高級(jí)-紅外光電工程導(dǎo)論

1、高級(jí)紅外光電工程導(dǎo)論中科院上海技術(shù)物理研究所教育中心序言4第一章 紅外輻射和輻射源811 紅外光譜812 輻射測(cè)量術(shù)語(yǔ)9121 定義、符號(hào)和量綱9122 輻射亮度和理想朗伯體輻射計(jì)算10123 波段輻射量和光譜輻射量1313 點(diǎn)源和面源13131點(diǎn)源產(chǎn)生的輻照度:14132面源產(chǎn)生的輻照度14133計(jì)算實(shí)例1614 輻射基本定律17141 輻射體的分類17142 熱輻射定律181421 基爾霍夫定律、比輻射率定義181422 普朗克定律201423 斯蒂芬-波耳茲曼定律221424維恩位移定律221425 微分輻射亮度22143 比輻射率251431 黑體、灰體和選擇性輻射體251432 常用

2、材料的比輻射率261.5 黑體型輻射源29151 黑體和黑體型輻射源29152 黑體腔的有效比輻射率30153 典型黑體輻射源的結(jié)構(gòu)3116 紅外輻射源34161 標(biāo)準(zhǔn)輻射源和工程用輻射源34162 自然輻射源351621 太陽(yáng)351622 地球表面361623 天空371624 外層空間391625 月球、行星和恒星391.7 目標(biāo)輻射特性40171 有動(dòng)力飛行器40172 人體43173 地面車輛4318 紅外輻射在大氣中的傳輸43181 大氣傳輸過(guò)程43182 大氣吸收44183 大氣散射45184 大氣層46185 輻射大氣傳輸?shù)挠?jì)算49186 LOWTRAN7介紹501861 基本輸

3、入?yún)?shù)501862 氣溶膠參數(shù)551863 路徑、波長(zhǎng)參數(shù)56序言紅外線是電磁波譜的一個(gè)部分，紅外系統(tǒng)是用于紅外輻射探測(cè)的儀器。根據(jù)普朗克輻射定理，凡是絕對(duì)溫度大于零度的物體都能輻射電磁能，物體的輻射強(qiáng)度與溫度及表面的輻射能力有關(guān)，輻射的光譜分布則與物體溫度密切相關(guān)。在電磁波譜中，我們把人眼可直接感知的0.40.75微米波段稱為可見(jiàn)光波段，而把波長(zhǎng)從0.75至1000微米的電磁波稱為紅外波段，紅外波段的短波端與可見(jiàn)光紅光相鄰，長(zhǎng)波端與微波相接?？梢?jiàn)光輻射主要來(lái)自高溫輻射源，如太陽(yáng)、高溫燃燒氣體、灼熱金屬等，而任何低溫、室溫或加熱后的物體都有紅外輻射。早在1800年，英國(guó)天文學(xué)家赫胥爾為尋找觀察

4、太陽(yáng)時(shí)保護(hù)自己眼睛的方法就發(fā)現(xiàn)了這一“不可見(jiàn)光線”。但是，紅外技術(shù)取得迅速發(fā)展還是在二次大戰(zhàn)期間和戰(zhàn)后的幾十年，推動(dòng)技術(shù)發(fā)展的原因主要是由于軍事上的迫切需要和航天工程的蓬勃開(kāi)展。通常情況下，紅外儀器總被認(rèn)為是一種無(wú)源、被動(dòng)式的探測(cè)儀器，因?yàn)樗饕綔y(cè)來(lái)自被測(cè)物體自身的紅外輻射。例如：紅外輻射計(jì)、熱像儀、搜索跟蹤設(shè)備等就不需要像雷達(dá)系統(tǒng)那樣的大功率輻射源，紅外儀器可對(duì)物體自身熱輻射進(jìn)行非接觸式的檢測(cè)，從中反演出物體溫度或輻射功率、能量等。紅外系統(tǒng)具有全天時(shí)、隱蔽性好、不易為敵方干擾等，適合軍事應(yīng)用。但是，并非所有的紅外儀器都是無(wú)源的。因?yàn)?，除物體自身熱輻射外，自然或人工輻射源與物質(zhì)相互作用也能產(chǎn)

5、生電磁輻射。電磁輻射與物體的相互作用可以表現(xiàn)為反射、吸收、透射、偏振、熒光等多種形式，利用不同作用機(jī)理，可研制出門類眾多的紅外儀器。如利用物體反射、吸收電磁輻射時(shí)的光譜特征，可測(cè)量分析物體水份、材料組分等。這一類紅外探測(cè)儀器還是需要輻射源的。習(xí)慣上，我們都是根據(jù)儀器自身是否帶輻射源來(lái)劃分被動(dòng)式或主動(dòng)式探測(cè)儀器。儀器的命名也有所不同，如我們把被動(dòng)式的輻射測(cè)量設(shè)備稱之為輻射計(jì)，如紅外輻射計(jì)、微波輻射計(jì)。而主動(dòng)式的輻射探測(cè)設(shè)備相應(yīng)地稱為紅外雷達(dá)、微波雷達(dá)。本課程主要介紹被動(dòng)式的紅外光電探測(cè)系統(tǒng)。紅外系統(tǒng)的信息流程通常包含輻射產(chǎn)生、傳輸、采集、光電轉(zhuǎn)換、信號(hào)處理等環(huán)節(jié)。紅外光、可見(jiàn)光本質(zhì)上都是電磁波，

6、波段相鄰，紅外儀器與可見(jiàn)光儀器的工作原理、信息流程幾乎相同，所用的光學(xué)系統(tǒng)、探測(cè)器雖有差異，但其作用機(jī)理、設(shè)計(jì)方法相似之處甚多，許多遙感儀器也經(jīng)常集成了可見(jiàn)光通道和紅外探測(cè)通道。由此，紅外光電系統(tǒng)課程重點(diǎn)講授紅外技術(shù)，但許多內(nèi)容對(duì)可見(jiàn)光系統(tǒng)也是適用的。景物輻射大氣傳輸光學(xué)系統(tǒng)探測(cè)器信號(hào)讀出制冷裝置信號(hào)處理顯示景物輻射大氣傳輸光學(xué)系統(tǒng)探測(cè)器信號(hào)讀出制冷裝置信號(hào)處理記錄傳輸、執(zhí)行顯示圖1.1 紅外光電系統(tǒng)的組成紅外系統(tǒng)技術(shù)涉及紅外物理、紅外光學(xué)、紅外探測(cè)器、信號(hào)檢測(cè)與處理等多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，是一門工程性很強(qiáng)的綜合性學(xué)科?？梢杂幂椛?、光譜、空間、時(shí)間等特性來(lái)描述一個(gè)紅外系統(tǒng)的性能。具體表現(xiàn)為：輻射特性：

7、系統(tǒng)探測(cè)靈敏度、信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍；光譜特性：波段、光譜分辨率；空間特性：探測(cè)視場(chǎng)、瞬時(shí)視場(chǎng)（空間分辨率）；時(shí)間特性： 掃描速率、掃描效率、電子帶寬、數(shù)據(jù)率等；紅外系統(tǒng)的綜合性能受到光學(xué)結(jié)構(gòu)、探測(cè)器、掃描方式等多種因素的限制，而且各種特性相互制約，例如系統(tǒng)的光譜、空間、時(shí)間性能會(huì)限制系統(tǒng)的輻射能量。高空間分辨率、高光譜分辨率的快速掃描輻射計(jì)，不可能獲得較高的系統(tǒng)信噪比。因此，設(shè)計(jì)紅外系統(tǒng)必須從應(yīng)用需求出發(fā)，合理設(shè)計(jì)系統(tǒng)的各個(gè)組成環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)綜合性能得以優(yōu)化。空間分辨率影響光譜分辯率空間分辨率影響帶寬、數(shù)據(jù)率帶寬影響信噪比光譜分辨率影響數(shù)據(jù)率光譜分辨影響能量時(shí)間特性 電子帶寬、數(shù)據(jù)率光譜性能波段、光譜

