第一章輻射度與光度學(xué)基礎(chǔ)-ppt課件

1、第一章第一章 輻射度和光度學(xué)根底輻射度和光度學(xué)根底 11 輻射度量與光度學(xué)量12輻射度學(xué)與光度學(xué)中的根本定律 13 輻射能的傳輸根底 11 輻射度量與光度學(xué)量引言n輻射度學(xué)radiometry或稱輻射丈量，是丈量電磁波所傳送的能量電磁輻射能或丈量與這一能量特征有關(guān)的其它物理量的科學(xué)技術(shù)。人類生活在電磁輻射的環(huán)境中，被天然的或人工的電磁輻射所包圍，因此，在丈量和控制這種輻射能方面會有很多要求。在整個電磁頻譜范圍內(nèi)，不同的頻譜段，應(yīng)采用不同的輻射能丈量方法。輻射度學(xué)量表示輻射能的大小，根本量是輻射功率或輻射通量，單位是瓦特W。n輻射度學(xué)適用于整個電磁波譜，主要用于X光、紫外光、紅外光以及其他非可見

2、的電磁輻射。所涉及的論題非常廣泛，包括輻射能的根本概念、輻射能的傳輸、變換以及儀器的輻射度學(xué)校準或標定。n光度學(xué)適用于波長在0.38m0.78m范圍內(nèi)的電磁輻射可見光波段，它運用的參量稱為光度學(xué)photometry量。以人的視覺習慣為根底建立。輻射度學(xué)量是用能量單位描畫光輻射能的客觀物理量。光度學(xué)量描畫光輻射能為人眼接受所引起的視覺刺激大小的強度，是生理量。光度學(xué)量的根本量是光通量，單位是流明lm。11 輻射度量與光度學(xué)量n輻射度學(xué)的根本概念輻射度學(xué)的根本概念 輻射能傳播的直線性輻射能傳播的直線性: :即輻射能在傳播過程中，其空間分布不會偏分開即輻射能在傳播過程中，其空間分布不會偏分開一條由幾

3、何射線所確定的道路。描畫這種傳播特性的科學(xué)技術(shù)叫幾何光一條由幾何射線所確定的道路。描畫這種傳播特性的科學(xué)技術(shù)叫幾何光學(xué)或光線光學(xué)。大部分輻射度學(xué)的概念建立在這種幾何光學(xué)的根底上。學(xué)或光線光學(xué)。大部分輻射度學(xué)的概念建立在這種幾何光學(xué)的根底上。實踐上，幾何光學(xué)沒有思索作為動搖景象的衍射效應(yīng)實踐上，幾何光學(xué)沒有思索作為動搖景象的衍射效應(yīng), ,衍射角為衍射角為: : 輻射的非相關(guān)性輻射的非相關(guān)性: :即輻射能是不相關(guān)的，因此不用思索干涉效應(yīng)。干涉即輻射能是不相關(guān)的，因此不用思索干涉效應(yīng)。干涉也是一種動搖景象，電磁輻射能束的時間相關(guān)長度，即沿輻射能束傳播也是一種動搖景象，電磁輻射能束的時間相關(guān)長度，即沿

4、輻射能束傳播方向的相關(guān)間隔，近似為：方向的相關(guān)間隔，近似為： 輻射能的量子性輻射能的量子性: :即輻射能的每個光子或量子具有能量即輻射能的每個光子或量子具有能量 D2clEh輻射度的根本物理量輻射度的根本物理量1.輻射能輻射能Qe 輻射能定義為一種以電磁波的方式發(fā)射、傳播或接納輻射能定義為一種以電磁波的方式發(fā)射、傳播或接納的能量，單位是焦耳的能量，單位是焦耳J。 2.輻射通量輻射通量e 輻射通量又稱輻射功率輻射通量又稱輻射功率Pe，是輻射能的時間變化率，是輻射能的時間變化率，單位為瓦單位為瓦W，即單位時間內(nèi)經(jīng)過某一定面積的發(fā)射、傳播或接納，即單位時間內(nèi)經(jīng)過某一定面積的發(fā)射、傳播或接納的輻射能，

5、的輻射能，e=dQe/dtJ/s，焦耳每秒，焦耳每秒。 3.輻射強度輻射強度Ie 點輻射源在給定方向上單位立體角內(nèi)的輻射通量，點輻射源在給定方向上單位立體角內(nèi)的輻射通量，單位為單位為Wsr，瓦每球面度，瓦每球面度，Ie=de/d。在一切方向上輻。在一切方向上輻射強度都一樣的點輻射源在有限立體角內(nèi)發(fā)射的輻射通量為射強度都一樣的點輻射源在有限立體角內(nèi)發(fā)射的輻射通量為 在空間一切方向在空間一切方向( )上發(fā)射的輻射能通量為上發(fā)射的輻射能通量為 實踐上實踐上,普通輻射源多為各向異性的輻射源普通輻射源多為各向異性的輻射源Ie=Ie(,)，這樣，點輻射源在整個空間發(fā)射的輻，這樣，點輻射源在整個空間發(fā)射的輻

6、射通量為射通量為 4eeI 4eeI 200,sineeeIddId 輻射度的根本物理量輻射度的根本物理量4.輻射照度輻射照度Ee 為了評定輻射體對安裝的作用，要引入輻射照度的概念，為了評定輻射體對安裝的作用，要引入輻射照度的概念，它表示為投射在單位面積上的輻射通量，即它表示為投射在單位面積上的輻射通量，即Ee=de/dA，單位為，單位為w/m2，瓦每平方米，瓦每平方米，dA為被投射的外表的面積元。為被投射的外表的面積元。 5.輻射出射度輻射出射度Me 輻射出射度為擴展輻射源單位面積所輻射的通量，也輻射出射度為擴展輻射源單位面積所輻射的通量，也稱為輻射發(fā)射度輻射身手，即稱為輻射發(fā)射度輻射身手，

7、即Me=d/dS。是擴展源外表在各方。是擴展源外表在各方向上通常為半空間立體角所發(fā)出的總的輻射通量，單位為向上通常為半空間立體角所發(fā)出的總的輻射通量，單位為W/m2，瓦每平方米瓦每平方米。 留意留意Ee和和Me的差別的差別 6.輻射亮度輻射亮度Le 輻射亮度定義為擴展源外表一點處的面元在給定方向上輻射亮度定義為擴展源外表一點處的面元在給定方向上單位立體角、單位投影面積內(nèi)發(fā)出的輻射通量，即輻射外表定向發(fā)射的單位立體角、單位投影面積內(nèi)發(fā)出的輻射通量，即輻射外表定向發(fā)射的輻射強度，它決議于單位面積的輻射外表所發(fā)射的輻射強度，它決議于單位面積的輻射外表所發(fā)射的 通量的空間分布。在與輻射外表通量的空間分

