高級紅外光電工程導論

1、PAGE PAGE 53高級紅外光電工程導論中科院上海技術(shù)物理研究所教育中心序言紅外線是電磁波譜的一個部分，這一波段位于可見光和微波之間。早在1800年，英國天文學家赫胥爾為尋找觀察太陽時保護自己眼睛的方法就發(fā)現(xiàn)了這一“不可見光線”。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展。紅外系統(tǒng)是用于紅外輻射探測的儀器。根據(jù)普朗克輻射定理，凡是絕對溫度大于零度的物體都能輻射電磁能，物體的輻射強度與溫度及表面的輻射能力有關(guān)，輻射的光譜分布也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

2、光波段，而把波長從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光紅光相鄰，長波端與微波相接?？梢姽廨椛渲饕獊碜愿邷剌椛湓?，如太陽、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。通常情況下，紅外儀器總被認為是一種無源、被動式的探測儀器，因為它主要探測來自被測物體自身的紅外輻射。例如：紅外輻射計、熱像儀、搜索跟蹤設(shè)備等就不需要像雷達系統(tǒng)那樣的大功率輻射源，紅外儀器可對物體自身熱輻射進行非接觸式的檢測，從中反演出物體溫度或輻射功率、能量等。由于，具有全天時、隱蔽性好、不易為敵方干擾，適合軍事應(yīng)用。但是，并非所有的紅外儀器都是無源的。因為，除物體自身熱輻射

3、外，自然或人工輻射源與物質(zhì)相互作用也能產(chǎn)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、吸收電磁輻射時的光譜特征，可測量分析物體的顏色、水份、和材料組分等。這一類探測儀器是需要輻射源的。習慣上，我們都是根據(jù)儀器自身是否帶輻射源來劃分被動式或主動式探測儀器。儀器的命名也有所不同，如我們把被動式的輻射測量設(shè)備稱之為輻射計，如紅外輻射計、微波輻射計。而主動式的輻射探測設(shè)備相應(yīng)地稱為紅外雷達、微波雷達。本課程主要介紹被動式的紅外光電探測系統(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

4、處理等環(huán)節(jié)。紅外光、可見光本質(zhì)上都是電磁波，波段相鄰，紅外儀器與可見光儀器的工作原理、信息流程幾乎相同，主要元部件（如光學系統(tǒng)、探測器）雖有差異，但其作用機理、設(shè)計方法相似之處甚多，許多遙感儀器也經(jīng)常集成了可見光通道和紅外探測通道。由此，紅外光電系統(tǒng)課程重點講授紅外技術(shù)，但許多內(nèi)容對可見光系統(tǒng)也是適用的。景物輻射大氣傳輸光學系統(tǒng)探測器信號讀出制冷裝置信號處理顯示景物輻射大氣傳輸光學系統(tǒng)探測器信號讀出制冷裝置信號處理記錄傳輸、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、紅外探測器、信號檢測與處理等多個技術(shù)領(lǐng)域，是一門工程性很強的綜合性學科?？梢杂幂椛洹⒐庾V、空間、時間

5、等特性來描述一個紅外系統(tǒng)的性能。具體表現(xiàn)為：輻射特性：系統(tǒng)探測靈敏度、信號動態(tài)范圍；光譜特性：波段、光譜分辨率；空間特性：探測視場、瞬時視場（空間分辨率）；時間特性： 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結(jié)構(gòu)、探測器、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、時間性能會限制系統(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，不可能獲得較高的系統(tǒng)信噪比。因此，設(shè)計紅外系統(tǒng)必須從應(yīng)用需求出發(fā)，合理設(shè)計系統(tǒng)的各個組成環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)綜合性能得以優(yōu)化?？臻g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

6、辨影響能量時間特性 電子帶寬、數(shù)據(jù)率光譜性能波段、光譜分辨率空間分辨率影響能量輻射能量信噪比、信號動態(tài)范圍空間特性光學/掃描視場、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，筆者力圖盡量結(jié)合一些應(yīng)用實例，以加深對紅外光電系統(tǒng)基本理論和設(shè)計方法的理解。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、醫(yī)學診斷、科學研究等方面也應(yīng)用甚廣。本書不準備逐一詳述，引用的應(yīng)用實例主要包括兩類，一類是輻射定量檢測，如遙感輻射計。另一類是目標識別與定位，如軍用搜索跟蹤設(shè)備、衛(wèi)星姿態(tài)檢測設(shè)備等。前一類系統(tǒng)對遙感數(shù)據(jù)的定性、定位、定量有較為嚴格的要求，對定時的要求則次之。定

