什麼是光電系統？

韋恩定律是什麼意思

這一章寫點比較專業的知識，軍事上應用比較多的光電對抗系統（electro-optical warfare systems），光電系統簡稱EO systems。

光電系統是光學和電子學的結合，常見的光電系統有可見光和鐳射系統，對於紅外系統來說，也屬於光電系統的範疇，簡稱（EO/IR systems）。

光電系統可以在0。01到1000微米的光譜範圍內工作，因此光電系統包括但不限於鐳射、紅外、可見光、紫外等成像系統。

下圖是對光譜的各頻率或波長進行的劃分，是從長波紅外到極紫外的頻譜範圍。

從圖中可以看出，光電感測器的頻率覆蓋範圍可以從10 ^ 4 GHz到10 ^ 6 GHz。由於涉及頻率的範圍非常大，光電系統的通常用波長來表示，波長單位為微米，下面是微米和米的單位換算：

可見光譜在0。3到07微米之間，在此區間的光譜人眼可見，光譜超出此範圍，人眼便看看不見了，看不見不代表不存在，聰明的科學家們用了不同的探測器來探測自然界中其他波段的光譜，拓寬了人眼可見的範圍！

如果將上圖再形象一點的劃分，把人眼可見波段進行放大來看，可見光的範圍為0。37um-0。75um，不同的波長對應不同的顏色，在整個波段範圍內，人眼可見的範圍是非常小的，比紫外更短的有深紫外，比紅外更長的有長波紅外。印證一句俗語——人外有人，天外有天！

比可見光波長更長的是紅外，下圖是對紅外光譜的細分，按照不同的波長，從波長最短的Gamma射線到波長最長的無線電波。

紅外光譜範圍是從1到1000 µm，通常細分為三個區域：

短波紅外：0。76–2 µm

中波紅外： 2–6 µm

長波紅外： 6-1000 µm

圖面下面曲線代表的是波長的變化趨勢，透過曲線可以理解什麼是長波，什麼是短波。比如我們搬起一塊大石頭扔進水裡，水面蕩起波浪，波浪越密的地方波長越短，波浪越開闊的地方波長越長…

對於紅外探測器來說，探測到的紅外輻射來自目標本身，不需要額外觸發，這種由目標發射出紅外訊號使目標能夠被探測到的情況稱為被動探測。

問題來了，那些目標為什麼要輻射紅外訊號，導致自己被探測到呢？自己發射訊號被別人探測到，那不是傻嗎？

因為，有些事情並不受個人控制啊，比如太陽東昇西落，你跳一下，跳不出地球對你的引力，不能跳到火星上去。

這個紅外訊號也是這樣的，在自然界中，任何高於絕對零度（-273℃）的物體，都在不斷向外輻射紅外線。

比如現在看文章的你，雖然不知道自己在到處輻射紅外，但有37℃高溫的你，處在茫茫人海中，透過紅外探測器也能一下子被探測到！

因此，機載或地面光學感測器對目標輻射的被動探測和跟蹤不像雷達探測那樣對目標發出警告，因此紅外探測具有隱蔽性高，識別性強的優點！

也就是說，你在太空瀟灑遨遊，可以用紅外相機給你拍了一張帥氣的照片，你還不知道相機已經記錄了你英俊的相貌！

什麼是紅外？

紅外（IR）最重要的用途是在軍事上的使用：由於高溫物體會發出大量的紅外輻射，因此對高溫物體進行探測是紅外系統最大的優勢。

紅外是電磁波，其波長長於可見光，但短於微波。人眼無法看到紅外線，但面板透過溫度變化可以感知到紅外線。

材料的溫度越高，則對外輻射越強。

由於紅外探測器探測的光譜範圍接近可見光，因此它們或多或少地會遇到水蒸氣或其他氣體而造成影響，也會由霧霾和煙霧引起散射等。

因此，使用紅外感測器面臨的主要問題是光譜中的某些波段在穿透大氣時發生嚴重衰減，只有幾個波段能穿透大氣視窗。

什麼是大氣視窗？

就是某幾個波段在大氣環境中透過率較高，可以穿透大氣中雨霧煙塵的影響，類似於大氣給這幾個波段開了一扇窗戶，下圖列出了大氣中紅外透射特性，圖中橫座標代表波長，縱座標代表透過率：

