红外线监控系统

红外线监控系统（精选12篇）

红外线监控系统 第1篇

1 系统创意方案设计

1.1 方案设计一

本系统在设计过程中, 最关键的是实现利用单片机进行自动报警。还采用了SM0038红外接收头和LM567芯片, 包括硬件和软件设计两个部分。报警电路实现声音报警和报警灯报警, 其中声音报警部分用单片机编程控制ISD1730芯片实现声音报警;报警灯报警部分同样用单片机编程控制8个高亮度LED灯实现双灯向右向左加闪烁功能完成报警灯报警。

1.2 方案设计二

报警电路跟方案一基本一样, 只是让声音报警部分实现音乐播放和录音。报警监控电路主要实现摄像监控, 其通过单片机驱动执行摄像监控电路, 摄像头开启录像。设置好摄像头的监视时间和范围, 当系统开始报警时, 摄像头开启, 进行现场录像并保存, 不但使报警系统发挥更有效的作用, 也能留下法律证据。遥控模块用于控制报警系统的工作状态、停止误报还能更换报警声音。

2 硬件系统分析

本系统硬件部分主要由红外发射器、红外接收器、红外解调控制电路、单片机AT89C52中央控制模块、ISD1730录音与放音控制系统等组成, 同时为了方便控制, 还设计了遥控电路。

2.1 整个系统的硬件部分

整个系统的硬件部分框图如图1所示。

2.1.1 单片机选型

选用AT89C52单片机作为本系统的中央控制器, 是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器, 它拥有灵巧的8w位CPU和系统可编程Flash, 晶片内部具有时钟振荡器, 片内有8KB存储器 (ROM) , 256字节的数据存储器 (RAM) , 32个可编程I/O接口, 8个中断源, 三个16位定时器/计数器, 全双工UART串行通道, 使得AT89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。在掉电保护方式下, RAM内容被保存, 振荡器被冻结, 一切工作停止, 直到下一个中断或硬件复位为止。

2.1.2 红外线接收器SM0038

SM0038是塑封一体化红外线接收器, 集红外线接收, 放大及整形于一体的集成电路, 不需要任何外接元件, 就能完成红红外线接收到输出与TTL电平信号兼容的所有工作, 当接收到特定红外 (38KHz调制的红外) 时, 其输出为0, 没有接收到红外时, 输出为1.其体积与普通的塑封三极管大小相当, 适合于各种红外线遥控和红外传输。如图2所示, 它内部包含了红外光接收、电信号放大、整形、解调等电路, 不需要任何外接元件, 可独立完成从红外线接收到输出兼容TTL电平信号的所有工作, 没有红外输入信号时为高电平, 接收到红外信号时为低电平, 它适合于各种红外线遥控和红外线数据传输。第1脚为GND;第2脚为+5V;第3脚为OUT输出。

2.1.3 红外接收解调控制电路

如图3所示。SM0038是红外接收头, 它接收发射器发出的红外信号, 其中心频率与发射器载波频率f0相同, 经SM0038解调后, 在输出端OUT输出频率为f1的方波信号。我们将LM567的中心频率调到与发射器中“与非”门1、2振荡频率相同, 即使f2=f1。则当发射器发射信号时, LM567便开始工作, (8) 脚由高电平变为低电平, 利用这个变化的电平便可去控制单片机的工作状态。

3 软件设计

单片机应用系统是以单片机为核心, 配合输入、输出、控制等外围电路和软件, 能实现一种或多种功能的实用系统。单片机应用系统是由硬件和软件组成的, 硬件是应用系统的基础, 软件则在硬件的基础上对其资源进行合理配置和使用, 从而完成应用系统所要求的任务, 二者相互依赖, 缺一不可。

本系统软件部分也采用模块化设计, 整个软件可分成主程序部分、红外解调控制、遥控和报警4部分组成。系统主程序、跑马灯程序、音乐报警程序流程图如图4、图5、图6所示。

3.1 硬件调试

(1) 使用实验室的实验板, 设计实验电路, 调试红外发射、接收硬件部分, 输入5V电源, SM0038接收到由红外发射管发射出来的红外线, 用示波器检测SM0038的输出信号, 正常输出信号为为方波。

(2) SM0038输出方波信号, 继续在实验板上设计好红外解调控制电路, 输入5V电源, 用万用表检测LM567的 (8) 脚信号, 当SM0038有信号从LM567的 (3) 脚输入, LM567的 (8) 脚输出高电平。

(3) 调试做好的电路板, 首先检查电源部分, 电源输出正常, 其次按照核心芯片SM0038、LM567主要输出脚进行检查。

3.2 软件调试

(1) 在Keil平台编写程序, 检查程序正确性, 看是否达到的意想的效果。

(2) 下载程序, 检查单片机部分, 看是否可以正常驱动执行报警系统。

4总结

本系统实现了红外线自动报警功能, 且系统功能强大, 成本低, 系统运行稳定。其定位于提供高效率、不受地理位置限制的家庭安防系统。系统中采用了SM0038红外接收头、LM567芯片和ISD1730芯片组成的报警系统, 能满足不同用户的需求。在整个系统的设计以及实现过程中, 对今后类似系统的开发具有一定的借鉴意义。

摘要：本系统主要是针对家庭而设计的一种报警器, 控制系统采用51系列单片机AT89C52作为中央处理器, SM0038为红外接收头, LM567进行红外线接收和解调, 能实现灯光闪烁报警、音乐报警等多种方式进行。同时还配置了遥控电路, 可以对整个系统的自由的控制和监控。

关键词：红外线,单片机最小系统,报警

参考文献

[1]李明.单片机原理及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2007.

[2]韩克.单片机原理及应用[M].北京:电子工业出版社, 2013.

[3]周兴华.手把手教你学单版机[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2010.

[4]唐继贤.51单片机工程应用实例[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2011.

红外会议表决操作系统 第2篇

此红外会议表决系统由电脑主机/CD机/ 调音台/视频主机/视频矩阵/音频矩阵/会议主装置/功放机/组成。

外接显示设备由1部投影仪/ 和2部液晶显示器。投影仪属暗装吊顶内，由遥控器控制升降，会议发言表决由20个单元组成。当要求三部显示器显示同一个画面时，切换视频矩阵上的输入和输出按钮，按输入通道编号1→输入切换方式，按音视频同步切换选择键“AV”，请输入输出通道编号1投影仪显示，请输入输出通道编号2（1）号液晶显示器显示，输入输出通道编3（2）号液晶显示器显示，遥控器操作与其相同，可同步或异步切换会议投票表决画面，视频可移动跟随发言者，在ID设定画面2中使用进入主菜单选择云台控制，选择指定的方向 主要操作程序如下：

1/会议开始时开机所有运行设备 打开电脑主机会议系统软件时入红外会议系统，会议系统会自动搜索并且自动连接会议装置。

2/开会时启动发言，主席单元具有优先发言的功能，按住优先发言键进行喊话，发言指示器和话筒正在使用时亮起，使设备处于优先发言模式。

3/发言完成后松开发言键，指示器熄灭，声音可从监听扬声器办输出，启动优先发言的主席单元自动在优先发言完成后返回原始模式。

4/可从中央单元和主席单元启动和终止投票，在中央单元上按住投票键开始/结束按钮一秒钟以上，在主席单元上，同时按下投票键（1）和（2）1秒钟以上，投票状态指示器闪烁，开始投票。投票期间仅主席单元可以启动优先发言，所有其他设备正在使用的话筒都自动关闭。

5/按下主席单元或代表单元上的投票键，相应投票状态指示器亮起，其他投票状态指示器仍然闪烁，按下另一个投票键将禁用之间按下的按键，使最后按下的按键有效。此时中央单元上的投票结果显示将显示投票键按下的制备总数。

6/终止投票，再次按住中央单元上的投票开始/终止按钮或度席单元上的发言键1秒钟以上，确认主席单元和代表单元上的投票操作并且投票状态指示器熄灭，计算投票结果显示在中央单元的投票结果显示1到3上

如果投票操作由中央单元激活，则无法从主席单元终止此操作，但如果由主席单元激活，则同样可以由中央单元终止。

红外线监控系统 第3篇

关键词：红外线；NDIR；烟气；监测

0 引言

工业发展带来经济腾飞的同时，也给环境带来极大的负担。环境污染，尤其是大气污染程度不断加深，严重影响了人们的正常生活和身体健康。固定污染源烟气的排放是大气污染气体的主要来源之一，研发具有实时性、智能化、稳定性好、可靠性高且操作简单的烟气监测系统，对于我国烟气自动监测系统的发展，控制烟气中污染物质的排放具有实际意义。

1 红外线气体分析仪在烟气自动检测系统中的应用

1.1 测量原理 我国当前使用的气体分析仪器在监测范围、测量精度、组分分析方面，存在较大的局限性，而新型的非分散红外线（NDIR）技术，则能实现对多组分烟气浓度的检测，该技术检测原理为气体红外吸收，在测量过程中无需消耗物质，因此具有使用寿命长、稳定性好、选择性强、测量范围广、高精准度，具有广泛的推广意义。

烟气中的主要成分为硫、氮、碳的氧化物，主要以二氧化硫（SO2）、一氧化碳（CO）、一氧化氮（NO）和二氧化氮（NO2）为主，这类气体在红外波段有独特的吸收波，被称为特征吸收波（表1）。特征吸收波根据物质不同，波形各异，因此可用作鉴别各类物质的依据。而气体浓度的确定，则是根据特征吸收光谱对红外能量的吸收能力进行检测的。根据朗伯-比尔吸收定律可知，当待测气体组分有红外光通过时，气体分子吸收特定波长的红外线。

表1 烟气中各组分特征吸收波

[＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&][气体

特征吸收波/μm][CO2

4.3][CO

4.65][NO

5.3][H20

3-6][SO2

7.3]

1.2 测量方式 单光束双波长法中有测量滤光片和参比滤光片，其中测量滤光片是对有特征吸收红外光谱通过的待测组分进行測量，透过测量气室的光线强度受烟气浓度的影响，测量值记为I；而参比滤光片测量组分不吸收通过的红外光，因此透过测量气室的光线强度几乎不受被测组分浓度变化的影响，测量结果作为参照，记为I0。根据朗伯-比尔定律，待测气体吸收光度与其浓度关系满足关系式：-In（I/I0）=LkC，I为测量光强度，I0为参照光强度，L是红外线经过吸收气体的路径，k待测气体的吸收系数，C为气体的浓度，单位为mg/m3。

气体滤波相关法是将被测气体填充在气体滤光池中，代替上述方法中的参比滤光片，利用此法可提高被测气体组分对特征波的吸收效果。这一测量系统由五部分组成：光源由能斯特灯发射红外光；测量气室有抽气孔和充气孔，为待测气体组分浓度的稳定提供了保障，而高温伴热功能，可有效防止水蒸气和污染物冷凝，造成对测量结果的干扰；切光轮主要负责将光束信号射频模式化；滤波轮上安装不同被测气体的气体滤光池和测量滤光片，滤波轮和切光轮的旋转动作由无刷直流电动机提供动力，对各组分的测定则由自动化控制系统发送控制指令完成测量；光电管前安装放大器，以提高弱信号接收的可靠性。

被测气体滤光池和测量滤光片的位置由设备内部处理器控制，一次测量过程可对待测气体进行多次扫描，以提高信号的信噪比，减少测量误差。利用微处理器可对各式干扰进行有效处理；使用靠减去干扰组分浓度的方法可对不同待测组分光谱重叠进行有效处理；而校正因子则是用来处理干扰组分对测量组分吸收系数的影响。

1.3 技术分析 ①烟气分析。烟气分析仪采用的分析技术为单光束双波长与气体滤波相关技术的结合，滤波轮上的气体滤波池能实现对不同气体的同时测量，并利用干扰参数扣除技术，大大提高了测量结果的准确度，并能实现对一氧化碳、二氧化碳、一氧化氮、二氧化氮、二氧化硫、甲烷、氨气以及氯化氢八种气体的高精度持续性检测。如对一氧化碳的测量范围可达4000mg/m3，精度可达到0.1%。②信号放大电路。信号放大电路利用CMOS工艺制成的斩波稳零结合多级放大模式，主要组成部件有多路开关和仪表放大器。信号放大电路增益高、响应快，输入偏置电流小等优点，能有效减少误差，还具有自动调零的功能，增加了测量的精准度和稳定性。③烟气连续排放监测系统。烟气连续排放监测系统的构成包括了多种学科，如智能采样技术、数字滤波算法技术、软件自动识别补偿轻微污染技术、网络技术、分布技术、光功率软件修正技术以及多线程布控技术等。该系统具有的功能也较为完善，目前已经实现的功能主要有定量测量功能、自动校零、异常报警、远程传输、报表生成等各项功能。

1.4 应用 ①对烟气监测及管理。红外线气体分析仪主要利用嵌入式软件，完成对污染源气态污染物的监控职能，并为相关部门提供检查对象的瞬时值和历史记录，当污染源超标时，还可利用自动报警功能对相关部门发出警示。该系统对污染源进行的连续性测量，可为环保部门提供电子政务和办公自动化所需的基本材料，为部门制定环保政策提供可靠的数据支持。嵌入式软件在信号处理方面具有较强的灵活性，可对不同变量和浓度范围的气体进行测量；取样方面更加智能化，与算法相结合，可剔除异常测量值，提高测量结果的准确率。②技术指标。该套设备所能达到的技术指标如下：零点漂移可控制在±2.5%范围内（F.S/3d或7d），量程漂移不超过±2.5%，线性误差在±5.0%以内，响应时间不超过200s，重复性低于0.5%，输出波动低于0.4%，可对电源、标定、分析仪故障发出警报输出。对各气体的测量量程分别可达到SO2为4000、NO2为1000、NO为2500、CO为2500，检测下线为10（单位：mg/m3）。

2 结束语

随着社会的不断进步，人们对环境问题越来越重视，传统的经济发展模式对环境的损害较大，已经不适应现代生产发展的需要，加大节能减排力度，减少环境污染是当前企业面临的重要任务。就目前技术发展水平而言，我国还无法完全消除烟气等污染物的来源，但可通过先进的检测技术，对烟气排放中污染组分进行实时检测，为企业和环保部门制定有效的环保措施提供依据。红外气体分析仪相对于传统的分析仪器，具有检测范围大、精准度高、能对多组分进行同时检测的优点，因此可广泛应用于烟气在线监测领域。

参考文献：

[1]于晓曼，刘文清，黄书华，等.基于非分散红外原理的烟气检测系统[J].计算机测量与控制，2011，19（12）：2905-2907，2938.