8、分辨率空間分辨率影響能量輻射能量信噪比、信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍空間特性光學(xué)/掃描視場(chǎng)、分辨率圖1.2 紅外系統(tǒng)的主要性能特征考慮到本課程的工程性較強(qiáng)，筆者力圖盡量結(jié)合一些應(yīng)用實(shí)例，以加深對(duì)紅外光電系統(tǒng)基本理論和設(shè)計(jì)方法的理解。但是，紅外系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域又十分廣泛，除軍事、航空航天遙感外，在工業(yè)檢測(cè)、醫(yī)學(xué)診斷、科學(xué)研究等方面也應(yīng)用甚廣。本書(shū)不準(zhǔn)備逐一詳述，引用的應(yīng)用實(shí)例主要包括兩類，一類是輻射定量檢測(cè)，如遙感輻射計(jì)。另一類是目標(biāo)識(shí)別與定位，如軍用搜索跟蹤設(shè)備、衛(wèi)星姿態(tài)檢測(cè)設(shè)備等。前一類系統(tǒng)對(duì)遙感數(shù)據(jù)的定性、定位、定量有較為嚴(yán)格的要求，對(duì)定時(shí)的要求則次之。定性是指“何物”，要求系統(tǒng)具有足以識(shí)別物質(zhì)屬性的光譜分辨

9、率和光譜定位精度。定位是指“何處”，即準(zhǔn)確的空間分布。定量是指“多少”，應(yīng)將儀器的輸出反演為輻射源的溫度或反射率。定時(shí)是指系統(tǒng)的時(shí)效，即數(shù)據(jù)采集速度。后一類系統(tǒng)雖然對(duì)定量的要求稍次，但要求系統(tǒng)有較高的實(shí)時(shí)性，即快速反應(yīng)能力，它的定性、定位能力表現(xiàn)在復(fù)雜背景下弱小目標(biāo)的提取，識(shí)別和精確測(cè)向。本書(shū)各個(gè)章節(jié)大體安排如下：由于紅外光電技術(shù)的研究對(duì)象是可見(jiàn)、紅外波段的電磁輻射，教材第一章主要介紹紅外輻射的基本定律和輻射計(jì)算、自然輻射源和人工輻射標(biāo)準(zhǔn)源，以及大氣傳輸特性。紅外光電儀器是通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)收集輻射能量的,光學(xué)系統(tǒng)性能主要反映在聚光能力和光學(xué)像質(zhì)。第二章簡(jiǎn)要介紹了工程光學(xué)的基本理論和設(shè)計(jì)方法，包括幾

10、何光學(xué)基本定律、理想光學(xué)系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)對(duì)光束的限制、光學(xué)像質(zhì)及評(píng)價(jià)，這些理論和設(shè)計(jì)方法對(duì)可見(jiàn)、紅外光學(xué)系統(tǒng)是同樣適用的。由于受到光學(xué)材料、探測(cè)器的限制，紅外與可見(jiàn)光學(xué)系統(tǒng)之間有共性，也有個(gè)性。紅外光學(xué)材料、典型紅外光學(xué)系統(tǒng)、輔助光學(xué)系統(tǒng)等章節(jié)對(duì)此有闡述。光學(xué)系統(tǒng)收集到的輻射能量通過(guò)探測(cè)器實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，探測(cè)器是紅外光電系統(tǒng)的核心部件，光子探測(cè)器和熱探測(cè)器是最常用的兩類紅外探測(cè)器。第三章主要介紹紅外探測(cè)器特性參數(shù)和常用探測(cè)器。紅外陣列探測(cè)器是近年來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，因此，陣列探測(cè)器的焦平面結(jié)構(gòu)和讀出集成電路在該章也占有相當(dāng)?shù)钠?。為獲取更詳細(xì)的光譜信息，紅外光電遙感系統(tǒng)已經(jīng)歷了從多光譜、細(xì)分光譜到超光譜，

11、以至高光譜的發(fā)展進(jìn)程，光譜分割日趨精細(xì)。圖譜合一的成像光譜技術(shù)使同時(shí)獲取空間信息和光譜信息成為可能。第四章主要涉及紅外光電系統(tǒng)常用的濾光片、棱鏡、光柵和傅立葉分光等分光譜技術(shù)。紅外陣列探測(cè)器雖有長(zhǎng)足進(jìn)步，集成的探測(cè)元數(shù)仍十分有限，因此，對(duì)紅外系統(tǒng)，光機(jī)掃描至今不失為獲得大視場(chǎng)和高空間分辯率的有效手段。用掃描機(jī)構(gòu)可獲得多種掃描方式，利弊各有不同。行掃描器可簡(jiǎn)化光機(jī)掃描機(jī)構(gòu)，因?yàn)橛幸痪S掃描可利用搭載平臺(tái)飛行來(lái)實(shí)現(xiàn)，但需要解決數(shù)據(jù)定位的難題。第五章擬集中論述這些內(nèi)容。作者期望通過(guò)基本理論和典型應(yīng)用相結(jié)合的授課方式，讓初次涉足光電專業(yè)的研究生能盡快掌握紅外系統(tǒng)設(shè)計(jì)的精髓，對(duì)今后開(kāi)展課題研究有所裨益。第

12、一章 紅外輻射和輻射源1.1 紅外光譜紅外通常指波長(zhǎng)從0.75至1000微米的電磁波，紅外波段的短波端與可見(jiàn)光紅光相鄰，長(zhǎng)波端與微波相接。紅外與電磁頻譜的其他波段一樣以光速傳播，遵守同樣的反射、折射、衍射和偏振等定律。彼此差別只是波長(zhǎng)、頻率不同而已。紅外譜段可進(jìn)一步劃分為：表1.1 紅外譜段的劃分名稱英文縮寫(xiě)波長(zhǎng)范圍（微米）近紅外/短波紅外NIR/SWIR0.753紅外/中波紅外MWIR36遠(yuǎn)紅外/長(zhǎng)波紅外/熱紅外LWIR/TIR615極遠(yuǎn)紅外151000圖1. 1電磁頻譜1.2 輻射測(cè)量術(shù)語(yǔ)1.2.1 定義、符號(hào)和量綱在可見(jiàn)光范疇，已有完善的光度學(xué)術(shù)語(yǔ)和計(jì)量單位，如光通量的單位為流明（lm）

13、，發(fā)光強(qiáng)度單位為坎德拉（cd）,以及光照度單位勒克斯（lx）。光度學(xué)物理量主要根據(jù)光學(xué)引起觀察者的視覺(jué)感知來(lái)計(jì)量，其度量單位不是由質(zhì)量、長(zhǎng)度和時(shí)間等最基本的物理單位構(gòu)成的。輻射學(xué)的物理量用輻射能量度量的，其輻射術(shù)語(yǔ)可應(yīng)用于整個(gè)電磁頻譜，包括微波、紅外、紫外和X射線等譜段。如要將輻射量轉(zhuǎn)換為光度量，必須計(jì)入人眼視覺(jué)特性。如1瓦輻射通量相當(dāng)于多少流明的光通量，就與視見(jiàn)函數(shù)有關(guān)。輻射術(shù)語(yǔ)的中文譯名非?；靵y，紅外系統(tǒng)原理(Hudson著，中譯本)所推薦使用的譯名如表所列。表1.2 常用輻射術(shù)語(yǔ)的定義、符號(hào)和量綱輻射術(shù)語(yǔ)雖名目繁多，但命名方法還是有規(guī)律可循：1） 凡是冠以“輻射”前綴的術(shù)語(yǔ)，均強(qiáng)調(diào)它們是

