红外技术的发展与应用

PAGEPAGE1——红外技术的发展与应用吕立波红外科学技术是研究红外辐射的产生、传输、转换探测及应用的一种高新技术。军事应用是推动红外技术发展的主要动力。在历次战争中，红外技术曾显示出巨大的威力，它已成为现代军事装备的重要组成部分。红外成像、红外侦察、红外跟踪、红外制导、红外预警、红外对抗等，在现代战争和未来战争中都是必不可少的战术和战略手段。另一方面，由于红外技术的独特功能，近年来，军用红外技术已逐步实现了向民用部门的转化。红外成像、红外测温、红外测湿、红外检测、红外报警、红外侦查、红外理疗、红外遥感、红外防伪、红外夜视、红外加热等已是各行各业争相选用的先进技术，红外技术在民用部门中发挥着日益重要的作用。红外线的发现和本质1672年，人们发现太阳光（白光）是由各种颜色的光复合而成，同时，牛顿做出了单色光在性质上比白色光更简单的著名结论。使用分光棱镜就把太阳光（白光）分解为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等各色单色光。1800年，英国物理学家F.W.赫胥尔从热的观点来研究各种色光时，发现了红外线。他在研究各种色光的热量时，有意地把暗室的唯一的窗户用暗板堵住，并在板上开了一个矩形孔，孔内装一个分光棱镜。当太阳光通过棱镜时，便被分解为彩色光带，并用温度计去测量光带中不同颜色所含的热量。为了与环境温度进行比较，赫胥尔用在彩色光带附近放几支作为比较用的温度计来测定周围环境温度。试验中，他偶然发现一个奇怪的现象：放在光带红光外的一支温度计，比室内其他温度的指示数值高。经过反复试验，这个所谓热量最多的高温区，总是位于光带最边缘处红光的外面。于是他宣布太阳发出的辐射中除可见光线外，还有一种人眼看不见的“热线”，这种看不见的“热线”位于红色光外侧，叫做红外线。红外线的发现是人类对自然认识的一次飞跃，对研究、利用和发展红外技术领域开辟了一条全新的广阔道路。红外线是一种电磁波，具有与无线电波及可见光一样的本质，红外线的波长在0.76~100μm之间，按波长的范围可分为近红外、中红外、远红外、极远红外四类，它在电磁波连续频谱中的位置是处于无线电波与可见光之间的区域。红外线辐射是自然界存在的一种最为广泛的电磁波辐射，它是基于任何物体在常规环境下都会产生自身的分子和原子无规则的运动，并不停地辐射出热红外能量，分子和原子的运动愈剧烈，辐射的能量愈大，反之，辐射的能量愈小。温度在绝对零度(－273℃)以上的物体，都会因自身的分子运动而辐射出红外线。通过红外探测器将物体辐射的功率信号转换成电信号后，成像装置的输出信号就可以完全一一对应地模拟扫描物体表面温度的空间分布，经电子系统处理，传至显示屏上，得到与物体表面热分布相应的热像图。运用这一方法，便能实现对目标进行远距离热状态图像成像和测温，并进行分析判断。红外科学技术的发展趋势早在十九世纪，随着红外探测器的出现，人们就利用它研究天文星体的红外辐射，但是红外技术真正获得快速发展和广泛应用是从二十世纪开始的。红外技术首先受到军事部门的关注，因为它提供了在黑暗中观察、探测军事目标自身辐射及进行保密通讯的可能性。第一次世界大战期间，为了战争的需要，研制了一些实验性红外装置，如信号闪烁器、搜索装置等。虽然这些红外装置没有投入批量生产，但它已显示出红外技术的军事潜力。第二次世界大战前夕，德国第一个研制了红外变像管，并在战场上应用。战争期间，德国一直全力投入对其他红外设备的研究，同时，美国也大力研究各种红外装置，如红外辐射源、窄带滤光片、红外探测器、红外望远镜、测辐射热计等。第二次世界大战后，前苏联也开始重视红外技术的研究，大力加以发展。二十世纪五十年代以后，随着现代红外探测技术的进步，军用红外技术获得了广泛的应用。美国研制的响尾蛇导弹上的寻的器制导装置和U-2间谍飞机上的红外照相机代表着当时军用红外技术的水平。