紅外探測技術的應用與發(fā)展

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紅外探測技術的應用與發(fā)展

　　紅外探測技術的應用與發(fā)展【1】

　　【摘要】紅外探測技術是一門高新技術，它利用目標所發(fā)射出的紅外輻射來探索、追蹤、預測和預報，用來識別和分析探測目標的詳細信息。

　　紅外探測技術與激光技術競相發(fā)展，在軍事領域應用廣泛。

　　經(jīng)過半個多世界的發(fā)展，目前的紅外技術已滲透到軍事、安全生產(chǎn)工程、生活的方方面面。

　　本文將對紅外探測技術的原理和所涉及到的理論、幾種最常見的具體技術應用展開詳細介紹，最后總結這一趨勢的未來努力方向。

　　【關鍵詞】紅外探測技術紅外制導發(fā)展

　　紅外物理與技術的不斷發(fā)展，使得紅外探測成功滲透到軍事、安生生產(chǎn)工程、生活等方方面面。

　　例如，作戰(zhàn)時由于導彈和戰(zhàn)斗機平臺的雷達探測面積驟減，唯有紅外探測系統(tǒng)可以精確捕捉到這些高速運轉(zhuǎn)的空中探測目標;礦山施工時，利用高溫度分辨紅外熱成像儀實時監(jiān)測巖體，以便及時發(fā)現(xiàn)裂縫危石、檢測供電設備安全運行，避免煤礦自燃;在開挖巖石隧道是可以利用紅外探測探測水源，根據(jù)紅外輻射能量差異來判斷是否有不良地質(zhì)等。

　　下面本文將展開分析紅外探測技術的原理、基本理論及種類，并重點探討幾種代表性紅外探測技術，最后總結該技術的未來發(fā)展趨勢。

　　1 紅外探測技術的原理和紅外探測器種類

　　1。1 紅外探測技術的原理和基本理論

　　探測目標與所在背景的紅外存在輻射差異，并且這一差異形成的圖像會反應目標的詳細信息，紅外探測技術依據(jù)這一原理而完成探測或追蹤任務。

　　因為任何一個物體，只要本身溫度高于零度，就會散發(fā)出紅外輻射，但是不同部位溫度不同，輻射率便不同，所以這些不同的輻射特征經(jīng)過大氣傳播被紅外輻射器接受后再光電轉(zhuǎn)換就可成為人眼可見的圖像。

　　這就是紅外探測技術的成像原理。

　　紅外探測技術所涉及的理論包括光度學、輻射度學。

　　光度學不是簡單意義上的物理學描述法，它以人對進入眼睛的輻射所產(chǎn)生的視覺為基礎，僅限于研究可見光。

　　輻射度學建立在輻射能的基礎上，限制很少，適用于整個的電磁波普。

　　1。2 紅外探測器的種類

　　紅外探測器是一種典型的光敏器件，可以轉(zhuǎn)換不可見的紅外輻射，使之成為可測量的信號。

　　探測器是紅外整機系統(tǒng)的重要核心部件，用來探測、識別、和分析所接受的紅外信息。

　　按探測器工作機理區(qū)分，可分為熱探測器和光子探測器兩大類。

　　熱探測器是研究紅外輻射在未出現(xiàn)和出現(xiàn)后所引起的溫度差異，敏感元件對這一溫差做出準確反應。

　　它的優(yōu)點是響應波段寬，室溫下可正常工作，使用方便。

　　某些半導體材料在紅外輻射的照射下，會產(chǎn)生光子效應，光子探測器就是在這一原理的基礎上產(chǎn)生的，所用材料的電學性質(zhì)發(fā)生相應變化。

　　通過分析電學性質(zhì)的變化，可以確定紅外輻射的強弱。

　　按照工作原理，可以分為外光電和內(nèi)光電探測器兩種。

　　2 幾種紅外探測技術的應用與發(fā)展趨勢

　　2。1 幾種紅外探測技術的應用

　　紅外探測技術獨特的優(yōu)點：紅外輻射看不見。

　　保密性好;環(huán)境適應性好;采用被動接受系統(tǒng)，抗干擾性強;設備體積小、重量輕、功耗低;可以揭示偽裝的目標;分辨率比微波好，因此被廣泛應用于紅外夜觀、紅外偵查、紅外制導等方面。