上圖顯示了在海平面上波長從1到15 µm的紅外波段的透射百分比。

如圖所示，在海平面上，有很多區域紅外透過率衰減明顯，特別是在5。5 µm至7。6 µm或14 µm至15 µm之間的區域中，根本沒有紅外訊號傳輸，這主要是由於水蒸氣和二氧化碳對該波長吸收。

因此，為了減少大氣衰減，紅外系統傾向於使用SWIR（1-2。5 µm），MWIR（3-5 µm）和LWIR（8-14 µm）等紅外視窗而不是整個光譜。

同時，由於紅外線的衰減受大氣中氣體和氣溶膠的影響，因此在較高的海拔上透射率會提高，下圖是在晴天不同海拔上紅外透射率圖，可以看出，海拔高度越高，紅外透過率越高！

紅外輻射在大氣中衰減主要是大氣中氣體的吸收或散射造成，可以透過下圖看到大氣的組成部分和各部分對不同波段的吸收情況：

大氣的組成部分為78。1%的氮氣，20。9%的氧氣，還有惰性氣體，二氧化碳等。

不利的天氣情況或雲層會大大減少紅外輻射的傳輸，雲層在不同海拔高度也會呈現不同的形態，下圖是在不同高度雲層的形態：

雲層不僅會吸收紅外輻射，在某些波段，比如在長波紅外區域，雲層還會對外輻射紅外，下圖是雲層在不同波長下的輻射情況，可以看出，雲層在長波紅外13-15um區域紅外輻射訊號較強：

紅外探測器的相關概念

輻照度

紅外探測器的輻照強度是對入射在其表面上的輻射功率的密度作出衡量。輻射功率的單位為瓦。面積的國際單位制為平方米（或平方釐米）。

輻照度的符號為大寫字母E，航空應用中的輻照度通常以瓦特/平方釐米為單位。

輻照度可以透過下面公式來表示：

這個公式有點類似於壓強的公司，壓強就是作用力除以作用面積，這個是輻射能量除以輻射面積。

舉個例子，拿刀切蘋果，用的力越大，刀口越鋒利，越好切，也就是作用力大，作用面積小，壓強越大。

強度

強度（也稱為輻射強度）是感測器對紅外訊號探測或戰機飛行中被探測到的度量。

概念有點繞口，強度類似於雷達探測中的雷達截面（RCS）。與雷達探測不同的是，紅外探測中的目標飛機是有源發射器，而不是遠距離射頻發射器的無源反射器。

因此，強度實際上與雷達的射頻有效輻射功率（ERP）密切相關，ERP是將發射機功率與天線波束寬度結合在一起，早期輻射強度定義是接收器的區域功率密度。

強度定義來自於光源的角功率密度（或換句話說：單位立體角功率的度量）。

輻射強度的單位是瓦特/弧度。

強度的常規符號是大寫字母I。

強度可以用以下的公式來表示：

這個概念如何理解呢？

比如日常生活，我們常說奧迪的車燈好，亮度很高，如果從理科生的角度出發，就是車燈在一個照射範圍內，亮度比普通車要亮，這個照射範圍稱為立體角。

什麼是立體角？

在幾何中，球體表面上的面積與半徑的平方之比為立體角或球面度。

球面度（Steradian）通常縮寫為sr，最常用於立體角的符號是希臘字母omega（Ω）。

輻照度和強度與距離的平方的關係如下：

輻射

輻射可以理解為可見光中的亮度，而強度指整個區域光源輻射的總和，因此輻射可以看作是小範圍內單位面積的強度。

相關關係可以透過下表理解：

關係式如下：

反射率

反射率可以理解為表面被輻射探測的效率。

反射率通常分為鏡面反射（類似鏡子）或漫反射（由於從粗糙表面反射而散射）。大多數表面都表現出兩種反射型別，但有一種會佔主導。

如果物體從一個具有較高溫度的反射源進行反射，則感測器探測該物體的表面溫度將高於其實際溫度。相反，如果物體從一個較低溫度的反射源進行反射，則探測到該物件的表面溫度將低於其實際溫度。