14、輻射量，不是光度量。2） 有“光子”前綴的輻射量不是用輻射能或輻射功率度量的（如用瓦、焦耳等），而是用入射的光子數(shù)來(lái)度量的。這是因?yàn)橛幸活愄綔y(cè)器的響應(yīng)與能量并無(wú)直接關(guān)系，而是主要與入射的光子數(shù)有關(guān)。3） 帶“光譜”前綴的輻射量是在特定波長(zhǎng)上，單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)測(cè)得的。無(wú)“光譜”前綴的輻射量是在全光譜范圍內(nèi)或特定波段內(nèi)測(cè)得的，兩者的量綱明顯不同。4） 表中發(fā)射本領(lǐng)、吸收率、反射率和透過(guò)率等項(xiàng)均定義為比值，無(wú)量綱。它們主要與材料性質(zhì)有關(guān)，如無(wú)說(shuō)明，工程上將它們默認(rèn)為紅外儀器工作波段內(nèi)的波段值。如需強(qiáng)調(diào)它們是光譜值，也可加下標(biāo)，如即光譜發(fā)射本領(lǐng)。由于有些輻射術(shù)語(yǔ)有多個(gè)中文譯名，需予說(shuō)明：1）輻射通量（R

15、adiant Flux），也譯作“輻射功率”?！巴俊?和“功率”含義相同，均表示能量傳遞的時(shí)間速率。本書(shū)采用“輻射通量”，以求與光度學(xué)的“光通量”相呼應(yīng)。2) 輻射通量密度（Radiant Flux Density），也譯作“輻射發(fā)射量”或“輻射出射度”（Radiant Emittance）。由于該術(shù)語(yǔ)的英文名就不一致，筆者認(rèn)為譯作“輻射通量密度”或“輻射出射度” 均可?！懊芏取币辉~能表達(dá)出“單位面積”的含義，而“出射度”較容易與“照度”相區(qū)分。3) 輻射亮度（Radiance），也譯作“輻射率”。本書(shū)用“輻射亮度”，與光度學(xué)的“亮度”相對(duì)應(yīng)，或按習(xí)慣簡(jiǎn)稱為“輻亮度”。4) 發(fā)射本領(lǐng)（Emi

16、ssivity）,有“比輻射率”、“發(fā)射率”等其他譯名。本書(shū)用“比輻射率”。1.2.2 輻射亮度和理想朗伯體輻射計(jì)算一個(gè)輻射源可以用輻射強(qiáng)度、輻射通量密度和輻射通量來(lái)描述其強(qiáng)弱和能量的空間分布。輻射強(qiáng)度定義為輻射源在單位立體角內(nèi)的輻射功率，反映了輻射能傳遞的空間分布。輻射通量密度是單位輻射面積發(fā)出的所有輻射功率，反映了輻射發(fā)射的面密度，而輻射通量則是整個(gè)輻射源向空間發(fā)射的功率，即發(fā)射的輻射能的時(shí)間速率。輻射亮度定義是：輻射源在沿視線方向單位投影面積向單位立體角所輻射的功率?？梢杂霉奖磉_(dá)輻射強(qiáng)度、輻射通量密度和輻射通量與輻亮度的關(guān)系。將輻射亮度對(duì)輻射源的面積積分，可得輻射強(qiáng)度：（1.2.1）將

17、輻射亮度對(duì)輻射所張的空間立體角積分，可得輻射通量密度：（1.2.2）取輻射亮度對(duì)輻射所張空間立體角和輻射面積的雙重積分，可得輻射通量：（1.2.3）上述公式中：為輻射源的輻亮度；為輻射源面元的面積； 為發(fā)射方向與法線的夾角；即輻射源面元在發(fā)射方向的投影；輻照度與輻射通量密度有相同的量綱（W/cm2），但輻射通量密度是發(fā)射的功率密度，而輻照度是單位被照面積接收到的輻射通量，是指接收端的功率密度。當(dāng)用儀器接收輻射時(shí)，入瞳的輻照度按下式計(jì)算：（1.2.4）此公式與（1.2.2）式形式上完全一致，但式中的輻亮度為接收端的輻亮度，對(duì)立體角的積分范圍應(yīng)是儀器的接收立體角。下面將要講到：如不計(jì)能量傳遞過(guò)程的

18、損失，輻射源的輻亮度和儀器接收端的輻亮度是相等的。如考慮能量損失，計(jì)算也較為簡(jiǎn)單。因此，工程應(yīng)用中，源的輻亮度計(jì)算十分重要。一般情況，物體輻射或反射均有方向性，能量?jī)H在一個(gè)有限的空間立體角內(nèi)傳遞。換言之，它的輻射亮度與發(fā)射方向有關(guān)。理想的全漫射體發(fā)射的能量應(yīng)能向半球空間均勻輻射，而且輻射亮度是常數(shù)，這種理想的漫輻射體被稱為朗伯漫射體。朗伯體面元的輻射強(qiáng)度只與測(cè)量方向與面元法線夾角的余弦成正比，即遵循朗伯余弦定律（1.2.5）當(dāng)我們以不同的視角用肉眼去觀察一個(gè)具有漫射特性的發(fā)光體（如太陽(yáng)）時(shí)，每個(gè)視覺(jué)細(xì)胞“看到”的發(fā)光面元是實(shí)際面元在視線方向的投影。當(dāng)我們從法線方向看中心部分，或者從切線方向看邊

19、緣部分時(shí)，雖然實(shí)際面源的大小是變化的，它在視線方向的投影面積不變，它向瞳孔所張的立體角也不變。由于朗伯體的輻亮度與視線的方向無(wú)關(guān)，瞳孔接收到的能量不因觀察方向而異。因此，我們看到的都是一個(gè)均勻的亮團(tuán)。圖1.4 朗伯定律圖解理想的朗伯體向半球發(fā)射的輻射通量密度與其輻射亮度之間存在較簡(jiǎn)潔的關(guān)系。在球坐標(biāo)系中圖1.5朗伯體輻射計(jì)算圖示圖1.5朗伯體輻射計(jì)算圖示（1.2.6）值得注意的是：輻射通量密度是輻亮度的倍，而不是倍（半球立體角）。朗伯漫輻射體僅是一個(gè)理想模型，它要求在半球空間的輻射都是均勻的。事實(shí)上，許多輻射源只是在一定的空間范圍內(nèi)滿足朗伯漫射特性。大多數(shù)電絕緣材料，測(cè)量方向與法線的夾角不超過(guò)

20、60°，導(dǎo)電材料夾角不超過(guò)50°，輻射亮度都可近似認(rèn)為相等。許多光源（如激光二級(jí)管）的產(chǎn)品手冊(cè)中均給出發(fā)射瓣的半寬度這樣一個(gè)指標(biāo)，發(fā)射瓣內(nèi)輻射亮度基本恒定。對(duì)發(fā)射瓣半寬度為的近似漫射體，可以導(dǎo)出輻射功率與輻亮度的關(guān)系：（1.2.7）1.2.3 波段輻射量和光譜輻射量光譜輻射量是在特定波長(zhǎng)下用單位波長(zhǎng)間隔測(cè)量的。由于任何輻射體均有一定的光譜范圍，任何探測(cè)裝置的光學(xué)系統(tǒng)和探測(cè)器也有自己固有的光譜響應(yīng)范圍，無(wú)論從系統(tǒng)角度還是從應(yīng)用角度，我們關(guān)心的只是波段輻射量。許多文獻(xiàn)的公式中，輻射通量、輻射通量密度、輻射強(qiáng)度、輻射亮度和輻照度的波段值并未采用特殊的標(biāo)識(shí)符號(hào)，隱含的光譜波段即儀器