7、性是指“何物”，要求系統(tǒng)具有足以識別物質(zhì)屬性的光譜分辨率和光譜定位精度。定位是指“何處”，即準確的空間分布。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。定時是指系統(tǒng)的時效，即數(shù)據(jù)采集速度。后一類系統(tǒng)雖然對定量的要求稍次，但要求系統(tǒng)有較高的實時性，即快速反應(yīng)能力，它的定性、定位能力表現(xiàn)在復(fù)雜背景下弱小目標的提取，識別和精確測向。本書各個章節(jié)大體安排如下：由于紅外光電技術(shù)的研究對象是可見、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算、自然輻射源和人工輻射標準源，以及大氣傳輸特性。紅外光電儀器是通過光學系統(tǒng)收集輻射能量的,光學系統(tǒng)性能主要反映在聚光能力和光學像質(zhì)

8、。第二章簡要介紹了工程光學的基本理論和設(shè)計方法，包括幾何光學基本定律、理想光學系統(tǒng)、光學系統(tǒng)對光束的限制、光學像質(zhì)及評價，這些理論和設(shè)計方法對可見、紅外光學系統(tǒng)是同樣適用的。由于受到光學材料、探測器的限制，紅外與可見光學系統(tǒng)之間有共性，也有個性。紅外光學材料、典型紅外光學系統(tǒng)、輔助光學系統(tǒng)等章節(jié)對此有闡述。光學系統(tǒng)收集到的輻射能量通過探測器實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，探測器是紅外光電系統(tǒng)的核心部件，光子探測器和熱探測器是最常用的兩類紅外探測器。第三章主要介紹紅外探測器特性參數(shù)和常用探測器。紅外陣列探測器是近年來發(fā)展趨勢，因此，陣列探測器的焦平面結(jié)構(gòu)和讀出集成電路在該章也占有相當?shù)钠楂@取更詳細的光譜信息

9、，紅外光電遙感系統(tǒng)已經(jīng)歷了從多光譜、細分光譜到超光譜，以至高光譜的發(fā)展進程，光譜分割日趨精細。圖譜合一的成像光譜技術(shù)使同時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)。紅外陣列探測器雖有長足進步，集成的探測元數(shù)仍十分有限，因此，對紅外系統(tǒng)，光機掃描至今不失為獲得大視場和高空間分辯率的有效手段。用掃描機構(gòu)可獲得多種掃描方式，利弊各有不同。行掃描器可簡化光機掃描機構(gòu)，因為有一維掃描可利用搭載平臺飛行來實現(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

10、掌握紅外系統(tǒng)設(shè)計的精髓，對今后開展課題研究有所裨益。第一章 紅外輻射和輻射源11 紅外光譜紅外通常指波長從0.75至1000微米的電磁波，紅外波段的短波端與可見光紅光相鄰，長波端與微波相接。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、頻率不同而已。紅外譜段可進一步劃分為：名稱英文縮寫波長范圍（微米）近紅外/短波紅外NIR/SWIR0.753中紅外/中波紅外MWIR36遠紅外/長波紅外/熱紅外LWIR/TIR615極遠紅外151000表1.1 紅外譜段的劃分圖1.3 電磁頻譜12 輻射測量術(shù)語121 定義、符號和量綱在可見光范疇，已有完善的光

11、度學術(shù)語和計量單位，如光通量的單位為流明（lm），發(fā)光強度單位為坎德拉（cd）,以及光照度單位勒克斯（lx）。光度學物理量主要根據(jù)光學引起觀察者的視覺感知來計量，其度量單位不是由質(zhì)量、長度和時間等最基本的物理單位構(gòu)成的。輻射學的物理量用輻射能量度量的，其輻射術(shù)語可應(yīng)用于整個電磁頻譜，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，必須計入人眼視覺特性。如1瓦輻射通量相當于多少流明的光通量，就與視見函數(shù)有關(guān)。輻射術(shù)語的中文譯名非?；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)語的定義、符號和量綱輻射術(shù)語雖名目繁多，但命名方法還是有規(guī)律可循

12、：凡是冠以“輻射”前綴的術(shù)語，均強調(diào)它們是輻射量，不是光度量。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)來度量的。這是因為有一類探測器的響應(yīng)與能量并無直接關(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上，單位波長間隔內(nèi)測得的。無“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、反射率和透過率等項均定義為比值，無量綱。它們主要與材料性質(zhì)有關(guān)，如無說明，工程上將它們默認為紅外儀器工作波段內(nèi)的波段值。如需強調(diào)它們是光譜值，也可加下標，如即光譜發(fā)射本領(lǐng)。由于有些輻射術(shù)語有多個

13、中文譯名，需予說明：1）輻射通量（Radiant Flux），也譯作“輻射功率”。“通量” 和“功率”含義相同，均表示能量傳遞的時間速率。本書采用“輻射通量”，以求與光度學的“光通量”相呼應(yīng)。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)語的英文名就不一致，筆者認為譯作“輻射通量密度”或“輻射出射度” 均可?！懊芏取币辉~能表達出“單位面積”的含義，而“出射度”較容易與“照度”相區(qū)分。輻射亮度（Radiance），也譯作“輻射率”。本書用“輻射亮度”，與光度學的“亮度”相對應(yīng)，或按習慣簡稱為“輻亮度”

