毕业设计（论文）-红外探测器的发展及原理.doc

1、 摘要 本文介绍红外探测器的发展及原理，随着红外物理与技术的不断发展, 红外探测技术已被广泛地应用于军事、煤矿的安全生产等各个领域.我们从红外探测的发展开始说起任何物体, 只要其温度高于绝对零度, 就会发出红外辐射,由于物体各部位温度不同, 辐射率不同, 就会显示出不同的辐射特征, 经过大气传输,被红外探测设备接收后, 经光电转换, 成为人眼可观察的图像。红外探测技术是利用目标与背景之间的红外辐射差异, 所形成的热点或图像来获取目标和背景信息的, 探测系统包括: 光学系统和探测器、信息处理器、扫描与伺服控制、显示装置、信息输出接口、中心计算机和激光测距等装置。红外接收光学系统的作用是把目标或目标区域的红外辐射聚焦在探测器上, 其结构类似于通常的接收光学系统, 但由于工作在红外波段, 其光学材料和镀膜必须和其工作波长相适应。红外探测器将目标及背景的红外辐射转换成电信号, 经过非均匀性修正和放大后以视频形式输出至信息处理器。信息处理器由硬件和软件组成, 对视频进行快速处理后获得目标信息, 通过数据接口输出。显示装置可以实时显示视频信号、状态信息。中心计算机的作用是对整个系统提供时序、状态、

2、接口及对内、对外指令等控制。扫描和伺服控制器控制光学扫描镜或伺服平台的工作, 并把光学扫描镜或伺服平台的角度位置信息反馈给中心计算机。介绍红外探测的发展以及前景。着重介绍其在军事和民用领域的应用。然后论述它在未来的发展前景。关键词 红外探测器 发展 原理 应用 发展前景 目录摘要2关键词21. 红外探测技术的原理42. 红外探测技术的发展43.红外探测技术的应用54.红外探测技术在军事领域的应用64.1.机载红外预警探测系统和雷达预警探测系统64.2.机载红外预警探测系统组成结构和探测体制64.2.1组成结构64.2.2探测体制75.红外探测技术在民用领域的应用85.1红外辐射探测地下管道85.2红外线探查原理及手段85.3探查对象与工作方法95.4探测成果及看法106.红外探测技术在隧道超前探水中的应用研究116.1对隧道周边进行探测116.2 对掘进断面进行探测116.3探测曲线的分析和解释方法126.4 如何识别受干扰的探测曲线126.4.1正常场126.4.2正常场与干扰场相叠加126.5曲线分析136.5.1排除探测过程的错误读数136.5.2相对位置的曲线对比136.5.3

3、隧道周边和断面曲线136.5.4断面差值曲线156.6 成图要求166.7应用实例16隧道断面探测曲线分析166.8隧道断面探测曲线和隧道周边探测曲线综合分析166.8.1隧道断面探测曲线166.8.2隧道周边探测曲线176. 结束语18参考文献181. 红外探测技术的原理 任何物体, 只要其温度高于绝对零度, 就会发出红外辐射,由于物体各部位温度不同, 辐射率不同, 就会显示出不同的辐射特征, 经过大气传输, 被红外探测设备接收后, 经光电转换, 成为人眼可观察的图像。红外探测技术是利用目标与背景之间的红外辐射差异, 所形成的热点或图像来获取目标和背景信息的, 探测系统包括: 光学系统和探测器、信息处理器、扫描与伺服控制、显示装置、信息输出接口、中心计算机和激光测距等装置。红外接收光学系统的作用是把目标或目标区域的红外辐射聚焦在探测器上, 其结构类似于通常的接收光学系统, 但由于工作在红外波段, 其光学材料和镀膜必须和其工作波长相适应。红外探测器将目标及背景的红外辐射转换成电信号, 经过非均匀性修正和放大后以视频形式输出至信息处理器。信息处理器由硬件和软件组成, 对视频进行快速处理后

