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红外技术及其应用
摘要I
AbstractII
1红外线的发现1
2红外线的基本特征1
2.1红外线的波长范围：
1
2.2红外线辐射源区分2
2.3光线与“红外线”的关系2
3红外线的应用3
3.1生活中应用红外线3
3.2红外线在军事上的应用4
3.2.1理论依据4
3.2.2红外探测技术5
3.2.3红外隐身5
3.3红外线在天文地理上的应用6
3.4红外技术在农产品中的应用7
3.5红外线在医药上的应用7
3.5.1红外线灸法8
3.5.2红外热像仪8
3.5.3红外线治疗鼻炎8
3.5.4测量糖尿病患者的血糖8
3.5.5红外干燥技术9
3.6红外技术在PC方面的应用9
3.7红外通信10
4结论与展望11
参考文献12
摘要
本文通过对红外线的技术研究和实践应用两方面的讨论，通过红外线的的发现，特
点，以及其在军事、医药、农业、天文地理、通信和PC机等方面的应用阐述了红外线的
高实用性和它的研究价值。
论文主要列举了红外线的干燥技术，探测技术，隐身技术以及夜视和无线控制等方面的功能。
关键字：
红外线、辐射、热能、军事、医药
Abstract
Bymeansofinfraredtechnologyresearchandpracticalapplicationoftwodiscussions.Throughthediscoveryofinfrared,characteristics,anditsinthemilitary,medicine,agriculture,astronomy,geography,communicationsandPC
machinessuchastheapplicationdescribedinfraredhighavailabilityanditsresearchvalue.Paperfocusesontheinfrareddryingtechnology,detection
technology,stealthtechnology,aswellasnightvisionandwirelesscontrolsuch
functions.
Keywords:
infrared,radiation,thermalenergy,military,medicine
红外技术及其应用
1红外线的发现
红外线的发现迄今已有两个世纪，但由于测量上的困难，至发现后半个世纪才对它的性质有初步的的了解。
本世纪初，在具备了应用条件的情况下，才引起了对红外线的更大兴趣。
公元1666年牛顿发现光谱并测量出3,900A〜7,600A（400nm-700nm）是可见光的波长。
1800年，英国伦敦皇家学院（ROYAISOCIETY的SirWilliamHerschel威廉•赫歇尔在研究太阳光时，让光通过棱镜分解为彩色光带，他用温度计去测量光带中不同颜色所含的热量。
试验中，他偶然发现一个奇怪的现象：
放在光带红光外的一支温度计，比室内其他温度的指示数值高。
经过反复试验，这个所谓热量最多的高温区，总是位于光带最边缘处红光的外面。
于是他宣布太阳发出的辐射中除可见光线外，还有一种人眼看不见的“热线”，
这种人的肉眼看不见的“热线”位于红色光外侧，叫做红外线。
（不过，要说明的是，事实上太阳发出的能量以波长580nm的绿光最强。
）
2红外线的基本特征
红外线是波长介乎微波与可见光之间的电磁波，具有与无线电波及可见光一样的本质，波长在770纳米至1毫米之间，在光谱上位于红色光外侧。
具有很强热效应，并易于被物体吸收，通常被作为热源。
透过云雾能力比可见光强。
在通讯、探测、医疗、军事等方面有广泛的用途。
俗称红外光。
2.1红外线的波长范围：
近红外线|（NearInfra-red,NIR）|700~2,000nm|0.7~2MICRON
中红外线|（MiddleInfra-red,MIR）|3,000~5,000nm|3~5MICRON
远红外线|（FarInfra-red,FIR）|8,000~14,000nm|8~14MICRON
2.2红外线辐射源区分
红外线辐射源可区分为四部分
（A）白炽发光区（Actinicrange）:
或称“光化反应区”，由白炽物体产生的射线，自可见光域到红外域。
如灯泡（钨丝灯，TUNGSTENFILAMENTLAMP太阳。
（B）热体辐射区（Hot-objectrange）:
由非白炽物体产生的热射线，如电熨斗及其它的电热器等，平均温度约在400C左右。
（C）发热传导区（Calorificrange）由滚沸的热水或热蒸汽管产生的热射线。
平均温
度低于200°C，此区域又称为“非光化反应区”（Non-actinic）。
（D）温体辐射区（Warmrange）:
由人体、动物或地热等所产生的热射线，平均温度约为40C左右。
物理学告诉我们，任何物体在常规环境下都会由于自身分子原子运动不停地辐射出红外能量，分子和原子的运动愈剧烈，辐射的能量愈大，反之，辐射的能量愈些。
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。
物体的温度越高，辐射出的红外线越多。
物体在辐射红外线的同时，也在吸收红外线，物体吸收了红外线后自身温度就升高。
红外线其实是无处不在的。
光辉的太阳、燃烧的蜡烛、炽热的火炉固然会发出我们肉眼看不到的红外线；任何物体，只要它的温度比零下273度高，就无一例外地发射出红外线。
所以，房间里的桌椅、睡床有红外线、我们自己的身体也发出红外线，即使冰天雪地，照样有红外线！
2.3光线与“红外线”的关系
光线是一种辐射电磁波，其波长分布自300nm（紫外线）到14,000nm（远红外线）。
不过以人类的经验而言，“光域”通常指的是肉眼可见的光波域，即是从400nm（紫）到
700nm（红）可以被人类眼睛感觉得到的范围，一般称为“可见光域”（Visible）。
由于近代科技的发达，人类利用各种“介质”（特殊材质的感应器），把感觉范围从“可见光”
部份向两端扩充，最低可达到0.08〜0.1nm（X-RAY,0.8〜1A）,最高可达10,000nm（远红外线，热像范围）。
底片所能感应的近红外线波长是肉眼所能看见光线波长的两倍，用底片可以记录到的波长上限是13,500A，如果再加上其它特殊的设备，则最高可以达到20,000A，再往上就
必须用物理仪器侦测了
3红外线的应用
3.1生活中应用红外线
如前所述，红外线的主要特性之一是热作用强。
因此人们利用红外线来加热物品。
家庭用红外烤箱烤食品，浴室暖灯用红外线来取暖，医疗上利用红外线来理疗。
根据前面的理论介绍，我们不难设想，如果我们能过“看”到红外线，那么我们会看到一个光亮的世界，每一个物体都在发光。
不过，如果某个物体温度比环境的温度高，它可能会更亮一些因此人们想到了在夜间没有可见光光源的情况下，可以采用红外线成像，并采用特殊的手段使红外图像变成人眼可以看到的可见光图像，就是夜视仪。
夜视仪在军事上有重要的应用。
由于红外光能从大气中传播，因此红外测温仪可以非接触地测量物体的温度。
现代很多防盗器、自动灯、自动水龙头、自动干手机等等，其实大多是探测到人体红外辐射后而执行动作的。
利用红外线监测技术，日本的部分高级轿车上正研制配备可在夜间行驶时清楚地识别出热源一一人体的远红外摄像头。
远红外线摄像头是在摄像头上有红外辅助照明灯，哪怕在全黑的环境下也能较好地还原景物本色。
在黑暗的环境中也能成像。
这样可大大减少路况不好时的行车事故率。
在工程方面，用红外探伤检测钢筋混凝土建筑的损伤，使一些肉眼看不到的导致损伤的物质通过红外线照射“暴露无遗”。
利用物质具有吸收特定波长光的性质，通过分析建筑物受红外线照射后反射光的波长，调查建筑物的表面物质。
然后再用电脑画面以不同颜色分别显示出建筑材料中由海水和路上融雪剂而产生的盐分、污水和温泉水中导致钢筋混凝土建筑损伤的成分、混凝土中和化产生的碳酸钙等在建筑表面的附着情况，以及建筑物表层损伤的程度。
这种方法不仅可以大面积分析建筑物表面，而且还可以根据建筑年代推测出材料内部损伤的状况。
3.2红外线在军事上的应用
3.2.1理论依据
红外系统的工作原理
红外系统若按其工作原理来区分可分为两大类：
一类是被动式系统，直接探测目标的红外辐射；另一类称主动式系统，需自带与探测器相匹配的红外光源照射目标。
前者占主导地位的军用红外系统有热成像系统、搜索跟踪系统、红外辐射计、警戒系统等。
按信息提供方式可分为成像和点源系统。