因军事需要发展起来的前视红外装置（FLIR）获得了军界的重视，并广泛使用。机载前视红外装置能在1500米上空探测到人、小型车辆和隐蔽目标，在2000米高空能分辨出汽车，特别是能探测水下40米深处的潜艇。在海湾战争中，充分显示了红外技术特别是热成像技术在军事上的作用和威力。海湾战争从开始、作战到获胜都是在夜间，夜视装备应用的普遍性乃是这次战争的最大特点之一。在战争中投入的夜视装备之多，性能之好，是历次战争不能比拟的。美军每辆坦克、每个重要武器直至反坦克导弹都配有夜视瞄准具，多国部队除了地面部队、海军陆战队广泛装备了夜视装置外，美国的F-117隐形战斗轰炸机、“阿帕奇”直升攻击机、F-15E战斗机、英国的“旋风”GR1对地攻击机等都装有先进的热成像夜视装置。正因为多国部队在夜视方面的优势，所以在整个战争期间掌握了绝对的主动权。多国部队利用飞机发射的红外制导导弹在海湾战争中发挥了极大的威力，仅在10天内就摧毁伊军坦克650辆、装甲车500辆。红外技术作为一种高技术，它与激光技术并驾齐驱，在军事上占有举足轻重的地位。红外成像、红外侦察、红外跟踪、红外制导、红外预警、红外对抗等在现代和未来战争中都是非常重要的战术和战略手段。目前，军事红外技术已逐步向民用部门转化。红外测温、红外测湿、红外理疗、红外检测、红外报警、红外遥感、红外防伪等技术已越来越被广泛采用，特别是标志红外技术最新成就的红外热成像、红外夜视技术，不但在军事上具有很重要的作用，在民用领域也大有用武之地。红外技术的应用红外探测技术在军事上的应用红外探测具有环境适应性好、隐蔽性好、抗干扰能力强、能在一定程度上识别伪装目标，且设备体积小、重量轻、功耗低等特点，在军事上被广泛应用于红外夜视、红外侦察以及红外制导等多个方面。红外侦察由于红外技术的特殊性，使得红外技术从一开始即受到各国国防军事部门的青睐，部队夜间作战时的观察、瞄准的需求，是红外热成像技术发展的主要推动力。夜间观察、瞄准装置也是红外热成像技术的主要应用领域。红外设备一出现即被安装在各种武器和军用车辆、飞机、坦克、卫星及其他侦察工具上，用于实际战争中。红外设备真正使部队突破夜幕的障碍、获得夜战的自由。照相侦察卫星携带红外成像设备可获得更多地面目标的情报信息，并能识别伪装目标和在夜间对地面的军事行动进行监视，导弹预警卫星利用红外探测器可探测到导弹发射时发动机尾焰的红外辐射并发出警报，为拦截来袭导弹提供宝贵的预警时间；利用携带红外侦察装置的有人或无人驾驶的侦察机、侦察直升机可有效地对敌方军队及其活动情况、阵地布局、地形等情况进行侦察与监视，为作战提供可靠的情报。红外制导红外制导就是利用目标本身的红外辐射来引导导弹自动接近目标，以提高命中率。红外制导是当前空空、空地、地空、反坦克导弹等普遍采用的工作方式。据不完全统计，目前各国已生产和试制的红外制导导弹已超过50种。例如，美国的“海尔法”、“马伐瑞克”空-地反坦克导弹，GBU-15组件式制导滑翔炸弹和加装助推发动机的AGM-130远距离投掷炸弹，“毒刺”BlockⅡ地-空导弹，瑞典的“林鸮”红外制导迫击炮弹，均配备了红外成像导引头。红外焦平面陈列制导技术具有识别各类诱饵的能力，从而对真目标有较高的命中率。红外探雷地雷给地面部队造成了极大的威胁，会延误部队的行动。战后，埋设在地下的地雷则危及平民。因此，部队需要迅速、准确地探测地雷的手段。探测地雷的方法有很多种，简单的有人工探查，先进的有电磁感应法、红外热成像法、地面穿透雷达法等。利用红外热成像测量法或红外辐射测量法，测量地雷或埋设地雷时被翻动土壤发射的热辐射的波长或强度变化，可以探测地雷。埋设深度10～20cm的地雷一般对土壤表面温度没有影响，但红外热成像装置已具有足够的空间和温度分辨率，可以发现埋设地雷时造成的地面扰动和异常。