14、。發(fā)射本領(lǐng)（Emissivity）,有“比輻射率”、“發(fā)射率”等其他譯名。本書用“比輻射率”。122 輻射亮度和理想朗伯體輻射計算一個輻射源可以用輻射強度、輻射通量密度和輻射通量來描述其強弱和能量的空間分布。輻射強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輻射源向空間發(fā)射的功率，即發(fā)射的輻射能的時間速率。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_輻射強度、輻射通量密度和輻射通量與輻亮度的關(guān)系。將輻射亮度對輻射源的面積積分，可得輻射強度：（

15、1.2.1）將輻射亮度對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。當用儀器接收輻射時，入瞳的輻照度按下式計算：（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

16、能量傳遞過程的損失，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，計算也較為簡單。因此，工程應(yīng)用中，源的輻亮度計算十分重要。一般情況，物體輻射或反射均有方向性，能量僅在一個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度只與測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）當我們以不同的視角用肉眼去觀察一個具有漫射特性的發(fā)光體（如太陽）時，每個視覺細胞“看到”的發(fā)光面元是實際面元在視線方向的投影。當我們從法線方向看中心部分，或者

17、從切線方向看邊緣部分時，雖然實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均勻的亮團。圖1.4 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潔的關(guān)系。在球坐標系中圖1.5朗伯體輻射計算圖示（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理想模型，它要求在半球空間的輻射都是均勻的。事實上，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，測量方向與法線的夾角不超過60，導電材料夾角不超過

18、50，輻射亮度都可近似認為相等。許多光源（如激光二級管）的產(chǎn)品手冊中均給出發(fā)射瓣的半寬度這樣一個指標，發(fā)射瓣內(nèi)輻射亮度基本恒定。對發(fā)射瓣半寬度為的近似漫射體，可以導出輻射功率與輻亮度的關(guān)系：（1.2.7）123 波段輻射量和光譜輻射量光譜輻射量是在特定波長下用單位波長間隔測量的。由于任何輻射體均有一定的光譜范圍，任何探測裝置的光學系統(tǒng)和探測器也有自己固有的光譜響應(yīng)范圍，無論從系統(tǒng)角度還是從應(yīng)用角度，我們關(guān)心的只是波段輻射量。許多文獻的公式中，輻射通量、輻射通量密度、輻射強度、輻射亮度和輻照度的波段值并未采用特殊的標識符號，隱含的光譜波段即儀器的工作波段。確有必要說明時，可用下標注明波段范圍。波

19、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、反射率和透過率都是與光譜有關(guān)的。如無特殊說明，它們都被默認為儀器工作波段內(nèi)的平均值。需要強調(diào)它們是光譜值時，也可加波長下標。13 點源和面源輻射能量計算是系統(tǒng)設(shè)計的首要一步。當輻射源被視作點源時，或是視作面源時，采用的輻照度計算方法是不同的。任何輻射源都具有一定尺寸，不可能是一個幾何點。所謂點源、面源也不是根據(jù)輻射源尺寸大小來劃分的，而是根據(jù)輻射源的面積是否充滿儀器的測量視場。如果輻射源的面積小于儀器視場

20、的空間覆蓋，輻射源面積都是有效的，這樣的輻射源稱為點源。當一個紅外搜索系統(tǒng)對遠方來襲導彈的張角遠小于系統(tǒng)瞬時視場角時，盡管測到的輻射可能來自導彈的蒙皮、噴管、或尾焰，我們可以認為全部輻射來自一點。此時，用輻射強度可以計算點源產(chǎn)生的輻照度。當我們在近距離用熱象儀測量導彈的尾焰輻射特性時，我們能得到尾焰溫度場空間分布的熱圖像。尾焰熱像由許多像素組成，每個像素的測量視場很小，它不能探測到全部尾焰。此時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計算面源產(chǎn)生的輻照度。1）點源產(chǎn)生的輻照度:假設(shè)： 點源輻射強度為；點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 點源產(chǎn)

21、生的輻照度可推導得：（1.3.1） 式中 為點源對面元所張的立體角。由式可見，在不考慮輻射傳輸損失時，點源產(chǎn)生的輻照度與距離平方成反比。其原因是：盡管點源的輻射強度不變，點源對系統(tǒng)所張的立體角隨距離增加而減小。當輻射源未充滿測量系統(tǒng)的視場覆蓋時，系統(tǒng)測得的輻射數(shù)據(jù)與距離等測量條件有關(guān),不能反映輻射源的真實情況。2）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)視場有關(guān)。因此，有效孔徑及視場是儀器最基本的參數(shù)。 對面源來講，當測量距離確定后，由于儀器視場的限制，源發(fā)射面積中只有部分是有效的。由于有效

22、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； ：法線與測量方向的夾角。：儀器視場立體角； ：面源有效發(fā)射面積；：法線與測量方向的夾角。：面源發(fā)射立體角；：測量距離；圖1.7 封閉光束無損傳輸時亮度守恒關(guān)系（1.3.2） (1.3.3)假定光束傳輸過程中沒有吸收、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，兩者也僅差一個傳輸效率。上述結(jié)論雖是通過一個特例導出的，實際上它反映了一個封閉光束在無損失的同種介質(zhì)傳輸時

