红外技术及应用

外线，实质上是一种电磁辐射波，其波长范围大致在0.78μm～1000μm频谱范围内，因其是位于可见光中红光以外的光线，故而得名为红外线。 

任何温度高于零度的物体，都会向外部空间以红外线的方式辐射能量。利用红外辐射实现相关物理量测量的传感技术，即为红外传感技术。红外传感技术是近年来发展zui快的技术之一，红外传感器目前已广泛应用于航空航天、天文、气象、军事、工业和民用等众多领域，起着不可替代的重要作用。 

按检测机理不同，通常将红外传感器分为热式和光子式（也称量子式）两大类。热式是利用红外辐射的热效应，即当热式传感器的敏感元件吸收所入射的红外辐射后，其温度随之变化，进而使敏感元件的相关物理参数发生相应变化，通过对这些物理参数及其变化的测量就可确定传感器所吸收的红外辐射量。热式传感器主要优点是：响应波段达整个红外区域，可以在常温下工作，轻便可靠，成本较低，使用简单方便等。但其不足之处是响应时间相对较长（ms级），灵敏度较低，一般用于低频调制的场合。常用的热式红外传感器类型主要有热敏电阻/(微)辐射热计型、热电偶/热电堆型、高莱气动型和热释电型等。其中，热释电型的敏感元件通常采用具有热释电效应的晶体材料，具有检测效率zui高，频率响应zui宽，能探测辐射信号的快速变化等显著优点，故该类传感器发展较快，应用范围也较广。 

光子式红外传感器是利用红外辐射的光子效应而进行工作的传感器。所谓光子效应，是指当有红外线入射到某些半导体材料上时，红外辐射中的光子流与半导体材料中的电子相互作用，改变了电子的能量状态，从而引起各种电学现象。通过测量半导体材料中电子性质的变化，就可以知道相应红外辐射的强弱。光子探测器类型主要有内光电探测器、外光电探测器、自由载流子式探测器、QWIP量子阱式探测器等。内光电探测器又细分为光电导型、光生伏特型和光磁电等类型。光子探测器的主要特点是灵敏度高、响应速度快，具有较高的响应频率，但缺点是探测波段较窄，一般工作于低温（为保持高灵敏度，常采用液氮或温差电制冷等方式，将光子探测器冷却至较低的工作温度）。 

按照红外传感器应用功能、场所的不同，大体可将其应用分成以下几类： 

（1）辐射量、光谱测量：该类测量仪器用途广泛，如基于中红外辐射测量的地面辐射强度计，可用于如变暖等的气候变化观察；基于远红外辐射测量的红外空间望远镜，可用于宇宙天体天文观察；配带红外光谱扫描辐射仪的气象卫星，可实现对云层等的气象观察分析。在工矿企业中，应用较多的是基于辐射量测量的红外温度计和基于红外光谱测量的红外分析仪。 

按照斯蒂芬-玻尔兹曼定律，物体红外辐射的强度与物体的温度和辐射率相关。依此制成的红外温度计，属比较*的测温方法，具有诸多优点：适用于远距离和非接触测量，可以测量高速运动物体、带电物体、腐蚀介质、高温或高压物体或介质的温度；因其测量不需要热平衡过程，故其响应速度快，一般在毫秒级，甚至微秒级；因为物体红外辐射的强度与物体温度的四次方成正比，因而物体温度微小变化，都会引起辐射能量成倍变化，因而其测温灵敏度高；由于测量的非接触性，故不会破坏实测对象原先温度场分布状况，因而其测出温度失真较小；可以测量从摄氏零下几十度到零上几千度的温度，因而其测温范围非常广泛。美国LumaSense技术公司所生产的基于红外温度传感器的IS 6和IGA 6系列数字高温计，温度测量上限：IS达3000℃，IGA达2500℃；光谱范围：IS为0.7μm～1.1μm，IGA为1.45μm～1.8μm响应时间快达120μs，功耗zui大不超过3W，重量仅有0.6kg。 

基于红外光谱技术的成分分析仪表，具有“绿色、快速、非破坏、在线”等特点，是分析化学领域迅猛发展的高新分析技术之一。许多由非对称双原子和多原子所构成的气体分子，在红外辐射波段都有相应的吸收带，且因其被测对象所含分子的不同，吸收带所在的波长和吸收的强弱也不相同。根据各类气体分子吸收带分布情况及吸收的强弱，可以识别出被测对象中所含气体分子的组成及含量。红外气体分析仪即是采用红外光照射被测介质，并根据各类分子介质的红外吸收特性，利用气体的红外吸收光谱特征，通过对光谱分析而实现气体组分或浓度分析的。日本横河电机所生产的IR400型红外气体分析仪，该分析仪采用单光源双光柱、NDIR非色散红外测量法，实现NO、SO2 、CO、CO2 和CH4四种气体成分的同时和连续测量。其线性度达±1%满量程，重复性为±0.5%满量程，响应时间为60s。 

利用近红外光谱对羟基、水、碳酸盐以及Al-OH、Mg-OH 和Fe-OH 等分子键非常敏感的特性，通过对目标对象的红外照射来获得其诊断性光谱，然后对光谱波长位置、深度和宽度进行测量分析，即可获取其种属、组分和主要金属元素比值等，从而实现对固体等介质的成分分析。澳大利亚Integrated Spectronics公司生产的PIMA光栅扫描型光谱仪，即是此类典型的用于研究野外岩石矿物的种类、丰度、成分的便携式近红外光谱分析仪，其波长范围为1.3μm～2.5μm，光谱取样间距2nm，信噪比1/3500～1/4500，对于样品和参考物有32个识别级别，外形大小27cm ×17cm×12cm，重量仅只有4kg。 

搜索和跟踪系统：是基于目标所发出的处于红外光谱范围内的电磁辐射波，来搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置，并对其运动轨迹进行跟踪的系统。红外搜索跟踪器的图像品质取决于与像素大小和像素数量相关的空间分辨率。也就是说，若仪器像素数越高，像素尺寸越小，则其显示的图像越清晰，可搜索的距离则越远。擅长基于MCT（碲镉汞）冷却红外检测器技术的法国Sofradir公司，近期推出了高性能的基于10μm像距MWIR中红外的IRST红外搜索和跟踪系统，可用于飞行员或士兵不论白天还是夜晚，即使是在烟或雾环境下，仍能有效识别、分辨、定位远达10km以外的小目标。