第一章紅外輻射

1、本課程內(nèi)容本課程內(nèi)容 本課程分六章：本課程分六章： 紅外輻射紅外輻射 紅外輻射的基本概念，輻射物理量和光譜輻射量，基爾霍紅外輻射的基本概念，輻射物理量和光譜輻射量，基爾霍夫定律，黑體和普朗克公式，斯蒂芬夫定律，黑體和普朗克公式，斯蒂芬玻爾茲曼定律和維玻爾茲曼定律和維恩位移定律。恩位移定律。 紅外輻射源紅外輻射源 黑體等常用輻射源的介紹黑體等常用輻射源的介紹 紅外光譜紅外光譜 分子光譜，雙原子分子的振分子光譜，雙原子分子的振轉(zhuǎn)光譜，多原子分子的紅外轉(zhuǎn)光譜，多原子分子的紅外光譜。光譜。 紅外線在大氣中的傳輸紅外線在大氣中的傳輸 大氣特性，大氣吸收，大氣散射。大氣特性，大氣吸收，大氣散射。 紅外探測

2、器紅外探測器 紅外探測器分類、噪聲和性能參數(shù)；光子探測器、熱探測紅外探測器分類、噪聲和性能參數(shù)；光子探測器、熱探測器；檢測微弱信號的方法。器；檢測微弱信號的方法。 紅外調(diào)制紅外調(diào)制 紅外調(diào)制的方法及分類。紅外調(diào)制的方法及分類。 參考文獻：參考文獻： 1、紅外物理學紅外物理學，張幼文。，張幼文。 2、紅外光學工程紅外光學工程，陳衡。，陳衡。 3、光電檢測技術(shù)光電檢測技術(shù)，羅先和等。，羅先和等。 4、光電檢測技術(shù)光電檢測技術(shù)，雷玉堂等。，雷玉堂等。 5、紅外光譜法紅外光譜法，董慶年。，董慶年。 6、紅外系統(tǒng)紅外系統(tǒng)，楊宜禾等。，楊宜禾等。 7、紅外輻射測量基礎(chǔ)紅外輻射測量基礎(chǔ)，周書銓。，周書銓。第

3、一章第一章 紅外輻射紅外輻射(Infrared Radiation, IR)信息科學與工程學院信息科學與工程學院 馮傳勝馮傳勝Email: 1.1 紅外線基本知識紅外線基本知識 1.2 基本輻射量與光譜輻射量基本輻射量與光譜輻射量 1.3 紅外輻射基本定律紅外輻射基本定律1.1 紅外線基本知識紅外線基本知識 一、紅外現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)一、紅外現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn) 1800年，英國天文學家年，英國天文學家S.W.赫赫歇爾歇爾(Sir William Herschel)第第一次發(fā)現(xiàn)紅外輻射現(xiàn)象。一次發(fā)現(xiàn)紅外輻射現(xiàn)象。 他做實現(xiàn)時，用熱敏探測器發(fā)現(xiàn)他做實現(xiàn)時，用熱敏探測器發(fā)現(xiàn)了頻率低于紅光的了頻率低于紅光的“不可見不

4、可見(invisible)光光”，紅外線的英語單，紅外線的英語單詞詞Infra-red意思是意思是“below red”。 很長一段時間內(nèi)，人們主要從很長一段時間內(nèi)，人們主要從事紅外線的本質(zhì)方面的研究以事紅外線的本質(zhì)方面的研究以及紅外光學材料研究，隨著一及紅外光學材料研究，隨著一些高靈敏度的探測器的出現(xiàn)，些高靈敏度的探測器的出現(xiàn)，紅外技術(shù)開始走向?qū)嵱秒A段。紅外技術(shù)開始走向?qū)嵱秒A段。 二、紅外線二、紅外線 紅外線也是電磁波，其波長范圍從紅外線也是電磁波，其波長范圍從0.7微米到微米到1000微微米。米。 分為三個波段：分為三個波段： Near-infrared (NIR，IR-A)：0.7um1

5、.4um 水吸收窗口，常用于光纖通訊水吸收窗口，常用于光纖通訊(fiber optics telecommunication) Short wavelength infrared(SWIR，IR-B)：1.4um3um Mid-wavelength infrared(MWIR，IR-C)：3um8um 大氣窗口，被動式熱尋導彈的工作窗口。大氣窗口，被動式熱尋導彈的工作窗口。 Long wavelength infrared(LWIR，IR-C)：8um15um 熱成像的工作區(qū)域熱成像的工作區(qū)域(人體熱輻射波長人體熱輻射波長10um) Far infrared(FIR，IR-C)：15um100