8、布。在與輻射外表dS的法線成的法線成角角 的方向上，輻射亮度等于該方向上的輻射強度的方向上，輻射亮度等于該方向上的輻射強度dIe 與輻射外表在該方向垂直面上的投影面積之比與輻射外表在該方向垂直面上的投影面積之比 2coscoseeedIdLdSddS Le的數(shù)值與擴展輻射源外表的性質(zhì)有關(guān)，并且隨方向而變。因此，輻射源輻射亮度的普通表達式為 7.光譜輻射通量 光譜輻射通量又稱為輻射通量的光譜密度。為了表征輻射，不僅要知道輻射的總通量和強度，還應(yīng)知道其光譜組份。輻射源所輻射的能量往往由許多不同波長的單色輻射所組成，為了研討各種不同波長的輻射通量，需求對某一波長的單色光的輻射能量做出相應(yīng)的定義。光譜

9、輻射通量是單位波長間隔內(nèi)的輻射度量。 光譜輻射通量e()：輻射源發(fā)出的光在波優(yōu)點的單位波長間隔內(nèi)的輻射通量。輻射通量與波長的關(guān)系如圖。其式為 假設(shè)按光譜積分該函數(shù)，那么可求得總的輻射通量值： 2,coseedLddS /eedd 0eed 輻射度的根本物理量輻射度的根本物理量n前面引見的幾個重要的輻射量，都有與光譜輻射通量有相對應(yīng)的關(guān)系，如光譜輻照度Ee() =dEe/d、光譜輻射出射度Me()=dMe/d等，其總輻射度量的積分方式也類似，我們將其列于表11中。n 對于波長不延續(xù)的輻射源，具有線光譜或帶光譜特征，其總輻射通量為 ee輻射度的根本物理量輻射度的根本物理量光度的根本物理量n由于照明

10、的效果最終是以人眼來評定的，因此照明光源的特性只用輻射能參數(shù)來描畫是不夠的，必需用基于人眼視覺的光學(xué)參數(shù)光度學(xué)量來描畫 n光譜光視效率：國際照明委員會CIE根據(jù)對許多人的大量察看結(jié)果，確定了人眼對各種波長光的平均相對靈敏度，稱之為“規(guī)范光度察看者光譜光視效率，或稱之為視見函數(shù)。如下圖：圖中實線是亮度大于3cd/m2時的明視覺光譜光視效率，用V()表示，此時的視覺主要由人眼視網(wǎng)膜上分布的錐體細胞的刺激所引起的；V()的最大值在555nm處。圖中虛線是亮度小于0.001cd/m2時的暗視覺光譜光視效率，用V()表示，此時的視覺主要由人眼視網(wǎng)膜上分布的桿狀細胞刺激所引起的；V()的最大值在507nm

11、處。光度的根本物理量表12 明視覺和暗視覺的光譜光視效率最大值1 光度的根本物理量光度的根本物理量光度的根本物理量 我們在輻射度量學(xué)中引見的各個根本量我們在輻射度量學(xué)中引見的各個根本量ee、MeMe、IeIe、LeLe和和EeEe對對整個電磁波譜都適用；而在光度學(xué)中光度量和輻射度量的定義、定整個電磁波譜都適用；而在光度學(xué)中光度量和輻射度量的定義、定義方程是一一對應(yīng)的，只是光度量只在光譜的可見波段義方程是一一對應(yīng)的，只是光度量只在光譜的可見波段380380780nm780nm才有意義。為防止混淆，在輻射度量符號上加下標才有意義。為防止混淆，在輻射度量符號上加下標“e e，而，而在光度量符號上加下

12、標在光度量符號上加下標“v v。光度學(xué)中相應(yīng)量。光度學(xué)中相應(yīng)量vv、MvMv、IvIv、LvLv和和EvEv與輻射度量與輻射度量ee、MeMe、IeIe、LeLe和和EeEe間的對應(yīng)關(guān)系由表間的對應(yīng)關(guān)系由表1 13 3給出。由于給出。由于人眼對等能量的不同波長的可見光輻射能所產(chǎn)生的光覺得是不同的，人眼對等能量的不同波長的可見光輻射能所產(chǎn)生的光覺得是不同的，因此按人眼的視覺特性因此按人眼的視覺特性V V來評價的輻射通量來評價的輻射通量ee即為光通量即為光通量VV，這兩者的關(guān)系是這兩者的關(guān)系是 式中為明視覺的最大光譜光視效率函數(shù)，亦稱為光功當量，它表式中為明視覺的最大光譜光視效率函數(shù)，亦稱為光功當

13、量，它表示人眼對波長為示人眼對波長為555nmV555nmV55555511光輻射產(chǎn)生光覺得的效能。按光輻射產(chǎn)生光覺得的效能。按國際適用溫標國際適用溫標IPTS-68IPTS-68的實際計算值為的實際計算值為 lm/W lm/W 780380VmeKVd 680mK光度的根本物理量n同理，其它光度量也有類似的關(guān)系。用普通的函數(shù)表示光度量與輻射量之間的關(guān)系，那么有n光度量中最根本的單位是發(fā)光強度單位坎德拉Candela，記做cd，它是國際單位制中七個根本單位之一。其定義是發(fā)出頻率為Hz對應(yīng)在空氣中555nm波長的單色輻射，在給定方向上的輻射強度為(1/683)W.sr時，在該方向上的發(fā)光強度為1

14、cd。n光通量的單位是流明lm，它是發(fā)光強度為1cd的均勻點光源在單位立體角1sr內(nèi)發(fā)出的光通量。n光照度的單位是勒克斯lx，它相當于1lm的光通量均勻地照在1m2面積上所產(chǎn)生的光照度。 780380VmeXKXVd輻射度量與光度量的對比熱輻射的根本物理量熱輻射的根本物理量 n由于外界熱量傳送給物體而發(fā)生的輻射稱為熱輻射。熱輻射源的特性是它的輻射能量直接與它的溫度有關(guān)。假設(shè)物體從周圍物體吸收輻射能所得到的熱量恰好等于本身輻射而減少的能量，那么輻射過程到達平衡形狀，這稱為熱平衡輻射，這時輻射體可以用一個固定的溫度來描畫。在研討熱平衡輻射所服從的規(guī)律時，我們假定物體發(fā)射能量和吸收能量的過程中，除了

