光电专业科普知识

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科普知识

1.什么是吊舱？

吊舱是指安装有某机载设备或武器，并吊挂在机身或机翼下的流线型短舱段。可固定安装（如发动机吊舱），也可脱卸（如武器吊舱）。加装吊舱可以使飞机拥有其本身所不具备的功能，加装吊舱通常需要机载电子设备的支持和考虑飞机的整体空气动力。

随着航空技术的发展，机载吊舱技术也有了很大进步。通常来讲，机载吊舱可分为：武器吊舱（包括航炮吊舱，航箭吊舱），侦察吊舱，火控吊舱，后勤辅助吊舱（加油吊舱）。

机载光电吊舱、通常装有前视红外摄像机、电视摄像机和激光指示器/测距仪等光电传感器。按功用目前主要有机载导航吊舱和瞄准吊舱两类。

随着精确制导武器技术的不断发展，航空光电吊舱已成为战机精确打击系统中的重要组成部分。它隔离载机的姿态变化和机械振动对光电传感器指向的影响，同时，它利用光电传感器完成对目标的搜索、定位、跟踪。航空光电吊舱是一个具有大时延、非线性而又要求高跟踪和稳定精度的系统，对控制器的设计要求较高。

2.什么是陀螺稳定平台？

陀螺稳定平台泛指采用陀螺仪为反馈元件，隔离动基座对负载的角扰动，使负载稳定在固定的惯性空间的转台。当负载的支承轴无任何干扰力矩作用时，平台将相对惯性空间始终保持在原来的角位置上。当负载因干扰力矩作用而偏离原来的方位时，陀螺敏感测量轴的变化的姿态角或角速率，并经过控制系统后反馈给电机，通过电机产生补偿力矩对干扰力矩进行补偿，从而使负载保持稳定。

3.什么是视场？

简介：天文学术语。指望远镜或双筒望远镜所能看到的天空范围。视场代表着摄像头能够观察到的最大范围，通常以角度来表示，视场越大，观测范围越大。例如有些摄像头的视场是50度，而有些是58度，后者相比前者在同等距离的情况下就能拍摄到更大的景物范围。目前一般的摄像头的视场均在52度左右，更有甚者可达180度、360度（摄像头底座固定，镜头可以作一周旋转）。

与焦距关系：被测镜头可能因焦距不同，导致肉眼不能观测到刻度。可加入一片焦距适当的凸透镜作为辅助镜片察看。测量时应沿光轴方向前后移动被测镜头，直至观测的角度最大，即为该被测镜头的视场角。视场与焦距的关系：一般情况下，视场越大，焦距就越短。以下列举几个实例：镜头焦距25 mm，视场为45°左右。镜头焦距50 mm，视场为23°左右。镜头焦距75 mm，视场为14°左右。

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4.什么是红外热像仪？

红外热像仪是利用红外探测器和光学成像物镜接受被测目标的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元件上，从而获得红外热像图，这种热像图与物体表面的热分布场相对应。通俗地讲红外热像仪就是将物体发出的不可见红外能量转变为可见的热图像。热图像的上面的不同颜色代表被测物体的不同温度。

（红外热像仪的光路图）

5.红外热像仪的应用

1 电力系统的应用

1.1 需要采用红外热像仪进行检查的部分设施

电力、电讯设备过热故障预知检测，在电力系统和设备维修检查中，红外线热像仪证明是节约资金的诊断和预防工具。测量电器设备，非接触红外线热像仪可以从安全的距离测量一个物体的表面温度，使其成为电器设备维修操作中不可缺少的工具。红外热像仪可以有效防止设备故障和计划外的断电事故的发生。

（1）电气装置：可发现接头松动或接触不良，不平衡负荷，过载，过热等隐患。这些隐患可能造成的潜在影响是产生电弧、短路、烧毁、起火。

（2）变压器：可以发现的隐患有接头松动，套管过热，接触不良（抽头变换器），过载，三相负载不平衡，冷却管堵塞不畅。空冷器件的绕组可直接用红外热像仪测量以查验过高的温度，任何热点都表明变压器绕组的损坏。其影响为产生电弧、短路、烧毁、起火。

（3）电动机、发电机：可以发现的隐患是轴承温度过高，不平衡负载，绕组短路或开路，碳刷、滑环和集流环发热，过载过热，冷却管路堵塞。其影响为有问题的轴承可以引起铁芯或绕组线圈的损坏；有毛病的碳刷可以损坏滑环和集流环，进而损坏绕组线圈。检查发热点，在出现的问题导致设备故障之前定期维修或者更换。电动机线圈绝缘层-通过测量电动机线圈绝缘层的温度，延长它的寿命。还可能引起驱动目标的损坏。为了保持电动机的寿命期，检查供电连接线和电路断路器（或者保险丝）温度是否一致。

