紅外技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

PAGEPAGE1——紅外技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用呂立波紅外科學(xué)技術(shù)是研究紅外輻射的產(chǎn)生、傳輸、轉(zhuǎn)換探測(cè)及應(yīng)用的一種高新技術(shù)。軍事應(yīng)用是推動(dòng)紅外技術(shù)發(fā)展的主要?jiǎng)恿ΑＴ跉v次戰(zhàn)爭(zhēng)中，紅外技術(shù)曾顯示出巨大的威力，它已成為現(xiàn)代軍事裝備的重要組成部分。紅外成像、紅外偵察、紅外跟蹤、紅外制導(dǎo)、紅外預(yù)警、紅外對(duì)抗等，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)和未來戰(zhàn)爭(zhēng)中都是必不可少的戰(zhàn)術(shù)和戰(zhàn)略手段。另一方面，由于紅外技術(shù)的獨(dú)特功能，近年來，軍用紅外技術(shù)已逐步實(shí)現(xiàn)了向民用部門的轉(zhuǎn)化。紅外成像、紅外測(cè)溫、紅外測(cè)濕、紅外檢測(cè)、紅外報(bào)警、紅外偵查、紅外理療、紅外遙感、紅外防偽、紅外夜視、紅外加熱等已是各行各業(yè)爭(zhēng)相選用的先進(jìn)技術(shù)，紅外技術(shù)在民用部門中發(fā)揮著日益重要的作用。紅外線的發(fā)現(xiàn)和本質(zhì)1672年，人們發(fā)現(xiàn)太陽光（白光）是由各種顏色的光復(fù)合而成，同時(shí)，牛頓做出了單色光在性質(zhì)上比白色光更簡(jiǎn)單的著名結(jié)論。使用分光棱鏡就把太陽光（白光）分解為紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫等各色單色光。1800年，英國(guó)物理學(xué)家F.W.赫胥爾從熱的觀點(diǎn)來研究各種色光時(shí)，發(fā)現(xiàn)了紅外線。他在研究各種色光的熱量時(shí)，有意地把暗室的唯一的窗戶用暗板堵住，并在板上開了一個(gè)矩形孔，孔內(nèi)裝一個(gè)分光棱鏡。當(dāng)太陽光通過棱鏡時(shí)，便被分解為彩色光帶，并用溫度計(jì)去測(cè)量光帶中不同顏色所含的熱量。為了與環(huán)境溫度進(jìn)行比較，赫胥爾用在彩色光帶附近放幾支作為比較用的溫度計(jì)來測(cè)定周圍環(huán)境溫度。試驗(yàn)中，他偶然發(fā)現(xiàn)一個(gè)奇怪的現(xiàn)象：放在光帶紅光外的一支溫度計(jì)，比室內(nèi)其他溫度的指示數(shù)值高。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，這個(gè)所謂熱量最多的高溫區(qū)，總是位于光帶最邊緣處紅光的外面。于是他宣布太陽發(fā)出的輻射中除可見光線外，還有一種人眼看不見的“熱線”，這種看不見的“熱線”位于紅色光外側(cè)，叫做紅外線。紅外線的發(fā)現(xiàn)是人類對(duì)自然認(rèn)識(shí)的一次飛躍，對(duì)研究、利用和發(fā)展紅外技術(shù)領(lǐng)域開辟了一條全新的廣闊道路。紅外線是一種電磁波，具有與無線電波及可見光一樣的本質(zhì)，紅外線的波長(zhǎng)在0.76~100μm之間，按波長(zhǎng)的范圍可分為近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外、極遠(yuǎn)紅外四類，它在電磁波連續(xù)頻譜中的位置是處于無線電波與可見光之間的區(qū)域。紅外線輻射是自然界存在的一種最為廣泛的電磁波輻射，它是基于任何物體在常規(guī)環(huán)境下都會(huì)產(chǎn)生自身的分子和原子無規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，并不停地輻射出熱紅外能量，分子和原子的運(yùn)動(dòng)愈劇烈，輻射的能量愈大，反之，輻射的能量愈小。