紅外光通信裝置實驗報告

1. 紅外通信與無線通信相比有何優勢

紅外通信屬於無線通信范疇

2. 紅外線的作用

紅外線的作用較多，用途很廣，以下通過幾個例子進行說明：

（1）夜視

當可見光不足時，紅外線用於夜視設備。夜視設備通過一個過程來運作，包括將環境光子光子轉換為電子，然後通過化學和電子過程放大，然後轉換回可見光。紅外光源可用於增強夜視設備轉換的可用環境光，增加黑暗中的可見度，而無需使用可見光源。紅外光和夜視設備的使用不應與熱成像混淆，熱成像通過檢測從物體和周圍環境發出的紅外輻射（熱量），根據表面溫度的差異生成圖像。

（2）熱成像

紅外輻射可用於遠程確定物體的溫度（如果發射率已知）。這被稱為溫度記錄法，或者在NIR中非常熱的物體或可見的情況下稱為高溫測定法。熱成像（熱成像）主要用於軍事和工業應用，但由於大量降低生產成本，該技術以汽車紅外相機的形式進入公眾市場。熱像儀可檢測電磁波譜（大約900-14,000納米或0.9-14微米）的紅外范圍內的輻射並生成該輻射的圖像。由於紅外輻射是由所有物體根據其溫度發射的，根據黑體輻射定律，熱像儀可以在有或沒有可見光照的情況下「觀察」人的環境。物體發射的輻射量隨著溫度的升高而增加，因此熱成像可以讓人看到溫度的變化（因此名稱）。

（3）加熱

紅外輻射可以用作故意的加熱源。例如，它被用在紅外線桑拿房中以加熱居住者。它也可以用於其他加熱應用，例如去除飛機機翼上的冰（除冰）。紅外線可以用於烹飪和加熱食物，因為它主要加熱不透明的吸收性物體，而不是它們周圍的空氣。紅外加熱在工業製造過程中也變得越來越流行，例如塗層固化，塑料成形，退火，塑料焊接和印刷乾燥。在這些應用中，紅外加熱器取代對流烤箱和接觸加熱。通過將紅外加熱器的波長與材料的吸收特性相匹配來實現效率。

（4）通信

紅外數據傳輸也用於計算機外圍設備和個人數字助理之間的短距離通信。這些設備通常符合紅外數據協會IrDA公布的標准。遙控器和IrDA設備使用紅外發光二極體（LED）發射紅外輻射，通過塑料透鏡聚焦成窄光束。光束被調制，即開啟和關閉，以防止來自其他紅外線源（如日光或人造光線）的干擾。接收器使用硅光電二極體將紅外輻射轉換為電流。它僅響應由發射器產生的快速脈沖信號，並緩慢地從環境光中濾除變化的紅外輻射。紅外通訊適用於人口密度高的地區的室內使用。紅外線不會穿透牆壁，因此不會與相鄰房間中的其他設備發生干擾。紅外線是遙控器控制電器的最常見方式。紅外遙控協議（如RC-5，SIRC）用於與紅外通信。使用紅外激光器進行自由空間光通信可能是一種相對便宜的方式，在工作速度高達4千兆比特/秒的城市地區安裝通信鏈路，相比埋入光纜的成本，輻射損傷除外。「由於眼睛無法檢測紅外，因此可能不會發生眨眼或閉眼以幫助預防或減少損傷。」紅外激光器被用來為光纖通信系統提供光。波長大約為1,330納米（最小色散）或1,550納米（最佳透射率）的紅外光是標准二氧化硅光纖的最佳選擇。通過RIAS（遠程紅外聲頻標識）項目正在研究印刷標志的編碼音頻版本的紅外數據傳輸，以幫助視障人士。將IR數據從一個設備傳輸到另一個設備有時被稱為發光。

（5）天文學

天文學家使用光學元件（包括反射鏡，透鏡和固態數字探測器）觀察電磁波譜中紅外部分的物體。出於這個原因，它被歸類為光學天文學的一部分。為了形成圖像，紅外望遠鏡的組件需要小心屏蔽熱源，探測器使用液氦冷凍。

