红外探测器

红外探测器

红外探测器(Infrared Detector)是将入射的红外辐射信号转变成电信号输出的器件。红外辐射是波长介于可见光与微波之间的电磁波，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。

20 世纪，红外探测技术首先受到军事部门的关注，它实现了黑暗中的目标探测、保密通讯等。

最初的红外探测采用点源探测技术，该方法将目标看作一个热点源，以此来探测、锁定并追踪目标。由于获得的特征信息量十分有限，且非常容易受到各类红外、激光等干扰，因此单元探测基本不具备目标识别的能力。第一代红外导弹采用非致冷的硫化铅探测器进行点源探测，工作波段为 1 ～ 3 μm，探测飞机发动机喷口的红外辐射，因此仅可进行尾追攻击，攻击角度小，作用距离近，且受红外诱饵、背景和气象条件影响严重。第二代红外导弹采用了致冷技术，硫化铅或者碲化铟探测器工作波段为 3 ～ 5 μm，并且使导引头有了更大的视角和跟踪加速度，但是抗干扰能力和作战性能表现平平。

随着计算机技术、光电子技术等发展，光电对抗越来越强烈，简单的点源式探测技术面临重大挑战，逐渐发展为多元探测技术，可以获取较丰富的目标信息。第三代红外导弹采用致冷碲化铟探测器，多为圆锥扫描和玫瑰线扫描，探测范围大，跟踪角速度高，具备一定程度的全向攻击能力及抗干扰能力。

20 世纪 80 年代研发的多元红外探测器面阵凝视成像系统探测元数量达到 10^3～ 10^6量级，可以直接置于红外物镜的焦平面上，实现所谓的大角度“凝视”，电子脉冲代替了光学机械扫描体制。系统灵敏度可提高两个量级且可同时处理多个目标，体积缩小、重量减轻、响应更快、可靠性提高，在军事上有更突出的适用性。第四代红外导弹，如美国的 AIM-9X 采用了凝视焦平面阵列成像，导引头具有更高的抗干扰能力和真正意义上的全向攻击能力，实现了发射后不管。

目前，红外探测技术正朝着中波红外、长波红外双波段甚至多波

段方向发展。红外探测器将具备像素更高、帧速率更快、热分辨率更强、多色化和智能化等特征。

红外探测器主要分成以下几大类：

1.接近探测器

接近探测器是一种当入侵者接近它时能触发报警的探测装置。在接近探测器中，通常有一个高频率的LC震荡电路，震荡电路的LC回路通过导线连通到外部的金属部件上。当人体靠近时，通过空间的电磁偶合，会改变LC回路的谐振频率，引起震荡频率改变，探测器的检测电路能够识别这种频率的改变而发出警示信号。

接近探测系统的主要优点是多用性和通用性，它几乎可用来保护任何物体，而且不会被几米以外的干扰所激发。一旦有人靠近或接触到珠宝箱、文件柜、门窗准备行窃时，便会触发报警，但在附近的正常业务工作可以照常进行。

接近探测器比较适用于室内，如对写字台、文件柜、保险柜等一些特殊物件提供保护，也可以用于对门窗的保护。通常被保护的物件是金属的，实际上可以构成保护电路的一部分，因而只要有人试图破坏系统时，就会立即触发报警。

2.移动震动探测器

移动震动探测器能够探测固定物体位置被移动的传感器称为移动探测器。其实运动是无处不在的，地球在转动，地球上的任何东西都在“移动”，这里所要探测的其实是相对的移动，比如放置在桌面上的物体被移开了桌面、停放的车辆被开动或搬动了等等。

探测被警戒的物体发生移动，必须找到移动所能够产生的物理量变化，已经至少有：机械方法、光学方法、电磁方法、震动探测法。

移动探测器材最适合于如文件柜、保险箱等贵重、机要特殊物件的保护，也适宜于与其他系统结合使用，来防止盗贼破墙而入。移动探测器的有效性与应用的正确与否有很大关系。它常常用来对某些一般情况下有人员在活动的保护区内的特殊物件提供保护。