　�。�1）紅外偵查、監(jiān)視：紅外偵察監(jiān)視主要包括空間、空中、地面的紅外偵查與監(jiān)視，按工作方式來分可劃分為主動裝置和被動裝置。

　　IDRS（紅外探測裝置）的應用范圍非常廣：負有監(jiān)視任務的監(jiān)視衛(wèi)星，負有警戒任務的警戒裝置，負有救援任務的救援直升機等，艦艇配備的監(jiān)視系統(tǒng)等等，都需要安裝紅外探測裝置。

　　（2）紅外制導：利用目標自身的紅外輻射來引導導彈自動接近目標，提高命中率。

　　紅外制導普遍采用的工作方式是空空、空地、地空、反坦克導彈等。

　　紅外焦平面陳列制導技術因其高識別誘餌能力而有非常高的命中率。

　　紅外成像制導在紅外探測器探測功能的基礎上，探測目標的紅外輻射，所成圖像質(zhì)量高，彌補了電視制導受限制的夜間和低能見度下無法工作的缺陷，已成為紅外制導的一個重要發(fā)展方向。

　�。�3）紅外隱形：紅外隱形主要是抑制、削弱目標的輻射能量，從而使敵人無法預測到。

　　只要物體表面溫度高于絕對零度（—273度），總是存在將能量向外釋放的熱輻射性質(zhì)，因此，紅外輻射已固定為追蹤軍事目標的特性。

　　但是，大氣中的某些成分對紅外輻射具有吸收減弱作用，大氣懸浮顆粒也會削弱紅外輻射的強度。

　　隱身飛行器就是利用了紅外隱身技術，但是其溫度仍比背景溫度高，仍有可能被探測到。

　�。�4）紅外對抗：為保護大型飛機和直升機免遭紅外制導導彈的威脅，紅外對抗系統(tǒng)得到迅猛發(fā)展。

　　基于激光的多波段對抗系統(tǒng)用來躲避熱尋導彈的威脅，保護直升機和攻擊機;定向紅外對抗系統(tǒng)保護作戰(zhàn)平臺免受熱尋導彈威脅。

　　（5）探測和預報：探測和預報的這一應用主要是用于輻射通量測定、目標溫度測量、目標方位測定以及光譜分析等。

　　紅外探測技術在開挖隧道巖溶探測和預報中的應用廣泛，傳統(tǒng)雷達探測方法工時長、探測距離短、準確率不高。

　　紅外探測技術可大規(guī)模應用在地質(zhì)災害的預測上，在開挖隧道巖石時，圍巖會形成紅外輻射場，紅外輻射場聚集了能量、動量、方向等信息，巖石會把她內(nèi)部的地質(zhì)信息以紅外輻射的形式傳遞出來，這樣可加強開挖工程的安全系數(shù)。

　　2。2 發(fā)展趨勢的預測（發(fā)展分析）

　　隨著紅外技術的高速發(fā)展，紅外儀器在使用方面有更高需求：由于探測目標、最小可探測輻照度、噪聲等，要求高探測靈敏度;高定位跟蹤精度;抗干擾能力向智能化能力發(fā)展。

　　上述需要的變化，促使紅外儀器在工作機制、結構設計、信號處理方法等方面進行必要改進。

　　探測器從單元發(fā)展到多元線陣以至面陣、單元面積趨小;從信號調(diào)制機制轉(zhuǎn)換到掃描機制;從單一視場轉(zhuǎn)換到可變視場，從簡單信息量到多信息量獲取與處理，這些都將成為未來發(fā)展的必然趨勢。

　　3 結語

　　紅外探測技術由短波紅外發(fā)展到長波紅外，由單波段向多波段發(fā)展，以及紅外探測數(shù)據(jù)的融合和復合探測技術的發(fā)展，紅外探測技術的應用前景將非常樂觀，隨著紅外物理技術的不斷創(chuàng)新，紅外探測的靈敏度、定位追蹤準確度、抗干擾性能等都會顯著提升，未來將會展開一片紅外探測發(fā)展的廣闊天地。

　　參考文獻：

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　　紅外探測技術在架空線路防林火災中的應用【2】

　　摘要：分析林火災的特點及防范措施，在紅外光波輻射特性及成像技術的基礎上，根據(jù)紅外圖像中可燃物與地形背景的溫度與輻射差異，進行煙火撲捉，預防火災對輸電線路造成危害。

