红外光通信装置实验报告

1. 红外通信与无线通信相比有何优势

红外通信属于无线通信范畴

2. 红外线的作用

红外线的作用较多，用途很广，以下通过几个例子进行说明：

（1）夜视

当可见光不足时，红外线用于夜视设备。夜视设备通过一个过程来运作，包括将环境光子光子转换为电子，然后通过化学和电子过程放大，然后转换回可见光。红外光源可用于增强夜视设备转换的可用环境光，增加黑暗中的可见度，而无需使用可见光源。红外光和夜视设备的使用不应与热成像混淆，热成像通过检测从物体和周围环境发出的红外辐射（热量），根据表面温度的差异生成图像。

（2）热成像

红外辐射可用于远程确定物体的温度（如果发射率已知）。这被称为温度记录法，或者在NIR中非常热的物体或可见的情况下称为高温测定法。热成像（热成像）主要用于军事和工业应用，但由于大量降低生产成本，该技术以汽车红外相机的形式进入公众市场。热像仪可检测电磁波谱（大约900-14,000纳米或0.9-14微米）的红外范围内的辐射并生成该辐射的图像。由于红外辐射是由所有物体根据其温度发射的，根据黑体辐射定律，热像仪可以在有或没有可见光照的情况下“观察”人的环境。物体发射的辐射量随着温度的升高而增加，因此热成像可以让人看到温度的变化（因此名称）。

（3）加热

红外辐射可以用作故意的加热源。例如，它被用在红外线桑拿房中以加热居住者。它也可以用于其他加热应用，例如去除飞机机翼上的冰（除冰）。红外线可以用于烹饪和加热食物，因为它主要加热不透明的吸收性物体，而不是它们周围的空气。红外加热在工业制造过程中也变得越来越流行，例如涂层固化，塑料成形，退火，塑料焊接和印刷干燥。在这些应用中，红外加热器取代对流烤箱和接触加热。通过将红外加热器的波长与材料的吸收特性相匹配来实现效率。

（4）通信

红外数据传输也用于计算机外围设备和个人数字助理之间的短距离通信。这些设备通常符合红外数据协会IrDA公布的标准。遥控器和IrDA设备使用红外发光二极管（LED）发射红外辐射，通过塑料透镜聚焦成窄光束。光束被调制，即开启和关闭，以防止来自其他红外线源（如日光或人造光线）的干扰。接收器使用硅光电二极管将红外辐射转换为电流。它仅响应由发射器产生的快速脉冲信号，并缓慢地从环境光中滤除变化的红外辐射。红外通讯适用于人口密度高的地区的室内使用。红外线不会穿透墙壁，因此不会与相邻房间中的其他设备发生干扰。红外线是遥控器控制电器的最常见方式。红外遥控协议（如RC-5，SIRC）用于与红外通信。使用红外激光器进行自由空间光通信可能是一种相对便宜的方式，在工作速度高达4千兆比特/秒的城市地区安装通信链路，相比埋入光缆的成本，辐射损伤除外。“由于眼睛无法检测红外，因此可能不会发生眨眼或闭眼以帮助预防或减少损伤。”红外激光器被用来为光纤通信系统提供光。波长大约为1,330纳米（最小色散）或1,550纳米（最佳透射率）的红外光是标准二氧化硅光纤的最佳选择。通过RIAS（远程红外声频标识）项目正在研究印刷标志的编码音频版本的红外数据传输，以帮助视障人士。将IR数据从一个设备传输到另一个设备有时被称为发光。

（5）天文学

天文学家使用光学元件（包括反射镜，透镜和固态数字探测器）观察电磁波谱中红外部分的物体。出于这个原因，它被归类为光学天文学的一部分。为了形成图像，红外望远镜的组件需要小心屏蔽热源，探测器使用液氦冷冻。

地基红外望远镜的灵敏度受到大气中水汽的显着限制，它吸收了从选定大气窗口外部空间到达的部分红外辐射。通过将望远镜天文台放置在高海拔处，或者在望远镜的高空携带气球或飞机，可以部分缓解这种局限性。太空望远镜不会受到这种障碍的困扰，因此外太空被认为是红外天文学的理想地点。

该光谱的红外部分对天文学家有几个有用的好处。我们银河系中的气体和尘埃的冷，黑暗的分子云将在辐射热量照射下被嵌入恒星照射。在开始发射可见光之前，红外也可用于检测原生星。红外光谱中的恒星会释放出一小部分能量，因此可以更容易地检测附近的诸如行星等很酷的物体。（在可见光谱中，来自恒星的眩光将淹没来自行星的反射光。）