[2]贺鹏飞，农永光，郭炜，等.烟气分析仪技术研究[J].价值工程，2014（29）：224，225.

红外线人体感应控制语音系统的研究 第4篇

近年来,智能家居系统迅速发展,各式各样的控制产品层出不穷。如一些公共场所的自动门等红外线人体感应单片机控制语音留言系统与之相似,并具有两大特点:一是从节能的角度考虑,可用于室内的灯等用电器自动断电保护装置上,当人们出门时,用电器自动断电;二是能够判断人进出的方向性。同时受到电话留言的启发,本系统在解决识别人进出的问题基础上扩展了语音留言提示功能,适用于办公室或家庭等的普通门上,对单个人进出的情况进行识别和分析。

1 总体设计

系统设计的关键在于如何对感应产生的信号进行分析和判断,也就是方向性的识别,即人的进出。它是通过对两个红外线人体感应模块A和B采集信号的时间差来实现的,如图1所示。在房间的门里装传感器A,在门外装传感器B。当有人经过时,A先产生感应信号,B后产生感应信号,表示人出;反之,若B先感应信号,A后感应信号,表示人进。同时,系统采用模块化设计,可大大简化硬件电路,并能保证结构的完整性。

2 硬件电路设计

电路整体分为传感器模块,控制模块AT89C51,语音留言模块三部分,如图1所示。各模块功能介绍如下。

2.1 红外线人体感应模块

利用红外线在测试温度和位移方面的应用所设计的。当人体进入检测范围时,测试的温度和位移同时发生变化,此时模块就会发出信号,即1～2的高电平(5 V),见图2。单片机就是对该信号进行判断和处理。该模块具有以下功能:

(1)可选全天候工作,也可选仅在某一时间段工作。

(2)随机延时选择、固定延时选择。

(3)当感应到被测信号时传感器输出高电平,平时保持低电平。电路连接如图2所示。

2.2 控制模块

选用AT89C51单片机,内有4 KB的Flash闪存,128字节的内部RAM,2个16位定时器/计数器,6个中断源,片内时钟振荡器。它对两个传感器的信号进行扫描,判断,记数,并将记数结果通过LED数码管显示,即显示出室内的人数。 当最后一人走出房间时,便给语音模块发出指令,通过语音模块实现语音提醒功能。

2.3 语音模块

由于语音模块属系统的执行元件,实现留言和提醒人做事的功能。它只需10～30 s内短暂录音并且可随时播放。而ISD10、20 s录放模块抗断电语音录放模块广泛用于各种留言、语音报警及提示装置。能够在电源断开的情况下,长期保存信息,又能随意进行录入,完全满足本系统的设计要求。当按住录音键(即REC保持低电平),电路开始录音,LED灯亮。松开REC后,录音结束,电路自动在内部设置段结束标志,然后进入节电状态。 若存储器录满,录音自动结束。放音可采用边沿或电平触发,每放完一段,LED灯闪亮一下(约15 ms)。如图3所示:

2.4 电源设计

由于红外线感应模块所需电源为6 V,语音模块的工作电压为4.5～6.5 V,而单片机控制系统所需电源为5 V,为了使本系统结构紧凑,采用三端固定集成稳压器,型号为MC78L05C,外接三个管脚1,2,3,分别为输出、接地、输入。如图4所示。

2.5 功率放大应用电路

由于语音模块内部已含有功率放大电路,但根据实际系统使用的场所不同,若需进一步放大录音播放的音量,可选用LM386、D2283、D2822等功率放大器。声音信号由SP+或SP-通过电容耦合输入,SP+或SP-不用的一端必须悬空,不能接地。使用LM386作放大器的连线如图5。

3 软件设计

由于系统的核心控制元件是AT89C51单片机,所以程序设计采用汇编语言。其程序结构分为扫描检测,记数显示,控制录放音三个模块。扫描检测程序为主程序,是对传感器信号的采集,并进行分析和判断。红外线人体感应模块的信号输出端与单片机的P1口连接,单片机通过对P1口的扫描来分析判断室内人员的进出。另外,对语音模块的控制也要用到P1口,即P1.2,常态下处于高电位。检测程序的工作状态如表1所示。

记数显示子程序是对采集到的信号进行累加并用LED数码管显示。语音控制子程序的工作过程为:单片机上的P1.2口与语音模块的播放键相连,控制开关。当最后一个人离开时,P1.2口发出一个信号控制播放,由于模块录音时间为20 ms,所以有一段延时程序,20 ms后系统使开关置位。方法如图6。

整个程序流程如图7所示。

4 结束语

本系统在实验室等公共场所的门上进行调试,测试结果成功,验证了对人体运动方向识别设计的正确性。它不仅可用于智能家居的监控系统,也可用于工程生产等领域,解决一些实际问题,为智能监控提供了一种设计方法。另外,现在许多公共场所的节能灯多使用声控系统,需要人为的发出响声。若能用本系统改为感应灯,就更加方便了。

参考文献

[1]胡健,刘玉宾,朱焕立.单片机原理及接口技术实践教程.北京:机械工业出版社,2004

[2]李钟实.实用电子报警器精选百例.北京:科学技术文献出版社,2002

[3]韩江洪.智能家居系统与技术.合肥:合肥工业大学出版社,2005

红外线监控系统 第5篇

产品解决方案

第1部分

索斯克航道全天候摄像系统应用背景

中国是世界上较早利用水运的国家之一，随着水运事业的蓬勃发展，我国正建设“智慧港航”系统和“数字水利”系统，全面构建港航、水利系统的数字化智能化监管系统，有效解决对可能或正在发生的汛情、险情、灾情进行实时动态监控，及时采取预防与补救措施，可全面提高防汛抗洪工作的有效性和可靠性，对减少洪水灾害、缓解防洪抗旱压力、保障人民生命财产安全；积极主动而有效的打击非法采砂、非法捕鱼及非法偷运等违法犯罪行为，保证港道水利系统监管部门实时有效的了解船只的正常行驶，超重情况，求救搜索和准确定位，对进入区域的船牌号做记录，以备查询。

远程视频全天候实时监控系统对航道和水利监管部门的各个水系的港航互通，联接成网，改善航运质量和航运效率，保障航行中船只安全，促进航行平安，保障航道畅通无阻。积极打造全天候可视化智慧航道系统对航道测量数据、航标状态以及航道视频进行实时监控，对有效提高航道维护质量和外场管理力度有着重要作用。

智慧航道的远程昼夜监控系统在江河航道、海上沿线、内湖沿岸等水利港航系统的具体应用包括全天候远距离夜视系统、后台远程遥控系统、智能IVS分析预报警系统、地理GIS系统、无线远程交互式通讯系统、多媒体技术的数字化发布系统等专业技术系统构成，是港航水利信息基础建设和信息自动化的高度集成。昼夜高清视频图像整合监控系统是对数字航道的补充，可以在各种恶劣气候环境下24小时远程监控，实时记录航道现场情况，及时发现航标状况、船舶航行状况、非法采砂和占用航道等现象，为航道畅通、大桥安全、防汛抗洪、水上救助、水资源管理、水利设施安全、水体环境监测提供良好的管理，以及针对航道内发生的突发事件现场状况实现远程应急指挥调度功能，同时还能实现和环保监测设备及系统的有效联动，获取相关的污染指标数据并和视频形成统一的数据备份，作为海洋、海事、航道管理、水利部门、水运部门、防汛抗旱三防应急指挥等部门领导提供决策和执法的依据。

目前索斯克研发量产的航道水利专用全天候摄像系统为首个针对航道水利研发设计的监控设备，现已经成功的应用宜昌航道等个别重要航段，该产品的普及和应用为我国航道和水利的综合自动化全天候管理做出了卓越贡献；索斯克愿意携业内各设计系统专

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业人士和系统集成商为港行、水利部门的信息化、智慧化建设贡献力量。

第2部分

港航水利全天候摄像系统产品设计原则

本产品设计以港航水利等行业标准作为设计依据，结合现场的具体情况，用最佳产品设计方案体现其实用性和最高性价比，是本方案设计的指导思想，也是本方案设计的基本出发点和追求的目标。本设计主要目的达到最佳的效果和最优的性能价格比。

1.透雾性：本产品设计首先满足航道和水利监控的透雾实际需求，由于航道和水利行业的自身特点决定了其视频监控系统需具备穿透中等气候及中小型水雾或霾。这对产品设计及应用提出了很高要求。索斯克开发的航道水利专用全天候夜视设备从激光红外到双波段红外热成像设备均具备良好的透雾性能。

红外激光全天候夜视设备透雾性能及其原理如下：由于看远景时每天空气质量不同，为不影响航道和水利监控的观察能力，在通常状况下镜头遇到雾、雨水、尘等问题，观察能力距离大大缩小，交通专用日夜镜头和专用CCD或CMOS系统（以下将两者简称为航道水利专用透雾成像系统）利用透雾、透尘的增强功能，才能有效改善昼夜雨雾天气的成像效果。

其透雾原理为：航道水利专用透雾成像系统具有自动修正物体光线的纵向色差，保证了物体光的RGB信号不偏差，即保证了任何光点的清晰度，即使在水、雾等穿透过程不断产生新的纵向色差，也能改善更佳效果，再利用单色（黑白）图像表达空间的能量，使透雾能力超过能见度的倍率以上。

透过云雾、水气拍摄物体，相当于透过了两重透镜（水珠与实际透镜），除了R光线可以正确聚焦在CCD成像面上，RGB光线中的GB均无法正常的投射在CCD成像面上，这样就造成了普通模式镜头无法正常、清晰的得到云雾、水气中的图像，铁路专用成像系统不但在日夜功能上

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和自动修正纵向色差上的特殊功能，使透雾技术及原有的日夜功能，对白天彩色RGB及夜晚的IR能量进行更精确的纵向色差调整，使RGB及IR等大自然能量更准确、集中到镜头和CCD成像版面上，从而达到透过云雾、水气拍摄航道环境及目标图像。

双波段红外热成像设备，属于被动红外夜视技术的一种，其原理是采用一类内光电效应半导体器件作探测器，将物体辐射的红外图像转换成电荷图像，经信息处理后，由显示器件转换成人眼可见图像。热成像原理是利用目标与周围环境之间由于温度或发射率的差异所产生的热对比度进行成像的，并非通过光的折射及反射实现成像功能；因此该类设备具有优秀的透雾功能。

2.实用性：本产品设计满足航道水利监控管理工作的实际需要，如船流量的辨别、逆船大灯方向不会产生大面积图像泛白现象、夜间夜视的望远性、镜头的自动昼夜后焦切换功能和设备的自动聚焦成像功能，能减少人为控制的时间差和劳动强度等。

3.先进性：本产品设计首先了解和预见到今后几年的航道和水利发展全天候监控方面提出的要求，适应科技发展的方向，具有一定的超前性的可扩展性，在发展过程中可以不断扩充，使整套系统在相当长的时间内与科技发展相适应，具有相当的发展潜力所选择的设备应在系统实施若干年后，亦能保持其功能完善、齐全，不至于落后。

4.可靠性：产品设计的可靠性是指系统抵御外界干扰的能力及受外界干扰时的恢复能力。鉴于该产品的应用性质，其运行可靠性得到充分保证。因此该产品系统必须可靠地、能连续地运行，系统设计时在成本接受的条件下，从系统结构、设备选择、产品供应商的技术服务及维修响应能力等各方面均应严格要求，使得故障发生的可能性尽可能少。即便是出现故障时，影响面也要尽可能小。系统具有耐高温、抗寒、散热排风及高度抗干扰等基本功能，使用的各类电气接线端子、过载、漏电及断路保护等装置，均符合国家有关电气安全标准要求。且所有使用的技术和设备，必须是已经被证明为“成熟而且面向工程的”，需要充分考虑施工中可能遇到的各种情况，避免各种不稳定因素，确保工程质量。

5.效率性：航道水利监控系统的应用最终目的是为了增加航道和水利监管部门监管的安全力度和执法力度，最大限度地节约人力，从而提高监管效率，降低劳动强度。因此该系统的设计应充分体现“科技服务与人”的设计理念，保证系统的有效、高效运作。

6.规范性：由于本产品是一个严格的综合性系统化产品，在设计与施工过程中参考了各方面的标准与规范，严格遵从各项技术规定，做好产品系统的标准化设计工。一切从实际出发，使智能系统具有较高的实用效能；这也是航道水利全天候成像系统在当今之所以能迅速兴起并发展的关键所在。

7.易维护性：系统在设计时充分考虑其易维护性，以确保系统在使用过程中出现故障时能在

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最短时间内恢复运行。该系统产品应具备体积小、重量轻备用机更换方便，整机外部调试方便，无需拆机调试，具备断电保护和断电记忆等功能，以方便日常维护。

8.安全性：本产品在设计时充分考虑到激光与红外应用的安全性，因此从激光封装到准直出光经过多道安全调试及处理环节，红外散热处理工艺也极为苛求，是同类产品中首款在公安部电子产品检测中获得激光专项安全检测认证条款的激光类产品。

