光电测试技术-红外.ppt

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。,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=SkF0Ik：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：Emax=(1/2)m2max=h-h0=h-AEmax：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。当目标运动时，便出现了目标相对于系统测量基准的偏离量，系统测量元件测量出目标的 相对偏离量，并输出相应的误差信号送入跟踪机构，跟踪机构便驱动系统的测量元件向目标方 向运动，消除其相对偏离量，使测量基准对准目标，从而实现对目标的跟踪。,红外跟踪系统可以对点源目标和扩展源目标进行跟踪。红外跟踪系统与测角机构组合在 一起，便组成红外方位仪。红外跟踪系统在导弹的制导系统中应用越来越广泛。红外跟踪系统在导弹的制导系统中应用越来越广泛。红外制导最早应用于空空导弹，近三十年来在技术上不断改进.,美国的AIM-9,萨姆-7,目前已出现了以美国的AIML,法国的R550等为代表的典型格斗导弹,红外地空导弹，如苏联的萨姆-7、美国的针刺型.,美国导弹预警卫星,红外跟踪还可用于预警探测装置中，如七十年代后开始出现的预警卫星。预警装置中的红外跟踪系统，可对入侵的飞机和弹道导弹进行捕获和跟踪，对其他测量系统和测距系统实施引导，从而测量飞行目标的相对位置和飞行轨迹。,“幼畜”(Maverick)AGM-65空地导弹,以美国幼畜型为代表的空地导弹采用了红外成象制导，它可在一定恶劣气候下昼夜使用。,目标识别,“库尔斯克”号内装备先进的“花岗岩”远程超音速反舰导弹,红外制导,空对空导弹,光电对抗,了解资源分布、天文、土壤水分监测、天气预报，大气成分分析、农作物估产等方面有着重要的作用。,空间遥感,风云二号A星,红外通道:分辨率:5 公里探测器:HgCdTe,1.被动式人体移动检测仪,2.红外测温仪红外测温仪是利用热辐射体在红外波段的辐射通量来测量温度的。当物体的温度低于1000时，它向外辐射的不再是可见光而是红外光了，可用红外探测器检测其温度。,3.红外线气体分析仪 红外线气体分析仪是根据气体对红外线具有选择性的吸收的特性来对气体成分进行分析的。不同气体其吸收波段（吸收带）不同，从图中可以看出，CO气体对波长为4.65 m附近的红外线具有很强的吸收能力，CO2气体则发生在2.78 m和4.26 m附近以及波长大于13 m的范围对红外线有较强的吸收能力。如分析CO气体，则可以利用4.26 m附近的吸收波段进行分析。,图11.6 几种气体对红外线的透射光谱,保护观察野生动物,利用红外触发相机陷阱调查技术监测大中型兽类,相机陷阱装置工作原理,相机陷阱调查技术的应用,特定物种有/无的调查区域兽类普查特定物种种群密度调查（依赖个体识别，多用于猫科动物）,相机陷阱调查技术的优势 1,根据照片对动物进行鉴定极为准确，避免了野外直接调查中调查人员水平、经验不足带来的误判问题；,“眼见为实”，拍摄的结果具有极强的说服力；,相机陷阱调查技术的优势 2,2002年1月25日，在中国吉林省珲春自然保护区内，由WCS捐赠的相机陷阱装置拍摄到一只正在取食猎物的东北虎。这是在中国拍摄到的第一张野生东北虎照片，为中国东北地区有东北虎的活动提供了最强有力的证据。,相机陷阱调查技术的优势 3,相机24小时持续工作，可以记录到大量主要在夜间或晨昏活动、平时不易被人观察到的动物；尤其是对于行踪隐秘的食肉类动物等，相机陷阱调查是一项极为有效的方法；,相机陷阱调查技术的优势 4,调查的过程中对野生动物的正常活动几乎不产生影响，更不会对其造成伤害，这对于一些珍稀野生动物的调查、研究来说格外重要；,相机陷阱调查技术的优势 6,相机陷阱调查获得大量野生动物图片资料，可用于社区教育与公众教育，吸引公众对保护工作的关注与支持；,Mammals,Birds,People&Others兽类，鸟类，人员&其他,古今中外的战场上，人们十分重视利用夜幕掩护，夺取白天难以取得的战果。在朝鲜战场上，美军曾发出太阳是我们的，月亮是中国人的叹息。然而，纵观近期几场局部战争，美军却几乎全是从夜间发起的。正如海湾战争中的美军空战主要指挥官、空军少将格罗松说：永远不要忘记，海湾战争的开始、作战和获胜都是在夜间。美军从怯于夜战到敢于夜战，要归功于夜视技术。夜视技术是应用光电探测和成像器材，将肉眼不可视目标转换（或增强）成可视影像的信息采集、处理和显示技术。在夜暗环境中存在着少量的自然光，如月光、星光、大气辉光等，统统称为夜天光。因为它们和太阳光比起来十分微弱，所以又叫作夜微光。人眼视网膜的感光灵敏度不高，在微光条件下不能充分曝光。这是造成人们在夜暗环境中不能正常观察的一个原因。夜暗环境中，除了有微光存在外，还有大量的红外光。