按工作方式又可分为扫描（光机和电子）和非扫描
系统。
被动式红外系统一般由红外光学系统、红外探测器（光子、热释电、热敏探测器和
CCD等）、信号放大和处理、显示记录和控制系统等部分组成。
红外系统在军事上有着广泛的应用。
因为红外系统比一般雷达的分辨率高，隐蔽性
好，且不易受电子干扰，较之可见光系统具有能识别伪装的优点。
因为大多数军事目标均具有工作温度高、表面温差大的特征，即使采取伪装手段，也很难使目标与背景温度及单色发射本领e（入,T）完全相同，因而可昼夜工作，但热像仪在浓雾中探测距离迅速下降，受式
（2）中参数ta的制约，尚不能实现全天候侦察。
红外（瞄准）系统可以与数字火控系统相连，从而大大缩短了捕捉和打击目标的时间，增加了命中目标
的概率。
红外成像系统的最大探测距离（d）对于估价扫描红外成像系统的重要特性
之一是最大探测距离d,由下面的方程式
（1）解出的d,就是在一定信噪比（SNR）下系统的最大探测距离。
d2_二..1
T—D0（NAbo]（D）[1]（aI）（i）
（门fR）2（SNR）
从式
（1）的括号可看出它由四部分组成：
1）目标和大气，2）光学系统，3）探测器，4）信号特性和信号处理。
各参数的意义如下：
ta为大气透过率；I为目标的辐射强度I=/I入d入;D0为光学系统有效直径；NA为光学系统的数值孔经；t0为光学系统的透过率；D3为探测器的比探测率；Q为瞬时视场；△fR为噪声等效带宽，SNR为系统信噪比。
322红外探测技术
事实上，红外技术最初的大发展，正是起源于第一和第二次世界大战期间夜战的需要。
早在二次大战的后期，在美军登陆进攻日本冲绳岛的战争中，红外夜视仪初露锋芒，把鬼鬼祟祟偷袭的日本兵看得真真切切，打得落花流水。
“响尾蛇”也是红外线在军事上的典型应用。
另外，通过测量物体的红外辐射的强度或者测量物体辐射出的各种波长红外光的比例，可以判断物体的温度。
根据这个原理研制出了工业用的红外测温仪。
图3-1一只狗的红外线照片
获得战场上的单向透明性，即获得战场信息优势，是获得战争主动权的关键因素之一,为达到此目的，红外系统现已是发达国家的陆、海、空、天各类武器系统中不可缺少的、甚至是主要的传感器。
3.2.3红外隐身
隐身（形）技术又称“低可探测技术”，是通过降低武器装备等目标的信号特征，使其难以被发现、识别、跟踪和攻击的技术。
由于现代战场上的侦察探测系统主要有雷达、红外和电子等探测系统，因此，隐身术也相应地有雷达隐身术、红外隐身术和电子隐身术等。
美国F-117隐形飞机采用了综合（主要是雷达）的隐身技术。
红外隐身术隐蔽的信息是目标（如飞机、导弹等）的相对辐射能级与红外辐射特征，隐蔽信息的中心是目标的红外辐射强度和辐射波段。
尽管为达到红外隐身的目的采取了许多技术措施，但它们主要为三个方面的技术：
改变红外辐射波段、降低红外辐射强度和调节红外辐射的传输过程。
此外还可采用红外干扰措施，如用红外干扰信号，投放红外诱饵等。
目前，红外隐身术的重要性仅次于雷达隐身术，因而受到各国的高度重视，并取得了一系列重要进展。
据报道，如果在飞行器上采用上述综合红外隐身措施，则可以抑
制90%以上的红外辐射。
3.3红外线在天文地理上的应用
由于红外线穿透云雾的能力比较强，利用灵敏的红外传感器可以在很远的距离以外探测物体发出的红外线，再经仪器的处理，可以显示出被测物体的形状和特征，这叫做红外遥感。
利用卫星进行红外遥感，可以实施对地球勘测，寻找水源、监视森林火灾、估测大面积农作物的长势和收成，天气预报、预报风暴、寒潮和沙尘暴，甚至预报地震等。
图3-2俄罗斯克柳切夫斯科伊火山喷发熔岩的红外线图像。
热红外线辐射技术可以拍摄人类肉眼不能看见的红外线图像，以帮助科学家跟踪世界1500座活火山里面和周边所出现的致命热能。
从这些图像获得的数据可以在危险到来之前提醒人们火山将会爆发，此技术或许有一天能让科学家更好地预测火山爆发。
拉姆齐说：
“全球十分之一的人口生活在活火山底下，因此这是一个影响全世界人民生存的问题。
”从太空鸟瞰，由围绕地球运行的卫星所获得的高清图像显示，活火山很突出，像圣诞树上的灯。
当它们准备爆发时，就会发出明亮的白光。
而它们的冷却速度可以告诉科学家有关其地质学组成，从而进一步帮助科学家预测这些火山是否将会猛烈爆发。