（4）连接器：电连接部位会逐渐放松连接器，由于反复的加热（膨胀）和冷却（收缩）产生热量、或者表面脏物、炭沉积和腐蚀。非接触红外热像仪可以迅速确定表明有严重问题的温升。

（5）各相之间的测量：检查感应电动机、大型计算机和其它设备的电线

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和连接器各相之间的温度是否相同。

（6）不间断电源：确定UPS输出滤波器上连接线的发热点。一个温度低的点表明可能直流滤波线路是开路。

（7）备用电池：检查低压电池以确保连接正确。与电池接头接触不良可能会加热到足以烧毁电池芯棒。

（8）镇流器：在镇流器开始冒烟之前检查出它的过热。

（9）公用设施：确定出连接器、电线接头、变压器和其他设备的热点，一些型号的光学仪器范围在60:1甚至更大，使几乎所有的测量目标都在测量范围内。

1.2 经济效应分析：

（1）各种电气装置：可发现接头松动或接触不良，不平衡负荷，过载，过热等隐患。这些隐患可能造成的潜在影响是产生电弧、短路、烧毁、起火。它们的平均修理费用为1万到5万美元；更换需要5万—8万美元，工期为几个星期到几个月。

（2）变压器：可以发现的隐患有接头松动，套管过热，接触不良（抽头变换器），过载，三相负载不平衡，冷却管堵塞不畅。其影响为产生电弧、短路、烧毁、起火。重绕需要经费1万到5万美元，更换为8万—14万美元，工期为几个星期或几个月。

（3）电动机、发电机：可以发现的隐患是轴承温度过高，不平衡负载，绕组短路或开路、碳刷、滑环和集流环发热，过载过热，冷却管路堵塞。其影响为有毛病的轴承可以引起铁芯或绕组圈的损坏，有毛病的碳刷，则可以损坏滑环和集流环，进而损坏绕组线圈。还可能引起驱动目标的损坏。电机重新绕组圈（5000马力）需要5～9万美元，更换需用9万～15万美元，工期几个星期到几个月。

2 消防系统应用

红外线应用是基于物体本身具有红外热辐射性质发展出的一种探测技术。这项技术在消防领域中延伸出的红外搜救技术，能极大地增强在浓烟、热、建筑物塌落等复杂状态下，消防人员能在火灾现场浓烟状态下清楚的显示出被拍物体形状及每个点的温度,帮助消防队员迅速搜索到遇险人员及贵重物品,还能及时发现着火点或最大火源，从而减少扑火时间，减少物品损失，是火灾现场救助工作的有利工具。与基于肉眼侦察的传统灭火救援手段相比，基于红外线技术的红外线热像仪能帮助消防人员不受浓烟和黑暗的干扰，清晰地观测、发现、掌握火场的真实情况，尽快做出科学的决策和正确的部署。

不仅如此，红外线技术在防火检查中同样能发挥重要作用，通过红外热像仪检查人员能够快速地寻找到设备破损造成的隐蔽性泄漏点，并快速找到阀门关阀断流。可以说，凡是热辐射能量和温度与设备故障信息有关的化工生产装置、管线、设备、储存设备等，都可采用红外热像仪进行泄漏等消防安全隐患的排查。

3 警用热像仪的应用

据统计,世界上47%的暴力犯罪案件发生在晚6点到早6点之间。而夜市技术在寻找并营救失踪人员、搜寻逃犯、缉毒、监视周边情况等方面都得到了广泛的应用,成为执法中不可缺的工具。热成像技术的用途越来越广泛,,已经得到广泛认可的几种警察经常用到的有：

（1）建筑物轮廓显示

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如今，缉毒行动日渐复杂,许多地方的大麻种植也由室外转到了室内,这给执法人员调查取证增添很大的麻烦。夜视技术的应用解决了这一难题,因为室内种植大麻时要用1千瓦的大卤光灯照明以提供生长所需的光和热。这些灯在加热建筑物内部的同时.热量会向建筑物外表面辐射,通过热像仪能够看到这种热量在挥发,从而为警察缉毒行动提供帮助。

（2）完成营救任务、搜寻逃犯

用微光镜和热像仪可以通宵寻找失踪人员或逃犯。人是热的强辐射体,通过热像仪很容易确定他们的位置。使用热像仪还可以发现躲藏在隐蔽物内的人。例如,乔治敦警察局在押送两名罪犯时,由于疏忽致使罪犯逃脱,于是警察立即开始追捕行动。其中有一名逃到一片草木丛生的地带后，隐藏了起来.警察三次经过罪犯藏身的地点,用手电筒也没找到。最后使用手持式热像仪,仅用了25秒就抓到了罪犯。

