文史百科远红外线的发展历史

Posted 2022-06-23 线

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研究红外辐射的产生、传播、转化、测量及其应用的技术科学。

任何物体的红外辐射包括介于可见光与微波之间的电磁波段。

通常人们又把红外辐射称为红外光、红外线。

实际上其波段是指其波长约在0.75微米到1000微米的电磁波。

通常人们将其划分为近、中、远红外三部分。

近红外指波长为0.75～3.0微米；中红外指波长为3.0～20微米；远红外则指波长为20～1000微米。

在光谱学中，波段的划分方法尚不统一，也有人将0.75～3.0微米、3.0～40微米和40～1000微米作为近红外、中红外和远红外波段。

另外，由于大气对红外辐射的吸收，只留下三个重要的"窗口"区，即1～3微米、3～5微米和8～13微米可让红外辐射通过，因而在军事应用上，又分别将这三个波段称为近红外、中红外和远红外。

8～13微米还称为热波段。

红外技术的内容包含四个主要部分：1.红外辐射的性质，其中有受热物体所发射的辐射在光谱、强度和方向的分布；辐射在媒质中的传播特性--反射、折射、衍射和散射；热电效应和光电效应等。

2.红外元件、部件的研制，包括辐射源、微型制冷器、红外窗口材料和滤光电等。

3.把各种红外元、部件构成系统的光学、电子学和精密机械。

4.红外技术在军事上和国民经济中的应用。

由此可见，红外技术的研究涉及的范围相当广泛，既有目标的红外辐射特性，背景特性，又有红外元、部件及系统；既有材料问题，又有应用问题。

[相关技术]探测技术;精确制导技术;光电子技术;先进材料技术

[技术难点]

红外技术的发展关键在于红外材料的研制、红外设备的制冷、红外设备向更长波段发展、红外焦平面阵列器件的研制和红外设备与数据处理设备的结合等。

[国外概况]

自从1800年英国天文学家F?W?赫歇尔发现红外辐射至今，红外技术的发展经历了将近两个世纪。

从那时开始，红外辐射和红外元件、部件的科学研究逐步发展，但发展比较缓慢，直到1940年前后才真正出现现代的红外技术。

当时，德国研制成硫化铅和几种红外透射材料，利用这些元、部件制成一些军用红外系统，如高射炮用导向仪、海岸用船舶侦察仪、船舶探测和跟踪系统，机载轰炸机探测仪和火控系统等等。

