7.2 近红外与远红外¶
红外波段跨越近三个数量级的波长范围（0.78 μm 至约 1 mm），不同子波段的辐射物理、探测技术和应用场景差异显著。工程上通常将红外波段细分为近红外（NIR）、短波红外（SWIR）、中波红外（MWIR）和长波红外（LWIR）四个子段，各有专用的探测器材料和系统方案。
一、红外子波段划分¶
| 子波段 | 缩写 | 波长范围 | 光子能量 | 主要辐射机制 |
|---|---|---|---|---|
| 近红外 | NIR | 0.78–1.4 μm | 0.89–1.59 eV | 反射（日光/照明），激光 |
| 短波红外 | SWIR | 1.4–3 μm | 0.41–0.89 eV | 反射为主，高温目标辐射 |
| 中波红外 | MWIR | 3–8 μm | 0.16–0.41 eV | 高温目标热辐射，大气窗口 3–5 μm |
| 长波红外 | LWIR | 8–15 μm | 0.08–0.16 eV | 室温目标热辐射，大气窗口 8–14 μm |
| 甚长波红外 | VLWIR | 15 μm–1 mm | <0.08 eV | 低温目标，分子转动，接近太赫兹 |
二、近红外（NIR，0.78–1.4 μm）¶
2.1 信号特性¶
NIR 波段的信号主要来自反射而非自发热辐射： - 室温物体（300 K）在 NIR 的热辐射极弱（普朗克峰值在 10 μm） - 主要依靠太阳光或 NIR 照明灯（LED/激光）照射，目标反射信号
2.2 典型特征¶
- 植被在 ~700 nm（可见红）附近有红边（Red Edge）：叶绿素吸收突然截止，近红外反射率跃升至 40–50%
- 水在约 970 nm、1200 nm、1450 nm 有吸收峰，用于水分含量检测
- 人眼不可见，可实现隐蔽照明（850/940 nm NIR 灯）
2.3 探测器¶
硅（Si）CCD/CMOS 可响应至约 1100 nm；1100–1700 nm 需 InGaAs 探测器；两者均可室温工作。
2.4 应用¶
夜视监控摄像、农业多光谱遥感（NDVI 计算）、近红外光谱（NIRS）成分分析、激光测距（905/1064 nm 激光雷达）
三、短波红外（SWIR，1.4–3 μm）¶
3.1 信号特性¶
SWIR 介于反射成像和热辐射成像之间： - 白天：仍以反射太阳光为主，夜间需主动照明（1550 nm 激光对人眼安全级别高） - 1550 nm：人眼视网膜不吸收（被角膜和晶状体吸收），激光安全等级更高
3.2 典型特征¶
- 能穿透薄雾和薄云（比可见光强）
- 玻璃在 SWIR 不透明（可检测玻璃后面的内容）
- 硅片对 SWIR 透明（可透视硅片内部缺陷——半导体检测）
- 1.38 μm 水蒸气吸收带将 NIR 和 SWIR 分隔
3.3 探测器¶
InGaAs（截止 1.7 μm 或扩展至 2.5 μm），室温或小量 TE 制冷。
3.4 应用¶
1550 nm 激光雷达（自动驾驶）、硅片缺陷检测、穿雾成像、葡萄酒/食品异物检测
四、中波红外（MWIR，3–8 μm，大气窗口 3–5 μm）¶
4.1 信号特性¶
两种信号来源并存： - 高温目标自发辐射：>500 K 目标（发动机、导弹尾焰、火灾）在 MWIR 辐射强 - 室温目标反射：在 3–5 μm 窗口，太阳光和环境辐射的反射成分仍有贡献
4.2 典型特征¶
- CO₂ 在 4.26 μm 有强吸收（可用于 CO₂ 气体检测）
- CO 在 4.67 μm，CH₄ 在 3.3 μm，NOₓ 在 5.3 μm 有吸收
- 发动机尾焰（CO₂ + H₂O 辐射）在 MWIR 特征明显，是军用导弹告警的依据
4.3 探测器¶
InSb（77 K 制冷）、HgCdTe-MWIR（77–200 K），需要制冷。
五、长波红外（LWIR，8–14 μm）¶
5.1 信号特性¶
LWIR 完全依靠被动热辐射： - 室温（300 K）目标峰值辐射在约 9.7 μm，正好落在 8–14 μm 大气窗口内 - 信号完全来自目标自身发射，完全被动，无需任何照明 - 1 K 温差在 LWIR 产生的辐射对比度最高（高于 MWIR）
5.2 LWIR 与 MWIR 的选择¶
| 比较维度 | MWIR（3–5 μm） | LWIR（8–14 μm） |
|---|---|---|
| 室温目标信号 | 弱 | 强（峰值所在） |
| 高温目标信号 | 强 | 弱（相对 MWIR） |
| 天空背景 | 较暗（有利于点目标探测） | 较亮（天空也发射 LWIR） |
| 探测器成本 | 高（需深度制冷） | 低（非制冷微测辐射热计可用） |
| 典型应用 | 军用制导、导弹告警 | 民用热成像、测温、安防 |
六、远红外与太赫兹边界（15 μm–1 mm）¶
超过 15 μm 进入甚长波红外（VLWIR），直至约 1 mm（300 GHz）与太赫兹波段相接。此波段探测器极少，需要深度制冷（<40 K），主要应用于天文（宇宙微波背景）和化学分析。详见 7.5–7.9 太赫兹专题。
参考资料¶
- Rogalski, Infrared Detectors (3rd Edition), CRC Press — 第 1 章红外辐射与波段
- Holst, Common Sense Approach to Thermal Imaging, SPIE Press
- FLIR Systems 技术白皮书：MWIR vs LWIR 对比
更新时间¶
2026-03-03