地基紅外望遠鏡的靈敏度受到大氣中水汽的顯著限制，它吸收了從選定大氣窗口外部空間到達的部分紅外輻射。通過將望遠鏡天文台放置在高海拔處，或者在望遠鏡的高空攜帶氣球或飛機，可以部分緩解這種局限性。太空望遠鏡不會受到這種障礙的困擾，因此外太空被認為是紅外天文學的理想地點。

該光譜的紅外部分對天文學家有幾個有用的好處。我們銀河系中的氣體和塵埃的冷，黑暗的分子雲將在輻射熱量照射下被嵌入恆星照射。在開始發射可見光之前，紅外也可用於檢測原生星。紅外光譜中的恆星會釋放出一小部分能量，因此可以更容易地檢測附近的諸如行星等很酷的物體。（在可見光譜中，來自恆星的眩光將淹沒來自行星的反射光。）

紅外光對於觀察活動星系的核心也很有用，它們通常在氣體和灰塵中隱身。具有高紅移的遙遠星系將使其光譜的峰值部分向較長波長偏移，因此它們在紅外線中更容易觀察到。

擴展閱讀：

紅外輻射（IR）是具有比可見光更長的波長的電磁輻射（EMR），並且因此對於人眼通常是不可見的（盡管來自特定脈沖激光器的波長高達1050nm的IR可以在特定條件下被人看到）。它有時被稱為紅外光。IR波長從700納米（頻率430THz）的可見光譜的標稱紅色邊緣延伸到1毫米（300GHz）室溫附近物體發出的大部分熱輻射都是紅外線。像所有的EMR，IR攜帶輻射能，並且表現都像波浪和類似其量子粒子，所述光子。

紅外線是由天文學家爵士在1800發現了威廉·赫歇爾，誰通過其對溫度計效應來發現一個類型的光譜能量比紅光低，無形的輻射。太陽總能量的一半以上最終被發現以紅外線的形式到達地球。吸收和發射的紅外輻射之間的平衡對地球氣候有重要影響。

紅外輻射在改變其旋轉振動運動時被分子發射或吸收。它通過偶極矩的變化激發分子中的振動模式，使其成為研究適當對稱分子這些能態的有用頻率范圍。紅外光譜檢查紅外范圍內光子的吸收和透射。

紅外輻射用於工業，科學，軍事，執法和醫療應用。使用主動近紅外照明的夜視設備可以在沒有檢測到觀察者的情況下觀察人或動物。紅外天文學使用配有感測器的望遠鏡穿透分子雲等空間中的灰塵區域，檢測諸如行星等物體，並查看宇宙早期高度紅移的物體。[8]紅外熱成像相機被用來檢測熱損失在絕緣系統中，來觀察改變皮膚血流量，並檢測電氣設備的過熱。

軍事和民用應用的廣泛用途包括目標獲取，監視，夜視，歸位和跟蹤。正常人體溫度下的人體主要輻射10微米（微米）左右的波長。非軍事用途包括熱效率分析，環境監測，工業設施檢查，生長檢測，遠程溫度感測，短距離無線通信，光譜學和天氣預報。

3. 急求大學物理實驗報告，等傾干涉，激光琴，紅外接收演示，液晶光電效應，熱磁輪的都可以

實驗報告23 邁克爾遜干涉實驗
一 實驗目的
1、 了解邁克爾遜干涉儀的結構；
2、 掌握邁克爾遜干涉儀的結構；
3、 觀察光的等傾干涉現象並掌握波長的方法；
4、 掌握逐差法處理數據。
二 實驗儀器
He-Ne激光器、擴束透鏡、邁克爾遜干涉儀
三 實驗原理

