红外焦平面探测器普及知识

红外辐射仪的原理红外辐射仪是一种测量物体辐射的仪器，利用红外辐射的特性来实现对物体表面温度的测量。

红外辐射仪的原理涉及到物体辐射、传感器探测和温度计算等三个方面。

首先，红外辐射仪基于物体的辐射特性来进行测量。

所有的物体在室温下都会发出能量辐射，这种辐射能量主要包括可见光、红外辐射和热辐射等。

其中，红外辐射是一种波长范围在太阳光下方的电磁辐射，因此人眼无法直接看到。

物体的红外辐射能量与其表面温度成正比，且比例关系由普朗克黑体辐射定律来描述。

根据这个定律，测量物体红外辐射能量就可以推导出物体的温度。

其次，红外辐射仪利用专门的传感器来探测物体发出的红外辐射能量。

传感器通常由红外探测器和信号转换电路组成。

红外探测器是红外辐射仪的核心部件，它能感知物体表面发出的红外辐射能量，并将其转化为电信号。

红外探测器常用的类型有热电偶、热敏电阻、焦平面阵列等。

热电偶是一种利用热电效应将热能转化为电信号的传感器，它由两个不同材料制成的导线焊接在一起，当其中一个端口受热时，会产生电压信号。

热敏电阻则是一种电阻值随温度变化的传感器，其电阻值与温度成反比。

焦平面阵列是一种将热像探测器集成在一个平面上的传感器，通过阵列中每个像素点的电信号来获取物体表面的温度信息。

最后，利用传感器获取的红外辐射能量信号，红外辐射仪可以通过计算来得到物体表面的温度。

常见的计算方法包括从传感器输出的电压值或电阻值读取，然后通过与预先标定的传感器特性曲线进行匹配，得到对应的温度值。

此外，还可以通过对传感器输出信号进行放大或滤波处理，以提高测量的精度和稳定性。

综上所述，红外辐射仪的原理基于物体的红外辐射特性、传感器的探测和信号转化以及温度计算等环节。

通过测量物体表面发出的红外辐射能量，利用传感器感知和转换成电信号，再通过计算获得物体的温度值。

红外辐射仪在工业、医疗、农业等领域具有广泛的应用，如测量冶金熔炉的温度、医院中测量体温、农田的农作物生长情况等。

红外探测技术的应用摘要：红外探测技术广泛应用于生活与科技的方方面面，不过红外技术的发展也经历了一个比较漫长的过程，从发现到应用，都是一点一丁的积累的。

在这个过程中，红外技术也慢慢改变，极大方便人们的生活。

关键词：红外探测技术；应用；发展趋势一、引言红外辐射是波长介于可见光与微波之间的电磁波辐射，人眼察觉不到。

要察觉这种辐射的存在并测量其强弱，必须把它转变成可以察觉和测量的其他物理量。

一般说来，红外辐射照射物体所引起的任何效应，只要效果可以测量而且足够灵敏，均可用来度量红外辐射的强弱。

现代红外探测器所利用的主要是红外热效应和光电效应。

这些效应的输出大都是电量，或者可用适当的方法转变成电量。

红外探测技术是利用目标辐射的红外线来搜索、探测和跟踪目标的一门高技术。

由于红外探测器环境适应性好、隐蔽性好、抗干扰能力强、能在一定程度上识别伪装目标，且具有设备体积小、重量轻、功耗低等特点，所以在军事，医疗，工程等领域都得到广泛的应用。

二、红外探测的发展历史发展过程：1800 年, 英国人赫婿尔用水银温度计发现红外辐射。

1821 年, 塞贝克发现温差电效应, 之后把热电偶、热电堆用于红外探测器。

1859 年, 基尔霍夫提出有关物体热辐射吸收与发射关系的定律。

1879～1884年, 斯特番•玻尔兹曼提出了有关绝对黑体总辐射能量与其绝对温度之间关系的定律。

1893 年, 维恩推出黑体分布的峰值与其温度之间关系的位移定律。

1900 年, 普朗克发表能量子模型和黑体辐射定律, 导出黑体光谱辐射出射度随温度和波长变化的关系式。

上述这些工作为红外技术的发展奠定了坚实的理论基础。

在1910～1920 年的10 年中, 出现了探测舰船、飞机、炮兵阵地和冰山等目标的红外装置, 发展了通信、保安、红外测温等设备。

二战期间, 出现了红外变像管、光子探测器等, 开创了夜视技术。

1952～1953 年, 美国研制出世界上最早的热像仪,1956 年长波热像仪问世, 随后, 1964 年美国TI 公司研制的热像仪成功地用在越南战场上。

论述了成像光谱仪的基本原理以及在农业、林业、工业及科研、环境保护等方面的应用，对我国光谱仪的研究发展概况作了简单介绍。

1 系统工作原理与结构高光谱成像仪将成像技术和光谱技术结合在一起，在探测物体空间特征的同时并对每个空间像元色散形成几十个到上百个波段带宽为10nm左右的连续光谱覆盖。

