高级-红外光电工程导论

1、高级红外光电工程导论中科院上海技术物理研究所教育中心序言4第一章 红外辐射和辐射源811 红外光谱812 辐射测量术语9121 定义、符号和量纲9122 辐射亮度和理想朗伯体辐射计算10123 波段辐射量和光谱辐射量1313 点源和面源13131点源产生的辐照度:14132面源产生的辐照度14133计算实例1614 辐射基本定律17141 辐射体的分类17142 热辐射定律181421 基尔霍夫定律、比辐射率定义181422 普朗克定律201423 斯蒂芬-波耳兹曼定律221424维恩位移定律221425 微分辐射亮度22143 比辐射率251431 黑体、灰体和选择性辐射体251432 常用

2、材料的比辐射率261.5 黑体型辐射源29151 黑体和黑体型辐射源29152 黑体腔的有效比辐射率30153 典型黑体辐射源的结构3116 红外辐射源34161 标准辐射源和工程用辐射源34162 自然辐射源351621 太阳351622 地球表面361623 天空371624 外层空间391625 月球、行星和恒星391.7 目标辐射特性40171 有动力飞行器40172 人体43173 地面车辆4318 红外辐射在大气中的传输43181 大气传输过程43182 大气吸收44183 大气散射45184 大气层46185 辐射大气传输的计算49186 LOWTRAN7介绍501861 基本输

3、入参数501862 气溶胶参数551863 路径、波长参数56序言红外线是电磁波谱的一个部分，红外系统是用于红外辐射探测的仪器。根据普朗克辐射定理，凡是绝对温度大于零度的物体都能辐射电磁能，物体的辐射强度与温度及表面的辐射能力有关，辐射的光谱分布则与物体温度密切相关。在电磁波谱中，我们把人眼可直接感知的0.40.75微米波段称为可见光波段，而把波长从0.75至1000微米的电磁波称为红外波段，红外波段的短波端与可见光红光相邻，长波端与微波相接。可见光辐射主要来自高温辐射源，如太阳、高温燃烧气体、灼热金属等，而任何低温、室温或加热后的物体都有红外辐射。早在1800年，英国天文学家赫胥尔为寻找观察

4、太阳时保护自己眼睛的方法就发现了这一“不可见光线”。但是，红外技术取得迅速发展还是在二次大战期间和战后的几十年，推动技术发展的原因主要是由于军事上的迫切需要和航天工程的蓬勃开展。通常情况下，红外仪器总被认为是一种无源、被动式的探测仪器，因为它主要探测来自被测物体自身的红外辐射。例如：红外辐射计、热像仪、搜索跟踪设备等就不需要像雷达系统那样的大功率辐射源，红外仪器可对物体自身热辐射进行非接触式的检测，从中反演出物体温度或辐射功率、能量等。红外系统具有全天时、隐蔽性好、不易为敌方干扰等，适合军事应用。但是，并非所有的红外仪器都是无源的。因为，除物体自身热辐射外，自然或人工辐射源与物质相互作用也能产

5、生电磁辐射。电磁辐射与物体的相互作用可以表现为反射、吸收、透射、偏振、荧光等多种形式，利用不同作用机理，可研制出门类众多的红外仪器。如利用物体反射、吸收电磁辐射时的光谱特征，可测量分析物体水份、材料组分等。这一类红外探测仪器还是需要辐射源的。习惯上，我们都是根据仪器自身是否带辐射源来划分被动式或主动式探测仪器。仪器的命名也有所不同，如我们把被动式的辐射测量设备称之为辐射计，如红外辐射计、微波辐射计。而主动式的辐射探测设备相应地称为红外雷达、微波雷达。本课程主要介绍被动式的红外光电探测系统。红外系统的信息流程通常包含辐射产生、传输、采集、光电转换、信号处理等环节。红外光、可见光本质上都是电磁波，