邁克爾遜干涉儀的光學系統如圖。它由分光板G、補償板H、定反射鏡M1和動反射鏡M2組成。M1和M2互相垂直，分光板和補償板是一對材料和外型完全相同的平板光學玻璃，它們相互平行並分別和M1、、M2成大致45度夾角，分光板的次數不同引起的光程差。來自點光源（或擴展光源）的光，入射到分光板上，分為強度相同的光線「1」和光線「2」的相干光，並分別由M1和M2反射後投射到光屏上（對於擴展光源用眼睛正對著觀察）產生干涉現象。由於M1和M2垂直，可以等價地看成M2的虛象和M1形成一個厚度d為的空氣隙，d的大小隨M2的位置改變而改變，所以兩光線的光程差可由下式確定：
（1）
式中iˊ為光線「1」對M2的入射角。當d一定時，Δ由iˊ確定，iˊ相同的方向上光程差相等，形成了等傾干涉條紋。且滿足：
k=0、1、2、3…… （2）
呈亮條紋：
k=0、1、2、3…… （3）
呈暗條紋。條紋呈明暗相間的同心環，這和牛頓環干涉條紋相似，但不同的是本同心環外側干涉級別低，越靠圓心干涉級別越高。圓心干涉級別最高。現分析一下（2）式。對於第級亮條紋，有：
（4）
當d增大時，為了保證（4）式仍成立ik『必須也增大，即k級亮條紋往外擴大，反之，減小時，ik『也必須減小，k級亮條紋往內縮小。特別地考慮iˊ=0（即圓心）處。滿足：
（5）
時為亮條紋。那麼，d增大時，中心亮條紋的級別K增大，中心往外冒出亮條紋，d減小時，中心亮條紋級別減小，亮條紋往中心收進。每當d改變 時，中心處就冒出或收進一個干涉條紋。當d改變 時，中心處就冒出或收進n個干涉條紋。根據這種現象，可以測定光波波長。
假設動鏡M2原在位置D1上，現移動M2的位置，同時觀察並計算中心亮條紋冒出或收進的數目，當M2移至位置D2時，相應地冒出或收進的亮條紋數目N。就有：

（6）
四、實驗步驟
1、 移開擴束透鏡，打開激光器電源使出射激光，調節激光方向使入射光與反射光重合。
2、 觀察由M1和M2反射到屏上或牆上的兩組光點，反復調節背面三個螺絲，使M1反射的光點和M2反射的光點一一對應重合。
3、 把擴束透鏡置於激光束中使激光擴束後投射到分光板上，調節光照位置直到觀察到屏上有同心圓。
4、 轉動微動手輪觀察干涉圖樣的變化情況，順時針或反時針轉動，觀察干涉圖樣中心冒出或收入的情況。
五、數據記錄及處理
N DN(mm) M DM(mm) DM-DN(mm)
10 44.99455 410 44.86692 0.12763
60 44.97835 460 44.85109 0.12726
110 44.96242 510 44.83525 0.12713
160 44.94655 560 44.81958 0.12697
210 44.93072 610 44.80370 0.12702
260 44.91450 660 44.78765 0.12685
310 44.89865 710 44.77175 0.12690
360 44.88280 760 44.75585 0.12695
；S=2.384×10-4 ； SC8=4.44×10-4
經查0.12763是壞值，剔除它；
重新算平均值：
；S『=1.31×10-4； S『C7=2.36×10-4
經查0.12726是壞值，剔除它；
重新算平均值：
； S″=8.93×10-5；S″C6=1.6×10-4
無壞值，所以
Δm=0.0001mm ；