15、物體的熱形狀有所改動外，它的成分并不發(fā)生其它變化。因此，輻射能量的發(fā)出和吸收有特殊的意義。 n1. 輻射身手 輻射身手是輻射體外表在單位波長間隔單位面積內(nèi)所輻射的通量，即 n2. 吸收率 吸收率是在波長到+d間隔內(nèi)被物體吸收的通量與入射通量之比，它與物體的溫度及波長有關(guān)，定義式為 ,eMTdd dA ,eeTdd 熱輻射的根本物理量熱輻射的根本物理量3. 3. 絕對黑體：任何物體，只需其溫度在絕對零度以上，就向外界發(fā)出絕對黑體：任何物體，只需其溫度在絕對零度以上，就向外界發(fā)出輻射，這稱為溫度輻射。黑體是一種完全的溫度輻射體，定義為吸收率輻射，這稱為溫度輻射。黑體是一種完全的溫度輻射體，定義為吸

16、收率 的物體為絕對黑體，其輻射身手以的物體為絕對黑體，其輻射身手以 表示，那么表示，那么 4. 4. 物體的發(fā)射率物體的發(fā)射率 物體的發(fā)射率定義為物體的輻射身手與絕對黑體輻物體的發(fā)射率定義為物體的輻射身手與絕對黑體輻射身手之比，即射身手之比，即 可以看出，可以看出， ，這闡明任何具有強輻射吸收的物體必定，這闡明任何具有強輻射吸收的物體必定發(fā)出強的輻射。發(fā)出強的輻射。 非黑體的輻射才干不僅與溫度有關(guān)，而且與外表資料的性質(zhì)有關(guān)。非黑體的輻射才干不僅與溫度有關(guān)，而且與外表資料的性質(zhì)有關(guān)。在自然界中，理想的黑體是不存在的，吸收身手最多只需在自然界中，理想的黑體是不存在的，吸收身手最多只需0.960.9

17、60.990.99。實踐任務(wù)時，黑體往往是用外表涂黑的球形或柱形空腔來人為地實現(xiàn)。實踐任務(wù)時，黑體往往是用外表涂黑的球形或柱形空腔來人為地實現(xiàn)。 ,bMT,1T ,bMTMTT ,bTMTMT ,TT 12輻射度學(xué)與光度學(xué)中的根本定律n熱輻射根本上可分為兩類，即黑體輻射和線狀、帶狀輻射源。一些不透明物體或熾熱稠密氣體接近黑體，輻射為延續(xù)光譜，而一些被鼓勵的氣體發(fā)光那么為線狀或帶狀光譜。我們可用假設(shè)干個根本定律對熱輻射進展較為完善的描畫。 基爾霍夫基爾霍夫(Kirchhoff)(Kirchhoff)定律定律 n基爾霍夫發(fā)現(xiàn)，在任一給定溫度的熱平衡條件下，任何物體的輻射發(fā)射身手 與吸收率 的比值與

18、物體的性質(zhì)無關(guān)，只是波長及溫度的普適函數(shù)，且恒等于同溫度下絕對黑體的輻射身手，這就是基爾霍夫定律，是符合能量守恒定律的。n根據(jù)近代研討，非黑體的發(fā)射率和吸收率有四種，即方向光譜發(fā)射率 和方向光譜吸收率 ；半球光譜發(fā)射率 和半球光譜吸收率 ；方向總發(fā)射率 和方向總吸收率 ；半球總發(fā)射率 和半球總吸收率 。n由于方向光譜發(fā)射率和吸收率是方向、波長及溫度的函數(shù)，故基爾霍夫定律確切的表達式應(yīng)為： ,MT,T , , , , ,TT 熱輻射的根本物理量熱輻射的根本物理量n假設(shè)把 對波長范圍取平均，就用“總來表示此平均值，例如方向總發(fā)射率就是指某個方向的光譜發(fā)射率對整個波長范圍取的平均值,nL,b,N(,

19、T)為黑體在輻射面法線方向的光譜輻射亮度。假設(shè)把對半球空間取平均值，就用“半球來表示此平均值。 ,b,N,b,N004,b,N0cos, , , , , ,cos,T LT dT LT dTTLT d ,b,N,b,N, , ,cos,cosT LTdTLTd 半球半球 ,bTMT MT ,eMTdddA2coscoseeedIdLdSddS熱輻射的根本物理量熱輻射的根本物理量n假設(shè)把既對波長范圍又對半球空間取均值，那么可用“半球總發(fā)射率來表示n與發(fā)射率一樣，吸收率也有上面四種方式，即方向光譜、方向總、半球光譜和半球總吸收率。方向總吸收率可表示為: ,b,N4, , ,cosT LTd dTT

20、 半球 0 ,i0,i0, , , , , ,T LdTLd 熱輻射的根本物理量熱輻射的根本物理量n假設(shè)入射的光譜亮度與研討物體同溫度的黑體的光譜輻射亮度的光譜分布規(guī)律類似，即n在滿足這公式的條件下,可得n與下式對比,b,N,b,N004,b,N0, , , , , ,T LT dT LT dTTLT d ,b,N,b,N004,b,N0cos, , , , , ,cos,T LT dT LT dTTLT d ,i,b,b,N, , , ,cosLCLTCLT 熱輻射的根本物理量熱輻射的根本物理量 , , ,TT 對比前面2個綠顏色的公式，可以發(fā)如今滿足黃顏色方程的條件下有從而：半球光譜吸收率

21、是方向光譜吸收率在半球上取的平均值。,b,N,b,N, , ,cos,cosT LTdTTLTd 半球半球熱輻射根本物理量n立體角元de表示圖n立體角元d表示圖,2, , ,cos, ,cosieeieidAdAddpdA dLdALRL 從球面面積元dAe入射到球心處的dA上的功率dpi為：cos,cosdTd 半球，i，i半球， ， ， , , ,T LL所以，半球光譜吸收率可表示為：熱輻射的根本物理量熱輻射的根本物理量n假設(shè)入射的光譜輻射亮度的值不隨方向改動，那么n半球總吸收率是對光譜范圍和半球空間范圍獲得平均值n假設(shè)入射輻射不隨方向而變且思索(,T)=(,T) n那么:n即 1, ,

22、,cosTTd 半球 ,i0,i0,cos,cosTLddTLdd 半 球半 球 ,b,N04, , ,cosT LTd dTT 半球TT,TT熱輻射的根本物理量熱輻射的根本物理量n方向總發(fā)射率等于方向總吸收率的條件為：入射光的光譜分布應(yīng)與黑體輻射的光譜類似；半球光譜發(fā)射率等于半球光譜吸收率的條件為：入射光的輻射亮度不隨方向而變；半球總發(fā)射率等于半球總吸收率的前提是必需是上述兩個條件均滿足。朗伯朗伯(J. H. Lambert)(J. H. Lambert)余弦定律余弦定律 n普通說來，輻射源所發(fā)出的輻射能通量，其空間方向的分布很復(fù)雜，這給輻射量的計算帶來很大的費事。但在自然界中存在一類特殊的