21、的工作波段。確有必要說(shuō)明時(shí)，可用下標(biāo)注明波段范圍。波段輻射量與光譜輻射量的關(guān)系為： (1.2.8)(1.2.9) (1.2.10) (1.2.11)物質(zhì)的輻射、反射、吸收都有一定的光譜范圍，甚至有劇變的吸收譜線和發(fā)射峰。因此，比輻射率、吸收率、反射率和透過(guò)率都是與光譜有關(guān)的。如無(wú)特殊說(shuō)明，它們都被默認(rèn)為儀器工作波段內(nèi)的平均值。需要強(qiáng)調(diào)它們是光譜值時(shí)，也可加波長(zhǎng)下標(biāo)。1.3 輻照度計(jì)算輻射能量計(jì)算是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首要一步。當(dāng)輻射源被視作點(diǎn)源時(shí)，或是視作面源時(shí)，采用的輻照度計(jì)算方法是不同的。任何輻射源都具有一定尺寸，不可能是一個(gè)幾何點(diǎn)。所謂點(diǎn)源、面源也不是根據(jù)輻射源尺寸大小來(lái)劃分的，而是根據(jù)輻射源的面

22、積是否充滿儀器的測(cè)量視場(chǎng)。如果輻射源的面積小于儀器視場(chǎng)的空間覆蓋，輻射源面積都是有效的，這樣的輻射源稱為點(diǎn)源。當(dāng)一個(gè)紅外搜索系統(tǒng)對(duì)遠(yuǎn)方來(lái)襲導(dǎo)彈的張角遠(yuǎn)小于系統(tǒng)瞬時(shí)視場(chǎng)角時(shí)，盡管測(cè)到的輻射可能來(lái)自導(dǎo)彈的蒙皮、噴管、或尾焰，我們可以認(rèn)為全部輻射來(lái)自一點(diǎn)。此時(shí)，用輻射強(qiáng)度可以計(jì)算點(diǎn)源產(chǎn)生的輻照度。當(dāng)我們?cè)诮嚯x用熱象儀測(cè)量導(dǎo)彈的尾焰輻射特性時(shí)，我們能得到尾焰溫度場(chǎng)空間分布的熱圖像。尾焰熱像由許多像素組成，每個(gè)像素的測(cè)量視場(chǎng)很小，它不能探測(cè)到全部尾焰。此時(shí)尾焰的輻射面積只有部分是有效的，故應(yīng)視作面源。我們可用輻射亮度來(lái)計(jì)算面源產(chǎn)生的輻照度。1.3.1 131點(diǎn)源產(chǎn)生的輻照度:假設(shè)： 點(diǎn)源輻射強(qiáng)度為；點(diǎn)

23、源到被照面元的距離為； 面元法線與入射光線的夾角為。圖1.6 點(diǎn)源產(chǎn)生的輻照度可推導(dǎo)得：（1.3.1） 式中 為點(diǎn)源對(duì)面元所張的立體角。由式可見(jiàn)，在不考慮輻射傳輸損失時(shí)，點(diǎn)源產(chǎn)生的輻照度與距離平方成反比。其原因是：盡管點(diǎn)源的輻射強(qiáng)度不變，點(diǎn)源對(duì)系統(tǒng)所張的立體角隨距離增加而減小。當(dāng)輻射源未充滿測(cè)量系統(tǒng)的視場(chǎng)覆蓋時(shí)，系統(tǒng)測(cè)得的輻射數(shù)據(jù)與距離等測(cè)量條件有關(guān),不能反映輻射源的真實(shí)情況。1.3.2 132面源產(chǎn)生的輻照度 根據(jù)式（1.2.3），儀器接收到的輻射通量取決于它的接收面積和接收立體角，而儀器的接收面積與它的有效孔徑有關(guān)，接收立體角與系統(tǒng)視場(chǎng)有關(guān)。因此，有效孔徑及視場(chǎng)是儀器最基本的參數(shù)。 對(duì)面源

24、來(lái)講，當(dāng)測(cè)量距離確定后，由于儀器視場(chǎng)的限制，源發(fā)射面積中只有部分是有效的。由于有效孔徑的限制，源向空間發(fā)射的能量只有落在有限的立體角內(nèi)的部分能被系統(tǒng)所接收。假設(shè)：儀器入瞳面積； ：法線與測(cè)量方向的夾角。：儀器視場(chǎng)立體角； ：面源有效發(fā)射面積；：法線與測(cè)量方向的夾角。：面源發(fā)射立體角；：測(cè)量距離；圖1.7 封閉光束無(wú)損傳輸時(shí)亮度守恒關(guān)系（1.3.2） (1.3.3)假定光束傳輸過(guò)程中沒(méi)有吸收、反射等損失，應(yīng)有：(1.3.4)將(1.3.2)、(1.3.3)式代入(1.3.4),得:(1.3.5)上式表明：如忽略傳輸損失，輻射源的亮度等于儀器接收端的輻亮度。如考慮傳輸損失，兩者也僅差一個(gè)傳輸效率。

25、上述結(jié)論雖是通過(guò)一個(gè)特例導(dǎo)出的，實(shí)際上它反映了一個(gè)封閉光束在無(wú)損失的同種介質(zhì)傳輸時(shí)亮度的傳遞關(guān)系,具有普遍的意義。不僅光束源端和接收端的亮度是相等的，在封閉光束的各個(gè)截面的亮度也處處相等，我們稱之為亮度守恒定律。由于利用輻射的一些基本定律可較為方便地求得源的輻亮度，接收輻亮度則等于源的輻亮度，或源的輻亮度乘以傳輸效率。知道了儀器接收的輻亮度，就不難求得輻照度和輻射功率。當(dāng)測(cè)量方向與儀器光軸重合時(shí)，公式更為簡(jiǎn)潔。(1.3.6) (1.3.7)式中： 分別為儀器的入瞳面積、視場(chǎng)立體角和視場(chǎng)角。由于是儀器固有的參數(shù)，只要滿足面源的約定，儀器測(cè)得的輻射功率正比于源的輻亮度，而與測(cè)量距離無(wú)關(guān)。這樣就可以

26、獲得真實(shí)的輻射數(shù)據(jù)。現(xiàn)以一個(gè)激光探測(cè)的實(shí)例說(shuō)明之。1.3.3 133計(jì)算實(shí)例實(shí)例：用一個(gè)10.6微米CO2激光器（15W, 出射窗5mm）作為光源，激光束打在墻面后漫射。用一臺(tái)室溫?zé)嵯髢x（ 814微米，120°視場(chǎng)，F(xiàn)數(shù)0.8,孔徑7.1mm,320×240元）對(duì)激光散射斑成像。熱象儀至墻面，激光源至墻面均為2米。求：入射到熱象儀的激光輻照度SeffSSCO2激光器室溫?zé)嵯駜x激光散斑激光斑有效面積圖1.8 激光散射輻射能量計(jì)算熱象儀瞬時(shí)視場(chǎng) 瞬時(shí)視場(chǎng)所張的立體角每個(gè)像元能看到的有效輻射面積激光斑面積激光散射的輻射強(qiáng)度按點(diǎn)源公式，熱象儀處輻照度如在激光器前加凹透鏡發(fā)散，束散角