溫度在絕對(duì)零度(－273℃)以上的物體，都會(huì)因自身的分子運(yùn)動(dòng)而輻射出紅外線。通過紅外探測(cè)器將物體輻射的功率信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后，成像裝置的輸出信號(hào)就可以完全一一對(duì)應(yīng)地模擬掃描物體表面溫度的空間分布，經(jīng)電子系統(tǒng)處理，傳至顯示屏上，得到與物體表面熱分布相應(yīng)的熱像圖。運(yùn)用這一方法，便能實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行遠(yuǎn)距離熱狀態(tài)圖像成像和測(cè)溫，并進(jìn)行分析判斷。紅外科學(xué)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)早在十九世紀(jì)，隨著紅外探測(cè)器的出現(xiàn)，人們就利用它研究天文星體的紅外輻射，但是紅外技術(shù)真正獲得快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用是從二十世紀(jì)開始的。紅外技術(shù)首先受到軍事部門的關(guān)注，因?yàn)樗峁┝嗽诤诎抵杏^察、探測(cè)軍事目標(biāo)自身輻射及進(jìn)行保密通訊的可能性。第一次世界大戰(zhàn)期間，為了戰(zhàn)爭(zhēng)的需要，研制了一些實(shí)驗(yàn)性紅外裝置，如信號(hào)閃爍器、搜索裝置等。雖然這些紅外裝置沒有投入批量生產(chǎn)，但它已顯示出紅外技術(shù)的軍事潛力。第二次世界大戰(zhàn)前夕，德國(guó)第一個(gè)研制了紅外變像管，并在戰(zhàn)場(chǎng)上應(yīng)用。戰(zhàn)爭(zhēng)期間，德國(guó)一直全力投入對(duì)其他紅外設(shè)備的研究，同時(shí)，美國(guó)也大力研究各種紅外裝置，如紅外輻射源、窄帶濾光片、紅外探測(cè)器、紅外望遠(yuǎn)鏡、測(cè)輻射熱計(jì)等。第二次世界大戰(zhàn)后，前蘇聯(lián)也開始重視紅外技術(shù)的研究，大力加以發(fā)展。二十世紀(jì)五十年代以后，隨著現(xiàn)代紅外探測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，軍用紅外技術(shù)獲得了廣泛的應(yīng)用。美國(guó)研制的響尾蛇導(dǎo)彈上的尋的器制導(dǎo)裝置和U-2間諜飛機(jī)上的紅外照相機(jī)代表著當(dāng)時(shí)軍用紅外技術(shù)的水平。因軍事需要發(fā)展起來的前視紅外裝置（FLIR）獲得了軍界的重視，并廣泛使用。機(jī)載前視紅外裝置能在1500米上空探測(cè)到人、小型車輛和隱蔽目標(biāo)，在2000米高空能分辨出汽車，特別是能探測(cè)水下40米深處的潛艇。在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中，充分顯示了紅外技術(shù)特別是熱成像技術(shù)在軍事上的作用和威力。海灣戰(zhàn)爭(zhēng)從開始、作戰(zhàn)到獲勝都是在夜間，夜視裝備應(yīng)用的普遍性乃是這次戰(zhàn)爭(zhēng)的最大特點(diǎn)之一。在戰(zhàn)爭(zhēng)中投入的夜視裝備之多，性能之好，是歷次戰(zhàn)爭(zhēng)不能比擬的。美軍每輛坦克、每個(gè)重要武器直至反坦克導(dǎo)彈都配有夜視瞄準(zhǔn)具，多國(guó)部隊(duì)除了地面部隊(duì)、海軍陸戰(zhàn)隊(duì)廣泛裝備了夜視裝置外，美國(guó)的F-117隱形戰(zhàn)斗轟炸機(jī)、“阿帕奇”直升攻擊機(jī)、F-15E戰(zhàn)斗機(jī)、英國(guó)的“旋風(fēng)”GR1對(duì)地攻擊機(jī)等都裝有先進(jìn)的熱成像夜視裝置。