紅外物理與技術(第2版)楊風暴課后習題解答

-8為了制造一架紅外隱身飛機，可能采取的隱身措施有哪些？答：所謂隱身飛機，就是利用各種技術減弱雷達反射波、紅外輻射等特征信息，使敵方探測系統(tǒng)不易發(fā)現(xiàn)的飛機。目前，飛機隱身的方法主要有以下三個方面：一是減小飛機的雷達反射面，從技術角度講，其主要措施有設計合理的飛機外型、使用吸波材料、主動對消、被動對消等；二是降低紅外輻射，主要是對飛機上容易產生紅外輻射的部位采取隔熱、降溫等措施；三是運用隱蔽色降低肉眼可視度。4-9在飛機尾焰中加入碳顆粒，可以將降低飛機尾焰3～5μm波段的輻射，試解釋其原因。答：由于3-5μm紅外波段具有低發(fā)射率，耐高溫的特點，在飛機尾焰中加入碳顆粒，可以實現(xiàn)光譜轉換（就是采用在窗口波段發(fā)射率低而在其他大氣吸收波段發(fā)射率高的材料）。

第5章紅外輻射的測量5-1名詞解釋（1）多波長輻射測溫：當采用超過兩個波長來測量溫度時，這種輻射測量方法被稱作多波長測溫。（2）比色測溫：指根據物體在兩個相鄰波長下的輻射能量密度之比來確定物體的溫度。5-2填空題（1）單色儀是一種常用的分光儀器，可分為棱鏡單色儀和光柵單色儀兩類。（2）輻射計一般由光學系統(tǒng)、光譜元件、探測器和電子部件等組成。（3）紅外半球全發(fā)射率的測量一般采用的方法是量熱法；法向光譜發(fā)射率測量時基本采用輻射度量比較法。（4）紅外分光光度計根據其結構特征的不同，可分為單光束紅外分光光度計和雙光束紅外分光光度計兩種。（5）紅外輻射測溫的方法主要有全輻射式測溫、亮度測溫（又稱為單色輻射測溫）和比色測溫。其中，對于發(fā)射率低的物體，全輻射式測溫和亮度測溫的相對誤差較大，對于發(fā)射率高的物體，三種測溫方法均適用。（6）對于不能使用透射法和反射法測量的固體材料，可測量材料的發(fā)射比來獲得相應的透射比和吸收比。（7）反射比的測量一般取決于入射輻射的波長及偏振狀態(tài)。（8）傅里葉變換紅外光譜儀主要由邁克爾遜干涉儀和計算機構成，前者得到的干涉圖函數(shù)包含光源的全部頻率和強度信息。（9）目前室內的反射比測量系統(tǒng)主要有積分球反射計、熱腔反射計、半球反射計和橢球鏡反射計4種。5-3簡述反射式單色儀的工作原理。答：反射式單色儀光路系統(tǒng)的工作原理如圖5-3所示。當來自輻射源的輻射束穿過入射狹縫后，經拋物面準直反射鏡反射變成平行光束投射到平面反射鏡，再被反射進入色散棱鏡，便被分解為不同折射角的單色平行光束，經另一拋物面反射鏡反射，并聚焦于出射狹縫輸出。色散棱鏡與平面反射鏡的組合，稱為瓦茨伏爾士（Wadsworth）色散系統(tǒng)。通過轉動該系統(tǒng)，可在出射狹縫后面獲得不同波長的單色光束。圖5-1反射式單色儀光路系統(tǒng)的示意圖5-4簡述雙光束光學自動平衡系統(tǒng)和雙光束電學平衡系統(tǒng)的異同。答：兩者都屬于雙光束紅外分光光度計，結構特征和工作原理有區(qū)別：雙光束電學平衡系統(tǒng)在光路的安排上，要求斬光器放在樣品槽之前，通過樣品的光束為間斷的脈沖光束，而雙光束光學自動平衡系統(tǒng)無此要求；在參比光路上，雙光束電學平衡系統(tǒng)不使用光學衰減器，而是用斬光器將參比光束變?yōu)殚g斷的脈沖光束，然后分別將兩條光束的強度轉換成電信號，經放大后測量兩個電信號的比率。5-5簡述各類輻射測溫法的特點。答：全輻射測溫沒有考慮物體所反射的環(huán)境輻射，因此求得的真實溫度不一定準確；亮度溫度測量中也存在著光學系統(tǒng)效率低下的輻射能量損失，因此精度不高；比色測溫由物體在兩個相鄰波長下的輻射能量密度之比來確定物體溫度，測溫精度高、抗干擾能力強；多波長輻射測溫，采用超過兩個波長來測量溫度，目前處于實驗階段，實用化還有一定困難。四種輻射測溫法的比較如下：1）全輻射溫度、亮溫度恒小于物體表面的真實溫度。2）對于發(fā)射率較小的物體，全輻射測溫和亮溫度測溫相對誤差都較大。對于發(fā)射率較高的材料，3種測溫法均適宜。3）全輻射測溫和亮溫度測溫都必須知道被測物體發(fā)射率的絕對值。而雙波長輻射測溫則只要知道兩個波長處光譜發(fā)射率之比值。5-6解：由公式，又知R最大為，紅外線波長λ為，取其平均值為，得數(shù)值孔徑。5-7解：1）已知，則由公式得分辨率為2）5-8解：由分辨率公式R=bdn5-9解：已知K=1，N=300×50=15000，則由公式由分辨率公式R=mbdndλ，d5-10解：利用色散曲線的柯西公式，由于波長變化范圍不大，只取前兩項，即：，代入得。鈉光譜線，三棱鏡在這個波長附近的色分辨率本領，由棱鏡色散公式和得。5-11欲購一臺紅外光柵光譜儀，利用光柵的一級光譜，使其適用于0.415～10微米波段，對其光柵有什么要求？答：對光柵有如下要求：（1）閃耀波長，閃耀波長為光柵最大衍射效率點，因此選擇光柵時應盡量選擇閃耀波長在實驗需要波長附近。（2）光柵刻線，光柵刻線多少直接關系到光譜分辨率，刻線多光譜分辨率高，刻線少光譜覆蓋范圍寬，兩者要根據實驗靈活選擇。（3）光柵效率，光柵效率是衍射到給定級次的單色光與入射單色光的比值。