第3部分

设计依据

 公安部航道水利产品行业生产规定《特种行业与产品生产管理规定》  《中华人民共和国航道法》

 《中华人民共和国航道安全法实施条例》  《中华人民共和国航道管理条例》  《港口与港道水文规范》JTS 145-2-2013

 《公安交通指挥系统工程建设通用程序和要求》（GA/T651-2006） 《交通安全违法行为图像取证技术规范》（GA/T832-2009） 公安部《关于公安交通指挥中心建设与发展的若干意见》  公安部《公安计算机信息系统“九五”规划》  公安部《交通管理信息系统建设框架》

 公安部、建设部决定2000年在全国实施以提高城市交通管理水平为中心的“畅通工程”的要求

 国家技术监督局《测量、控制和试验室用电气设备的安全要求》  国家技术监督局《信息技术设备的安全》

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第4部分

激光夜视系统详细介绍

4.1 系统功能

4.1.0 支持航道水利监控的夜间成像功能

普通可见光监控设备夜间成像截图如下

索斯克航道水利专用设备夜间成像截图如下

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4.1.1 支持航道水利监控的广角应用

实现了多车道在镜头广角时的同时监控，夜间激光最大角度为40º，避免出现激光的手电筒效应（即显示屏幕上会出现一条很白很亮的光带）既保证了夜间视频采集的质量，同时也不影响到镜头在广角状态下观测船流量的视频效果。

下图为普通安防监控激光设备，激光为小角度产生的手电筒效应截图

下图为索斯克专为航道水利设计的激光夜视系统，激光为大角度无手电筒效应截图

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4.1.2 支持昼夜同一后焦功能

即昼夜切换时无需人工手动调整聚焦功能即可得到清晰图像，为索斯克根据铁路实际需求而设计的人性化的系统功能，既能得到清晰图像又为即时抓住图像采集时机赢得了有效时间，避免了昼夜切换时后焦不清晰而带来的大量人工浪费，有效降低了操作人员的工作强度。

下图为普通安防监控激光设备，不支持昼夜切换同一后焦功能的截图

下图为索斯克专为交通设计的激光夜视系统，昼夜切换同一后焦功能的截图

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4.1.3 激光变角支持断电记忆功能

激光变角支持断电记忆功能，有效避免断电后重新供电，激光变角自检时返回检测位时所产生的激光手电筒效应。

下图为普通安防监控激光设备，激光变角不支持断电记忆功能的截图

（有电筒效应）

下图为索斯克专为航道水利设计的激光夜视系统，激光变角支持断电记忆功能的截图

（无电筒效应）

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4.1.4 夜间支持标牌船号望远功能

4.2 红外热成像夜间成像功能

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4.3 产品构成

产品外观图如下

红外摄像机概述及系统设计 第6篇

摘要：本文指出红外摄像机在实际应用中存在的一些问题及解决方法，提出红外摄像机系统的设计方法，并对红外摄像机的发展趋势进行展望。

关键词：红外摄像机；红外灯；滤光片

1前言

随着电子技术、网络通信技术、多媒体技术的迅速发展，安防监控已由传统的模拟监控走向高度集成的数字化、智能化、网络化监控。传统的安防监控系统已逐步向以图像处理为核心的、融合了网络、传感、通信技术的数字视频监控系统过渡。随着安防监控市场需求的不断增加。红外摄像机在安防监控系统中得到了广泛的应用，并扮演着越来越重要的角色。

在以前的安防监控过程中，摄像机系统在正常照度环境下能够获得较好的监视效果，但当摄像机附近的环境照度低于一定值时，要想使摄像机获得正常的监视效果，就需要利用可见光进行照明。但这种方式存在不能隐蔽、容易暴露监控目标等缺点。红外摄像技术是目前安防监控领域常用的一种夜视技术，它利用CCD摄像机可以感受红外光的特性。采用红外灯作为辅助光源进行照明。使摄像机系统在环境照度低于一定值时，仍可以提供清晰的监控图像画面，从而获得理想的监视效果。

本文对安防监控中的红外摄像机的发展现状进行分析，指出红外摄像机在实际应用中存在的问题及解决方法，提出红外摄像机系统的设计方法，并对红外摄像机的发展趋势进行展望，期望对安防行业从业人员在系统设计和产品选择方面有所帮助。

2红外摄像机在实际应用中存在的问题及解决方法

2.1低照度(需要红外灯进行辅助照明)环境下摄像效果不理想

目前常用的配合红外摄像机使用的LED红外灯波长在850nm左右，红外灯的照射角度可以在一定范围内进行选择，红外灯照射角度越小，照射距离就越远，红外灯照射角度越大，照射距离就越近。对于已经选定的摄像机和镜头，如果红外灯的照射角度不够，就会出现所谓的手电筒现象，即得到的监控画面中央明亮而周围较暗，得不到用户满意的监控效果。如果红外灯的照射角度过大，监控画面的周围会显得过于明亮，监控画面中央的图像反而看不清楚。因此，要根据具体的环境情况进行选择，在走廊等狭长区域。选择照射角度小的红外灯。可以保证一定的照射距离，同时配备焦距长些的镜头；在相对宽敞的区域，选择照射角度大些的红外灯，同时配备短焦距的镜头，能够得到较好的监控效果。

2.2正常照度环境下色彩还原效果不理想

正常照度环境下，红外摄像机在彩色模式下工作，红外摄像机的CCD除了能感应可见光，还能感应红外光，然而红外光通过信号处理后影响图像还原的亮度和色度，会导致监控图像偏色。使监控画面质量下降。给红外摄像机加装一个红外滤光片，红外滤光片可以阻挡红外光进入红外摄像机的CCD。使红外摄像机在正常照度环境下只能感应到可见光，从而解决了图像偏色的问题。当环境照度低于一定值时，红外摄像机在黑白模式下工作，此时需要LED红外灯进行辅助照明，红外摄像机需要感应红外光，不需要加装红外滤光片了。考虑到焦点偏移等问题，实际应用中采用双滤光片切换的工作方式。双滤光片由红外截止滤光片和全光谱光学玻璃组成，正常照度环境下，红外截止滤光片工作，使图像色彩不失真，环境照度低于一定值时。红外截止滤光片自动移开，全光谱光学玻璃工作，使红外摄像机具有良好的夜视功能。

2.3摄像图像的白雾现象

产生的原因：(1)LED红外灯发射出的红外线通过红外摄像机遮阳罩或红外摄像机防护罩前端的视窗玻璃反射回镜头。(2)LED红外灯发射出的红外线照射到红外摄像机镜头里。(3)红外摄像机散热效果不好。导致红外摄像机CCD过热。产生白雾的现象。解决的方法：(1)让镜头的隔离圈直接穿过红外摄像机防护罩前端的视窗玻璃。(2)缩短红外摄像机遮阳罩尺寸。(3)使红外摄像机具有良好的散热功能。

2.4防水效果不理想

解决的方法：(1)采用先进的加工工艺制作红外摄像机防护罩。提高设备接口处的加工精度，使设备接口处能够很好的密合。(2)在红外摄像机防护罩接口处加防水胶圈。(3)在红外摄像机防护罩螺丝口处及进线孔打防水胶。

2.5设备使用寿命短

LED具有高可靠性和寿命长的优点，然而现在有的LED红外灯寿命却很短。正常工作中LED红外灯的电能其中一部分直接转变为有用的光能，同时有一部分转变为无用的热能，系统长时间工作。LED红外灯会产生大量热量。很多红外摄像机生产厂家采用加大红外灯工作电流的方法增加红外灯辐射功率，其目的是为了增加红外灯的照射距离，然而红外灯工作电流越大温度越高，当产生的热量太多而没有采取适当的散热措施时，就会造成设备内温度过高，导致LED红外灯过快老化。对于红外一体化摄像机，摄像机与LED红外灯都安装在摄像机防护罩内。如果散热不好，摄像机的CCD长时间在高温环境中工作，寿命也会大大缩短。解决的方法：(1)使LED红外灯在额定电压下工作，LED红外灯采用恒流驱动方式，同时把LED红外灯工作电流调整到正常使用范围内。(2)给LED红外灯板加装一层铝质的散热片，在不影响LED红外灯正常工作的情况下，使LED红外灯工作时产生的大量热量及时迅速地传导到设备外壳上。(3)设备外壳采用易散热的金属材料制作。(4)设备内置自动温控电路，采用风扇进行散热。

2.6雾和霜影响画面清晰度

由于周围温度的差异和天气的变化等因素，红外摄像机在工作时。容易在防护罩视窗玻璃上产生薄雾或浅层白霜，致使红外摄像机视物模糊，画面清晰度降低。

解决的方法：(1)在红外摄像机防护罩视窗玻璃前安装可控制的雨刷，利用雨刷清洁防护罩玻璃。(2)红外摄像机防护罩内配加热组件，通过加热的方式达到除雾除霜的目的。

2.7临界点的跳变

如果仅仅使用简单的元器件配合光敏电阻的方式控制双滤光片的切换。有时会发生临界点的反复跳变。解决方法是采用智能芯片配合光敏电阻进行控制。其逻辑控制能力能有效控制双滤光片的正常切换。

3红外摄像机系统设计方法

3.1对于红外一体化摄像机的情况

目前，生产厂家都推出在特定条件下使用的红外一体化摄像机，在系统设计时需要选择与应用环境特点相符合的产品。在选择红外一体化摄像机时，技术人员需要了解用户的使用要求和现场环境的实际情况，了解红外一体化摄像机各项技术参数的确切含义。选择产品时要根据生产厂家的规模，知名度，国际、国内市场占有率，技术支持能力，执行标准严肃性，是否具有完善的售后服务体系等因素来考虑，选择大品牌的产品。比较而言，大品牌的产品工艺先进，性能稳定，配置合理，质量合格。如果条件允许，可以在批量

选购前对产品进行试用，更好地了解产品的性能和质量，做到心中有数。

3.2对于摄像机外配红外灯的情况

设计时要明确可视距离的概念，可视距离是通过监视器所能够看到的有效的清晰图像的最大距离，它是由摄像机的灵敏度。镜头光通量，红外灯的性能，现场景物反射红外光效果，供电电源的质量及摄像机防护罩视窗玻璃的透光性能等的匹配情况综合来决定的。

摄像机要选择日夜两用型超低照度摄像机。一般的摄像机难以满足24小时监控都获得清晰图像的需求，日夜两用型超低照度摄像机对外界光线的敏感程度较一般的摄像机有明显的提高，即使在环境照度非常低的情况下，这种摄像机也可以拍摄到人眼看不到的物体，它的出现受到了安防监控市场的欢迎，它在各种照度环境下均可表现出很好的摄像效果。正常照度环境下，摄像机在彩色模式下工作，环境照度低于一定值时自动转换成黑白模式，其水平分辨率和最低景物照度均比正常照度环境下有很大幅度的提升。日夜两用型超低照度摄像机能很好地解决低照度情况下正常监控的问题，特别是配备LED红外灯，可以得到高清晰度的黑白图像，实现零照度下的监控。

摄像机镜头是红外安防监控系统的关键部件，它的质量优劣直接影响到整套系统的成像效果，因此，镜头选择是否合适非常重要。选择镜头时应注意以下几点：(1)镜头的成像尺寸应与摄像机CCD靶面尺寸一致。(2)镜头的分辨率。(3)镜头焦距与视野角度。(4)光通量。(5)是否为感红外镜头。

为了提高摄像机对红外光以及被摄景物的敏感度，应尽可能选用光通量大的镜头。

红外灯要选择一致性好、发光效率高、发热量小的LED红外灯。产品应是依据行业相关标准质量检测合格的产品。

红外灯选配电源应满足其所需的电功率，否则会发生照射距离达不到要求的情况。应该选择交流220V集中供电，在LED红外灯及摄像机等前端设备处设置直流开关电源进行电压转换的方式为前端设备供电。即使电网电压在一定范围内波动。开关电源输出的直流电压也是稳定的，保证了前端设备正常、稳定工作。如果采用大功率稳压电源对前端设备集中供电，当前端设备数量较多且与供电室的距离不同时，容易造成距供电室较远的设备供电电压不足，设备不能正常工作。距供电室较近的设备供电电压过高，损坏前端设备的现象。

防护罩的视窗玻璃对红外灯的辐射效果也有影响。不同的视窗玻璃。对于红外光辐射的反射率和透射率不同，设计选型时要充分考虑。

系统设计时还要考虑被摄景物的反光程度。由于红外光也具有反射、折射等特性。因此，被摄景物如果没有良好的反光环境，设计选型时要考虑留一定的距离余量。

4红外摄像机的发展趋势

红外摄像机发展的趋势主要表现为：数字化、智能化、网络化、集成化。

现在已经出现并正在不断发展完善的红外高速球是综合一体化摄像机、摄像机防护罩、云台、红外灯等各项功能的产品，它实现了在普通高速球上配置红外灯的想法，设备的外观设计充满了现代80在红外高速球的性能上，采用了变焦变光同步技术，红外灯可以根据镜头的变倍切换，近距离开小灯，远距离开大灯，两组红外灯交替工作，解决了系统发热量大的问题，保证了红外高速球的稳定性。它既具有红外摄像机清晰的夜视效果，又具有高速球的自动巡航、带预置位、多方位监控、高速捕捉画面、联动报警等功能。

红外摄像机加装网络模块，配备超宽动态一体机等将成为红外摄像机的发展趋势。

红外线监控系统 第7篇

随着现代人们生活水平的提升, 防盗问题渐渐变成了一个家庭问题和社区问题。对一个小区而言, 需要建立完善的防盗系统, 这样才能让人们在充分享受生活的同时, 确保个人财产的安全。主要研究分析基于SMS技术和PLC技术的红外线监控防盗系统的设计, 以实现社会的智能化管理, 提升现代人们生活质量。

1 监控防盗系统整体设计概况

在设计监控防盗系统时, 需要认真考虑如何使设计出来的系统具有良好的实用性、性价比及最佳可扩展性, 只有在科学、正确、体系化的设计思想指导下, 才能确保整个设计过程的顺利。监控防盗系统主要包括红外遥控器模块、电源电路模块、视频监控模块、红外传感器模块以及其他辅助性电路模块。该系统整体结构如图1所示。

