高级-红外光电工程导论

高级红外光电工程导论 中科院上海技术物理研究所教育中心 1 序言 (4) 第一章红外辐射和辐射源 (8) 1.1 红外光谱 (8) 1.2 辐射测量术语 (9) 1.2.1 定义、符号和量纲 (9) 1.2.2 辐射亮度和理想朗伯体辐射计算 (10) 1.2.3 波段辐射量和光谱辐射量 (13) 1.3 点源和面源................................................................................... 错误!未定义签。 1.3.1点源产生的辐照度: (14) 1.3.2面源产生的辐照度 (14) 1.3.3计算实例 (16) 1.4 辐射基本定律 (17) 1.4.1 辐射体的分类 (17) 1.4.2 热辐射定律 (18) 1.4.2.1 基尔霍夫定律、比辐射率定义 (18) 1.4.2.2 普朗克定律 (20) 1.4.2.3 斯蒂芬-波耳兹曼定律 (22) 1.4.2.4维恩位移定律 (22) 1.4.2.5 微分辐射亮度 (23) 1.4.3 比辐射率 (25) 1.4.3.1 黑体、灰体和选择性辐射体 (25) 1.4.3.2 常用材料的比辐射率 (26) 1.5 黑体型辐射源 (29) 1.5.1 黑体和黑体型辐射源 (29) 1.5.2 黑体腔的有效比辐射率 (30) 1.5.3 典型黑体辐射源的结构 (32) 1.6 红外辐射源 (34) 1.6.1 辐射源和工程用辐射源 (34) 1.6.2 自然辐射源 (35) 1.6.2.1 太阳 (36) 1.6.2.2 地球表面 (36) 1.6.2.3 天空 (37) 1.6.2.4 外层空间 (39) 1.6.2.5 月球、行星和恒星 (40) 1.7 目标辐射特性 (41) 1.7.1 有动力飞行器 (41) 1.7.2 人体 (44) 1.7.3 地面车辆 (44) 1.8 红外辐射在大气中的传输 (44) 1.8.1 大气传输过程 (44) 1.8.2 大气吸收 (45) 1.8.3 大气散射 (46) 1.8.4 大气层 (47) 1.8.5 辐射大气传输的计算 (50) 1.8.6 LOWTRAN7介绍 (51) 1.8.6.1 基本输入参数 (51) 1.8.6.2 气溶胶参数 (56) 1.8.6.3 路径、波长参数 (57) 序言 红外线是电磁波谱的一个部分,红外系统是用于红外辐射探测的仪器。根据普朗克辐射定理,凡是绝对温度大于零度的物体都能辐射电磁能,物体的辐射强度与温度及表面的辐射能力有关,辐射的光谱分布则与物体温度密切相关。 在电磁波谱中,我们把人眼可直接感知的0.4~0.75微米波段称为可见光波段,而把波长从0.75至1000微米的电磁波称为红外波段,红外波段的短波端与可见光红光相邻,长波端与微波相接。可见光辐射主要来自高温辐射源,如太阳、高温燃烧气体、灼热金属等,而任何低温、室温或加热后的物体都有红外辐射。 早在1800年,英国天文学家赫胥尔为寻找观察太阳时保护自己眼睛的方法就发现了这一“不可见光线”。但是,红外技术取得迅速发展还是在二次大战期间和战后的几十年,推动技术发展的原因主要是由于军事上的迫切需要和航天工程的蓬勃开展。 通常情况下,红外仪器总被认为是一种无源、被动式的探测仪器,因为它主要探测来自被测物体自身的红外辐射。例如:红外辐射计、热像仪、搜索跟踪设备等就不需要像雷达系统那样的大功率辐射源,红外仪器可对物体自身热辐射进行非接触式的检测,从中反演出物体温度或辐射功率、能量等。红外系统具有全天时、隐蔽性好、不易为敌方干扰等,适合军事应用。 但是,并非所有的红外仪器都是无源的。因为,除物体自身热辐射外,自然或人工辐射源与物质相互作用也能产生电磁辐射。电磁辐射与物体的相互作用可以表现为反射、吸收、透射、偏振、荧光等多种形式,利用不同作用机理,可研制出门类众多的红外仪器。如利用物体反射、吸收电磁辐射时的光谱特征,可测量分析物体水份、材料组分等。这一类红外探测仪器还是需要辐射源的。 习惯上,我们都是根据仪器自身是否带辐射源来划分被动式或主动式探测仪器。仪器的命名也有所不同,如我们把被动式的辐射测量设备称之为辐射计,如红外辐射计、微波辐射计。而主动式的辐射探测设备相应地称为红外雷达、微波雷达。本课程主要介绍被动式的红外光电探测系统。 红外系统的信息通常包含辐射产生、传输、采集、光电转换、信号处理等环节。红外光、可见光本质上都是电磁波,波段相邻,红外仪器与可见光仪器的工作原理、信息流程几乎相同,所用的光学系统、探测器虽有差异,但其作用机理、方法相似之处甚多,许多遥感仪器也经常集成了可见光通道和红外探测通道。由此,红外光电系统课程重点讲授红外技术,但许多对可见光系统也是适用的。 图1.1 红外光电系统的组成 红外系统技术涉及红外物理、红外光学、红外探测器、信号检测与处理等多个技术领域,是一门工程性很强的综合性学科。可以用辐射、光谱、空间、时间等特性来描述一个红外系统的性能。具体表现为: 辐射特性:系统探测灵敏度、信号动态范围; 光谱特性:波段、光谱分辨率; 空间特性:探测视场、瞬时视场(空间分辨率); 时间特性:扫描速率、扫描效率、电子带宽、数据率等; 红外系统的综合性能受到光学结构、探测器、扫描方式等多种因素的限制,而且各种特性相互制约,例如系统的光谱、空间、时间性能会限制系统的辐射能量。高空间分辨率、高光谱分辨率的快速扫描辐射计,不可能获得较高的系统信噪比。因此,设计红外系统必须从应用需求出发,合理设计系统的各个组成环节,使系统综合性能得以优化。