利用被动红外技术来探测生物化学战剂利用红外技术，可以探测化学／生物战剂气溶胶的两个可遥感的特征——形状和光谱，从而实现化学生物战剂的被动探测和报警。美国海军在80年代末成功地部署了AN/KAS-1化学战定向探测器。该探测器由前视红外探测器和阶跃式滤光片组成，探测神经战剂的距离达5km。受过训练的操作员可以确定5km距离内的蒸气云中是否包含神经战剂。除以上应用之外，红外探测技术还被用于军事通信和雷达等方面。军用红外技术的飞速发展和广泛应用，表明红外技术的地位已从以往的战术地位向战略地位发展，对未来战争将有重大的影响。红外线在刑事技术方面的应用红外线应用在刑事技术方面主要是刑事低温红外技术照像和应用红外光谱鉴定各种物证。低温红外技术照像低温红外技术照像的基本方法是用冷却剂（一般用液氮）冷却被拍摄物体，使物体处于低温状态，然后用蓝绿光照射物体，用红外滤色镜把物体发射的红外线分离出来，经镜头成像记录在红外胶片上。低温红外照相的特点是可以大大提高红外发光的强度，可拍摄到常规照相方法无法拍摄到的照片。例如，在某些盗窃、凶杀、强奸、爆炸、抢劫、诈骗等刑事案件中，犯罪分子会留下很多的痕迹物证，如：经过消褪处理的字迹、涂改的印章、掩盖的字迹、纺织品上消褪字迹等，用常规拍摄技术难以复现，甚至毫无效果。而采用低温红外照相技术可收到显著效果。应用红外光谱鉴定各种物证红外线在刑事技术方面应用最为广泛的是红外光谱法。所谓红外光谱法是用连续红外线作光源，经分光后作用在被测样品上被选择吸收形成吸收光谱，通过该吸收光谱来进行定性及定量的结构分析方法。红外光谱法是近代进行物质结构分析的四大波谱之一。红外光谱是由许多红外吸收峰组成的，这些红外吸收峰的频率、形状和强度反映出该物质分子的化学结构，因此红外光谱又起到分子指纹的作用。在刑事技术领域，它广泛的应用于分析遗留在犯罪现场及其有关客体上的各种有机物证。例如：油漆碎片、合成树脂、塑料制品、有机合成纤维、橡胶、油脂和蜡状物、染料、颜料、沥青等。红外光谱还能用于分析部分无机物证，例如：油漆中的无机填料（碳酸钙、硫酸钡、滑石粉、石膏粉等）和无机颜料（钛白粉、氧化锌、锌钡白、磷酸锌、铬黄、铁蓝等）以及泥沙、矿物等，通过红外光谱分析可以确定许多物证所属种类，为破案提供线索或指明侦破方向。红外光谱还是一种很有效的比对分析手段，在各种案件的物证检验中，通过对嫌疑物证与现场遗留物证的比对分析，可以得到非常有价值的结果，在侦破案件，提供证据方面发挥重要作用。红外技术在安全防范领域的应用近年来，在安全防范报警领域，人们利用红外技术来对防范场所进行探测和警戒，红外报警器获得了广泛的应用。红外线报警器是指利用红外线来对入侵者进行探测的装置。根据探测原理不同，可分为主动红外报警器和被动红外报警器两类。主动红外报警器有红外发射机和接收机两部分组成，发射机和接收机相对安装在要警戒区域的两端，工作时，红外发射机发出一束经调制的红外光束，被与发射机相对安装的红外接收机接收，形成一条由红外光束组成的看不见的警戒线。当有人侵入警戒线时，红外光束被部分或全部遮挡，接收机收到的红外信号发生突变，从而发出报警触发信号。主动红外报警器一般用于室外进行周界防范，也可用于室内封锁门、窗走廊等处。被动红外报警器工作时不向外发射任何能量，而是利用红外敏感元件接收人体的红外辐射进行报警。其核心部件是红外传感器，目前被动红外报警器中使用的红外传感器是一种热释电红外传感器，这种传感器是利用某些结晶体在受到光线照射后，会产生显著的热电效应的原理制成的。即吸收了红外线的结晶体，产生极化作用，形成表面电荷的积累，电荷的多少与结晶体吸收的红外线的能量强弱成正比。通过光学系统配合，这种红外报警器可以探测到一个立体空间红外辐射的变化。当防范空间没有活动的人体时，由于所有背景物体（墙壁、家具等）在室温下红外辐射的能量较小，而且基本上是稳定的，所以不会触发报警。当有人进入防范空间活动时，会造成红外辐射能量的变化，红外传感