2 SMS技术与PLC技术概述

(1) SMS技术即短信通群发系统, 短信服务作为一种存储、转发服务, 短信息并不是直接从发送人发送至接收人, 而是由短信服务中心转发。若接收人是未连接状态, 则消息会在接收人再次连通时发送。SMS中的SME是短信息实体, 负责接收、改善短信息, 其在固话系统、移动基站等服务中心范围之内;而SMSC是短信息服务中心, 主要在基站、SME之间储存、转发短信息;HLR则是归属位置寄存器, 用来永久性储存、管理用户及其各项服务的数据库;MSC是移动交换中心, 主要负责切换系统的管理, 调节发向其他数据系统的拨叫;VLR是访问位置寄存器, 含有交换中心服务访问用到的所有信息[1]。

(2) PLC即可编程逻辑控制器, 是一种数字运算操作的电子系统。PLC包含了电源和中央处理单元 (CPU) 以及存储器、输入输出接口电路和多种功能模块等, 是一种专用于工业控制的计算机, 主要用以代替继电器实现逻辑控制[2]。其中中央处理器是PLC的核心, 其主要任务是从编程器中键入用户所需要的程序及数据, 对其进行发送及存储, 并通过输入或输出设备对现场的数据及状态进行接收, 常用的中央处理器有单片微处理器及通用微处理器;存储器包括用户存储器及系统存储器, 用户存储器用来存放根据具体任务编写的PLC程序及用户程序中的数值数据及状态变量, 系统存储器则存放系统程序, 用户不能随意更改;输入或输出接口分别接收及采集开关量输入信号或模拟信号 (传感器、电位器及形成开关等) 、连接被控对象中的各个执行元件 (电机、电磁阀等) 。其结构简图如图2所示。

3 基于SMS技术和PLC技术的红外线实时监控防盗系统分析

3.1 设计系统硬件模块

3.1.1 设计逆变电源模块

电源模块可以分为3个子模块, 如图3所示, 电源控制模块结构分别是9 V直流电、5 V直流电以及220 V交流电, 系统硬件模块供电类型有3种[3]。因为受到元气件工作电压的影响, 控制系统需使用直接电流, 通过外部变压器, 输入220 V的交流电压, 为监控防盗系统的电源供电, 其中控制系统的供电核心是电源电路模块。

单片机与其他支路需要直流5 V供电, 而红外传感器保持正常工作则需用9 V电源, 按照主控电路元器件的特点, 电路上的电源通过整流得到12 V的直流电, 继而转换成12 V电源, 但此时需要有降压作用的电源控制电路[4]。

3.1.2 防盗数据采集电路

传感器采集人体的红外信号, 将其转化为脉冲信号, 通过放大电路输出, 处理捕捉到的移动红外源。防盗数据采集电路主要用来检测移动的人体红外信号源, 红外传感器采集电路原理如图4所示, 是社区住宅防盗报警系统的源头。若开启录像机记录现场实际情况, 借助SMS技术与PLC技术将报警地点监控的画面切换至主监视器上面, 继而会启动摄像机, 当保安系统出现报警时, 会对社区中的重要区域进行现场及时监控。视频图像采集卡帧存储体、高速A/D转换器以及地址发生器等同时和控制器形成一个高速图像数据缓冲器, 将输入的模拟视频信号置于PC机上面, 及时转换成数字图像数据, 构建计算机硬件防盗[5]。

3.2 设计系统软件模块

3.2.1 设计防盗报警模块

用示波器检测所得结果输出的脉冲波形, 脉冲信号会随着检测到的移动红外线的变化而变化。红外传感器收集到的信号是脉冲形式, 通过电路设计、信号的比较、放大, 可以得出整形以后的信号。其设计程序的流程, 可以直接调用出系统防盗状态, 利用查询程序, 在执行处理流程程序时, 首先判定是否有传感器传输过来脉冲信号, 若有信号, 则继续下一步处理。采集传感器电路终端输出的信号, 判断信号。若发现有不明身份的人员, 控制器会判定是否有盗窃的可能性, 其硬件位置的蜂鸣器会报警[6]。

3.2.2 设计视频管理模块

在应用SMS技术和PLC技术设计监控防盗系统时, 监控视频的管理结构将视频信息添加至系统的监控视频管理系统中, 查询监控视频;参照监控视频采集时间、地点等各种信息, 得出小区的视频信息;然后再用快速查询方式, 搜索出监控视屏。视频管理模块主要包括添加视频、视频播放和查询、视频文件管理等环节。监控数据存储系统是一个结构复杂、数据量繁多的精密系统, 有几百甚至上千条线路实施数字监控录像, 每天需要收集形成的数据总量非常大[7]。而这些数据在硬盘录像机中保存一段时间以后, 需适时转送至多级存储中心, 方便以后对某段电路或者某一个特定时间段的历史监控录像进行检索、回放。

3.2.3 设计数据维护模块

数据维护是确保整个系统平稳运行的最基础条件, 实施数据维护的关键点在于数据备份、数据还原操作和用户数据维护。先要设置、分配用户权限, 实施社区防盗报警平台数据的添加、删除及查询等, 各模块都需要供系统管理员操作使用, 以便对社会防盗报警数据管理程序实施维护。数据维护模块主要包括数据初始化、数据字典维护、数据结构维护、数据备份以及数据还原等环节。

4 结语

监控防盗系统合理地将SMS技术与PLC技术联合, 有效克服了传统防盗系统安全系数低、灵敏度差的不足。系统电路构造简单, 运行平稳, 且维护方便, 有一定的隐蔽性。习惯用手机的用户能随时查询、控制红外线监控防盗系统, 不需额外开发其他手持设备操控系统, 为用户节省不必要的开支。用户采购安装以后可立即使用, 长期受益。此外, 对于和睦邻里、建设和谐社会也会产生积极的促进作用。

参考文献

[1]刘春, 胡建平.基于PLC控制的气密检测仪的设计原理[J].机械设计与制造, 2011, 4 (6) :115-116.

[2]REN Zhi-guo.3D measurement and color grading of diamonds based on machine vision[D].Hong Kong, China:Hong Kong University of Science and Technology, 2010.

[3]杨靖, 田登尧.基于GSM的防盗系统[J].电子设计工程, 2010, (11) :103-104.

[4]刘青山, 杨著.基于SMS/WLAN的嵌入式Linux工控预警传输系统[J].电子设计工程, 2011 (23) :152-153.

[5]张瑜.华能海南电厂管理平台系统的设计与实现[D].西安:西安电子科技大学, 2013.

[6]杨晟.基于S7-200 PLC的太阳能电池自动跟踪实训系统[J].现代电子技术, 2013, 36 (21) :165-166.

红外线监控系统 第8篇

关键词：高大空间,供暖方式,红外线,辐射供暖

1引言

长期以来,厂方、仓库、温室大棚、体育场馆等高大空间建筑物的采暖设计一直是困扰暖通工程师们的一个难题。

传统的散热器采暖系统、热风系统或中央空调系统,不仅投资大,而且不节能、不环保、舒适度差。随着世界能源危机的加剧,这种对流式采暖方式已经不能适应现代文明工业的要求。

能否找到一种节能、环保、投资小、效果好的供暖方式呢?“燃气红外线辐射供暖系统”为我们提供了理想的解决方案。这种方案基于“太阳加热地球表面”的原理,同时融入了安全、节能、环保和以人为本的现代文明理念。它就像太阳一样,照到哪里就把温暖带到哪里,尤其适合高大空间建筑物的供暖,给广大暖通工程师和工、商、农业领域的用户带来了福音。

2“燃气红外线辐射供暖系统”的原理及分类

2.1 红外线辐射供暖的基本理论

物体转化本身的热能向外发射辐射能的现象称为热辐射。物体表面温度越高,其辐射能力就越强。

物体发射的射线中,一些射线的波长很短,如宇宙射线的波长λ小于10-8μm,而某些无线电的波长却以km计量。波长在0.76-100微米之间的电磁波,尤其是波长在0.76-40微米之间的电磁波能量集中,热效应显著,称为热射线或红外线。

电磁波的波谱

辐射能力和吸收能力最强的理想物体称为黑体。它向周围空间内所发射的辐射能为

A物体的辐射表面积(m2)

T表面绝对温度(K)

σb斯蒂芬玻尔兹曼常数,其值为5.67x10-8 w/m2K4

现实当中,实际物体的辐射能力为

ε物体的黑度

物体的黑度除随物体的种类而异外,还与其表面状况和温度有关。

黑体辐射的波谱是连续的,对任一波长来说,温度越高,单色辐射力越强。只有当黑体的绝对温度大于800K(527℃)时,其辐射能明显地具有波长λ为0.4-0.7μm而能为肉眼所见到的可见光射线。随着温度的升高,可见光射线增加。

一物体热辐射的能量在被另一物体吸收后,又转化成该物体的内能。因此,辐射换热还具有能量形式转化的特点。

辐射能投射到一个均质物体上时,部分能量进入物体,其余则被物体表面反射。在进入物体的能量中,一部分被物体吸收,另一部分则经折射而透过物体。

当物体表面较光滑,如高度磨光的金属板,其粗糙不平的尺度小于射线的波长时,物体表面对投射辐射将呈镜面反射,入射角与反射角相等。相反,当表面粗糙不平的尺度大于射线的波长时,将会得到如图所示的漫反射,它的吸收率大于镜面。对于工业高温下的热辐射来说,对射线的吸收和反射有重大影响的是表面的粗糙情况,而不是表面的颜色。

物体表面的反射

辐射器辐射出的波段范围取决于辐射器的表面温度,辐射器的辐射能量随表面温度的变化规律,可通过黑体辐射能量随波长变化的普朗克定理确定。不同温度的黑体都有一个辐射能量最大的波长“λmax”。凡大于或小于最大波长时,辐射能量逐渐减小;λ趋向0或无穷大时,辐射能量也趋向于0。

黑体最大辐射能量时的最大波长与黑体温度的关系,可由维恩定律表达:

实际应用的辐射器表面温度越高,则最大辐射强度所在的波长越短。

黑体的单色辐射力随波长和温度的变化关系

燃气红外线辐射供暖正是利用天然气、液化石油气,在辐射器内燃烧而辐射出一定波长的红外线进行供暖的。红外线照射到物体上后,部分被吸收,部分又反射出来,对物体和人体进行二次加热。由于空气是较理想的透射体,因此,红外线在空气中传播时,其能量不会被空气所转化吸收,所以,红外线辐射采暖的温度梯度小,对于高大空间建筑物而言,是一种理想的舒适、节能型采暖方式。

2.2 红外线辐射供暖的采暖热负荷计算

由于燃气辐射采暖的温度梯度小,所以在采暖热负荷计算时,一般可不计算高度附加(特殊高度厂房除外)。《采暖通风与空气调节设计规范》(GB50019-2003)第4.5.1条文说明对燃气红外线辐射采暖的适用范围也作了说明:“燃气红外线辐射采暖系统可用于建筑物室内全面采暖、局部采暖和室外工作地点的采暖。目前,在许多发达国家已有多种新型的燃气采暖设备,具有高效节能、舒适卫生、运行费用低等特点。该采暖方式尤其适用于有高大空间的建筑物采暖。随着我国石油工业的发展,油气田的开发和利用,这种采暖方式的应用在不断增加。实践证明,在燃气供应许可时,采用红外线辐射采暖系统,从技术上和经济上都具有一定的优越性。”

在辐射供暖中,热量的传播主要以辐射形式出现,但同时也伴随有对流形式的热传播。在辐射采暖中,辐射热不加热空气,对空气加热的是辐射器对空气的对流换热效应。在辐射采暖设计中,既不能单纯地以辐射强度作为衡量供暖效果的标准,也不能一成不变的仍以室内设计温度作为基本标准。通常以实感温度作为衡量辐射供暖的标准。实感温度也称等感温度或黑球温度,它标志着在辐射供暖环境中,人或物体受辐射和对流交换双重作用时以温度表示出来的实际感觉。

我国《采暖通风与空气调节设计规范》GB50019-2003的条文说明(4.5.6条)中也提出辐射采暖的实感温度比空气温度高2-3℃。

辐射供暖时,由于有温度和辐射强度的双重作用,比较符合人体散热的要求,所以,有较好的舒适感。但是,由于同时存在着对流和辐射换热,且二者错综复杂的交织在一起,这样,就使得准确计算供暖热负荷变得十分困难。因此,实践中,国内外普遍采用近似法来估算辐射供暖系统的热负荷,常用的方法有以下两种:

(1)修正系数法

设Qd为对流供暖时的热负荷,Qf为辐射供暖时的热负荷,则

Qf=φQd

式中:φ修正系数,对于中、高温辐射系统φ=0.8～0.9

(2)降低室内温度法

热负荷计算仍按对流供暖时一样进行,但必须把室内空气的计算温度降低2～3℃。

根据我国《采暖通风与空气调节设计规范》(GB50019-2003)的规定,采用燃气红外线辐射采暖时,建筑围护结构的耗热量不计算高度附加,并在此基础上乘以0.8-0.9的修正系数。

2.3 燃气红外线辐射供暖器的分类

燃气红外线辐射供暖器有以下几种分类方式:

a、按结构特点:可分为辐射板式和辐射管式;

b、按辐射体表面温度:可分为高强度(600℃-900℃)、中强度450℃-600℃)和低强度(450℃以下)。辐射板式属于高强度,辐射管式设备属于中强度和低强度;

c、按尾气排放方式:可分为尾气内排式和尾气外排式;

d、按燃烧通风的方式:可分为正压式和负压式;

e、按辐射管布置形式:可分为单体分布式和多点连续式;

f、按辐射管外形:可分为直线型和U型。

(1)关于正压与负压

正压式燃气辐射管供暖器,其燃烧的送风方式为在辐射管的前部设鼓风机,辐射管内的燃烧压力高于室内大气压力。它的优点是结构简单,造价低廉,缺点是燃烧不完全,容易产生正压泄露,不安全。

