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1、红外测量,红外探测器,红外探测器实际上是一种红外线辐射能的转换器。它把辐射能转换成另一种便于测量的能量形式，多数情况下转换成电能，因为从近代的测量技术看，电量的测量最方便最精确。,物理过程：器件吸收辐射通量时产生升温，温升引起材料各种有赖与温度的参数变化，检测其变化可以感知辐射存在以及强弱,庭院灯型红外探测器,吸顶式智能 红外探测器,无线被动式红外探测器,红外探测器对人类的影响,红外探测器打破了人眼只可以看到可见光的局限性，拓宽了人们的视野和观察事物的方法，同时也给人们带来了具大的经济效益。但在军事方面的应用却拉大了发展中国家和发达国家的军事差距。谁掌握了先进的科技，谁就掌握了战争的主动权。,
2、红外传感器的工作原理,.1 红外辐射 红外辐射俗称红外线，它是一种不可见光， 由于是位于可见光中红色光以外的光线，故称红外线。它的波长范围大致在0.761000 m。 工程上又把红外线所占据的波段分为四部分， 即近红外、中红外、 远红外和极远红外。,图12 1 电磁波谱图,红外辐射,红外辐射本质上是一种热辐射。任何物体，只要它的温度高于绝对零度（273），就会向外部空间以红外线的方式辐射能量，一个物体向外辐射的能量大部分是通过红外线辐射这种形式来实现的。物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，辐射的能量就越强。另一方面，红外线被物体吸收后可以转化成热能。 红外线作为电磁波的一种形式，红外辐射和所
3、有的电磁波一样，是以波的形式在空间直线传播的，具有电磁波的一般特性，如反射、折射、散射、干涉和吸收等。红外线在真空中传播的速度等于波的频率与波长的乘积 。,光热效应(photothermal effect ),红外探测器 红外传感器一般由光学系统、 探测器、信号调理电路及显示单元等组成。,红外光学系统 红外光学系统是红外导引的一个重要组成部分。红外导引通过光学系统来收集目标辐射的红外线。红外光学系统是根据光的基本传播规律进行成象的。,右图：采用红外光学系统的 天文望远镜,1、基本组成元件： 光学系统的基本组成元件是反射镜、棱镜、 及光栏。,尼科耳棱镜,2、红外成象技术的基本原理,3、光学系统的
4、功能,（1）聚集光能以探测目标,（2）利用象点的位置反映目标偏离光轴的 大小和方位,光学系统等效的 凸透镜,4、光学系统几个主要的外形结构参数,（1）有效接收口径D 有效接收口径D决定了光学系统有效接收面积的大小。 （2） 焦距 光学系统的焦距是决定系统成象位置及大小的基本参量，焦距还影响系统视角的大小。,（3）视角 视角的大小决定了系统所能观察到的有效空间的大小。为了消除背景的干扰，系统的视角不能太大。 （4）相对孔径、f数 有效接收口径与焦距的比值称为光学系统的相对孔径。,5、影响象质的因素,一个物点成象并不是一个几何点，而是一个亮的扩散圆斑，通常称为弥散圆。弥散圆的大小对信号有相当大的影
5、响。,弥散圆,由于弥散圆的大小对信号有相当大的影响，因此需要了解影响弥散圆大小的影响因素。影响弥散圆大小的因素有两种，一是衍射，二是象差。,左图： 衍射及其强度分布,（1）、衍射对象质的影响 衍射是由光的波动性而引起的。即使是位于光轴上的几何点源，通过有光栏的光学系统后成的象也不是一个几何点，而是一个明亮的中心圆斑，中心圆斑一般称为艾利(Airy)圆。,艾利(Airy)圆,(2)、象差对象质的影响 象差是影响弥散圆大小的主要因素。象差可分为色差和单色象差两类。色差是主于透镜的折射系数随波长而变化引起的，单色象差指光学系统对单色光产生的象差。,右图： 测量象差的原理图,红外探测器,红外探测器是红