6、0um近紅外近紅外中紅外中紅外 二、紅外線二、紅外線 紅外線也是電磁波，其波長范圍從紅外線也是電磁波，其波長范圍從0.7微米到微米到1000微微米。米。 分為三個波段：分為三個波段： Near-infrared (NIR，IR-A)：0.7um1.4um 水吸收窗口，常用于光纖通訊水吸收窗口，常用于光纖通訊(fiber optics telecommunication) Short wavelength infrared(SWIR，IR-B)：1.4um3um Mid-wavelength infrared(MWIR，IR-C)：3um8um 大氣窗口，被動式熱尋導彈的工作窗口。大氣窗口，被動

7、式熱尋導彈的工作窗口。 Long wavelength infrared(LWIR，IR-C)：8um15um 熱成像的工作區(qū)域熱成像的工作區(qū)域(人體熱輻射波長人體熱輻射波長10um) Far infrared(FIR，IR-C)：15um1000um遠紅外遠紅外1.2 基本輻射量與光譜輻射量基本輻射量與光譜輻射量 1.2.1 基本輻射量基本輻射量 以電磁波形式傳播的能量稱為輻射能，用以電磁波形式傳播的能量稱為輻射能，用Q表示，單位為表示，單位為 焦耳焦耳 。 紅外探測器響應(yīng)的往往是輻射能相對于時間紅外探測器響應(yīng)的往往是輻射能相對于時間的速率，稱為輻射功率的速率，稱為輻射功率( (P P) )

8、。 輻射功率以及由它派生出來的幾個輻射度學輻射功率以及由它派生出來的幾個輻射度學的物理量，屬于基本輻射量。的物理量，屬于基本輻射量。 一、輻射功率一、輻射功率P 輻射功率就是單位時間內(nèi)發(fā)射輻射功率就是單位時間內(nèi)發(fā)射(傳輸或接收傳輸或接收)的輻射能。單的輻射能。單位為：位為：瓦瓦(焦耳焦耳/秒秒)。 輻射功率輻射功率P的定義表示為的定義表示為 二、輻射度二、輻射度M 輻射源單位面積向半球空間輻射源單位面積向半球空間(立體角為立體角為2)發(fā)射的輻射功率，發(fā)射的輻射功率，稱為輻射源的輻射度。單位為：稱為輻射源的輻射度。單位為： 瓦瓦/m2。 輻射度輻射度M的定義表示為的定義表示為 相應(yīng)一面輻射源的輻

9、射功率可以表示為相應(yīng)一面輻射源的輻射功率可以表示為0lim()tQQPtt 0lim()APPMAA APMdA源面積 三、輻射強度三、輻射強度I 點源與擴展源：點源與擴展源： 相對于被觀測者相對于被觀測者(一般指探測器一般指探測器)的張角很小的輻射源稱為點源。的張角很小的輻射源稱為點源。 相對于被觀測者的張角很大的輻相對于被觀測者的張角很大的輻射源稱為擴展源。射源稱為擴展源。 點源單位立體角內(nèi)的輻射功率稱為輻射強度。單點源單位立體角內(nèi)的輻射功率稱為輻射強度。單位為位為瓦瓦/球面度球面度。 輻射強度輻射強度I的定義表示為的定義表示為 它給出了點源發(fā)射的輻射功率在某方向上角密度它給出了點源發(fā)射的

10、輻射功率在某方向上角密度的度量。很明顯它與輻射功率的關(guān)系還可表示為的度量。很明顯它與輻射功率的關(guān)系還可表示為0lim ()PPIPId發(fā)射立體角 四、輻亮度四、輻亮度L 對于擴展源有輻亮度的概念。對于擴展源有輻亮度的概念。 輻亮度為擴展源單位面積輻亮度為擴展源單位面積在某方向上單位立體角內(nèi)的在某方向上單位立體角內(nèi)的輻射功率。輻射功率。單位為：單位為： 瓦瓦/(m2球面度球面度) 輻亮度輻亮度L的定義可表示為的定義可表示為 可見輻亮度與觀測者所在的方位角有關(guān)?？梢娸椓炼扰c觀測者所在的方位角有關(guān)。22200limcosAPPPLAAA 根據(jù)輻亮度的定義，源面上的小面積元根據(jù)輻亮度的定義，源面上的小

11、面積元A在在方方向上的小立體角向上的小立體角 內(nèi)發(fā)射的輻射功率為內(nèi)發(fā)射的輻射功率為 dA向半球空間向半球空間( (2球面度球面度) )發(fā)射的輻射功率為發(fā)射的輻射功率為 根據(jù)輻射度根據(jù)輻射度M M的定義，有的定義，有2cosPLA (2 )(cos)PLdA (2 )cosPMLdA上面給出的幾個物理量上面給出的幾個物理量(輻射度、輻射強度和輻亮度輻射度、輻射強度和輻亮度)都用于表征輻射源的輻射特性。都用于表征輻射源的輻射特性。 五、輻照度五、輻照度E 用于表示被照面接收輻射的特性。用于表示被照面接收輻射的特性。 輻照度是被照表面單位面積上接收的輻射功率。輻照度是被照表面單位面積上接收的輻射功率

