1 引言
因紅外線具有一切光線的所有特性，同時高于絕對零度的物體都會產(chǎn)生熱效應，我們可以利用這些特征進一步研究其物理特性，簡單來說紅外開關就是利用紅外線為介質(zhì)來處理數(shù)據(jù)的一種傳感器。根據(jù)發(fā)出方式的差異我們分為主動式和被動式紅外開關，進而衍生出主動式紅外成系統(tǒng)（紅外夜視儀）與被動式紅外成像系統(tǒng)（紅外夜像儀）。對于機器監(jiān)測，發(fā)射器發(fā)出紅外線，根據(jù)能否接收到反射回來的紅外線，以及反射回的紅外線的時間計算出是否存在障礙物以及障礙物的距離，對于移動機器人避障以及自動駕駛方面提供理論依據(jù)。
2 紅外開關
紅外開關是基于紅外線收發(fā)原理的開關類傳感器，經(jīng)常用于感應物體或者物料的位置。
2.1 紅外開關原理
我們知道，光線也是一種輻射電磁波，以人類的經(jīng)驗而言，通常指的是肉眼可見的光波域是從400nm（紫光）到700nm（紅光）可以被人類眼睛感覺得到的范圍
圖1 光譜圖
如圖所示我們把紅光之外、波長760nm到1mm之間輻射叫做紅外光，紅外光是肉眼看不到的，但通過一些特殊光學設備，我們依然可以感受到。
紅外線是一種人類肉眼看不見的光，所以，它具有光的一切光線的所有特性。但同時，紅外線還有一種還具有非常顯著的熱效應。所有高于絕對零度即－273℃的物質(zhì)都可以產(chǎn)生紅外線。因此，簡單地說，紅外開關是利用紅外線為介質(zhì)來進行物理位置判斷的傳感器。
2.2 紅外開關分類
根據(jù)發(fā)出方式不同，紅外開關可分為主動式和被動式兩種。
（1）主動紅外開關的工作原理及特性：主動紅外開關（圖2）的發(fā)射機發(fā)出一束經(jīng)調(diào)紅外光束，被紅外接收機接收，從而形成一條紅外光束組成的警戒線。當遇到樹葉、雨、小動物、雪、沙塵、霧遮擋則不應報警，人或相當體積的物品遮擋將發(fā)生報警。
圖2 主動紅外開關
主動紅外探測器技術主要采用一發(fā)一收，屬于線形防范，現(xiàn)在已經(jīng)從最初的單光束發(fā)展到多光束，而且還可以雙發(fā)雙收，最大限度的降低誤報率，從而增強該產(chǎn)品的穩(wěn)定性，可靠性。由于紅外線屬于環(huán)境因素不相干性良好（對于環(huán)境中的聲響、雷電、振動、各類人工光源及電磁干擾源，具有良好的不相干性）的探測介質(zhì)；同時也是目標因素相干性好的產(chǎn)品（只有阻斷紅外射束的目標，才會觸發(fā)報警），所以主動式紅外開關器將會得到進一步的推廣和應用。
（2）被動紅外開關器的工作原理及特性：被動紅外開關是靠探測人體發(fā)射的紅外線來進行工作的。傳感器器收集外界的紅外輻射進而聚集到紅外開關上。紅外開關通常采用熱釋電元件，這種元件在接收了紅外輻射溫度發(fā)出變化時就會向外釋放電荷，檢測處理后產(chǎn)生報警。這種傳感器是以探測人體輻射為目標的。所以輻射敏感元件對波長為10μm左右的紅外輻射必須非常敏感。為了對人體的紅外輻射敏感，在它的輻射照面通常覆蓋有特殊的濾光片，使環(huán)境的干擾受到明顯的控制作用。
3 主動式紅外成像系統(tǒng)
在紅外夜視技術中,主動式紅外夜視成像系統(tǒng)是利用紅外變像管作為光電轉換器件,在工作時必須具有紅外輻射照明場景的直視光電成像系統(tǒng)。主動式紅外夜視系統(tǒng)最早運用于二戰(zhàn)期間,它背景反差好,成像清晰且不受外界照明影響,可以在全黑時工作,至今為止仍在軍事、公安以及其他部門大量使用。主動式紅外成像系統(tǒng)原理常見圖3所示。
圖3 主動式紅外成像系統(tǒng)結構
主動式紅外成像系統(tǒng)的光學系統(tǒng)包括物鏡組和目鏡組，其中物鏡組的作用是把目標成像與變像管的光陰極面上。而目鏡組的作用是把變像管熒光屏上的像放大，從而便于人眼觀察。紅外變像管是主動式紅外成像系統(tǒng)的核心，是一種高真空圖像轉換器件，完成從近紅外圖像到可見光圖像的轉換并增強圖像。紅外變像管的結構參見圖4所示。
