红外探测基础简介ppt课件.ppt
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1、概述,红外探测技术是伴随军用需要而迅速发展起来的一门新兴技术。在光电子技术中,红外探测技术是一种无源探测技术,它不需要光源照射目标,靠目标自身发射的红外辐射来探测目标。与雷达相比,具有结构简单、体积小、质量轻、分辨率高、隐蔽性好、抗干扰能力强等优点;与可见光探测相比,有透雾能力强、可昼夜工作等特点。从常规的夜间红外瞄准具到空间的卫星拦截器都使用了红外技术,可以说红外武器装备已经成为各军兵种必备的现代武器装备。典型的红外应用包括红外夜视、前视红外、侦察、告警、火控、跟踪、定位、精确制导和光电对抗等,他们对取得战场的主动权,发挥了突出作用。,应用举例,有人统计从19751985年,马岛战争至两伊战
2、争期间,被红外制导导弹击落的飞机,占飞机损失总数的95。红外搜索跟踪仪的跟踪精度可以在10以内,对超低空目标和掠海飞行目标的抗干扰能力以及对多目标的选择跟踪能力,都是已有手段中最好的。海湾战争中美国预警卫星的红外望远镜,可以全天候探测“飞毛腿”导弹发射,30s内就可以探测到发动机喷射的尾焰,为反导赢得了时间 。,红外成像装备及观察到的F117图像,第1章 红外技术基础知识,1.1 红外辐射1.1.1 红外线与电磁波 早在1800年,英国天文学家F.W.赫谢尔在研究太阳光的热效应时,首先发现红外线。由于这种光线处在红光以外的光谱区,很自然地就称之为红外线,由于红外线是与热和温度紧密联系在一起的,
3、因此又称为热线或热辐射。同时红外线又属于电磁频谱的一个部分,因此也被称为红外辐射(Infrared radiation),它位于可见光与微波之间,属不可见光线,和其它电磁波一样具有光波的性质,在真空中以光速沿直线传播,遵守同样的反射、折射、衍射、干涉、偏振定律,区别只是波长(频率)不同而已。现已测得其波长范围为0.75m-1000m,频率从4104Hz-31011Hz。同时也已证明,自然界中的一切物体,只要它的温度高于热力学零度(273)就不断地向外界发射红外线。,1.1.2 红外线的传播,红外线的传播和可见光相似,在传播过程中遇到障碍物会被反射(散射)、吸收和透射,在大气传播中,吸收是影响红
4、外传播的主要因素,如水蒸气、CO2、NO、NO2等物质都对红外线具有强烈的吸收,但是这些物质都有其相对应的特征吸收谱线,对某些波长的红外线吸收比较强烈使其传播的能量受到损失,而对另外一些红外谱线却几乎不产生吸收,透射率很高。大气对红外线吸收比较少的波段,也就是透射率比较高的波段,被形象地称为“大气窗口”。红外波段按不同大气窗口,可分为短波红外(SWIR)1m-3m波段、中波红外(MWIR)3m-5m波段和长波红外(LWIR)8m-14m波段。右图为红外线在大气中传播的透射曲线。 红外辐射在大气中传输时能量会受到衰减,影响最大的是水蒸气、二氧化碳和气溶胶,气溶胶是由尘埃、烟、水、盐类与其他有机物
5、的微粒构成。水蒸气和气溶胶在低高度下对红外辐射的衰减更加突出。如在海平面高度的水平方向,大气对红外辐射有最大的衰减,尤其是当水蒸气与气溶胶浓度很大时,会严重影响红外系统的应用效果。定性地讲,水蒸气对8m-14m波段的吸收比对3m-5m波段严重;气溶胶对3m-5m波段的吸收与散射比对8m-14m波段严重。,大气主要成分对红外辐射的吸收谱,1.1.3 红外辐射与红外吸收,任何物体能辐射红外线也能吸收红外线,辐射和吸收都是能量转换的过程。假若辐射入射到物体表面,能被物体全部吸收,没有反射和透射,这种物体就称为黑体。黑体能100%吸收入射到表面的全部辐射,它的吸收系数是1,很显然,当物体温度恒定时,它