23、輻射源，它們的輻射亮度與輻射方向無關(guān)，例如太陽、熒光屏、毛玻璃燈罩、坦克外表等都近似于這類輻射源。人們把這種輻射亮度與輻射方向無關(guān)的輻射源稱為漫輻射源。 n朗伯余弦定律描畫了輻射源向半球空間內(nèi)的輻射亮度沿高低角變化的規(guī)律。該定律規(guī)定，假設(shè)面積元見圖17在法線方向的輻射亮度為LN，那么它在高低角的方向上的輻射亮度 為：n即理想反射體單位外表積向空間某方向單位立體角反射發(fā)射的輻射亮度與外表法線夾角的余弦成正比。漫反射體的輻射亮度分布服從朗伯余弦定律，本身發(fā)射的黑體輻射源也服從朗伯余弦定律，凡輻射亮度服從朗伯余弦定律的輻射源稱為朗伯輻射源。 cosNLL圖17 輻射的空間角 朗伯朗伯(J. H. L

24、ambert)(J. H. Lambert)余弦定律余弦定律n朗伯余弦定律還有一種表達方式，將輻射亮度定義為輻射源的單位投影面積 指面積元在與表示的射線相垂直的方向投影的單位面積在 方向的單位立體角內(nèi)的輻射功率。按這種方式定義輻射亮度時，設(shè)在 方向的輻射亮度為,顯然 可得 n上式闡明，在任一方向的輻射亮度均相等且等于法線方向的輻射亮度，即朗伯輻射源的輻射亮度是一個與方向無關(guān)的常量。這是由于輻射源的表觀面積隨外表法線與觀測方向夾角的余弦而變化。符合此規(guī)律的輻射面稱為朗伯面。對于絕對黑體，朗伯余弦定律極為正確。但在實踐任務(wù)和生活中，人們遇到的各種漫輻射源只是近似地服從朗伯余弦定律，所以朗伯輻射源是

25、個理想化的概念。 dFcoscosNdFL dFLdFLNLL朗伯朗伯(J. H. Lambert)(J. H. Lambert)余弦定律余弦定律微立體角關(guān)系圖 22220000sin 2cossin(2 )4eNNNMLd dLddL n根據(jù)朗伯定律可以推算出朗伯面的單位面積向半球空間內(nèi)輻射出去的總功率即輻射出射度 Me與該面元的法向輻射亮度 LN之關(guān)系NL間隔平方反比定律間隔平方反比定律 n間隔平方反比定律是來自均勻點光源向空間發(fā)射球面波的特性。點光源在傳輸方向上某點的輻照度和該點到點光源的間隔平方成反比。n位于球心的均勻點光源所張的立體角所截的外表積卻和球半徑的平方成正比，這樣在球面上的

26、輻照度E就和點光源到該面的間隔平方成反比. 即:n圖19是假設(shè)一輻射亮度為的圓形均勻發(fā)光外表，半徑為，如今來求到它的間隔為的面元上的輻照度。 2ER 間隔平方反比定律間隔平方反比定律n把圓盤分成假設(shè)干個環(huán)帶n輻照度n由于n所以n對整個外表進展積分，得2223sin222coscosdrdrl tgld222cosdrdrLddEdAdA322222212coscoscos/cosdAdAdAdrll2sincosdELd 22202sin cosmRELdLRl 間隔平方反比定律間隔平方反比定律n即只需當面元距光源外表足夠遠時，才干用平方反比定律而不產(chǎn)生明顯的誤差。如今來估算一下有限間隔上的誤

27、差，其相對誤差為22222/1 2114/L R lERElL RlR 22ELRl普朗克普朗克PlanckPlanck定律定律 n1900年，普朗克根據(jù)光的量子實際，以他的“自然光譜中能量分布律論文開創(chuàng)了自然科學(xué)的新紀元，建立起描畫黑體光譜輻射出射度與波長、絕對溫度之間關(guān)系的著名公式，并得到與實驗完全符合的結(jié)果。 n瑞利Rayleigh金斯Jeans公式和維恩Wien公式瑞利和金斯把分子物理學(xué)中的能量按自在度均分原理用到電磁輻射上，得到如下公式n在長波區(qū)與實驗符合紫外災(zāi)難n維恩假定輻射按波長分布類似于Maxwell的分子速度分布：142,ebTTcMc521,expebTTccM普朗克普朗克

28、PlanckPlanck定律定律n黑體輻射的量子實際普朗克公式黑體輻射的量子實際普朗克公式 經(jīng)典實際以為，物質(zhì)由帶電粒子經(jīng)典實際以為，物質(zhì)由帶電粒子組成。在一定的溫度下，這些帶電粒子作熱振動，構(gòu)成帶電的諧振組成。在一定的溫度下，這些帶電粒子作熱振動，構(gòu)成帶電的諧振子。諧振子周圍有變化的電磁場，電磁場變化的頻率與諧振子振動子。諧振子周圍有變化的電磁場，電磁場變化的頻率與諧振子振動頻率一樣。所以這些帶電的諧振子發(fā)射具有相應(yīng)頻率的電磁波，電頻率一樣。所以這些帶電的諧振子發(fā)射具有相應(yīng)頻率的電磁波，電磁波的能量是延續(xù)變化的。磁波的能量是延續(xù)變化的。n實際分析：為與實踐實驗系統(tǒng)吻合，假設(shè)系統(tǒng)含有各種頻率的

29、大量實際分析：為與實踐實驗系統(tǒng)吻合，假設(shè)系統(tǒng)含有各種頻率的大量的諧振子所組成的系統(tǒng)，在一個棱長為的諧振子所組成的系統(tǒng)，在一個棱長為a的正立方體的金屬空腔，腔的正立方體的金屬空腔，腔被均勻加熱到溫度被均勻加熱到溫度T，腔壁就發(fā)射和吸收電磁輻射。經(jīng)過發(fā)射和吸收，腔壁就發(fā)射和吸收電磁輻射。經(jīng)過發(fā)射和吸收，諧振子和輻射場交換能量。由電磁波在導(dǎo)體外表上的邊境條件可知，諧振子和輻射場交換能量。由電磁波在導(dǎo)體外表上的邊境條件可知，電磁波在腔壁上的反射使腔內(nèi)建立起駐波場。在腔壁上，電場構(gòu)成電磁波在腔壁上的反射使腔內(nèi)建立起駐波場。在腔壁上，電場構(gòu)成波節(jié)，磁場構(gòu)成波腹。在這種情況下，駐波存在的條件是在每一棱波節(jié)，

