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红外技术 编辑词条词条保护

词条创建者 随风

红外技术简介

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红外技术是研究红外辐射的产生、传播、转化、测量及其应用的科学技术。外文名Infrared Technique,别名红外探测器、红外系统。主要用于红外热像、红外摄像、红外通讯、红外光谱仪等。

红外技术

红外技术介绍

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英文名称;

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Infrared Technique

检索词

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红外技术;红外探测器;红外系统

技术类别

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信息系统技术;探测技术;

红外技术主要部分

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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。

红外技术相关

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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

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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。

红外发展

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红外技术发展的先导是红外探测器的发展。

1800年

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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。

60年代中叶

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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640×480元,焦平面阵列探测器的实验室水平已达256×256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。

激光的出现

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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和新的辐射传输方式,推动红外技术向更先进的方向发展。

应用

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红外应用产品种类繁多,非一篇文章所能描述,本文仅选择红外热像、红外摄像、红外通讯、红外光谱仪、红外传感器等几个比较大的领域做介绍。

红外热像仪

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红外热像仪行业是一个发展前景非常广阔的新兴高科技产业,也是红外应用产品中市场份额最大的一块,在军民两个领域都有广泛的应用。红外热像仪在现代战争条件下的卫星、导弹、飞机等军事武器上获得了广泛的应用。同时,随着非制冷红外热成像技术的生产成本大幅度降低,该产品的应用已延伸到了电力、消防、工业、医疗、安防等国民经济各个部门。过去国内市场一直由FLIR、FLUKE等国外知名企业占领。不过最近10年来,这个领域发生了可喜的变化,国内红外热像仪企业在产品技术、性能和质量等方面的改进,市场份额逐步扩大,涌现出了大立科技、昆明北方红外、武汉高德、飒特红外等知名企业,经过这几年的发展,已经积累相当的技术力量。

目前国产产品在性能上已经和进口产品接近,但进口产品的价格高出国内产品50%以上。随着红外热像仪在消防、电力、建筑等行业的扩张,国际民用红外热像仪行业迎来了市场需求的快速增长期。2004年全球民用红外热像仪及系统产量约为5万台,而2006年,仅FILR公司就取得了宝马汽车公司为其新款7系列轿车配备的红外热像仪订单,并获得了美国政府35万台的出口许可申请。2006年全球民用红外热像仪的销售额为16.3亿美元,同比增长17.35%。

据美国著名高科技行业咨询公司Maxtech International的预测,未来5年全球民用红外热像仪市场需求年均增长率将达到15%,到2012年,全球民用红外热像仪的市场需求将达到38.12亿美元。由于国内经济高速发展,中国红外热像仪市场的年均增长率可以达到20%,预计2011年中国民用红外热像仪市场的需求量可以达到9.95亿元。以美国为例,2000年,美国红外成像与红外测温系统的市场销售总额为18.2亿美元,比1999年增长了3%,预计到2008年,总的市场销售额将达到28.2亿美元,年综合增长率达到6.5%。

“我国红外热像仪市场还处于起步阶段,未来发展空间巨大。”中国光学学会常务理事兼秘书长倪国强先生在中国光电产业高层论坛上表示:在发达国家的军用领域,红外热像仪已得到非常广泛的配置,例如海湾战争中平均每个美国士兵配备1.7具红外热像仪。与发达国家相比,目前我国军队中红外热像仪的应用相对较少,其市场远景需求量相当巨大。随着高性能多色红外焦平面以及智能灵巧型片上图像处理技术的发展,预计这一比例还将继续走高。

红外摄像机

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随着北京奥运会、上海世博会、广州亚运会等国内大型活动的增加,对安全的要求越来越严格,越来越多的场所需要24小时持续监控。红外线在夜间监视的应用更加突出,不仅金库、油库、军械库、图书文献库、文物部门、监狱等重要部门采用,而且也在一般监控系统中也被广泛采用,甚至居民小区监控工程也应用了红外线摄像机。带动了红外摄像市场持续升温。根据2006年的一份调查报告,相比红外热像仪,红外摄像机的技术门槛不高,目前大部分国内市场被国内品牌占据,外国品牌只占据了一部分高端市场。从国内红外摄像机分布来看,深圳最多,占总数的64%,与东莞、浙江形成了我国的三大产业基地。

红外通讯

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传统的红外通讯应用主要在与家电和汽车防盗遥控器方面,由于调制技术、相关收发器技术的快速发展,红外传输应用也发生了质的飞跃。1993年国际红外线协会在美国成立,积极整合建立红外传输的标准,极大地推动了红外产品的发展。

2000年全球已有1.7亿台配有国际红外线协会模组的电子产品进入市场,尤其在电子游戏机市场有极大的潜力。2001年,在信息收发模组方面,由于国际红外线协会模组的价格已从早期的5美元降至2美元,国际大厂纷纷在亚太地区一些劳动力相对低廉的地方寻求加工场所,估计年产值将有1亿多美元的规模,当时一些IC设计公司、系统与应用软件厂商已积极投入应用产品的研究与生产,目前已经形成一定规模。