可以透過下面這張圖片來理解：

發射率

首先要知道，只有完美的散熱器（專業上稱為“黑體”）才能真正輻射出其所有內部熱能。對於其他型別的物體，輻射的能量還取決於物體溫度以外的其他因素，例如材料特性和表面狀態。

物體發射紅外輻射的效率稱為發射率，發射率值的範圍為0到1。

兩個溫度相同但發射率不同的物體，發射率低的物體將輻射較少的能量，對於具有較高發射率的物體，感測器可能將計算出較高的表面溫度。

下圖是關於理想黑體和實際物體輻射的情況，左圖是理想黑體100%輻射強度會被探測到，右圖是實際探測中，物體均會出現反射、透射等情況。

通常，物體的發射率在很大程度上取決於物體的顏色和材料特性，由金屬製成的淺色物體通常具有較低的發射率，而由有機材料製成的深色物體通常具有較高的發射率。

具有高發射率的物體不僅在發射紅外輻射方面更好，而且在吸收紅外輻射方面也更好。

下圖是同一物體在不同顏色的情況下吸收率和輻射率的對比，物體在深色情況下，吸收率高於反射率，輻射率也相應較高。

正是由於材料的此特性，戰鬥機為了具有更好的隱蔽性，低輻射塗料可以塗在戰鬥機的發動機噴嘴上，以減小紅外感測器的檢測範圍。

下圖是澳大利亞國防部的一篇宣傳手冊，透過塗料改善戰機的輻射率，宣稱可以將戰機紅外輻射率從0。95-0。99降低至0。1-0。2。

普朗克定律

能量既不能創造也不能摧毀，只能透過與物質的相互作用來轉化。

最常見的能量轉換是從熱到紅外輻射的轉換，溫度高於絕對零值的任何物體都會進行紅外輻射。

馬克思·普朗克（MaxPlanck）在1909年用數學方法得出了輻射功率隨溫度變化的關係：

人們透過普朗克定律可以計算在一定溫度下黑體在一定波長下釋放的能量。

維恩定律

威廉·維恩（WilhelmWien）發明了韋恩位移定律。

該定律指出，不同溫度下的黑體輻射曲線在與溫度成反比的波長處達到峰值。

用通俗的話來說，溫度越高的物體發出的紅外輻射波長越短、強度越高。

以下是使用維恩方程形成的2個圖形：

透過下面的圖形可以看出，溫度高的物體，如700℃的加熱絲，在波長2um時輻射強度最高，而溫度較低的物體，如人體體溫37℃，在8-9um範圍內輻射強度最高。

因此，維恩定律可以透過以下的曲線來直觀理解：

雖然SWIR（短波紅外）輻射通常由溫度為700ºC或更高的物體發出，SWIR（短波紅外）感測器仍可用於觀察較冷的物體，例如建築物或車輛。

原因是來自太陽、月亮或恆星到達物體的SWIR輻射可以反射到SWIR感測器。

與LWIR（長波紅外）和MWIR（中波紅外）感測器透過自身的熱輻射觀察目標不同，SWIR（短波紅外）感測器的工作主要歸功於太陽等反射的紅外輻射。

通俗的理解是，SWIR（短波紅外）感測器與可見攝像機非常相似，但清晰度更高。

下圖是在雨霧天氣下，可見光與短波紅外成像效果的對比：

與MWIR和LWIR相比，SWIR感測器的主要優勢是解析度高，體積小，重量輕，SWIR感測器還可用於檢測鐳射照明，從而可用於檢測LRF（鐳射測距儀）。

SWIR感測器需要非常熱的目標或自然光反射，MWIR和LWIR探測器有時稱為“熱紅外”，因為輻射是從目標本身發出的，並且不需要外部光源即可對物件進行成像。

雖然LWIR感測器可用於觀察極冷的目標（例如平流層外的ICBM導彈），但MWIR感測器更常用於航空和海軍應用，因為MWIR感測器可在溫度對比度高的光譜區域內工作。