6、波段相邻，红外仪器与可见光仪器的工作原理、信息流程几乎相同，所用的光学系统、探测器虽有差异，但其作用机理、设计方法相似之处甚多，许多遥感仪器也经常集成了可见光通道和红外探测通道。由此，红外光电系统课程重点讲授红外技术，但许多内容对可见光系统也是适用的。景物辐射大气传输光学系统探测器信号读出制冷装置信号处理显示景物辐射大气传输光学系统探测器信号读出制冷装置信号处理记录传输、执行显示图1.1 红外光电系统的组成红外系统技术涉及红外物理、红外光学、红外探测器、信号检测与处理等多个技术领域，是一门工程性很强的综合性学科。可以用辐射、光谱、空间、时间等特性来描述一个红外系统的性能。具体表现为：辐射特性：

7、系统探测灵敏度、信号动态范围；光谱特性：波段、光谱分辨率；空间特性：探测视场、瞬时视场（空间分辨率）；时间特性： 扫描速率、扫描效率、电子带宽、数据率等；红外系统的综合性能受到光学结构、探测器、扫描方式等多种因素的限制，而且各种特性相互制约，例如系统的光谱、空间、时间性能会限制系统的辐射能量。高空间分辨率、高光谱分辨率的快速扫描辐射计，不可能获得较高的系统信噪比。因此，设计红外系统必须从应用需求出发，合理设计系统的各个组成环节，使系统综合性能得以优化。空间分辨率影响光谱分辩率空间分辨率影响带宽、数据率带宽影响信噪比光谱分辨率影响数据率光谱分辨影响能量时间特性 电子带宽、数据率光谱性能波段、光谱

8、分辨率空间分辨率影响能量辐射能量信噪比、信号动态范围空间特性光学/扫描视场、分辨率图1.2 红外系统的主要性能特征考虑到本课程的工程性较强，笔者力图尽量结合一些应用实例，以加深对红外光电系统基本理论和设计方法的理解。但是，红外系统应用领域又十分广泛，除军事、航空航天遥感外，在工业检测、医学诊断、科学研究等方面也应用甚广。本书不准备逐一详述，引用的应用实例主要包括两类，一类是辐射定量检测，如遥感辐射计。另一类是目标识别与定位，如军用搜索跟踪设备、卫星姿态检测设备等。前一类系统对遥感数据的定性、定位、定量有较为严格的要求，对定时的要求则次之。定性是指“何物”，要求系统具有足以识别物质属性的光谱分辨

9、率和光谱定位精度。定位是指“何处”，即准确的空间分布。定量是指“多少”，应将仪器的输出反演为辐射源的温度或反射率。定时是指系统的时效，即数据采集速度。后一类系统虽然对定量的要求稍次，但要求系统有较高的实时性，即快速反应能力，它的定性、定位能力表现在复杂背景下弱小目标的提取，识别和精确测向。本书各个章节大体安排如下：由于红外光电技术的研究对象是可见、红外波段的电磁辐射，教材第一章主要介绍红外辐射的基本定律和辐射计算、自然辐射源和人工辐射标准源，以及大气传输特性。红外光电仪器是通过光学系统收集辐射能量的,光学系统性能主要反映在聚光能力和光学像质。第二章简要介绍了工程光学的基本理论和设计方法，包括几

10、何光学基本定律、理想光学系统、光学系统对光束的限制、光学像质及评价，这些理论和设计方法对可见、红外光学系统是同样适用的。由于受到光学材料、探测器的限制，红外与可见光学系统之间有共性，也有个性。红外光学材料、典型红外光学系统、辅助光学系统等章节对此有阐述。光学系统收集到的辐射能量通过探测器实现光电转换，探测器是红外光电系统的核心部件，光子探测器和热探测器是最常用的两类红外探测器。第三章主要介绍红外探测器特性参数和常用探测器。红外阵列探测器是近年来发展趋势，因此，阵列探测器的焦平面结构和读出集成电路在该章也占有相当的篇幅。为获取更详细的光谱信息，红外光电遥感系统已经历了从多光谱、细分光谱到超光谱，