个人笔记本、PDA、数码相机等产品的普及带动了红外传输的发展。国际红外线协会1994年推出了1.0版红外线资料交换标准,传输速度为115.2Kbps,目前的最大传输速度最大速率已达4Mbps以上。2006年,红外无线技术已经有了庞大的用户群。当时红外数据通讯技术(IRDA)已拥有每年一亿五千万套的设备安装量,并且它保持着每年40%的高速增长。网舟咨询在近期发布的《无线短距离通讯技术市场研究报告》中认为,强劲的增长数字表现在全球范围内厂商对于红外通讯仍持有的乐观态度,红外通讯技术已被全球范围内的众多软硬件厂商所支持和采用,目前主流的软件和硬件平台均提供对它的支持。手机市场上,各大主流厂商也早已在其产品中配套支持了红外通讯技术。从当前的情况来看,红外技术无论是从应用覆盖度,技术成熟度和用户接受度来说,都在各类无线通讯技术中处于领先地位。

在遥控器市场方面,市场研究机构Instat公司预测,2005年,全球应用于IrDA领域的8位控制器的单位出货量将达到2.06亿个,到2009年将达到3.73亿个。据介绍,Zilog公司自1993年进入远程控制市场以来,产品销量以超过2.75亿,2004年公司交付了大约4,000万片的IrDA相关芯片。目前,公司的IrDA芯片的解决方案型号已超过12,000种,所服务的遥控器品牌也超过1,300种,客户包括飞利浦、三星、索尼、Yamaha,东芝,微软等。目前全球万能红外遥控器市场占到了70、80%的市场份额,特别是在欧美市场等。

红外光谱仪

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红外光谱仪主要用于化学物理分析领域,可应用于各种物理化学实验室、石油、农业、检测等领域。按应用范围可分为通用型红外光谱仪和专用红外光谱仪,按波长范围分可分为近红外光谱仪和远红外光谱仪,目前以近红外光谱仪为主。现代近红外光谱分析技术包括了近红外光谱仪、化学计量学软件和应用模型三部分。只有三者的完美结合才能达到高性能的要求。目前近红外专用光谱仪器的研制及应用在国内已受到很多专家的关注,并已开发研制出一批适应国内分析对象的仪器及应用软件。如,中国石油科学院的一批年轻学者在陆婉珍院士的带领下,研制和开发出了有我国自主知识产权的近红外专用光谱仪器及其在我国石油科学中应用的一些软件;以北京农业大学严衍禄教授领导的“中国农业近红外分析技术网络系统”课题已完成,研制和开发了有自主知识产权的、适用于中国农业品品质的分析的软件;相秉仁教授在中国药科大学分析计算中心建立了Internet近红外光谱分析虚拟建模中心,进行近红外光谱分析的建模和数学模型维护等工作,并建立了一些中草药近红外分析的数学模型。

06年初,国家食品药品监督管理局(SFDA)通过招标的方式订购了总计超过300余台进口傅立叶变换近红外光谱仪。财政部当时加上后续的维护费,拨了共 5亿人民币的资金。假如能够实现国产的话,可以节省一大笔外汇。我国目前的相关企业有聚光、英贤、大连依利特、东西电子、普析通用等,主要做低端产品,高端产品还无法和国外抗衡。

国产的通用型红外光谱仪FT–IR主要是北分瑞利分析仪器公司引进的美国Analect公司技术生产的几种不同型号的、不同档次的产品,但是量很少。专用红外光谱仪方面,近红外光谱的一些专用红外光谱仪在国内有较大的潜在市场,主要是在农业中农产品品质分析和石油化工中石油产品生产过程中质量控制及产品品质分析中有很大的市场。但是由于近红外分析需要根据分析对象引入一些数学模型,分析对象不一样,其数学模型也有所不同。因此,国外的近红外专用光谱仪所带的分析软件(是根据国外的分析对象的数学模型设计的),并不一定适合于国内的分析对象,致使近年来引进的一些近红外专用光谱仪器在国内并没有发挥多大作用,加之国外近红外专用光谱仪器价格又偏高,国内进口的近红外专用光谱仪器并不多。

红外测速传感器

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红外线对射管的驱动分为电平型和脉冲型两种驱动方式,本系统中红外传感器选用脉冲型驱动方式。由红外线对射管阵列组成分离型光电传感器。该传感器的创新点在于能够抵抗外界的强光干扰。太阳光中含有对红外线接收管产生干扰的红外线,该光线能够将红外线接收二极管导通,使系统产生误判,甚至导致整个系统瘫痪。本传感器的优点在于能够设置多点采集,对射管阵列的间距和阵列数量可根据需求选取。

红外传感器

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在实现远距离温度监测与控制方面,红外温度传感器以其优异的性能,满足了多方面的要求。在产品加工行业,特别是需要对温度进行远距离监测的场合,都是温度传感器大显身手的地方。在食品行业红外温度可以在不被污染的的情况下实现食品温度记录,因此备受欢迎。光纤红外传感器还具有抗电磁和射频干扰的特点,这为便携式红外传感器在汽车行业中的应用又开辟了新的市场。