红外光对于观察活动星系的核心也很有用，它们通常在气体和灰尘中隐身。具有高红移的遥远星系将使其光谱的峰值部分向较长波长偏移，因此它们在红外线中更容易观察到。

扩展阅读：

红外辐射（IR）是具有比可见光更长的波长的电磁辐射（EMR），并且因此对于人眼通常是不可见的（尽管来自特定脉冲激光器的波长高达1050nm的IR可以在特定条件下被人看到）。它有时被称为红外光。IR波长从700纳米（频率430THz）的可见光谱的标称红色边缘延伸到1毫米（300GHz）室温附近物体发出的大部分热辐射都是红外线。像所有的EMR，IR携带辐射能，并且表现都像波浪和类似其量子粒子，所述光子。

红外线是由天文学家爵士在1800发现了威廉·赫歇尔，谁通过其对温度计效应来发现一个类型的光谱能量比红光低，无形的辐射。太阳总能量的一半以上最终被发现以红外线的形式到达地球。吸收和发射的红外辐射之间的平衡对地球气候有重要影响。

红外辐射在改变其旋转振动运动时被分子发射或吸收。它通过偶极矩的变化激发分子中的振动模式，使其成为研究适当对称分子这些能态的有用频率范围。红外光谱检查红外范围内光子的吸收和透射。

红外辐射用于工业，科学，军事，执法和医疗应用。使用主动近红外照明的夜视设备可以在没有检测到观察者的情况下观察人或动物。红外天文学使用配有传感器的望远镜穿透分子云等空间中的灰尘区域，检测诸如行星等物体，并查看宇宙早期高度红移的物体。[8]红外热成像相机被用来检测热损失在绝缘系统中，来观察改变皮肤血流量，并检测电气设备的过热。

军事和民用应用的广泛用途包括目标获取，监视，夜视，归位和跟踪。正常人体温度下的人体主要辐射10微米（微米）左右的波长。非军事用途包括热效率分析，环境监测，工业设施检查，生长检测，远程温度传感，短距离无线通信，光谱学和天气预报。

3. 急求大学物理实验报告，等倾干涉，激光琴，红外接收演示，液晶光电效应，热磁轮的都可以

实验报告23 迈克尔逊干涉实验
一 实验目的
1、 了解迈克尔逊干涉仪的结构；
2、 掌握迈克尔逊干涉仪的结构；
3、 观察光的等倾干涉现象并掌握波长的方法；
4、 掌握逐差法处理数据。
二 实验仪器
He-Ne激光器、扩束透镜、迈克尔逊干涉仪
三 实验原理

迈克尔逊干涉仪的光学系统如图。它由分光板G、补偿板H、定反射镜M1和动反射镜M2组成。M1和M2互相垂直，分光板和补偿板是一对材料和外型完全相同的平板光学玻璃，它们相互平行并分别和M1、、M2成大致45度夹角，分光板的次数不同引起的光程差。来自点光源（或扩展光源）的光，入射到分光板上，分为强度相同的光线“1”和光线“2”的相干光，并分别由M1和M2反射后投射到光屏上（对于扩展光源用眼睛正对着观察）产生干涉现象。由于M1和M2垂直，可以等价地看成M2的虚象和M1形成一个厚度d为的空气隙，d的大小随M2的位置改变而改变，所以两光线的光程差可由下式确定：
（1）
式中iˊ为光线“1”对M2的入射角。当d一定时，Δ由iˊ确定，iˊ相同的方向上光程差相等，形成了等倾干涉条纹。且满足：
k=0、1、2、3…… （2）
呈亮条纹：
k=0、1、2、3…… （3）
呈暗条纹。条纹呈明暗相间的同心环，这和牛顿环干涉条纹相似，但不同的是本同心环外侧干涉级别低，越靠圆心干涉级别越高。圆心干涉级别最高。现分析一下（2）式。对于第级亮条纹，有：
（4）
当d增大时，为了保证（4）式仍成立ik‘必须也增大，即k级亮条纹往外扩大，反之，减小时，ik‘也必须减小，k级亮条纹往内缩小。特别地考虑iˊ=0（即圆心）处。满足：
（5）
时为亮条纹。那么，d增大时，中心亮条纹的级别K增大，中心往外冒出亮条纹，d减小时，中心亮条纹级别减小，亮条纹往中心收进。每当d改变 时，中心处就冒出或收进一个干涉条纹。当d改变 时，中心处就冒出或收进n个干涉条纹。根据这种现象，可以测定光波波长。
假设动镜M2原在位置D1上，现移动M2的位置，同时观察并计算中心亮条纹冒出或收进的数目，当M2移至位置D2时，相应地冒出或收进的亮条纹数目N。就有：