六 注意事項
1、 使用干涉儀時不要使工作台震動；
2、 切勿用手或其他物品觸摸其光學表面；
3、切勿正對著光學表面講話。

4. 紅外線的知識

紅外線基礎知識問答
問：我的電腦啟動時右下任務欄上出現紅外線發射圖標，是否表示我的電腦有線外線設備，但紅外提示，說在有效的范圍的沒有發現可用的紅外線設備，即使我把手機三星A308（有紅外線打開），也是這樣，請指教。
■答：任務欄上出現紅外線發射圖標，並不能說明你的電腦就可以使用紅外通訊了，因為在BIOS里把COM2的紅外功能開啟，系統一般都會自動安裝紅外驅動程序，你甚至可以通過「添加新硬體」強行地將串口轉變成紅外通訊埠，在Win98系統里，經過這樣的設置任務欄都會出現紅外圖標，但這些只是表明系統在軟體上已經為紅外通訊做好了准備，如果你想真正使用它，還得為它配一個硬體，這種硬體其實就是紅外線收發器。筆記本電腦大都有紅外線硬體，可以直接與紅外手機進行紅外連接與通訊；台式電腦大都沒有紅外線硬體，如果要用台式電腦與其他紅外設備通訊，可以安裝紅外適配器，它可以使台式電腦也具有象筆記本電腦那樣的紅外通訊的功能。
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■問：我買的適配器是不是壞了？我用的是WinMe，驅動安裝完成後，紅外適配器的通訊指示燈在閃爍，但任務欄里卻沒有紅外通訊的圖標。
■答：你的紅外適配器已經工作正常了。在WinMe系統里，任務欄是沒有固定的紅外通訊圖標的，只有當紅外適配器找到其它紅外通訊對象時，任務欄里才會出現這樣的圖標，把紅外通訊對象移開，這個圖標又會消失。不僅是WinMe，Win2000、WinXP也都是這樣，並沒有固定的紅外通訊圖標。
在Win98系統里，紅外驅動安裝完成後，任務欄里會有固定的圖標，其搜尋、連接和通訊的狀態。估計你是把WinMe當成Win98來要求了。另外在Win98里，任務欄的圖標有時還會變成這樣的型式，系統提示是附近有紅外設備正在操作，有干擾而無法通訊。出現這種情況有時確實表明附近有極強的電磁干擾源，但多數時候卻是驅動安裝問題或操作不當造成的。如果出現這種情況，建議用戶重新先安裝驅動程序試一下，然後再找其它的原因。
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■問：我在Win98下按軟盤里的說明書指示操作安裝了驅動程序，安裝完成後，系統托盤里的紅外圖標開始閃爍，但紅外適配器的指示燈卻不亮，用我的8250手機測試也沒有任何反應。可以肯定紅外適配器硬體是沒有問題的，因為我在win2000下用起來一點問題都沒有。
■答：在Win98/ME系統里，紅外通訊是通過IrComm模式實現的，IrComm模式把紅外口虛擬為串口和並口，通訊時把它作為一個串口或並口來對待。而虛擬的串口是不支持電源管理的，所以需要在注冊表裡對虛擬串口的ACPI電源管理的鍵值進行修改，方法如下：
1、點擊「開始」、「運行」，輸入「regedit」，「確定「；
2、選擇注冊表路徑：HKEY_LOCAL_MACHINE\System\CurrentControlSet\Services\VxD\VCOMM；
3、修改"EnablePowerManagement"的鍵值為"00000000"；
4、重新啟動系統，紅外適配器即可正常使用。
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■問：我買了usb介面的產品，產品盒內裝的驅動不能安裝，下載的驅動也裝不了？
■答：建議您把適配器拿到別人的機器上試裝一下，我想應該可以成功安裝。這樣你可能就知道在你的機器上如何安裝了。您的機器上以前可能裝過紅外，又刪除得不徹底。或者系統已經找到了設備，可能沒有自動彈出對話框，你沒有發現。你到控制面板－系統或網路兩個項目里查看一下。
另外請查看系統的BIOS設置，看看主板的紅外功能是不是開啟了，如果開啟了，一定要將它關閉，因為一個系統只能同時存在一套紅外裝置，主板的紅外功能啟動了，USB的紅外就沒法裝了。
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■問：我用的是SMH-IRUB紅外適配器，將適配器連接到USB口，系統自動檢測並裝好了驅動程序。利用紅外口可以和我的筆記本電腦成功連接，把我的諾基亞8310手機紅外功能打開，IRUB探測到諾基亞8310設備，但是總是幾秒到十幾秒就斷掉，然後又重新尋找並連接，始終不能建立穩定的連接。
■答：一般是由於驅動程序太老的緣故造成的，請下載新版驅動程序即可解決。
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■問：我買了一個紅外適配器，但總是連不上，系統提示紅外線軟體內部出錯。我發現網路適配器里「IRXONUSB-SIRADAPTER」前有個驚嘆號，NDIS.VXD和NTKERN.VXD兩個設備驅動程序無法載入。請問這是硬體有問題，還是軟體沒裝好？
■答：您的系統以前可能裝過其它型號紅外適配器的驅動，並且沒有卸載干凈，建議您在控制面板的系統和網路兩項里將涉及紅外的內容全部刪除，然後重啟系統再安裝。或者拿到別人的機子上裝一下試試，應該可以一次成功。