27、為1°，墻面上光斑直徑約35mm，輻射源已充滿瞬時(shí)視場(chǎng)，因此，只有部分光斑的能量能到達(dá)探測(cè)元?？上惹蠹す馍叩妮椓炼龋菏街?為發(fā)散光斑面積再求得系統(tǒng)入瞳處的輻照度.可以發(fā)現(xiàn)：照射在熱像儀的照度與熱像儀至墻的距離無(wú)關(guān)。距離增加時(shí)，每個(gè)像元能看到的有效輻射面積與距離的平方成正比，而光斑對(duì)熱像儀所張的立體角與距離平方成反比，只要發(fā)散光斑還是充滿像元視場(chǎng)，輻射面積的增加完全補(bǔ)償了立體角的減小，熱像儀收到的輻射通量不變，即照度不變。1.4 輻射基本定律1.4.1 輻射體的分類如果用光譜輻射計(jì)來(lái)考察各種輻射源的光譜分布，可明顯地看出，存在兩類完全不同的輻射源。如果輻射源是灼熱固體或液體，則光譜分

28、布曲線是連續(xù)的，僅有一個(gè)最大值，其波長(zhǎng)隨輻射源溫度而變化，這種輻射源稱為熱輻射體。若輻射源是火焰或氣體中的電氣放電，則光譜分布曲線是不連續(xù)的，此時(shí)輻射通量集中在狹窄的光譜區(qū)間。用高分辨率的單色儀可以發(fā)觀，這些區(qū)間十分挾窄陡峭得象一條線故這種分布稱為線譜。另外，光譜也可以由狹窄的的線帶組成，這種情況稱為帶譜。具有線譜或帶譜的輻射源，稱為選擇性輻射體。初看起來(lái)，通量集中的所在波長(zhǎng)在整個(gè)頻譜上的位置似乎是雜亂的。詳細(xì)的考察表明；它們表征了一定類型的輻射原子和分子的特性。因而，這些波長(zhǎng)構(gòu)成了輻射源獨(dú)有的特征：線譜是原子的特征，帶譜是分子的特征。圖1.9 熱輻射體和選擇性輻射體的光譜分布紅外系統(tǒng)設(shè)計(jì)者可

29、能碰到的一些選擇牲輻射體有：噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)或火箭排出的熱氣流再入大氣層物體周圍的激波受激層，以及通汛系統(tǒng)所用的氣體放電源。典型的熱輻射體有；噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)火箭尾噴管的熱金屬、氣動(dòng)加熱表面、汽車、人大地、空間飛行器以及天體。由于熱輻射體遠(yuǎn)為普遍，因此，首先討論一下適用于這些輻射源的定律。1.4.2 熱輻射定律1.4.2.1 比輻射率和基爾霍夫定律19世紀(jì)后半期，物理學(xué)家一直在試圖解釋熱輻射體的光譜能量分布。1860年，基爾霍夫在研究輻射傳輸?shù)倪^(guò)程中發(fā)現(xiàn)：在任一給定的溫度下，輻射通量密度和吸收系數(shù)之比，對(duì)任何材料都是常數(shù)。用一句精練的話表達(dá)，即：“好的吸收體也是好的輻射體”。基爾霍夫還提出用“黑體”這個(gè)

30、詞來(lái)說(shuō)明能吸收全部入射輻射能量的物體，按照他的定律，黑體必然是最有效的輻射體。因而，黑體是一個(gè)比較標(biāo)準(zhǔn)，它是任何其它輻射源可以與之進(jìn)行比較的最有效的輻射體。一個(gè)輻射源的比輻射率即是指它的輻射能力與黑體發(fā)射能力之比。從能量守恒角度很容易理解基爾霍夫定律。如果，我們將物體A1、A2放在恒溫容器內(nèi)，令容器內(nèi)部為真空，則物體與容器之間及物體與物體之間只能通過(guò)輻射和吸收來(lái)交換能量。當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到熱平衡時(shí)，所有物體與容器的溫度相等，均為同一溫度T。但是，物體A1和A2的表面情況不一樣，它們所輻射出去的能量也不一樣。顯然，只有當(dāng)輻射能量多的物體吸收能量也多時(shí)，才能和其他物體一樣保持溫度T不變。這就說(shuō)明：物體的輻

31、射出射度和吸收率之間存在一定的比例關(guān)系。圖1.10從能量守恒角度看基爾霍夫定律基爾霍夫定律可用數(shù)學(xué)公式表達(dá)為：（1.4.1）這里為黑體（）在溫度時(shí)的輻射出射度。我們將比輻射率定義為輻射源的輻射出射度與具有同一溫度的黑體的輻射出射度之比。即：(1.4.2)比輻射率是一個(gè)比值，其值介于非輻射源的零和黑體的1之間，可用來(lái)度量輻射源接近黑體的程度。代入基爾霍夫定律（1.4.1），可得到比輻射率和吸收率的關(guān)系：(1.4.3)結(jié)論：在給定溫度下，任何材料的比輻射率在數(shù)值上等于該溫度時(shí)的吸收率?；鶢柣舴蚨蓪?duì)所有波長(zhǎng)的全輻射是正確的，對(duì)波長(zhǎng)為單色輻射也成立。(1.4.4)對(duì)波長(zhǎng)為單色輻射，同樣可定義光譜比輻

32、射率，并得到：(1.4.5)例如：地球大氣中有一層穩(wěn)定的二氧化碳?xì)怏w，它在1416微米有一很強(qiáng)吸收帶，也是1416微米很穩(wěn)定的強(qiáng)輻射源。衛(wèi)星紅外地平儀的探測(cè)波段就選擇在1416微米，實(shí)際探測(cè)的是穩(wěn)定的二氧化碳大氣層的輻射，而不是地球大地的輻射。這樣可消除地球大地的輻射不均勻?qū)ψ藨B(tài)控制精度的影響。1.4.2.2 普朗克熱輻射定律1879年，斯蒂芬從他的實(shí)驗(yàn)測(cè)量中得出結(jié)論：黑體輻射的總能量與它的絕對(duì)溫度的四次方成正比。1884年，波爾茲曼應(yīng)用熱力學(xué)的關(guān)系也得到同樣的結(jié)論；這個(gè)結(jié)果就是熟知的斯蒂芬波爾茲曼定律。1894年，維恩發(fā)表位移定律，給出了黑體輻射光譜分布的一般形式，遺憾的是它僅與低溫時(shí)短波段

33、的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相符。然而，他的位移定律，即溫度與輻射能量峰值波長(zhǎng)關(guān)系的距離仍然有效。1900年，瑞利基于經(jīng)典物理的概念，推導(dǎo)出與高溫時(shí)長(zhǎng)波段實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合的表達(dá)式，可是表達(dá)式預(yù)言能量隨波長(zhǎng)減小會(huì)無(wú)限制增加，被人稱為“紫外災(zāi)難”。1900年，普朗克發(fā)表的輻射定理，用量子物理的新概念補(bǔ)充了經(jīng)典物理理淪，完整敘述了黑體輻射的光譜分布。普朗克定理可表示為:(1.4.6)通常也可寫(xiě)成：(1.4.7)溫度從500°K到900°K范圍的黑體輻射光譜通量密度曲線如圖所示。這是一個(gè)重要范圍，因?yàn)樗藴u輪噴氣機(jī)尾噴管的溫度。 圖1.11 各種溫度下的黑體光譜輻射通量密度全光譜的輻射通量密度與光