23、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。當測量方向與儀器光軸重合時，公式更為簡潔。 式中： 分別為儀器的入瞳面積、視場立體角和視場角。由于是儀器固有的參數(shù)，只要滿足面源的約定，儀器測得的輻射功率正比于源的輻亮度，而與測量距離無關(guān)。這樣就可以獲得真實的輻射數(shù)據(jù)?，F(xiàn)以一個激光探測的實例說明之。實例：用一個10.6微米CO2激光器（15W, 出射窗5mm

24、）作為光源，激光束打在墻面后漫射。用一臺室溫熱象儀（ 814微米，120視場，320240元象素）對激光散射斑成像。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激光器室溫熱像儀激光散斑激光斑有效面積圖1.8 激光散射輻射能量計算熱象儀瞬時視場 瞬時視場所張的立體角每個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度按點源公式，熱象儀處輻照度如在激光器前加凹透鏡發(fā)散，束散角為1，墻面上光斑直徑約35mm，輻射源已充滿瞬時視場，因此，只有部分光斑的能量能到達探測元?？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

25、的照度與熱像儀至墻的距離無關(guān)。距離增加時，每個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，輻射面積的增加完全補償了立體角的減小，熱像儀收到的輻射通量不變，即照度不變。14 輻射基本定律141 輻射體的分類如果用光譜輻射計來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，則光譜分布曲線是連續(xù)的，僅有一個最大值，其波長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

26、，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，通量集中的所在波長在整個頻譜上的位置似乎是雜亂的。詳細的考察表明；它們表征了一定類型的輻射原子和分子的特性。因而，這些波長構(gòu)成了輻射源獨有的特征：線譜是原子的特征，帶譜是分子的特征。紅外系統(tǒng)設(shè)計者可能碰到的一些選擇牲輻射體有：噴氣發(fā)動機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)動機發(fā)火箭尾噴管的熱金屬、氣動加熱表面、汽車、人大地、空間飛行器以及天體。由于熱輻射體遠為普遍，因此，

27、首先討論一下適用于這些輻射源的定律。142 熱輻射定律1421 基爾霍夫定律、比輻射率定義19世紀后半期，物理學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^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，對任何材料都是常數(shù)。用一句精練的話表達，即：“好的吸收體也是好的輻射體”?；鶢柣舴蜻€提出用“黑體”這個詞來說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，黑體是一個比較標準，它是任何其它輻射源可以與之進行比較的最有效的輻射體。一個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

28、。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輻射和吸收來交換能量。當系統(tǒng)達到熱平衡時，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，只有當輻射能量多的物體吸收能量也多時，才能和其他物體一樣保持溫度T不變。這就說明：物體的輻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)學公式表達為：（1.4.1）這里為黑體（）在溫度時的輻射出射度。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.

29、2)比輻射率是一個比值，其值介于非輻射源的零和黑體的1之間，可用來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)值上等于該溫度時的吸收率?；鶢柣舴蚨蓪λ胁ㄩL的全輻射是正確的，對波長為單色輻射也成立。(1.4.4)對波長為單色輻射，同樣可定義光譜比輻射率，并得到：(1.4.5)例如：地球大氣中有一層穩(wěn)定的二氧化碳氣體，它在1416微米有一很強吸收帶，也是1416微米很穩(wěn)定的強輻射源。衛(wèi)星紅外地平儀的探測波段就選擇在1416微米，實際探測的是穩(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

30、消除地球大地的輻射不均勻?qū)ψ藨B(tài)控制精度的影響。1422 普朗克定律1879年，斯蒂芬從他的實驗測量中得出結(jié)論：黑體輻射的總能量與它的絕對溫度的四次方成正比。1884年，波爾茲曼應(yīng)用熱力學的關(guān)系也得到同樣的結(jié)論；這個結(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短波段的實驗數(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，推導出與高溫時長波段實驗數(shù)據(jù)相吻合的表達式，可是表達式預(yù)言能量隨波長減小會無限制增加，被人稱為“紫外災(zāi)難”。1900年，普朗克發(fā)表的輻射定理，用量

31、子物理的新概念補充了經(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)通常也可寫成：(1.4.7)溫度從500K到900K范圍的黑體輻射光譜通量密度曲線如圖所示。這是一個重要范圍，因為它包括了渦輪噴氣機尾噴管的溫度。 圖1.11全光譜的輻射通量密度與光譜分布曲線下的面積相對應(yīng)，可積分求解：(1.4.8)由圖可見：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隨向短波方向移動。另外，不同溫度的光譜分布曲線彼此不相交，說明任何波長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算波段輻