11、以至高光谱的发展进程，光谱分割日趋精细。图谱合一的成像光谱技术使同时获取空间信息和光谱信息成为可能。第四章主要涉及红外光电系统常用的滤光片、棱镜、光栅和傅立叶分光等分光谱技术。红外阵列探测器虽有长足进步，集成的探测元数仍十分有限，因此，对红外系统，光机扫描至今不失为获得大视场和高空间分辩率的有效手段。用扫描机构可获得多种扫描方式，利弊各有不同。行扫描器可简化光机扫描机构，因为有一维扫描可利用搭载平台飞行来实现，但需要解决数据定位的难题。第五章拟集中论述这些内容。作者期望通过基本理论和典型应用相结合的授课方式，让初次涉足光电专业的研究生能尽快掌握红外系统设计的精髓，对今后开展课题研究有所裨益。第

12、一章 红外辐射和辐射源1.1 红外光谱红外通常指波长从0.75至1000微米的电磁波，红外波段的短波端与可见光红光相邻，长波端与微波相接。红外与电磁频谱的其他波段一样以光速传播，遵守同样的反射、折射、衍射和偏振等定律。彼此差别只是波长、频率不同而已。红外谱段可进一步划分为：表1.1 红外谱段的划分名称英文缩写波长范围（微米）近红外/短波红外NIR/SWIR0.753红外/中波红外MWIR36远红外/长波红外/热红外LWIR/TIR615极远红外151000图1. 1电磁频谱1.2 辐射测量术语1.2.1 定义、符号和量纲在可见光范畴，已有完善的光度学术语和计量单位，如光通量的单位为流明（lm）

13、，发光强度单位为坎德拉（cd）,以及光照度单位勒克斯（lx）。光度学物理量主要根据光学引起观察者的视觉感知来计量，其度量单位不是由质量、长度和时间等最基本的物理单位构成的。辐射学的物理量用辐射能量度量的，其辐射术语可应用于整个电磁频谱，包括微波、红外、紫外和X射线等谱段。如要将辐射量转换为光度量，必须计入人眼视觉特性。如1瓦辐射通量相当于多少流明的光通量，就与视见函数有关。辐射术语的中文译名非常混乱，红外系统原理(Hudson著，中译本)所推荐使用的译名如表所列。表1.2 常用辐射术语的定义、符号和量纲辐射术语虽名目繁多，但命名方法还是有规律可循：1） 凡是冠以“辐射”前缀的术语，均强调它们是

14、辐射量，不是光度量。2） 有“光子”前缀的辐射量不是用辐射能或辐射功率度量的（如用瓦、焦耳等），而是用入射的光子数来度量的。这是因为有一类探测器的响应与能量并无直接关系，而是主要与入射的光子数有关。3） 带“光谱”前缀的辐射量是在特定波长上，单位波长间隔内测得的。无“光谱”前缀的辐射量是在全光谱范围内或特定波段内测得的，两者的量纲明显不同。4） 表中发射本领、吸收率、反射率和透过率等项均定义为比值，无量纲。它们主要与材料性质有关，如无说明，工程上将它们默认为红外仪器工作波段内的波段值。如需强调它们是光谱值，也可加下标，如即光谱发射本领。由于有些辐射术语有多个中文译名，需予说明：1）辐射通量（R

15、adiant Flux），也译作“辐射功率”。“通量” 和“功率”含义相同，均表示能量传递的时间速率。本书采用“辐射通量”，以求与光度学的“光通量”相呼应。2) 辐射通量密度（Radiant Flux Density），也译作“辐射发射量”或“辐射出射度”（Radiant Emittance）。由于该术语的英文名就不一致，笔者认为译作“辐射通量密度”或“辐射出射度” 均可。“密度”一词能表达出“单位面积”的含义，而“出射度”较容易与“照度”相区分。3) 辐射亮度（Radiance），也译作“辐射率”。本书用“辐射亮度”，与光度学的“亮度”相对应，或按习惯简称为“辐亮度”。4) 发射本领（Emi