正因?yàn)槎鄧?guó)部隊(duì)在夜視方面的優(yōu)勢(shì)，所以在整個(gè)戰(zhàn)爭(zhēng)期間掌握了絕對(duì)的主動(dòng)權(quán)。多國(guó)部隊(duì)利用飛機(jī)發(fā)射的紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)揮了極大的威力，僅在10天內(nèi)就摧毀伊軍坦克650輛、裝甲車500輛。紅外技術(shù)作為一種高技術(shù)，它與激光技術(shù)并駕齊驅(qū)，在軍事上占有舉足輕重的地位。紅外成像、紅外偵察、紅外跟蹤、紅外制導(dǎo)、紅外預(yù)警、紅外對(duì)抗等在現(xiàn)代和未來戰(zhàn)爭(zhēng)中都是非常重要的戰(zhàn)術(shù)和戰(zhàn)略手段。目前，軍事紅外技術(shù)已逐步向民用部門轉(zhuǎn)化。紅外測(cè)溫、紅外測(cè)濕、紅外理療、紅外檢測(cè)、紅外報(bào)警、紅外遙感、紅外防偽等技術(shù)已越來越被廣泛采用，特別是標(biāo)志紅外技術(shù)最新成就的紅外熱成像、紅外夜視技術(shù)，不但在軍事上具有很重要的作用，在民用領(lǐng)域也大有用武之地。紅外技術(shù)的應(yīng)用紅外探測(cè)技術(shù)在軍事上的應(yīng)用紅外探測(cè)具有環(huán)境適應(yīng)性好、隱蔽性好、抗干擾能力強(qiáng)、能在一定程度上識(shí)別偽裝目標(biāo)，且設(shè)備體積小、重量輕、功耗低等特點(diǎn)，在軍事上被廣泛應(yīng)用于紅外夜視、紅外偵察以及紅外制導(dǎo)等多個(gè)方面。紅外偵察由于紅外技術(shù)的特殊性，使得紅外技術(shù)從一開始即受到各國(guó)國(guó)防軍事部門的青睞，部隊(duì)夜間作戰(zhàn)時(shí)的觀察、瞄準(zhǔn)的需求，是紅外熱成像技術(shù)發(fā)展的主要推動(dòng)力。夜間觀察、瞄準(zhǔn)裝置也是紅外熱成像技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域。紅外設(shè)備一出現(xiàn)即被安裝在各種武器和軍用車輛、飛機(jī)、坦克、衛(wèi)星及其他偵察工具上，用于實(shí)際戰(zhàn)爭(zhēng)中。紅外設(shè)備真正使部隊(duì)突破夜幕的障礙、獲得夜戰(zhàn)的自由。照相偵察衛(wèi)星攜帶紅外成像設(shè)備可獲得更多地面目標(biāo)的情報(bào)信息，并能識(shí)別偽裝目標(biāo)和在夜間對(duì)地面的軍事行動(dòng)進(jìn)行監(jiān)視，導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星利用紅外探測(cè)器可探測(cè)到導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰的紅外輻射并發(fā)出警報(bào)，為攔截來襲導(dǎo)彈提供寶貴的預(yù)警時(shí)間；利用攜帶紅外偵察裝置的有人或無人駕駛的偵察機(jī)、偵察直升機(jī)可有效地對(duì)敵方軍隊(duì)及其活動(dòng)情況、陣地布局、地形等情況進(jìn)行偵察與監(jiān)視，為作戰(zhàn)提供可靠的情報(bào)。紅外制導(dǎo)紅外制導(dǎo)就是利用目標(biāo)本身的紅外輻射來引導(dǎo)導(dǎo)彈自動(dòng)接近目標(biāo)，以提高命中率。紅外制導(dǎo)是當(dāng)前空空、空地、地空、反坦克導(dǎo)彈等普遍采用的工作方式。