6、外传感器的核心。红外探测器是利用红外辐射与物质相互作用所呈现的物理效应来探测红外辐射的。红外探测器的种类很多，按探测机理的不同，分为热探测器和光子探测器两大类。,一、红外探测器的分类,对于探测和跟踪目标的探测器，按照探测过程的物理机理，可分为两类，即热探测器和光子探测器，热探测器是利用红外线的热效应而工作的。,1、热探测器,当红外线辐射到热探测器上后，探测器材料的温度会上升，温度的变化会引起某些物理特性相应发生改变，利用测量这些物理特性的改变程度来确定红外辐射的强弱，这样的探测器称为热探测器。,（1）热探测器的特点,热探测器要利用材料受到热辐射后温度的上升来测量的，因而反应时间较长，时间常数一
7、般在毫秒级以上，这类探测器的另一个特点是对全部波长的热辐射基本上都有相同的响应。,右为电阻式热探测器,(2)热探测器工作原理,热探测器是利用入射红外辐射引起敏感元件的温度变化，进而使其有关的物理参数发生相应变化，通过测量有关物理参数的变化可确定探测器所吸收的红外辐射。,一热释电型热探测器工作原理图,在红外波段上，材料吸收率高，光热效应也就更强烈，所以广泛用于对红外线辐射的探测。,2、光子探测器,光子探测器是利用红外线中的光子流射到探测器上后，和探测器材料中的束缚态电子作用后，引起电子状态的变化，从而产生能逸出表面的自由电子，以此来探测红外线。,四象限光电探测器,（1）光子探测器的特点,光子探测
8、器的反应时间短，但要使物体内部的电子改变运动动态，入射的光子能量必须足够大。当光子能量小于某一值时，就不能使束缚状态电子变成载流子或能逸出材料表面的自由电子。,日本滨松 光子-光电管探测器,热探测器和光子探测器优缺点的比较,在导弹的红外制导系统中，由于要求灵敏，反应快。一般采用光子探测器。,PL-9C红外空空导弹,挂装在武装直升机上的TY90导弹,二、光子探测器分类及工作原理,光子探测器是基于入射光子对探测器材料内的电子作用而产生的光电子效应而工作的。光电子效应有外光电效应和内光电效应两种。,光电探测器,光电导探测器,光生伏特探测器,光磁电探测器,光子探测器,外光电,内光电,1光电探测器,当光
9、照射到某些材料的表面上时，如果入射光子的能量足够大，就能够使电子逸出材料的表面，这种现象称为外光电效应。利用这种效应制成的探测器，称之为光电探测器。,光电效应,在光的照射下，使物体中的电子脱出的现象叫做光电效应(Photoelectric effect)。,外光电效应的两个基本定律,1光电发射第一定律斯托列托夫定律： 当照射到光阴极上的入射光频率或频谱成分不变时，饱和光电流（即单位时间内发射的光电子数目）与入射光强度成正比： Ik=SkF0 Ik：光电流 Sk：光强 F0：该阴极对入射光线的灵敏度,2光电发射第二定律爱因斯坦定律 光电子的最大动能与入射光的频率成正比，而与入射光强度无关： Em
10、ax=(1/2)m2max=h- h0=h- A Emax：光电子的最大初动能。 h：普朗克常数。 0：产生光电发射的极限频率，频率阈值。 A：金属电子的逸出功 入射光子的能量至少要等于逸出功时，才能发生光电发射。,常用的光电探测器有光电二极管和光电倍增管。光电倍增管常用于激光制导系统中作为红外激光探测器。,光电二极管,光电倍增管,当光照射到某些半导体材料上后，光子与半导体内的电子作用后，会形成载流子，载流子会使半导体的电导率增加，这种现象称为光电导现象。,2、光电导探测器,半导体材料,利用光电导现象制成的 探测器叫光电导探测器。常见的 光电导器件由硫化铅、硒化铅、锑化铟等材料制成。这是红外技
11、术中应用最广泛的一类探测器。,在纯净半导体中，当价电子受到热或光子的 激发而跳到导带后，在价带中就留下了一个空穴，电子和空穴对材料导电率都有提高作用。 这种在纯净半导体中一个电子被激发而在导带和价带分别发生电子的过程叫本征激发。,本征激发,为了使探测器能在较长的波段工作，需要增大探测器的截止波长。一般在纯净半导体中掺入少量其他杂质，根据掺入的杂质不同，可以做成P型半导体和N型半导体.,3光生伏特探测器,在P型，N型半导体接触面处会形成一个阻挡层。在阻挡层内存在内电场E，如果光照射在结附近，由光子激发而形成光生载流子，由于内电场的作用，光生载流子的电子就会跑到N区，而空穴就跑到P区，这时在P-N