（6）
四、实验步骤
1、 移开扩束透镜，打开激光器电源使出射激光，调节激光方向使入射光与反射光重合。
2、 观察由M1和M2反射到屏上或墙上的两组光点，反复调节背面三个螺丝，使M1反射的光点和M2反射的光点一一对应重合。
3、 把扩束透镜置于激光束中使激光扩束后投射到分光板上，调节光照位置直到观察到屏上有同心圆。
4、 转动微动手轮观察干涉图样的变化情况，顺时针或反时针转动，观察干涉图样中心冒出或收入的情况。
五、数据记录及处理
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
经查0.12763是坏值，剔除它；
重新算平均值：
；S‘=1.31×10-4； S‘C7=2.36×10-4
经查0.12726是坏值，剔除它；
重新算平均值：
； S″=8.93×10-5；S″C6=1.6×10-4
无坏值，所以
Δm=0.0001mm ；

六 注意事项
1、 使用干涉仪时不要使工作台震动；
2、 切勿用手或其他物品触摸其光学表面；
3、切勿正对着光学表面讲话。

4. 红外线的知识

红外线基础知识问答
问：我的电脑启动时右下任务栏上出现红外线发射图标，是否表示我的电脑有线外线设备，但红外提示，说在有效的范围的没有发现可用的红外线设备，即使我把手机三星A308（有红外线打开），也是这样，请指教。
■答：任务栏上出现红外线发射图标，并不能说明你的电脑就可以使用红外通讯了，因为在BIOS里把COM2的红外功能开启，系统一般都会自动安装红外驱动程序，你甚至可以通过“添加新硬件”强行地将串口转变成红外通讯端口，在Win98系统里，经过这样的设置任务栏都会出现红外图标，但这些只是表明系统在软件上已经为红外通讯做好了准备，如果你想真正使用它，还得为它配一个硬件，这种硬件其实就是红外线收发器。笔记本电脑大都有红外线硬件，可以直接与红外手机进行红外连接与通讯；台式电脑大都没有红外线硬件，如果要用台式电脑与其他红外设备通讯，可以安装红外适配器，它可以使台式电脑也具有象笔记本电脑那样的红外通讯的功能。
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■问：我买的适配器是不是坏了？我用的是WinMe，驱动安装完成后，红外适配器的通讯指示灯在闪烁，但任务栏里却没有红外通讯的图标。
■答：你的红外适配器已经工作正常了。在WinMe系统里，任务栏是没有固定的红外通讯图标的，只有当红外适配器找到其它红外通讯对象时，任务栏里才会出现这样的图标，把红外通讯对象移开，这个图标又会消失。不仅是WinMe，Win2000、WinXP也都是这样，并没有固定的红外通讯图标。
在Win98系统里，红外驱动安装完成后，任务栏里会有固定的图标，其搜寻、连接和通讯的状态。估计你是把WinMe当成Win98来要求了。另外在Win98里，任务栏的图标有时还会变成这样的型式，系统提示是附近有红外设备正在操作，有干扰而无法通讯。出现这种情况有时确实表明附近有极强的电磁干扰源，但多数时候却是驱动安装问题或操作不当造成的。如果出现这种情况，建议用户重新先安装驱动程序试一下，然后再找其它的原因。
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■问：我在Win98下按软盘里的说明书指示操作安装了驱动程序，安装完成后，系统托盘里的红外图标开始闪烁，但红外适配器的指示灯却不亮，用我的8250手机测试也没有任何反应。可以肯定红外适配器硬件是没有问题的，因为我在win2000下用起来一点问题都没有。
■答：在Win98/ME系统里，红外通讯是通过IrComm模式实现的，IrComm模式把红外口虚拟为串口和并口，通讯时把它作为一个串口或并口来对待。而虚拟的串口是不支持电源管理的，所以需要在注册表里对虚拟串口的ACPI电源管理的键值进行修改，方法如下：
1、点击“开始”、“运行”，输入“regedit”，“确定“；
2、选择注册表路径：HKEY_LOCAL_MACHINE\System\CurrentControlSet\Services\VxD\VCOMM；
3、修改"EnablePowerManagement"的键值为"00000000"；
4、重新启动系统，红外适配器即可正常使用。
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■问：我买了usb接口的产品，产品盒内装的驱动不能安装，下载的驱动也装不了？
■答：建议您把适配器拿到别人的机器上试装一下，我想应该可以成功安装。这样你可能就知道在你的机器上如何安装了。您的机器上以前可能装过红外，又删除得不彻底。或者系统已经找到了设备，可能没有自动弹出对话框，你没有发现。你到控制面板－系统或网络两个项目里查看一下。
另外请查看系统的BIOS设置，看看主板的红外功能是不是开启了，如果开启了，一定要将它关闭，因为一个系统只能同时存在一套红外装置，主板的红外功能启动了，USB的红外就没法装了。
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■问：我用的是SMH-IRUB红外适配器，将适配器连接到USB口，系统自动检测并装好了驱动程序。利用红外口可以和我的笔记本电脑成功连接，把我的诺基亚8310手机红外功能打开，IRUB探测到诺基亚8310设备，但是总是几秒到十几秒就断掉，然后又重新寻找并连接，始终不能建立稳定的连接。
■答：一般是由于驱动程序太老的缘故造成的，请下载新版驱动程序即可解决。
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■问：我买了一个红外适配器，但总是连不上，系统提示红外线软件内部出错。我发现网络适配器里“IRXONUSB-SIRADAPTER”前有个惊叹号，NDIS.VXD和NTKERN.VXD两个设备驱动程序无法加载。请问这是硬件有问题，还是软件没装好？
■答：您的系统以前可能装过其它型号红外适配器的驱动，并且没有卸载干净，建议您在控制面板的系统和网络两项里将涉及红外的内容全部删除，然后重启系统再安装。或者拿到别人的机子上装一下试试，应该可以一次成功。