光柵效率愈高，信號損失愈小。為提高此效率，除提高光柵制作工藝外，還采用特殊鍍膜，提高反射效率。5-12假設天空為朗伯輻射體，如果用絕對輻射計測量天空的輻射亮度，對其接收器有什么要求？答：在能夠直接進行絕對測量的裝置中，必須將輻射能量或被吸收的輻射通量與一種定量的能量或者其它形式的功率作比較。另外，對于低精度的輻射計一般不采用參考黑體，而是用涂黑或高發(fā)射率的調制盤，以調制盤的葉片作為參考輻射源；對于商業(yè)用的輻射計，通常采用在可見光和紅外波段內有均勻光譜響應的熱電或熱阻探測器；對于軍用輻射計，為了對軍用目標有大的作用距離和快速的目標光輻射采樣頻率，一般采用在較窄光譜波段范圍內有高靈敏度的光子探測器。5-13用單色儀在研究紅外輻射源的光譜特性時，為了不引入雜光、提高測量靈敏度、滿足全波段測量的要求，應在輻射源與入射狹縫間加入什么光學元件？答：為了不引入雜光，提高測量靈敏度，滿足全波段測試的要求，應在輻射源與入射狹縫間加入一個光柵元件，原因在于光柵具有衍射作用，從出射狹縫出來的光線為單色光。

第6章紅外輻射的大氣傳輸6-1名詞解釋（1）標準大氣：是用以描述理想的中緯度狀況的物理量，即在太陽黑子最多和最少活動范圍內的大氣年平均狀態(tài)。世界氣象組織（WMO）關于標準大氣的定義是：“所謂標準大氣就是能夠粗略地反映周年，中緯度狀況的，得到國際上承認的假想大氣溫度、壓力和密度的垂直分布。它的典型用途是做壓力高度計校準，飛機性能計算，飛機和火箭設計，彈道制表和氣象制圖的基礎，假定空氣服從使溫度、壓力和密度與位勢發(fā)生關系的理想氣體定律和流體靜力學方程（2）波蓋爾定律：輻射通過介質時的消光作用與入射輻射通量、介質密度（）及所經過的路徑成正 （6-1）式中，為處的入射輻射通量；為波數(shù)，（）；為光譜質量的消光系數(shù)，單位是。由式（6-1）可得輻射衰減規(guī)律 （6-2）式中，為初始入射輻射通量。若介質具有均勻的光學性質，則式（6-2）可進一步簡化為 （6-3）式中，為光程上單位截面中的介質質量，為介質的光學厚度。該式稱為波蓋爾（Bougner）定律。（3）大氣窗口：，在、、、、、、等波段有較（4）大氣的傳遞函數(shù)：人眼是一個比較理想的成像系統(tǒng)，對日間視覺來說，人眼的閾值對比度為，大氣的傳遞函數(shù)為 （6-4）式中，為地平面天空亮度與背景亮度之比。由此可見，是和的函數(shù)，與目標亮度無關，即只與目標與探測器之間的大氣狀態(tài)有關。6-2填空題（1）大氣一般可劃分為對流層、平流層、中間層、熱成層和散逸層，大多數(shù)光電探測器件工作在對流層和平流層下部。（2）大氣是由多種元素和化合物混合而成的，大致可分為干結大氣、水蒸氣、其它懸浮的固體和液體粒子。（3）輻射在大氣中的折射對光電成像系統(tǒng)的影響主要在長距離的探測和遙測中較為明顯，而在短距離探測時，其影響可忽略。（4）常用的吸收帶模式主要包括愛爾撒司模式、統(tǒng)計模式、隨機模式和準隨機模式4種。（5）氣象視程是指目標與背景的對比度隨距離的增大而減小到原來的2%時的距離。（6）MODTRAN共包含大氣透過率運行模式、熱輻射亮度運行模式、帶散射的輻射亮度運行模式和太陽直射照度運行模式4種運行模式。（7）人眼視覺受大氣消光的影響要遠大于被動紅外成像系統(tǒng)受大氣消光的影響。（8）瑞利散射只適用于粒子尺寸小的情況，大氣中瑞利散射粒子主要是氣體分子，該散射與成反比，即短波散射比長波散射強，故天空呈藍色。（9）霧滴的半徑遠大于可見光的波長，其形成的散射與波長無關，故霧呈白色。（10）大氣單條吸收線的形狀主要分為洛倫茲線形、多普勒線形和混合線形。（11）霧天氣條件下的紅外路徑輻射由大氣自身的發(fā)射輻射和大氣散射輻射組成。6-3簡述大氣層的結構特點和大氣的組成。答：依據溫度垂直分布的特征，大氣層常劃分為對流層、平流層、中間層、熱成層和散逸層五個層次。對流層對人類活影響最大，天氣過程主要發(fā)生在這一層，其厚度不到地球半徑的‰，卻集中了約的大氣質量和以上的水汽。平流層位于大約范圍內，集中了左右的大氣質量，水汽已相當少，而臭氧含量最為豐富。平流層的溫度變化與對流層相反，溫度遞減率變?yōu)榱慊蛘帪槠搅鲗禹敗＿@種溫度結構的空氣十分穩(wěn)定，氣溶膠比較豐富。中間層為平流層頂至范圍，在該范圍內溫度隨高度的增加而迅速下降，以上則保持不變或遞增。熱成層又稱為電離層或暖層。其范圍自中間層頂至，該層大氣的溫度隨高度的增加而迅速上升，直到高度時，溫度可接近于左右。散逸層為熱成層以上的大氣層統(tǒng)稱為散逸層，近代人造衛(wèi)星的探測結果表明，大氣的上界可以擴展到處。大氣是由多種元素和化合物混合而成，大致可分為干潔大氣、水蒸氣以及其它懸浮的固體和液體粒子。6-4氣溶膠粒子的垂直分布及尺度分布各指什么？答：垂直分布是指由于重力作用，大氣氣溶膠粒子的濃度隨高度按指數(shù)形式衰減。如表6-1所示為不同地面（）能見度條件下的氣溶膠粒子的特征高度。表6-1不同地面（z=0）能見度條件下的氣溶膠粒子的特征高度地面能見度/km234568101325h0/km0.840.900.950.991.031.101.151.231.45尺度分布是指由于不同尺度（大?。