根据成像光谱仪的扫描方式，其工作原理也不尽相同，作为光学成像仪成像的一个例子，这里简述一下焦平面探测器推扫成像原理。

1.1 系统工作原理焦平面探测器推扫成像原理见图1。

地面物体的反射光通过物镜成像在狭缝平面，狭缝作为光栏使穿轨方向地面物体条带的像通过，挡掉其他部分光。

地面目标物的辐射能通过指向镜，由物收镜收集并通过狭缝增强准直照射到色散元件上，经色散元件在垂直条带方向按光谱色散，用会聚镜会聚成像在传感器使用的二维CCD面阵列探测元件被分布在光谱仪的焦平面上。

焦平面的水平方向平行于狭缝，称空间维，每一行水平光敏元上是地物条带一个光谱波段的像；焦平面的垂直方向是色散方向，称光谱维，每一列光敏元上是地物条带一个空间采样视场(像元)光谱色散的像。

这样，面阵探测器每帧图像数据就是一个穿轨方向地物条带的光谱数据，加上航天器的运动，以一定速率连续记录光谱图像，就得到地面二维图像及图形中各像元的光谱数据，即图像立方体。

图1.光谱成像仪数据获取系统的结构1.2 光谱成像仪数据获取系统构成光谱成像仪由光学系统、信号前端处理盒、数据采集记录系统三部分组成。

数据的回放及预处理通过专用软件在高性能的微机上完成。

软件具有如下功能：数据备份；快速回放；数据规整和格式转换；图像分割截取；标准格式的图像数据生成等。

2 成像光谱仪的应用成像光谱仪的应用范围遍及化学、物理学、生物学、医学等多个领域，对于纯定性到高度定量的化学分析和测定分子结构都有很大应用价值。

如在生物化学研究中，可以利用喇曼光谱鉴别一些物质的种类，还可以测定分子的振动转动频率，定量地了解分子间作用力和分子内作用力的情况，并推断分子的对称性，几何形状、分子中原子的排列，计算热力学函数、研究振动一转动拉曼光谱和转动拉曼光谱，可以获得有关分子常数的数据。

红外探测技术红外检测技术基本原理红外技术的原理是基于自然界中一切温度高于绝对零度的物体，每时每刻都辐射出红外线，同时，这种红外线辐射都载有物体的特征信息，这就为利用红外技术探测和判别各种被测目标的温度高低与热分布场提供了客观的基础。

红外线是波长在0.76～1000μm 之间的一种电磁波，按波长范围可分为近红外、中红外、远红外、极远红外四类，它在磁波连续频谱中的位置是处于无线电波与可见光之间的区域。

红外线辐射在真空中的传播速度C ＝299792458m/s10103⨯≈cm/s红外辐射的波长ωλc=式中：C:速度λ：波长ω：频率红外线辐射是自然界存在的一种最为广泛的电磁波辐射，它是基于任何物体在常规环境下都会产生自身的分子和原子无规则的运动，并不停的辐射出热红外能量，分子和原子的运动愈剧烈，辐射的能量愈大，反之，辐射的能量愈小。

温度在绝对零度以上的物体，都会因自身的分子运动而辐射出红外线。

其中黑体频谱辐射能流密度对红外辐射波长的关系，根据普郎克定律：e C p T T c λλλ2151⨯= （瓦·厘米2-·微米1-）式中： p Tλ—波长λ，热力学温度为T 时，黑体的红外辐射功率。

C 1—光速度（10103⨯cm/s ）C 2—第一辐射常数=4107415.3⨯（瓦厘米2-微米2）λ—波长（微米），T 热力学温度（K ）温度辐射的能量密度峰值对应的波长，随物体温度的升高波长变短。

根据维思定律：T=2898λ（μm ） 式中：λ—峰值波长，单位：μmT —物体的绝对温度单位K物体的红外辐射功率与物体表面绝对温度的四次方成正比，与物体表面的发射率成正比。

物体红外辐射的总功率对温度的关系，根据斯蒂芬—波尔兹曼定律：P=4Tε（W/2m）R⋅式中：T—物体的绝对温度P—物体红外辐射功率（辐射能量）ε—物长表面红外发射率（辐射系数） R—斯蒂芬—波尔兹曼常数（23⨯J/K）.1-10380662物体表面绝对温度的变化，使的物体发热功率的变化更快。