30、磁場構(gòu)成波腹。在這種情況下，駐波存在的條件是在每一棱上有上有n個半波，其中個半波，其中n是正整數(shù)，如圖是正整數(shù)，如圖110所示。所示。 普朗克普朗克PlanckPlanck定律定律n設(shè)駐波場波節(jié)面的法線與坐標軸的夾角分別為、和，因此有以下關(guān)系 n把這三個式子平方后相加，得 n由此可見，每三個正整數(shù)n1、n2、n3對應(yīng)與一個振蕩頻率 1232 cos2 cos2 cosaaannn2222212322aan n nc2221232cannn圖110 在立方體某一方向傳播的駐波波節(jié)面普朗克普朗克PlanckPlanck定律定律n現(xiàn)用一個直角坐標系統(tǒng)來標志n1、n2和n3在圖111所示的直角坐標系中

31、，每個點n1，n2，n3對應(yīng)于一種振蕩方式，有一個相應(yīng)的振蕩頻率。可把這個坐標系稱為“頻率空間的坐標系。2dra c d圖111 頻率空間中的允許方式2rac普朗克普朗克PlanckPlanck定律定律n為了計算從0到的本征頻率總數(shù)，在頻率空間中作一系列對應(yīng)于一切能夠的正整數(shù)n1，n2，n3的點子。顯然這個點系構(gòu)成立方的小格子。元立方體的棱長為1，因此體積也為1。假設(shè)波長和腔的線尺度比較起來足夠小，那么一切根本單元小立方體的體積之和將足夠準確地等于式1.228所決議的半徑為2an/c的體積為1/8。既然每一個單元的體積等于1，那么，可以反過來說，球的1/8體積等于單元的個數(shù)。n腔體內(nèi)頻率在n到

32、ndn之間的頻率數(shù)等于一個半徑的和的球面殼層的1/8內(nèi)分布的點數(shù)，即33331424()()833a vavNvcc 2334( )vdN va dvc 2222212322aannnc普朗克普朗克PlanckPlanck定律定律n由于電磁波的每一頻率對應(yīng)于偏振面相互垂直的兩個波，所以求得的數(shù)目還需求乘以2。以V表示腔的體積，那么n假設(shè)頻率為的諧振子在溫度為的平衡態(tài)中的平均能量為E，那么把頻率在到 +d之間的振蕩方式數(shù)乘以每種振蕩方式的平均能量，就得到頻率在到 之間的輻射能量n熱平衡態(tài)時的能量為的諧振子的分布幾率正比于exp(-E/kT)，即服從玻爾茲曼分布。按照經(jīng)典物理學(xué)的概念，諧振子的能量

33、在之間是延續(xù)的，因此 238()vd NvV d vc 238vvE dNVdv Ec 00exp,expEEdEkTE v TkTEdEkT 普朗克普朗克PlanckPlanck定律定律n將其代入上一個公式得到的就是導(dǎo)致所謂紫外線災(zāi)難的瑞利金斯公式。普朗克發(fā)現(xiàn)，假設(shè)諧振子的能量不是延續(xù)變化，就能得到與實驗相符合的結(jié)果。因此他假設(shè)一個頻率為的諧振子，其能量不是像經(jīng)典物理學(xué)中那樣可取恣意數(shù)值，而是只能取某些特定的值n其中，h是普朗克常數(shù)。就是說，諧振子的能量只能是h的整數(shù)倍，是分立的不延續(xù)分布的。這種能量分立的概念，稱為諧振子能量的量子化。n在絕對溫度時，能量E=nh的諧振子的能量分布幾率正比于

34、exp(-E/kT)，因此，諧振子的平均能量為 En h v 1, 2, 3,n 00e x pe x pnnn h vn h vk TEn h vk T1expexp11exphvhhvhhvkTkTkT 普朗克普朗克PlanckPlanck定律定律n把頻率在到 +d之間的振蕩方式數(shù)乘以每種振蕩方式的平均能量，就得到頻率在到 +d之間的輻射能量n假設(shè)除以體積V，那么得到光譜能量密度的公式n這就是著名的普朗克公式 n假設(shè)用波長表示，那么有 n式中負號表示和的變化相反，即頻率的添加相應(yīng)于波長的減小。由關(guān)系式，得238exp1vv VhvE dvdvhvckT 238ex p1vvh vd vd

35、vh vckT vddv 2c ddv 普朗克普朗克PlanckPlanck定律定律n普朗克公式的另一方式 :58exp1hcddchkT 圖112 普朗克公式和實驗結(jié)果的比較T=1595K時實驗與實際比較PLank公式n空間的光譜輻射能密度為，因此在單位面積、單位時間內(nèi)發(fā)射的輻射通量為c，其中c是輻射能傳播的速度即光速。這些輻射能是均勻地向周圍空間傳播的，因此在單位立體角內(nèi)傳播的輻射通量，即光譜輻射亮度為n由于黑體是朗伯輻射體，所以光譜輻射出射度為 ,4ebcLT ,4ebebcMTLT Plank公式58exp1hcddchkT將代入到,4ebebcMTLT得251,exp12ebTchk

36、ThcM通常也寫成1521,exp1ebTkTcMcc1和c2分別稱為第一輻射常數(shù)和第二輻射常數(shù)。Plank輻射曲線Radiation Curves Iradiance curve of the SunPlank輻射曲線Radiation Curves Somewhere in the range 900K to 1000K, the blackbody spectrum encroaches enough in the the visible to be seen as a dull red glow. Most of the radiated energy is in the infrar

37、ed. Plank輻射曲線Radiation Curves Essentially all of the radiation from the human body and its ordinary surroundings is in the infrared portion of the electromagnetic spectrum, which ranges from about 1000 to 1,000,000 on this scale. Plank輻射曲線Radiation Curves 3K Background Radiationn假假設(shè) 這是假設(shè)將上式中分母的指數(shù)項ch

38、/kT展開成冪級數(shù)并略去高次項，得n這就是瑞利金斯公式。因此，普朗克公式在長波輻射中過渡到經(jīng)典的瑞利金斯公式。 chkT142,ebcTMTc瑞利金斯公式維恩公式n假設(shè) 那么指數(shù)項遠大于1，這時分母中的1可略去，得 n即維恩公式，所以普朗克公式在短波輻射中過渡到經(jīng)典的維恩公式。n在研討目的輻射特性時，為了便于計算，通常把普朗克公式變成簡化形n式，即令nyMeb，T/Mebm，T和x/m，這里Mebm，Tn為黑體的最大輻出度，于是普朗克公式可以簡化成如下方式：n普朗克公式采用亮度表示，即：chkT 125,expebccMTT54 .9 6 5 11 4 2 .3 21xyxe 25/1,21h