12、结两侧就会出现附加电位差，这一现象称为“光生伏特”效应。,阻挡层内存在内电场E如图下所示,4光磁电探测器,光磁电探测器由一薄片本征导体材料和一块磁铁组成。当入射光子产生电子空穴对时，它们被外加磁场分开形成电动势。 这类探测器不需要致冷，可响应到7微米，时间常数也小。但由于其灵敏度较前两种低，故目前应用较少。,光与物质的作用实质是光子与电子的作用，电子吸收光子的能量后，改变了电子的运动规律。由于物质的结构和物理性能不同，以及光和物质的作用条件不同，在光子作用下产生的载流子就有不同的规律，因而导致了不同的光电效应。以下是属于内光电效应的有（ ）。,A、光电发射效应 B、光 电 导 效 应 C、光生
13、伏特效应 D、光 磁 效 应,BCD,二、探测器的主要特性参数,导引头所用的探测器大部分都是光电导探测器和光生伏特探测器，由于它们都是光子探测器，所以又都称为光敏元件。光敏元件有一系列根据实际应用需要而制定的特性参数。用这些参数可以区别一个光敏元件在应用中的优劣。,1电压灵敏度 电压灵敏度反映了光敏元件对入射辐射能的转换能力。,2驰豫时间 驰豫时间是表征光敏元件对光照反映 快慢的物理量，是进行系统设计选用元件 时必须考虑的重要参数。,矩形脉冲光照弛豫过程图,正弦光照弛豫过程图,4噪声： 由以上的讨论，我们知道，光照射到光敏元件上后，就会有一个有用的信号产生，但光敏元件工作时除了有用信号之外，还
14、有噪声存在。,5噪声等效功率于探测度： 光敏元件存在着噪声，噪声限制了光敏元件对微弱信号的探测能力。,三、红外探测器的致冷,1致冷的必要性 目前性能较好的探测器均需要冷却，致冷可以降低热激发产生的载流子，从而降低探测器的噪声；致冷在一定程度上也可减少禁带宽度，从而加大载止波长 。,2致冷的方法 目前对红外探测器的致冷有多种方法，按照换 热方式，可大体分为: (1)利用低温液体或气体进行对流换热而致冷探测器。 (2)利用固体传导换热而致冷探测器的固体致冷器。 (3)利用辐射散热而致冷的辐射致冷器。 (4)利用珀尔贴效应而致冷的半导体致冷器。 (5)其他。,光学调制与调制盘,一、对辐射能进行调制的
15、意义,来自目标的红外辐射能，一般是不能直接利用的因此就需要对光能进行某种形式的调制，这种调制的类型要适合信号处理的有利型式。,连续激光束需要斩光才能变成脉冲激光束，高温物体的红外辐射也需要调制成脉冲光才便于测量。为此，设计出了如图3所示的调制盘，该调制盘的旋转速度为2400转/分，同时具有激光束斩光、红外辐射调制这两种功能。,调制盘结简图构,二、调制盘基本功用,1使恒稳的光能转变成交变的光能 2产生目标所在空间位置的信号编码 3空间滤波抑制背景的干扰,光的调制,调制盘按调制方式来分类，可以分为调幅、调频和脉冲编码式调制盘。前两种与电学上的调幅和调频是一致的，即它们分别用调制信号幅度、频率的变化
16、来反映目标的位置。脉冲编码式调制盘是用一组组脉冲的频率和相位来反映目标的方位。,三、调幅调制盘的工作原理及特性分析,由于调幅式调制盘的信号处理系统较简单、可靠，其性能可以满足导引系统的要求，因此在一些小型空空弹和地空弹上都采用了调幅式调制盘。,误差信号处理电路框图,红外探测器输出的电信号包含了目标的位置信息，通常称之为误差信号。此误差信号极其微弱，且为调制信号，因此必须经过误差信号处理电路进行放大、解调等处理以后，方可形成控制陀螺跟踪目标的进动电流及输给自动驾驶仪的控制信号以操纵导弹飞行。,红外传感器工作原理,红外线光电传感器,民用 广泛用于夜间监视、医学和生物学、警务、安全防范、激光束探测、辨认防伪标志、工业温度监视等。,红外探测器的应用,医学,古画辨认,民航,激光束探测,军用,在精确武器红外制导、侦察、便携式武器、战场监视、夜间目标识别等领域有很大的应用。,红外目标跟踪系统,一、跟踪系统的功用,跟踪系统用来对运动目标进行跟踪。