┑牧Ｗ訉Σ煌ㄩL光波的散射不同，因此應知道氣溶膠粒子尺度分布。6-5輻射在大氣中傳輸主要有哪些光學現(xiàn)象？試簡述其產生的物理原因。答：由多種成分組成的大氣是復雜的光學介質，當輻射在這種介質中傳輸時，將產生折射、吸收和散射等物理過程，從而導致輻射能的衰減，這將使光電成像系統(tǒng)對目標的探測產生直接誤差。同時這些現(xiàn)象也反映了大氣的狀態(tài)，為大氣遙感提供了依據。折射：原本直線前進的輻射在穿越大氣層時，因空氣密度隨著高度變化而產生偏折的現(xiàn)象。吸收和散射：大氣對輻射強度的衰減主要是由大氣中的各種氣體分子及氣溶膠粒子對輻射的吸收與散射造成的。當輻射在大氣中傳輸時，分子的選擇性吸收會導致輻射能衰減；輻射在大氣中遇到氣體分子密度的起伏及微小顆粒，使輻射改變方向（散射現(xiàn)象），從而使傳播方向的輻射能減少。在輻射的傳輸過程中，輻射與氣體分子和氣溶膠粒子相互作用。從經典電子論的角度看，構成物質的原子或分子內的帶電粒子被準彈性力保持在其平衡位置附近，并具有一定的固有振動頻率。在入射輻射的作用下，原子或分子發(fā)生極化并根據入射光頻率做強迫振動，此時可能產生兩種形式的能量轉換過程。=1\*GB3①入射輻射轉換為原子或分子的次波輻射能。在均勻介質中，這些次波疊加的結果是使光只在折射方向上繼續(xù)傳播，在其他方向上因次波的干涉而相互抵消，所以沒有消光現(xiàn)象；在非均勻介質中，由于不均勻質點破壞了次波的相干性，因此在其他方向上出現(xiàn)散射光。在散射情況下，原波的輻射能不會轉換成其他形式的能量，但輻射能向各方向的散射使沿原方向傳播的輻射能減少。=2\*GB3②入射輻射能轉換為原子碰撞的平動能，即熱能。當共振子發(fā)生受迫振動，即入射輻射的頻率等于共振子的固有頻率（）時，這一過程會吸收特別多的能量，入射輻射被吸收而轉換為原子或分子的熱能，從而使原方向傳播的輻射能減少。6-6簡述MODTRAN軟件中的大氣模式。答：MODTRAN共包含4種運行模式，具體包括大氣透過率、熱輻射亮度、帶散射的輻亮度及太陽直射照度運行模式。大氣透過率的運行模式（）可計算路徑的總透過率以及氣體分子帶吸收、連續(xù)吸收、氣溶膠吸收等分量的路徑透過率。熱輻射亮度運行模式（）可計算路徑大氣輻射的輻亮度和路徑的總透過率，由于大氣輻射主要在熱紅外波段，故稱為大氣熱輻射。熱輻射亮度模式的路徑輻亮度只考慮路徑大氣和地面的熱輻射，帶散射的輻亮度運行模式（）的路徑輻亮度不僅考慮了路徑大氣和地面的熱輻射，還增加了路徑外輻射源（如太陽、月、地球等）產生的大氣散射輻亮度和地面反射輻亮度。太陽直射照度運行模式（）可進行大氣層外太陽正入射的光譜輻照度、太陽透過大氣到達觀察點的光譜輻照度及路徑透過率等的計算。注意，這里的大氣層外太陽照度或觀察點太陽照度約定為正入射照。6-7解：1）當時a）對來說：由，查表得飽和水蒸氣含量，則水平路徑：斜程（）：因此，時的光譜透射比為：水平：斜程：b）對來說：水平：，斜程：，c）當時，總吸收的光譜透射比為：水平：斜程：2）當由上面結果：水平：斜程：水平：斜程：c）當時，總吸收的光譜透射比為：水平：斜程：6-8解:1)在晴天下，由公式：帶入，x=3km，可求得=0.46再由對比度公式：帶入=0.3，K=，得=0.0902）同理可得，在陰天條件下：=0.096=0.0886-9解：（1）當波長為時：a）因為，故取，，根據透射率公式可得b）這里只取兩個組元的吸收，即水蒸氣和二氧化碳吸收的透射率，所以有。1）先求水蒸氣的透射率。的飽和水蒸氣密度為，絕對濕度為：，所以，全路程的可凝結水的毫米數(shù)為波長為，可凝結毫米數(shù)為50mm時：=0.5482）求二氧化碳的透射率。波長為，路程長度為10km時：=0.9953）可得=0.5480.995=0.545所以，可求得（2）當波長為時a）根據透射率公式可得b）波長為，可凝結水的毫米數(shù)為50mm時：=0.508波長為，路程長度為10km時：=1所以：=0.508所以，可求得6-10解：輸入文件：HY1太陽散射輻亮度（全波段）.ltn。輸入參數(shù)：太陽天頂角為0°。中緯度、夏天，23公里能見度，海水溫度300K，反射率0.03。輸出的全波段路徑輻亮度和總透過率曲線分別如圖（a）和（b）所示。中波、長波波段的路徑輻亮度是海面和路徑大氣的熱輻射輻亮度之和大氣散射、海面反射均可忽略。（a）輻亮度曲線（b）總透過率曲線