6、的吸收和辐射应当相等,它的吸收系数和辐射系数也应当相等,所以黑体的辐射系数也是1。黑体是最好的吸收体也是最好的辐射体。但是,实际物体达不到100%吸收,实际物体的吸收与相同温度黑体的吸收之比,称为物体的吸收率,当物体温度恒定时,吸收率与辐射率相等,实际物体辐射红外线的强弱是由其温度和辐射率决定的。 为了研究和比较不同大小和形状物体的辐射特性,不直接用总能量,而是规定从1cm2面积上、1s内辐射到半球空间的能量的大小,称它为辐射通量密度。辐射通量密度随着辐射的波长不同而变化,单位波长间隔内的辐射通量密度称为光谱辐射通量密度,其大小应与温度、辐射率和波长有关系。光谱辐射通量密度的最大值与温度的5次
7、方成正比,即Wm=bT5,其中Wm代表光谱辐射通量密度的最大值;b是常数;T是热力学温度;m代表辐射普的峰值波长。物体辐射的峰值波长与其所处的温度成反比,即mT=常数=2897.885m*K2898m*K。此关系称为维恩位移定律。图1.3为黑体的温度、光谱辐射通量密度和辐射的波长之间的关系。,从上述关系中,可以看到黑体的热辐射非常强烈地依赖于温度,温度高的黑体,热辐射很强,其峰值波长较短。实际物体的的辐射特性与黑体相似,只不过与材料种类和表面特性(辐射率)有关。物体的温度与辐射峰值波长的关系举例如表1.1所列,从表中可以看出,武器装备和军事感兴趣的目标辐射的红外线,大都在1m-10m之间,所以
8、,前面介绍的短波红外、中波红外和长波红外三个大气窗口,在军事应用上最为重要。,物体的温度与辐射峰值波长的关系举例如下:,物体名称 温度K 辐射峰值波m/m太阳 5900 049钨丝灯 3000 097 2000 145波音707发动机喷嘴 890 362M46 坦克尾部 473 613F16飞机蒙皮 333 870人体(37) 310 966冰水(0) 273 106液态氮 77 376,1.1.4 目标特性和背景特性,应用对红外探测的要求是有更高的灵敏度和更强的识别功能,能在复杂的背景中分辨出目标,了解目标和背景的辐射特性对于设计红外整机来说是至关重要的。目标特性 目标的红外辐射特性是系统选
9、择红外波段的主要依据。选择波段首先要和目标的温度相匹配。下表列出了目标与背景温差对系统温度分辨力,即噪声等效温差(NETD)的要求和目标的辐射强度与等效黑体温度的关系。 对略高于300K温度的目标,其最大辐射值对应的波长为9m-10m,就是说选择8m-14m这一大气窗口是恰当的;对略高于600K温度的目标,其最大辐射值对应的波长在4m-5m,同时考虑到背景,如云层、海面以至沙滩对阳光强烈反射带来的干扰,选择3m-5m是非常合适的。红外制导的空空导弹所用探测器已经从1m-3m改为3m-5m,减少阳光的干扰就是重要原因之一。因而红外系统对波段的选择需要综合权衡,对目标特性的分析中,不单要了解其温度
10、、辐射系数,还要进一步分析、测试其光谱特征,因为光谱特征是目标识别与光电对抗的重要依据之一。,功能 目标 典型温差/K 对NETD的最低要求/K侦察 人的皮肤 8 1.5 侦察 穿衣服的人 2 0.4侦察 飞行器 10 2.0侦察 车辆 5 1.0侦察 船舶 2 0.4医疗诊断 皮肤温度、血液循环温度 0.2-0.5 0.05-0.1天文学 行星、宇宙尘埃、气体云团等 尽可能小,背景特性 在红外系统的军事应用中,目标的探测和识别是首要的。背景的影响可以从两个方面来加以考虑:首先是目标对背景的对比度,这里的对比度是指亮度或温度对比度。假定目标周围的背景是均匀的,对目标探测与识别的必要条件是目标对