（3）保障警员安全

使用夜视技术警员能在夜间发现嫌疑犯,而自己不被看到。在加利福尼亚曾有这样一个案例,毒品管制局的执法人员用热像仪监视一伙涉嫌秘密制造毒品的犯罪团伙,这伙不法之徒在山里的据点中活动猖獗。每到夜里都要出来寻找在树林中监视他们的警察,警员们在林地中用热像仪使自己一直未被这伙歹徒发现,保证了自身的安全。

（4）车辆跟踪

车辆在使用时和使用之后都散发出大量的热。热辐射不仅来自发动机,而且来自轮胎、刹车和排气管。用配有热像仪的警用直升机可以从空中跟踪嫌疑犯的车辆,即使在其不开车灯时也一样能做到。装有车载热像仪的巡逻车还可以靠探测刚熄火车辆的散热,跟踪驶入停车场中的或已远离的疑犯车辆。

（5）发现弄乱的表面

用肉眼也许看不出复原的土壤表面,但用热像仪则可以看出来,因为当某处的表面被弄乱时,该表面的热轮廓也会被破坏,翻过的土壤热辐射也和压实的土壤不同。通过热像仪的这种功能可以找到被埋的东西。警察曾处理过这样一个案例,一男子盛怒之下,杀死自己的妻子,为掩盖罪证,该男子将尸体埋在后院,并用草皮盖住埋尸地点,该男子自以为做得天衣无缝,但警察使用热像仪很快就找到了尸体。如今,执法机关已经开始使用热像仪寻找受害者的埋藏地点。一般认为用热像仪能找到90天内的新坟,但美国地理协会曾用热像仪发现了2000年前的一座埃及古基。

（6）发现暗藏的隔层

汽车厂经常用热像仪检查汽车是否存在故障。警察将热像仪的这一用途用于检查车辆有无隔层。毒品贩子常常将毒品放在轮胎、假的气罐和回气管或车辆的其它舱室中,光靠肉眼检查很难发现这些破绽。通过热像仪则简单的多,如车辆有两个回气管并有一个是假的,通过热像仪观察会发现,使用中的回气管显得发白发热,而另一个则无此现象。据悉,美国一墨西哥边界的联合联邦检查组采用这种方法,已经发现企图过境的几千件毒品和不法侨民的走私物品。

（7）周边监视

在搜捕疑犯或处理紧急情况的时候,警察所采取的第一个行动就是对事故地点进行封锁并在周边派出警戒,防止疑犯逃跑或有人进入警戒区域干扰办案,通过手持的或装在车上的热像仪可以使周边控制更加有效。如今,许多国家已经开始使用夜视技术对罪犯管教机构、工厂和机场等地的周边地带进行昼夜监视,防

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止意外。热像仪还可以帮助警察检查商业区的安全。因为热像仪不能透视玻璃,通常窗户看上去与墙是一体的,如果用热像仪看到了屋子里的东西,就说明窗户是打开的或是被打破了,因而该房子已经或正在被盗。利用这一办法既有效又节省时间。

（8）环境保护

油、化学物品等污染物发出的热辐射与其周围的土壤或水发出的辐射不同。通过热像仪能够跟踪这些污染物并寻其源头。这一用途是在美国毒品管制局跟踪一条来自南美洲的船只时发现的。该船驶进纽约港时,通过热像仪观察到了它将污水系统打开并将污水倒入海港的过程。此次事件后,美国毒品管制局、联邦调查局等机构开始借助自身优势,自觉地参与到了环境保护中。如今,热像仪已被环保组织大量用于寻找那些造成污染的工厂、清除水上浮油等行动中。

（9）检测遗留痕迹

热像仪对交通警察同样也有很大的帮助,在交通事故现场使用热像仪有助于他们更准确地测定滑行痕迹,考察滑行情况。刹车时,仅会有较少的橡胶留在路面上,采用传统方法很难准确测定滑行距离及撞车时车辆的速度。但轮胎在与路面摩擦时会产生热量,而热像仪能够看到这些痕迹,所以热像仪可以用于获得滑行数据。在驾驶员开始踩刹车的地方就会有滑行的影像痕迹,由此就能确定该驾驶员实际上开得有多快。热像仪也可帮助警察确定滑行痕迹是属于哪一辆车的。当有若干可见的滑行痕迹与事故无关时,这一用途就显得很重要,因为要确定哪条痕迹是哪辆车留下的并不容易。