负压式燃气辐射管供暖器,其燃烧的送风方式为在辐射管的尾部设引风机,辐射管内的燃烧压力低于室内大气压力。它的优点是安全性好,燃烧完全,节能环保,高性能单元式供暖器能够达到尾气CO零排放的效果。这种产品的造价相对比正压式产品要高。

(2)关于单体分布式系统与多点连续式系统

单体分布式系统采用的是单体式燃气辐射供暖器,每台单体式供暖器由一台燃烧器配一个引风机,不需风门调节阀,工作时风量恒定,燃烧完全,可以达到尾气CO的零排放,在建筑物内通风量达到一定量的情况下,其尾气可以直接排在室内。

单体分布式系统有以下几个优点:

a、设备节能环保:由于一台燃烧器配备一个引风机,使燃烧风量的配比能够达到最佳,燃烧充分完全,不仅节能,而且环保;

b、优化工艺:单体式供暖器安装灵活,可以根据用户的工艺要求随意布置,使用户不必因为采暖系统而牺牲整体工艺系统的优化;

c、系统节能:单体式供暖器可以根据工艺要求设定温度控制区域,最小可以控制到单台设备的独立控制。因此,由单体式设备组成的供暖系统是一种节能的分布式能源使用系统;

d、节省投资:高性能的单体式燃气辐射供暖器具有很好的燃烧特性,能够保证在建筑物具有较小通风量的情况下,尾气直接排至室内,使尾气内的潜热得以利用,不仅节省了运行费用,而且降低了设备数量,从而降低了一次投资。

多点连续式系统由多台燃烧器配一个引风机组成,这个引风机同时也是排烟风机。多点连续式系统整体性较好,但其不可避免的缺点是:

a、燃烧控制不好,节能性差:为了控制好燃烧器的燃烧风量每台燃烧器后不得不设一个风门调节阀,采用这种控制方式,即使在所有燃烧器同时工作的情况下,也很难保证完全燃烧。如果系统中有一台或几台燃烧器发生故障,则燃烧更加不完全,系统的节能性较差;

b、尾气潜热得不到利用,增加设备投资:由于系统的完全燃烧难以控制,因此,多点连续式系统的燃烧尾气必须排在室外,尾气潜热无法得到利用,不仅增大了运行费用,而且在具有同样热负荷要求的情况下,其燃烧器布置得数量要比尾气内排系统多。

c、无法配合工艺优化:对于生产工艺比较复杂的用户,厂房内各种系统错综复杂,各系统之间的优化配合对节省一次投资和未来的工艺成本是很重要的,多点连续式系统在工艺系统的优化上不能做出任何贡献,反而可能需要其他系统的配合甚至牺牲。因此,对于工艺系统比较复杂的用户,多点连续式系统显得无能为力。

(3)关于U型设备与直线型设备

U型设备紧凑,引风机和燃烧器在同一端,安装方便,沿着辐射管长度方向温度分布较均匀,辐射管的热膨胀补偿性好。直线型设备沿着辐射管长度方向的有较大的温降,舒适感不如U型设备。

(4)关于尾气外排式和尾气内排式

如前所述,内排式设备的尾气直接排至室内,尾气的潜热得到利用,热效率比外排式设备高,运行费用低。同时车间内管道简洁、美观,投资也少。

目前所有高强度陶瓷辐射板式供暖器及部分高性能、高质量的单元式辐射管供暖器的尾气可以采用内排方式,但前提是建筑物内的通风量必须达到一定的数值。

(5)关于低强度和高强度

辐射强度的高低与热力学温度的四次方成正比,因此,辐射体表面的温度越高,辐射强度就越高。低强度辐射器的辐射能力弱,对流效应所占比例大,因此辐射热效率也较低。高强度辐射器的辐射表面温度较高,特别适合用在高度在15米以上的建筑物的采暖。对于大部分高度在5-15米的建筑物而言,采用中强度辐射供暖器是比较合理的选择。

3“燃气红外线辐射供暖系统”的应用范围及目标客户

“燃气红外线辐射供暖系统”特别适用于高大空间建筑物的供暖,具体地讲,其目标客户主要集中在以下几个领域:

1、工业领域以厂房、车间为主,例如:

机加工车间、铸造车间、焊接车间、装配车间、维修车间、烘烤车间、工件预热车间、印刷车间,汽车、火车、地铁、飞机、轮船生产线和维修线等;

2、商业和民用领域以高大空间的商用建筑物为主,例如:

会展中心、展览馆、物流仓库、超市、酒店大堂、室内停车场、汽车4S店、交易大厅、银行大堂、体育场馆、礼堂、大型会议室或课室、影剧院、教堂等;

3、农业领域--以高大空间的农用建筑物为主,例如:

蔬菜大棚、花房、室内植物园等。

下组图是上海拓邦“燃气红外线辐射供暖系统”在中国市场的部分应用实例:

4“燃气红外线辐射供暖系统”的主要优点

“燃气红外线辐射供暖系统”的主要优点是:投资省、节能、环保、舒适、控制方便。主要表现在以下几个方面:

优点1:系统简单,投资省

该系统无须安装庞大而复杂的锅炉及锅炉房设备,没有供暖水循环系统,只需在燃气管网上接管,并在系统入口安装调压稳压设备,一次投资大大降低。

该系统布置简单,安装采用悬挂或侧挂,不占用建筑物的使用面积,节约了宝贵的建筑用地。

优点2:节约能源,大大降低运行成本

“燃气红外线辐射供暖系统”比传统的对流式供暖节约能源可达30-60%,主要体现在以下八个方面:

1、冷风渗透少。辐射供暖时,辐射热直接照射供暖对象,几乎不加热环境中的空气,因此室内温度梯度小。与对流采暖相比,在室内空气温度相同的情况下,辐射采暖下的实感温度比对流采暖下的实感温度高2-3℃,也即,在保证同样的室内实感温度的情况下,辐射采暖的室内空气温度比对流采暖低2-3℃,因此室内外温差小,冷风渗透量也较小,降低了供暖空间的热损失。

2、温度梯度小。采用对流供暖时,由于室内冷热空气的对流效应,室内空气温度有较大的梯度,建筑物的上部会形成温度较高的热气团,而是实际需要采暖的地面2米以内温度却低。而辐射供暖时,红外线直接向下辐射,释放热能,不会被空气所吸收,地面、人体、物体还可以积蓄部分热量,因此室内空气温度梯度小,无效耗热低,建筑物上部的热损失也小。

3、管网损失小。传统的对流供暖系统,热媒在沿途管网的被输送过程中,有10-20%的热损,降低了热效率;而对于燃气红外线辐射供暖系统,燃气在管网的输送过程中几乎没有损失,加之燃气的燃烧又非常完全,接近100%,因此整个供暖系统的热量得以充分利用。

4、电耗低。“燃气红外线辐射供暖系统”的电耗很低,每个单元仅80-100瓦。而热水采暖及热风系统中的热水循环泵及送、回风机等都是耗电大户。

5、启动快,升温快,停机快,降温慢

“燃气红外线辐射供暖系统”在设备启动后立即供热,并能在5分钟内解除人体和物体的冷感觉。设备停机后,能源消耗立刻停止,但蓄存在围护结构、地面及物体内的热量会缓慢向环境散热,保持较慢的温降。因此,用户可以根据这个特点来控制设备的关闭时间,节约燃气消耗。

6、燃烧好,尾气可直接内排,尾气潜热得以利用

一些高性能的单元式“燃气红外线辐射供暖系统”具有很好的燃烧特性,能够保证在建筑物具有一定通风量的情况下,尾气直接排至室内。

以上海拓邦法国燃气供暖工业公司的单元式燃气红外线辐射管式供暖系统为例,当建筑物的通风量不低于10m3/hr/安装千瓦,系统燃烧产生的尾气可以直接排在室内,这个数据远远高于欧洲CE标准的要求。一般高大空间厂房的自然通风量均在0.5-1次/小时,折合成该系统约为:37-70 m3/hr/安装千瓦,远远符合尾气内排的要求。尾气内排使尾气中的潜热得以利用,不仅节省了一次投资,而且大大降低了运行成本。

目前,在国内所有同类产品当中,上海拓邦是唯一可以向用户作出尾气内排承诺的品牌。

7、系统节能。上海拓邦的“燃气红外线辐射供暖系统”是一种“单体分布式能源使用系统”,这种系统可以根据需要进行局部间歇采暖,可以分区控制采暖,甚至可以控制到每一台单体设备,从而避免了多点连续式辐射供暖系统和对流式供暖系统“一开俱开,一关俱关”的缺陷。

“单体分布式能源使用系统”是目前欧洲最先进的一种能源使用方式,也是中国政府目前正在大力推广的一种能源使用方式。

8、采暖周期任意控制。我国北方地区的法定采暖时间一般为4个月(本年的11月15日至来年的3月15日),有的甚至6个月(本年10月15日至来年4月15日),集中供热公司的供热收费也是按照供暖期进行收费。而事实上一般工厂企业到12月中旬左右才真正需要生产采暖,到2月中旬可能已经不再需要采暖,实际采暖时间仅2个多月。“燃气红外线辐射供暖系统”能使用户做到任意控制采暖周期,避免向集中供热公司支付不必要的采暖费用,大大节约用能成本。

优点3:使用洁净能源,燃烧完全,符合环保要求

以上海拓邦“燃气红外线辐射供暖系统”为例,该系统使用的是天然气或液化石油气等洁净能源,并采用了法国燃气供暖工业公司的专利燃烧器和燃烧技术(全球唯一)。法国国家热能实验室对其尾气排放进行测试,三次采样结果CO均为0 ppm,中国国家技术监督局也进行了三次采样测试,结果两次为0 ppm,一次为1 ppm。测试结果表明,该系统在全球同类产品当中,环保性能是最好的。

优点4:红外线对健康有益,静态采暖,舒适感好

在红外线辐射供暖的环境中,围护结构、地面和物体的表面温度比环境空气温度高,人体的实感温度也高于周围环境的空气温度,造成了真正符合人体散热要求的周围环境,同时,由于提高了室内围护结构、地面和物体的表面的温度,减少了四周表面对人体的冷辐射,因此人体会有较佳的舒适感。

此外,在传统对流采暖中,冷热空气对流交换会产生扬灰现象,人体感觉不舒适,也不符合环境卫生要求。而红外线辐射采暖属于静态采暖方式,就像冬天晒太阳的感觉,健康、舒适。

优点5:控制方便,运行管理简单

“燃气红外线辐射供暖系统”具有高度的自动化控制功能:

1、可根据生产要求进行分区控制,直至控制到每一台设备;

2、可根据温度要求进行温度控制;

3、可根据时间要求进行时段控制;

4、可分时段分温度交叉控制;

5、无人控制和人工控制任意切换。

优点6:系统简单,安装周期短,维护量很小

对于一个建筑面积为10000平方米的厂房,整个系统安装仅需20天左右,每年基本不需要维护,即使需要,正常的维护费用也很低。

5 上海拓邦法国燃气供暖工业公司燃气红外线辐射供暖系统简介

5.1 企业背景

法国燃气供暖工业公司是Thomas&Betts跨国集团下属企业,欧洲最早生产燃气红外线辐射供暖产品的专业厂家。公司总部设在法国最大的工业城市里昂,在法国北部、比利时、美国、墨西哥等地设有合资工厂,产品遍布全球四十多个国家和地区,同时为欧、美、日等国企业提供OEM。

上海拓邦电子有限公司是Thomas&Betts跨国集团全球最优秀的合作伙伴,也是法国燃气供暖工业公司中国代表处所在地、中国独家总代理,位于上海浦东陆家嘴金融贸易区内。上海拓邦致力于国际先进燃气能源系统及相关节能、环保产品和技术的引进、吸收、推广,与欧盟有关单位、研究机构、国内科研院所、大专院校等有着紧密的合作关系。公司在燃气供暖系统的设计、施工、管理和售后服务等方面有着丰富的经验,是一支作风严谨、充满活力的精英团队。公司业务集项目评估、方案设计、产品选型、货物进口报关、运输、工程安装调试、售后服务为一体,可根据用户要求提供不同的服务,直至交钥匙工程。

法国燃气供暖工业公司与上海拓邦电子有限公司于2001年携手进入中国市场,VOVOL、RIETER、BOBST、METSO、BHS、ZUBLIN等国际著名企业在国内的工厂,以及中国重型汽车集团、石家庄金刚集团、沈阳鼓风机集团、南玻集团、皇明太阳能、天津保税区、天津热带植物观光园、哈尔滨动力设备股份有限公司等国内大型企业都均为其忠实用户。

5.2 专利技术

这是在GAZ INDUSTRIE法国里昂实验室拍摄的石英高温管火焰形态图,火焰形态匀直,外焰与辐射管内壁始终保持固定间距,燃烧完全,无CO产生。这是GAZ INDUSTRIE在全球独一无二的技术

5.3上 海拓邦目前在中国市场主推的燃气红外线辐射供暖产品:

(1)BT系列燃气红外线辐射管供暖系统

BT系列主机箱采用先进的整体式结构设计,是GAZ INDUSTRIE的专利技术,其燃烧器和引风机封装在一个整体机箱内,外形美观,结构合理,安装调试和售后服务简单方便。

产品特点:

Ⅰ)主机箱采用整体结构设计,具有很好的热补偿性,运行稳定,噪音低,使用寿命长;

Ⅱ)安全可靠,自带五大安全保护体系:

*双重电磁阀进气控制体系

*微电脑程序控制点火体系

*离子火焰监测和燃烧控制体系

*熄火保护体系

*超欠压自控保护体系

Ⅲ)采用负压燃烧系统、柱状火焰文丘里燃烧器和中心火焰控制系统,火焰形态为匀直柱状,最长达5米,外焰与辐射管内壁始终保持均匀间距,燃烧非常完全,尾气中CO含量为0-lppm,NOX含量为18 ppm,(全球最低),燃烧效率接近100%,热效率高达92%以上,具有很好的环保和节能优势;

Ⅳ) U型辐射管设计,高温管采用特种不锈钢制造,专利反射罩,辐射效果好,且红外线分布均匀,人体感觉柔和、舒适;

)单台或多台设备均可形成独立的供暖系统,可满足局部或全部采暖要求,也可满足特殊生产工艺采暖要求;

Ⅲ)安装和检修灵活、方便,无论尾气内排还是外排,对建筑物和工艺设备的布置不造成影响。单台设备的检修或移装,不影响整体供暖系统的运行。

使用能源:天然气、液化石油气、高热值煤气

有效热量:21-50 kw

(2) WR系列燃气红外线辐射管供暖系统

WR系列燃气红外线辐射管供暖器是法国燃气供暖工业公司第一代产品,目前主要为英国、美国、加拿大、日本及其他欧洲部分厂家做OEM贴牌生产。

产品特点:WR系列产品采用了GAZ INDUSTRIE专利的燃烧器、辐射管、反射罩和控制系统,它与BT系列产品的主要区别在于主机箱没有采用整体结构设计,负压引风机是外置的,在运行稳定性、噪音指标、美观等方面稍逊于BT系列产品。

使用能源:天然气、液化石油气、高热值煤气

有效热量:21-50 kw

(3) BTL系列燃气燃气红外线辐射管供暖系统

产品特点:BTL系列产品是直线型辐射管供暖器,采用GAZ INDUSTRIE专利的燃烧器、辐射管和控制系统,特别适用于狭长的建筑空间

使用能源:天然气、液化石油气、高热值煤气

有效热量:21-50 kw

(4) CS系列豪华型内陶瓷辐射管供暖系统

产品特点:CS系列是GAZ INDUSTRIE全球独创的专利产品,它采用了GAZ INDUSTRIE专利的燃烧器,辐射管采用的是多层陶瓷套管,红外线辐射均匀、舒适,热效率高达95%以上。该产品不但性能优越,而且外形美观,堪称技术与艺术的完美结合。

在欧洲,CERA系统被广泛用于展览馆、体育场馆、大型超市、酒店宾馆、教堂等场所。

使用能源:天然气、液化石油气

有效热量:7-50 kw

(5)RIH/RIHV系列高强度陶瓷辐射板供暖系统

红外线监控系统 第9篇

1 红外成像制导技术

1.1 红外成像制导系统工作原理

红外成像导引头的发展从20世纪70年代开始,分为2代.第一代红外成像导引头使用光机扫描加线阵列多元红外探测器,典型代表是美国的AGM-65D“幼畜”空对地导弹.它采用内反射镜鼓串并扫描体制,44元光导碲镉汞器件,工作波段为8~11.5 μm,视场为2.5°1.5°,空间分辨率为0.28 mrad.第二代红外成像导引头始于20世纪80年代,采用红外焦平面阵列,典型代表是美国的“标枪”和“海尔法”改进型.“标枪”采用6464碲镉汞探测器,工作波段为8~10 μm.“海尔法”改进型工作波段为8~14 μm时,采用碲镉汞探测器,工作波段为3~5 μm时,相继采用3232,6464,128128元铟砷锑/硅混合CCD焦平面阵列.

从红外成像制导导弹制导过程来看,首先红外成像制导导弹对视场内景物成像,通过图像预处理、分类、识别等算法对图像信号进行处理,判别有无目标.当有目标存在时,用波门或跟踪窗把目标套住,对波门内的目标进行跟踪运算,通过运算给出误差信号控制导引头伺服机构使目标处于视场中心,即导引头光轴对准目标.同时利用误差信号控制弹体舵机等环节,使弹轴对准目标.通常弹体本身弹轴与导引头光轴不重合,导引头光轴始终对准目标,弹体不断调整直到击中目标.由此可见,红外成像制导导弹对目标的跟踪主要体现在红外成像制导导引头和弹体运动2部分.根据红外成像制导导弹控制过程分析可知,红外成像制导导弹可以分解为红外成像制导导引头部分和弹体本身控制部分,具体见图1.

其中红外成像导引头部分包括红外成像系统、红外信号处理器、导引头伺服机构(即所谓的跟踪小环);弹体环节包括导弹舵机环节和弹体运动环节(即所谓的跟踪大环).

1.2 红外成像制导系统抗干扰能力估计

由于现代红外成像制导导弹具有多种跟踪模式及智能化跟踪能力,具有识别功能.从对抗角度考虑,必须对红外成像制导导弹的性能有所估计.

(1)关于识别能力

红外成像制导系统通常会有识别系统,但只是比较简单地(为目标的判定、目标和干扰弹的识别等)用于初始目标捕获、丢失目标后重新捕获等.由于存储模板的限制,所以识别目标的数目和受干扰的程度总是有限的,复杂场景的自动识别通常无法做到.

从干扰的角度来讲,当干扰源产生的干扰破坏了识别目标的红外特征(目标识别所需要的),红外成像制导系统通常就无法识别出目标.

(2)关于预测功能

目标丢失或目标原有特征消失(或无法识别)时采用预测跟踪,靠预测跟踪保持一定航向.预测跟踪有2个问题:①预测是单纯根据过去的状态外推以后的状态,因此可靠性不一定很高;②预测跟踪时间也不能过长(根据目标机动性而定).这样对于干扰来讲,只要干扰持续的时间足够长,红外成像制导系统的预测功能也是可以被破坏的.

(3)关于跟踪模式

对于红外成像制导系统来说,最主要的跟踪模式是:相关跟踪、形心跟踪及特征跟踪.

对于相关跟踪,相关跟踪易受各种干扰影响,在试验分析干扰物对相关跟踪干扰效果时应考虑各种相关算法,以及相关计算区的大小、积累误差的消除、帧速、干扰物的相对运动速度、变帧速及匹配概率的变化等;

对于形心跟踪,分析干扰试验时应与识别、预测功能综合在一起考虑:从大小目标识别能力、边跟踪边识别对干扰效果的影响、干扰源与目标融合时目标形状特征的变化以及预测功能所起的作用等方面分析最终干扰效果;

在对特征跟踪干扰时应考虑图像特征、匹配方法的选取,加入干扰后,目标特征被破坏后的处理方法及对干扰有效和干扰成功的影响[1].

2 面源红外干扰弹技术

2.1 面源红外干扰弹发展现状

随着多光谱技术、红外成像技术、新型目标识别技术等的不断发展,世界各国正积极采用新技术发展大载荷、大面积、高效能、宽光谱、抗识别的新型红外干扰弹.从新型红外干扰弹使用方面来看,主要包括机载红外干扰弹和舰载红外干扰弹2个方面.

2.1.1 机载红外干扰弹发展状况

国外在研究面源红外诱饵方面比较早,美国近年开发了多种新型红外诱饵,已经有多种型号装备部队.包括用于C-130运输机的MJU-50B、用于C-17运输机的AD-7等,C-17运输机发射的红外诱饵如图2.

用凝固汽油作辐射源或采用喷油延燃技术来产生红外诱饵的对抗系统,新兴拖曳式红外诱饵系统产生的红外特征与大型飞机红外特征基本相同.具有伴飞能力的LORALI诱饵弹能很好地模拟飞机的气动特性.加拿大于1991年研制成功一种可以对抗新式红外导弹的红外诱饵弹,该弹采用自燃液体燃烧以产生高温热源的办法对抗红外导弹.该弹产生的红外辐射与飞机尾气的主要成分(CO2和水)产生的红外辐射十分相似,而且燃烧产生的火焰可长达几米,与喷气式飞机羽烟的实际尺寸更接近,能有效地对抗多光谱红外制导导弹及红外成像制导导弹,保护各种飞机的安全.此外该弹的自燃液体用氧气作氧化剂,氧气与可燃剂分别储存.诱饵弹发射后,自燃液体自发点火,不需要点火装置.

英国合金表面公司研制的“鸡尾”多光谱诱饵弹是M-206的替代产品,称“先进红外对抗弹”(AIRCMM).它实际上是可见光谱干扰弹、特殊材料XM-221诱饵弹和Thilkol XM-211气动多光谱诱饵弹3种弹的混合诱饵弹,为陆军旋翼飞机,特别是“黑鹰”、“支奴干”及“阿帕奇”等直升机寻求保护措施.AIRCMM既能用现有的M130撒布器撒布,也能由“对抗撒布器”的改进型撒布.

此外,该公司正在生产的KC-002G新型燃烧诱饵弹可以产生多光谱燃烧焰,专门用来干扰那些对大型飞机构成威胁的红外制导导弹,并在C-130飞机上进行了试验,其辐射能量可以覆盖红外光谱的多个波段.“鸡尾”多光谱诱饵如图3.

2.1.2 舰载红外干扰弹发展状况

(1)分布式红外诱饵

为了对付威胁日益严重的反舰导弹,美、英、法等国相继研制并装备了舰载红外诱饵弹.舰载红外诱饵弹常需采用多发齐射的方式以形成大面积的红外干扰云来实施对舰船的保护,典型的有法国“达盖”红外诱饵弹.

20世纪80年代中后期为了适应制导技术的发展,英、美等国先后研制并装备了多波段面源型舰载红外诱饵弹系统,此系统采用的红外诱饵弹可有效地对抗多波段热源寻的和成像制导导弹.例如英国的“防栅”(RAM+PART)系统和“盾牌”反导系列均可以覆盖3~5 μm及8~12 μm 2个波段,可有效地对抗多波段和红外成像导弹.德国BUCK公司研制生产的130 mmDM19“巨人”(giant)红外干扰弹采用子母弹结构,一个干扰弹含有5个诱饵.分别在离舰渐增距离上点火从而模拟出舰艇的多光谱红外特征.

(2)红外气球诱饵

它是一种在特制气球内充以高温气体作为红外辐射源的诱饵.这种黑色充气球里装有的高温气体使气球的温度迅速上升,从气球表面释放出长波红外辐射能,这种诱饵可提供所需的最大量的辐射能.此类红外气球诱饵系留在载体(舰船)上随载体运动,其优点是这种诱饵可长时间起干扰作用,在无报警设备或报警设备不十分先进的舰船上装用效果比较明显.英国研制的“女巫”系统中就装备有此类热气球红外诱饵.

(3)微波/红外复合诱饵弹

随着精确制导技术的发展,目前发展中的精确制导导弹往往同时装备红外和微波2种探测器.一般的舰载红外诱饵弹无法对抗此类导弹.

为了克服这类缺点,近年来一些技术先进的国家已研制成功对抗此类导弹的舰载复合诱饵弹.美国Loral hycor 公司研制成功一种“双子座”型舰载射频红外复合诱饵弹.该弹在发射后几秒内产生较大的雷达反射截面,同时产生高效率的红外信号,一个诱饵弹就能有效地保护小型舰船免受反舰导弹的打击,大型舰船则需要一个以上的诱饵弹.该公司还研制成功了另一种舰载红外诱饵弹“海尔姆”(hiram).该弹从标准发射装置发射后,用降落伞降到海面上,使橡胶筏膨胀,竖起桅杆,单个诱饵即能模拟大型舰船的辐射强度.改进的“海尔姆”型诱饵弹能提供更长的覆盖时间,更大的辐射输出.

(4)可燃箔条弹

德国发明了一种能产生高强度红外辐射的可燃箔条弹,用来干扰来袭的红外制导导弹.该弹在空中爆炸后形成缓慢下落的燃烧微粒红外辐射云,其辐射强度大于目标强度,燃烧持续大约1 min.

这种箔条厚大约0.1~0.5 μm,表面积约10~100 cm2,表面上涂有聚氯乙烯胶,邻苯二甲酸二辛脂软化剂,可燃剂和分散剂.可燃剂组分常用镁粉、铝粉和赤磷粉.将箔条装入诱饵弹后,用发射装置将其发射至100~200 m空中,并抛射使之散布在空中燃烧,投放大量此种箔条在空中形成“热云”,既可诱骗红外制导导弹,也可构成射频雷达的假目标或陷阱.

(5)诱饵火箭

现代战争中,多位多方向多批次的导弹攻击要求舰载光电对抗具有全方位对付多目标的能力.法国正在研制舰艇用的能装填150枚红外干扰弹的火箭,火箭在飞行过程中顺序抛射出红外干扰弹形成一片模拟舰艇的诱饵烟云,以对抗红外制导反舰导弹.英国研制的“女巫”系统据称是一套全自动综合性的诱饵发射系统,它可根据来袭导弹的类型自行选择发射反辐射导弹诱饵弹、舰外主动干扰机、电磁诱饵弹、热气球诱饵弹、吸收剂诱饵弹和雷达-红外复合诱饵弹中的一种或几种.其中的吸收剂诱饵弹是一种包含8枚装有定时引信子弹头的子母弹,通过适当配置可形成一片保护舰船的诱饵云,使其免受红外、激光等光电制导导弹的攻击.

2.2 面源红外干扰弹干扰原理

2.2.1 点源红外诱饵的功能缺陷

红外诱饵是一种欺骗式的红外干扰器材,早期的红外诱饵都是点辐射型的,它可以用来对抗红外点源制导的导弹.在飞机、舰艇等目标受到红外制导武器的跟踪威胁时,可施放这种诱饵.当被保护目标和诱饵同处于导引头的视场中时,点源制导的导引头将跟踪目标和诱饵辐射能量的中心.随着红外诱饵与被保护目标的分离,并且由于诱饵辐射出的能量比被保护目标辐射的能量要大,按照质心导引规律,跟踪目标的导引头将逐渐偏离目标,转而跟踪诱饵,使被保护目标安然无恙[1].