在LWIR波段中，從地面物體發射的輻射更多，並且輻射量隨溫度變化較小。

在理想條件下，MWIR可以看到是相同孔徑的LWIR感測器的2。5倍，特別是在高溼度條件下，MWIR的效能要比LWIR好得多。

下圖是不同波段探測器探測成像對比，在海面上MWIR探測效果比LWIR更明顯，而LWIR更適合對輻射較低的物體進行探測，而SWIR由於太陽的反射，有較好的成像效果。

另外，在惡劣的戰場條件（包括熱目標、燃燒的物體、煙霧、掩體）下，LWIR的效能要優於MWIR。

LWIR在惡劣的戰場中探測的一個很好的例子是燃燒的槍管。

如下圖所示。在MWIR中，熱目標在普朗克曲線上向左移動，其中的MWIR過度曝光導致了遮蓋眩光，而LWIR影象在視野範圍內仍可以看清燃燒的槍管。

量子效率

對於光子型紅外感測器（這是啥意思下回解釋吧），量子效率是光子撞擊晶片表面而產生電荷載流子的百分比。

它以光子電子數或每瓦安培數測量。

由於光子的能量與波長成反比，因此通常在不同波長範圍內測量量子效率，以表徵每個光子能級下器件的效率。

通俗的理解就是感測器將光訊號轉換成電訊號的效率。

探測率

探測器生產中面臨的主要問題是是否具有足夠的靈敏度來檢測感興趣的光訊號，衡量探測器水平可透過品質因數D *來確定。

D *定義如下：

探測率反映的是探測器的探測能力。

噪聲等效功率

噪聲等效功率或NEP表示探測器的每平方根頻寬的最小可檢測功率，用通俗易懂的術語表示，它是可以檢測到的最弱光訊號的度量。

因此，希望NEP儘可能低，因為低NEP值對應於較低的本底噪聲，因此對應於靈敏度更高的探測器

紅外感測器

紅外感測器可以簡單地理解為是捕獲紅外輻射的電子系統，並形成成像圖片。

大多數紅外感測器由以下基本元件組成：

光學器件：具有捕捉輻射的作用。透過在大面積鏡片上捕捉輻射並向下聚焦到小面積的鏡片上來增加輻照度（功率密度），光學器件的另一個作用是形成可以分析資訊的影象。

濾鏡：

可以是光譜濾鏡或空間濾鏡

1、光譜濾光片：

光譜濾光片將響應限制在有限的波長範圍內，以幫助將已知目標特徵與自然背景區分開。

2、空間過濾器：

空間過濾器透過大小或位置等特徵來區分/分離目標

探測器：

是一種電子裝置，可以幫助將接收到的輻射功率轉換成電訊號。在早期的紅外感測器上，探測器通常只有單一功能，而現代的紅外感測器通常具有一系列探測裝置，這些探測裝置除了可以產生訊號外還可以確定空間資訊。

