红外探测是人类应用最早、最广、也是最成熟的探测方式,有不同的工作波长和探测方式。入侵探测是探测由人发出的特定波长的红外辐射,也可看成是温度(热)探测。
物体受热时,原子内部发生的复杂过程引起带电粒子的振动,致使能量转化为一定波长的电磁振荡辐射能,这就是热辐射。换句话说、自然界所有温度高于绝对零度的物质,都产生热辐射,并且这种辐射载有物质的特征信息(温度),这就是实现红外探测的客观基础。
通常、物体向外辐射能量的同时也吸收外界的能量,用以下物理量来表示:
辐射本领,物体向外单色辐射的能力,Mλ=dM/dλ。所谓单色是指特定的波长;物体的全部辐射能力是其在全波长范围的辐射本领的积分,M=∫Mλdλ,称为全辐射本领或总辐射。
吸收本领,在波长间隔dλ内物体对(外来)辐射的吸收量与入射量之比,又称为物体在波长λ处的吸收率。
显然、辐射本领和吸收本领都是波长和温度的函数。当二者相同时、物体处于平衡辐射状态,表现为它们具有恒定的温度。因此、温度是与物体辐射能量相关的参数,也决定了物体辐射的波长,是物质的一种特征。
维恩位移定律描述了绝对温度为T的黑体最大辐射本领的波长,即其能发出最大辐射能的单位波长;λmT=2898μm.K。它表明:物体温度越高,λm越向短波长移动。人体(和其它动物)的红外辐射(波长在7~11μm附近、对应人的体温)就是人体区别于其它物体的特征。
给出黑体辐射能量与波长的关系,由于任何物体的吸收能力都有低于黑体(黑体吸收率为1),所以其辐射能力也都低于黑体。因此、用黑体的辐射特性来描述上面的概念是最准确的,特别是作为计量、测量标准时。这个曲线非常重要,在探测技术的许多领域都会用到它。
红外辐射在大气中传播时会产生衰减现象,主要是由于大气中各种气体对红外光的吸收(如水气、二氧化碳)和大气中悬浮微粒(如雨、雾、云、尘埃等微粒)对红外光造成的散射。大气中红外辐射的衰减是随着波长不同而变化的,在某些波段,红外辐射衰减较小,故称这些波长区为红外辐射的“大气窗口”。能通过大气的红外辐射基本上分为三个波段,1μm~2.5μm;3μm~5μm;8μm~14μm,这三个红外大气窗口为我们的应用提供了方便,如人体的红外辐射正好位于一个大气窗口。安防系统的主动红外和主动红外摄像技术也是工作在一个大气窗口。
上面讲了人体的红外辐射是它的一个特征(波长),如何去检测这个辐射,识别这个特征,就涉及到另一个物理现象以及由此产生的器件。
有些晶态电介质具有自发极化特性,而极化强度与电介质的温度有关。比如有些压电晶体(锆钛酸铝系、铌酸锂、钽酸锂系陶瓷)的自发极化强度就是随温度升高而下降。晶体在垂直极化轴的表面上束敷电荷的密度也随温度而改变。这就是热释电效应。这种晶体受到辐射时,温度升高,自发极化的强度减弱,晶体表面就会有自由电子释放出来(束敷电荷密度减少)。利用这个原理就可以实现红外(热)探测。
热释电探测首先将吸收到的红外辐射转换为热能(导致晶体温度的升高),然后再将其转换为电能,因此、响应速度较慢,灵敏度低。但它经济、简单、可靠,应用非常广泛。显然这种红外探测方式不具有温度分辨的能力,是在一定温度范围(红外频谱)内,总的辐射能量的探测。因此、只能用于有体温的人与环境的分辨,不能用于发热病人与正常人的分辨。
量子型红外探测器(光子探测)可以直接把红外辐射能转换为电能,具有响应速度快、灵敏度高的优点,也是一种红外探测手段。这种探测方式既有温度分辨能力,也有一定的空间分辨能力,主要用于红外成像,一般不为入侵探测器采用。但它在探测领域是极有潜力和价值的技术,是安防技术研究的重点。