一.紅外檢測的物理基礎

紅外輻射又稱紅外光，其頻率和波長范圍見圖16-8所示。從紫光到紅光熱效應逐漸增大，而熱效應最大的為紅外光。在自然界中只要物體本身具有一定溫度(高于絕對零度)，都能輻射紅外光。例如電機、電器、爐火、甚至冰塊都能產生紅外輻射。紅外光和所有電磁波一樣，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等特性。能全部吸收投射到它表面的紅外輻射的物體稱為黑體；能全部反射的物體稱為鏡體；能全部透過的物體稱為透明體；能部分反射、部分吸收的物體稱為灰體。嚴格地講，在自然界中，不存在黑體、鏡體與透明體。電磁波譜大學物理回顧普朗克假說

普朗克(M.Planck)在與實驗物理學家魯本斯討論熱輻射問題中的矛盾后，經過悉心研究提出：對于頻率為ν

的電磁輻射，物體只能以hν

為單位發射或吸收它。即物體發射或吸收電磁輻射只能以“能量子”方式進行，每個能量子的能量為

ε=hν

其中

h=6.63×10-34J·s

稱為普朗克常數。

1.基爾霍夫定律1860年，基爾霍夫在研究輻射傳輸的過程中發現：在任一給定的溫度下，輻射通量密度和吸收系數之比，對任何材料都是常數。用一句精練的話表達，即：“好的吸收體也是好的輻射體”。

式中

ER——物體在單位面積和單位時間內發射出的輻射能；

α——物體的吸收系數；E0——常數，其值等于黑體在相同條件下發射出的輻射能。2.斯忒藩-玻爾茲曼定律物體溫度越高，發射的紅外輻射能越多，在單位時間內其單位面積輻射的總能量E為式中

T——物體的絕對溫度(K)；σ——斯忒藩-玻耳茲曼常數，σ＝5.67×10-8W/(m2·k4)；ε——比輻射率，黑體的ε＝1。3.維恩位移定律紅外輻射的電磁波中，包含著各種波長，其峰值輻射波長λm與物體自身的絕對溫度T成反比，即

λm＝2897/T（μm)

(8-22)

圖8-9為不同溫度的光譜輻射分布曲線，圖中虛線表示了由式(8-22)描述的峰值輻射波長λm與溫度的關系曲線。從圖中可以看到，隨著溫度的升高其峰值波長向短波方向移動，在溫度不很高的情況下，峰值輻射波長在紅外區域。

不同溫度的光譜輻射分布曲線

(a)

溫度為15～200℃；(b)溫度為1000～2000K從圖中可以看到，隨著溫度的升高其峰值波長向短波方向移動，在溫度不很高的情況下，峰值輻射波長在紅外區域。不同溫度黑體的輻射譜光的發射與吸收本質上是電子在原子、分子能級間躍遷的結果，處在低能級的電子，吸收適當能量的光子就會躍遷到高能級。在分子中，不但要考慮電子的軌道運動能級，而且要考慮由于分子的振動和轉動附加上的振動能級和轉動能級。一般情況，電子的能量應為

E＝Ee＋Ev＋Er而能級躍遷所造成的能量變化為

ΔE=ΔEe+ΔEv+ΔEr

物質的分子要發射或吸收紅外輻射，必須有合適的振動能級和轉動能級，而這些能級的存在實際上是由分子結構決定的。

二.紅外探測器

紅外探測器是紅外檢測系統中最重要的器件之一，按工作原理可分為“熱探測器”和“光子探測器”兩類。

1.熱探測器熱探測器在吸收紅外輻射能后溫度升高，引起某種物理性質的變化，這種變化與吸收的紅外輻射能成一定的關系。常用的物理現象有溫差熱電現象、金屬或半導體電阻阻值變化現象、熱釋電現象、氣體壓強變化現象、金屬熱膨脹現象、液體薄膜蒸發現象等。因此，只要檢測出上述變化，即可確定被吸收的紅外輻射能大小，從而得到被測非電量值。用這些物理現象制成的熱電探測器，在理論上對一切波長的紅外輻射具有相同的響應。但實際上仍存在差異。其響應速度取決于熱探測器的熱容量和熱擴散率的大小。