電子裝置：

具有放大和調節檢測器訊號以執行所需動作的作用。

紅外感測器的原理結構圖如下，可以簡單理解是將光訊號轉換成電訊號。

這個如何理解？

比如生活中的太陽能電池，在太陽下曬一下，電池的電量增加了，這便是將光轉換成了電，紅外探測器也是類似的原理。

視窗

飛機和導彈上的紅外感測器受到整流罩（視窗）的保護，不受天氣，空氣壓力和空氣動力加熱的影響。

它們處在任何紅外感測器的最外層。

選擇用於紅外感測器整流罩的材料時，需要考慮幾個因素。

透過率

由於傳統玻璃會阻擋波長大於3 µm的紅外輻射，因此整流罩通常由對紅外輻射有高透過率的材料製成，各種材料的紅外視窗如下：

這些材料根據不同波段的應用選擇不同，圖中橫座標對應的是波長，典型的紅外窗片材料有CaF2、MgF2、Si、Ge等。

由於材料特性，固體材料不可能是100％穿透的，當輻射穿過材料時，總是會吸收一定量的紅外輻射，剩餘能量的百分比則稱為材料的透射率。

各種材料在不同波長下的紅外輻射透射率如下：

空氣動力學

當飛機/導彈高速行駛時，空氣摩擦會使窗片變熱，因此隨著視窗溫度的升高，紅外視窗（整流罩）的吸收邊緣將移至較短的波長區域。

下圖是厚度為2mm ZnS視窗和3mm 藍寶石視窗透過率隨溫度的變化曲線：

隨著視窗被空氣動力加熱，視窗溫度升高還將發出紅外輻射，視窗發出的輻射會逐漸增大，以至於遮擋了目標的輻射。

相應的，來自整流罩的輻射可能變得很強，導致紅外探測器的晶片表面充滿光子，從而使它們對外界訊號無響應。

不同的視窗材料在高溫下效能也不同，下圖是幾種典型的視窗材料輻射隨溫度的變化情況：

在700K（426°C）下由不同材料製成的整流罩之間的發射率比較：

其中，氧化釔（Y2O3）在中紅外波中具有非常低的發射率和低吸收率。但是，由於它比藍寶石能承受的熱衝擊差，它在紅外應用中並未取代藍寶石。

前面已經提到較熱的物體將發出更高強度的紅外輻射，這對設計人員提出了一個重要的挑戰，即飛機和導彈上的紅外感測器整流罩在飛行中有多熱？

於是有科研人員做了一組實驗，以下是從實驗中獲取的一些示例值。

左圖中是氣體流過整流罩的示意圖，溫度的測量點在整流罩最前端，稱為駐點。科研人員在不同的情況下，1-6馬赫的速度下，測量了駐點的溫度，實驗結果如右圖：

當紅外感測器的視窗達到高溫時，其效能下降主要來自信噪比的降低。噪聲越高，訊號就必須越高才能被檢測到。

下圖是MgF2視窗在不同溫度下對應的最下探測訊號：

同時，對於整流罩溫度升高而引起的效能下降也與紅外感測器工作波長相關。正常情況下，與中波感測器相比，長波紅外感測器可以承受整流罩的更大的紅外輻射。

下圖是在同一溫度下，不同波長整流罩對應的信噪比（訊號與噪聲的比值）關係：

圖中-3dB等於信噪比降低50％。

為什麼長波紅外感測器比中波紅外感測器能承受更高的整流罩溫度呢？

原因在於中波和長波對應的物體輻射光譜的不同。

中波整流罩的發射率在低溫下非常不明顯，而高溫下特別明顯，而且差異特別大。（升溫急劇上升300K和900K之間大約2000倍 ）。

而整流罩的長波輻射（與背景輻射相比）在低溫下已經很明顯，並且僅隨溫度升高而略微升高，差異並不明顯。（在300K和900K之間約為30倍）。

大多數飛機巡航時的速度低於1馬赫，最高速度低於2馬赫，因此飛機上的紅外感測器可以忽略空氣動力對視窗加熱的影響。

相比之下，導彈的速度可以達到4馬赫至5馬赫，因此針對空氣動力加熱的驗證對於高速紅外製導導彈至關重要。

有科研人員驗證發現，在導彈高速飛行時，導彈最前端（駐點）溫度最高，而離駐點距離越遠，溫度則越低，因此改善整流罩溫度可以從設計端進行最佳化：

於是在導彈設計中，呈現出了一些不同的設計方法：

1、衝擊錐：

這是一種附加在導彈機頭前部的裝置，可在機體前方產生獨立的震動。

衝擊錐比導彈的主體寬，不僅可以使導彈的整流罩溫度降低，而且讓導彈的阻力也減小了。

衝擊錐的主要缺點是，在衝擊角大於5º時，衝擊阻力重新附著在導彈彈片上，導致它的效率降低，尖錐部分也阻礙了感測器的視場。

2、側窗：

由於導彈的溫度從尖端側面迅速下降，減少空氣動力對導彈導引頭加熱的一種方法是將視窗放置在導彈的一側，並與機鼻保持一定距離。

這種方法的主要缺點是，與機頭安裝的搜尋器相比，搜尋器的視場非常有限。

3、金字塔形整流罩：

金字塔形整流罩是由耐熱金屬鼻尖和幾個側面板組成的整流罩。稜錐的正面比金屬鼻翼涼爽得多，並且這種設計比側面安裝的視窗設計還具有更好的視野，並且比具有鈍鼻的紅外製導導彈具有更好的空氣動力學效能。

但是，這種設計的主要缺點是每當太陽位於前半球時，太陽光就會在內部多次反射。

折射率

為紅外感測器選擇整流罩材料時，一個非常重要的效能是材料的折射率。

材料的折射率 n 是無量綱數，它描述了輻射如何透過該介質傳播。簡單來說，折射率是真空中的光速與介質材料內的光速之比。這是一種量化光從低折射率介質進入高折射率介質時“減速”效果的方法。