34、譜分布曲線下的面積相對(duì)應(yīng)，可積分求解：(1.4.8)由圖可見(jiàn)：隨黑體溫度增加，總輻射通量密度迅速增加，光譜輻射的峰值波長(zhǎng)隨向短波方向移動(dòng)。另外，不同溫度的光譜分布曲線彼此不相交，說(shuō)明任何波長(zhǎng)的光譜通量密度都隨溫度的升高而增加。波段的輻射通量密度也可用同樣方法求得，只是積分限不同：(1.4.9)可借助黑體輻射表計(jì)算波段輻射通量密度，由于黑體輻射表給出的是0的輻射通量密度，可作變換求得結(jié)果：(1.4.10)例如：熱成象系統(tǒng)經(jīng)常要用到常溫（300°K）的黑體在814微米的輻射功率密度，可有：=2.3695×10-2-6.4403×10-3=1.7255×10-

35、2 W·cm-2。隨計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，用數(shù)值積分方法計(jì)算黑體輻射已不是難事。1.4.3 普朗克定律的重要推論1.4.3.1 斯蒂芬-波耳茲曼定律在從零到無(wú)窮大的波長(zhǎng)范圍內(nèi),對(duì)普朗克光譜分布函數(shù)積分,可得黑體輻射到半球空間的輻射通量密度：(1.4.11)式中 : 斯蒂芬-波耳茲曼常數(shù), 5.6697×10-12 （）輻射通量密度與絕對(duì)溫度的四次方成正比。因此，相當(dāng)小的溫度變化，就會(huì)引起輻射功率密度很大的變化。1.4.3.2 維恩位移定律普朗克光譜分布函數(shù)對(duì)求波長(zhǎng)的偏微分，并令其為零，可得出黑體的光譜輻射通量密度的峰值波長(zhǎng)和黑體絕對(duì)溫度之間滿足： 微米(1.4.12)在實(shí)際可以

36、達(dá)到的溫度范圍內(nèi), 光譜輻射的峰值波長(zhǎng)均位于紅外區(qū)域。如300K室溫條件下，峰值波長(zhǎng)為9.66微米，因此，8至14微米紅外波段有時(shí)也稱為熱紅外波段。峰值波長(zhǎng)的光譜輻射通量密度與絕對(duì)溫度的五次方成正比，即：(1.4.13)式中 為1.2862×10-15 （）1.4.3.3 微分輻射亮度我們將單位溫差產(chǎn)生的黑體輻射亮度差稱為微分輻射亮度，有的書(shū)上也稱輻射對(duì)比度。微分輻射亮度與紅外系統(tǒng)的溫度靈敏度關(guān)系十分密切。根據(jù)一幅紅外熱圖像中目標(biāo)和背景輻射亮度的差別，我們可以區(qū)分船只與水面、車輛與道路、莊稼與草地、建筑物與地面等。實(shí)際上，目標(biāo)和背景之間溫度差和比輻射率差都能產(chǎn)生兩者的輻射對(duì)比度。為便

37、于評(píng)估，紅外熱成像系統(tǒng)的探測(cè)靈敏度可用溫度靈敏度的形式表達(dá)。如用：等效噪聲溫差（NEDT）、最小可分辨溫差（MRDT）等。知道了熱成像系統(tǒng)的溫度靈敏度，由于比輻射率引起輻射對(duì)比度完全可用等效折算方法求得。微分輻射亮度同樣有光譜值和波段值之分，先介紹光譜微分輻射亮度。根據(jù)普朗克定律，黑體的光譜微分輻射亮度為：(1.4.14)則光譜微分輻射亮度（單位：）為(1.4.15)光譜微分輻射亮度是溫度、波長(zhǎng)的函數(shù)，在峰值波長(zhǎng) 處取得最大。對(duì)單位溫差變化，波長(zhǎng)為輻射的亮度差最大，對(duì)探測(cè)最為有利。光譜微分輻射亮度的峰值波長(zhǎng)與溫度之積也是常數(shù)，可表示為：微米·°K(1.4.16)對(duì)照維恩位移

38、定律，光譜微分輻射亮度達(dá)到最大的峰值波長(zhǎng)不再是光譜輻射出射度達(dá)到最大的，小于。對(duì)于300K的溫度，等于8微米，峰值波長(zhǎng)為9.66微米。后面章節(jié)將講到，地球大氣層不是對(duì)所有波長(zhǎng)都透過(guò)的，主要的大氣窗口位于2到2.5微米, 3到5微米和8到13微米。8到13微米是熱像儀觀察地面目標(biāo)最理想的工作波段。無(wú)論是光譜輻射量,還是光譜輻射量隨溫度的變化率均較其他兩個(gè)窗口高得多。光譜微分輻射亮度在工作波段的積分值叫做微分輻射亮度：(1.4.17)例1：計(jì)算室溫墻面(300K)和人的皮膚（305K）在814微米的輻射出射度, 忽略比輻射率的影響?？捎脙煞N方法：1）直接用普朗克定律計(jì)算2) 利用300K時(shí)的出射度

39、和微分輻射亮度計(jì)算300K時(shí)814微米波段的微分輻射亮度：305K皮膚的輻射出射度：溫差較小時(shí)，兩種方法算得結(jié)果近似相等。例2： 如一個(gè)814微米波段熱象儀的300K室溫時(shí)的溫度靈敏度為0.1K，試估算如用來(lái)探測(cè)浮冰，或高壓電纜接頭，溫度靈敏度將是多少？可分別計(jì)算300K室溫，273K浮冰及350K（設(shè)溫升50度）的微分輻射亮度：室溫時(shí)的溫度靈敏度為0.1K的熱像儀，如探測(cè)浮冰，溫度靈敏度為0.13K,如用來(lái)檢測(cè)電纜接頭是否過(guò)熱，溫度靈敏度可達(dá)0.07K。紅外系統(tǒng)的溫度靈敏度與被測(cè)物溫度有關(guān)。1.5 比輻射率1.5.1 黑體、灰體和選擇性輻射體比輻射率定義為輻射源的輻射出射度與具有同一溫度的黑

40、體的輻射出射度之比。比輻射率是材料種類及表面磨光程度的函數(shù)，它隨波長(zhǎng)和材料溫度而變。根據(jù)熱輻射定律，可將全光譜的比輻射率寫(xiě)成更普遍的表達(dá)式：(1.4.18)根據(jù)光譜比輻射率，可將輻射體分為三類：圖1.12黑體、灰體和選擇性輻射體的比輻射率1） 黑體或普朗克輻射體，其；2） 灰體，其常數(shù)，但小于1；3） 選擇性輻射體，隨波長(zhǎng)而變。圖1.13同一溫度下三類輻射體的光譜輻射通量密度由于黑體是最佳的熱輻射體,在同樣的溫度下，其總輻射通量或任意光譜區(qū)間的波段輻射通量都比其他輻射體大。因此，黑體的光譜分布曲線是各種輻射體光譜分布曲線的包絡(luò)線?；殷w的比輻射率是黑體的一個(gè)不變的分?jǐn)?shù)，這是一個(gè)特別有用的概念。因