第7章紅外熱成像技術7-1名詞解釋（1）瞬時視場：當光軸不動時，系統(tǒng)所能觀察到的空間范圍就是該系統(tǒng)的瞬時視場。瞬時視場取決于單元探測器的尺寸和紅外物鏡的焦距，瞬時視場是表征系統(tǒng)空間分辨力的物理量。（2）響應度：紅外探測器的響應度R用來表征紅外探測器對輻射的敏感程度或紅外探測器將入射的紅外輻射轉換為電信號的能力，是紅外探測器的輸出信號S與入射到紅外探測器的輻射功率P之比 （7-1）式中，R的單位是或。（3）噪聲等效溫差：由于紅外熱成像系統(tǒng)通過物體輻射溫度成像，因此系統(tǒng)本身與景象周圍的輻射環(huán)境將產生噪聲，其對圖像質量均有較大的影響。噪聲等效溫差定義為：溫度為的均勻方形黑體目標，處在溫度為的均勻黑體背景中，用紅外熱像儀對此目標進行觀察，當系統(tǒng)輸出的信噪比為1時，黑體目標和黑體背景的溫差稱為噪聲等效溫差。（4）最小可探測溫差：是綜合評價紅外熱成像系統(tǒng)的重要參數(shù)之一。它既描述了系統(tǒng)的熱靈敏特性，又反映了系統(tǒng)的空間分辨能力，是目標尺寸的函數(shù)。其定義為：在觀察者的觀察時間不受限制的情況下，當在系統(tǒng)顯示屏上恰好能分辨出一定尺寸的方形或圓形目標及所處的位置時，目標與背景的溫差稱為對應目標尺寸的最小可探測溫差，其數(shù)學表達式為 （7-2）式中，表示方塊目標經系統(tǒng)所成的像的相對平均值。7-2填空題（1）紅外熱成像系統(tǒng)主要包括光學系統(tǒng)與掃描器、紅外探測器與探測器電子線路、數(shù)字化子系統(tǒng)、圖像處理子系統(tǒng)和圖像重建子系統(tǒng)等。（2）表征紅外探測器性能的基本參數(shù)有響應度、噪聲等效功率、探測率、光譜響應、響應時間和頻率響應等。（3）紅外熱成像系統(tǒng)中的掃描器有物方掃描（簡稱物掃）和像方掃描（簡稱像掃）兩種基本掃描方式。（4）紅外光子探測器一般用半導體材料制成，利用響應元內的電子直接吸收紅外輻射的光子能量來改變運動狀態(tài)，進而導致電導改變或電動勢產生，完成對入射輻射的度量。（5）根據感光元件的數(shù)量和運動方式，紅外熱成像系統(tǒng)可分為光子探測成像系統(tǒng)和熱探測成像系統(tǒng)。（6）根據不同的工作原理劃分，紅外熱成像系統(tǒng)可分為光機掃描型紅外熱成像系統(tǒng)和非掃描型紅外熱成像系統(tǒng)。（7）一個紅外探測器至少有一個對紅外輻射產生敏感效應的物體，稱為響應元。（8）紅外探測器的響應僅依賴于吸收的輻射功率，與輻射的光譜分布無關。（9）常用的紅外熱成像系統(tǒng)的性能指標有噪聲等效溫差、調制傳遞函數(shù)、最小可分辨溫差和最小可探測溫差等。（10）在紅外熱成像系統(tǒng)中，最小可分辨溫差是綜合評價系統(tǒng)的溫度分辨力和空間分辨力的主要參數(shù)。7-3紅外熱成像系統(tǒng)的工作原理是什么？答：紅外熱成像系統(tǒng)通常包括5個主要的子系統(tǒng)：光學系統(tǒng)與掃描器、紅外探測器與探測器電子線路、數(shù)字化子系統(tǒng)、圖像處理子系統(tǒng)和圖像重建子系統(tǒng)。其中，光學系統(tǒng)先將景物的紅外輻射匯集起來，再經過光譜濾波和光機掃描，聚焦到探測器陣列上。探測器將強弱不等的輻射信號轉換成相應的電信號，然后經過放大和視頻處理形成視頻信號，送到顯示器上顯示。通常，光機掃描器包括兩個掃描鏡組：垂直掃描器和水平掃描器，且位于光學系統(tǒng)和探測器之間。7-4紅外物鏡系統(tǒng)有哪些類型？各有什么優(yōu)缺點？答：1）透射式光學系統(tǒng)。其優(yōu)點是無擋光、球面鏡加工容易、通過光學設計各種像差容易消除，但該類系統(tǒng)的光量損失較大、裝配和調整較困難。2）反射式光學系統(tǒng)。反射式系統(tǒng)對材料要求不高、重量輕、成本低、光量損失小、不存在色差；但中心有擋光、軸外像差大，難以滿足大視場大孔徑成像的需要。3）折反射組合式光學系統(tǒng)。用球面鏡取代非球面鏡，并用補償透鏡來校正球面反射鏡的像差，可以獲得好的像質。但是該類系統(tǒng)的體積較大、成本較高、加工難度也較大。7-5試比較制冷型紅外探測器和非制冷型紅外探測器各有什么優(yōu)缺點。答：制冷型紅外探測器需要制冷設備，在低溫下才能正常工作，對溫度穩(wěn)定性的要求較高，同時制冷型紅外探測器的材料（如

HgCdTe、InSB、AlGaAs）生產困難，導致系統(tǒng)成本高、功耗大、可靠性低，難以實現(xiàn)小型化；非制冷型紅外探測器采用大面陣的焦平面陣列，無須制冷系統(tǒng)和掃描裝置，可靠性大大提高，且具有體積小、質量小、功耗低、便于攜帶等優(yōu)點。7-6對于不同的紅外熱成像系統(tǒng)而言，噪聲等效溫差（NETD）與系統(tǒng)噪聲有什么關系？答：對于掃描型熱成像系統(tǒng)，它的噪聲分布在各個分系統(tǒng)中，由于掃描的作用，可以用時間性噪聲來表示；應用噪聲功率譜，把系統(tǒng)噪聲等效為一個噪聲源，插入探測器后，一般用測量NETD時的基準參考電子濾波器模擬一代熱成像系統(tǒng)的探測器后續(xù)系統(tǒng)的濾波效果。最后可以使用NETD與系統(tǒng)噪聲的帶寬來求出系統(tǒng)噪聲。對凝視型熱成像系統(tǒng)而言，二代NETD測量點往往被典型地設在視頻信號輸出口，系統(tǒng)顯示之前，NETD已不足掃描系統(tǒng)噪聲。首先，NETD的測量和計算都要求一個基準參考濾波器，以之來模擬后續(xù)的系統(tǒng)信號處理電路，而事實上，二代熱成像系統(tǒng)的信號處理往往已出現(xiàn)在NETD的測量點之前；其次，從信號處理不均勻和焦平面不均勻性出來后的噪聲對系統(tǒng)噪聲有重大貢獻，甚至占據主要地位，而NETD顯然不能描述這些噪聲。