因红外线光波的波长比可见光长（见图3-3），它可以帮助我们看到肉眼观察不到的事物。
利用红外线照相机，人们可以超越空间的限制进行各种天文研究。
其不但拥有无与伦比的宽阔视野，而且还具有极高的分辨率。
通过它的帮助，天文学家们将有可能找到那些位于遥远地区的微弱星体和银河系中距离我们最遥远的陌生天体。
无线亜液红外綏可见龙綏就夕卜线X射建丫射线
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图3-3光的波长图
3.4红外技术在农产品中的应用
水果品质的无损伤检测是随着高科技发展应运而生的一门新技术，国外已将此技术成功地运用到农产品的质量检测上，尤其是水果的检测，应用最为广泛。
无损伤检测的原理可分为两种，一种是在水果外部发出一种能量，从水果对能量的输入与输出变化中得到水果相关的理化特性；另一种是通过对水果本身的化学发光或红外线放射的能量等来测定水果的质量。
水果质量无损伤检测的主要方法有：
紫外线检验、可见光检验、近红外线检验、红外线检验、X光及CT检验等。
日本人曾利用以上原理开发了可见光和近红外线测定梨、苹果成熟度的传感器，又研制了快速判别水果成熟度和色泽的选果装置，并将此技术用于自动化选果生产线上，把成熟度、色彩传感器与自动化分级、包装线连在一起，率先实现了水果高度自动化的无损伤检测。
通过对比红外干燥技术和对流干燥技术对苹果切片进行干燥，结果表明：
用红外线对苹果片进行干燥是一种非常有效的出去水分的方法。
在相同的参数条件下，用红外线能干燥比对流干燥迅速多了，用红外干燥时过程可缩短了一半。
除此外，红外线相对于对流干燥还具有热能传输系数高、时间过程短和耗能低的优点。
而且，红外线干燥动力依赖于红外线能量发射器和热辐射接受表面之间的距离以及空气传播速率等。
调整红外线发生器和切片表面的距离，就可以很容易地控制正在干燥物质的干燥温度。
干燥时间短、物料温度容易控制是红外线干燥技术在食品脱水应用中的最大优点。
3.5红外线在医药上的应用
红外线在医学上的应用很广泛。
物理治疗应用广，种类多，比如热疗、电疗、磁疗、超声治疗、水疗、蜡疗、激光治疗等等。
红外线在理疗中被广泛采用，如神灯、圣灯、
频谱仪、红外线灯。
3.5.1红外线灸法
红外线灸法，又称腧穴红外线照射疗法、穴位红外线疗法，是指利用红外材料作为幅射源即红外线辐射器，在人体的经络穴位上照射，使经穴产生温热效应和红外幅射效应。
研究表明，波长在1〜10微米之间的红外谱线，对人体作用特别明显，其穿透人体的深度可达2cm从而达到温通经脉、宣导气血，具有类似灸法的作用。
由于红外线局部照射首先引起照射部分的温度升高，和传统的灸法法有相似之处。
故
在针灸临床上被逐步得以应用和推广。
大量临床实践和实验研究表明，穴位红外线疗法对风、寒、湿一类的病证，有明显的祛风、散寒、除湿的效果。
因此，在肌肉、关节及某些神医学教育网原创经系统疾病中多有运用，近年还用于皮肤病的治疗。
另外，穴位红外线照射与针刺、电针、穴位敷贴、拔罐或刺血等疗法结合，更能产生较好的协同作用。
从已有资料看，穴位红外线疗法与其它一种或数种疗法的综合应用，将成为今后的发展趋势之一。
红外线治疗除了可以使局部血管扩张、血流加快外，血流还能把局部的热量带给全身，使全身的温度增高，从而作用于整个机体。
还有活血化瘀、镇痛消炎、解痉止渗等功效。
3.5.2红外热像仪
采用专用红外热像仪及图像处理系统，采集人体生理或病理原因引起的微弱信息变化，经计算机辅助分析，对病员进行早期诊断，分析预报。
这种诊断手段，也可作为大面积人群的健康普查，普查资料进入计算机存档，建立计算机健康管理系统。
3.5.3红外线治疗鼻炎
对鼻炎的常见治疗方法有局部注射、电灼等。
红外线鼻炎治疗仪的治疗原理是通过电脑扫描，红外线热辐射对病变组织细胞热能处理，使原炎症消除，鼻粘膜细胞更新、恢复正常组织。
3.5.4测量糖尿病患者的血糖
测血糖的红外传感器是一种非浸入式器件，结合透射采样技术、红外分光技术和先进的统计分析技术，可以测量糖尿病患者的葡萄糖浓度。
该传感器使近红外光透过患者
的手指，某些波长被血和葡萄糖之类的组织成分吸收，这些波长色散成一段光谱，经
计算机分析这种光谱数据可确定血液中的葡萄糖浓度水平。
3.5.5红外干燥技术