11、背景有足够高的对比度。只要知道地表(包括海洋等水体)的温度,就可以定量地估算系统对特定目标的探测与识别距离,然而在白天,特别是晴天,阳光的反射辐射则是一复杂变化的因素,因为对不同波段阳光在地面产生的照度相差很大。其次是背景形成杂波干扰,当需要从背景中探测和识别目标时,如果目标对背景的对比度不够高,背景就会同目标混淆。现代的红外系统大多需要进行目标的自动探测与识别,自动化处理器要时时处理成像传感器送来的视频信号。和目标混在一起的背景信号就形成了杂波,它会严重干扰红外系统的功能。为此,基于各种应用目的的图像和信号处理技术,必须研究开发对所感兴趣目标的特征提取与识别技术,包括物理数学模型、相应的元件
12、和硬件技术。,热像仪夜间拍摄的热图像,它是景物的热图,不受有无阳光照射的影响。,1.2 辐射度学与光度学,在辐射单位体系中,辐射通量或者辐射能是基本量,是只与辐射客体有关的量,其基本单位是瓦(W)或者焦(J)。辐射度学适用于整个电磁波段;光度单位体系是一套反映视觉亮暗特性的光辐射计量单位,被选作基本量的不是光通量而是发光强度,其基本单位是坎(cd),光度学只适用于可见光波段。 以上两类单位体系中的物理量在物理概念上是不同的,但所用的物理符号是相互对应的,为了区别起见,以下角标e表示辐射度物理量,下角标v表示光度物理量。,1.2.1 辐射度学物理量1、辐(射)能 辐能是以辐射形式发射或传输的电磁
13、波(主要指紫外、可见光、红外辐射)能量。辐射能一般用符号Qe表示,单位是焦(J)。2、辐(射)通量 辐通量e又称为辐射功率,定义为单位时间发射、传输或接收的辐射能量即e=dQe/dt,单位是瓦(W)或焦/秒(J/s)。3、辐(射)出(射)度 辐出度Me是用来反映物体辐射能力的物理量,定义为辐射体单位面积发射的辐射通量即Me=de/dS,单位为瓦/米2(W/m2)。4、辐(射)强度 辐强度Ie定义为点辐射源在给定方向上发射在单位立体角内的辐通量,用Ie表示即Ie=de/d,单位为瓦/球面度(W/sr)。,5、辐(射)亮度 辐亮度Le定义为面辐射源在某一给定方向上的辐通量即Le=dIe/(dSco
14、s)=d2e/ddScos,其中为给定方向和辐射源面元法线间的夹角,单位为瓦/(球面度米2)(W/(srm2)6、辐(射)照度 在辐射接收面上的辐照度Ee定义为照射在面元dA的辐通量与该面元面积之比,即Ee=de/dA,单位为瓦/米2(W/m2)7、单色辐(射)度量 对于单色辐射,同样可以采用上述物理量表示,只不过均定义为单位波长间隔内对应的辐射度量,并且对所有辐射量Xe来说,单色辐度量与辐度量之间均满足Xe=0Xe()d1.2.2常用辐射度学物理量与光度学物理量之间的对应关系 物理量名称 符号 定义或定义式 单位 物理量名称 符号 定义或定义式 单位 辐射能 Qe 基本量 J 光亮 Qv Q
15、v=vdt lms 辐射通量 e e=d Qe/dt W 光通量 v v= Ivd lm 辐射出射度 Me Me =de/ds W/m2 光出射度 Mv Mv= dv/ds lm/m2 辐射强度 Ie Ie= de/d W/sr 发光强度 Iv 基本量 cd 辐射亮度 Le Le=dIe/(dScos) W/(srm2)光亮度 Lv Lv=dIv/(dScos) cd/m2 辐射照度 Ee Ee=de/dA W/m2 光照度 Ev Ev=dv/dA lx,1.2.2 辐射度学与光度学的基本定律,辐照度的余弦定律:任一表面上的辐照度随该表面法线和辐能传输方向之间夹角的余弦而变化。朗伯余弦定律:朗