（10）犯罪现场调查是热像仪的又一新用途

热像仪可以协助警察收集证据,或确认关键证据。墙上或地板上的血虽然经过清洗,仍然会留下热像仪能够看出来的热特征。热像仪不能识别该物质的类型,但是它可以引起调查人员的注意。美国普莱诺警察局的警员曾经做过这样一个试验,在墙上写字后,将字涂掉,用热像仪仍能发现字的痕迹。但是这些热特征的存在时间很短,时间长短取决于大气条件。手印可存留15分钟，但如果天气寒冷或有风,痕迹将很快消失。

4 石化行业

（1）管道

无论在石油还是化工企业，通常会使用管道输送蒸气、原料和产品等，通常管道外会包裹保温隔热层，通过红外热像仪可以方便地查看管道的保温隔热层有无损坏以及是否有泄漏。热像仪对管道进行温度检测一般有以下应用：

①管道积炭堵塞，由于积炭部位和其他部位热容量不同导致温差，这些温差传递到管线外壳，就可以使用红外热像仪在管道外部拍摄到故障。

②管道内壁受损或是腐蚀导致减薄，其温度会比正常部位温度偏高，从而可以检测出故障。

③管道由于局部温度波动较大导致材料热疲劳，造成裂纹、泄漏，故障处会渗漏管道内介质，如果管道内介质为低温介质(如氨气)或是高温介质时，管道渗漏介质与管道外壁温差不同，可使用红外热像仪拍摄到故障点。

④管道保温脱落，其脱落处温度偏大，可在热像图中清晰显示。热像仪还可检测出管道温度，作为保温是否达到规定效果的判断依据。

（2）连接法兰

大量使用管道的情况下，自然存在很多的连接法兰。由于法兰的密封容易发生问题，导致管道输送蒸气、料和产品等在管道法兰的连接处有泄漏。用热像仪

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很直观、很简便，非常安全地发现泄漏处。

（3）锅炉(或加热炉)

锅炉是利用燃料燃烧释放出的热能或其他能量将工质(中间载热体)加热到一定参数的设备。从能源利用的角度看，锅炉是一种能源转换设备。在锅炉中，一次能源(燃料)的化学储藏能通过燃烧过程转化为燃烧产物(烟气和灰渣)所载有的热能，然后又通过传热过程将热量传递给中间载热体(例如水和蒸气)，依靠它将热量输送到用热设备中去。

利用热像仪可以对锅炉与加热炉热损失评估，主要评估点有：①排烟热损失。

②气体不完全燃烧热损失。③固体不完全燃烧热损失。④散热损失。

评估产生的效益主要有：①改善炉子燃烧的节能技术，包括：高效燃烧器、燃烧控制技术、燃料添加剂及燃料磁化技术。主要是使炉子燃烧过程更完全、充分。②加强保温节能技术，主要是采用新型高效保温材料，提高炉体保温效果，减少散热损失。③减少排烟损失节能技术，指采用热管加热炉、热管换热器等节能技术。

6.有关红外传感器

传感器是能感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。可见光传感器是将可见光作为被测量，并转换成输出信号的器件。

红外传感器技术是近年来发展最快的技术之一，红外传感器目前已广泛应用于航空航天、天文、气象、军事、工业和民用等众多领域，起着不可替代的重要作用。红外线，实质上是一种电磁辐射波，其波长范围大致在0.78μm～1000μm频谱范围内，因其是位于可见光中红光以外的光线，故而得名为红外线。任何温度高于绝对零度的物体，都会向外部空间以红外线的方式辐射能量。利用红外辐射实现相关物理量测量的传感技术，即为红外传感技术。

在夜视领域，红外探测器是热成像系统的核心，主要分为两类：制冷型（基于光子探测）和非制冷型（基于热探测）。制冷型红外探测器被认为是实际应用中最佳的红外热探测技术。

与制冷红外探测器相比，非制冷红外探测器不需要在系统中安装制冷装置，因此尺寸较小、重量较轻且功耗较低。此外，它们与制冷型光子探测器相比可提供更宽的频谱响应和更长的工作时间。因此，非制冷技术能为军事用户提供成本更低、可靠性更高的高灵敏传感器。换句话说，它们能更廉价地进行采购和使用，这是其吸引人的地方。

不幸的是，非制冷红外探测器在灵敏度方面至今无法满足所有军事应用的要求，因此其应用仍然存在一定限制。不过，随着更多的投资涌向该技术领域，这种情况无疑会发生改变。在不以远距离应用为主的场合，非制冷红外技术的应用正日趋广泛。这方面的最好例子是许多国家准备发展的综合"未来士兵系统"，夜视能力是其基本要求，此时成本、重量和功耗显得格外重要。

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