紅外熱像技術

為使熱成像系統正常工作，將其探測器元件冷卻至低溫或深低溫的技術，又稱低溫恆溫器技術。該技術的主要任務有二點：一是通過製冷形成一個合適的低溫恆溫環境，以保證需要在低溫下工作的電子器件或系統功能正常，或提高器件的靈敏度；二是禁止或減小來自熱成像系統的濾光片、擋板及光學系統本身等帶來的熱噪聲。

基本介紹

• 中文名：紅外熱像技術
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製冷器工作原理

製冷器的工作原理包括物理和化學兩種方法。根據使用場合和所需要製冷溫度不同，可利用不同原理製成適當的製冷器。熱成像系統使用的多為物理方法。主要有：

相變製冷

即利用製冷工作物質相變吸熱效應，如使用灌注式杜瓦瓶的液氮、液氫等的製冷；

焦耳效應製冷

即當高壓氣體的溫度低於本身的轉換溫度並通過一個很小的節流孔時，氣體的膨脹會使溫度下降。如焦-湯製冷器，特點是結構簡單、可靠性高、質量輕、體積小、無振動、無運動部件、噪聲小、成本低、致冷速度快，致冷時間通常只需15～60s（秒）。

氣體等熵膨脹製冷

即氣體在等熵膨脹時，借膨脹機的活塞向外輸出機械功，膨脹後氣體的內位能要增加，從而要消耗氣體本身的內功能來補償，致使膨脹後溫度顯著降低。如斯特林閉循環製冷器，其特點是功耗低、尺寸小、質量輕。

帕爾帖效應製冷

即用N型半導體和P型半導體作用偶對，當有直流電通過時電偶對一端發熱，另一端變冷，如熱電製冷器，又稱為半導體或溫差電製冷器。熱電探測器的主要優點是：全固態化器件、結構緊湊、壽命長；無運動部件，不產生噪音；不受環境影響；可靠性高。缺點是製冷器的性能係數（COP）較低，致冷量小，效率低；

熱輻射交換製冷

如在外層空間利用外層宇宙的高真空，深低溫來製冷。它的顯著特點是無運動部件、長壽命、功耗小、無振動干擾。缺點是對軌道和衛星的構形有要求，對環境要求嚴格，入軌後需經過一段時間的加熱放氣後才能工作。

相關技術

焦平面技術；熱力學技術；機械加工技術

技術難點

不同製冷器技術的關鍵技術各不相同。斯特林製冷器的技術發展重點在於增加致冷量、加大壓縮機和冷指之間分置距離、尋找更靈活的氣體通道、減輕壓縮機重量、減小體積等。對於高頻小型脈衝管制冷器技術，主要考察方向是回熱器設計和性能；減少複式入口脈衝管中直流電流的影響；降低脈衝管中的流動性。對於熱電致冷技術，關鍵技術在於提高熱電材料的品質因素Z和減小冷端熱負載。對於閉環節流製冷器，通常高壓壓縮機是可靠性的薄弱環節，需要加以克服。

國外概況

斯特林致冷技術

斯特林致冷技術已經有50年發展歷史，在軍事上套用最廣泛。首先出現的是整體式結構，即壓縮活塞和膨脹活塞用一連桿以機械方式連為一體。整體式結構容易產生熱和振動影響製冷部分。針對系統存在的不足，國外也作了些改進。首先，自1972年以來，有了顯著發展，由美國休斯飛機公司研製出分置式斯特林製冷器，將壓縮機和膨脹器分開安置，中間用一根軟管相連。這種結構不僅克服了早期整體式製冷器的缺點，還保持了原有系統結構緊湊、效率高、啟動快等優點，因此頗受國外用戶重視，發展較快。其次，為了克服原有電機/曲軸這種動態結構產生的磨損而影響壽命，荷蘭飛利浦研究所於1968年開始研製用線性電機驅動線性諧振壓縮機的斯特林機。迄今為止，線性諧振斯特林機的發展已經經歷了三代：1975年由荷蘭飛利浦公司的科學和工業分部研製的MC-80型微型製冷器稱為第一代，屬非軍用型，致冷溫度為80開氏度時，輸出功率為1W（瓦）；1976年，荷蘭和美國同時設計出第二代。荷蘭飛利浦公司在MC-80的基礎上使其軍用化，最初命名為MMC-80，後來正式命名為UA-7011型；1982年，在UA-7011的基礎上，由飛利浦公司研製了一系列線性諧振製冷器，稱為第三代。它們由標準化壓縮機和兩個冷指（膨脹器部分）組成，專用於美國60元和120元/180元探測器/杜瓦瓶裝置。致冷功率分別能達到1/4W和1W，平均無故障時間為2500h(小時)。該公司目前正繼續研製更新產品。