3.主动光入侵探测器

主动光入侵探测器光以直线传播，因此称为“光线”，如果光的传播路径被阻挡，光线既中断，光不能继续传播。主动光入侵探测器就是利用了光的直线传播特性作入侵探测，由光发射器和光接收器组

成，收、发器分置安装，收发器之间形成一道光警戒线，当入侵者跨越该警戒线时，阻挡了光线，接收器失去光照而发出报警信号。

4.被动式红外探测器

被动式红外探测器利用“黑体辐射”的物理学原理：只要物体的温度高于绝对零度，就会不停地向四周辐射光线，辐射的光线波长与物体的温度相关。人体在正常体温下，能够发射出远红外线，肉眼不能够看到它，但通过红外线传感器就可探测到这种远红外线，因此能够发现入侵者。这种探测器的核心部件是热释电红外探测元件，配置上用透明塑料制成的“菲聂尔”透镜，就能够对一定的空间范围进行监控，安装方便、灵敏度高、不需要辅助光源、耗电少，而且成本还比较低，因此是比较流行的一种电子安防产品部件。

红外探测器按工作原理主要可分为红外红外探测器、微波红外探测器、被动式红外/微波红外探测器、玻璃破碎红外探测器、振动红外探测器、超声波红外探测器、激光红外探测器、磁控开关红外探测器、开关红外探测器、视频运动检测报警器、声音探测器等许多种类。

5.热探测器

热探测器吸收红外辐射后，温度升高，可以使探测材料产生温差电动势、电阻率变化，自发极化强度变化，或者气体体积与压强变化等，测量这些物理性能的变化就可以测定被吸收的红外辐射能量或功率。分别利用上述不同性能可制成多种热探测器：

⑴ 液态的水银温度计及气动的高莱池（Golay cell）：利用了材料的热胀冷缩效应。

⑵热电偶和热电堆：利用了温度梯度可使不同材料间产生温差电动势的温差电效应。

⑶ 石英共振器非制冷红外成像列阵：利用共振频率对温度敏感的原理来实现红外探测。

⑷测辐射热计：利用材料的电阻或介电常数的热敏效应—辐射引起温升改变材料电阻—用以探测热辐射。因半导体电阻有高的温度系数而应用最多，测温辐射热计常称“热敏电阻”。另外，由于高温超导材料出现，利用转变温度附近电阻陡变的超导探测器引起重视。如果室温超导成为现实，将是21世纪最引人注目的一类探测器；

⑸ 热释电探测器：有些晶体，如硫酸三甘酞、铌酸锶钡等，当受到红外辐射照射温度升高时，引起自发极化强度变化，结果在垂直

于自发极化方向的晶体两个外表面之间产生微小电压，由此能测量红外辐射的功率。

6.光子探测器

光子探测器吸收光子后，本身发生电子状态的改变，从而引起内光电效应和外光电效应等光子效应，从光子效应的大小可以测定被吸收的光子数。

⑴光电导探测器：又称光敏电阻。半导体吸收能量足够大的光子后，体内一些载流子从束缚态转变为自由态，从而使半导体电导率增大，这种现象称为光电导效应。利用光电导效应制成的光电导探测器分为多晶薄膜型和单晶型两种。

⑵光伏探测器：主要利用p-n结的光生伏特效应。能量大于禁带宽度的红外光子在结区及其附近激发电子空穴对。存在的结电场使空穴进入p区，电子进入n区，两部分出现电位差，外电路就有电压或电流信号。与光电导探测器比较，光伏探测器背景限探测率大40%，不需要外加偏置电场和负载电阻，不消耗功率，有高的阻抗。