随着红外制导系统不断发展和进步,其识别假目标的能力和抗干扰的能力不断增强,主要表现在2个方面:(1)红外成像和亚成像系统逐渐取代了红外点源系统.这些成像技术的应用,使红外制导系统能够从外形上识别一般红外诱饵和被保护目标,从而使传统点源红外诱饵失效.(2)采用光谱识别技术.根据普朗克定律,温度不同,黑体的光谱辐射出射度也不同,并且任意两波长处的光谱辐射出射度之比也不同.如果红外探测系统取2个波长处的辐射量,求出它们的比值,即可知道物体的温度.而现在所用的各种点源型红外诱饵主要是通过燃烧烟火剂来产生红外辐射的,其温度和被保护目标差别很大,所以其红外光谱和被保护目标的红外光谱有很大区别.通过光谱识别,红外探测系统可以分辨出真假目标.新型的热寻的导弹,由于采用了先进的光电探测器和信号处理技术,单发点源红外诱饵弹较难有效干扰红外成像和具有温度识别特性的红外制导导弹.而且,随着军用飞机隐身技术的发展,红外辐射受到抑制,迫使红外诱饵向低温方向发展.

2.2.2 面源红外干扰弹干扰原理

从红外成像制导系统工作原理分析看出,红外成像制导系统具有较高的跟踪精度、较强的抗干扰能力.这是因为红外成像制导系统不仅利用目标红外辐射强度的大小,同时还利用目标红外辐射的分布情况(即目标图像信息).红外干扰弹除了要有一定的红外辐射强度外,还必须有破坏目标红外图像的空间分布和持续一定的干扰时间.

面源红外干扰弹干扰红外成像制导系统采用在空间布设红外辐射场破坏目标红外特征的干扰原理,通过将装有许多燃烧单元或爆炸后能形成许多燃烧单元的干扰弹在空中引爆,爆炸产生的能量将干扰弹的弹壳炸开,并将燃烧单元布散在空间,同时点燃每个燃烧单元.燃烧单元在燃烧过程中,可以在保护目标方向上形成一定面积的红外辐射场,达到干扰的目的.

(1)对红外成像制导系统识别能力的干扰

由于面源红外干扰弹可在保护目标附近产生一定面积的红外辐射,这样干扰源的红外辐射和目标的红外辐射就会融合在一起,目标的红外辐射特征会有较大的变化,常用的灰度、面积、长宽比和不变矩等特征均有较大差异,只要干扰辐射和目标辐射融合在一起,红外成像制导系统将无法识别出目标.

(2)对红外成像制导系统典型跟踪模式的干扰

对于红外成像制导系统中采用的相关跟踪、形心跟踪和特征跟踪模式来讲,当投放红外干扰弹后,对于相关跟踪,由于干扰辐射破坏了目标红外辐射分布,相关跟踪所用的匹配模板与匹配图像有较大的差异,匹配点会发生偏移,从而破坏了相关跟踪.干扰效果与相关算法、相关区的大小、干扰物与目标间的相对运动速度等参数有关;对于形心跟踪和特征跟踪,通常采用波门进行跟踪.当投放干扰弹后,波门内红外分布发生变化,相应的目标形心位置和红外特征也会发生变化,从而无法正确跟踪目标或转入预测跟踪,达到有效干扰的目的.

(3)对红外成像制导系统预测跟踪能力的干扰

对红外成像制导系统预测跟踪能力的干扰主要是体现在干扰持续时间方面.当跟踪系统转入预测跟踪状态时,预测跟踪利用先前的目标位置信息进行航迹外推,因此,预测跟踪的时间不可能太长,大多持续1~2 s的时间.如果干扰弹产生红外辐射的持续时间大于预测时间,成像跟踪系统仍然无法识别出目标,跟踪系统将转入搜索状态,跟踪状态将被破坏,达到有效干扰红外成像制导的目的.

2.3 不同平台面源红外干扰应用条件

随着红外成像制导技术的发展,其攻击的目标也从原来的地面固定目标或运动速度较慢的地面车辆和水面舰艇发展到飞机和导弹这类快速目标.而从红外成像对抗应用角度考虑,对于不同的被保护目标(不同的平台),由于自身的特点,在面源红外干扰应用方面有着不同的应用条件[2].

2.3.1 地面车辆和水面舰艇平台

对于地面车辆和水面舰艇这类目标,其红外辐射强度相对较小,运动速度较慢,采用面源红外干扰弹进行干扰时主要是采用“迷茫”干扰方式[2].在被保护目标与来袭导弹之间形成大面积红外干扰,遮蔽被保护目标,使红外成像制导系统无法从大面积干扰中识别出目标而无法进行跟踪.具体如图5所示.

在这种干扰方式下,面源干扰弹应用主要与以下技术指标有关:(1)干扰波段;(2)干扰形成面积;(3)持续时间;(4)辐射强度.

2.3.2 飞机平台

对飞机这类空中目标,由于其辐射比较强,辐射源面积比较小,运动速度较快,在面源红外诱饵应用时应采用“扰乱”干扰方式.在有来袭导弹时,同时投放出多发红外成像诱饵,具有一定辐射强度、一定运动轨迹和一定辐射面积.这样,在红外成像制导视场中同时出现多个红外辐射源,在一定距离上与被保护平台交融在一起,对红外成像制导系统起到扰乱作用,从而达到干扰目的.具体如图6所示.

在这种干扰方式下,面源干扰弹应用主要与以下技术指标有关:(1)干扰波段;(2)辐射强度;(3)运动轨迹;(4)形成时间;(5)持续时间.

2.3.3 地面固定建筑

对于地面固定建筑物,包括指挥中心、桥梁和港口等目标,红外成像制导对抗主要是采用红外大面积遮蔽干扰方式.在被保护目标与来袭导弹之间形成大面积红外热烟幕,遮蔽被保护目标,使红外成像制导系统无法从大面积干扰中识别出目标.

在这种干扰方式下,主要与以下技术指标有关:(1)遮蔽干扰波段;(2)干扰形成面积;(3)持续时间.

3 结 束 语

从当今红外干扰技术发展来看,红外干扰技术的发展主要是跟随红外制导技术发展,与红外制导技术相比有一定的滞后性.随着对红外成像制导抗干扰机理研究的深入,红外成像制导对抗技术也会快速发展起来.面源红外干扰弹必将能够以其高效费比在对抗红外成像制导及多光谱识别中起到重要作用.

参考文献

[1] 吕相银,黄超超,凌永顺,等.面源型红外诱饵对红外成像制导干扰的评析[J].电子对抗技术,2004,19(5):41-45.

[2] 林涛,李阔.分布式面源型红外诱饵建模研究[J].光电技术应用,2007,22(1):72-74.

参考文献

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高速红外通信系统设计 第10篇

1.1 研究的背景及意义

物联网技术是当前研究热点,物联网的普及会使人们的生活日益便利。但是,目前基于物联网的设备还较少,需要人们不断开发。红外通信作为物联网通信的一种数据传输手段,是物联网技术的必要有益补充。与无线通信相比,红外通信技术具有安全、信息不易泄露的优势,但是其传输速率容易受到设备与环境的影响。

红外通信是利用950nm近红外波段的红外线作为传递信息的媒体,即通信信道。发送端将基带二进制信号调制为一系列的脉冲串信号,通过红外发射管发射红外信号。接收端将吸收到的光脉转换成电信号,再经过放大、滤波等处理后送给解调电路进行解调,还原为二进制数字信号后输出。常用的有通过脉冲宽度来实现信号调制的脉宽调制(PWM)和通过脉冲串之间的时间间隔来实现信号调制的脉时调制(PPM)两种方法。简而言之,红外通信的本质就是对二进制数字信号进行调制与解调,以方便用红外信道进行传输 ;红外通信接口就是针对红外信道的调制解调器。红外通信技术适合于低成本、跨平台、点对点高速数据连接,尤其是嵌入式系统。

1.2 本设计的目的

通过寻找高速的红外光源以及感光器件,设计出一套高速的红外通信系统。该系统可以通过串口将电脑连接起来,实现两台电脑之间的高速数据传输。通过本设计,可以帮助我们了解物联网相关知识,培养电子系统研发设计能力。

2 系统硬件部分

硬件电路图如图1所示 :

图 1 中 :

(1)红外发射头 :用于发射红外信号,波长为940nm 38k NEC编码信号的发射。

(2)红外接收头 :用于接收红外信号,进而单片机进行分析解码操作。

(3)红外头扩展 :该接口为红外发射头的扩展,可以连接多个红外发射头(常称红外发射模块),用于安放到不同的位置实现多方位控制。

(4)UART单片机串口通信接口 :该端口为单片机串口(TTL),作为与外界单片机的通信桥梁,其默认设置的波特率为9600bps。

3 系统结构与系统软件

3.1 系统结构

系统实现的功能是利用RS232实现红外模块与电脑的通信,通过高速红外接口实现两个红外模块之间的通信,红外模块实现RS232串口通信与红外通信数据的转发,最终实现两台电脑之间的通信,即采用红外方式实现串口透传。

3.2 软件流程图

软件流程图如图2所示。

以上流程主要完成了红外接收机数据接收并通过串口发送给电脑的功能。

4 系统测试

4.1 近距离测试

近距离红外通信基本不受角度限制,因为红外线在反射后仍可被接收模块收到。

4.2 远距离测试

经过测量,实验所用器件的有效传输距离上限在10米左右,大于10米后会出现传输的不稳定,在大于12米后,几乎接收不到信号。而在8到10米的情况下,其传输角度在30°之间。

5 总结

随着科技进步,人们对红外线认识的加深,红外线的应用领域不断扩大,目前已经开发出了众多的应用产品,从医疗、检测、航空到军事等领域,几乎处处都能看到红外的身影。它不仅仅能最基本的扫描热源,通信方面的作用也被开发出来,由于有众多优点,红外通信技术必会在未来的互联通信中发挥更大的作用。

摘要：红外通信技术作为技术成熟、应用广泛的无线短距离通信技术,在生产生活中发挥着越来越重要的作用,本研究主要分析了红外通信原理,重点通过寻找合适的红外器件,设计出一套高速的红外通信系统。该系统可以通过串口将电脑连接起来,实现两台电脑之间的高速数据传输。

红外线监控系统 第11篇

为了有效实现对微波功率器件的热特性分析，在瞬态红外设备基础上开发了一套用于获取微波功率器件降温曲线的测量系统。分析了瞬态红外设备的原理，并根据降温曲线测量的需要对设备进行改造，开发了数据采集和处理系统，扩展了原有设备的功能，重新设计了测温流程、数据处理算法和相应的软件系统，实现了对GaN HEMT器件不同工作条件下降温曲线的测量。测量的降温曲线满足现有国际标准JESD51系列的要求，在器件热特性分析方面具有较好的应用前景。

关键词：

红外测温技术； 降温曲线； 电学法

中图分类号： TN 219文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2016.02.002

Abstract：

A set of cooling curve measurement system for microwave power devices was developed based on a transient infrared tester in order to analyze the thermal characteristics of power devices.Working principles of the transient infrared tester were analyzed.A set of data acquisition and process system was developed to replace the corresponding part of the transient infrared tester.The working procedure and data processing software were designed to meet the demands of cooling curve measurement.Cooling curve of GaN HEMT device was obtained under varied working conditions.The obtained cooling curve fulfilled the requirements of JESD51 standard series.

Keywords：

infrared thermal measurement technique； cooling curve； electrical method

引言

微波功率器件正向着大功率、高频的方向发展，器件的工作温度或者结温越来越高，器件热特性（热阻、结温、接触热阻及器件各层的热阻和热容）分析的重要性也日益凸显。为了有效地检测和分析微波功率器件的热特性，国际固态物理委员会（JEDEC）制订了JESD51系列的国际标准，用以指导对微波功率器件的温度、热阻及结构特性的检测和分析[12]。

电学法是器件热分析的传统方法，利用器件电参数的温度特性测量器件温度，用于热阻[3]等特性分析。在国际标准中，为了实现对热阻等参数的测量，规定需要获取器件的降温曲线，并采用基于热阻抗原理的结构函数方法对曲线进行分析以获得器件相关的热特性参数。现有的电学法热阻测试仪，如T3ster和Phase11等都采用了降温曲线的方法，该方法也被美国等多个国家的标准所采纳[46]。但是，由于电学法热阻测试仪的测量电路与器件的工作电路相连接，会影响器件的真实工作条件，导致测量结果的偏差。并且电学法热阻测试仪在GaN HEMT等新兴器件的检测方面还不够成熟，无法满足这些器件的检测需要，因此电学法的应用受到了一定限制。

显微红外热像仪将红外测温技术应用于微波功率器件温度检测，能够在不影响器件工作状态的条件下测量器件温度，逐渐在微波功率器件热分析领域推广普及[79]。但是，目前在半导体行业应用的显微红外热像仪不具备降温曲线的测量能力，无法满足JEDEC标准的要求，无法有效获得器件各层材料的热容、热阻及总体热阻等关键热特性参数的信息。因此，本文在现有具备高速测量能力的瞬态红外设备基础上，开发了一套数据采集及处理系统，以获取器件的降温曲线，为微波功率器件尤其是新兴GaN类器件的热特性检测和可靠性分析提供参考。

1系统方案设计及实现

现有的瞬态红外设备提供高速测温功能，但其只适用于脉冲工作条件下器件瞬态温度特性的测量，与测量降温曲线的需求差异较大，无法直接应用于器件降温曲线的测量。表1列举了两种应用对设备要求的主要差异。

瞬态红外设备的基本构成如图1所示，控温平台根据红外测温需要调整被测器件的基础温度，伺服系统承载显微红外光学系统完成位置调整和对焦，光学系统将捕捉到的红外辐射传输至高速红外探测器，后者将红外信号转换为电信号，经前置放大后由工控机的数据采集卡采集，并进行后续的数据处理、分析、显示和储存。此外，工控机还负责控制伺服系统和控温平台完成用户要求的动作。