随着红外测温技术的普遍应用,一种新型的红外技术—智能(Smart)数字红外传感技术正在悄然兴起。这种智能传感器内置微处理器,能够实现传感器与控制单元的双向通信,具有小型化、数字通信、维护简单等优点。当前,各传感器用户纷纷升级其控制系统,智能红外传感器的需求量将会继续增长,预计短期内市场还不会达到饱和。

另外,随着便携式红外传感器的体积越来越小,价格逐渐降低,在食品、采暖空调和汽车等领域也有了新的应用。比如用在食品烘烤机、理发吹风机上,红外传感器检测温度是否过热,以便系统决定是否进行下一步操作,如停止加热,或是将食品从烤箱中自动取出,或是使吹风机冷却等。随着更多的用户对便携式红外温度传感器的了解,其潜在用户正在增加。

由于红外温度传感器在实现远距离控温及无接触测温等方面的优势,使其产量每年以10%的速度增长。在1996年至1997年间,其产量从15.5万只增长到23万只;总销售额也从2.3亿美元增长到3亿美元。2006年,市场销售总额将达到5.576亿美元,总产量将超过48.9万只。

对于红外传感器的全球市场,第三世界国家将比欧美更加看好。虽然欧美很多工业国家加工业广泛,但其市场以趋向饱和;而在中国以及拉美一些新兴国家和地区,随着其经济的复苏与发展,各国各地区纷纷加强工业化建设,加工厂不断增多,红外传感器在该区域的销量每年以2%~5%的速度增长,并且其市场销量还处于增长趋势。

种类

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红外技术作为一种高技术,它与激光技术并驾齐驱,广泛应用于工业、农业、医学、交通等各个行业和部门。红外测温、红外测湿、红外理疗、红外检测、红外报警、红外遥感、红外防伪更是各行业争相选用的先进技术。如今开发的产品已经得到普遍运用,但是,科技在进步,产品也会更新。接下来我们详细介绍光电探测器这个在红外技术中突显作用最大之一的产物。

光电探测器作为红外辐射光子在半导体材料中激发非平衡载流子(电子或空穴),引起电学性能变化。因为载流子不逸出体外,所以称内光电效应。量子光电效应灵敏度高,响应速度比热探测器快得多,是选择性探测器。为了达到最佳性能,一般都需要在低温下工作。光电探测器可分为:

光伏型:主要是p-n结的光生伏特效应。能量大于禁带宽度的红外光子在结区及其附近激发电子空穴对。存在的结电场使空穴进入p区,电子进入 n 区,两部分出现电位差。外电路就有电压或电流信号。与光导探测器比较,光伏探测器背影限探测率大于40%;不需要外加偏置电场和负载电阻,不消耗功率,有高的阻抗。这些特性给制备和使用焦平面阵列带来很大好处。

光导型:又称光敏电阻。入射光子激发均匀半导体中的价带电子越过禁带进入导带并在价带留下空穴,引起电导增加,为本征光电导。从禁带中的杂质能级也可激发光生载流子进入导带或价带,为杂质光电导。截止波长由杂质电离能决定。量子效率低于本征光导,而且要求更低的工作温度。

量子阱探测器(QWIP):将两种半导体材料A和B用人工方法薄层交替生长形成超晶格,在其界面,能带有突变。电子和空穴被限制在低势能阱A层内,能量量子化,称为量子阱。利用量子阱中能级电子跃迁原理可以做红外探测器。90年代以来发展很快,已有512×512、64 0×480规模的QWIP GaAs/AlGaAs焦平面制成相应的热像仪诞生。因为入射辐射中只有垂直于超晶格生长面的电极化矢量起作用,光子利用率低;量子阱中基态电子浓度受掺杂限制,量子效率不高;响应光谱区窄;低温要求苛刻。人们正深入研究努力加以改进,可望与碲镉汞探测器一争高低。

红外遥感

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随着家用电器、视听产品的普及,自动化办公设备的广泛应用和网络化的不断发展,越来越多的产品具有了待机功能(如遥控开关、网络唤醒、定时开关、智能开关等)。产品的待机功能实现遥控操作,极大地方便了我们的生活,但也浪费了大量的能源。中国节能产品认证中心(CECP)调查显示,全球每个家庭处于待机状态下的家电相当于亮着一个15 W~30 W 的长明灯,仅一台彩电每年在“无用待机状态”下浪费电力近100°,在我国彩色电视机待机一项一年就浪费电力150 多亿度,相当于十几个大型火力发电厂白白发电。澳大利亚电器设备能源委员会新近的研究成果显示,不仅会耗费可观的电能,每月支付数额不小的“冤枉电费”,而且其

释放大量有害气体二氧化碳在一定程度上加速了气候的变暖。利用本系统可以良好的达到节能和环保的效果。同时在家庭或工业控制现场,一些手动操作不太方便的场合,可以使用现有遥控器通过设置代替手动操作,比如可以利用家中现有的彩电遥控器,控制其它没有遥控功能的电器(如电灯、计算机、音响、电脑、打印机、饮水机、热水器等),方便生活。

技术分类

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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。

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