12、。單位是：單位是：瓦瓦/m2。 輻照度輻照度E的定義可表示為的定義可表示為0lim()APPEAA 輻照度輻照度E的大小不僅與在被照面上的的大小不僅與在被照面上的位置有關(guān)，而且還與輻射源的特性及位置有關(guān)，而且還與輻射源的特性及被照面與源的相對位置有關(guān)。如圖，被照面與源的相對位置有關(guān)。如圖，兩點源兩點源s1和和s2的輻射強度的輻射強度I相同，它們相同，它們在在x位置產(chǎn)生的輻照度為位置產(chǎn)生的輻照度為111221PIdIEAl dl222221cosPIdIEAl dl 1.2.2 光譜輻射量光譜輻射量 前面幾個輻射量只考慮了輻射功率的空間分前面幾個輻射量只考慮了輻射功率的空間分布特征，并認為這些輻

13、射量包含了波長從布特征，并認為這些輻射量包含了波長從0到到 的全部輻射，所以常把它們叫做全輻的全部輻射，所以常把它們叫做全輻射量。射量。 下面給出對輻射的光譜特征的度量。下面給出對輻射的光譜特征的度量。 光譜輻射量即波長單位間隔光譜輻射量即波長單位間隔(取波長單位為取波長單位為um)內(nèi)的輻射度量。內(nèi)的輻射度量。 光譜輻射功率光譜輻射功率P： 光譜輻射度光譜輻射度M ： 光譜輻射強度光譜輻射強度I ： 光譜輻亮度光譜輻亮度L ： 光譜輻照度光譜輻照度E ：PPMMIILLEE瓦瓦um-1瓦瓦 m-2 um-1瓦瓦球面度球面度-1 um-1瓦瓦 m-2球面度球面度-1 um-1瓦瓦 m-2 um-

14、1 1.2.3 朗伯余弦定律朗伯余弦定律(LambertsLaw) 鏡面反射體與漫反射體。鏡面反射體與漫反射體。 理想漫反射體服從朗伯余弦定律：理想漫反射體服從朗伯余弦定律： 即理想漫輻射源單位表面積向空間指向方向即理想漫輻射源單位表面積向空間指向方向(如觀測方向如觀測方向)單位立體角內(nèi)發(fā)射單位立體角內(nèi)發(fā)射(或反射或反射)的的輻射功率與該指定方向與表面法線夾角的余輻射功率與該指定方向與表面法線夾角的余弦成正比。其中弦成正比。其中B是與方向角無關(guān)的比例系是與方向角無關(guān)的比例系數(shù)。數(shù)。 注意：雖然余弦定律是針對理想漫輻射源的，但注意：雖然余弦定律是針對理想漫輻射源的，但在實際中很多輻射源在一定范圍

15、內(nèi)具有接近朗伯在實際中很多輻射源在一定范圍內(nèi)具有接近朗伯余弦定律的輻射規(guī)律，如實驗用的黑體；電絕緣余弦定律的輻射規(guī)律，如實驗用的黑體；電絕緣體體(與法線方向小于與法線方向小于60度度)。2cosPBA 1.2.4 漫輻射源的輻射特性漫輻射源的輻射特性 一、漫輻射源的輻亮度一、漫輻射源的輻亮度 可見，理想漫輻射源輻亮度是一個與方向無關(guān)的可見，理想漫輻射源輻亮度是一個與方向無關(guān)的常量。常量。 二、漫輻射源的輻亮度與輻射度的關(guān)系二、漫輻射源的輻亮度與輻射度的關(guān)系200limcosAPLBA (2 )cosMLdL (請證明本式請證明本式) 三、小面源的三、小面源的I、L及及M的相互關(guān)系的相互關(guān)系 小

16、面源上的小面源上的L可以看成是相同的，可以看成是相同的，則其可以看作是朗伯輻射體。則其可以看作是朗伯輻射體。則其上小面元則其上小面元dA輻射功率輻射功率可以表示為可以表示為小面源小面源A上的輻射功率為上的輻射功率為根據(jù)輻射強度根據(jù)輻射強度I的定義，有的定義，有根據(jù)根據(jù)M=L，則有，則有2cosd PLdAdcosdPLAd/cosIdP dLA (朗伯定律的另朗伯定律的另一形式一形式)0coscosMIAI 四、理想漫反射體輻亮度與輻照度的關(guān)系四、理想漫反射體輻亮度與輻照度的關(guān)系 理想漫反射體將輻射到它上面的輻射功率無吸收理想漫反射體將輻射到它上面的輻射功率無吸收和無透射地反射出去。所以輻射度