1.1方案设计

通过前面的比较可以看出，测量降温曲线的需求差异主要体现在数据处理部分，因此我们在现有瞬态红外设备的硬件基础上进行改造，用自行开发的数据采集和处理系统取代设备原有的配套工控机的数据采集和数据处理部分，设计新的数据处理算法和测温流程以适应降温曲线测量的需要。

我们采用了高性能的数据采集卡采集高速红外探测器输出并经过放大后的电信号，将其转换为数字信号后交由软件处理。测温流程如图2所示，首先通过测量或者用户直接输入发射率，然后进行背景辐射测量获得背景辐射数据用于修正，接下来测量目标红外辐射强度获得电平数据，并利用之前获得的背景辐射数据进行修正，修正后的数据根据目标发射率和预先得到的电平温度关系数据进行换算，即可得到温度数据，最后对温度数据进行处理。

根据斯蒂芬玻尔兹曼公式，物体在一定温度T下，单位面积、单位时间内所发射的全部波长的总辐出度为

M=σ εT4（1）

式中：M为辐射单元的全波长总辐出度，单位为W/m2；ε为辐射单元表面发射率，无量纲；σ为斯蒂芬玻尔兹曼常数，其值为5.67×10-8 W·m-2·K-4；T为辐射单元表面温度，单位为K。在确定ε的前提下，可以根据辐射强度确定被测物体的温度。

发射率ε定义为物体辐出度M与同温度下黑体辐出度M0之比，即

ε=MM0

（2）

由于仪器的响应电信号与被测物体的辐出度成正比，因此可以在参考温度下测量目标红外辐射得到电平值V，并在相同温度下测量黑体红外辐射得到电平值V0，两者之比即为目标发射率，因此式（2）可以表示为

ε=MM0=VV0

（3）

电平温度关系数据是将修正后的电平数据换算为温度的依据，该数据可以通过在一系列标准温度下测量黑体得到。为提高效率，电平温度关系数据预先获得并存储在文件中，软件在启动后读取该文件，并利用其中数据通过拟合算法生成电平温度函数，测温过程中直接利用函数关系计算出对应温度值。

1.2系统的实现

数据处理部分主要包括数字滤波、块平均和下采样，其中块平均的数据块大小以及下采样的采样率可以根据需要逐段调整。由于数据采集卡在改变采样率时需要重新初始化，在一个record的采样过程中不能更改，而初始化过程的时间不能严格确定，因而我们令数据采集卡运行在固定的高采样率下，通过块平均和下采样来控制输出的数据量。在一次降温过程（对应于一个record）中，初始阶段曲线比较陡峭，需要高采样率分辨曲线的细节，此时我们只进行块平均来抑制噪声，而不进行下采样；随着时间推进，曲线会逐渐趋于平缓，同时我们会引入下采样并逐渐降低采样率，从而在保持足够时间分辨率的前提下有效降低数据量。

软件部分利用LabVIEW开发，包括数据采集卡的控制和数据读取、数据处理和储存以及用户界面，软件主要模块功能关系如图3所示，用户界面如图4所示。

2结果分析

2.1系统准确度验证

在系统开发调试完成后，对标准面源黑体的温度进行测量，以验证系统测温的准确性。实验结果如图5所示，实验数据点以十字表示，实线是实测温度等于设定温度的参考线，实测温度与设定温度的最大偏差为0.7 ℃（出现在95 ℃和105 ℃处）。

我们还与瞬态红外设备的测量结果进行了对比，来进一步验证所开发的系统的有效性。由于瞬态红外设备只能测量稳定的周期信号，我们在自行开发的系统中也增加了周期测量模式，以方便对比。

实验装置如图6所示，被测目标依然为面源黑体，在面源黑体与物镜之间插入光学斩波器，通过调制红外信号模拟辐射温度的变化，从而验证自行开发系统在测量变化信号时的性能。

光学斩波器调制频率设定为1 kHz，保持实验条件不变，先后使用瞬态红外设备原有系统和自行开发的系统测量，实验结果如图7所示，图7（a）为瞬态红外设备测量的结果，图7（b）为自行开发系统的测量结果，其中方波为驱动光学斩波器的同步信号。可以看到，两者均能够正常测量周期变化的信号，周期为1 ms，与斩波器设定吻合。

选用RFMD公司的一款GaN HEMT器件（型号为RF3928）作为被测件进行降温曲线测量实验。我们通过调整栅压控制器件的功率，得到若干不同初始状态下的降温曲线，具体实验条件如表2所示。

设定系统采样率为10 MS/s，平均块为1 000个样值，此时能够分辨的最小时间间隔为100 μs。我们给被测器件施加表2所示实验条件，待器件状态稳定后，撤掉漏压并捕捉器件的降温曲线，测量时间为120 s，实验结果如图8所示。

图8横轴为对数形式的时间轴，纵轴为温度，从上到下4条曲线依次对应表2中4种实验条件。可以看出，不同耗散功率下器件的初始温度不同，但是曲线形状基本相同，都存在一段比较迅速的降温过程，然后降温速度变缓并最终趋于同一个最终温度。

3结论

本文实现了基于红外测温技术的器件降温曲线的测量，测量的降温曲线能够满足国际标准对器件热特性分析的要求。根据降温曲线测量的需要，利用瞬态红外设备的硬件基础，通过自行开发的数据采集系统和数据处理软件实现了降温曲线测量功能。通过实验验证了系统的有效性和准确性，并成功获取了GaN HEMT的降温曲线。由于红外测温技术不会受器件的种类、电路连接及工作条件的影响，本系统可以适用于任意器件降温曲线的测量。根据JESD51系列国际标准，获得的降温曲线可以采用与传统电学法相同的技术进行分析，得到反映器件纵向热特性的结构函数。该技术适用于任何种类的微波功率器件的降温曲线测量，应用前景广泛。

参考文献：

[1]Electronic Industries Association.JEDEC JESD511Integrated circuit thermal measurement method – electrical test method（single semiconductor device）[S/OL].199512101[20140728].http：//standards.globalspec.com/standards/detail？familyId=MNOOHAAAAAAAAAAA.

[2]Electronic Industries Association.JEDEC JESD5114Transient dual interface test method for the measurement of the thermal resistance junctiontocase of semiconductor devices with heat flow trough a single path[S/OL].20101101[20140728].http：//standards.globalspec.com/std/1288922/jedecjesd5114.

[3]马春雷，鲍超.一种高功率LED热阻的测试方法[J].光学仪器，2005，27（2）：1317.

[4]PAPE H，SCHWEITZER D，CHEN L，et al.Development of a standard for transient measurement of junctiontocase thermal resistance[J].Microelectronics Reliability，2012，52（7）：12721278.

[5]FENG S W，HU P F，ZHANG G C，et al.Determination of channel temperature of AlGaN/GaN HEMT by electrical method[C]//Proceedings of the 26th Semiconductor Thermal Measurement and Management Symposium.Santa Clara，CA：IEEE，2010：165169.

[6]SCHWEITZER D，PAPE H，KUTSCHERAUER R，et al.How to evaluate transient dual interface measurements of the RthJC of power semiconductor packages[C]//Proceedings of the 25th Semiconductor Thermal Measurement and Management Symposium.San Jose，CA：IEEE，2009：172179.

[7]ALBRIGHT G C，STUMP J A，MCDONALD J D，et al.True temperature measurements on microscopic semiconductor targets[C]//Proceedings of the SPIE 3700，Thermosense XXI.Orlando，FL：SPIE，1999.

[8]ALBRIGHT G C，STUMP J A，LI C P，et al.Emissivitycorrected infrared thermal pulse measurement on microscopic semiconductor targets[C]//Proceedings of the SPIE 4360，Thermosense XXⅢ.Orlando，FL：SPIE，2001：103111.

[9]MCDONALD J D，ALBRIGHT G C.Microthermal imaging in the infrared[J].Electron Cooling，1997，3（1）：2629.

红外辐射强度测量系统设计 第12篇

1 测量原理

测量的基本原理是通过探测器对标准辐射源与被测物体的不同输出电压响应进行比较.根据距离平方反比定律求得被测物体在λ1~λ2波段上的辐射强度.标准辐射源的腔口面积为ABB的黑体,绝对温度为T,在λ1~λ2波段上,探测器在其法线方向距离为d处测得的电压为Vc. 用相同探测器测量物体时,在距离被测物D处测得的电压为Vs.则被测物体的辐射强度为

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式(1)中,M为黑体的光谱辐射出射度;λ为波长(μm);T为黑体温度(K);c为光速(m/s);KB为玻尔兹曼常数;h为普朗克常数[1].

用测试系统测量标准辐射源的过程称为标定[2],标定过程主要是采集并记录探测器的电压响应Vc,并长期保存.进行物体红外辐射强度测量时,系统采集探测器的电压响应Vs,根据式(1)求得被测物体的辐射强度.

2 测量系统设计

2.1 硬件构成及设计分析

测量系统由3部分组成:探头、控制器、工控机,如图1所示.

探头的作用是完成光信号到电信号的转换,其主要由4个部分组成,带通滤光片,光学调制盘,光电转换器件,以及前置放大器.如果测量物体在波段3~5 μm的辐射强度,那么可以用1片3~5 μm的带通滤光片,以过滤3~5 μm以外的辐射光,使得到达探测器的入射光仅为3~5 μm之间的辐射光.热释电器件只响应变化的光信号,所以需要一个光学调制盘来对入射光进行调制.热释电器件的光谱是近乎均匀的,符合应用需要,选用的热释电器件光敏材料为钽酸锂晶体,窗口材料为KRS-5,光敏元直径为5 mm,其相对光谱响应曲线如图2所示.前置放大器用来把光电转换器输出的微弱信号进行初步放大,便于传输及进一步放大.以上4个部分装于一个封闭的小金属机箱内,机箱上安装一个瞄准镜,用于对准被测目标,底部三角架以便于调整高度及朝向.

控制器部分负责信号放大,驱动光学调制盘和采集触发.包括:锁相放大电路、电机控制电路和采集触发电路.锁相放大电路,可把探头输出的信号进行高质量的放大,使输出的信号幅度高,噪声低;电机控制电路,用于驱动光学调制盘转动;采集触发电路,用于向信息处理器发送一个采集触发信号,然后系统由处理器进行数据采集、计算和分析.

信息处理器主要由工控机,I/O卡,A/D卡,以及打印机,显示器等相关附件组成.工控机用来处理采集数据,测量结果显示及打印等功能,选用CPU为P42.4 G以上,内存512 M以上,硬盘80 G以上即可满足要求.I/O卡用带隔离输入输出的板卡,采集控制器发送过来的触发信号,保证系统能够及时有效地开始数据采集.A/D卡选用采样速率在250 K/s,精度16位的板卡,实现实时、高精度的模拟信号采集.

2.2 软件流程

软件采用LabVIEW图形化编程语言设计开发完成.LabVIEW是虚拟仪器的著名开发平台,可充分发挥计算机的运算能力,有强大的数据处理功能,在数据采集和数字信号处理方面有着得天独厚的优势[3].软件包含2个部分内容,即标定和测量.

标定主要用来测量和记录探测器在黑体法线方向距离为d处测得的电压Vc.以便在测量物体红外强度时使用.首先设定辐射仪参数,初始化数据采集卡.为了计算准确,先连续采集探测器对环境的电压响应,记录该电压V1,然后在相同的环境条件下采集探测器在黑体法线方向距离为d处测得的电压V2,由V2-V1计算得出实际需要的电压Vc.最后同时需要记录的数据还有黑体的温度T和腔口面积ABB.

测量部分主要是采集探测器对物体的输出电压响应,采集环境的温湿度,结合标定过程记录的各参数计算出物体的红外辐射强度.其软件框图如图3所示.

3 系统工作过程

3.1 标定

标定过程在初次测试前执行,将黑体及探头放于固定支架上,使黑体腔口正对探测器,将黑体升温到指定温度,打开测试系统电源,探头、控制器上电,开始工作,在工控机上执行标定操作,系统保存从A/D卡上采到的电压.整个标定操作应在室内进行,应避免阳光直射,探头前方及两侧不应有其他热源.同时标定时应连续采集数据,对多次采集的数据取平均值,减少各种噪声对标定结果的干扰.黑体距探测器的距离不应太远,以保证器件有足够的响应量.如图4所示.

3.2 辐射强度测试

将探头置于三角架上,用瞄准镜对准被测物,打

开测试系统电源及测试软件,准备就绪以后按下控制器的采集触发按钮,系统通过I/O卡给测试软件一个触发信号,软件开始通过A/D卡采集数据.数据采集完成后进行分析和计算,给出辐射强度-时间曲线图.为避免探测器饱和,可根据被测物的不同适当调整被测物与探头之间的距离,大气衰减需根据情况不同而做相应处理.当距离较远时不可忽略,这是需要采集测量环境的温湿度,并结合当地的海拔等自然条件计算出测量环境的大气透过率.

4 结 束 语

详细介绍了以辐射源为基准的物体红外辐射强度测量方法.设计了基于该方法的测量系统,论述了系统的硬件构成、工作原理和软件流程.充分考虑了外界因素对系统测量结果的影响,使测量结果更加准确.系统精度高,实时采集性好,稳定可靠,操作简单,达到了预期的设计目标.系统适用于多种红外应用领域,对科研、生产和产品质量检测都有着重要的作用,有着广泛的应用前景.

参考文献

[1] 张建奇,方小平.红外物理[M].西安:西安电子科技大学出版社,2004.

[2] 郑丽,高秀伟,李世诚.基于LabVIEW的红外辐射强度测试系统中标定的实现[J].光电技术应用,2008,23(6):57-59.

[3] 侯国屏,王坤,叶齐鑫.LabVIEW7.1编程与虚拟仪器设计[M].北京:清华大学出版社,2005.

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