学 院：信息科学与工程学院专 业：班 级：学 号：姓 名：
物联网工程 15xx班 **********xx gllh
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摘要：
红外传感器是一种能感应红外电磁波信号并将其转换为电学输出信号的传感器，由红外传感器组成的红外焦平面阵列（IRFPA）是红外热成像技术的核心器件。[5]随着红外传感器技术不断发展，我国在对红外传感器的利用方向也有着不断的进步，红外传感器由于诸多特点在军用和民用领域都取得了广泛的应用，尤其是红外探测、红外成像、红外制导等方面，但还是与世界水平有所差距，本文简述国内外红外传感器的应用，围绕红外传感器测量的意义、目前红外传感器测量的原理、红外传感测量的现状、不同红外传感器的对比和结论展开讨论。
关键字：红外传感器、应用、原理、对比、现状
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目录：
一．摘要............................................................ 2 二．目录............................................................ 3 三．红外传感器测量的意义............................................ 4 四．目前红外传感器种类及测量方法.................................... 4
1．被动红外传感器 ............................................... 4 2．红外点传感器 ................................................. 4 3．不分光红外传感器 ............................................. 4 五．红外传感器应用现状.............................................. 5
1．热成像相机 ................................................... 5 2．红外制导 ..................................................... 6 3．红外运动探测 ................................................. 7 六．红外传感器原理与方法对比........................................ 8 七．结论........................................................... 12 八．参考文献....................................................... 14
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一． 红外传感器测量的意义
利用红外传感器进行测量时具有测量速度快、灵敏高的特点，红外传感器可以不直接接触被测物体而进行测量工作，对于无接触温度测量，无损探伤以及分析气体成分等方面的检测工作而言，其常需要用红外线传感器来进行操作，比如测量体温、测量物体运动等，任何自身具有一定的温度的物质都能辐射红外线，因此利用红外线的反射与折射等物理性能即可进行测量工作。
红外传感技术是近几十年来新兴的一门技术,经过多年的研究发展,它己在科技、军事、生产、生活等各个方面得到广泛的应用。其应用主体现在以下方面: (1)红外福射计:用于福射和光谱福射测量;
(2)査找与跟踪系统:运用红外原理查找和跟踪目标物,并确定其空间位置并对其动作进行跟踪;
(3)热成像系统:呈现所有的分布图像; (4)红外测距系统:实现物体间距离的测量; (5)通讯系统:建立无线通信方式;
(6)混合系统:以上各类系统中的两个以上的组合。[4]
二．目前红外传感器种类及测量方法
目前红外线传感器主要分为三大类：被动红外传感器、红外点传感器和不分
光红外传感器。
红外线传感器运用对红外能量的监测从而实现对物体的感知，在比可见光更长的波长下，电磁波谱中存在红外辐射，而红外能量是电磁波谱的一部分，虽然不能被看到，但可以被检测到，它包含了来自X射线，紫外线，红外线，微波和无线电波的辐射。这些都是波长相关和区分的，而所有物体都会发射一定量的黑体辐射作为其温度的函数，因此物体的温度越高，黑体辐射的红外辐射越多，并且红外传感器可以在完全黑暗的环境下工作，因此红外传感器一般运用菲涅耳透镜的聚乙烯，将红外线聚焦到传感器元件上。
红外传感器成像中有很多关键性的环节，包括光学系统的设计、探测器件的选用以及信号处理单元的设计等，这些关键环节的好坏对性能有至关重要的影响。
其中红外探测处理系统由光学系统、孔径光阑、探测器以及信号处理单元组成，光学系统可以是折射式或反射式，将目标的红外辐射成像在系统的焦平面上。