5. 红外发射装置中三极管NPN的作用，是什么原理

红外发光二极管工作时需要提供的电流比较大，而遥控器装置（发射装置）中的IC提供的驱动电流一般都比较小，达不到红外发光二极管工作所需要的电流，所以用一个三极管来作驱动，实际上就是利用三极管的电流放大作用，在这个电路中，三极管工作于开关状态，也就是说三极管相当于一个开关，当三极管B为低电平时，三极管CE不导通，当B为高电平时，三极管CE导通，电流从VCC_3.3V经过R1、LED和三极管CE到地，这样流过LED的电流就通过R1的大小来控制，R1阻值越小，电流越大，达到了驱动LED电流的要求。

6. 红外物理特性实验数据

波长范围在0.75~1000微米的电磁波称为红外波，对红外频谱的研究历来是基础研究的重要组成部分。对原子与分子的红外光谱研究，帮助我们洞察它们的电子，振动，旋转的能级结构，并成为材料分析的重要工具。对红外材料的性质，如吸收、发射、反射率、折射率、电光系数等参数的研究，为它们在各个领域的应用研究奠定了基础。

7. 红外线通信的原理

大气对红外线辐射的吸收，主要是由大气中的水蒸汽、二氧化碳和高层大气中的臭氧分子造成的。这些大气分子的强烈吸收使大气对红外线辐射的大部分区域是不透明的，只有在某些特定的波长区，红外线辐射才能透过。这些特定的波长区称为红外线辐射的“大气窗口”，它们几乎都集中在25μm以下的近红外和中红外区域，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，在波长为300、600μm附近区域，大气也呈现出某些透过特性。
散射是大气对红外线辐射的另一种重要作用。散射有两种不同的类型，即瑞利散射和弥散射。瑞利散射是由大气分子引起的，它对红外线辐射的影响并不特别重要，对于波长大于lμm的辐射的影响常可被忽略。弥散射是由大气中的悬浮粒子如雨、雪、雾、云、灰尘和烟的微粒造成的，这对红外线传输过程中的衰减有重要作用。
红外通信是利用950nm近红外波段的红外线作为传递信息的媒体，即通信信道。发送端将基带二进制信号调制为一系列的脉冲串信号，通过红外发射管发射红外信号。接收端将接收到的光脉转换成电信号，再经过放大、滤波等处理后送给解调电路进行解调，还原为二进制数字信号后输出。常用的有通过脉冲宽度来实现信号调制的脉宽调制（PWM）和通过脉冲串之间的时间间隔来实现信号调制的脉时调制（PPM）两种方法。
简而言之，红外通信的实质就是对二进制数字信号进行调制与解调，以便利用红外信道进行传输；红外通信接口就是针对红外信道的调制解调器。
红外线通信可用于沿海岛屿间的辅助通信，室内通信，近距离遥控，飞机内广播和航天飞机内宇航员间的通信等。
特点
红外线具有容量大，保密性强，抗电磁干扰性能好，设备结构简单、体积小、重量轻、价格低；但在大气信道中传输时易受气候影响的特点。红外线波长范围为0.70μm～lmm，其中300μm～lmm区域的波也称为亚毫米波。大气对红外线辐射传输的影响主要是吸收和散射。
红外线通信系统
红外线通信系统一般由红外线发射系统和接收系统组成。对于客机内的红外线通信系统，采用低功率的近红外线（波长为0.72～1.5μm）传送信号，对人体健康尤其对人的眼睛无任何伤害作用，也不会干扰飞机与陆地之间的无线电通信。其工作过程是：音频信号先被转换成数字信号，再调制在红外线上，通过特制的红外线发射器，使载有音频信号的红外线充满机舱内的每一个角落。每个座位上备有的一副“耳机”，实际上是一只红外线接收机，它能将红外线信号变为电信号，再进而还原成声音；用电池工作，不需要任何外部连线。旅客只要载上这副“耳机”，开启电源，拨动相应的选择开关，就可收听到各种不同的节目。
技术标准