39、ckTebThcLe 普朗克普朗克PlanckPlanck定律定律n圖113 普朗克黑體光譜輻射亮度曲線斯蒂芬玻爾茲曼斯蒂芬玻爾茲曼(Stefan-Boltzmann)(Stefan-Boltzmann)定律定律 n1879年斯蒂芬經(jīng)過實驗得出：黑體輻射的總能量與波長無關(guān)，僅與絕對溫度的四次方成正比。1884年玻爾茲曼將熱力學(xué)和麥克斯韋電磁實際綜合起來，從實際上證明了斯蒂芬的結(jié)論是正確的，從而建立起斯蒂芬玻爾茲曼定律。n假設(shè)把光譜輻射出射度在整個波長范圍內(nèi)積分，那么可得到溫度的黑體在單位時間、單位面積上發(fā)射的全部輻射能量，即黑體的輻射出射度n把普朗克公式代入上式，得 0,ebMMT d 150

40、21exp1cMdcT斯蒂芬玻爾茲曼斯蒂芬玻爾茲曼(Stefan-Boltzmann)(Stefan-Boltzmann)定律定律n令 ，那么2cxT22cdxdT將分母用級數(shù)展開22Tddxc 23411540022exp1exp1ccTdxx dxMTcxcx exp1exp1 expexp2exp11 expxxxxxx 1expnnx因此 33001expexp1nx dxxnx dxx 斯蒂芬玻爾茲曼斯蒂芬玻爾茲曼(Stefan-Boltzmann)(Stefan-Boltzmann)定律定律n利用分部積分法或由積分表可求得3406expxnx dxnn可以證明 441190nn或者

41、由于它很快收斂，其數(shù)值可由前幾項之和求出，等于1.082 4544441423221515ckMTTTcc h 輻射出射度與絕對溫度四次方成正比，因此溫度升高時，輻射出射度迅速添加 維恩位移定律維恩位移定律 n從普朗克公式及圖113可以看出，當黑體溫度升高時，輻射譜峰向短波方向挪動，維恩W. Wein位移定律那么以簡單的方式給出這種變化的定量關(guān)系。n將普朗克公式對求偏導(dǎo)，可以求出黑體在一定溫度下光譜輻射出射度的峰值波長。令n上式可化簡為 n因此有 15210exp1MccT 221exp15ccTT 1exp15xx228984.965mcTm K維恩位移定律維恩位移定律n這個關(guān)系式稱為維恩位

42、移定律。光譜輻射出射度的峰值波長與絕對溫度成反比，隨著溫度升高，峰值波長向短波方向挪動，這就是物體溫度升高時，其顏色從“紅變到“白再變到“藍的緣由。n維恩位移定律可由普朗克的假定來了解?？涨恢械碾姶挪?，是由腔壁中的諧振子在熱激發(fā)下產(chǎn)生振動而輻射的。普朗克假設(shè)諧振子所允許存在的能量是分立的，當諧振子和空腔輻射交換能量時，諧振子發(fā)射或吸收的輻射能也只能是分立的數(shù)值。因諧振子發(fā)射或吸收的能量正比于頻率，低頻的諧振子所能發(fā)射或吸收的是小能包，而高頻的諧振子所發(fā)射或吸收的是大能包。當腔壁處于低溫時，因熱能主要激發(fā)的是低頻諧振子，而高頻諧振子需求接受更多的能量才干開場發(fā)射，與低頻諧振子比起來，它們當中只需

43、一小部分被激發(fā)。因此，腔壁主要發(fā)射長波區(qū)的輻射。當腔壁溫度升高后，就有足夠的熱量來激發(fā)更多數(shù)目的高頻諧振子，從而使輻射峰值向短波方向挪動。 Applications of the Planck Radiation Formula13 輻射能的傳輸根底n輻射在傳播過程中會與媒質(zhì)相互作用，從而遭到媒質(zhì)的吸收、反射、散射等的影響。由于這些影響，會使輻射的能量大小、能量的光譜分布情況及光束的傳播方向等發(fā)生不同程度的變化。因此，研討輻射在媒質(zhì)中的傳輸特性，是光電信息技術(shù)的根本內(nèi)容之一。n輻射能的傳輸包括從輻射源到探測器的全部傳輸過程。描畫這一過程需求大量的光學(xué)概念，這些關(guān)系概念構(gòu)成輻射度學(xué)的根底。輻射能

44、傳輸?shù)膸缀喂鈱W(xué)根底輻射能傳輸?shù)膸缀喂鈱W(xué)根底 n幾何光學(xué)的光線概念，為輻射度學(xué)全面描畫輻射能的傳輸和傳輸過程提供了許多最簡單而又最有效的方法。定義光線為幾何波前的法線，幾何光學(xué)中的光線表示能流的方向n輻亮度傳輸 輻亮度可以用來定義輻射能流的大小。輻亮度是遙感傳感器的輻射度學(xué)計算中一個極重要的參數(shù)。 n單元光束由確定的一條中心光線和一小束光線組成。這一小束光線，包括著經(jīng)過繞中心光線構(gòu)成面元dA1和dA2的一切光線。兩面元之間的間隔為r，它們的法線與傳輸方向的夾角分別為1和2， 輻射能傳輸?shù)膸缀喂鈱W(xué)根底輻射能傳輸?shù)膸缀喂鈱W(xué)根底n那么n設(shè)面元1的輻射亮度為L1。當把面元1看作子光源，面元2看作接納外表

45、時，那么由面元1發(fā)出、面元2接納的輻射通量為n根據(jù)輻射亮度定義，面元2的輻射亮度為2212cosdAdr ，1122cosdAdr 2221211111112coscoscosdAdL dAdL dAr 221212222222211coscoscos/ddLdA ddAdAr 輻射能傳輸?shù)膸缀喂鈱W(xué)根底輻射能傳輸?shù)膸缀喂鈱W(xué)根底n把表示輻亮度定義中的的分母叫做特征不變量dG：n將d212代入到:n得:n可見，光輻射能在傳輸介質(zhì)中沒有損失時，外表2的輻射亮度和外表1的輻射亮度是相等的。即輻射亮度是守恒的。 221121coscosdGddddAA 21LLL 2221211111112coscos

46、cosdAdL dAdL dAr 輻射能傳輸?shù)膸缀喂鈱W(xué)根底輻射能傳輸?shù)膸缀喂鈱W(xué)根底n 在不同介質(zhì)中輻射亮度的傳輸關(guān)系 輻射能傳輸?shù)膸缀喂鈱W(xué)根底輻射能傳輸?shù)膸缀喂鈱W(xué)根底n設(shè)輻射通量在介質(zhì)邊境上沒有反射、吸收等損失n而n再由折射定律 n那么n代入上式得:n假設(shè)將L/n2叫做根本輻射亮度，那么在不同介質(zhì)中，傳播光束的根本輻射亮度是守恒的 212coscosdLdAdLdAd sindd d sinddd sinsinnn2cossin cossincossin cossinddn dnddn dn 22LLnn輻射能傳輸?shù)膸缀喂鈱W(xué)根底輻射能傳輸?shù)膸缀喂鈱W(xué)根底n當有光學(xué)系統(tǒng)時，光學(xué)系統(tǒng)將改動傳輸光束的