　　關鍵詞：紅外探測;輸電線路;林火災

　　0 引言

　　防林火災是保證架空輸電線路安全穩(wěn)定運行的重要內(nèi)容，特別是超、特高壓架空輸電線路，多數(shù)處于高山峻嶺的叢林密集區(qū)，且擔負著區(qū)域大負荷的傳輸任務，對整個電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行起著決定性因素。

　　1 林火災的特點

　　對于林火災，樹木燃燒時具有一定的規(guī)律。

　　當樹木被加熱到著火點后才能被燃燒，燃燒后其中心溫度將會進一步提高，并逐漸將周圍沒有燃燒的部分加熱到著火點，引起火的蔓延，直到?jīng)]有新的樹木被引燃為止。

　　因此，我們可以將林火災從正常狀態(tài)到火災階段分為四個階段，即正常初始狀態(tài)（AB）、溫度升高階段（BC）、燃燒初起階段（CD）、火災階段（DE），如圖1所示。

　　林火災各階段的現(xiàn)象及狀態(tài)如下：

　　①正常初始狀態(tài)，即物體處于正常情形下的狀態(tài)。

　�、跍囟壬唠A段，即預熱階段。

　　在外界火源的作用下，可燃物的溫度緩慢上升，蒸發(fā)大量水蒸汽，伴隨產(chǎn)生大量煙霧，部分可燃性氣體揮發(fā)，可燃物呈現(xiàn)收縮和干燥，處于燃燒前的狀態(tài)。

　　③燃燒初起階段，即氣體燃燒階段。

　　隨著可燃物的溫度急驟增加，可燃性氣體被點燃，發(fā)出黃紅色火焰。

　�、芑馂碾A段，即木炭燃燒階段。

　　2 林火災的防范措施

　　感溫、感煙探測器探測的火災信號是對CD階段以后的火災信號進行探測，而BC階段出現(xiàn)異常情況但尚未發(fā)生火災的階段只能靠紅外探測技術。

　　目前在用的架空輸電線路防林火災的措施有以下4種方式：

　�、俚孛嫜沧o。

　　把視頻監(jiān)測裝置安裝在桿塔最高點上，監(jiān)測林區(qū)四周，通過人工監(jiān)視監(jiān)測裝置傳輸畫面來發(fā)現(xiàn)林火發(fā)生的位置及狀況。

　�、谕_望。

　　利用地理信息系統(tǒng)技術和數(shù)學方法，根據(jù)一定原則合理設置望臺并聯(lián)網(wǎng)，通過臺網(wǎng)之間觀察人員的監(jiān)視進行相互驗證和互補。

　�、劭罩醒沧o。

　　把多光譜掃描儀安裝在飛機上，利用傳感器接收林火信息。

　　④衛(wèi)星監(jiān)測。

　　采用GIS對林區(qū)的各種數(shù)據(jù)進行分析，利用衛(wèi)星遙感進行大面積林火監(jiān)測，特別是對無人區(qū)、國界附近及鄰國的林火監(jiān)測。

　　其中衛(wèi)星監(jiān)測受衛(wèi)星過境次數(shù)及其分辨率的限制，僅適于對全國宏觀區(qū)域的林火發(fā)生面積和位置進行定期監(jiān)測，跟蹤顯示重大林火的發(fā)展蔓延態(tài)勢;空中巡護具有機動靈活的優(yōu)點，但是由于需要耗費較大的人力、物力，成本高，所以適合于發(fā)生森林火災時對林火的蔓延態(tài)勢進行有針對性的連續(xù)實時跟蹤監(jiān)測;望臺望和地面巡護是以人工為主，雖然其覆蓋面積小，但是在日夜實時監(jiān)測以及提供全面、準確、及時、詳盡的火災現(xiàn)場數(shù)據(jù)方面具有很大的優(yōu)越性。

　　3 紅外探測技術原理

　　自然界中絕對零度以上的任何物體都要發(fā)射電磁輻射即紅外光，其發(fā)射紅外光波長與發(fā)射量關系如圖2所示。

　　從下圖可以看出，當物體溫度較低時，光譜輻射發(fā)射量較小，主要以不可見的紅外光進行輻射，其紅外輻射主要集中在長波紅外（8～12μm）;當溫度升高時，光譜輻射發(fā)射量迅速變大，輻射的峰值波長會向短波方向移動，在中波紅外（3～5μm）的輻射會增強。