世界上一切物体每时每刻都在向外发射红外线，所以无论白天黑夜，空间都充满了红外线。但红外线不论强弱，人们都不能看到。,夜视器材就是利用微光和红外线这两个条件，把来自目标的人眼看不见的光（微光或红外光）信号转换成为电信号，然后再把电信号放大，并把电信号转换成人眼可见的光信号。这种光-电-光的两次转换乃是一切夜视器材实现夜间观察的共同途径。1934年，荷兰的霍尔斯特等人制成第一只近贴式红外变像管，树立起了人类冲破夜暗的第一块里程碑。随着夜视技术的不断进展，品种不断增多，目前主要有：主动式红外夜视仪目前发展较成熟，造价低廉，而且由于自身携带红外光源，所以受环境照明条件的影响较小，观察效果比较好。观察实用距离一般300米左右，主要用于近距离侦察与搜索、短射程武器的夜间瞄准和各种车辆的夜间驾驶。缺点主要是容易暴露。因为红外探照灯发射的红外光束虽不能被肉眼察觉，但能被对方用仪器探测到。,微光夜视仪和主动红外夜视仪相比，微光夜视仪体积小、重量轻，而且由于工作方式是被动的，使用起来安全可靠，不易暴露。其作用距离同环境照明条件及天气有关，在星光条件下，可以观察到800米距离上的人员和15千米距离上的车辆。但它作用距离与观察效果受到气象影响很大，雨、雾天均不能正常工作，如果一点光线都没有则完全失效。微光电视微光夜视仪是摄像后直接显示的所谓直视式夜视仪。它只能供单人观察，而且观察者必须和仪器一起亲临现场，甚至还要对目标直接进行观察。而军事上有很多场合则要求能间接进行观察以及远距离传输图像，因而发展了微光电视。微光电视的图像清晰，视距远。在良好的天气条件下，其摄像机的作用距离可超过10千米。微光电视还适用定向及定点观察，在对敌固定目标的监视以及对我方重要目标的警戒和安全保卫工作中，都发挥重要作用。不过由于其体积大、笨重，耗电多，操作、维修复杂，而且对自然环境照明条件及天气条件的依赖性大，使其应用范围受到了一定限制。,夜视技术漫谈（2）,热成像仪以上3种夜视器材都是利用目标反射的光线成像的，而热成像仪则靠接收目标自身发射的红外线成像，所显示的图像反映了目标表面各个部位发射红外线的强弱，发射红外线的强弱又取决于该部位的温度高低，故所显示的图像实质上反映了目标表面各个部分的温差，因而叫热成像仪。由于热成像仪工作方式是完全被动的，不易被对方发现和干扰，同时由于热辐射在大气中的传输能力强，使热成像仪无论白天黑夜都有透过雾、雨、雪进行观察的能力，尤其适合夜间观察。热成像仪的优点还在于它可以探测到用其他手段所无法区别的目标。例如，它可以发现军事人员车辆活动过后又撤离的地区，还可揭露各种军事伪装，透过伪装网看清目标。其作用距离比较远。用于手持观察和瞄准射击时，其作用距离为23千米；用于舰艇上进行水面观察时，作用距离可达10千米。,红外夜视仪是利用光电转换技术的军用夜视仪器。它分为主动式和被动式两种：前者用红外探照灯照射目标，接收反射的红外辐射形成图像；后者不发射红外线，依靠目标自身的红外辐射形成“热图像”，故又称为”热像仪”。夜间可见光很微弱，但人眼看不见的红外线却很丰富。红外线视仪可以帮助人们在夜间进行观察、搜索、瞄准和驾驶车辆。尽管人们很早就发现了红外线，但受到红外元器件的限制，红外遥感技术发展很缓慢。直到1940年德国研制出硫化铅和几种红外透射材料后，才使红外遥感仪器的诞生成为可能。此后德国首先研制出主动式红外夜视仪等几种红外探测仪器，但它们都未能在第二次世界大战中实际使用。几乎同时，美国也在研制红外夜视仪，虽然试验成功的时间比德国晚，但却抢先将其投入实战应用。1945年夏，美军登陆进攻冲绳岛，隐藏在岩洞坑道里的日军利用复杂的地形，夜晚出来偷袭美军。于是美军将一批刚刚制造出来的红外夜仪紧急运往冲绳，把安有红外夜视仪的枪炮架在岩洞附近，当日军趁黑夜刚爬出洞口，立即被一阵准确的枪炮击倒。洞内的日军不明其因，继续往外冲，又糊里糊涂地送了命。红外夜视仪初上战场，就为肃清冲绳岛上顽抗的日军发挥了重要作用。,主动式红外夜视仪具有成像清晰、制作简单等特点，但它的致命弱点是红外按照灯的红外光会被敌人的红外探测装置发现。60年代，美国首先研制出被动式的热像仪，它不发射红外光，不易被敌发现，并具有透过雾、雨等进行观察的能力。1982年4月6月，英国和阿根廷之间爆发马尔维纳斯群岛战争。4月13日半夜，英军攻击承军据守的最大据点斯坦利港。3000名英军布设的雷区，突然出现在阿军防线前。英国的所有枪支、火炮都配备了红外夜视仪，能够在黑夜中清楚地发现阿军目标。而阿军却缺少夜视仪，不能发现英军，只有被动挨打的份。在英军火力准确的打击下，阿军支持不住，英军趁机发起冲锋。到黎明时，英军已占领了阿军防线上的几个主要制高点，阿军完全处于英军的火力控制下。6月14日晚9时，14 000名阿军不得不向英军投降。英军领先红外夜视器材赢得了一场兵力悬殊的战斗。1991年海湾战争中，在风沙和硝烟弥漫的战场上，由于美军装备了先进的红外夜视器材，能够先于伊拉克军的坦克而发现对方，并开炮射击。而伊军只是从美军坦克开炮时的炮口火光上才得知大敌在前。由此可以看出红外夜视器材在现代战争中的重要作用。,