16、伯辐射表面在某方向上的辐射强度随与该方向和表面法线之间夹角的余弦而变化.(朗伯辐射表面:是一个对入射辐射提供均匀漫射的表面,从不同角度观察该表面,其明暗程度是一样的)距离平方反比定律:一定的立体角内,所张的立体角所截的面积与球半径平方成正比。若无损失,点光源在此空间发出的辐通量不变。因此,点光源在传输方向上的某点的辐照度和该点到点光源的距离平方成反比。亮度守恒定律:光辐射能在传播介质中没有损失时辐射亮度是恒定的。,1.3 黑体辐射及其相关定律、公式 任何温度在0K以上的物体都会发射各种波长的电磁波,这种由于物体中的分子、原子受到热激发而发射电磁波的现象称为热辐射。热辐射具有连续的辐射谱,波长自
17、远红外区到紫外区,并且辐射能按波长的分布主要决定于物体的温度。1、单色吸收比和单色反射比 任何物体向周围发射电磁波的同时,也在吸收周围物体发射的辐射能。当辐射从外界入射到不透明的物体表面上时,一部分能量被吸收,另一部分能量从表面反射(如果物体是透明的,则还有一部分能量透射)。(1)吸收比。被物体吸收的能量与入射的能量之比称为该物体的吸收比。在波长-(+d)范围内的吸收比称为单色吸收比,用(T)表示。(2)反射比。被物体反射的能量与入射的能量之比称为该物体的反射比。在波长-(+d)范围内的反射比称为单色反射比,用(T)表示。,对于不透明的物体,单色吸收比和单色反射比之和等于1,即(T)+ (T)
18、=1;若物体在任何温度下,对任何波长的辐能的吸收比都等于1,即(T)1,则称该物体为绝对黑体,简称黑体。2、基尔霍夫辐射定律 在同样温度下,各种不同物体对相同波长的单色辐出度与单色吸收比之比值都相等,并等于该温度下黑体对同一波长的单色辐出度,即Mv1(T)/v 1(T)= Mv2(T)/v 2(T)= Mvb(T) 式中Mvb(T)黑体的单色辐出度。3、普朗克公式 黑体处于温度T时,在波长处的单色辐出度由普朗克公式可得Mvb(T) =2hc2/ 5(ehc/ KBT-1) 式中h普朗克常数;c真空中的光速;KB玻尔兹曼常数;令C1= 2hc2,C2=hc/ KB,则上式改写为Mvb(T)=C1
19、/ 51/ (eC2/ T-1) 于是C1=(3.7418320.000020)10-12Wcm2(第一辐射常数); C2=(1.4387860.000045)104 m K(第二辐射常数)。4、瑞利-琼斯公式 当T很大时eC2/ T1+C2/T可以得到适合于长波区的瑞利-琼斯公式,即Mvb(T)= C1/ C2T-4 在T7.7 105 m K时,该公式与普朗克公式的误差小于1%。5、维恩公式 当T很小时, eC2/ T-1 eC2/ T,可得到适合于短波区得维恩公式,即Mvb(T)=C1-5 e-C2/ T,在T2698 m K区域内,该公式与普朗克公式误差小于1%。6、维恩位移定律 对式
20、Mvb(T)=C1/ 51/ (eC2/ T-1) 取波长的倒数并令其等于零,则单色辐出度最大值对应的波长m为mT=2897.9 m K。7、斯忒藩-玻尔兹曼定律 Mvb(T)=T4 式中=5.67010-8(J/m2sK4)为斯忒藩-玻尔兹曼常数,该定律表明黑体的辐出度只与黑体的温度有关,而与黑体的其他性质无关。,第2章 半导体基础知识,2.1 半导体有关名词载流子:本征半导体中共价键电子所受束缚力较小,它会因为受到热激发而越过禁带,占据价带上面的能带,电子从价带跃迁到导带后,导带中的电子成为自由电子,价带中电子跃迁到导带后,价带中出现电子的空缺成为自由空穴。导带中的自由电子和自由空穴统称为