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前各國(guó)已生產(chǎn)和試制的紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈已超過50種。例如，美國(guó)的“海爾法”、“馬伐瑞克”空-地反坦克導(dǎo)彈，GBU-15組件式制導(dǎo)滑翔炸彈和加裝助推發(fā)動(dòng)機(jī)的AGM-130遠(yuǎn)距離投擲炸彈，“毒刺”BlockⅡ地-空導(dǎo)彈，瑞典的“林鸮”紅外制導(dǎo)迫擊炮彈，均配備了紅外成像導(dǎo)引頭。紅外焦平面陳列制導(dǎo)技術(shù)具有識(shí)別各類誘餌的能力，從而對(duì)真目標(biāo)有較高的命中率。紅外探雷地雷給地面部隊(duì)造成了極大的威脅，會(huì)延誤部隊(duì)的行動(dòng)。戰(zhàn)后，埋設(shè)在地下的地雷則危及平民。因此，部隊(duì)需要迅速、準(zhǔn)確地探測(cè)地雷的手段。探測(cè)地雷的方法有很多種，簡(jiǎn)單的有人工探查，先進(jìn)的有電磁感應(yīng)法、紅外熱成像法、地面穿透雷達(dá)法等。利用紅外熱成像測(cè)量法或紅外輻射測(cè)量法，測(cè)量地雷或埋設(shè)地雷時(shí)被翻動(dòng)土壤發(fā)射的熱輻射的波長(zhǎng)或強(qiáng)度變化，可以探測(cè)地雷。埋設(shè)深度10～20cm的地雷一般對(duì)土壤表面溫度沒有影響，但紅外熱成像裝置已具有足夠的空間和溫度分辨率，可以發(fā)現(xiàn)埋設(shè)地雷時(shí)造成的地面擾動(dòng)和異常。利用被動(dòng)紅外技術(shù)來探測(cè)生物化學(xué)戰(zhàn)劑利用紅外技術(shù)，可以探測(cè)化學(xué)／生物戰(zhàn)劑氣溶膠的兩個(gè)可遙感的特征——形狀和光譜，從而實(shí)現(xiàn)化學(xué)生物戰(zhàn)劑的被動(dòng)探測(cè)和報(bào)警。美國(guó)海軍在80年代末成功地部署了AN/KAS-1化學(xué)戰(zhàn)定向探測(cè)器。該探測(cè)器由前視紅外探測(cè)器和階躍式濾光片組成，探測(cè)神經(jīng)戰(zhàn)劑的距離達(dá)5km。受過訓(xùn)練的操作員可以確定5km距離內(nèi)的蒸氣云中是否包含神經(jīng)戰(zhàn)劑。除以上應(yīng)用之外，紅外探測(cè)技術(shù)還被用于軍事通信和雷達(dá)等方面。軍用紅外技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，表明紅外技術(shù)的地位已從以往的戰(zhàn)術(shù)地位向戰(zhàn)略地位發(fā)展，對(duì)未來戰(zhàn)爭(zhēng)將有重大的影響。紅外線在刑事技術(shù)方面的應(yīng)用紅外線應(yīng)用在刑事技術(shù)方面主要是刑事低溫紅外技術(shù)照像和應(yīng)用紅外光譜鑒定各種物證。低溫紅外技術(shù)照像低溫紅外技術(shù)照像的基本方法是用冷卻劑（一般用液氮）冷卻被拍攝物體，使物體處于低溫狀態(tài)，然后用藍(lán)綠光照射物體，用紅外濾色鏡把物體發(fā)射的紅外線分離出來，經(jīng)鏡頭成像記錄在紅外膠片上。低溫紅外照相的特點(diǎn)是可以大大提高紅外發(fā)光的強(qiáng)度，可拍攝到常規(guī)照相方法無法拍攝到的照片。例如，在某些盜竊、兇殺、強(qiáng)奸、爆炸、搶劫、詐騙等刑事案件中，犯罪分子會(huì)留下很多的痕跡物證，如：經(jīng)過消褪處理的字跡、涂改的印章、掩蓋的字跡、紡織品上消褪字跡等，用常規(guī)拍攝技術(shù)難以復(fù)現(xiàn)，甚至毫無效果。而采用低溫紅外照相技術(shù)可收到顯著效果。應(yīng)用紅外光譜鑒定各種物證紅外線在刑事技術(shù)方面應(yīng)用最為廣泛的是紅外光譜法。