熱成像技術(shù)是20世紀(jì)中葉發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)。它能夠?qū)⒉豢梢?jiàn)的熱輻射圖像轉(zhuǎn)變?yōu)槿搜劭梢钥匆?jiàn)的可見(jiàn)光圖像，在新的領(lǐng)域開(kāi)拓了人的視覺(jué)能力，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和軍事領(lǐng)域有廣泛的用途。

20世紀(jì)70年代初，在成功地研制出便攜式手持熱成像觀察儀之后，美國(guó)即開(kāi)始研制用于步槍等輕武器的熱成像瞄準(zhǔn)鏡。70年代末研制出可用于M16步槍的熱成像瞄準(zhǔn)鏡樣機(jī)。至90年代，以美國(guó)為首的西方發(fā)達(dá)國(guó)家將夜視技術(shù)的發(fā)展重點(diǎn)轉(zhuǎn)向熱成像技術(shù)，新研制的熱成像瞄準(zhǔn)鏡性能大大提高，而成本則逐漸下降。熱成像瞄準(zhǔn)鏡成為步兵裝備的熱門產(chǎn)品。

那么，熱成像瞄準(zhǔn)鏡是怎樣工作的?它有什么優(yōu)點(diǎn)呢?

萬(wàn)物都是輻射源

熱成像瞄準(zhǔn)鏡是依靠熱輻射工作的。熱是構(gòu)成物體的大量粒子(分子、原子、亞原子粒子等)微觀無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的宏觀表現(xiàn)。粒子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)越劇烈，粒子所含平均動(dòng)能就越大，物體的溫度就越高。物理學(xué)研究證明，就像無(wú)線電臺(tái)的天線中有電流通過(guò)會(huì)發(fā)出電磁波一樣，物體中大量粒子晝夜不停地運(yùn)動(dòng)也會(huì)發(fā)出電磁波，不過(guò)其波長(zhǎng)大都在紅外波段，因此熱輻射又稱“紅外輻射”。

物體不管其溫度高低，粒子的運(yùn)動(dòng)是不會(huì)停止的，即使是零度以下的冰雪也是這樣。溫度降到零下，水失去了流動(dòng)性，凝固成冰，結(jié)冰后水分子不能隨意移動(dòng)位置，但微觀上水分子并未停止運(yùn)動(dòng)，冰塊中的分子在平衡位置附近無(wú)規(guī)則振動(dòng)，而只要分子在運(yùn)動(dòng)，必然發(fā)出熱輻射。甚至絕對(duì)零度(—273℃)的物體，也有熱輻射。

物體在發(fā)出熱輻射的同時(shí)，也在吸收和反射太陽(yáng)、大氣及其他物體的熱輻射，不斷進(jìn)行能量的交換。物體的溫度隨熱輻射的“收支”而改變，“收支”平衡則溫度保持不變，“收支”不平衡，則溫度會(huì)隨之起伏。

物體熱輻射能量的大小與物體的溫度有關(guān)。溫度越高，構(gòu)成物質(zhì)的分子、原子的振動(dòng)和扭動(dòng)就越激烈，所產(chǎn)生的電磁輻射幅度就越大，因此溫度高的物體發(fā)出的熱輻射較強(qiáng)，溫度低的物體發(fā)出的熱輻射較弱。地表各物體由于內(nèi)部熱能供應(yīng)情況不同，其溫度并不都相同，因此發(fā)出的熱輻射的強(qiáng)弱是不一樣的。

物體熱輻射能量的大小除了與溫度有關(guān)外，還與物體的材料和表面狀態(tài)有關(guān)。吸收熱輻射能力強(qiáng)的材料，發(fā)出熱輻射的能力也強(qiáng)一些，例如黑色油漆是良吸收體，也是良輻射體。有的材料只對(duì)某些波段的熱輻射有較強(qiáng)的吸收和輻射能力，而在其他波段則吸收和輻射能力很小。表面粗糙的物體吸熱性好一些，而表面光滑的物體吸熱性差一些，因此表面粗糙的物體發(fā)出熱輻射能力要強(qiáng)一些。

