红外技术的物理基础及其军事应用
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摘要：本文介绍了红外技术的物理基础以及在军事领城的主要应用。
1. 引言
红外技术顾名思义就是红外辐射技术。红外辐射习惯上称为红外线。也称为热辐射。虽然红外辐射在十九世纪初就被发现了，可是真正广泛的应用在军事上却是在第二次世界大战期间。红外技术在二战期间兴起并首次用于军事，战后，美、英、法等国先后开始红外军事应用研究，其中美国一直居领先地位。
60 年代美国研制出机载红外前视系统并在越南战场上大量使用，70 年代以来，英、法、西德等因相继用红外前视系统装备陆海空三军。CCD 器件出现后，人们开始研制第二、三代红外前视系统。至今，红外技术的应用已成为一个国家军事装备现代化的重要标志之一。
2. 红外技术的物理基础
红外技术的发展以红外线的物理特性为基础。红外线是由于物质内部带电微粒的能全发生变化而产生的，它是一种电磁波．处于可见光谱红光之外．突出特点是热作用显著。红外线的波长介于可见光与无线电波之间．从0 .75µm～1000µm，可分为四个波段：近红外（0.75～3µm）、中红外（3～6µm）、远红外（6～15µm）、和极远红外（15～1000µm），红外线具有以下特性：
(1) 红外光电效应
当光线照射在金属表面时，金属中有电子逸出的现象叫做光电效应。红外线光子的能量低于可见光光子，它能对一些较活泼的金属产生光电效应（即红外光电效应），红外光电效应是红外技术得到应用的关健。通过红外光电效应可把红外光转换成电信号，经放大后，作用到荧光屏上，再把电信号转换成可见的光，使人眼看得见红外线照射的物体。
(2) 红外辐射
实验表明，物体在任何温度下都要向周围空间辐射电磁波，物体在一定时间内向周围辐射电磁波的能量的多少以及能童按波长（或频率）的分布与物体的温度有关。在室温下，大多数物体发出的辐射能分布在电磁波谱的红外线部分，随着温度的升高，辐射能盒也随
着增加。同时，辐射能的分布逐渐向频率高的方向移动，即温度愈高，辐射能中高频电磁波成份愈多。 自然界的一切物体都是红外辐射源，物体温度不同，辐射的红外线波长就不同，温度越高波长越短，并且产生的红外线越多。这种红外辐射的普遍性和差异性正是红外技术有着广泛应用的根本原因。根据辐射特性，知道了军事目标的温度范围，就可求出其辐射红外波长的范围，选用相应的红外探测器，可探测目标与景物的红外辐射差异。这种差异体现在目标与景物的温度分布，故所形成的图像叫热图像，热图像通过红外光-电-光信号的转换，成为可见光图像，即可从复杂的背景里识别目标。 (3) 红外反射 目标和环境对可见光的反射差异不大，但在近红外区对红外线的反射差异很大，故用近红外线比可见光更易识别目标。军本上利用目标和景物对红外线的不同成像，经转换获得可见光图像以发现识别目标；在反红外伪装时，既要考虑颜的近似感，同时还要注意它们对红外线的反射情况。 (4) 大气传输特性 大气中的二氧化破、水蒸气、臭氧等对各种波长的红外线有着不同程度的吸收。有些波 段的红外线被吸收得多，不易透过大气传播；有些被吸收得少，容易透过大气。这些能透过或能较多透过大气的红外波段称“大气窗口”，红外线有三个大气窗口：0.75～2.5µm、3～5µm 、8～14µm。战争中主要军事目标辐射的红外线大都在窗口内。
链式运输机 导弹辐射的红外线波段是1～3µm．处于第一窗口；喷气飞机辐射的红外线波段是3～4µm ，坦克发动机辐射的红外线约5µm ，均位于第二窗口；装备、工厂、人员等地面和水上目标辐射8～14µm的红外线，处在第三窗口。故第一窗口的红外装里可用于侦察导弹，第二窗口可用于制导、侦察和跟踪；第三窗口可用于观察地面和水上的一般军事目标。除吸收效应外，红外线在大气中传播时，还会被尘埃、雾滴等散射，在传播方向上不断衰减。散射效应对近红外线影响较大，对中、远红外影响较小，故中远红外线适于全天候和远距离的传输。
3. 红外技术在军事领域的应用