16、ssivity）,有“比辐射率”、“发射率”等其他译名。本书用“比辐射率”。1.2.2 辐射亮度和理想朗伯体辐射计算一个辐射源可以用辐射强度、辐射通量密度和辐射通量来描述其强弱和能量的空间分布。辐射强度定义为辐射源在单位立体角内的辐射功率，反映了辐射能传递的空间分布。辐射通量密度是单位辐射面积发出的所有辐射功率，反映了辐射发射的面密度，而辐射通量则是整个辐射源向空间发射的功率，即发射的辐射能的时间速率。辐射亮度定义是：辐射源在沿视线方向单位投影面积向单位立体角所辐射的功率。可以用公式表达辐射强度、辐射通量密度和辐射通量与辐亮度的关系。将辐射亮度对辐射源的面积积分，可得辐射强度：（1.2.1）将

17、辐射亮度对辐射所张的空间立体角积分，可得辐射通量密度：（1.2.2）取辐射亮度对辐射所张空间立体角和辐射面积的双重积分，可得辐射通量：（1.2.3）上述公式中：为辐射源的辐亮度；为辐射源面元的面积； 为发射方向与法线的夹角；即辐射源面元在发射方向的投影；辐照度与辐射通量密度有相同的量纲（W/cm2），但辐射通量密度是发射的功率密度，而辐照度是单位被照面积接收到的辐射通量，是指接收端的功率密度。当用仪器接收辐射时，入瞳的辐照度按下式计算：（1.2.4）此公式与（1.2.2）式形式上完全一致，但式中的辐亮度为接收端的辐亮度，对立体角的积分范围应是仪器的接收立体角。下面将要讲到：如不计能量传递过程的

18、损失，辐射源的辐亮度和仪器接收端的辐亮度是相等的。如考虑能量损失，计算也较为简单。因此，工程应用中，源的辐亮度计算十分重要。一般情况，物体辐射或反射均有方向性，能量仅在一个有限的空间立体角内传递。换言之，它的辐射亮度与发射方向有关。理想的全漫射体发射的能量应能向半球空间均匀辐射，而且辐射亮度是常数，这种理想的漫辐射体被称为朗伯漫射体。朗伯体面元的辐射强度只与测量方向与面元法线夹角的余弦成正比，即遵循朗伯余弦定律（1.2.5）当我们以不同的视角用肉眼去观察一个具有漫射特性的发光体（如太阳）时，每个视觉细胞“看到”的发光面元是实际面元在视线方向的投影。当我们从法线方向看中心部分，或者从切线方向看边

19、缘部分时，虽然实际面源的大小是变化的，它在视线方向的投影面积不变，它向瞳孔所张的立体角也不变。由于朗伯体的辐亮度与视线的方向无关，瞳孔接收到的能量不因观察方向而异。因此，我们看到的都是一个均匀的亮团。图1.4 朗伯定律图解理想的朗伯体向半球发射的辐射通量密度与其辐射亮度之间存在较简洁的关系。在球坐标系中图1.5朗伯体辐射计算图示图1.5朗伯体辐射计算图示（1.2.6）值得注意的是：辐射通量密度是辐亮度的倍，而不是倍（半球立体角）。朗伯漫辐射体仅是一个理想模型，它要求在半球空间的辐射都是均匀的。事实上，许多辐射源只是在一定的空间范围内满足朗伯漫射特性。大多数电绝缘材料，测量方向与法线的夹角不超过

20、60°，导电材料夹角不超过50°，辐射亮度都可近似认为相等。许多光源（如激光二级管）的产品手册中均给出发射瓣的半宽度这样一个指标，发射瓣内辐射亮度基本恒定。对发射瓣半宽度为的近似漫射体，可以导出辐射功率与辐亮度的关系：（1.2.7）1.2.3 波段辐射量和光谱辐射量光谱辐射量是在特定波长下用单位波长间隔测量的。由于任何辐射体均有一定的光谱范围，任何探测装置的光学系统和探测器也有自己固有的光谱响应范围，无论从系统角度还是从应用角度，我们关心的只是波段辐射量。许多文献的公式中，辐射通量、辐射通量密度、辐射强度、辐射亮度和辐照度的波段值并未采用特殊的标识符号，隐含的光谱波段即仪器