7-7紅外熱成像系統(tǒng)的調制傳遞函數(shù)由哪幾部分組成？答：紅外熱成像系統(tǒng)的調制傳遞函數(shù)（MTF）主要由光學系統(tǒng)的制傳遞函數(shù)（）、探測器的制傳遞函數(shù)（）、電路的制傳遞函數(shù)（）和顯示器的制傳遞函數(shù)（）這4個組成部分決定。整個系統(tǒng)的調制傳遞函數(shù)為：7-8MCT探測器的光敏面為直徑為0.5mm的圓，黑體輻射在光敏面的強度（功率密度）為13.5W/cm2,選頻放大器的通帶寬度，信噪比（VS+VN）/VN=100，求D*.解：探測器的光敏面積，則入射到探測器的輻射功率可得歸一化探測率：。

第8章紅外偏振成像的原理與技術8-1名詞解釋（1）橢圓偏振光：電場矢量的端點和方向都在有規(guī)律地變化，光矢量的末端沿著一個橢圓轉動的光稱為橢圓偏振光。（2）自然光：若任意方向的電矢量E均可分為平行與垂直兩個方向的分量，而且電矢量的時間平均值相等，則這種光就是自然光，也稱為非偏振光。（3）布儒斯特定律：光從一種介質傳播到另一種介質時，發(fā)生發(fā)射和折射現(xiàn)象。自然光在兩種各向同性媒質分界面上反射、折射時，反射光和折射光都是部分偏振光。當滿足某種條件時，反射光為振動垂直于入射面的線偏振光。該條件為：反射光與折射光相互垂直，即入射角的正弦值等于該式即為布儒斯特定律。圖8-1電磁波的反射與折射8-2填空題（1）當自然光正入射和掠入射時，反射光和折射光是自然光；在一般情況下入射時，反射光和折射光是部分偏振光。（2）光矢量方向不變、大小隨相位變化的光稱為線偏振光。（3）在斯托克斯的4個參數(shù)中，I表示總的光強度，Q表示與方向的線偏振光分量之差，U表示與方向的線偏振光分量之差，V表示右旋與左旋圓偏振光分量之差。在一般工程計算中，可以認為V為0。（4）密勒矩陣可以表示入射光的斯托克斯矢量通過偏振元件時的變化。（5）物體的偏振特性與其材料類別、表面粗糙度、幾何形狀及內部機理等密切相關，人工目標的偏振度要高于自然目標的偏振度。（6）按照偏振量獲取數(shù)量的不同，偏振成像方式可以分為2個、3個、4個偏振量的成像方式和凝視型4種方式。（7）當溫度相同時，水面油膜的偏振角明顯低于清水的偏振角，其同時隨溫度的升高而增加。8-3簡單描述光的偏振的形成過程。答：對于縱波來說，在通過波的傳播方向的所有平面內，波的運動情況都是相同的，其中沒有一個平面顯示出特殊性，即縱波具有對稱性。對于橫波來說，通過波的傳播方向且包含振動矢量的那個平面顯然和不包含振動矢量的其他平面存在區(qū)別，這說明波的振動方向對傳播方向沒有對稱性。振動方向對傳播方向的不對稱性稱為偏振，它是橫波區(qū)別于縱波的一個最明顯的標志，只有橫波才有偏振現(xiàn)象。實驗證明，在光與物質的相互作用中起主要作用的是電場矢量，因此一般情況下主要研究光波的電場矢量，在空間任意一點，電場矢量的大小和方向隨時間變化的方式稱為光的偏振，通常用電場矢量端點隨時間變化的軌跡來描述，由此偏振光可以分為線偏振光、橢圓偏振光和圓偏振光，此外，光的宏觀偏振態(tài)還有自然光、部分偏振光。8-4光的偏振有幾種形式？答：通常用電場矢量端點隨時間變化的軌跡來描述偏振，由此偏振光分為線偏振光、圓偏振光、橢圓偏振光、部分偏振光。8-5偏振光的產生方式是什么？答：一般的光源（如太陽、電燈、蠟燭）所發(fā)出的光通常是自然光，自然光在與物質相互作用的過程中，如在發(fā)生反射、折射等時，就會產生部分偏振光或線偏振光。（1）反射及折射產生的偏振光：一束非偏振光入射到介質表面并發(fā)生反射時（非正入射或掠入射），反射光和折射光均為部分偏振光；（2）紅外輻射產生的偏振光：根據基爾霍夫定律，物體的輻射率與其反射率有密切的關系，反射率不同可以引起反射輻射中偏振量的不平衡，從而產生偏振效應。8-6紅外偏振成像與光強成像有什么不同？紅外光強成像：紅外熱成像系統(tǒng)利用景物各部分的溫度和輻射發(fā)射率的差異形成反映物體溫度分布和表面特征的熱輻射圖像。紅外偏振成像：紅外偏振成像利用目標的紅外偏振特性進行目標探測與識別。紅外偏振圖像可以通過對傳統(tǒng)紅外成像儀中的輻射強度信息進行不同方向的偏振濾波，再進行解算而得到。8-7請給出斯托克斯公式的推導過程。答：具體推導過程見書8.2.2小節(jié)中公式（8-33）到（8-43）。8-8簡述紅外偏振成像的基本原理。答：不同表面特性的物體具有不同的偏振特性，在紅外波段的目標反射及自身輻射電磁波的過程中會產生由自身特性所決定的偏振特性。紅外偏振成像利用目標的紅外偏振特性進行目標探測與識別。對于任意目標，只要從一個表面反射或折射，從一定的角度觀測，紅外輻射就會產生偏振光。利用這一原理，可以對目標進行紅外偏振成像。8-9略。