32、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（300K）的黑體在814微米的輻射功率密度，可有：=2.369510-2-6.440310-3=1.725510-2 Wcm-2。隨計算機技術(shù)的發(fā)展，用數(shù)值積分方法計算黑體輻射已不是難事。1423 斯蒂芬-波耳茲曼定律在從零到無窮大的波長范圍內(nèi),對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), 5.669710-12 （）輻射通量密度與絕對溫度的四次方成正比。因此，相當小的溫度變化，就會引起輻射功率密度很大的變化。

33、1424維恩位移定律求普朗克光譜分布函數(shù)對波長的偏微分，并令其為零，可得出黑體的光譜輻射通量密度的峰值波長和黑體絕對溫度之間滿足： 微米(1.4.12)在實際可以達到的溫度范圍內(nèi), 光譜輻射的峰值波長均位于紅外區(qū)域。如300K室溫條件下，峰值波長為9.66微米，因此，8至14微米紅外波段有時也稱為熱紅外波段。峰值波長的光譜輻射通量密度與絕對溫度的五次方成正比，即：(1.4.13)式中 為1.286210-15 （）1425 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，有的書上也稱輻射對比度。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和背景輻射亮

34、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。實際上，目標和背景之間溫度差和比輻射率差都能產(chǎn)生兩者的輻射對比度。為便于評估，紅外熱成像系統(tǒng)的探測靈敏度可用溫度靈敏度的形式表達。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、波長的函數(shù)，在峰值波長 處取得最大。對單位溫差變化，波長為輻射

35、的亮度差最大，對探測最為有利。光譜微分輻射亮度的峰值波長與溫度之積也是常數(shù)，可表示為：微米K(1.4.16)對照維恩位移定律，光譜微分輻射亮度達到最大的峰值波長不再是光譜輻射出射度達到最大的，小于。對于300K的溫度，等于8微米，峰值波長為9.66微米。后面章節(jié)將講到，地球大氣層不是對所有波長都透過的，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最理想的工作波段。無論是光譜輻射量,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：計算室溫墻面(300K)和人的皮膚（30

36、5K）在814微米的輻射出射度, 忽略比輻射率的影響。可用兩種方法：1）直接用普朗克定律計算2) 利用300K時的出射度和微分輻射亮度計算300K時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，兩種方法算得結(jié)果近似相等。例2： 如一個814微米波段熱象儀的300K室溫時的溫度靈敏度為0.1K，試估算如用來探測浮冰，或高壓電纜接頭，溫度靈敏度將是多少？可分別計算300K室溫，273K浮冰及350K（設(shè)溫升50度）的微分輻射亮度：室溫時的溫度靈敏度為0.1K的熱像儀，如探測浮冰，溫度靈敏度為0.13K,如用來檢測電纜接頭是否過熱，溫度靈敏度可達0.07K。紅外系統(tǒng)的溫度靈敏度

37、與被測物溫度有關(guān)。143 比輻射率1431 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成更普遍的表達式：(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黑體或普朗克輻射體，其；灰體，其常數(shù)，但小于1；選擇性輻射體，隨波長而變。圖1.13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。灰

38、體的比輻射率是黑體的一個不變的分數(shù)，這是一個特別有用的概念。因為有些輻射源，如噴氣機尾噴管、氣動加熱表面、無動力空間飛行器、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，并對大多數(shù)工程計算有足夠的準確度。噴氣發(fā)動機或火箭的尾焰是典型的選擇性輻射體。在燃氣流中，主要的燃燒物是二氧化碳和水蒸汽，它們產(chǎn)生了特有的分子發(fā)射帶。二氧化碳強譜帶在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)射帶的輻射強度約為2.7微米水分子發(fā)射帶強度的3倍。對各種火焰的測量表明，這個比值可以從2.5至10,主要與所用的材料有關(guān)。從探測角度看，考慮到太陽光

39、線干擾和大氣透過，4.3微米二氧化碳發(fā)射帶也比2.7微米水分子發(fā)射帶更有用。如按嚴格定義，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，這樣可以簡化計算。1432 常用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、透過能量之和，即：（1.4.19）對于不透輻射材料，所以有：(1.4.20)由于直接測量比輻射率比較困難，可通過測量反射率來間接測量比輻射率。常用材料的比輻射率如表所列，由表可

40、見：金屬材料的比輻射率均較低,但隨溫度而增加,并且當表面形成氧化層后,比輻射率成十倍或更大倍數(shù)增加。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。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關(guān),主要與表面狀態(tài)有關(guān)。表面涂復(fù)或刷漆對比輻射率有影響，表面的油膜、污垢、灰塵、擦傷都能引起比輻射率測量值的變化。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。同樣一種材料在不同波段的比輻

41、射率的差異很大，雪就是一個典型例子。表中給出雪的比輻射率為0.85，這是在紅外波段測得的平均結(jié)果。雪在陽光照射下顯得十分耀眼，說明雪在可見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。太陽輻射相當于6000K黑體，其輻射的峰值波長在0.5微米處,整個輻射能量98處于0.15到3微米的波段內(nèi)。由于人眼只對可見光敏感, 最敏感的波長在0.5微米左右，陽光下我們觀察到的雪確實應(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時測得的，該溫度下的黑體輻射的峰值波長在11微米，且整個輻射能量約有98處于3微米到