47、發(fā)散或會聚形狀，像面輻射亮度L與物面輻射亮度L之間有如下關(guān)系nn、n分別為物空間和像空間的折射率，為光學(xué)系統(tǒng)的透射比。n輻射能傳輸 利用光線和輻亮度的概念，可以確定從輻射源外表到接納外表的輻射能傳輸。n從輻射源外表A1到接納外表A2，并為A2所接納的總輻射功率 n設(shè)輻射源外表是朗伯型的，那么L1是常數(shù)，且n將其代入上式可得:nLLn121221121212cos.cosddA ALA Ar 11ML121122121212cos.cosddAAMA Ar 2,coseedLddS 輻射能傳輸?shù)膸缀喂鈱W(xué)根底輻射能傳輸?shù)膸缀喂鈱W(xué)根底n當輻射亮度是均勻的，而且發(fā)射和接納外表的幾何外形可以使對A1和A

48、2的積分分開時,那么 n成像系統(tǒng)的輻射傳輸 當在輻射源和探測器之間存在著成像和聚焦元件時，就意味著在輻射源外表和接納外表之間，介質(zhì)是均勻的和各向同性的假設(shè)失效。這種情況下可利用根本輻亮度守恒的概念，可以在光線經(jīng)過不同介質(zhì)的情況下，求出輻射源經(jīng)過成像元件到達探測器的輻射功率傳輸。12LAG11AAdA2212222112cos.coscosddAAAr是外表1的面積。是外表2對外表1所張的投影立體角。那么對于不在同一介質(zhì)中的幾何外表有2nAGn根據(jù)不變量，令GA輻射能傳輸?shù)膸缀喂鈱W(xué)根底輻射能傳輸?shù)膸缀喂鈱W(xué)根底n從輻射源到像的輻射功率傳輸這里暫時略去由吸收、散射或外表反射所呵斥的損失。 系統(tǒng)的入射

49、光瞳和出射光瞳在這種輻射能傳輸中起著重要作用： 1它們確定有關(guān)點上光束的面積，即確定從輻射源或從像察看到的光束立體角； 2在輻射源和入睡光瞳之間，或像與出射光瞳之間，介質(zhì)多數(shù)是均勻和各向同性的。121221121212cos.cosddAALA Ar 這樣，知輻射亮度時，利用公式進展計算非成像輻射功率傳輸成為能夠：輻射能傳輸?shù)膸缀喂鈱W(xué)根底輻射能傳輸?shù)膸缀喂鈱W(xué)根底圖中小面積dA2上接納的功率：222221212cos.cosxdddALAr出瞳在沒有損失的情況下，像的輻照度 12222212212cos.cosddELAdAr出 瞳Lx是出射光瞳處的輻射亮度，輻射源和像在同一種介質(zhì)中時，LxL1

50、，是沿每一光線的輻射源輻射亮度輻射能傳輸?shù)膸缀喂鈱W(xué)根底輻射能傳輸?shù)膸缀喂鈱W(xué)根底n設(shè)輻射源是一個大的、具有均勻輻亮度的軸上輻射源，假設(shè)出射光瞳足夠小22，n在遙感情況下，輻射源地面特征與入射光瞳間的間隔很大，即系統(tǒng)的f數(shù)F，n大的視場角會導(dǎo)致像面輻照度的嚴重降低n成像系統(tǒng)的幾何范圍：在均勻輻射照度以及面積和立體角因子無關(guān)的條件下，像的輻射功率為 n假設(shè)進一步思索由反射、吸收或散射所產(chǎn)生的損失，輻射功率變?yōu)?242212cos4DELl41222cos4LEFLALG L G是設(shè)計光學(xué)遙感器的一個重要參數(shù)。lD輻射能傳輸?shù)膭訐u光學(xué)根底輻射能傳輸?shù)膭訐u光學(xué)根底 n動搖光學(xué)的方法通常是基于麥克斯韋方程

51、的動搖方程為出發(fā)點，結(jié)合傳播媒質(zhì)的特性和邊境條件來研討輻射能的傳輸情況。衍射、干涉和偏振行為是動搖光學(xué)的表現(xiàn)方式。n衍射能引起光束幾何邊境內(nèi)外輻射能的再分配。 n干涉會改動輻射能空間分布情況，使探測到的輻射能比從每個輻射源單元所引起的能量奉獻的簡單總和增大或減少許多。n除空間、光譜、時間和相關(guān)性外，輻射能束還有偏振特性。在普通情況下，經(jīng)過儀器后的輻射能量，對來自輻射源的輻射能的偏振性質(zhì)，以及對儀器元件的偏振性質(zhì)都非常敏感。 n用斯托克斯Stokes參量能全面地表征輻射能束的偏振性質(zhì)。此參量構(gòu)成一組4個可丈量的量，有能夠確定任何光學(xué)儀器輸出端探測器上的輻照度。輻射能在傳輸中的損失輻射能在傳輸中的

52、損失 n輻射能在傳輸過程中的損失包括界面上的反射、介質(zhì)內(nèi)的吸收和散射等。 圖117 吸收、反射和透射輻射能在傳輸中的損失輻射能在傳輸中的損失n根據(jù)能量守恒定律有n其中，各個能量比 、 分別稱為吸收比、散射比、反射比和透射比上式也可寫成 0P P P P P 00001PPPPPPPP0/P P0/P P0/PP0/PP1對于不透輻射的資料 1由此可見，吸收才干強的物體其反射身手就弱；反之，反射身手高的物體其吸收才干就低。輻射能在傳輸中的損失輻射能在傳輸中的損失n輻射投射到物體外表上所產(chǎn)生的反射景象有鏡面反射和漫反射之分，它取決于外表的粗糙程度，這里所指的粗糙程度是相對于輻射的波長而言的。當外表

53、不平整尺寸小于入射輻射的波長時，構(gòu)成鏡面反射，這時反射角等于入射角，高度磨光的金屬板就是鏡面反射的實例。當外表的不平整尺寸大于輻射波長時，那么構(gòu)成漫反射。對于氣體，可以為反射比0。吸收性大的氣體，其透射性就差。n反射 由于根本輻亮度在經(jīng)過具有不同折射率的電介質(zhì)之間的界面時守恒，用此量表示反射損失頗為方便。在折射率為n的介質(zhì)中，輻亮度n吸收 對輻射的吸收主要來自于媒質(zhì)分子的振動和轉(zhuǎn)動能級的躍遷。 2nLLn1d Pd xP輻射能在傳輸中的損失輻射能在傳輸中的損失n散射散射 當媒質(zhì)密度不均勻或媒質(zhì)中分布有雜質(zhì)微粒時，會使輻射束能量遭到衰減，這當媒質(zhì)密度不均勻或媒質(zhì)中分布有雜質(zhì)微粒時，會使輻射束能量