2.光子探測器利用光子效應制成的紅外探測器稱為光子探測器。常用的光子效應有光電效應、光生伏特效應、光電磁效應、光電導效應。熱探測器與光子探測器比較：①熱探測器對各種波長都能響應，光子探測器只對一段波長區間有響應；②熱探測器不需要冷卻，光子探測器多數需要冷卻；③熱探測器響應時間比光子探測器長；④熱探測器性能與器件尺寸、形狀、工藝等有關，光子探測器容易實現規格化。目前,在紅外成像信號檢測領域,世界各國都熱衷于二維混合紅外焦平面陣列IRFPAs(InfraredFocal-PlaneArrays),陣列尺寸已向1024×1024邁進,如圖1所示。IRFPAs可以工作在監視模式和掃描模式。隨著IR檢測器技術的不斷成熟，現在可以生產很大規模的檢測器陣列，監視模式的IRFPAs應用日益廣泛。

紅外探測器的發展史紅外技術發展到現在，已經為大家所熟知，這種技術已經在現代科技、國防和工農業等領域獲得了廣泛的應用。紅外傳感系統是用紅外線為介質的測量系統，按照功能能夠分成五類：（1）輻射計，用于輻射和光譜測量；（2）搜索和跟蹤系統，用于搜索和跟蹤紅外目標，確定其空間位置并對它的運動進行跟蹤；（3）熱成像系統，可產生整個目標紅外輻射的分布圖象；（4）紅外測距和通信系統；（5）混合系統，是指以上各類系統中的兩個或者多個的組合。典型的傳感器系統各部分工作原理

三.紅外輻射檢測技術的應用

1.紅外測溫

圖是輸電線熱接點測溫儀原理圖。這是一種全輻射測溫儀，用熱敏電阻、熱電堆或熱釋電探測器作接收輻射的敏感元件，其工作波段為2—15μM，主要用于檢測高壓線接點發熱溫度和其他低溫目標溫度。該類儀器由光學系統、調制器、探測器、電子線路和機械部分組成。光學系統為組合式卡塞格淪結構。帶激光導向,光紅外手持高溫計

紅外測溫的特點有：①測量過程不影響被測目標的溫度分布，可用于對遠距離、帶電、以及其他不能直接接觸的物體進行溫度測量；②響應速度快，適宜對高速運動物體進行測量；③靈敏度高，能分辨微小的溫度變化；④測溫范圍寬，能測量-10～+1300℃之間的溫度比色溫度計是不需要修正讀數的紅外測溫計，

目標識別“庫爾斯克”號內裝備先進的“花崗巖”遠程超音速反艦導彈

紅外制導2.紅外氣體分析只要在紅外波段范圍內存在吸收帶的任何氣體，都可用紅外輻射進行分析。該法的特點是：靈敏度高、反應速度快、精度高、可連續分析和長期觀察氣體濃度的瞬時變化。濾光片型

濾光片型主要作專用分析儀器，如糧食水分測定儀。由于濾光片數量有限，很難分析復雜體系的樣品。

Fourier變換紅外光譜儀工原理示意圖：儀器中的Michelson干涉儀的作用是將光源發出的光分成兩光束后，再以不同的光程差重新組合，發生干涉現象。當兩束光的光程差為

/2的偶數倍時，則落在檢測器上的相干光相互疊加，產生明線，其相干光強度有極大值；相反，當兩束光的光程差為/2的奇數倍時，則落在檢測器上的相干光相互抵消，產生暗線，相干光強度有極小值。由于多色光的干涉圖等于所有各單色光干涉圖的加合，故得到的是具有中心極大，并向兩邊迅速衰減的對稱干涉圖。干涉圖包含光源的全部頻率和與該頻率相對應的強度信息，所以，如有一個有紅外吸收的樣品放在干涉儀的光路中，由于樣品能吸收特征波數的能量，結果所得到的干涉圖強度曲線就會相應地產生一些變化。

傅里葉變換紅外光譜儀結構框圖干涉儀光源樣品室檢測器顯示器繪圖儀計算機干涉圖光譜圖FTS光纖漫反射采樣裝置及其示意圖3.紅外遙測運用紅外光電探測器和光學機械掃描成像技術構成的現代遙測裝置，可代替空中照相技術，從空中獲取地球環境的各種圖像資料。在氣象衛星上采用的“雙通道掃描儀”裝有可見光探測器和紅外探測器。紅外探測還可用于森林資源、礦產資源、水文地質、地圖繪制等勘測工作。衛星多光譜傳感器LISS-3傳感器具有四個光譜波段，分別位于可見光、近紅外與短波紅外區域。CCD數目每個波段6000個CCD波段頻譜波段2（綠）：0.52–0.59μm波段3（紅）：0.62–0.68μm波段4（近紅外）：0.77–0.86μm波段5（短波紅外）：1.55–1.70μm幅寬141公里幾何分辨率23.5米波段配準精度<0.25象元重復周期24天

LISS