4、获得目标信息, 通过数据接口输出。显示装置可以实时显示视频信号、状态信息。中心计算机的作用是对整个系统提供时序、状态、接口及对内、对外指令等控制。扫描和伺服控制器控制光学扫描镜或伺服平台的工作, 并把光学扫描镜或伺服平台的角度位置信息反馈给中心计算机。 2. 红外探测技术的发展 目前，红外 探测技术已经发展到第四代，现在为了简便说起，我们就从第三代说起。 第三代前视红外的标志是凝视焦平露阵列。与前一代产品相比，增加了探测单元的数量，取消了光桃扫描器；嗣厢微电子技术把探测阵列和各种信息处理电路集成在一个芯片或混成在鼹个芯片上，消除大量从杜瓦瓶内向外的引线；以新型中、长波红外探测材料，替代难加工且昂贵的碲镊汞。凝视焦平面阵列被认为是热成像(包括前视红外)技术的一次革命，戒为第三代热栽像器的标志 。第四代前视红外体现在中波和长波波段的同时工作能力，最近出现的多量子阱红外探测器为这种双波段探测器提供了一种方法。具有不同光谱灵敏度的多量子阱层可以在纵向集成的结构中生长，通过在多量子阱叠层的中波红外和长波红外部分产生分开的接触层，实现了精确的像元匹配。多量子阱技术为人们提供了一种容易生产的多色焦平

5、面阵列目前，美国、法国、德国、英国等已经研制出48x4、288 X4、4804、和9604元光伏型碲镉汞扫描焦平面阵列，美圈主张在第二代前视红外中采用4804元，欧洲则采用288 X4元。扫描焦平面阵列已经成熟并列人RAH一66“曼奇”身机等计划，开始在第二代前视红外以及红外成像导弹寻的器穗红外搜索跟踪系统中应用。其分辨率较第一代前视红外增加了5060，探测距离更远，在恶劣气象条件下的工作也更有效沼。3.红外探测技术的应用 红外探测具有环境适应性好、隐蔽性好、抗干扰能力强、能在一定程度上识别装目标, 且设备体积小、重量轻、功耗低等特点, 主要应用于以下几个方面: 3.1 搜索跟踪。搜索平台周围的广大区域出现的目标, 跟踪并将信息传送给相应单位。 3.2 火力控制。把捕获、跟踪目标获取的信息直接用于平台的火力运用, 攻击目标。 3.3 制导。用于导弹寻的: 便携式地对空导弹、近程地对空导弹、导弹防御用地对空导弹等; 对付反舰导弹的舰载近程对空导弹、舰载BMD 用对空导弹等; 机载反舰导弹(A SM ) ; 空空格斗导弹等。 3.4 侦察、监视、预警和告警等。FL IE (前视红外装置)

6、等警戒(预警) 用IRDS (红外探测装置)、救援直升机装备的旋转头型FL IR 等搜索救难用IRDS、高速导弹艇搭载FL IR 等监视可疑船只用IRDS、海峡警备所设置的FL IR 监视整个海峡用的IRDS, 将来还考虑像美国国防支援项目传感器那样的监视用星载IRDS。4.红外探测技术在军事领域的应用 红外探测技术在军事领域的应用主要集中在几个方面，一个是预警探测;一个是隐身技术。首先我们来看看预警探测4.1.机载红外预警探测系统和雷达预警探测系统 军用红外探测技术研究威胁目标的红外辐射特性和大气传输特性, 通过对目标红外信息的获取和处理,实现对目标的检测、跟踪和识别。在现代防御体系中, 红外等光电探测手段因其隐蔽性好, 探测精度和分辨率高, 常与雷达一起构成多层次、多平台、多功能的立体防御网, 以满足不断增长的军事需求。与雷达预警探测系统相比,红外预警探测系统具有两个本质的特征:一是工作于光频的红外波段(波长为35m或812m) ,二是以无源(被动)方式工作。正是工作频段和工作方式的重大变化,导致预警探测系统战术性能的重大变化,使得红外预警探测系统具备了如下技术特点:抗电子干扰能力