⑶光发射-Schottky势垒探测器：金属和半导体接触，形成Schottky 势垒，红外光子透过Si层被PtSi吸收，使电子获得能量跃迁至费米能级，留下空穴越过势垒进入Si衬底，PtSi层的电子被收集，完成红外探测。

⑷量子阱探测器（QWIP）：将两种半导体材料用人工方法薄层交替生长形成超晶格，在其界面有能带突变，使得电子和空穴被限制在低势能阱内，从而能量量子化形成量子阱。利用量子阱中能级电子跃迁原理可以做红外探测器。因入射辐射中只有垂直于超晶格生长面的电极化矢量起作用，光子利用率低；量子阱中基态电子浓度受掺杂限制，量子效率不高；响应光谱区窄；低温要求苛刻。

红外探测技术的不断发展是军事应用需求牵引和推动的过程。红外光学最初又叫做军事光学，首先被广泛应用于军事领域，如制导、侦察、搜索、预警、探测、跟踪、全天候前视和夜视、武器瞄准等。

20 世纪 70 年代以后，民用需求急剧增长，加上红外探测器件发展迅猛、生产成本下降，使得军事红外技术逐步向民用部门转化，红外探测技术被广泛应用于工业、农业、医学、交通等各个行业和部门，如电力在线检测、铁路车辆轴温探测、矿产资源勘探、地下矿井测温

和测气、气象预报、地貌或环境监测、农作物或环保监测等，使得红外探测技术发展成为军民两用技术。

目前，红外探测技术的发展，特别是最新型的凝视焦平面阵列红外探测器的应用，使得利用红外成像技术实现对目标的监测和跟踪，成为了衡量新一代红外武器现代化、自动化和智能化的重要标志之一。为了适应未来战争的需要，红外探测技术在军事中的应用正朝着高灵敏、宽谱段、高分辨率、低功耗、小型化和智能化的方向发展。

军事技术的发展对红外探测器提出了更高的要求，未来空战将是多机编队的协调空战，是多层次、多目标、全方位和高度的立体化空战，战场将始终充满强烈的光电干扰，目标机动性能、红外隐身性能以及采用的红外干扰措施的不断提高，使得红外探测环境越来越恶劣。

在空中侦察获取情报任务中，为了能够更好地完成立体化空战，现代战斗机挂载的侦察吊舱的种类和数量在逐渐增加，而吊舱的先进性取决于其探测器的性能，如有效探测距离、探测精度、抗恶劣环境的能力等。为了获取高分辨率的图像情报，以完成对较远距离目标的探测、识别和瞄准，需要提高探测器的灵敏度和分辨率，可靠性及全天候工作能力，在单位时间内提供更多的目标信息，以对付高速和高机动目标，同时在光电对抗中能够更有效地识别目标和跟踪目标。

在精确打击任务中，红外制导技术的发展方向为多用途、智能化、低成本等。

1) 多用途

未来成像制导导引头将会肩负更多的使命，包括中制导、末制导、侦察以及打击效果评估等，具备多色、多模复合制导能力。

2) 智能化

未来智能化红外成像制导导引头需要具备仿人眼神经网络处理，可调谐红外探测，可调整每个像素的灵敏度。

3) 低成本

未来武器系统除了对性能的高要求以外，还要求经济上可承受。这就要求组成武器系统的各单元部件尽量降低制造成本。

由此可见，军事发展对探测器提出了新的要求:

1) 新一代红外探测器阵列数目必定大幅度增加，传感器获取的目标信息量也会成倍增加，因此需要增加像素数量，缩小像素间距，增大空间分辨率;

2) 需要能够同时进行双波段或多波段检测，独立提供探测结果，从而辨别目标的绝对温度和各自特征，并进一步提高灵敏度，降低误警率，从对目标的单一探测功能扩展到对目标的认识，进而实现对目标的快速识别;

3) 由于侦测或制导系统需要较高的数据更新率，因此要求减少红外探测器的噪声等效温差，增加器件占空比。