17、等于其表面上和無透射地反射出去。所以輻射度等于其表面上的輻照度，即的輻照度，即M=E。 根據(jù)根據(jù)M=L，則，則 即理想漫反射體的輻亮度等于其輻照度除以即理想漫反射體的輻亮度等于其輻照度除以 。EL1.3 紅外輻射基本定律紅外輻射基本定律 1.3.1 基爾霍夫輻射定律基爾霍夫輻射定律(Kirchhoffs radiation law) 在給定溫度下，對某一波長來說，物體的吸在給定溫度下，對某一波長來說，物體的吸收本領(lǐng)和發(fā)射本領(lǐng)的比值與物體本身的性質(zhì)收本領(lǐng)和發(fā)射本領(lǐng)的比值與物體本身的性質(zhì)無關(guān)，對于一切物體都是恒量?？杀硎緸闊o關(guān)，對于一切物體都是恒量?？杀硎緸?其中其中(, T)為物體的吸收率。為物

18、體的吸收率。 為了研究物體的輻射特性，提出了黑體的概為了研究物體的輻射特性，提出了黑體的概念，即對于理想黑體念，即對于理想黑體(, T)=1 。( )( , )( )MTT E T 1.3.2 普朗克定律普朗克定律(Plancks Law) 給出了黑體一定溫度下輻射隨頻率的變化關(guān)系。給出了黑體一定溫度下輻射隨頻率的變化關(guān)系。 黑體光譜輻射度描述為黑體光譜輻射度描述為其中：其中： 波長波長(um)頻率頻率c光速光速:2.9979251010cm/sh普朗克常數(shù)普朗克常數(shù):6.626196 10-34 W/s2k玻爾茲曼玻爾茲曼(Boltzmann)常數(shù)常數(shù):1.380622 10-23 Ws/K

19、T絕對溫度絕對溫度. 經(jīng)常將普朗克公式寫成：經(jīng)常將普朗克公式寫成：21/511bcTcMe其中：其中： 波長波長T絕對溫度絕對溫度.c1第一輻射常數(shù)，第一輻射常數(shù)，c1=2hc2=3.741844 10-12 W/cm2c2第二輻射常數(shù)，第二輻射常數(shù)，c2=ch/k=1.438833cm K1.3.3 斯蒂芬斯蒂芬-玻爾茲曼玻爾茲曼定律定律(Stefan-Boltzmann Law)1879年，年，Stefan得出經(jīng)驗公式，得出經(jīng)驗公式，1884年由他的學生年由他的學生Boltzmann由理論導出。由理論導出。黑體的輻射度黑體的輻射度Mb與溫度與溫度T的四次方成正比。的四次方成正比。斯蒂芬斯蒂

20、芬-玻爾茲曼定律可由玻爾茲曼定律可由Planck定律導出定律導出4bMT其中：其中： 斯蒂芬斯蒂芬-玻爾茲曼玻爾茲曼常數(shù)常數(shù)5.6697 x 10-8 W/m2 K4T絕對溫度絕對溫度(K).25/00211bbhckThcMM ddeFrom Plancks Radiation Law to Stefan-Boltzmann Law 令 x = c2/T decdMMTcbb1/510) 1(/222(/)11252204311420(1) ()(/)(1)ccxT TbxccMedxcxTx TcTxedxc 340115xxdxe因為所以4442115TccMb154421cc4TMb1

21、.3.4 維恩位移定律維恩位移定律(Wiens displacement Law) 又稱維恩定律，又稱維恩定律，1893年，年，Wilhelm Wien提出：提出： 最大光譜輻射功率的波長最大光譜輻射功率的波長max與絕對溫度與絕對溫度T成反比例關(guān)成反比例關(guān)系。系。 維恩位移定律提示了輻射體的顏色。從前圖中可維恩位移定律提示了輻射體的顏色。從前圖中可以看出，以看出，800K(527C)物體開始發(fā)光物體開始發(fā)光(偏紅偏紅)，太，太陽為陽為5000K，顏色偏黃。顏色偏黃。 維恩位移定律可由維恩位移定律可由Planck定律導出定律導出maxTC其中：其中： C=2897.8微米微米 K是一常數(shù)。是一常數(shù)。max2897.80bMT 將維恩公式代入將維恩公式代入Planck公式，可以得出公式，可以得出Mb的最大值為的最大值為5mbMBT其中：其中： B=1.286210-15瓦瓦微米微米-1 K-5是一常數(shù)。是一常數(shù)。令x = c2/T X何值時F最大，應(yīng) From Plancks Radiation Law to Wien