时，围岩会形成红外辐射场，红外辐射场聚集了能量、动量、方向等信息，岩石会把她内部的地质信息以红外辐射的形式传递出来，这样可加强开挖工程的安全系数。

　　2。2 发展趋势的预测（发展分析）

　　随着红外技术的高速发展，红外仪器在使用方面有更高需求：由于探测目标、最小可探测辐照度、噪声等，要求高探测灵敏度;高定位跟踪精度;抗干扰能力向智能化能力发展。

　　上述需要的变化，促使红外仪器在工作机制、结构设计、信号处理方法等方面进行必要改进。

　　探测器从单元发展到多元线阵以至面阵、单元面积趋小;从信号调制机制转换到扫描机制;从单一视场转换到可变视场，从简单信息量到多信息量获取与处理，这些都将成为未来发展的必然趋势。

　　3 结语

　　红外探测技术由短波红外发展到长波红外，由单波段向多波段发展，以及红外探测数据的融合和复合探测技术的发展，红外探测技术的应用前景将非常乐观，随着红外物理技术的不断创新，红外探测的灵敏度、定位追踪准确度、抗干扰性能等都会显著提升，未来将会展开一片红外探测发展的广阔天地。

　　参考文献：

　　[1]袁华，王召巴。红外探测技术的原理及发展前景[J]。科技信息（科学研究），2008（4）：15—16。

　　[2]李x，王佳轶，孙彦锋等。红外目标探测与应用分析[J]。舰船电子工程，2008（2）：26—28。

　　[3]刘普霖。红外物理与技术应用[J]。世界科技研究与发展，2003（1）：27—37。

　　红外探测技术在架空线路防林火灾中的应用【2】

　　摘要：分析林火灾的特点及防范措施，在红外光波辐射特性及成像技术的基础上，根据红外图像中可燃物与地形背景的温度与辐射差异，进行烟火扑捉，预防火灾对输电线路造成危害。

　　关键词：红外探测;输电线路;林火灾

　　0 引言

　　防林火灾是保证架空输电线路安全稳定运行的重要内容，特别是超、特高压架空输电线路，多数处于高山峻岭的丛林密集区，且担负着区域大负荷的传输任务，对整个电网的安全稳定运行起着决定性因素。

　　1 林火灾的特点

　　对于林火灾，树木燃烧时具有一定的规律。

　　当树木被加热到着火点后才能被燃烧，燃烧后其中心温度将会进一步提高，并逐渐将周围没有燃烧的部分加热到着火点，引起火的蔓延，直到没有新的树木被引燃为止。

　　因此，我们可以将林火灾从正常状态到火灾阶段分为四个阶段，即正常初始状态（AB）、温度升高阶段（BC）、燃烧初起阶段（CD）、火灾阶段（DE），如图1所示。

　　林火灾各阶段的现象及状态如下：

　　①正常初始状态，即物体处于正常情形下的状态。

　　②温度升高阶段，即预热阶段。

　　在外界火源的作用下，可燃物的温度缓慢上升，蒸发大量水蒸汽，伴随产生大量烟雾，部分可燃性气体挥发，可燃物呈现收缩和干燥，处于燃烧前的状态。

　　③燃烧初起阶段，即气体燃烧阶段。

　　随着可燃物的温度急骤增加，可燃性气体被点燃，发出黄红色火焰。

　　④火灾阶段，即木炭燃烧阶段。

　　2 林火灾的防范措施

　　感温、感烟探测器探测的火灾信号是对CD阶段以后的火灾信号进行探测，而BC阶段出现异常情况但尚未发生火灾的阶段只能靠红外探测技术。

　　目前在用的架空输电线路防林火灾的措施有以下4种方式：

　　①地面巡护。

　　把视频监测装置安装在杆塔最高点上，监测林区四周，通过人工监视监测装置传输画面来发现林火发生的位置及状况。

　　②望台望。

　　利用地理信息系统技术和数学方法，根据一定原则合理设置望台并联网，通过台网之间观察人员的监视进行相互验证和互补。

　　③空中巡护。

　　把多光谱扫描仪安装在飞机上，利用传感器接收林火信息。

　　④卫星监测。

　　采用GIS对林区的各种数据进行分析，利用卫星遥感进行大面积林火监测，特别是对无人区、国界附近及邻国的林火监测。

　　其中卫星监测受卫星过境次数及其分辨率的限制，仅适于对全国宏观区域的林火发生面积和位置进行定期监测，跟踪显示重大林火的发展蔓延态势;空中巡护具有机动灵活的优点，但是由于需要耗费较大的人力、物力，成本高，所以适合于发生森林火灾时对林火的蔓延态势进行有针对性的连续实时跟踪监测;望台望和地面巡护是以人工为主，虽然其覆盖面积小，但是在日夜实时监测以及提供全面、准确、及时、详尽的火灾现场数据方面具有很大的优越性。