41、為有些輻射源，如噴氣機(jī)尾噴管、氣動(dòng)加熱表面、無(wú)動(dòng)力空間飛行器、人體、大地及空間背景在有限的光譜區(qū)間內(nèi)都可視為灰體，并對(duì)大多數(shù)工程計(jì)算有足夠的準(zhǔn)確度。噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)或火箭的尾焰是典型的選擇性輻射體。在燃?xì)饬髦校饕娜紵锸嵌趸己退羝?，它們產(chǎn)生了特有的分子發(fā)射帶。二氧化碳強(qiáng)譜帶在4.3微米,較弱譜帶分別在2.7微米和15微米。水分子強(qiáng)譜帶靠近2.7微米和6.3微米。4.3微米二氧化碳發(fā)射帶的輻射強(qiáng)度約為2.7微米水分子發(fā)射帶強(qiáng)度的3倍。對(duì)各種火焰的測(cè)量表明，這個(gè)比值可以從2.5至10,主要與所用的材料有關(guān)。從探測(cè)角度看，考慮到太陽(yáng)光線干擾和大氣透過(guò)，4.3微米二氧化碳發(fā)射帶也比2.7微米水分子

42、發(fā)射帶更有用。如按嚴(yán)格定義，黑體的比輻射率在全光譜范圍內(nèi)應(yīng)恒等于1，灰體的比輻射率應(yīng)恒等于一個(gè)常數(shù)，幾乎所有材料都是選擇性輻射體。但許多材料在有限的光譜區(qū)間的輻射特性完全可看成灰體，這樣可以簡(jiǎn)化計(jì)算。1.5.2 材料的比輻射率從基爾霍夫定律可得出結(jié)論：在給定溫度下，任何材料的比輻射率在數(shù)值上等于該溫度時(shí)的吸收率。根據(jù)能量守恒定律，入射的輻射能等于吸收、反射、透過(guò)能量之和，即：（1.4.19）對(duì)于不透輻射材料，所以有：(1.4.20)由于直接測(cè)量比輻射率比較困難，可通過(guò)測(cè)量反射率來(lái)間接測(cè)量比輻射率。常用材料的比輻射率如表所列，由表可見(jiàn)：1） 金屬材料的比輻射率均較低,但隨溫度而增加,并且當(dāng)表面形

43、成氧化層后,比輻射率成十倍或更大倍數(shù)增加。2） 非金屬的比輻射率要高些，一般大于0.8,并隨溫度的增高而減小。3） 金屬或其他非透明材料的輻射發(fā)生在表面幾微米內(nèi),因此,比輻射率與材料尺寸無(wú)關(guān),主要與表面狀態(tài)有關(guān)。表面涂復(fù)或刷漆對(duì)比輻射率有影響，表面的油膜、污垢、灰塵、擦傷都能引起比輻射率測(cè)量值的變化。4） 比輻射率是有方向性的，必須分別定義半球、定向、法向等三類不同的比輻射率。由于這三類比輻射率的差別較小，除磨光金屬外，其差都可忽略。對(duì)磨光金屬，半球比輻射率約比法向值大20%，但由于很少用磨光金屬做輻射源，一般就不特別注明了。表1.3 常見(jiàn)材料比輻射率的法向值表1.3 常見(jiàn)材料比輻射率的法向值

44、（續(xù)）同樣一種材料在不同波段的比輻射率的差異很大，雪就是一個(gè)典型例子。表中給出雪的比輻射率為0.85，這是在紅外波段測(cè)得的平均結(jié)果。雪在陽(yáng)光照射下顯得十分耀眼，說(shuō)明雪在可見(jiàn)波段是很好的漫反射體，由于吸收很少，根據(jù)基爾霍夫定律，它的比輻射率應(yīng)該很低。太陽(yáng)輻射相當(dāng)于6000K黑體，其輻射的峰值波長(zhǎng)在0.5微米處,整個(gè)輻射能量98處于0.15到3微米的波段內(nèi)。由于人眼只對(duì)可見(jiàn)光敏感, 最敏感的波長(zhǎng)在0.5微米左右，陽(yáng)光下我們觀察到的雪確實(shí)應(yīng)該是白的。比輻射率定義為輻射源的輻射出射度與具有同一溫度的黑體的輻射出射度之比。表中給出的雪的比輻射率值是在10時(shí)測(cè)得的，該溫度下的黑體輻射的峰值波長(zhǎng)在11微米，

45、且整個(gè)輻射能量約有98處于3微米到70微米的波段內(nèi)。因此，表中給出的雪的比輻射率主要反映雪在紅外波段的發(fā)射本領(lǐng)。可惜人眼不能感知紅外，否則雪應(yīng)該是“黑”的。像衛(wèi)星那樣的航天飛行器進(jìn)入日照區(qū)時(shí)，星體大量吸收太陽(yáng)輻射的能量，艙內(nèi)迅速升溫。進(jìn)入陰影區(qū)后，星體又向深冷太空輻射能量，艙內(nèi)急劇降溫。我們可充分利用星體的殼體材料在太陽(yáng)輻射波段和殼體熱輻射波段發(fā)射能力的差別，對(duì)星體結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱控設(shè)計(jì)，減小艙內(nèi)環(huán)境溫度的波動(dòng)。熱控設(shè)計(jì)時(shí)，殼體材料對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收率以及在低溫（300K）輻射時(shí)的比輻射率是非常重要的參數(shù)。內(nèi)部沒(méi)有能量散逸的衛(wèi)星稱為被動(dòng)式衛(wèi)星，其平衡溫度僅取決與值。值高的為“熱衛(wèi)星”，值低的為“冷衛(wèi)星

46、”。對(duì)于有能量散逸的主動(dòng)式衛(wèi)星，必須考慮其他一些因素，但決定它們的平衡溫度時(shí)，仍是最重要的一個(gè)量。表1.4 空間飛行器蒙皮材料的太陽(yáng)吸收系數(shù)和低溫（300K）的比輻射率比較一下磨光鋁板和白色氧化鈦涂料的值，就能明白：為什么許多飛機(jī)為降低停放地面時(shí)太陽(yáng)照射產(chǎn)生的內(nèi)部高溫，都涂以涂層。美國(guó)雙子星座載人飛船以制動(dòng)艙和設(shè)備艙外蒙皮為輻射散熱面, 為0.9，對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收率為0.187。其值為0.21，對(duì)艙內(nèi)的紅外探測(cè)儀器比較有利。1.6 黑體型輻射源1.6.1 黑體和黑體型輻射源基爾霍夫定義的黑體是一個(gè)理想化的物理模型，它的比輻射率為1，且與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，而且是理想的漫發(fā)射體。這樣，黑體可以用來(lái)作為與其

47、它輻射源比較的基準(zhǔn)。我們雖然無(wú)法制作出這樣一個(gè)嚴(yán)格意義上的黑體，但我們可以制作一個(gè)盡可能接近絕對(duì)黑體的輻射源，比如它的比輻射率非常接近1，而且在一定的光譜范圍內(nèi)與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，在一定的空間輻射范圍內(nèi)遵循朗伯余弦定律。這樣的輻射源本質(zhì)上應(yīng)是灰體，或者應(yīng)確切地稱之為黑體型輻射源。多年來(lái)，紅外領(lǐng)域的工作者都把這類黑體型輻射源稱為黑體，約定俗成，黑體型輻射源這一更為確切的名稱反而不常使用了。1860年，基爾霍夫提出了制作黑體必須滿足的條件。他指出，在一個(gè)等溫密封腔內(nèi)的輻射就是黑體輻射。所以，如果在密封腔壁上開(kāi)一小孔，小孔發(fā)出的輻射應(yīng)該是逼真地模擬了黑體輻射。他進(jìn)一步指出，無(wú)論密封腔的幾何形狀或制作材料如何

48、，都不影響這個(gè)結(jié)果。重要的是，密封腔要是真正等溫的，同時(shí)，小孔的面積比密封腔內(nèi)表面的面積要小得多。絕對(duì)黑體要求對(duì)任何波長(zhǎng)的輻射100吸收，材料本身無(wú)法做到這一點(diǎn)，但是，入射到密封腔小孔的的輻射卻能被密封腔壁完全吸收。圖1.8 人造黑體原理如在等溫容器A上開(kāi)一個(gè)小孔B，所有由小孔B入射的光線經(jīng)過(guò)多次反射才能由B射出。當(dāng)腔壁的反射率較小，反射次數(shù)較多時(shí)，只有極小部分的光才能從B射出。例如把A的內(nèi)表面涂黑，設(shè)吸收率為0.9,反射率為0.1,經(jīng)三次反射后,它就吸收了入射光的0.999,已經(jīng)非常接近黑體了。因此，只要滿足腔壁近似等溫，開(kāi)孔比腔體小得多，就有可能制作一個(gè)黑體源。圖1.14 人造黑體原理1.