5. 紅外發射裝置中三極體NPN的作用，是什麼原理

紅外發光二極體工作時需要提供的電流比較大，而遙控器裝置（發射裝置）中的IC提供的驅動電流一般都比較小，達不到紅外發光二極體工作所需要的電流，所以用一個三極體來作驅動，實際上就是利用三極體的電流放大作用，在這個電路中，三極體工作於開關狀態，也就是說三極體相當於一個開關，當三極體B為低電平時，三極體CE不導通，當B為高電平時，三極體CE導通，電流從VCC_3.3V經過R1、LED和三極體CE到地，這樣流過LED的電流就通過R1的大小來控制，R1阻值越小，電流越大，達到了驅動LED電流的要求。

6. 紅外物理特性實驗數據

波長范圍在0.75~1000微米的電磁波稱為紅外波，對紅外頻譜的研究歷來是基礎研究的重要組成部分。對原子與分子的紅外光譜研究，幫助我們洞察它們的電子，振動，旋轉的能級結構，並成為材料分析的重要工具。對紅外材料的性質，如吸收、發射、反射率、折射率、電光系數等參數的研究，為它們在各個領域的應用研究奠定了基礎。

7. 紅外線通信的原理

大氣對紅外線輻射的吸收，主要是由大氣中的水蒸汽、二氧化碳和高層大氣中的臭氧分子造成的。這些大氣分子的強烈吸收使大氣對紅外線輻射的大部分區域是不透明的，只有在某些特定的波長區，紅外線輻射才能透過。這些特定的波長區稱為紅外線輻射的「大氣窗口」，它們幾乎都集中在25μm以下的近紅外和中紅外區域，即1.15～1.35，1.45～1.8，1.9～2.5，3.05～4.1，4.5～5.5，7.9～13.2、17～28μm。另外，在波長為300、600μm附近區域，大氣也呈現出某些透過特性。
散射是大氣對紅外線輻射的另一種重要作用。散射有兩種不同的類型，即瑞利散射和彌散射。瑞利散射是由大氣分子引起的，它對紅外線輻射的影響並不特別重要，對於波長大於lμm的輻射的影響常可被忽略。彌散射是由大氣中的懸浮粒子如雨、雪、霧、雲、灰塵和煙的微粒造成的，這對紅外線傳輸過程中的衰減有重要作用。
紅外通信是利用950nm近紅外波段的紅外線作為傳遞信息的媒體，即通信信道。發送端將基帶二進制信號調制為一系列的脈沖串信號，通過紅外發射管發射紅外信號。接收端將接收到的光脈轉換成電信號，再經過放大、濾波等處理後送給解調電路進行解調，還原為二進制數字信號後輸出。常用的有通過脈沖寬度來實現信號調制的脈寬調制（PWM）和通過脈沖串之間的時間間隔來實現信號調制的脈時調制（PPM）兩種方法。
簡而言之，紅外通信的實質就是對二進制數字信號進行調制與解調，以便利用紅外信道進行傳輸；紅外通信介面就是針對紅外信道的數據機。
紅外線通信可用於沿海島嶼間的輔助通信，室內通信，近距離遙控，飛機內廣播和太空梭內宇航員間的通信等。
特點
紅外線具有容量大，保密性強，抗電磁干擾性能好，設備結構簡單、體積小、重量輕、價格低；但在大氣信道中傳輸時易受氣候影響的特點。紅外線波長范圍為0.70μm～lmm，其中300μm～lmm區域的波也稱為亞毫米波。大氣對紅外線輻射傳輸的影響主要是吸收和散射。
紅外線通信系統
紅外線通信系統一般由紅外線發射系統和接收系統組成。對於客機內的紅外線通信系統，採用低功率的近紅外線（波長為0.72～1.5μm）傳送信號，對人體健康尤其對人的眼睛無任何傷害作用，也不會干擾飛機與陸地之間的無線電通信。其工作過程是：音頻信號先被轉換成數字信號，再調制在紅外線上，通過特製的紅外線發射器，使載有音頻信號的紅外線充滿機艙內的每一個角落。每個座位上備有的一副「耳機」，實際上是一隻紅外線接收機，它能將紅外線信號變為電信號，再進而還原成聲音；用電池工作，不需要任何外部連線。旅客只要載上這副「耳機」，開啟電源，撥動相應的選擇開關，就可收聽到各種不同的節目。
技術標准