第9章紅外仿真技術9-1名詞解釋（1）仿真：仿真是對現(xiàn)實系統(tǒng)的某一層次抽象屬性的模仿，是對系統(tǒng)本質或某種特性的特定描述。嚴格來說，仿真是一個相對的概念，任何逼真的仿真都只是對真實系統(tǒng)部分屬性的逼近。實際上，仿真是一個迭代的過程，即針對現(xiàn)實系統(tǒng)某一層次的特性，抽象出一個模型，通過假設、實驗、判斷等不斷地修正模型及模型參數(shù)，直至迭代到滿足實驗者對現(xiàn)實系統(tǒng)某一層次的仿真目的為止。（2）仿真模型：仿真模型的建立是一個算法設計的過程，目的是讓計算機能夠對系統(tǒng)模型進行接收和識別。由于在算法的設計過程中常常存在誤差，因此該模型實際上是對現(xiàn)實系統(tǒng)的二次簡化模型。仿真模型是對被仿真對象相似物或其結構形式的一種模擬，其可以是物理模型，也可以是數(shù)學模型，但并不是所有對象都能建立物理模型。（3）仿真實驗：仿真實驗實際上是對模型運算能力的一種體現(xiàn)，常常指所用的仿真軟件。該軟件可以是面向通用仿真的，也可以是面向某個領域的，只要可以為仿真技術提供算法支持、能夠描述模型和控制仿真實驗即可。仿真實驗是指通過實驗可觀察系統(tǒng)模型的各變量變化的全過程。為了尋求系統(tǒng)的最優(yōu)結構和參數(shù)，常常要在仿真模型上進行多次實驗。（4）半實物仿真：又稱數(shù)學物理仿真或混合仿真，是指將數(shù)學模型、物理模型和實體結合起來的復雜仿真。該類仿真可提高仿真的可信度，適用于一些難以建模的實體。9-2填空題（1）仿真是對現(xiàn)實系統(tǒng)的某一層次抽象屬性的模仿，是對系統(tǒng)本質或某種特性的特定描述。（2）按照研究對象，仿真可分為實物仿真、數(shù)學仿真和半實物仿真；按照仿真系統(tǒng)與現(xiàn)實系統(tǒng)時間尺度上的關系，仿真可分為實時仿真、欠實時仿真和超實時仿真。（3）仿真技術的基本要素有實際/假設系統(tǒng)、模型和計算機。（4）地表與外界環(huán)境的熱量交換通常是通過輻射、對流和傳導進行的。（5）紅外紋理圖像中的平均灰度值由物體紅外輻射的平均值決定，灰度的空間分布由紅外輻射的方差決定，而紅外紋理的空間結構由相關長度決定。（6）JRM是一套基于物理計算的紅外場景特性合成仿真工具，可以模擬各種傳感器，能夠生成復雜場景的高分辨率可見光圖像、紅外圖像及SAR圖像。（7）JRM模塊主要包括JRM材質庫、場景紅外特性建模工具（SigSim）、場景建模和材質分類工具（GenesisMC）、傳感器建模工具（SenSim）和場景紅外特性合成和渲染工具（OSV）。（8）地表與外界環(huán)境的熱量交換主要有太陽短波輻射、大氣長波輻射、低空大氣和地表的對流換熱、地表向地下的熱傳導、潛熱交換及地表自身向外界的輻射。9-3仿真技術的作用是什么？答：仿真技術的作用主要體現(xiàn)在：（1）驗證系統(tǒng)設計的正確性，優(yōu)化系統(tǒng)設計；（2）重現(xiàn)系統(tǒng)故障，發(fā)現(xiàn)故障原因；（3）評價或分析系統(tǒng)性能，預測系統(tǒng)特性及其影響；（4）訓練系統(tǒng)操作人員。9-4簡述目標與背景的數(shù)學仿真過程。答：（1）目標數(shù)學仿真的方法根據不同目標的幾何結構和工作原理及是否有內部熱源等特點，考慮其與周圍背景的能量交換關系（導熱、對流換熱、太陽輻射、大氣輻射等），建立描述目標溫度分布的數(shù)學模型，求解目標的溫度場，并根據目標表面材料的紅外輻射特征參數(shù)，計算其紅外輻射特征，目標的數(shù)學仿真建模過程如下圖所示。圖9-1目標的數(shù)學仿真建模過程（2）背景數(shù)學仿真的方法目標和背景是相對的概念。根據背景的類型，如自然地表、水面、雪地、叢林等，考慮其與周圍環(huán)境的能量交換關系，建立背景的溫度分布計算模型，利用背景表面的紅外輻射特征數(shù)據建立背景的紅外輻射特征模型，背景的數(shù)學仿真建模過程如下圖所示。圖9-2地面背景的數(shù)學建模過程9-5如何進行紅外地表仿真？答：（1）分析環(huán)境輻射對地表的影響，即地表與外界環(huán)境的熱量交換，進而建立地表溫度場模型，研究地表溫度場；（2）為了更加逼真地仿真紅外圖像，將從可見光圖像中得到的灰度分布信息應用到求地表溫度場的過程中，得到已知均值和方差的地表溫度場分布特性，再用紅外溫度-輻射模型和紅外輻射灰度映射模型生成加入大氣衰減與環(huán)境干擾的紅外圖像，具體算法如下：首先建立地表紅外輻射模型然后利用地表紅外輻射模型計算得到24地表溫度均值曲線，假設24地表溫度標準差曲線為；然后由可見光圖像求出圖像的灰度均值和標準差；再令；地表24溫度場；最后由溫度場得到紅外仿真圖像9-6如何利用JRM軟件對地表背景的紅外輻射特性進行仿真？答：目標與背景的紅外輻射仿真步驟，主要利用GenesisMC和JRM材質庫，對目標和背景紅外輻射特征進行映射。以T72紅外特征為例，T72坦克主要熱源是發(fā)動機、履帶等。首先導入T72坦克的紋理，然后使用GenesisMC進行熱源標記和熱邊界識別。通過熱源賦予材質、最終把材質和熱特性信息存儲為MCM編碼的紋理圖片。建立好模型后，可以預覽建立的模型，并根據需要調整。9-7紅外建模涉及的光學參數(shù)和探測器有哪些？