42、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)?？上搜鄄荒芨兄t外，否則雪應(yīng)該是“黑”的。像衛(wèi)星那樣的航天飛行器進入日照區(qū)時，星體大量吸收太陽輻射的能量，艙內(nèi)迅速升溫。進入陰影區(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輻射波段和殼體熱輻射波段發(fā)射能力的差別，對星體結(jié)構(gòu)進行熱控設(shè)計，減小艙內(nèi)環(huán)境溫度的波動。熱控設(shè)計時，殼體材料對太陽輻射的吸收率以及在低溫（300K）輻射時的比輻射率是非常重要的參數(shù)。內(nèi)部沒有能量散逸的衛(wèi)星稱為被動式衛(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”。對于有能量散逸的主動式衛(wèi)星，必

43、須考慮其他一些因素，但決定它們的平衡溫度時，仍是最重要的一個量。比較一下磨光鋁板和白色氧化鈦涂料的值，就能明白：為什么許多飛機為降低停放地面時太陽照射產(chǎn)生的內(nèi)部高溫，都涂以涂層。美國雙子星座載人飛船以制動艙和設(shè)備艙外蒙皮為輻射散熱面, 為0.9，對太陽輻射的吸收率為0.187。其值為0.21，對艙內(nèi)的紅外探測儀器比較有利。5 黑體型輻射源151 黑體和黑體型輻射源基爾霍夫定義的黑體是一個理想化的物理模型，它的比輻射率為1，且與波長無關(guān)，而且是理想的漫發(fā)射體。這樣，黑體可以用來作為與其它輻射源比較的基準。我們雖然無法制作出這樣一個嚴格意義上的黑體，但我們可以制作一個盡可能接近絕對黑體的輻射源，比

44、如它的比輻射率非常接近1，而且在一定的光譜范圍內(nèi)與波長無關(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，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。他進一步指出，無論密封腔的幾何形狀或制作材料如何，都不影響這個結(jié)果。重要的是，密封腔要是真正等溫的，同時，小孔的面積比密封腔內(nèi)表面的面積要小得多。絕對黑體要求對

45、任何波長的輻射100吸收，材料本身無法做到這一點，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上開一個小孔B，所有由小孔B入射的光線經(jīng)過多次反射才能由B射出。當腔壁的反射率較小，反射次數(shù)較多時，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，開孔比腔體小得多，就有可能制作一個黑體源。圖1.14 人造黑體原理152 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

46、有效發(fā)射率的重要因素。黑體的有效比輻射率可通過計量標定和理論計算得到。Gouffe對黑體設(shè)計問題作了分析，雖然他的某些方法的合理性尚有爭議，大多數(shù)敘述作為校準標準的高精度黑體結(jié)構(gòu)的文章，都利用了Gouffe的方法來計算有效比輻射率。假定腔體是漫反射體，Gouffe的有效比輻射率計算公式為：式中 為腔體有效比輻射率；為腔壁比輻射率；開口面積，厘米2；包括開口面積在內(nèi)的腔體總表面面積，厘米2；直徑等于腔體深度（從開口平面到腔體最深點）的球體表面積，厘米2。一個黑體型輻射源的有效比輻射率與腔體形狀、開孔大小、腔壁的比輻射率及等溫精度都有關(guān)。設(shè)計黑體除要求其有效比輻射率盡量接近于1外，開孔大小、等溫精

47、度均極其重要。等溫精度影響到輻射的定量精度。開孔太小，無法獲得一定的輻射能量，開孔過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，選擇時需要綜合考慮各種因素?？蓪η惑w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（腔長與開口半徑比），用Gouffe公式可計算并比較它們的有效比輻射率。可以發(fā)現(xiàn)：球形黑體有效比輻射率最高，園柱次之，圓錐最低。這是因為球形腔體內(nèi)反射次數(shù)最多的緣故。圖1.15 三種腔體結(jié)構(gòu)比較從Gouffe公式計算得出的結(jié)論是：對于給定的L/r值，表面積最大的腔體的有效比輻射率最高。腔體效應(yīng)是極其明顯的，腔體的有效比輻射率總是超過其腔壁的

48、比輻射率。隨著腔壁比輻射率的降低，腔體效應(yīng)更為明顯。以L/r等于6的圓錐腔體為例：腔長/開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。開孔較小的點源黑體可以把整個腔體做成圓錐狀，一些大口徑的黑體面源的有效輻射面和附罩加工成同心V型槽，V型槽的深度遠大于槽的寬度，即有較大L/r值。153 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)有較高的熱傳導系數(shù)，使溫度梯度最小。在高溫時，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。