脈管致冷技術

1963年由美國低溫專家發明，直到1984年前蘇聯米庫林教授對基本型脈管做了重大改進後，使其向實用邁進關鍵性一步。脈管實際上是斯特林的變體，膨脹機內無需運動部件，結構更簡單可靠，且易於裝配和控制振動。目前其機理仍在探索中，未來將成為斯特林機強有力的競爭對手，特別是在長壽命機型中更是如此。

熱電致冷技術

又稱溫差電致冷器或半導體製冷器。1950年代末期，隨著半導體材料技術的大力發展，解決了早期系統致冷效率低的的問題。特別是美、英、日蘇等國在這一領域做了大量研究，1960年代用熱電致冷即已達到實用階段。熱電質量因素Z是用以評價熱電材料的因素之一，1980年代末，美國和歐洲一些國家熱電材料的Z值能達到3.5×10-3/°K（10的負三次方/開氏度），前蘇聯能達到4.7×10-3/°K。目前熱電製冷器主要用於手持式熱像儀，如美國馬格納沃克斯公司的AN/PAS-7型和HPHTV型、英國萊賽蓋奇公司的LT1065型。此外還可用於其它一些觀瞄系統，如美國德克薩斯儀器公司的AN/TAS-5“龍”式反坦克飛彈熱成像瞄準具、美國馬格納沃克斯公司的TWS型熱成像瞄準具等。

焦-湯致冷技術

又稱節流式致冷技術，是1950年代發明的，絕大多數情況下使用開環式致冷器，但仍有採用高壓壓縮機的閉式節流製冷器。早期系統由逆流式熱交換機、節流孔和裝有高壓氣體的貯氣瓶組成。為了控制氣體消耗量，國外對節流製冷器作了些改進，設計了自調式製冷器。現在國外生產的焦-湯系統幾乎都配備了這種自調機構。國外多將該技術用於紅外製導、手持式熱像儀、車載熱像儀、反坦克飛彈熱瞄具等。如美國德克薩斯儀器公司的AN/TAS-4陶式反坦克飛彈夜瞄具、科爾斯曼公司的熱成像遠距離夜間觀察儀、英國馬可尼公司的HHT-8和MSDS型手持熱像儀、索恩·伊美公司的多用途熱像儀和法國的TRT公司的MIRA型紅外熱像瞄準具等。

利用相變致冷

有液態致冷和固態致冷兩種。液態循環致冷目前廣泛用於試驗室測量和民用紅外系統。固態致冷系統主要用於航天工業，儲存的固態冷卻劑根據質量和體積，使用時間可為1至3年或更長。

影響

電器件的冷卻離不開低溫技術，尤其是紅外技術在武器裝備中特殊的地位使其迅速發展。

紅外預警和監視

海灣戰爭以後，各國反導技術得到發展，均致力於研製彈道飛彈的防禦系統。紅外探測技術在飛彈發射預警中起到關鍵性作用。它包括星載紅外預警探測系統、機載和艦載反導紅外探測預警系統，它們都需要高可靠性的斯特林製冷器或其它類型的製冷器作為紅外探測器的冷源。

精確光電制導

戰術飛彈、巡航飛彈和反導攔截器幾乎都使用紅外引導頭、紅外尋的制導技術由點源發展為成像制導，已廣泛套用於精確制導武器系統。它實現制導智慧型化，具有高靈敏度、高解析度、作用距離大和對目標有自動識別和跟蹤決策能力。

紅外熱成像系統

夜視和紅外熱成像是當今現代化戰爭最常用而不可缺少的軍事手段。紅外夜視在80年代已經發展到第二代，如4N掃描型和焦平面凝視型。由於探測元數目提高了一個數量級、靈敏度大幅度提高，熱成像探測距離也相應提高。這些軍事系統都使用製冷器將這些紅外探測器冷卻到80K左右的低溫環境，目前在紅外系統中低溫製冷器的可靠性仍是薄弱環節，只有重點發展低溫製冷器、減少體積和重量、提高可靠性，才能促使紅外探測技術在武器裝備中更廣泛套用。

紅外遙感技術

空間遙感技術常採用紅外波段，可用來對戰場態勢、環境、氣象進行監視。空間製冷器通常要求高可靠性、長壽命和低能耗的輻射製冷器和機械製冷器。