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紅外探測技術的應用與發展
紅外探測技術的應用與發展【1】
【摘 要】 紅外探測技術是一門高新技術，它利用目標所發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展，在軍事領域應用廣泛。
經過半個多世界的發展，目前的紅外技術已滲透到軍事、安全生產工程、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 發展
紅外物理與技術的不斷發展，使得紅外探測成功滲透到軍事、安生生產工程、生活等方方面面。
例如，作戰時由于導彈和戰斗機平臺的雷達探測面積驟減，唯有紅外探測系統可以精確捕捉到這些高速運轉的空中探測目標;礦山施工時，利用高溫度分辨紅外熱成像儀實時監測巖體，以便及時發現裂縫危石、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，根據紅外輻射能量差異來判斷是否有不良地質等。
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過大氣傳播被紅外輻射器接受后再光電轉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和出現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，會產生光子效應，光子探測器就是在這一原理的基礎上產生的，所用材料的電學性質發生相應變化。
通過分析電學性質的變化，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光電探測器兩種。
2 幾種紅外探測技術的應用與發展趨勢
2。1 幾種紅外探測技術的應用
紅外探測技術獨特的優點：紅外輻射看不見。
保密性好;環境適應性好;采用被動接受系統，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、監視：紅外偵察監視主要包括空間、空中、地面的紅外偵查與監視，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：負有監視任務的監視衛星，負有警戒任務的警戒裝置，負有救援任務的救援直升機等，艦艇配備的監視系統等等，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，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，紅外對抗系統得到迅猛發展。
基于激光的多波段對抗系統用來躲避熱尋導彈的威脅，保護直升機和攻擊機;定向紅外對抗系統保護作戰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模應用在地質災害的預測上，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，巖石會把她內部的地質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。
2。2 發展趨勢的預測（發展分析）
隨著紅外技術的高速發展，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。
探測器從單元發展到多元線陣以至面陣、單元面積趨小;從信號調制機制轉換到掃描機制;從單一視場轉換到可變視場，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展的必然趨勢。
3 結語
紅外探測技術由短波紅外發展到長波紅外，由單波段向多波段發展，以及紅外探測數據的融合和復合探測技術的發展，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定運行的重要內容，特別是超、特高壓架空輸電線路，多數處于高山峻嶺的叢林密集區，且擔負著區域大負荷的傳輸任務，對整個電網的安全穩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，直到沒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到火災階段分為四個階段，即正常初始狀態（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。
林火災各階段的現象及狀態如下：
①正常初始狀態，即物體處于正常情形下的狀態。
②溫度升高階段，即預熱階段。
在外界火源的作用下，可燃物的溫度緩慢上升，蒸發大量水蒸汽，伴隨產生大量煙霧，部分可燃性氣體揮發，可燃物呈現收縮和干燥，處于燃燒前的狀態。
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，發出黃紅色火焰。
④火災階段，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階段出現異常情況但尚未發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：
①地面巡護。
把視頻監測裝置安裝在桿塔最高點上，監測林區四周，通過人工監視監測裝置傳輸畫面來發現林火發生的位置及狀況。
②望臺望。
利用地理信息系統技術和數學方法，根據一定原則合理設置望臺并聯網，通過臺網之間觀察人員的監視進行相互驗證和互補。
③空中巡護。
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衛星監測。
采用GIS對林區的各種數據進行分析，利用衛星遙感進行大面積林火監測，特別是對無人區、國界附近及鄰國的林火監測。
其中衛星監測受衛星過境次數及其分辨率的限制，僅適于對全國宏觀區域的林火發生面積和位置進行定期監測，跟蹤顯示重大林火的發展蔓延態勢;空中巡護具有機動靈活的優點，但是由于需要耗費較大的人力、物力，成本高，所以適合于發生森林火災時對林火的蔓延態勢進行有針對性的連續實時跟蹤監測;望臺望和地面巡護是以人工為主，雖然其覆蓋面積小，但是在日夜實時監測以及提供全面、準確、及時、詳盡的火災現場數據方面具有很大的優越性。
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射電磁輻射即紅外光，其發射紅外光波長與發射量關系如圖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出較強的中波紅外輻射，周圍隨著溫度的逐漸下降則發出大量的長波紅外，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。
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，林區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;而未發生燃燒的林區及地被物發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其背景和燃燒區的溫度差異與輻射差異，進行監控、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生火情;通過撲捉到的像素點所構成的區域統計該疑似火焰區域的面積，提前預知火災發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構架，其所使用的在線監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控、分析、識別、捕捉、預警，替代傳統的人工視覺識別與告警。
該系統主要是由視頻圖像采集部分、紅外測溫報警系統、智能數字轉臺、網絡圖像視頻編/解碼服務器、基站智能管控系統、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小時監測森林火情，發出聲光報警。
目前該系統已在部分城市的森林防火中開展應用。
5 結束語
根據紅外光波的輻射特性，在全天候森林火情自動識別系統的應用技術基礎上，結合輸電線路桿塔處于林區較高點的特點，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：
①檢測高于正常環境溫度的火點，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，對出現異常情況但尚未發生火災的BC階段進行重點關注與現場排除，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移和電網系統的調配，保證電網安全穩定運行。
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