红外线的这些不同于可见光、无线电波的特性，使得它被广泛用于现代军享。目前，红外夜视、红外制导、红外侦察、红外火控、红外雷达、红外通信、红外隐形等技术在现代战争中发挥着极其重要的作用。
浮雕画3.1 红外夜视
红外夜视技术借助于光电转换器，把红外线转变成可见光以实现夜间观察，它可以征服黑暗，使部队在夜间看得见物体、击中目标。军用红外夜视设备有主动式和被动式两大类。．
主动式红外夜视仪利用人眼对红外线不起视觉效应的物理特性，让红外线在敌我空问传递信息。该仪器自带红外光源．主动发出红外线照射目标，红外线被目标反射回来后，由仪器接收转换成可见光图像以实现夜间观察。t型槽螺母
主动式红外夜视技术的历史悠久，30 年代研制出红外变像管，40 年代研制成主动式红外夜视仪，并在第二次世界大战后期，首先由德军和美军将它应用于战场。德军在车辆上安装了这种夜视仪，使之能够在夜间高速行驶，运用这种方法悄悄地在黑暗中将V-2导弹运往前线，成功地进开了同盟国地监视和空袭。美军在攻占太平洋岛屿的夜战中，在步上安装了这种夜视仪（称为红外瞄准具），当时的日军对夜视仪一无所知，因而处于被动挨打的境地。
主动式红外夜视仪成像清晰，有一定识别辨伪的能力，但由于它主动发射红外线，很容易被对方的夜视仪发现。1973 年中东战争中，埃、以双方的坦克都配有主动式红外夜视仪，
其中许多坦克就是因为使用了红外探照灯而被对方击毁的。此外，由于携带红外探照灯和蓄电池，使其体积大，笨重，不仅作为轻武器的瞄准具没有前途，而且作用距离也受红外光源功率的限制，故不宜在现代战场上使用。这种仪器虽然在二次世界大战及六十年代以前发挥过重要作用，但在七十年代以来，总的趋势已经逐渐为被动式的激光夜视仪和红外夜像仪所取代。 被动式红外夜视仪也叫热像仪，本身不带红外光源，依靠接收目标发射的红外线而成像是目前最先进的夜视器材。它有三个突出的优点： (1) 能实现“全被动”观察 热像仪的工作方式是完全被动的，它既克服了主动红外夜视仪那种既要依靠人工红外光源工作，以及由此而产生的容易自我基薄的致命弱点，又克服了微光夜视仪那种完全依赖夜天光以及无光难以成像的缺陷，能够在全黑条件下工作，所以十分隐蔽，不易被对方发现。 (2) 能实现“全天候”观察 由于红外线(特别是波长为8 - - 14 微米的红外线）比可见光在大气中的传输能力强，使热像仪不仅探测距离远，而且无论白天黑夜都具有较强的透过浑浊空气和烟、雾、雪进行 观察的能力。正是由于热像仪能看到严密烟幕遮障后面的标．而且不怕强光，所以热像仪更适合在复杂、恶劣的战场环境下使用，尤其是作为瞄准具、不会因炮口的火馅、的烟尘和战场上的闪光而产生迷盲现象。这些优点使热像仪被人们誉为“全被动、全天候”的观瞄仪器。
(3) 能揭露伪装
由于热像仪是靠探测目标与背景之间的热辐射差异（即温差）去识别目标的，因而使其具有识别伪装的特殊能力，尤其能发现隐蔽在树林和草丛中的人员和车辆（据报道，用手持热像仪可探测到隐藏在灌木丛中60 米深处的人，而同样条件下，徽光夜视仪的探测距离只有巧米），即使是白天，用它也能分辨出用树枝、绿叶伪装的人员、车辆与火炮。此外，通过探测地表温差，还可以发现地雷场，甚至还能发现埋入地下l 米深处的、时间已达1 年之久的地下水管。
(4) 能获得目标的状态信息
由于热像仪利用温差成像，使其能获得奇特的观察效果，主要表现在利用热像仪进行观察时，不仅能对目标进行探测，而且还能获得关于目标的状态信息，这在军事上将具有特殊重要的意义．比如用热像仪观察时，对刚刚发射过的、炮管和有动力源（如车辆和飞
机的发动机）的热目标，尤其显而易见，而且通过热图像中的动力源和轮胎部位的亮度对比（即温度高低）还可以判断出哪些车辆（飞机）是正在发动或刚刚停驶的，哪些是一直停放的，如果目标离开不久，热像仪还能通过“热痕迹”看到它们留下的“影子”，从而判断出敌人员及武器装备的去向。
热像仪的第二代是采用红外CCD 焦平面阵列技术的凝视型热像仪。红外焦平面阵列是指放在光学系统焦平面上的一块芯片．在这块如同邮票大小的芯片上，不仅集成了成千上万个红外探测器，而且与各探测器相匹配的信号放大与处理电路也集成在一块，形成一个整体，使第二代热像仪不仅取消了光机扫描器，能够像眼睛一样摄取目标的完整图像．而且缩小了体积，降低了功耗。