其中有些达到实验室试验阶段，有些已小批量生产，但都未来得及实际使用。

此后，美国、英国、前苏联等国竞相发展。

特别是美国，大力研究红外技术在军事方面的应用。

目前，美国将红外技术应用于单兵装备、装甲车辆、航空和航天的侦察监视、预警、跟踪以及武器制导等各个领域。

红外技术发展的先导是红外探测器的发展。

1800年，F?W?赫歇尔发现红外辐射时使用的是水银温度计，这是最原始的热敏型红外探测器。

1830年以后，相继研制出温差电偶的热敏探测器、测辐射热计等。

在1940年以前，研制成的红外探测器主要是热敏型探测器。

19世纪，科学家们使用热敏型红外探测器，认识了红外辐射的特性及其规律，证明了红外线与可见光具有相同的物理性质，遵守相同的规律。

它们都是电磁波之一，具有波动性，其传播速度都是光速、波长是它们的特征参数并可以测量。

20世纪初开始，测量了大量的有机物质和无机物质的吸收、发射和反射光谱，证明了红外技术在物质分析中的价值。

30年代，首次出现红外光谱代，以后，它发展成在物质分析中不可缺少的仪器。

40年代初，光电型红外探测器问世，以硫化铅红外探测器为代表的这类探测器，其性能优良、结构牢靠。

50年代，半导体物理学的迅速发展，使光电型红外探测器得到新的推动。

到60年初期，对于1～3、3～5和8～13微米三个重要的大气窗口都有了性能优良的红外探测器。

在同一时期内，固体物理、光学、电子学、精密机械和微型致冷器等方面的发展，使红外技术在军、民两用方面都得到了广泛的应用。

从60年代中叶起，红外探测器和系统的发展体现了红外技术的现状及发展方向。

1.在1～14微米范围内的探测器已从单元发展到多元，从多元发展到焦平面阵列。

红外探测器最早是用单元探测器，为了提高灵敏度和分辨率，后来发展为多元线列探测器。

多元线列探测器先后扫过(串扫)同一目标时，它输出的信噪比可比单元探测器高n（开平方）倍，n为元数。

如果多元线列探测器平行扫过(平扫)目标时，则可获得目标辐射的一维分布。

以线列探测器为基础的红外探测系统，大都安装在飞机或卫星遥感平台上，平台的前进运动垂直于线列作为第二维时，就可得到目标辐射的分布图像。

现在，红外探测器已从多元发展到焦平面阵列，相应的系统已实现了从点探测到目标热成像的飞跃。

红外热成像仪是一种最有发展前途的设备，代表着夜视器材的发展方向，它用焦平面阵列取代了光机扫描结构。

目前，长波碲镉汞(HgCdTe)探测器面阵已达640״80元，焦平面阵列探测器的实验室水平已达256ײ56元，预计到2000年可达到百万元。

2.红外探测器的工作波段从近红外扩展到远红外。

早期的红外探测器通常工作在近红外。

随着红外技术的发展，红外探测器的工作波段已扩展到中红外和远红外，例如，美国国防高级研究计划局提出了一项超波谱地雷探测计划，目的是为了提供一种安全有效地探测地雷的方法。

该计划采用空间调制成像傅里叶变换光谱仪，这是一种红外传感器，它已在直升机上进行了近、中波段的试验，下一步计划把工作波段延伸到远红外。

远红外已经成为科学家们关注的重点。

3.轻小型化。

非致冷、集成式、大面阵红外探测器方向发展。

采用低温制冷技术，是为了提高红外探测器件的灵敏度和输出信号的信噪比，使其具有良好的性能，但它也使红外探测器体积大、成本高。

为了实现小型化，必须减少制冷设备和相关电源，因此，高效小型制冷器和无需制冷的红外探测器将是今后的发展方向。

如采用非致冷工作的红外焦平面阵列技术，不仅可使系统成本降低2个数量级，而且可以使体积、重量和功耗也将大大减少。

此外，利用材料电子计算机和微电子方面的最新技术，可使红外探测器与具有一定数据处理能力的数据处理设备相结合，使其轻集成化、大面阵、焦平面化方向发展，以提高其性能，实现对室温目标的探测。

4.红外探测系统从单波段向多波段发展。

正如前面所述：在大气环境中，目标的红外辐射只能在1～3、3～5和8～13微米三个大气窗口内才能有效地传输。

如果一个红外探测系统能在两个或多个波段上获取目标信息，那么这个系统就可更精确、更可靠地获取更多的目标信息，提高对目标的探测效果，降低预警系统的虚警概率，提高系统的搜索和跟踪性能，适用更多的应用需求，更好地满足各军兵种的需要。

目前，多波段的红外探测系统已经研制成功，如法国和瑞典联合研制的"博纳斯"末敏子弹药，就采用了多波段红外探测系统探测目标。

在红外技术的发展中，需要特别指出的是：60年代激光的出现极大地影响了红外技术的发展，很多重要的激光器件都在红外波段，其相干性便于移用电子技术中的外差接收技术，使雷达和通信都可以在红外波段实现，并可获得更高的分辨率和更大的信息容量。

在此之前，红外技术仅仅能探测非相干红外辐射，外差接收技术用于红外探测，使探测性能比功率探测高好几个数量级。

另外，由于这类应用的需要，促使出现新的探测器件。

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