由于药材有其特殊的药理特性，其加工处理和干燥储藏过程要求更高。
一定要保证其药效不受影响。
红外线干燥技术以受热均匀、容易控制、干净卫生等特点获得广泛应用。
用远红外辐射干燥技术来对饮片进行干燥，不受气候影响，比自然干燥卫生，缩短干燥时间、干燥速度快，药物质量好，具有较高的杀菌、杀虫及灭卵能力，节省能源，造价低，便于自动化生产，减轻劳动强度。
近年来远红外干燥在原药、饮片等脱水干燥及消毒中都有广泛应用。
还可用于中药粉末及芳香性药物的干燥灭菌，并能较好地保留中药挥发油。
其干燥原理是：
电能转变为远红外线辐射能，被干燥物体的分子吸收后产生共振，引起分子、原子的振动和转动，导致物体变热，将大量水分变成气态而扩散，最终达到干燥无菌的目的。
3.6红外技术在PC方面的应用
红外线通讯是一种廉价、近距离、无连线、低功耗和保密性较强的通讯方案，在PC
机中主要应用在无线数据传输方面，但目前已经逐渐开始在无线网络接入和近距离遥控家电方面得到应用。
鉴于红外线通讯的诸多好处，现在的主板几乎全部提供了红外线接口，以便用户利用它进行与带红外线接口的设备通讯，如笔记本电脑、打印机、Modem掌上电脑、移动电
话等等。
但计算机主板上仅仅提供了红外线接口，并未提供完整的发射接收装置，所以用户在想使用红外线通讯时，仍然需要购买红外线连接器。
使用红外线作近距离视线范围内的通讯载波，其优点是成本低、传播范围和方向可以
控制（不会穿过墙壁，对隔壁家的电视造成影响）、不产生电磁辐射干扰，也不受干扰，因此被广泛地应用在各个技术领域。
而就象用遥控器控制电视机那样，利用红外线传输数据也可以将您的计算机以无线方式连接到其它临近的计算机或设备上。
因为大多数笔记本电脑都有内置的红外线收发器，而WindowsXP又支持“红外线数据协会（IrDA）”的标准和协议，允许连接诸如打印机、ADSLModem数码相机、PDA等设备。
红外线技术是一种近距离内的通讯方式，适合在一些精密的环境下使用。
3.7红外通信
通信技术进展的一个明显特征是电磁波谱被更充分地发掘利用，通信频率越来越高这样就从无线电频段扩至光频段。
在60年代发展了光通信，它是一门利用光束传递信息的新技术，工作波长（入）为红外。
光通信和电通信的异同点如表1所示光纤通信系
统的基本结构如图1所示
通信
种类
传输
信息
主要优缺点
光通信
无线、
有线
模拟、
数字
传输容量大，不受电磁干扰，节约有色金属，价廉，体积小，重量轻，损耗小；大气通信的质量受天气的影响较大
电通信
无线、有线
模拟、
数字
结构牢固，信息转换简单，耗电多，损耗大
表1光、电通信性能对比表
光纤通信的损耗与波长很有关，如表2所示。
hfum）0.80〜0・骷1.31-55
损耗（db/km）■2-65■0.2
表2损耗与波长的关系
4结论与展望
近年来，由于检测设备的完善及研究的深入，人们对红外线的物理性能及其生物学效应有了比较全面的认识，获得了许多进展。
红外线特别是远红外线已被广泛运用在医疗保健产业中，与日常生活有关的各种红外线产品也大量出现。
红外线已经“照射”到我们生活的许多较多，不管是国防军事方面、医疗保健方面、农业生活、地理勘测、天文研究等改革方面红外技术都有着极大的发展空间。
随着大家对红外线的个更深度的研究，红外线也必能更好的造福于我们。
参考文献
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北京：
北京科学技
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[2]上海技物所等.红外光谱学：
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[3]徐松涛等.红外技术及其在医学和军事中的应用•工程兵工程学院学报，1998
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国防工业出版社，1991
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光电光子器件及传感器•化学工业出版社,2004
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