例如，鑽石的折射率為2。42，這意味著光在真空中的傳播速度比在鑽石中的傳播快2。42倍。

折射率很重要，它表明了光線從空氣中傳播到介質中時的彎曲情況。通常，折射率越高，則法線彎曲的光越多，也就是說，折射率越高光線彎曲越明顯

某些常用整流罩材料的折射率如下：

其中：藍寶石的化學式為Al2O3。

散射

散射是材料折射率相對於光的波長變化多少的度量。

換句話說，散射值表示當具有不同波長的光穿過材料時彎曲角度的變化。

理解散射的一種現象是，陽光透過稜鏡照射時，白光會分離為幾種顏色。

選擇透鏡和半球形材料時，散射是非常重要的引數，因為散射會影響色差。

色差是透鏡無法將所有波長的光以相同的焦平面進行聚焦，換句話說就是具有不同波長的輻射光線在不同的位置被聚焦，不在一個焦平面的現象，也可以理解為聚焦失敗。

下圖是不同波長經過同一透鏡後出現的聚焦情況，由於波長的差異，光線經過同一透鏡後聚焦在不同點：

通常，散射由阿貝數（vd）來衡量，阿貝數（vd）是材料在f（486。1µm），d（589。2µm）和c（656。3µm）波長下的折射率的函式，其計算公式如下：

阿貝數的值越大，越好。阿貝數大於55（分散性較小）的材料被視為優質材料，阿貝數小於50（分散性較高）的材料被視為普通材料。

可見光透過材料的阿貝數在20到80之間，而紅外透明材料的阿貝數在20到1000之間。

指數梯度

介質的折射率隨溫度變化而變化的衡量。

在不穩定的環境中操作時，尤其是如果系統設計為以n的一個值 （折射率）執行時，該折射率梯度（dn / dT）可能會成為問題。因此，一般期望得到更低的折射率梯度。

熱膨脹係數（CTE）

熱膨脹係數（CTE）表示材料對溫度變化的響應程度。

當溫度變化時，具有較高CTE值的材料將更多地膨脹/收縮。

CTE是一個重要的引數，因為它顯示了光學效能隨溫度變化而下降的情況。對於紅外和視覺應用，較低的CTE被認為更好。

整流罩和鏡頭的各種材料之間的比較

鏡片

在紅外系統中，透鏡通常被設計為紅外穿透或反射的材料片，它們透過設計以特定所需的方式收集和分配紅外輻射。

在紅外製導導彈中，整流罩有時充當第一物鏡，而在FLIR（前視紅外）系統中，視窗與物鏡分開。整流罩的大多數材料要求（例如折射率，阿貝數和透射率）也將適用於透鏡。

兩種最常見的鏡片是凹透鏡和凸透鏡。

其光學設計示意圖如下：

凸透鏡是將輻射會聚在焦點上，而凹透鏡會將輻射發散。

生活中的例子，拿著放大鏡燒螞蟻，用的是凸透鏡的原理，而汽車車燈希望照明的範圍更寬，用的是凹透鏡的原理。

鏡頭的焦點通常用字母“ F”表示。這是光線在穿過聚焦透鏡後聚焦到的空間點。