紅外線通訊技術包含下列規格：IrPHY、IrLAP、IrLMP、IrCOMM、TinyTP、IrOBEX、IrLAN以及IrSimple。
IrDA1.0標准簡稱SIR（SerialInfrared，串列紅外協議），它是基於HP-SIR開發出來的一種非同步的、半雙工的紅外通信方式，它以系統的非同步通信收發器（UniversalAsynchronousReceiver/Transmitter，UART)）依託，通過對串列數據脈沖的波形壓縮和對所接收的光信號電脈沖的波形擴展這一編解碼過程（3/16EnDec）實現紅外數據傳輸。SIR的最高數據速率只有115.2kbps。在1996年，發布了IrDA1.1協議，簡稱FIR（FastInfrared，快速紅外協議），採用4PPM（PulsePositionMolation，脈沖相位調制）編解碼機制，最高數據傳輸速率可達到4Mbps，同時在低速時保留1.0標準的規定。之後，IrDA又推出了最高通信速率在16Mbps的VFIR（VeryFastInfrared）技術，並將其作為補充納入IrDA1.1標准之中。
IrDA標准都包括三個基本的規范和協議：紅外物理層連接規范IrPHY（）、紅外連接訪問協議IrLAP（InfraredLinkAccessProtoco1）和紅外連接管理協議IrLMP（）。IrPHY規范制訂了紅外通信硬體設計上的目標和要求；IrLAP和IrLMP為兩個軟體層，負責對連接進行設置、管理和維護。在IrLAP和IrLMP基礎上，針對一些特定的紅外通信應用領域，IrDA還陸續發布了一些更高級別的紅外協議，如TinyTP、IrOBEX、IrCOMM、IrLAN、IrTran-P和IrBus等等。
IrPHY：是指紅外線通信的最低層，物理層。其中重要的規格如下：
距離(標准：1米，低功率傳輸至低功率：0.2米，標准至低功率：0.3米)
角度(最小圓錐狀+-15°)
速度(2.4千位元/秒至16百萬位元/秒)
調變(基頻帶，無載波)
紅外線過濾視窗
紅外線通信收發器藉由一束圓錐狀光束范圍內的紅外線脈波傳輸，其圓錐狀光束自中心算起最小有15度的范圍。
紅外線通信物理層規范需要至少在一米外還能辨識的光信號的最小光量。
同時，規范中也定義兩通訊裝置接近時不會過量的最大光量。
在實用階段，市場上有些裝置沒有做到一米的傳輸距離。
同時也有些裝置沒有預留非常接近時的容忍值。
紅外線通信的典型甜區為距離收發器5厘米至60厘米范圍之中，在圓錐狀光束的中心點處。
紅外線通信的資料通訊作動在半雙工模式，這是因為裝置在發射時會被自己的接收器接收到，因此全雙工變得不可行。
兩裝置間藉由快速切換連接便可模擬全雙工。
主要裝置端控制著連接的時序，但雙邊可依照實際情況將傳輸速度切換至最高。
傳輸速率落在三大分類：SIR、MIR以及FIR。
SIR的速度范圍包含了RS-232的速度定義(9600位元/秒，19.2千位元/秒，38.4千位元/秒，57.6千位元/秒，115.2千位元/秒)
裝置最常見的傳輸速率為9600位元/秒，因此此一傳輸速率為所有在discovery狀態與negotiation狀態的速率。
MIR(中速率紅外線)不是官方名詞，有時用來表示0.576百萬位元/秒至1.152百萬位元/秒的速率范圍。
FIR為IrDA物理層標准陳廢的名詞，雖然如此這個名詞卻也常用在表示4百萬位元/秒速率。
FIR有時也用來表示所有大於SIR標定速率以上的速率。
然而，MIR與FIR使用不同的編碼方式，與不同的封包架構。
因此，這兩個非官方用詞分別了兩種不同的物理層實作方式。
未來有更快的傳輸速率(目前有VFIR)，可支援到16百萬位元/秒。
有VFIR的商品可用例如TFDU8108可操作在9.6千位元/秒至16百萬位元/秒。
UFIR協定正在發展中。此一協定將可支援100百萬位元/秒。