54、遭到衰減，這就是散射。就是散射。n吸收和散射都是使輻射在媒質(zhì)內(nèi)衰減的要素。為反映媒質(zhì)使輻射衰減的強弱，我們引吸收和散射都是使輻射在媒質(zhì)內(nèi)衰減的要素。為反映媒質(zhì)使輻射衰減的強弱，我們引入光譜衰減系數(shù)，定義為媒質(zhì)單位長度上衰減的光譜輻射功率的相對減小量。入光譜衰減系數(shù)，定義為媒質(zhì)單位長度上衰減的光譜輻射功率的相對減小量。n在媒質(zhì)內(nèi)部在媒質(zhì)內(nèi)部(不用計算界面上的反射不用計算界面上的反射)進一步導(dǎo)出輻射束經(jīng)過媒質(zhì)時的衰減規(guī)律進一步導(dǎo)出輻射束經(jīng)過媒質(zhì)時的衰減規(guī)律n n對上式兩邊積分，經(jīng)整理可得對上式兩邊積分，經(jīng)整理可得n該式表示輻射功率隨傳輸間隔按指數(shù)規(guī)律衰減，這個規(guī)律稱為布格爾該式表示輻射功率隨傳輸間

55、隔按指數(shù)規(guī)律衰減，這個規(guī)律稱為布格爾Bouguer定律。定律。1sd Pd xP 1 dPdx P dPdxP 0 xP xPe輻射在大氣中的傳輸輻射在大氣中的傳輸 n 由于大氣組成的復(fù)雜性，使得輻射在大氣中傳輸變得復(fù)雜。綜合起來，大氣效應(yīng)對輻射傳輸?shù)挠绊懘笾掠幸韵氯矫?。n1大氣組分的吸收和散射效應(yīng)所導(dǎo)致的輻射衰減，這是輻射能量衰減的最主要緣由。n2在輻射傳輸途徑上，由于大氣密度和溫度的不均勻引起的折射率的變化和大氣湍流引起的隨機閃爍效應(yīng)等，這導(dǎo)致輻射的透射能量隨空間取向及時間的變化而變化，從而影響輻射探測跟蹤系統(tǒng)的任務(wù)。n3由于地球外表上空大氣密度的垂直分布隨高度呈指數(shù)衰減，不同高度上折射

56、率不同，因此當輻射在程度方向的傳輸間隔超越100km時，就要思索由于折射率的不同而引起的輻射束傳輸途徑的彎曲。 輻射在大氣中的傳輸輻射在大氣中的傳輸n大氣的組分大氣的組分 大氣是由多種氣體分子和懸浮微粒組成的混合體。按混合比可大氣是由多種氣體分子和懸浮微粒組成的混合體。按混合比可分為均勻不變組分分為均勻不變組分(080km高度高度)和可變組分。和可變組分。n氮氮(78%)和氧和氧(20.9%)都是同核雙原子分子，沒有固定的電偶極矩，故都是同核雙原子分子，沒有固定的電偶極矩，故沒有選擇性的吸收譜帶，氬、氫、氖、氪、氙含量很小，無紅外吸收，對沒有選擇性的吸收譜帶，氬、氫、氖、氪、氙含量很小，無紅外

57、吸收，對紅外有選擇性吸收的是二氧化碳紅外有選擇性吸收的是二氧化碳(2.7um、4.3um、15um有強吸收帶有強吸收帶)、甲烷、一氧化碳和一氧化二氮，含量小，吸收不顯著，間隔長時顯著。甲烷、一氧化碳和一氧化二氮，含量小，吸收不顯著，間隔長時顯著。n大氣中的可變組分，主要是水蒸氣，對紅外輻射傳輸影響最大大氣中的可變組分，主要是水蒸氣，對紅外輻射傳輸影響最大1.38um, 1.87um,2.7um,6.27um，其含量隨溫度、高度和位置而變。，其含量隨溫度、高度和位置而變。n另一種可變組分時臭氧，它的總含量很少，分布也不均勻。在海平面處很另一種可變組分時臭氧，它的總含量很少，分布也不均勻。在海平面

58、處很難察看到，在難察看到，在60km以上也很少，主要集中在以上也很少，主要集中在25km高度處。臭氧的吸收高度處。臭氧的吸收峰在峰在9.6um處。只需當輻射在豎直方向穿過很厚的大氣層時才需思索臭氧處。只需當輻射在豎直方向穿過很厚的大氣層時才需思索臭氧的吸收。的吸收。n大氣中含有許多懸浮的微粒，通常稱為氣溶膠，半徑尺寸在大氣中含有許多懸浮的微粒，通常稱為氣溶膠，半徑尺寸在102um1mm之間，其中心是細小的灰塵、碳粒、鹽晶粒、煙、熄滅生成物和微生之間，其中心是細小的灰塵、碳粒、鹽晶粒、煙、熄滅生成物和微生物等，常稱為霾，半徑很少超越物等，常稱為霾，半徑很少超越0.5um，但溫度較高時水汽在其上凝

59、聚構(gòu)，但溫度較高時水汽在其上凝聚構(gòu)成半徑超越成半徑超越1um的水滴或冰晶，即云和霧，半徑多在的水滴或冰晶，即云和霧，半徑多在515um之間。之間。n氣溶膠的空間分布隨時間及地域而變，并隨著離地面高度的添加，其濃度氣溶膠的空間分布隨時間及地域而變，并隨著離地面高度的添加，其濃度迅速下降。氣溶膠使紅外輻射因吸收和散射而衰減對紅外輻射的吸收隨相迅速下降。氣溶膠使紅外輻射因吸收和散射而衰減對紅外輻射的吸收隨相對濕度的添加而增大。對濕度的添加而增大。 輻射在大氣中的傳輸輻射在大氣中的傳輸n大氣折射率及折射率起伏大氣折射率及折射率起伏 大氣折射率是大氣溫度、濕度與氣壓的函大氣折射率是大氣溫度、濕度與氣壓的

60、函數(shù)，在光學(xué)波段還與輻射的波長有關(guān)。數(shù)，在光學(xué)波段還與輻射的波長有關(guān)。n在規(guī)范大氣形狀下在規(guī)范大氣形狀下n在射頻波段，大氣折射率普通與頻率無關(guān)，但濕度的影響較為顯著。在射頻波段，大氣折射率普通與頻率無關(guān)，但濕度的影響較為顯著。這時這時N應(yīng)由下式給出，應(yīng)由下式給出， 01nN2200024809.90174.55780.6051132.27439.32957N62010.61280.014.2920.03428960.95410.00366110sptpNtpN481077.6sNpTTp在0.1851.695um范圍內(nèi)具有1108精度，恣意大氣形狀下，上式修正為式中p為大氣壓強，t為溫度，ps