49、1400K以下黑體源的芯子材料一般都選用不銹鋼，因為不銹鋼有良好的導熱系數(shù)，氧化表面的穩(wěn)定性也很高。銅導熱雖好，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。在腔體的開口附近損失最大，可在此部位增加加熱圈數(shù)。由于開口端很難均熱，可以在黑體源的出口處設(shè)置光欄盤。該光欄相當于測量系統(tǒng)視場光欄，使測量系統(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黑體源的輻射功率對溫度十分敏感。T=800K時，溫度變化1K ，輻射功

50、率將變化5%。因此，黑體源常用鉑電阻測溫，PID精密溫控裝置，控溫精度可達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510范圍內(nèi)符合朗伯余弦關(guān)系。當測量系統(tǒng)在大于這一范圍介紹接收輻射時，不能再用前面介紹的簡單關(guān)系計算。必須測出輻射的角分布，用積分計算輻射量。另外，當測量系統(tǒng)的光學口徑較大時，輻射不充滿入瞳，會引入許多誤差。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劢菫?.7，出射光束的發(fā)散角為0.14。如測量系統(tǒng)視場很小，在沿光軸方向可自由放置，在垂直光軸方向只要不超過400mm的范

51、圍，均可測得穩(wěn)定的結(jié)果。圖1.17 由黑體和平行光管組成的輻射定標源下圖為一個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0.998，輻射面的有效發(fā)射率為0.9972。圖1.1816 紅外輻射源紅外輻射源可大致分為兩大類。一類屬標準輻射源或工程用的輻射源，是人工專門制作的，有較大的通用性。另一類是天體、地面景物、大氣等自然輻射源，或者是艦船、飛行器、工業(yè)目標等紅外系統(tǒng)需要探測的對象，這類輻射源也常被稱之為“背景”和“目標”。161 標準輻射源和工程

52、用輻射源除黑體型輻射源外，能斯特燈、硅碳棒也是常用的標準輻射源，可用于一些紅外光電儀器的測試或校正。雖然它們的定量精度不如黑體，但是使用簡單、價格低廉、便于攜帶。另外，如用黑體作為可見、近紅外波段的輻射源，需要制作高溫黑體，技術(shù)難度較大，而下列輻射源都能在可見、近紅外波段提供較強的功率輸出。能斯特燈常見于紅外分光計中，能斯特燈的有效溫度約2100K。因為有大的電阻負溫度系數(shù)，故需要限流鎮(zhèn)流器。能斯特燈的比輻射率在2到15微米內(nèi)的平均值約為0.66。2) 硅碳棒紅外分光計中經(jīng)常使用的另一種輻射源是發(fā)光硅碳棒。硅碳棒可直接通電加熱，其比輻射率在2到15微米內(nèi)的平均值約為0.8。3） 鎢燈鎢燈燈絲溫

53、度3300K，由于鎢燈的外殼不能透過4微米以上的輻射，僅用作為近紅外波段的輻射源。由于它的輻射通量密度隨燈絲電流迅速變化，需采取恒流供電。一般民用燈泡，除10的輸入功率作為可見光輻射除燈泡外，有70是在近紅外波段輻射的，還有20被燈泡內(nèi)的氣體及玻璃外殼所吸收。如果用長波熱像儀，可以看到熱外殼的圖像，但不是燈絲的圖像。4） 氙燈氙燈的最大優(yōu)點是可通過改變燈絲電流，得到調(diào)制輸出。氙燈的大部分能量是在可見光和紫外輻射的，常用作色度計的光源。5） 激光激光的優(yōu)點是相干性、高輻射亮度和易于調(diào)制，其頻譜范圍可從紫外直到微波。162 自然輻射源太陽、地球表面、天空、外層空間和星體等都是自然輻射源，它們既可能

54、是我們探測目標時的輻照源，如太陽。也可能是一種干擾我們探測的背景，有時它們本身就是我們索要探測的對象。例如：紅外地平儀是通過檢測太空背景下地球地平圈的位置來確定衛(wèi)星姿態(tài)的。星敏感器則是通過測量恒星的坐標來定位的。無論何種方式，我們都必須了解這些自然輻射源的特征。1621 太陽太陽是天然、穩(wěn)定的輻射源，遙感儀器可見、近紅外波段的地面輻射定標就利用太陽作為標準的輻射源。通常假定太陽的輻射與5900K的黑體一樣，即它的輻射溫度為5900K。輻射溫度不是真實溫度，是表示它與該溫度的黑體有相等的輻射功率。對太陽輻射溫度不能作出單一的假定，因為該值隨波長的增加而降低。精確測量表明：太陽的輻射溫度在4微米處

55、為5626K，5微米為5270K，而11微米為5036K。太陽的輻射能量用太陽常數(shù)表示，太陽常數(shù)指的是在平均太陽距離上（地球到太陽），在地球大氣層外測得的太陽照度值。從1900年以來，其測量值幾乎不變。由于這些測量是在地球表面進行的,必須對大氣的吸收和散射進行修正。目前公認的太陽常數(shù)值為0.140W/cm2。在地球表面的照度，大約是這個值的三分之二，即0.09W/cm2。由于許多紅外系統(tǒng)設(shè)計的最小探測照度可低達1010W/cm2量級，太陽一旦進入探測視場，其能量將使系統(tǒng)“致盲”。圖1.191622 地球表面白天對地觀察到的地球表面輻射由反射和散射太陽光線以及地球本身熱輻射兩部分組成。太陽輻射的