物體熱輻射的波長(zhǎng)也與物體的溫度有關(guān)。物體的溫度越高，短波熱輻射所占比例越大，即熱輻射峰值波長(zhǎng)越短。例如地面物體的溫度約為2TC，熱輻射的峰值波長(zhǎng)約10Nm，白熾燈鎢絲溫度約為2500~C，熱輻射的峰值波長(zhǎng)大約為1．3 L1m，其輻射能量大部分是波長(zhǎng)大于1 ilm的紅外電磁波，波長(zhǎng)較短的可見(jiàn)光的能量占15％左右。

萬(wàn)物都是輻射源，而且物體的熱輻射能力存在差異，為熱探測(cè)儀探測(cè)和識(shí)別物體提供了客觀的條件。

熱輻射探測(cè)器

根據(jù)物體熱輻射的特性，可以了解物體的某些性能，如測(cè)定物體的溫度等。根據(jù)物體間熱輻射的差異，還可以將物體區(qū)分開(kāi)，達(dá)到發(fā)現(xiàn)和識(shí)別物體的目的。

但是用什么來(lái)探測(cè)物體的熱輻射呢?

早期的熱探測(cè)器

人的感“熱”細(xì)胞幾乎遍布全身，但不能細(xì)致地感知物體溫度分布。18世紀(jì)時(shí)，科學(xué)家就利用加有染料的薄膜受熱變色的原理，發(fā)明了用薄膜探測(cè)熱輻射強(qiáng)度的方法。20世紀(jì)30年代高萊和查爾發(fā)明了氣動(dòng)探測(cè)器，利用氣體吸收紅外輻射后體積增大引起氣壓升高的原理，測(cè)量氣壓的變化，從而間接測(cè)出輻射的強(qiáng)弱。20世紀(jì)30年代曾經(jīng)發(fā)明出利用薄膜受熱變色原理給熱輻射體“拍照”的儀器，用于探測(cè)物體各局部區(qū)域的溫度。

紅外感光膠片是另一種紅外輻射探測(cè)器材。近紅外照相曾是第一次世界大戰(zhàn)和第二次世界大戰(zhàn)中最受重視的偵察手段之一。20世紀(jì)40年代研制的紅外相機(jī)，用凸輪驅(qū)動(dòng)式反射鏡對(duì)目標(biāo)掃描，用照相膠片記錄目標(biāo)的熱圖像，溫度分辨能力可達(dá)0．1℃，但需要3～6分鐘才能記錄一個(gè)目標(biāo)，還要用加倍的時(shí)間沖洗顯影。彩色紅外膠片一般由3層感光乳膠構(gòu)成，分別對(duì)紅外光、紅光和綠光敏感，所以洗印出來(lái)的是顏色反常的照片。

熱成像探測(cè)器

熱輻射探測(cè)器多種多樣，用途各有不同。可以實(shí)時(shí)顯示目標(biāo)圖像的熱成像探測(cè)器，是在20世紀(jì)中葉根據(jù)光電轉(zhuǎn)換的原理研制出來(lái)的，主要有光電導(dǎo)型光子探測(cè)器、光伏型光子探測(cè)器和熱釋電型熱探測(cè)器。

光電導(dǎo)型探測(cè)器

在接收熱輻射之后，由于內(nèi)部導(dǎo)電電子數(shù)量增多，材料的電阻率變小，由電阻率的變化即可探測(cè)到熱輻射的強(qiáng)度。這類探測(cè)器．又名光敏電阻。例如用硫化鉛(PbS)制作的探測(cè)器就是光電導(dǎo)型探測(cè)器。這種探測(cè)器對(duì)波長(zhǎng)為1．2—2．9腥m的熱輻射敏感，1952年美國(guó)陸軍用這種探測(cè)器制成了第一臺(tái)熱像記錄儀。