49、6.2 黑體腔的有效比輻射率根據(jù)黑體空腔理論，增加空腔輻射面積，改善空腔內(nèi)部溫度均勻性，提高腔壁材料發(fā)射率是提高空腔有效發(fā)射率的重要因素。黑體的有效比輻射率可通過(guò)計(jì)量標(biāo)定和理論計(jì)算得到。Gouffe對(duì)黑體設(shè)計(jì)問(wèn)題作了分析，雖然他的某些方法的合理性尚有爭(zhēng)議，大多數(shù)敘述作為校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)的高精度黑體結(jié)構(gòu)的文章，都利用了Gouffe的方法來(lái)計(jì)算有效比輻射率。假定腔體是漫反射體，Gouffe的有效比輻射率計(jì)算公式為：(1.5.1)(1.5.2)式中 為腔體有效比輻射率；為腔壁比輻射率；開(kāi)口面積，厘米2；包括開(kāi)口面積在內(nèi)的腔體總表面面積，厘米2；直徑等于腔體深度（從開(kāi)口平面到腔體最深點(diǎn)）的球體表面積，厘米2。

50、一個(gè)黑體型輻射源的有效比輻射率與腔體形狀、開(kāi)孔大小、腔壁的比輻射率及等溫精度都有關(guān)。設(shè)計(jì)黑體除要求其有效比輻射率盡量接近于1外，開(kāi)孔大小、等溫精度均極其重要。等溫精度影響到輻射的定量精度。開(kāi)孔太小，無(wú)法獲得一定的輻射能量，開(kāi)孔過(guò)大有效比輻射率較低，也不易做到等溫。黑體源的腔體結(jié)構(gòu)通常有球型、園柱型或圓錐型等形式，選擇時(shí)需要綜合考慮各種因素。可對(duì)腔體形狀作初步分析。設(shè)球型、園柱型和圓錐型腔體具有相等的（腔長(zhǎng)與開(kāi)口半徑比），用Gouffe公式可計(jì)算并比較它們的有效比輻射率?？梢园l(fā)現(xiàn)：球形黑體有效比輻射率最高，園柱次之，圓錐最低。這是因?yàn)榍蛐吻惑w內(nèi)反射次數(shù)最多的緣故。圖1.15 三種腔體結(jié)構(gòu)比較Go

51、uffe公式計(jì)算得出的結(jié)論是：對(duì)于給定的L/r值，表面積最大的腔體的有效比輻射率最高，其腔體效應(yīng)是極為明顯的。腔體的有效比輻射率總是超過(guò)其腔壁的比輻射率，腔壁材料比輻射率較低時(shí)，增加腔長(zhǎng)/開(kāi)孔半徑之比，可明顯改善腔體的有效比輻射率。以L/r等于6的圓錐腔體為例：表1.5 不同腔長(zhǎng)/開(kāi)孔半徑比和腔壁材料制成圓錐黑體的有效比輻射率腔長(zhǎng)/開(kāi)孔半徑腔壁比輻射率腔體有效比輻射率60.90.99560.10.53400.10.93對(duì)給定L/r值，球形腔體有效比輻射率最高，但制作較難，也難以均勻加熱。因此，園柱或圓錐腔體結(jié)構(gòu)還是經(jīng)常采用的。開(kāi)孔較小的點(diǎn)源黑體可以把整個(gè)腔體做成圓錐狀，一些大口徑的黑體面源的有

52、效輻射面和附罩加工成同心V型槽，V型槽的深度遠(yuǎn)大于槽的寬度，即有較大L/r值。1.6.3 典型黑體輻射源的結(jié)構(gòu)包容腔體的大塊材料稱為芯子。芯子材料應(yīng)有較高的熱傳導(dǎo)系數(shù)，使溫度梯度最小。在高溫時(shí)，要有好的抗氧化能力和不易剝落的性能，并且有高的比輻射率。1400K以下黑體源的芯子材料一般都選用不銹鋼，因?yàn)椴讳P鋼有良好的導(dǎo)熱系數(shù)，氧化表面的穩(wěn)定性也很高。銅導(dǎo)熱雖好，但受熱后形成的氧化層不穩(wěn)定。1400K以上可用石墨或陶瓷。芯子一般由繞在其外圍的鎳鉻絲加熱。為改善腔體溫度的均勻性，可改變芯子的外型輪廓或采取非均勻繞組，盡量使每圈加熱繞組加熱的金屬體積不變。在腔體的開(kāi)口附近損失最大，可在此部位增加加熱圈

53、數(shù)。由于開(kāi)口端很難均熱，可以在黑體源的出口處設(shè)置光欄盤。該光欄相當(dāng)于測(cè)量系統(tǒng)視場(chǎng)光欄，使測(cè)量系統(tǒng)只能看到黑體腔的溫度較為均勻的中心部分。黑體源的輻射面積等于光欄孔的面積。圖1.16 典型黑體型輻射源的詳細(xì)結(jié)構(gòu)黑體源的輻射功率對(duì)溫度十分敏感。T=800K時(shí)，溫度變化1K ，輻射功率將變化5%。因此，黑體源常用鉑電阻測(cè)溫，PID精密溫控裝置，控溫精度可達(dá)0.1K。應(yīng)該指出：上述腔型黑體的出射輻射僅在與軸線夾角不超過(guò)5°10°范圍內(nèi)符合朗伯余弦關(guān)系。當(dāng)測(cè)量系統(tǒng)在大于這一范圍介紹接收輻射時(shí)，不能再用前面介紹的簡(jiǎn)單關(guān)系計(jì)算。必須測(cè)出輻射的角分布，用積分計(jì)算輻射量。另外，當(dāng)測(cè)量系統(tǒng)的光

54、學(xué)口徑較大時(shí)，輻射不充滿入瞳，會(huì)引入許多誤差。因此，一般黑體源總與大口徑平行光管配合使用。例如：黑體光欄孔為10mm,平行光管口徑400mm,焦距4000mm?？伤愕闷叫泄夤艿臅?huì)聚角為5.7°，出射光束的發(fā)散角為0.14°。如測(cè)量系統(tǒng)視場(chǎng)很小，在沿光軸方向可自由放置，在垂直光軸方向只要不超過(guò)400mm的范圍，均可測(cè)得穩(wěn)定的結(jié)果。圖1.17 由黑體和平行光管組成的輻射定標(biāo)源下圖為一個(gè)大口徑同心槽低溫面源，工作溫度150350K。它由有效輻射面和附罩組成，有效輻射面和附罩均加工成同心V型槽。材料用SY12鋁，強(qiáng)氧化發(fā)黑，黑層發(fā)射率0.930.94。理論上，空腔有效發(fā)射率可達(dá)0.998，輻射面的有效發(fā)射率為0.9972。圖1.18大