红外线通讯技术包含下列规格：IrPHY、IrLAP、IrLMP、IrCOMM、TinyTP、IrOBEX、IrLAN以及IrSimple。
IrDA1.0标准简称SIR（SerialInfrared，串行红外协议），它是基于HP-SIR开发出来的一种异步的、半双工的红外通信方式，它以系统的异步通信收发器（UniversalAsynchronousReceiver/Transmitter，UART)）依托，通过对串行数据脉冲的波形压缩和对所接收的光信号电脉冲的波形扩展这一编解码过程（3/16EnDec）实现红外数据传输。SIR的最高数据速率只有115.2kbps。在1996年，发布了IrDA1.1协议，简称FIR（FastInfrared，快速红外协议），采用4PPM（PulsePositionMolation，脉冲相位调制）编译码机制，最高数据传输速率可达到4Mbps，同时在低速时保留1.0标准的规定。之后，IrDA又推出了最高通信速率在16Mbps的VFIR（VeryFastInfrared）技术，并将其作为补充纳入IrDA1.1标准之中。
IrDA标准都包括三个基本的规范和协议：红外物理层连接规范IrPHY（）、红外连接访问协议IrLAP（InfraredLinkAccessProtoco1）和红外连接管理协议IrLMP（）。IrPHY规范制订了红外通信硬件设计上的目标和要求；IrLAP和IrLMP为两个软件层，负责对连接进行设置、管理和维护。在IrLAP和IrLMP基础上，针对一些特定的红外通信应用领域，IrDA还陆续发布了一些更高级别的红外协议，如TinyTP、IrOBEX、IrCOMM、IrLAN、IrTran-P和IrBus等等。
IrPHY：是指红外线通信的最低层，物理层。其中重要的规格如下：
距离(标准：1米，低功率传输至低功率：0.2米，标准至低功率：0.3米)
角度(最小圆锥状+-15°)
速度(2.4千位元/秒至16百万位元/秒)
调变(基频带，无载波)
红外线过滤视窗
红外线通信收发器借由一束圆锥状光束范围内的红外线脉波传输，其圆锥状光束自中心算起最小有15度的范围。
红外线通信物理层规范需要至少在一米外还能辨识的光信号的最小光量。
同时，规范中也定义两通讯装置接近时不会过量的最大光量。
在实用阶段，市场上有些装置没有做到一米的传输距离。
同时也有些装置没有预留非常接近时的容忍值。
红外线通信的典型甜区为距离收发器5厘米至60厘米范围之中，在圆锥状光束的中心点处。
红外线通信的资料通讯作动在半双工模式，这是因为装置在发射时会被自己的接收器接收到，因此全双工变得不可行。
两装置间借由快速切换连接便可模拟全双工。
主要装置端控制着连接的时序，但双边可依照实际情况将传输速度切换至最高。
传输速率落在三大分类：SIR、MIR以及FIR。
SIR的速度范围包含了RS-232的速度定义(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)
装置最常见的传输速率为9600位元/秒，因此此一传输速率为所有在discovery状态与negotiation状态的速率。
MIR(中速率红外线)不是官方名词，有时用来表示0.576百万位元/秒至1.152百万位元/秒的速率范围。
FIR为IrDA物理层标准陈废的名词，虽然如此这个名词却也常用在表示4百万位元/秒速率。
FIR有时也用来表示所有大于SIR标定速率以上的速率。
然而，MIR与FIR使用不同的编码方式，与不同的封包架构。
因此，这两个非官方用词分别了两种不同的物理层实作方式。
未来有更快的传输速率(目前有VFIR)，可支援到16百万位元/秒。
有VFIR的商品可用例如TFDU8108可操作在9.6千位元/秒至16百万位元/秒。
UFIR协定正在发展中。此一协定将可支援100百万位元/秒。