發散的透鏡將具有負焦點，光線從此處發散，然後發散透過透鏡。從鏡頭到焦點的距離稱為焦距。

一些常見的會聚和發散透鏡如下：

透鏡系統可以是反射型或折射型。

與反射透鏡系統相比，折射透鏡系統通常可以製成較低的f值，並具有更大的聚光能力，但是必須使用多種不同材料的光學鍍膜來校正色差（但不能完全消除）。

由曲面鏡製成的反射透鏡系統不具有色差，但對於相同的焦距和f值，反射系統物理尺寸通常更大。

使用單一鏡片，系統的焦點是固定的（視野和放大倍率是恆定的）。

因此，為了使系統放大獲得更清晰的成像，經常將幾個鏡頭放在一起組成鏡片組，其中一些鏡頭是可移動的。

上面是光學變焦系統的示例。當凹透鏡移近物鏡（最外面的光學元件）並遠離探測器時，來自外界的更多輻射將散佈到鏡頭管壁，只有來自透鏡中心的輻射會到達探測器，這也形成了成像放大動作，因此聚焦的物件被放大並且視野減小。放大有助於系統透過從背景中消除不需要的訊號來提高信噪比，從而使物件更清晰。

這個操作類似於單反相機採用了較高的F數，放大拍照物件，視野減小。

相反的，當凹透鏡朝探測器移動並遠離物鏡時，則來自外界的更多輻射將到達感測器，因此更少的輻射照向鏡筒，這也形成了縮小動作，視野增加但目標物件的放大率降低。

對於紅外感測器，這意味著它們可以具有較長的檢測範圍或廣闊的視野，兩者不會同時出現。

下圖的紅外探測器可以選擇不同視場角，可以在兩種視場角中進行切換，並且圖中表明瞭不同視場角下的探測範圍，探測器對物體的探測可以分為三個階段：探測、識別、確認；其中可以看出該探測器對於戰機的探測距離為22KM：

通常，較長的鏡頭系統可以實現更高的變焦，但是理想的變焦所需的長度可能太長，無法安裝在車輛中。

因此，解決該問題的一種方法是安裝更多的散射透鏡，但缺點是，當它們穿過每個透鏡時，輻射強度會降低。

同時，光學變焦不應與數字變焦混淆。光學變焦是透過透鏡對聚焦物件的放大來實現的，因此最終影象質量是由探測器晶片陣列的效能來決定。

數字變焦只是從探測器中獲取一部分影象，然後對其進行數字放大，結果是解析度低得多的影象。

對於紅外系統，通常認為較大的通光孔徑（透鏡）會更好，因為它們可以捕獲更多的輻射，在更長波長下工作的系統通常需要更大的光學元件才能達到類似的解析度。

輻射濾光

光譜濾光片

為了增強目標與背景的對比度並避免雜質訊號（例如來自太陽的輻射），以提高信噪比，光譜濾光片通常用於紅外探測系統。

大多數光譜濾光片是薄膜干涉型的，是將介電材料層真空沉積在襯底視窗材料上。濾光片的厚度設計為具有相長干涉以使所需輻射以所需波長透過，並具有相消干涉以阻擋不希望的波長。