不仅如此．由于CCD 成像器件具有更高的灵敏度和热分辨率，使探测距离和识别能力也有明显提高。因此这种热像仪在超小型、低功耗、低成本、可靠性好、灵敏度高、用途广等方面显示了很大的优越性。军李上，热像仪可用于战术和战略侦察，武器的瞄准，导弹的制导，各种战斗、运输车辆的夜间驾驶，并可供飞机在黑暗中起飞、着陆等。
3.2 红外制导
坦克、飞机、火箭、军舰等军事目标的动力部分是强大的红外辐射源，红外制导导弹前部装有红外导引头，导引头接收目标的红外辐射，经处理产生能控制导弹飞行方向的电信号，把导弹引向目标，提高命中率。红外制导经历了非成像制导、成像制导两个阶段。目前红外成像制导具有很强的抗干扰能力，打了就不用管，灵敏度和分辨率很高，并可进行目标识别，比电视和激光制导的命中精度更高。如美国研制的“小牛”空地导弹采用的就是红外成像制导，它具有更优良的性能，能在白天、黑夜甚至充满烟葬和恶劣的气象条件下使用。红外制导比雷达制导结构简单、成本低、不易受干扰。目前，红外技术已广泛应用于空对空、空对地、地对地、地对空、地对舰及空对舰等各种制导武器
3.3 红外侦察
红外侦察是获取敌情，采取自卫的重要途径，它有许多优点：能24小时工作；能适应不良天气；能提供定时信息；能把捕捉目标和攻击结合起来；有远距离探测和透过能力；能识别伪装；排除电子干扰等。红外照相是实现红外侦察的一种重要方式，它不仅能揭德地面、森林等的伪装，还可揭露地下、水下的军事目标，显示热源目标的运动状态和踪迹。语音系统
近年来，前视红外成像系统的位察装里得到了快速发展，它能像普通电视一样，直接提
zssi供前方景物的红外活动图像，可以完成夜间监视、目标捕获、炮手夜间瞄准、攻击目标定位及导引等一系列军卒任务，也可为飞机机组人员作低高度导航。预警卫星上装有对红外线敏感的探测器，能探测地面导弹的发射，还可以测导弹中段飞行的轨迹，准确预报弹着点，甚至还能探测战略轰炸机和的行动。
3.4 红外火控
红外技术在火控系统中的作用是进行目标搜索和跟踪。红外搜索跟踪系统主要用于陆地火炮及防空系统、飞机火控系统以及舰船搜索跟踪系统。例如：英国研制的目标捕获指示镜，装备在AH-64A 阿帕奇高级双座攻击直升飞机上，其瞄准系统由前视红外系统、激光测距跟踪系统等组成，供驾驶员射手使用，能在几秒内发现识别、精确定位目标。随着技术的发展，红外搜索跟踪系统的性能越来越好，它与激光测距仪结合可以获得目标距离，在近距离内正好填补了雷达的空白，其未来的应用将非常广泛。
3.5 红外雷达
利用红外技术研制的新型红外霍达其有搜索、跟踪、测距等多种功能，精度很高，可达几
分的角精度。红外雷达可用来警戒空中、地面或海上目标，进行侦察及导航，现合武器系统投射，测量并记录洲际导弹的运动轨迹等。
3.6 红外通信长链二元酸
利用红外辐射来传递声音和编码信号的技术叫红外通信。红外通信与无线电通讯相似，但使用的电磁波的波段不同，它比无线电通信的保密性高、通信距离远。如采用砷化稼激光器进行红外通信，其通信距离可达100km 。军事后勒方面，利用红外技术可诊断多种疾病、加工食品、烘干喷漆；利用红外测温仪或热像仪可实行不接触检查输电线路的故障；利用红外报警装置可警戒、监视敌情等。另外，红外技术还可用于气象测量、测距、红外引信等。
3.7 红外隐形技术
随着红外技术的发展，红外探测器的精度越来越高．为了防止自己的红外军事被敌方发现，各国又研究发展了红外隐形技术，因而红外隐形技术也随之迅速发展起来。目前，红外隐形技术主要有：用隐身涂料降低目标的红外反射；采用热抑制技术降低己方的红外辐
射装备的辐射能力：施放红外诱饵．设置假目标。红外隐形技术可以保护已方的军事目标，同时还能削弱敌方的力量 。
随着红外技术的发展，各国所掌握的红外技术的先进与否，将是取得未来高技术战争胜负的主导因素之一。红外技术在军事方面将有着更广阔的发展前景。
参考文献
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