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1、 物理化学学院应用物理系 主讲老师 刘丙国 红外 技术 第七章红外技术的应用 自从1800年英国天文学家威 赫谢尔通过实验发现红外线以来 很长一段时间内人们主要从事红外线的本质方面的研究以及红外光学材料研究 随着一些高灵敏度的探测器的出现 红外技术才开始走向实用阶段 第七章红外技术的应用 赫歇尔 当时他将温度计放在太阳光谱的红端之外 无意间发现了来自太阳的红外线 1816年受封为爵士 1821年当选为刚建立的英国皇家天文学会首任会长 用近红外光束照射目标 并将目标反射的红外图像转换成为可见光图像 以进行夜间观察的仪器 军事上主要用于夜间瞄准 驾驶车辆 侦察照相等 红外探照灯发出一束近红外光照射
2、目标 由目标反射回来的红外光 通过红外物镜聚焦 成像在红外变像管的光电阴极上 利用银氧铯光电阴极的外光电效应 将人眼不可见的近红外图像变成相应的光电子图像 再通过变像管中间的电子光学系统 对光电子进行加速 聚焦和成像 轰击变像管另一端的荧光屏 激发荧光屏发出可见光 从而将一个不可见的红外图像转换并增强为一个可见光图像 人眼通过目镜 就能在荧光屏上看到一个正立的目标图像 1 主动红外夜视仪 工作原理 第七章红外技术的应用 一 军事方面的应用 主动红外夜视仪一般由红外探照灯 红外光学系统 红外变像管 高压转换器和电池组5部分组成 主动红外夜视仪的构成 1 红外探照灯通常由红外光源 红外滤光片和抛物
3、面反光镜组成 2 红外光学系统通常由一个强光力的折射式或折反式红外物镜和一个具有适当放大率的目镜组成 3 红外变像管由光电阴极 电子光学系统和荧光屏组成 电子光学系统一般多使用静电聚焦系统 也有采用电磁聚焦的 荧光屏通常使用短余辉的阴极射线致发光材料 如铜激活的硫硒化锌 ZnS ZnSe Cu 和银激活的硫化锌镉 ZnS CdS Ag 等 4 高压转换器和电池组为红外变像管提供一个直流高压电源 通常为14 28千伏 第七章红外技术的应用 主要优点是造价低廉 像质较好 因有红外探照灯照明场景 使景物间形成较显著的明暗反差 受外界自然环境的影响较小 有利于观察 由于不同的物体对红外辐射的反射能力不
4、同 因而具有部分识别伪装的能力 第二次世界大战后期 主动红外夜视仪开始用于实战 德国将其用于东部战场 50年代初期 美国在朝鲜战争中将它作为狙击兵的夜间瞄准具 60年代以前 它在夜视技术中一直居于统治地位 主动红外夜视仪的优缺点 主要缺点是容易暴露自己 体积大 重量重 耗电多 观察范围只限于被照射的景物 视距受到探照灯尺寸和功率的限制 其应用范围正在不断缩小 第七章红外技术的应用 2 热像仪 获取景物热图像并转变成可见光图像的仪器 安装在飞机上 用以获取机关前下方的景物图像的热像仪 通常称为红外前视热像系统 热像仪的构成 热像仪一般由红外光学望远镜 二维扫描器 红外探测器及制冷器 信号处理器及
5、显示器等部分组成 红外光学望远镜用以收集并会聚目标的红外辐射 然后经过一个作垂直及水平扫描的二维扫描器 对目标进行逐点扫描 将像面各点的红外信息传递给红外探测器 红外探测器将红外辐射转换成电信号 由信号处理器进行处理后 再由显示器显示出目标的可见光图像 第七章红外技术的应用 串扫型是使线列多元探测器排列方向与扫描方向相同 当扫描时 每元探测器依次对目标进行探测 并转换成电信号 经延时积分电路 将这些信号叠加 使目标的信息得到增强 以提高信噪比 热像仪的扫描方式 热像仪常用的扫描方式有三种 串扫型 并扫型和串并扫型 并扫型的多元线列探测器排列方向与扫描方向垂直 每扫一次 每元探测器都同时并行扫过