下圖是一張典型濾光片透光示意圖，可以讓指定波段的波長透過，而阻止不需要的波段透過：

空間過濾器

空間過濾器的主要目的是透過目標大小或位置之類的特徵來分離場景影象中的資訊，空間過濾器還將幫助確定目標方向。

最常見和最重要的一種空間濾波器是機械調製器，也稱為Reticle，通常用在非成像紅外導彈上。

用外行術語來說，紅外游標是圓形透鏡，其上依次排列有透明和不透明的部分（這不應與狙擊步槍中經常出現的帶有十字線的標線混淆）。

紅外空間過濾器的典型示意圖如下：

最簡單的標線設計是有兩部分，一半是透明的，另一半是不透明的。

隨著光罩旋轉，落在不透明部分上的目標輻射被阻擋並且不產生探測器訊號。落在透明部分上的目標影象被傳遞到檢測器。

結果，當掩模板旋轉時，來自目標偏心的紅外輻射交替透過並被阻擋，從而導致振幅調製（AM）。此調製相對於自旋參考的相位用於從中心分辨目標方向。

其中，找到目標方向並不是標線的唯一目的，某些形式的標線也可以幫助搜尋器將目標與背景訊號區分開。

為此，這些標線分為非常小的不透明和透明載片，通常稱為全輻條標線。

該設計基於這樣的情況：來自真實目標（例如飛機）的訊號通常是一個點或非常小，而錯誤的訊號（例如雲反射）通常分佈在較大的區域上。當光罩旋轉時，它將切掉來自光學元件的輻射，然後才能到達探測器。如果目標非常大，例如雲層，能量將透過最透明的載片傳輸，從而進行檢測，但輸出訊號的變化很小。

因此，如果目標很小，則IR輻射將僅透過單個透明載片，從而產生具有獨立方波樣式的輸出訊號。這有助於導彈區分大雜波（例如雲層）和真實目標（例如飛機）。

為了使搜尋器能夠確定方向並同時區分來自真實目標和雲的訊號，一種方法是將兩種標線模式組合到單個標線中，這種形式的標線稱為旭日標線。

旭日標線片有一半是半透明的，而另一半則由扇葉形扇形組成，這些扇形分為透明和不透明部分。

游標示意圖和傳輸訊號如下圖所示：

確定目標方向並抑制背景輻射的方法是前面介紹的兩種方法的組合。

其中，導彈的掃描方式將成為其空間過濾器模式的決定因素。大多數早期的紅外導彈都使用自旋掃描跟蹤儀和旭日游標。

對於這種掃描方法，目的是將目標對準標線的中心。當目標位於中心時，光罩的輻條不會調製訊號，因此會為探測器產生零電壓，並且導彈知道它正朝正確的方向飛行。

自旋掃描設計和旭日游標設計的主要問題是，由於搜尋器始終盯著目標，因此它更容易受到誘餌的攻擊。

解決此問題的一種方法是使用錐形掃描（con-scan ）和完整的輻條標線。紅外製導導彈的錐形掃描與雷達的錐形掃描非常相似。

在錐形掃描跟蹤器中，導彈的瞬時視場圍繞目標旋轉，因此目標始終位於旋轉的“光束”圖案的中心，而來自目標的輻射位於十字線邊緣上的特定點。

前面已經介紹了，當分劃板旋轉時，由於輻條不透明，它將在光學元件到達檢測器之前將其切開。

如果目標位於盤旋束的中心，則檢測器的輸出將是十字線斬波頻率的固定脈衝寬度。相反的，如果目標不在盤旋束的中心，則檢測器的輸出將具有變化的脈衝。

由於圓錐形掃描搜尋器無法連續觀察目標區域，因此它們對誘餌的抵抗力更大。

此外，除了已引入的掩模版和掃描圖案外，還有許多其他種類的掩模版和掃描圖案存在，但是由於長度限制，在此不再贅述。

對於光電系統的理論知識這一章先介紹這麼多，光電系統是一個複雜交叉的學科，涉及的學科較多，更多的光電知識將在後面的文章中分享！