红外热像仪探测器分类和发展简史红外热像仪探测器分类和发展简史由于红外辐射是人眼不可见的，要察觉其存在，测量其强弱，就必须首先利用红外探测器将其转换为某种便于测量的信号。

红外探测器是红外探测或成像系统中的核心，也是红外技术发展最活跃的领域。

红外技术的发展水平，通常是以红外探测器的发展水平为主要标志的。

1.红外探测器分类对于品种繁多的红外探测器，有各种不同的分类方法。

根据响应波长，可以分为近红外、中红外、远红外和极远红外探测器；根据工作温度和致冷需求，可以分为低温致冷和室温非致冷红外探测器；根据结构可分为单元、线阵和焦平面红外探测器；就探测机理而言，又可分为光子和热敏红外探测器，下面主要就这两类红外探测器予以简单介绍。

1.1光子红外探测器光子红外探测器是利用材料的光电效应将光信息转换为电信息的红外敏感器件。

材料的电学性质通常取决于材料中电子的运动状态，当光束入射至材料表面时，入射光子如果直接与材料中的电子起作用，引起电子运动状态改变，则材料的电学性质也将随之发生变化，这类现象统称为材料的光电效应。

这里强调“直接”两字。

如果光子不是直接与电子作用，而是能量被固体晶格振动吸收引起固体的温度升高，导致材料电学性质的改变，这种情况不能称为光电效应，而是热电效应。

光子探测器主要有以下几种：(1)光电导红外探测器某些半导体材料，当受到红外线照射时，其电导率将明显改变，这种物理现象就是光电导效应。

利用具有光电导效应的材料制成的红外探测器就称为光电导型探测器。

常用的这种类型的探测器有：硫化铅（PbS）、硒化铅（PbSe）、锑化铟（InSb）、碲镉汞（Hg1-xCdxTe）和锗（Ge）掺杂红外探测器。

光电导探测器的缺点是：光电导效应只有在红外辐射照射一段时间后，其电导率才会达到稳定值，而当停止照射后，载流子不能立即全部复合消失，因此，电导率只有经过一段时间后才能回复。

这种现象称为弛豫现象，这就造成了光电导型红外探测器响应速度较慢的缺点。

红外探测技术及红外探测器发展现状中国安防行业网2014/7/25 14:10:00 关键字：红外,探测技术,发展现状浏览量：6731一、技术现状红外探测技术目前主要分为近红外、中红外和远红外三种研究领域。

其中，中红外探测技术由于中红外线的高强度和高穿透性，应用最为广泛，研究也最为成熟，甚至可以分析物质的分子组成；远红外的主要优点就是其穿透性，可用于探测、加热等，应用也比较广泛。

只有近红外，由于其强度小，穿透力一般，故长期以来没有引起重视，只是近些年来才成为研究热点，因为用近红外技术可以做某些成分的定量检测，最关键的是还不必破坏试样。

（一）技术优势红外技术有四大优点：环境适应性好，在夜间和恶劣天候下的工作能力优于可见光；隐蔽性好，不易被干扰；由于是靠目标和背景之间、目标各部分的温度和发射率差形成的红外辐射差进行探测，因而识别伪装目标的能力优于可见光；红外系统的体积小，重量轻，功耗低。

（二）制约因素目标的光谱特性；探测系统的性能；目标和探测口之间的环境和距离——这三大因素是红外技术发展过程中需要解决的主要问题。

例如：为充分利用大气窗口，探测器光谱响应从短波红外扩展到长波红外，实现了对室温目标的探测；探测器从单元发展到多元，从多元发展到焦平面，上了两大台阶，相应的系统实现了从点源探测到目标热成象的飞跃；系统从单波段向多波段发展；发展了种类繁多的探测器，为系统应用提供了充分的选择余地。

（三）国内领先技术红外探测器芯片一直受制于西方政府和供应商。

为打破国外技术垄断，2012年4月，高德红外用2.4亿元超募资金实施“红外焦平面探测器产业化项目”。

2014年2月25日，高德红外公告，公司“基于非晶硅的非制冷红外探测器”项目成果已获湖北省科技厅鉴定通过，下一阶段将开展试生产及批产工作。

据介绍，在高德红外芯片生产线上，国际主流的非晶硅和氧化钒两种工艺线路可以同时运行。

正因如此，高德红外也成为国际上少有的、国内唯一同时具备2条工艺线路的红外探测器芯片生产企业。