所謂紅外光譜法是用連續(xù)紅外線作光源，經(jīng)分光后作用在被測(cè)樣品上被選擇吸收形成吸收光譜，通過該吸收光譜來進(jìn)行定性及定量的結(jié)構(gòu)分析方法。紅外光譜法是近代進(jìn)行物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析的四大波譜之一。紅外光譜是由許多紅外吸收峰組成的，這些紅外吸收峰的頻率、形狀和強(qiáng)度反映出該物質(zhì)分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)，因此紅外光譜又起到分子指紋的作用。在刑事技術(shù)領(lǐng)域，它廣泛的應(yīng)用于分析遺留在犯罪現(xiàn)場(chǎng)及其有關(guān)客體上的各種有機(jī)物證。例如：油漆碎片、合成樹脂、塑料制品、有機(jī)合成纖維、橡膠、油脂和蠟狀物、染料、顏料、瀝青等。紅外光譜還能用于分析部分無機(jī)物證，例如：油漆中的無機(jī)填料（碳酸鈣、硫酸鋇、滑石粉、石膏粉等）和無機(jī)顏料（鈦白粉、氧化鋅、鋅鋇白、磷酸鋅、鉻黃、鐵藍(lán)等）以及泥沙、礦物等，通過紅外光譜分析可以確定許多物證所屬種類，為破案提供線索或指明偵破方向。紅外光譜還是一種很有效的比對(duì)分析手段，在各種案件的物證檢驗(yàn)中，通過對(duì)嫌疑物證與現(xiàn)場(chǎng)遺留物證的比對(duì)分析，可以得到非常有價(jià)值的結(jié)果，在偵破案件，提供證據(jù)方面發(fā)揮重要作用。紅外技術(shù)在安全防范領(lǐng)域的應(yīng)用近年來，在安全防范報(bào)警領(lǐng)域，人們利用紅外技術(shù)來對(duì)防范場(chǎng)所進(jìn)行探測(cè)和警戒，紅外報(bào)警器獲得了廣泛的應(yīng)用。紅外線報(bào)警器是指利用紅外線來對(duì)入侵者進(jìn)行探測(cè)的裝置。根據(jù)探測(cè)原理不同，可分為主動(dòng)紅外報(bào)警器和被動(dòng)紅外報(bào)警器兩類。主動(dòng)紅外報(bào)警器有紅外發(fā)射機(jī)和接收機(jī)兩部分組成，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)相對(duì)安裝在要警戒區(qū)域的兩端，工作時(shí)，紅外發(fā)射機(jī)發(fā)出一束經(jīng)調(diào)制的紅外光束，被與發(fā)射機(jī)相對(duì)安裝的紅外接收機(jī)接收，形成一條由紅外光束組成的看不見的警戒線。當(dāng)有人侵入警戒線時(shí)，紅外光束被部分或全部遮擋，接收機(jī)收到的紅外信號(hào)發(fā)生突變，從而發(fā)出報(bào)警觸發(fā)信號(hào)。主動(dòng)紅外報(bào)警器一般用于室外進(jìn)行周界防范，也可用于室內(nèi)封鎖門、窗走廊等處。被動(dòng)紅外報(bào)警器工作時(shí)不向外發(fā)射任何能量，而是利用紅外敏感元件接收人體的紅外輻射進(jìn)行報(bào)警。其核心部件是紅外傳感器，目前被動(dòng)紅外報(bào)警器中使用的紅外傳感器是一種熱釋電紅外傳感器，這種傳感器是利用某些結(jié)晶體在受到光線照射后，會(huì)產(chǎn)生顯著的熱電效應(yīng)的原理制成的。即吸收了紅外線的結(jié)晶體，產(chǎn)生極化作用，形成表面電荷的積累，電荷的多少與結(jié)晶體吸收的紅外線的能量強(qiáng)弱成正比。通過光學(xué)系統(tǒng)配合，這種紅外報(bào)警器可以探測(cè)到一個(gè)立體空間紅外輻射的變化。當(dāng)防范空間沒有活動(dòng)的人體時(shí)，由于所有背景物體（墻壁、家具等）在室溫下紅外輻射的能量較小，而且基本上是穩(wěn)定的，所以不會(huì)觸發(fā)報(bào)警。當(dāng)有人進(jìn)入防范空間活動(dòng)時(shí)，會(huì)造成紅外輻射能量的變化，紅外傳感