1 引言
因红外线具有一切光线的所有特性，同时高于绝对零度的物体都会产生热效应，我们可以利用这些特征进一步研究其物理特性，简单来说红外开关就是利用红外线为介质来处理数据的一种传感器。根据发出方式的差异我们分为主动式和被动式红外开关，进而衍生出主动式红外成系统（红外夜视仪）与被动式红外成像系统（红外夜像仪）。对于机器监测，发射器发出红外线，根据能否接收到反射回来的红外线，以及反射回的红外线的时间计算出是否存在障碍物以及障碍物的距离，对于移动机器人避障以及自动驾驶方面提供理论依据。
2 红外开关
红外开关是基于红外线收发原理的开关类传感器，经常用于感应物体或者物料的位置。
2.1 红外开关原理
我们知道，光线也是一种辐射电磁波，以人类的经验而言，通常指的是肉眼可见的光波域是从400nm（紫光）到700nm（红光）可以被人类眼睛感觉得到的范围
图1 光谱图
如图所示我们把红光之外、波长760nm到1mm之间辐射叫做红外光，红外光是肉眼看不到的，但通过一些特殊光学设备，我们依然可以感受到。
红外线是一种人类肉眼看不见的光，所以，它具有光的一切光线的所有特性。但同时，红外线还有一种还具有非常显著的热效应。所有高于绝对零度即－273℃的物质都可以产生红外线。因此，简单地说，红外开关是利用红外线为介质来进行物理位置判断的传感器。
2.2 红外开关分类
根据发出方式不同，红外开关可分为主动式和被动式两种。
（1）主动红外开关的工作原理及特性：主动红外开关（图2）的发射机发出一束经调红外光束，被红外接收机接收，从而形成一条红外光束组成的警戒线。当遇到树叶、雨、小动物、雪、沙尘、雾遮挡则不应报警，人或相当体积的物品遮挡将发生报警。
图2 主动红外开关
主动红外探测器技术主要采用一发一收，属于线形防范，现在已经从最初的单光束发展到多光束，而且还可以双发双收，最大限度的降低误报率，从而增强该产品的稳定性，可靠性。由于红外线属于环境因素不相干性良好（对于环境中的声响、雷电、振动、各类人工光源及电磁干扰源，具有良好的不相干性）的探测介质；同时也是目标因素相干性好的产品（只有阻断红外射束的目标，才会触发报警），所以主动式红外开关器将会得到进一步的推广和应用。
（2）被动红外开关器的工作原理及特性：被动红外开关是靠探测人体发射的红外线来进行工作的。传感器器收集外界的红外辐射进而聚集到红外开关上。红外开关通常采用热释电元件，这种元件在接收了红外辐射温度发出变化时就会向外释放电荷，检测处理后产生报警。这种传感器是以探测人体辐射为目标的。所以辐射敏感元件对波长为10μm左右的红外辐射必须非常敏感。为了对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面通常覆盖有特殊的滤光片，使环境的干扰受到明显的控制作用。
3 主动式红外成像系统
在红外夜视技术中,主动式红外夜视成像系统是利用红外变像管作为光电转换器件,在工作时必须具有红外辐射照明场景的直视光电成像系统。主动式红外夜视系统最早运用于二战期间,它背景反差好,成像清晰且不受外界照明影响,可以在全黑时工作,至今为止仍在军事、公安以及其他部门大量使用。主动式红外成像系统原理常见图3所示。
图3 主动式红外成像系统结构
主动式红外成像系统的光学系统包括物镜组和目镜组，其中物镜组的作用是把目标成像与变像管的光阴极面上。而目镜组的作用是把变像管荧光屏上的像放大，从而便于人眼观察。红外变像管是主动式红外成像系统的核心，是一种高真空图像转换器件，完成从近红外图像到可见光图像的转换并增强图像。红外变像管的结构参见图4所示。
图4 红外变像管的结构
变像管成像的过程分析：变像管可以对不可见的红外线图像进行光谱转换和亮度增强。最终,在荧光屏上显示出目标的可见光图像,通过目镜放大被人眼所观察。主动式红外夜视仪的工作波段在0.76~1.2um的近红外光谱区,其长波限由变像管的光电阴极决定。其中电子光学系统则是负责把光电阴极的电子图像传递到荧光屏上，并在传递过程中完成电子能量的增强和图像几何尺寸的缩放。红外变像管的工作过程参见图5所示。
图5 红外变像管的工作过程
4 被动式红外成像系统
4.1 被动式红外成像系统原理
被动式红外成像系统依据红外热成像感应原理实现。自然界中，温度高于绝对零度的一切物体，总是在不断地发射红外辐射。收集并探测这些辐射能，就可以形成与景物温度分布相对应的热图像。热图像再现了景物各部分温度和辐射发射率的差异，能够显示出景物的特征。红外热成像参见图6所示，其中大图是红外热成像形成的图像，小图是可见光图像。通过红外热成像可以清楚看到藏在树林中的人，而可见光图像几乎看不到任何藏在树林中的人。
图6 可见光与热成像
4.2 被动式红外成像系统组成
被动式红外成像系统组成参见图7所示。红外热成像流程参见图8所示。
图7 被动式红外成像系统组成
图8 红外热成像流程示意图
（1）光学系统：光学系统根据扫描范围不同分为小范围扫描（聚光光学系统）和大范围扫描（扫描光学系统）
（2）致冷器与信号处理：致冷器的作用是降低红外探测器的噪声，使其在低温状态工作。信号处理与显示的基本任务是形成与景物温度分布相对应的视频信号，然后根据景物各单元对应的视频信号标出景物各部分的温度，并显示出景物的热图像。信号处理部分包括：前置放大、主放、自动增益控制、限制带宽、检波、鉴幅、多路传输和线性变换。
（3）红外探测器：红外探测器是红外辐射能的接收器，它通过光电变换作用，将接收的红外辐射能量变为电信号，经过放大、处理，形成图像。
5 红外避障系统
5.1 红外避障传感器原理
参见图9所示，红外具有一对红外信号发射与接收二极管，发射管发射一定频率的红外信号，接收管接收这种频率的红外信号，当红外的检测方向遇到障碍物（反射面）时，红外信号反射回来被接收管接收，经过处理之后，通过数字传感器接口返回到控制器。
图9 红外避障传感器图解
5.2 红外避障系统原理
红外是数字传感器，红外接收管只有在接收到一定强度的红外信号时才会有数值的变化。障碍物（反射面）太小时，红外会检测不到；障碍物（反射面）颜色为黑色或深色时，会被吸收大部分的红外信号，而只反射回一小部分，导致红外接收管接收到的红外信号强度不够，不足以产生有障碍物（反射面）的信号。红外在暖光源的照射下（如白炽灯、太阳光）检测受到很大影响，它会受到所有相近红外信号的干扰，白炽灯和太阳光中含有红外信号成分较多，对红外的影响也较大。红外相互之间也存在干扰，因而在使用时需要注意。
6 结束语
在实际应用中应根据应用场景不同选择不同的红外成像系统，主动式红外成像需要提供具有红外辐射照明场景的直视光电成像系统，如果应用于军事会暴露己方，适合选择被动式成像系统，它不需要提供额外的光源，仅依靠人或者动物产生的红外线即可，但是被动式成像系统效果没有主动式成像系统好。因此需要根据场景选择不同成像系统。红外避障传感器广泛应用于自动驾驶、机器人避障研究领域，掌握基本的应用原理对于这方面研究大有裨益。