21、载流子。载流子的扩散和漂移:材料的局部位置受到光照时,材料吸收光子产生光生载流子,在这局部位置的载流子浓度就比平均浓度高,电子将从浓度高的地方向浓度低的地方运动,这种现象称为扩散。扩散电流密度正比于光生载流子的浓度梯度。载流子在外电场作用下,电子向正电极方向运动,称为漂移。在弱电场作用下,半导体中载流子漂移运动服从欧姆定律。本征半导体:就是完全纯净的半导体,没有任何杂质,如硅晶体。n型半导体:在本征半导体硅(或锗)中掺入微量的5价元素,如磷,则磷原子就取代了硅晶体中少量的硅原子占据晶格上的某些位置。磷原子最外层有5个价电子,其中4个价电子分别与邻近4个硅原子形成共价键结构,多余的1个价电子在共
22、价键之外,只受到磷原子对它微弱的束缚,因此在室温下,即可获得挣脱束缚所需要的能量而成为自由电子,游离于晶格之间。失去电子的磷原子则成为不能移动的正离子。磷原子由于可以释放1个电子而被称为施主原子,又称为施主杂质。在本征半导体中,每掺入1个磷原子,就可产生1个自由电子,而本征激发产生的空穴数目不变,这样,在掺入磷的半导体中,自由电子的数目就远远超过了空穴数目,称为多数载流子(简称多子),空穴则成为少数载流子(简称少子)。显然,参与导电的主要是电子,故这种半导体称为电子型半导体,简称n型半导体。,型半导体:在本征半导体硅(或锗)中掺入微量的3价元素,如硼,则硼原子就取代了硅晶体中少量的硅原子占据晶
23、格上的某些位置。硼原子的3个价电子分别与邻近3个硅原子形成完整的共价键,而与其相邻的另一个硅原子的共价键中则缺少1个电子,出现了1个空穴。这个空穴被附近硅原子中的价电子来填充后,使3价的硼原子获得了1个电子而变成负离子,同时,邻近共价键上出现了1个空穴。由于硼原子起着接受电子的作用故被称为受主原子,又称为受主杂质。在本征半导体中,每掺入1个硼原子,就可以提供1个空穴,当掺入一定数量的硼原子时,就可以使半导体中空穴的数目远大于本征激发产生的电子数目,成为多数载流子,而电子则成为少数载流子。显然,参与导电的主要是空穴,故这种半导体称为空穴型型半导体,简称p型半导体。,本征半导体,N型半导体,P型半
24、导体,2.2 半导体的光电效应,光电效应分为内光电效应和外光电效应,其中内光电效应又可分为光电导效应和光生伏特效应。2.2.1 光电导效应 光照变化引起半导体材料电导变化的现象称为光电导效应。当光照射到半导体材料时,材料吸收光子的能量,使非传导态电子变为传导态电子,引起载流子浓度增大,因而导致材料电导率增大。 半导体无光照时为暗态,此时材料具有暗电导;有光照时为亮态,此时具有亮电导。如果给半导体材料外加电压,通过的电流有暗电流与亮电流之分。亮电导与暗电导之差称为光电导,亮电流与暗电流之差称为光电流,如下图所示。 光电材料从光照开始到获得稳定的电流是要经过一定时间的,同样,光照停止后光电流也是逐
25、渐消失的。这些现象称为弛豫过程或惰性。,光照,Ip,2.2.2 p-n结光伏效应 光生伏特效应(简称光伏效应)是一种内光电效应,当材料受到光子激发时能产生一个光生电动势,当两端短接时能得到短路电流。这种效应是基于两种材料相接触形成内建势垒,光子激发的光生载流子被内建电场扫向势垒两边,从而形成了发光电动势。1、p-n结的形成 制作p-n结的材料,可以是同一种半导体(同质结),也可以是由两种不同的半导体材料或金属与半导体的结合(异质结)。“结合”指一个单晶体内部根据杂质的种类和量的不同而形成的接触区域,严格来说是指其中的过渡区。例如一块单晶中存在紧密相邻的p区和n区结构,或者在一种导电类型(p型或
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