　　3 红外探测技术原理

　　自然界中绝对零度以上的任何物体都要发射电磁辐射即红外光，其发射红外光波长与发射量关系如图2所示。

　　从下图可以看出，当物体温度较低时，光谱辐射发射量较小，主要以不可见的红外光进行辐射，其红外辐射主要集中在长波红外（8～12μm）;当温度升高时，光谱辐射发射量迅速变大，辐射的峰值波长会向短波方向移动，在中波红外（3～5μm）的辐射会增强。

　　由此可知，树木燃烧时，火焰中心温度升高发出较强的中波红外辐射，周围随着温度的逐渐下降则发出大量的长波红外，且遵从普朗克辐射定律：

　　S（λ）=■■=■■ （1）

　　式（1）中S（λ）为辐射度;λ为辐射波长;T为黑体温度;h，c，k，c1，c2为常数。

　　对式（1）的S（λ）求微商最大值，得到维恩位移定律：

　　T×λmax=2897。8Kμm （2）

　　黑体温度T和辐射峰值波长λmax成反比，即温度愈高，辐射峰值的波长愈小。

　　由式（2）对式（1）求整个波谱区的积分，得到单位面积辐射通量S：

　　S=σT4 （3）

　　式（3）中σ=5。6693×10—3，即斯蒂芬—波尔兹曼定律。

　　黑体的全波长辐射通量S与辐射温度T的4次方成正比。

　　也就是说即使地表的任一小块面积的温度升高，都会引起辐射的较大增加。

　　根据不同火焰温度与辐射强度的关系，建立对应关系如表1所示。

　　4 防林火灾应用

　　超、特高压架空输电线路通常处于高山峻岭的丛林密集区，林区燃烧时主要的辐射源是火焰和具有较高温度的碳化物等，其产生的火焰温度达500～1200℃，辐射的波长范围为0。8～80μm，峰值波长为2～6μm，辐射能量约为1。43W/m2;而未发生燃烧的林区及地被物发出的辐射称为背景辐射，其温度一般在—40～+60℃，辐射波长在1。5～30μm，辐射能量约为0。0173W/m2。

　　因此，架空输电线路的防林火灾能根据其背景和燃烧区的温度差异与辐射差异，进行监控、识别、捕捉，起到事故前的灾害预警作用。

　　红外图像信息火灾识别技术，对具有动态变化特征的烟火图像能进行扑捉。

　　通过分析扑捉到的图像中辐射强度、火焰温度来提前预知是否发生火情;通过扑捉到的像素点所构成的区域统计该疑似火焰区域的面积，提前预知火灾发生后可能影响到的面积。

　　下图3为全天候森林火情自动识别系统构架，其所使用的在线监测装置就是基于这种原理。

　　利用红外探测技术，通过计算机对输电线路的背景物的辐射能量进行监控、分析、识别、捕捉、预警，替代传统的人工视觉识别与告警。

　　该系统主要是由视频图像采集部分、红外测温报警系统、智能数字转台、网络图像视频编/解码服务器、基站智能管控系统、图像综合分析单元和中央综合控管平台等构成，通过采用现有的可见光摄像机，不仅白天能拍摄到清晰的图像，在应用红外热成像原理后，不受夜晚和恶劣天气影响，也能拍摄到森林比较清晰的图像，并结合可见光图像和红外热图像的观测方式，达到全天候24小时监测森林火情，发出声光报警。

　　目前该系统已在部分城市的森林防火中开展应用。

　　5 结束语

　　根据红外光波的辐射特性，在全天候森林火情自动识别系统的应用技术基础上，结合输电线路杆塔处于林区较高点的特点，可运用下面三种红外探测技术来预防林火灾对输电线路造成灾害：

　　①检测高于正常环境温度的火点，工作波段为1～3μm;②检测相对背景的高温点，工作波段为3～5μm或8～12μm;③检测火灾前期产生的烟雾，工作波段为可见光。

　　通过检测不同波长对应的烟雾、高温、火点，对出现异常情况但尚未发生火灾的BC阶段进行重点关注与现场排除，对燃烧初起阶段的CD阶段进行紧急扑救，对火灾阶段的DE阶段进行火势观察，提前做好输电线路负荷的转移和电网系统的调配，保证电网安全稳定运行。

　　参考文献：

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