　　由此可知，樹木燃燒時，火焰中心溫度升高發(fā)出較強的中波紅外輻射，周圍隨著溫度的逐漸下降則發(fā)出大量的長波紅外，且遵從普朗克輻射定律：

　　S（λ）=■■=■■ （1）

　　式（1）中S（λ）為輻射度;λ為輻射波長;T為黑體溫度;h，c，k，c1，c2為常數(shù)。

　　對式（1）的S（λ）求微商最大值，得到維恩位移定律：

　　T×λmax=2897。8Kμm （2）

　　黑體溫度T和輻射峰值波長λmax成反比，即溫度愈高，輻射峰值的波長愈小。

　　由式（2）對式（1）求整個波譜區(qū)的積分，得到單位面積輻射通量S：

　　S=σT4 （3）

　　式（3）中σ=5。6693×10—3，即斯蒂芬—波爾茲曼定律。

　　黑體的全波長輻射通量S與輻射溫度T的4次方成正比。

　　也就是說即使地表的任一小塊面積的溫度升高，都會引起輻射的較大增加。

　　根據(jù)不同火焰溫度與輻射強度的關系，建立對應關系如表1所示。

　　4 防林火災應用

　　超、特高壓架空輸電線路通常處于高山峻嶺的叢林密集區(qū)，林區(qū)燃燒時主要的輻射源是火焰和具有較高溫度的碳化物等，其產(chǎn)生的火焰溫度達500～1200℃，輻射的波長范圍為0。8～80μm，峰值波長為2～6μm，輻射能量約為1。43W/m2;而未發(fā)生燃燒的林區(qū)及地被物發(fā)出的輻射稱為背景輻射，其溫度一般在—40～+60℃，輻射波長在1。5～30μm，輻射能量約為0。0173W/m2。

　　因此，架空輸電線路的防林火災能根據(jù)其背景和燃燒區(qū)的溫度差異與輻射差異，進行監(jiān)控、識別、捕捉，起到事故前的災害預警作用。

　　紅外圖像信息火災識別技術，對具有動態(tài)變化特征的煙火圖像能進行撲捉。

　　通過分析撲捉到的圖像中輻射強度、火焰溫度來提前預知是否發(fā)生火情;通過撲捉到的像素點所構成的區(qū)域統(tǒng)計該疑似火焰區(qū)域的面積，提前預知火災發(fā)生后可能影響到的面積。

　　下圖3為全天候森林火情自動識別系統(tǒng)構架，其所使用的在線監(jiān)測裝置就是基于這種原理。

　　利用紅外探測技術，通過計算機對輸電線路的背景物的輻射能量進行監(jiān)控、分析、識別、捕捉、預警，替代傳統(tǒng)的人工視覺識別與告警。

　　該系統(tǒng)主要是由視頻圖像采集部分、紅外測溫報警系統(tǒng)、智能數(shù)字轉(zhuǎn)臺、網(wǎng)絡圖像視頻編/解碼服務器、基站智能管控系統(tǒng)、圖像綜合分析單元和中央綜合控管平臺等構成，通過采用現(xiàn)有的可見光攝像機，不僅白天能拍攝到清晰的圖像，在應用紅外熱成像原理后，不受夜晚和惡劣天氣影響，也能拍攝到森林比較清晰的圖像，并結合可見光圖像和紅外熱圖像的觀測方式，達到全天候24小時監(jiān)測森林火情，發(fā)出聲光報警。

　　目前該系統(tǒng)已在部分城市的森林防火中開展應用。

　　5 結束語

　　根據(jù)紅外光波的輻射特性，在全天候森林火情自動識別系統(tǒng)的應用技術基礎上，結合輸電線路桿塔處于林區(qū)較高點的特點，可運用下面三種紅外探測技術來預防林火災對輸電線路造成災害：

　�、贆z測高于正常環(huán)境溫度的火點，工作波段為1～3μm;②檢測相對背景的高溫點，工作波段為3～5μm或8～12μm;③檢測火災前期產(chǎn)生的煙霧，工作波段為可見光。

　　通過檢測不同波長對應的煙霧、高溫、火點，對出現(xiàn)異常情況但尚未發(fā)生火災的BC階段進行重點關注與現(xiàn)場排除，對燃燒初起階段的CD階段進行緊急撲救，對火災階段的DE階段進行火勢觀察，提前做好輸電線路負荷的轉(zhuǎn)移和電網(wǎng)系統(tǒng)的調(diào)配，保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。

　　參考文獻：

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