7、强;隐蔽性好,不易受反辐射导弹攻击;对目标的热辐射敏感,探测隐身目标能力强;借助目标红外特征信号分析,可识别和分类目标;体积小、质量轻、功耗低,适装性好。4.2.机载红外预警探测系统组成结构和探测体制 4.2.1组成结构 红外预警探测系统是预警机的主要任务电子系统的子系统之一。除此之外,还包括雷达预警探测子系统、导航子系统、通信子系统、电子对抗侦察子系统、敌我识别子系统、数据链终端等。红外预警探测系统主要由双波段红外摄像头、图像处理单元(包括中波红外图像处理、长波红外图像处理和图像融合处理) 、跟踪信息处理单元、综合信息处理单元、综合显示单元、通信与数据接口以及伺服稳定平台组成。双波段红外摄像头由接收光学系统和双波段红外凝视焦平面阵列探测器( 3 5m 波段和8 12m波段)组件组成,完成目标红外辐射信号采集、信号预处理。图像处理单元完成两路视频处理,图像分割、特征提取、匹配相关、融合处理。角跟踪处理单元完成跟踪决策和角跟踪误差信号提取。通信与数据口完成红外预警探测分系统与机内及机外信息和数据交换。4.2.2探测体制 红外预警探测系统用于机载预警的探测体制主要有三种:即IRST与雷达集

8、成和信息融合、IRST与激光雷达集成和多机组网IRST无源定位等。 IRST与雷达集成和信息融合体制是指IRST系统与雷达预警探测系统集成,或者轻型红外预警机(作为雷达预警机的前置机)与雷达预警机(作为中心机)协同工作,借助数据链路并通过信息融合实现目标定位。其优点是可实现功能和性能的优势互补,延伸预警探测距离,在雷达受到干扰而无法正常工作时,预警机仍能靠IRST系统实现对目标的搜索和跟踪,但无定位能力。这种体制的合理应用是雷达预警机加装IRST系统的集成与融合应用,这也是美国“高级鹰眼”预警机所采取的技术路线。 IRST与激光雷达集成体制是由IRST系统完成目标搜索与跟踪并借助其精密角跟踪信息引导同一稳定平台上的同轴激光雷达波束对目标测距,实现对目标的精确定位。这种全光电体制具有测量精度高、抗干扰能力强、适装性好的特点,不足之处是由于激光雷达波束很窄,要求极高的角引导精度(毫弧度量级) ,因而技术难度较大。美国空军的“眼镜蛇球”预警机和海军的“门警”预警系统就是采用这种体制。 多机组网IRST无源定位体制是基于三角定位的原理,利用两个或两个以上具有一定基线长度的高测角精度IRST系统

9、,借助空- 空数据链和定位算法实现目标精确定位的一种预警探测体制。这种体制的测量原理比较简单,定位(测距)能力主要取决于IRST系统的灵敏度,而定位精度则主要取决于预警机导航系统的姿态测量精度(要求0.3mrad) 、IRST系统的测角精度(方位和俯仰) 、布站几何及站址定位精度、平台间时间同_步精度以及测量算法精度。其中预警机导航系统的姿态测量精度不高,是实现该体制的主要制约因素。目前国外姿态测量精度约0. 9mrad,因而制约了基于高精度角跟踪的双基地无源定位的精度。对上述三种红外预警探测系统体制的分析比较表明:全光电预警探测体制可独立实现低可探测性目标的搜索、跟踪和高精度定轨,但微弧度量级的激光跟踪瞄准精度实现起来有一定技术难度;多机组网红外无源定位体制也可实现低可探测性目标的无源搜索、跟踪和定位,但因受预警机姿态测量精度的制约而难以实现;红外搜索、跟踪系统与雷达集成和融合体制,能实现两者的优势互补,而且近期具有较探测系统体制。强的工程可实现性,因此是性价比较好的一种预警。可以说，机载红外预警探测系统是传统雷达探测系统的一种升华，可以担当起未来防御祖国的重任5.红外探测技术在民用领域的应用 任何一门技术都是先从军事领域发展起来，成熟后才会渐渐应用到民用领域，那么在民用领域，红外探测技术得到了哪些应用呢？事例一5.1红外辐射探测地下管道 利用机载和卫星携带的热敏元件对地面进行大面积扫描成象, 借此寻找古河道及贮水断裂构造在国内已有应用, 且成果显著。但应用热红外方法对某一特定环境和地区的浅层埋藏管道进行探查, 这在国内尚乏先例。尤其在工业发达又面临改造

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