6、一次 形成一条与探测器数目相同线数的扫描带 与串扫型相比 并扫型的扫描频率可大大降低 串并扫型综合了上述两种方式的特点 其探测器按水平与垂直方向排列成矩阵 垂直排列的多元探测器与并扫型的功能相同 而水平排列的多元探测器与串扫型的功能相同 它既具有目标信息增强的特点 又可降低扫描频率 第七章红外技术的应用 利用热像仪获取景物的热图像来搜索和跟踪目标 隐蔽性好 不易受干扰 获取的信息丰富 分辨能力强 在军事上得到广泛应用 陆军可用于夜间侦察瞄准 火炮及导弹火控系统 靶场跟踪测量系统 海军可用于舰载火控 夜间导航及防空报警系统 空军可用于飞机夜间导航 侦察及机载火控系统 星载热成像系统可用于侦察地面
7、 海上目标和对导弹预警等 热像仪的使用大大提高了军队的夜战能力 20世纪70年代中期以后 热像仪已成为现代化军队的重要装备 第七章红外技术的应用 热像仪的优势 随着红外焦平面器件的发展 出现一种新型固体自扫描的热像仪 凝视式热像仪 省去了笨重的光机扫描机构 而且灵敏度及分辨率得到改善 一种更新型的三维红外传感器的发展 将会给热像仪带来突破性的变革 它的体积与重量将比现有的热像仪有成倍的下降 而功能将更完善 1952年 美国陆军首先采用单元辐射热探测器 研制成二维慢帧扫描的非实时显示装置 50年代后期 由于快速响应的红外探测器 如锑化铟 锗掺汞 的发展 使研制快速扫描实时显示的热像仪成为可能 6
8、0年代初 美国德克萨斯仪器公司和休斯公司分别制定了发展红外热像仪的计划 并于1965年完成样机 1960 1974年 大约研制出60余种不同的热像仪 用于地面 舰船和飞机 1972年 美国国防部制订并推行了热像仪通用组件化计划 1976年 美国通用组件热像仪诞生 并批量生产 70年代末 采用扫积型器件 见红外探测器 的通用组件热像仪在英国诞生 80年代以来 热像仪性能进一步提高 并在夜战中发挥了重要作用 热像仪的发展历史 第七章红外技术的应用 3 红外电视 将景物的红外辐射转变成可见光图像的电视摄像和显示装置 它与普通电视的主要区别在于采用了能探测红外辐射的红外摄像管 红外电视主要由光学系统
9、红外摄像管 信号处理电路及显示器等部分组成 红外电视的构成 光学系统接收并会聚目标的红外辐射 使之成像于红外摄像管的靶面上 利用靶面材料的光电或热电效应产生相应的电荷图像 再由电子束在靶面上扫描 将信号读出 即实现了将红外图像转换成电信号 由处理电路对此信号进行处理 变成标准电视信号 送至电视显示器 在荧光屏上显示出目标红外辐射强度分布的可见光电视图像 第七章红外技术的应用 红外摄像管通常可分为热电型和光导型两类 红外摄像管的类型 热电型可在常温下工作 响应波段宽 如硫酸三甘肽 钽酸锂靶面的热电摄像管 可工作在8 14微米波段 但灵敏度较低 响应速度慢 光导型灵敏度较高 响应速度也较快 但一般
10、都需致冷 且响应波段范围较窄 如氧化铅和硫化铅复合靶光导摄像管 工作在0 4 2 2微米波段 光导型摄像管只适用于近红外波段的摄像 且多数又需致冷 而热电型管的灵敏度及分辨率还不很高 所以红外电视在军事上的应用远不如采用光学机械扫描方式的热像仪广泛 仅在夜间侦察 监视和低空导航方面有少量应用 红外电荷耦合器件的研制成功 为红外电视开辟了新的前景 第七章红外技术的应用 4 红外跟踪 利用目标的红外辐射以发现 识别和自动跟踪目标的技术 红外跟踪系统主要由光学系统 扫描机构 红外探测器 红外信号处理器 伺服系统和显示记录器等部分组成 当目标进入红外跟踪系统视场时 红外探测器产生的信号经过处理和逻辑判
11、断 实现对目标的自动跟踪和参数测量 红外跟踪系统分类 红外跟踪系统可分为点源跟踪和成像跟踪两种类型 点源跟踪主要有调制盘式和非调制盘式 成像跟踪主要有光机扫描式和电扫描式 第七章红外技术的应用 点源跟踪系统的工作过程如下 目标和背景的红外辐射 通过大气传输 被光学系统接收 会聚 经过光谱滤波和空间滤波 消除背景干扰 并对目标红外辐射进行调制扫描 红外探测器将其转换为电信号 经过红外信号处理器处理后 产生目标相对仪器视轴的偏差信号 然后输到伺服系统 控制红外跟踪器连续地自动跟踪目标 同时 该信息输到实时数据处理系统 供记录和显示 红外跟踪系统的工作原理 成像跟踪系统的工作过程是 光学系统接收的红
