红外传感器在军事领域的广泛应用

【例8.18】　红外测温仪。

红外测温仪是利用热辐射体在红外波段的辐射通量来测量温度的。当物体的温度低于1 000°C时，其向外辐射的能量主要集中在红外波段，可用红外探测器检测其温度。采用红外滤光片或单色仪可使红外测温仪工作在任意红外波段。

图8.75所示为红外测温仪原理示意图。红外测温一般采用全辐射测温法，测量物体所辐射出来的全波段辐射能量从而计算物体的温度。它是斯特藩-玻尔兹曼定律（Stefan-Boltzmann Law）的应用，定律表达式为

式中　W——物体的全波辐射出射度，单位面积所发射的辐射功率；

ε——物体表面的法向比辐射率；

δ——斯特藩-玻尔兹曼常数；

T——物体的绝对温度（K）。

图8.75　红外测温仪原理示意图

一般物体的ε在0～1，ε＝1的物体叫作绝对黑体。T越大，物体的辐射功率就越大。红外探测器一般为光电池或钽酸锂（LiTaO3）热释电探测器，透镜的焦点落在其光敏面上。被测目标的红外辐射通过透镜聚焦在红外探测器上，红外探测器将红外辐射变换为电信号输出。红外测温仪根据被测物体表面黑度系数、距离面积补偿系数、水气吸收修正系数、环境温度以及被测物辐射出来的红外光强度等参数，计算出被测物体的表面温度。当被测物不是绝对黑体时，则根据预先标定过的温度，输入光谱黑度修正系数。

【例8.19】　红外热像仪。

红外热像仪是利用物体的热辐射，通过热图像技术，给出热辐射体的温度和温度分布，并能将其转换成可见热图像的仪器。

如图8.76所示，热成像的光学系统为全折射式，物镜材料为单晶硅，通过更换物镜可对不同距离和大小的物体扫描成像。光学系统中垂直扫描和水平扫描均采用具有高折射率的多面平行棱镜，由电机带动旋转，扫描速度和相位由扫描触发器、脉冲发生器和有关控制电路控制。

图8.76　红外热像仪原理示意图

红外探测器输出的微弱信号送入前置放大器，以抵消目标温度随环境温度变化引起的测量误差。前置放大器的增益可通过调整反馈电路进行控制。前置放大器的输出信号，经视频放大器放大，再去控制显像屏上射线的强弱。由于红外探测器输出的信号大小与其所接收的辐照度成比例，因此显像屏上射线的强弱也与探测器所接收的辐照度成比例变化。

【例8.20】　红外无损检测技术。

红外无损检测技术是基于物体的热辐射特性，扫描记录试件表面由于缺陷和材料不同的热特性引起的温度变化，通过表面温度场分布即可获取工件的缺陷信息，因此，又被称为热无损检测技术，其检测过程与被测物体的热扩散过程紧密相关。当热量加载在试件表面时，热流注入试件并在其内部扩散，如果工件内部有缺陷存在，热流被缺陷阻挡，经过一定时间就会在缺陷附近发生热量堆积，引起工件表面温度梯度的变化。用红外测温仪器扫描试件表面，测量试件表面的温度分布情况，检测到温度异常点时，就可以判断该位置表面或内部存在缺陷。(www.xing528.com)

红外无损检测技术按其检测方式可分为两大类：主动式检测和被动式检测。主动式检测是在人工加热工件的同时或在加热后，经一段时间的延迟再扫描记录被观察试件表面的温度分布；被动式检测是利用工件自身与周围环境的温差，在被检测试件与周围环境热交换的过程中确定工件内部是否有缺陷存在。被动式检测多用于运行中的设备、工件或工作中的电子元器件的检测。

与其他无损检测方法相比，红外无损检测技术有以下特点：

①能实现非接触测量。

②检测精度和空间分辨率较高，反应快。

③操作简单、安全可靠，易于实现自动化和实时观察。

④采用周期性热源加热时，加热频率不同可探测不同深度的缺陷，当频率高时，有利于探测表面微裂纹，频率低时，可探测较深缺陷，但灵敏度降低。

⑤采用热像仪检测能显示缺陷的大小、形状和缺陷深度。

如图8.77所示，板状试件尺寸为100 mm×26 mm×2 mm。为了模拟裂纹的检测，在试件一侧正中间用电火花加工出深1 mm、宽0.2 mm的线槽，分别用不同电压加热，其热像图分别如图8.77（b）和（c）所示。

图8.77　板状试件红外无损检测

图8.78是钢轨缺陷的红外无损检测，采用电涡流线圈加热。其中，图8.78（a）是静态测试结果，加热时间200 ms，三匝线圈加热，疲劳裂纹的长度为2 mm。图8.78（b）和8.78（c）是钢轨缺陷的动态测试设备及测试结果，采用的是双匝回形线圈加热。

图8.78　热红像红外传感器对钢轨缺陷的检测

扫描下图可浏览AR资源——红外热成像原理检测钢轨缺陷。

【例8.21】　红外传感器的军事应用。

自20世纪50年代起，红外传感器一直在精确制导武器领域占有一席之地，已在红外/热成像制导的空空导弹、空地导弹、制导导弹、灵巧导弹、巡航导弹、反舰导弹、防空导弹、反坦克导弹、制导炮弹等领域得到广泛应用。

夜战是一种主要的作战方式，包括红外成像技术在内的夜视技术已成为一种关键的军事技术，其核心就是红外探测技术。如果作战一方拥有红外/热成像技术装备，则可利用夜幕掩护形成“单向观察优势”。

红外传感器可用于探测隐形飞行器。隐形飞行器虽然采用的红外隐身技术，但其温度总比背景温度高，依旧有可能被红外传感器，尤其是红外成像设备探测到，可以精确提供目标的角位置信息，探测距离可达数百千米。

红外传感器也可用于炮弹告警。将凝视型红外传感器安装在飞机、舰艇等平台上，可用来对来袭导弹进行告警和其他红外威胁告警，或自动发出对抗指令，或自动启动红外干扰设备进行自卫。