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孔径光阑一般是调制盘。探测器则将已聚焦的辐射转换成电信号。电信号由后续电路进行处理，用以提高信噪比并解析，光学系统在空间的稳定性通常用陀螺伺服系统来实现。
三．红外传感器应用现状
现阶段红外线传感器主要应用于热成像相机、红外制导、红外运动物体探测等领域。
红外摄像机的工作波长可达14,000纳米（14微米），而不是400-700纳米的可见光相机，红外相机的使用被称为热成像。
图：[1]
其中，热像仪大致可以分为两类：冷红外图像检测器和非冷却检测器。 冷却的检测器通常被包含在真空密封的壳体或杜瓦瓶中，并被低温冷却。冷却对于所使用的半导体材料的操作是必需的。典型的操作温度范围从4K到略低于室温，取决于检测器技术。大多数现代制冷探测器的工作范围在60 K到100 K之间，具体取决于型号和性能水平。
非制冷红外传感器可以稳定在工作温度以降低图像噪音，但是它们不会冷却到低温，并且不需要笨重，昂贵，耗能的低温冷却器。这使得红外摄像机体积更小，成本更低。但是，它们的分辨率和图像质量往往低于冷却探测器。这是由于制造工艺的差异，受当前可用技术的限制。非制冷的热像仪也需要处理它自己的热标记。
在红外成像中，为了用于温度测量，图像中最亮（最热）的部分通常为白色，中间温度为红色和黄色，最暗（最冷）的部分为黑色。应在伪彩色图像旁边显示
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比例以将颜色与温度相关联。他们的分辨率远低于光学相机，大多只有160×120或320×240像素，但更昂贵的相机可以达到1280×1024像素的分辨率。热像仪相比其可见光谱相机要昂贵得多，但2014年用于智能手机的低性能附加热成像摄像机的价格已经达到数百美元。高端机型通常被认为是两用的和出口限制，特别是如果分辨率是640 x 480或更大，除非刷新率是9 Hz或更少。但是在美国，热像仪的出口受“ 国际武器交通条例”管制。
对于红外制导，红外制导技术主要可以分为红外成像制导技术和红外非成像
[6]红外制导的是一种被动武器制导系统，制导技术两大类。它利用目标的红外（IR）
发射来跟踪和跟踪目标。使用红外寻找的导弹通常被称为“寻热器”，因为红外辐射强烈的热体。诸如人，车辆引擎和飞行器之类的许多物体产生和发射热量，因此，与背景中的物体相比，在红外波长的光下尤其可见。
美国的“红眼睛”，前苏联的“”SAM- 7#地对空导弹以及美、英、法等国相继研制成功“响尾蛇”、“火光”和“马特拉”等第一代红外制导的空空战术导弹最为先进。[7]红外制导分3个部分：成像系统、扫描模式和调制、引导头。
引导头：红外传感器使用的三种主要材料是硫化铅（II），锑化铟（InSb）和碲镉汞（HgCdTe）。旧的传感器倾向于使用PbS，较新的传感器倾向于使用InSb或HgCdTe。冷却后，所有的表现都会更好，因为它们更敏感，并且能够检测到较冷的物体。
图：[2]
扫描模式和调制：早期探测器中的探测器几乎没有方向性，接受来自非常宽
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的视场（FOV）的光，可能是100度或更多，由于导弹的目标是使目标在其弹头的致命半径内，这通常是通过把探测器放在某种望远镜的焦点上来完成的，随着FOV的减小，导引头变得更加精确，这也有助于消除背景源，一般来说，整个导引头组件安装在一个万向节系统上，使其可以通过广角跟踪目标，导引头和导弹飞机之间的角度用来产生导向修正。
成像系统：现代热寻的导弹利用成像红外（IIR），红外/紫外线传感器是一个焦平面阵列，能够产生红外图像，就像数码相机中的CCD一样。这需要更多的信号处理，但可以更准确，更难以欺骗诱饵。除了更加抗闪光之外，新的寻求者也不太可能被欺骗锁定到太阳上，这是避免寻找热导弹的另一个常见的技巧。通过使用先进的图像处理技术，目标形状可以被用来找到导弹被导向的最脆弱的部
[45]分。所有西方短程空对空导弹如AIM-9X响尾蛇和ASRAAM，中国的PL-10 SRAAM
和以色列的Python-5使用红外成像仪，而俄罗斯的R-73仍然使用红外导引头。
安全系统最重要的发展领域之一是能够智能地评估信号，并警告威胁是否存在，在美国战略防御计划的鼓励下，“智能传感器”开始出现。这些传感器可以集成传感，信号提取，处理和理解。有两种主要类型的智能传感器的。一种类似于在可见光范围内使用的所谓“ 视觉芯片 ”，由于集成微电路增长的增加，允许使用智能感测技术进行预处理。另一种技术更多地针对特定用途，通过其设计和结构来实现其预处理目标。
现阶段的红外运动物体探测多用被动红外传感器（PIR）检测装置，按照热释电红外传感器感知方式把他们分为俯视感知模式和侧视感知模式，[9]一个独立的PIR传感器检测入射到其上的红外辐射量的变化，这取决于传感器前面的物体的温度和表面特性而变化，当人体等物体通过墙壁等背景前方时，传感器视场内该点的温度将从室温升至体温，然后再回来。传感器将输入红外辐射的变化转换成输出电压的变化，并触发检测，最常见的型号有多个菲涅耳透镜或反光镜片，有效范围约为十米（30英尺），视场小于180度。