12、外辐射 经光机扫描 并扫 串扫或串并扫 使具有小瞬时视场的每个红外探测器 重复扫描总视场 产生目标的红外图像视频信号 红外信号处理器可按形心 边缘 区域平衡 相关跟踪等算法 滤除背景干扰 产生跟踪误差信号 对目标进行识别和自动跟踪 第七章红外技术的应用 红外跟踪系统测角精度高 隐蔽性好 不易受电磁干扰 并具有识别和选择跟踪多目标的能力 是电子对抗的一种重要手段 红外跟踪器与电影摄影机 激光测距仪 高速摄影机 雷达安装在同一个跟踪架上 由计算机控制 自动跟踪和测量空中 地面和海上目标 是火控系统和靶场测量系统的重要组成部分 红外跟踪系统的优势 随着红外焦平面探测器的发展 红外跟踪器将省掉光机扫描
13、机构 向具有自适应跟踪能力和智能化方向发展 第七章红外技术的应用 5 红外制导 第七章红外技术的应用 利用红外自动跟踪测量的方法 控制和导引导弹飞向目标的技术 导弹上安装的红外导引头 红外寻的器 接收目标的红外辐射 经光电转换和信号处理后 给出目标相对于导弹的角度 角速度等信息 控制导弹按一定规律接近并命中目标 红外制导的基本方式有点源制导和成像制导两类 红外点源制导由红外导引头 自动驾驶仪和执行机构等组成 红外导引头由光学系统 包括整流罩 主镜 次镜 滤光片等 调制盘 红外探测器和信号处理电路组成 目标的红外辐射 经光学系统聚焦在调制盘上 调制盘是一种具有透明和不透明栅格图案组成的斩光器 当
14、目标像相对于调制盘运动时 调制盘即对目标红外辐射进行调制并滤除背景辐射 红外探测器将目标的红外辐射转换为电信号 产生目标相对于导引头光轴的误差信号 用以驱动导引头的光轴自动跟踪目标 同时 该信号经变换处理后 用以驱动执行机构 控制导弹飞向目标 红外成像制导有光机扫描和电扫描两种类型 主要包括光学系统 红外焦平面探测器 信号处理器 目标鉴别和跟踪系统等 目标的红外辐射 由光学系统聚焦在红外焦平面探测器上 产生相应的电信号 经过均匀性补偿 背景抑制 图像处理和目标鉴别 然后输送到多方式跟踪处理器 选择最有利的目标跟踪算法 产生目标相对于视轴的误差信号 驱动红外导引头的光轴自动跟踪目标 同时驱动导弹
15、按一定规律飞向目标 红外制导技术广泛用于空空 地空 空地 地地 岸舰 舰舰等战术导弹的制导 以及战略导弹和炮弹等的末制导 红外制导导弹的优点是 精度高 抗电磁干扰性能好 体积小 重量轻 其缺点是受气象条件的限制 不能全天候工作 为了提高导弹的适应能力 需要采用红外 激光 红外 紫外 红外 电视 红外 微波 红外 毫米波 红外 惯导等组合方式的复合制导 第七章红外技术的应用 1948年 美国开始研制 响尾蛇 空空导弹 1956年投产 使用非致冷的硫化铅探测器 工作波段为1 3微米 只能对飞机进行尾随攻击 60年代中期至70年代 该导弹先后采用致冷的硫化铅红外探测器和锑化铟红外探测器 并改进了调制
16、方式和信号处理电路 扩大了导弹攻击角 跟踪速度和加速度 适合于近距离格斗 在此期间 美国 英国 法国 瑞典 苏联等国相继研制和生产了多种红外制导导弹 如法国的 玛特拉 550 美国的 响尾蛇 AIM 9等空空导弹 以及美国的 红眼 尾刺 和苏联的SAM 7地空导弹 从70年代中期开始研制红外成像制导系统 采用多元线列或小规模面阵红外探测器 通过光机扫描成像 如美国的AGM 65D空地导弹 80年代初 采用红外焦平面探测器 电扫描方式的成像导引头 比点源导引头信息丰富 具有识别目标和较强的抗干扰能力 可全方位攻击 适合于各种战术导弹的制导和战略导弹 反卫星导弹的末制导 第七章红外技术的应用 第七章红外技术的应用 我国关于红外制导导弹的研究是自1958年研制空 空导弹开始的 虽起步较晚 但发展是很快的 相应于国外的第三代红外空 空导弹 尾追攻击型 全向攻击型和近距格斗型导弹 我国也都进行了研制 近年来全国许多厂所正在开展红外地 空 空 地 地 地制导 反坦克等导弹的研制工作 相信在不久的将来随着我国元器件生产的进展 红外制导导弹的发展和应用会取得更加可喜的成果 红外制导空空导弹 6 红外遥