56、光譜特征通?？梢哉J為與5900K黑體一樣，其光譜輻射功率密度的峰值在0.5微米處，且整個發(fā)射能量的98%在0.15到3微米波段內(nèi)。而地球熱輻射的峰值波長約在10微米，其輻射如同280K灰體。因此，光譜分布出現(xiàn)兩個峰值：短波峰值是太陽光產(chǎn)生的，而長波峰值來由于地球熱輻射。最小值在兩個峰值之間約3.5微米處。夜間，太陽部分消失了，其光譜分布就相當于地球環(huán)境溫度的灰體的光譜分布。下圖給出了雪、草地、土壤和純沙的光譜輻射亮度。這些物質(zhì)之間的差別不明顯，每一種分布都有兩個峰值，在3到4微米處有一個最小值。把其中每根曲線都與35的黑體作比較，表明這些物質(zhì)的輻射與比輻射率0.9以上的灰體相當。圖1.20 白

57、天觀察典型地物的光譜輻射亮度水面的輻射的溫度取決于它的溫度和表面狀態(tài)。無波浪時反射良好而輻射甚差，只有當出現(xiàn)波浪時，海面才能成為良好的輻射體。浪花的輻射如同黑體。圖1.211623 天空探測空中目標時主要背景是天空和云層。天空的輻射亮度曲線大體上與地面相類似，可分為兩個區(qū)，即3微米以下的太陽散射區(qū)和4微米以上的大氣熱輻射區(qū)。大氣路程的發(fā)射本領(lǐng)與路程中的水蒸汽、二氧化碳和臭氧等吸收氣體的含量有關(guān)。因此，計算天空的輻射亮度必須知道大氣的溫度和視線的仰角。圖1.22 夜空不同觀察仰角的光譜輻射亮度上圖表示了晴朗夜空的光譜輻射亮度和隨仰角的變化。在低仰角時，大氣路程非常長，其輻射亮度相當于低層大氣溫度

58、下黑體的輻射亮度。在高仰角時，大氣路程較短，在那些吸收很小的波段上，比輻射率很低。但在6.3微米的水蒸汽發(fā)射帶和15微米的二氧化碳發(fā)射帶上吸收很厲害,比輻射率基本上就等于1了。9.6微米的發(fā)射是臭氧引起的。在白天，4微米以上的大氣熱輻射區(qū)是相似的，3微米以下的太陽散射區(qū)有0.94、1.1、1.4、1.9微米的水汽吸收帶,以及2.7微米的二氧化帶吸收帶。圖1.23 睛空不同太陽仰角的光譜輻射亮度圖中曲線A、B、C的太陽仰角分別為70、41、15，觀察方向為正上方。太陽的位置對太陽散射區(qū)輻射有很強的影響，對大氣熱輻射區(qū)的影響卻很小。而大氣溫度對熱輻射區(qū)有很強影響，但在太陽區(qū)的影響卻很小。3至5微米

59、中波波段和8至12微米長波波段是探測空中目標的紅外系統(tǒng)常選的工作波段。長波紅外對氣溫敏感而對太陽照射不敏感，高仰角探測時能獲得較高的目標背景對比度。但是，低仰角探測時大氣透過率急劇下降，大氣輻亮度增加，目標背景對比度很差。圖1.24 停機坪上和起飛的軍用機的長波圖象從拍攝的某軍用機場的長波紅外圖像看，高仰角天空背景較暗，云彩也較暗，稱之為“冷云”。低仰角天空的輻射亮度與遠處機場跑道的輻射亮度已十分接近。從拍攝的某軍用機場的長波紅外圖像看，高仰角天空背景較暗，云彩也較暗，稱之為“冷云”。低仰角天空的輻射亮度與遠處機場跑道的輻射亮度已十分接近。中波波段低仰角探測時，大氣輻亮度變化不大，大氣透過率下

60、降較少。探測巡航導彈、掠海導彈等低空、超低空目標時，選用中波波段較為合適。但白天工作時，太陽散射、海面反射會產(chǎn)生較嚴重的干擾。圖1.25 停機坪上和起飛的軍用機的中波圖象1624 外層空間工作在地球大氣層以外的紅外系統(tǒng)的背景，是深冷的外層空間。作為一級近似，此背景的溫度可取為絕對零度。將空間背景的輻亮度在全部外層空間（包括所有恒星）上進行積分，可算得其有效溫度約3.5K。1625 月球、行星和恒星月球、行星的輻射由自身輻射和對太陽輻射的反射組成。如月球反照的光譜分布與陽光相似，峰值波長為0.5m；月球自身的紅外輻射相當于400K的絕對黑體，峰值波長7.24m。 圖1.261.7 目標輻射特性1