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图：[2]
另外，红外传感器在无人机导航方面也有应用，Tetracam ADC 近红外传感器和一般的可见光传感器相比，其最大的优势就是拓展了摄影成像的光谱范围，使其可在近红外波段摄影成像，大大的提高了光谱的应用范围，也充分利用了近红外波段的优势，使其对植被和水体敏感等特征得到了广泛的应用。下图为 TetracamADC 近红外传感器所获取的近红外单波段单片影像所拼接完成的近红外单波段全幅影像。
四．红外传感器原理与方法对比
红外传感器包括三个部分：光学系统、检测元件、转换电路，其中光学系统又分为透射式、反射式，检测元件按工作原理的不同分为热敏检测元件、光电检测元件；在热敏检测元件中常用热敏电阻，利用红外线辐射热敏电阻时，因热敏电阻温度升高而使其电阻发生变化，其电阻发生变化的情史可通过转换电路变成
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不同的电信号而输出；在光电检测元件中常用光敏元件。光敏元件是利用锗及硅掺杂料、碲镉汞三元合金、砷化锑、砷化铟、硒化铅以及硫化铅等材料制造而成的。
对红外线传感器系统而言，一个典型的传感器系统各部分的实体分别是：待测目标、大气衰减、光学接收器、辐射调制器、红外探测器、探测器制冷器、信号处理系统、显示设备。
以下对3中不同类型的红外传感器进行对比；
1. 被动红外传感器（PIR传感器）是一种电子传感器，用于测量的红外（IR）
光从在其视场中的物体辐射。它们最常用于基于PIR的运动检测器。 基于PIR的运动检测器用于检测人，动物或其他物体的运动。它们通常用于防盗报警器和自动启动的照明系统。被动红外探测器通常被称为“PIR”，有时也被称为“PID”。
红外辐射通过传感器的前部进入，即“传感器面”。PIR传感器的核心是由热电材料制成的固态传感器或传感器组，所述材料是在暴露于热时产生能量的材料。典型地，该传感器是大约1/4英寸平方英寸（40 mm 2），并采取的形式的薄膜。
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图：[2]
利用图所示的实验系统, 让受试者 (女性,身高 125 cm , 体重 45 kg)沿离红外传感器的距离为 D 的路径通过红外传感器观测区域 , 并记录红外传感器的输出信号。[8]
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菲涅耳透镜（发音为Frennel）是一种Plano凸透镜，自身已经坍塌，形成一个平坦的透镜，保持其光学特性，但厚度更小，因此吸收损失更少。 菲涅尔透镜由具有8至14中的IR发射范围的红外透射材料的ü米这是人体的辐射最敏感的。它被设计成使其凹槽朝向红外感应元件，使得光滑的表面呈现在透镜的主体侧，通常是容纳传感器的外壳的外侧。
2. 非制冷红外传感器是红外热成像领域中的研究热点，在商业、军事、民事
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等领域有着广泛的应用。其中，二极管型非制冷红外传感器是一种以 PN 结温度敏感单元，易与标准 CMOS 工艺兼容的红外传感器。
3. 非分散型红外线传感器（或NDIR传感器）是一个简单的分光 传感器经
常被用来作为气体检测器。由于红外能量可以通过大气采样室而不变形，所以在光散射的意义上是不分散的。
NDIR是Non Dispersive Infra-Red的缩写。这意味着当从光源发射红外光束时，它不会被光源和探测器之间的物质“散射”或散射。
NDIR气体传感器专门测量样品室中气体的丰度或浓度。如果从红外光源到探测器的路径中存在气体，则在非色散系统中，光被气体吸收。吸收多少光是光源和光检测器之间有多少气体的函数。
比较红外线传感器与其他传感器来说，红外传感器可以不与被测物体接触，较为安全，并且使用寿命长，不易损坏，但是较为精密，部分领域使用的光学镜片成本高，技术垄断比较大，并且部分产品所在国有出口限制，对于生物监测和制导有着重要的作用；
相比较同类红外传感器，被动式红外传感器主要检测运动的物体，非分散型红外传感器主要用于感知所监测环境中的气体成分。
五．结论
近年来，传感器正向微型化、高精度、高可靠性、低功耗、智能化、数字化的方向发展。中国的传感器产业经过多年发展已经达到自主研发和生产的能力，但是距离世界水平还是有很大的差距，尤其是红外传感器方面，国外对于中国的禁运导致许多技术不成熟，但是现阶段世界红外传感器的技术还是位于
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领先水平，在发达国家的军用领域，红外热像仪已得到及其广泛的配置，例如海湾战争中平均每个美国士兵配备1.7具红外热像仪。因此国内红外传感器的研究和发展需要不断进步，积极参与到研发之中。
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