答：（1）光學類（Optics）參數(shù)motionMTF：運動效應的調制傳遞函數(shù)，指由物體與成像傳感器之間的運動所造成的成像信息的調制特性。aero-opticaleffects：氣動光學效應，當光波在飛行器周圍流場中傳輸時，氣體介質密度的變化會導致光波前發(fā)生畸變，從而對機載或其他運動載體的光學系統(tǒng)成像性能產生不利影響，這種作用稱為氣動光學效應。transmittance/emittance：透射率/發(fā)射率，透射率是指光穿過透光介質之后其出射光功率與入射光功率的比值，發(fā)射率是指物體通過表面向外輻射的電磁能與同溫度的黑體在相同條件下所輻射的電磁能的比值。STF：信號傳遞函數(shù)，用來描述場景輻射量值到成像系統(tǒng)輸出信號的能量傳遞和轉換過程的函數(shù)。diffractionMTF：衍射調制傳遞函數(shù)，指光學系統(tǒng)衍射造成的成像信號的調制特性。designblurMTF：圖樣模糊的調制傳遞函數(shù)。vibrationMTF：振動的調制傳遞函數(shù)，用來描述振動造成的成像信號的調制特性。（2）探測器類（Detector）參數(shù)detectorIFOVsampling：探測器瞬時視場采樣，每個探測單元都對應一個瞬時視場，探測器通過瞬時視場對空間進行劃分并采樣。detectorMTF：探測器調制傳遞函數(shù)，通常用來描述探測器的信號調制特性。detectorpitch：探測器像元間距。spectralresponse/efficiency：光譜響應度/光譜響應效率，指光陰極量子效率與入射波長之間的關系。NET-calibrated(1/f

)n&whitenoise：噪聲等效溫度與白噪聲，噪聲等效溫度一般指在信號處理電路中，把噪聲等效為一個溫度為T的電阻的熱噪聲，這時把該溫度稱為噪聲等效溫度，白噪聲是指功率譜密度在整個頻域內均勻分布的噪聲。back-endfiltering：后置濾波器。detectornon-uniformity：探測器非均勻性，是指在相同光照度的情況下，不同探測器單元的響應電壓不同，通常需要非均勻性校正。NUC：非均勻性校正，指通過一定的算法使得對于相同的光照度，所有的像元輸出趨于一致。dead-pixels：盲元，通常是指探測器中一些自生產出來就不能使用的單元。9-8紅外建模涉及的電子光學系統(tǒng)的參數(shù)有哪些？答：紅外建模涉及的電子光學系統(tǒng)（Electronics）參數(shù)：pre-amplifier：前置放大，通常用于對信號進行初步處理。AC-coupling：交流耦合，是指通過隔直電容耦合，去掉直流分量。boostelexOTF：提舉電路的調制傳遞函數(shù)，表征提舉電路的調制特性。displayMTF：顯示設備的調制傳遞函數(shù)，表征顯示設備的調制特性。AGC/Gain-Level：自動增益/自動增益水平，一般指自動調解放大器的增益倍數(shù)。real-timedisplay：實時顯示，對采集來的圖像信息立刻進行顯示。9-9數(shù)學仿真的基本流程是什么？答：首先由目標紅外輻射模型和背景紅外輻射模型共同構建目標與背景合成模型。再由大氣傳輸模型，紅外探測器參數(shù)與目標與背景合成模型共同組建系統(tǒng)運行過程的紅外圖像序列。圖9-3目標與背景紅外輻射特征數(shù)學仿真的基本框圖9-10略。

第10章紅外圖像處理技術10-1名詞解釋。（1）盲元：盲元是指紅外焦平面陣列（IRFPA）中的響應過高或過低的像素。盲元包括死像素和過熱像素，死像素是指響應率小于1/10的像素，而過熱像素是指響應率大于平均響應率的10倍的像素。（2）隨機共振：隨機共振是指當非線性系統(tǒng)、弱的周期信號和適量的噪聲三者在一定條件下協(xié)作時，噪聲通過非線性系統(tǒng)對信號起積極作用的現(xiàn)象。10-2填空題（1）紅外圖像非均勻校正方法可分為基于參照源和基于場景的校正方法。（2）盲元包括死像素和過熱像素，前者是響應率低于1/10的像素，后者是響應率大于平均響應率的10倍的像素。（3）圖像增強方法一般分為時間域、空間域和變換域三大類。常用的方法有直方圖均衡化、自適應分段線性變換、離散小波變換增強方法等。（4）均值濾波、雙邊濾波、中值濾波等是紅外圖像降噪的基本方法。（5）直方圖均衡化的實質是使圖像中灰度概率密度較大的像素向附近灰度級擴展，壓縮了概率密度較小的像素的灰度級，拉開了灰度的層次。（6）Retinex理論將圖像變換到對數(shù)域處理，主要有對數(shù)形式接近人眼的亮度感知能力和可以將復雜的乘積運算變換為簡單的加減運算兩點好處。（7）一般的紅外圖像噪聲模型有高斯噪聲模型、瑞利噪聲模型、伽馬（愛爾蘭）噪聲模型、指數(shù)分布噪聲模型和均勻分布噪聲模型。（8）雙邊濾波器結合了空間域濾波和灰度域濾波，主要利用空間鄰近函數(shù)和灰度相似函數(shù)來實現(xiàn)。10-3紅外圖像具有哪些特點？