圖4 紅外變像管的結構
變像管成像的過程分析：變像管可以對不可見的紅外線圖像進行光譜轉換和亮度增強。最終,在熒光屏上顯示出目標的可見光圖像,通過目鏡放大被人眼所觀察。主動式紅外夜視儀的工作波段在0.76~1.2um的近紅外光譜區(qū),其長波限由變像管的光電陰極決定。其中電子光學系統(tǒng)則是負責把光電陰極的電子圖像傳遞到熒光屏上，并在傳遞過程中完成電子能量的增強和圖像幾何尺寸的縮放。紅外變像管的工作過程參見圖5所示。
圖5 紅外變像管的工作過程
4 被動式紅外成像系統(tǒng)
4.1 被動式紅外成像系統(tǒng)原理
被動式紅外成像系統(tǒng)依據(jù)紅外熱成像感應原理實現(xiàn)。自然界中，溫度高于絕對零度的一切物體，總是在不斷地發(fā)射紅外輻射。收集并探測這些輻射能，就可以形成與景物溫度分布相對應的熱圖像。熱圖像再現(xiàn)了景物各部分溫度和輻射發(fā)射率的差異，能夠顯示出景物的特征。紅外熱成像參見圖6所示，其中大圖是紅外熱成像形成的圖像，小圖是可見光圖像。通過紅外熱成像可以清楚看到藏在樹林中的人，而可見光圖像幾乎看不到任何藏在樹林中的人。
圖6 可見光與熱成像
4.2 被動式紅外成像系統(tǒng)組成
被動式紅外成像系統(tǒng)組成參見圖7所示。紅外熱成像流程參見圖8所示。
圖7 被動式紅外成像系統(tǒng)組成
圖8 紅外熱成像流程示意圖
（1）光學系統(tǒng)：光學系統(tǒng)根據(jù)掃描范圍不同分為小范圍掃描（聚光光學系統(tǒng)）和大范圍掃描（掃描光學系統(tǒng)）
（2）致冷器與信號處理：致冷器的作用是降低紅外探測器的噪聲，使其在低溫狀態(tài)工作。信號處理與顯示的基本任務是形成與景物溫度分布相對應的視頻信號，然后根據(jù)景物各單元對應的視頻信號標出景物各部分的溫度，并顯示出景物的熱圖像。信號處理部分包括：前置放大、主放、自動增益控制、限制帶寬、檢波、鑒幅、多路傳輸和線性變換。
（3）紅外探測器：紅外探測器是紅外輻射能的接收器，它通過光電變換作用，將接收的紅外輻射能量變?yōu)殡娦盘枺?jīng)過放大、處理，形成圖像。
5 紅外避障系統(tǒng)
5.1 紅外避障傳感器原理
參見圖9所示，紅外具有一對紅外信號發(fā)射與接收二極管，發(fā)射管發(fā)射一定頻率的紅外信號，接收管接收這種頻率的紅外信號，當紅外的檢測方向遇到障礙物（反射面）時，紅外信號反射回來被接收管接收，經(jīng)過處理之后，通過數(shù)字傳感器接口返回到控制器。
圖9 紅外避障傳感器圖解
5.2 紅外避障系統(tǒng)原理
紅外是數(shù)字傳感器，紅外接收管只有在接收到一定強度的紅外信號時才會有數(shù)值的變化。障礙物（反射面）太小時，紅外會檢測不到；障礙物（反射面）顏色為黑色或深色時，會被吸收大部分的紅外信號，而只反射回一小部分，導致紅外接收管接收到的紅外信號強度不夠，不足以產(chǎn)生有障礙物（反射面）的信號。紅外在暖光源的照射下（如白熾燈、太陽光）檢測受到很大影響，它會受到所有相近紅外信號的干擾，白熾燈和太陽光中含有紅外信號成分較多，對紅外的影響也較大。紅外相互之間也存在干擾，因而在使用時需要注意。
6 結束語
在實際應用中應根據(jù)應用場景不同選擇不同的紅外成像系統(tǒng)，主動式紅外成像需要提供具有紅外輻射照明場景的直視光電成像系統(tǒng)，如果應用于軍事會暴露己方，適合選擇被動式成像系統(tǒng)，它不需要提供額外的光源，僅依靠人或者動物產(chǎn)生的紅外線即可，但是被動式成像系統(tǒng)效果沒有主動式成像系統(tǒng)好。因此需要根據(jù)場景選擇不同成像系統(tǒng)。紅外避障傳感器廣泛應用于自動駕駛、機器人避障研究領域，掌握基本的應用原理對于這方面研究大有裨益。