光伏型探測(cè)器

在接收熱輻射之后，半導(dǎo)體中的電子和空穴分開(kāi)，在P—N極的兩側(cè)產(chǎn)生電壓、根據(jù)所產(chǎn)生電壓的大小即可測(cè)定熱輻射的強(qiáng)弱。

有的材料既能夠以光電導(dǎo)的方式工作，又能以光伏方式工作。例如用銻化銦(1nSb)制作的探測(cè)器，既有光電導(dǎo)型的，又有光伏型的。光伏型銻化銦探測(cè)器對(duì)2．0～6．4煌m的熱輻射敏感，光電導(dǎo)型銻化銦探測(cè)器對(duì)3．0—6．4 L1m熱輻射敏感。20世紀(jì)50年代末瑞典AGA公司用銻化銦制作的探測(cè)器研制成功實(shí)時(shí)紅外掃描儀，可在電視屏上實(shí)時(shí)顯示溫差0．2℃的低速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的熱像。

用碲鎘汞(HgTeCd)晶體制成的探測(cè)器，也能以光電導(dǎo)和光伏兩種方式工作。光電導(dǎo)型碲鎘汞對(duì)波長(zhǎng)為9～13llm的熱輻射敏感，光伏型碲鎘汞對(duì)9～13um牙口1．0～5．5腥m熱輻射敏感，碲鎘汞探測(cè)器工作波段較寬，探測(cè)反應(yīng)時(shí)間極短(響應(yīng)時(shí)間只有3x 10—’s)，靈敏度很高，工作溫度相對(duì)較高，是性能非常優(yōu)秀的熱探測(cè)器，得到廣泛應(yīng)用。

碲鎘汞探測(cè)器的制備是一項(xiàng)非常精細(xì)而困難的工作，需要極其昂貴的設(shè)備、超凈的廠房，要實(shí)施復(fù)雜而獨(dú)特的工藝。

熱釋電型探測(cè)器

不同于前面所說(shuō)的光電導(dǎo)型和光伏型探測(cè)器，這種探測(cè)器的材料通常為硫酸三甘酞(縮寫為TGS)、氘化硫酸三甘酞(縮寫為DTGS)等鐵電材料。這些材料近于絕緣體，外加電壓時(shí)不導(dǎo)電，但其上、下表面將產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷，這種現(xiàn)象被稱為“極化”。當(dāng)紅外輻射照射鐵電薄片時(shí)，鐵電材料升溫，導(dǎo)致表面電荷減少，這就相當(dāng)于“釋放”了一部分電荷，電荷的變化量與熱輻射的變化量有對(duì)應(yīng)關(guān)系。受一定強(qiáng)度的熱輻射照射，鐵電材料的溫度升高到穩(wěn)定值時(shí)，表面電荷不再變化，就不再輸出信號(hào)。為了探測(cè)熱輻射強(qiáng)度相對(duì)穩(wěn)定的目標(biāo)，可以人為地周期性改變照射到探測(cè)器上的輻射量，例如在入射光路上加一個(gè)遮光調(diào)制器，可以使這種探測(cè)器不斷輸出電荷變化量的信號(hào)。根據(jù)這種人為產(chǎn)生的熱輻射變化量的大小，可以探測(cè)出該輻射體熱輻射的強(qiáng)弱。

熱釋電探測(cè)器一般對(duì)各種波長(zhǎng)的熱輻射響應(yīng)比較平均，即工作波段較寬，而且工作溫度高，但它的探測(cè)反應(yīng)相對(duì)較慢，探測(cè)靈敏程度相對(duì)差一些。目前已經(jīng)研制出可以在常溫下工作的高性能的探測(cè)器和熱釋電電視攝像管。

(待續(xù))

(編輯／王曉濤)