答：紅外圖像具有以下特點：（1）表征景物的溫度分布（灰度圖像），沒有立體感，對人眼而言，分辨率低；（2）受景物熱平衡、波長、傳輸距離、大氣衰減等因素的影響，紅外圖像的空間相關性強、對比度低、視覺效果模糊；（3）紅外熱成像系統(tǒng)的探測能力和空間分辨率低于可見光CCD陣列，使得紅外圖像的清晰度低于可見光圖像；（4）外界環(huán)境的隨機干擾和紅外熱成像系統(tǒng)的不完善，給紅外圖像帶來多種多樣的噪聲，如熱噪聲、散粒噪聲、噪聲、光子電子漲落噪聲等；（5）由于紅外探測器中的各像素響應特性不一致、光機掃描系統(tǒng)存在缺陷等，造成紅外圖像具有非均勻性，體現(xiàn)為圖像具有固定空間噪聲、串擾、畸變等。10-4紅外圖像的非均勻性產生的原因主要有哪些？答：從信號傳遞的過程來看，首先是探測器像素響應率存在不一致性，紅外焦平面陣列由成千上萬個像素組成，由于各像素的響應參數(shù)不盡相同，因此即使在均勻輸入的情況下，各像素的響應也不一致，這是導致紅外焦平面陣列非均勻性的主要因素；其次是讀出電路自身及讀出電路和探測器存在耦合因素等。10-5紅外圖像的非均勻性校正方法有哪些？原理是什么？答：10-6紅外圖像的常見噪聲模型有哪些？答：紅外圖像的常見噪聲模型有：高斯噪聲，瑞利噪聲，伽馬(愛爾蘭)噪聲，指數(shù)分布噪聲，均勻分布噪聲，脈沖噪聲(椒鹽噪聲)等。10-7基于雙邊濾波器的紅外圖像降噪處理步驟是什么？答：雙邊濾波（Bilateralfilter）是一種非線性的濾波方法，同時考慮空域信息和灰度相似性，達到保邊去噪的目的。雙邊濾波的主要步驟是：（1）用空間域低通濾波器（空間鄰近函數(shù)）用來計算由中心像素與鄰域像素存在空間距離差所產生的權值；（2）用灰度域低通濾波器（灰度相似函數(shù)）用來表示由中心像素與鄰域像素存在灰度差所產生的權值；（3）得到空間鄰近度計算的權值和像素值相似度計算的權值的乘積，優(yōu)化后的權值再與圖像作卷積運算，從而達到保邊去噪的效果。10-8基于閾上隨機共振的紅外圖像降噪處理步驟是什么？答：本方法的關鍵在于通過多次隨機共振從被背景噪聲淹沒的紅外圖像中“揀”出有用的弱信號，而發(fā)生隨機共振需要有合適的噪聲。所以，面臨的問題是添加何種類型的噪聲、如何獲得合適的噪聲強度。（1）添加噪聲。第次噪聲添加得：式中，，，、分別是圖像的均值和方差。是噪聲函數(shù)，（2）對進行二值化得到：。其中，（3）經過次計算后，再求出最后的隨機共振結果：10-9略。

第11章紅外圖像融合技術11-1名詞解釋（1）圖像融合：圖像融合是指將多源信道采集到的關于同一目標的圖像數(shù)據經過圖像處理和計算機技術處理等，最大限度地提取各自信道中的有利信息，最后綜合成高質量的圖像，以提高圖像信息的利用率、計算機的解譯精度和可靠性、原始圖像的空間分辨率與光譜分辨率，利于監(jiān)測。（2）偏差熵：偏差熵反映了兩幅圖像像素的偏差程度，同時也反映了兩幅圖像信息量的偏差度，公式如下。單一偏差熵 （11-1）總體均方根偏差熵 （11-2）總體算術平均偏差熵 （11-3）總體幾何平均偏差熵 （11-4）總體調和平均偏差熵 （11-5）式中，分別為融合圖像與兩幅原始圖像的偏差熵。（3）特征級融合：特征級融合先對來自傳感器的原始信息進行特征提取，然后對特征信息進行綜合分析和處理。特征級數(shù)據融合又分為目標狀態(tài)數(shù)據融合和目標特性數(shù)據融合。目標狀態(tài)數(shù)據融合主要應用于目標跟蹤領域，它首先對傳感器數(shù)據進行預處理。11-2填空題（1）信息融合分為三個層次，即像素級、特征級和決策級。（2）常用的圖像融合方法包括HIS變換法、主成分分析融合法、代數(shù)法、小波變換法、擬態(tài)融合法、人工神經網絡法和圖像金字塔算法等。（3）圖像融合的應用范圍有多聚焦圖像的處理、醫(yī)療診斷、軍事應用和隱匿武器偵查。（4）由于圖像的許多細節(jié)表現(xiàn)與相鄰像素之間的取值具有較強的相關性，因此在融合中心像素時需要考慮相鄰其他像素的取值。（5）基于信息量的圖像融合效果評價參數(shù)有熵、交叉熵、相關熵、偏差熵和聯(lián)合熵等。（6）支持度變換是在最小二乘支持向量機的基礎上提出的一種圖像多尺度變換方法，同小波變換相比，其具有平移不變性、不會產生振鈴效應、運算速度快等優(yōu)點。（7）隨著融合層次的提高，要求數(shù)據的抽象性越高，對探測器的同質性要求越低。11-3如何選擇評價圖像融合效果的方法？答：圖像融合效果的評價是一項比較困難的工作，需要尋找一些可以客觀地評價圖像融合效果的方法，使計算機能夠自動選取適合當前圖像的、效果最佳的算法，從而為不同場合下選擇不同算法提供依據，也為一些融合算法的研究提供理論基礎。評價方法的選取與圖像融合的目的緊密相關。圖像融合的目的不同，評價方法也不同，主要有以下幾個方面：①降噪處理：一般而言，從傳感器得到的圖像都是有噪聲的圖像，而后續(xù)的圖像處理一般要求噪聲在一定范圍內，因此，可以采用融合的方法來降低噪聲，提高信噪比。對于這種情況，一般采用基于信噪比的評價方法。②提高分辨率：提高分辨率是圖像融合的一個重要目的，有時從衛(wèi)星得到的紅外圖像的分辨率不高，這就要求將其他傳感器得到的圖像（如光學圖像、合成孔徑圖像等）與紅外圖像進行融合