21、的工作波段。确有必要说明时，可用下标注明波段范围。波段辐射量与光谱辐射量的关系为： (1.2.8)(1.2.9) (1.2.10) (1.2.11)物质的辐射、反射、吸收都有一定的光谱范围，甚至有剧变的吸收谱线和发射峰。因此，比辐射率、吸收率、反射率和透过率都是与光谱有关的。如无特殊说明，它们都被默认为仪器工作波段内的平均值。需要强调它们是光谱值时，也可加波长下标。1.3 辐照度计算辐射能量计算是系统设计的首要一步。当辐射源被视作点源时，或是视作面源时，采用的辐照度计算方法是不同的。任何辐射源都具有一定尺寸，不可能是一个几何点。所谓点源、面源也不是根据辐射源尺寸大小来划分的，而是根据辐射源的面

22、积是否充满仪器的测量视场。如果辐射源的面积小于仪器视场的空间覆盖，辐射源面积都是有效的，这样的辐射源称为点源。当一个红外搜索系统对远方来袭导弹的张角远小于系统瞬时视场角时，尽管测到的辐射可能来自导弹的蒙皮、喷管、或尾焰，我们可以认为全部辐射来自一点。此时，用辐射强度可以计算点源产生的辐照度。当我们在近距离用热象仪测量导弹的尾焰辐射特性时，我们能得到尾焰温度场空间分布的热图像。尾焰热像由许多像素组成，每个像素的测量视场很小，它不能探测到全部尾焰。此时尾焰的辐射面积只有部分是有效的，故应视作面源。我们可用辐射亮度来计算面源产生的辐照度。1.3.1 131点源产生的辐照度:假设： 点源辐射强度为；点

23、源到被照面元的距离为； 面元法线与入射光线的夹角为。图1.6 点源产生的辐照度可推导得：（1.3.1） 式中 为点源对面元所张的立体角。由式可见，在不考虑辐射传输损失时，点源产生的辐照度与距离平方成反比。其原因是：尽管点源的辐射强度不变，点源对系统所张的立体角随距离增加而减小。当辐射源未充满测量系统的视场覆盖时，系统测得的辐射数据与距离等测量条件有关,不能反映辐射源的真实情况。1.3.2 132面源产生的辐照度 根据式（1.2.3），仪器接收到的辐射通量取决于它的接收面积和接收立体角，而仪器的接收面积与它的有效孔径有关，接收立体角与系统视场有关。因此，有效孔径及视场是仪器最基本的参数。 对面源

24、来讲，当测量距离确定后，由于仪器视场的限制，源发射面积中只有部分是有效的。由于有效孔径的限制，源向空间发射的能量只有落在有限的立体角内的部分能被系统所接收。假设：仪器入瞳面积； ：法线与测量方向的夹角。：仪器视场立体角； ：面源有效发射面积；：法线与测量方向的夹角。：面源发射立体角；：测量距离；图1.7 封闭光束无损传输时亮度守恒关系（1.3.2） (1.3.3)假定光束传输过程中没有吸收、反射等损失，应有：(1.3.4)将(1.3.2)、(1.3.3)式代入(1.3.4),得:(1.3.5)上式表明：如忽略传输损失，辐射源的亮度等于仪器接收端的辐亮度。如考虑传输损失，两者也仅差一个传输效率。

25、上述结论虽是通过一个特例导出的，实际上它反映了一个封闭光束在无损失的同种介质传输时亮度的传递关系,具有普遍的意义。不仅光束源端和接收端的亮度是相等的，在封闭光束的各个截面的亮度也处处相等，我们称之为亮度守恒定律。由于利用辐射的一些基本定律可较为方便地求得源的辐亮度，接收辐亮度则等于源的辐亮度，或源的辐亮度乘以传输效率。知道了仪器接收的辐亮度，就不难求得辐照度和辐射功率。当测量方向与仪器光轴重合时，公式更为简洁。(1.3.6) (1.3.7)式中： 分别为仪器的入瞳面积、视场立体角和视场角。由于是仪器固有的参数，只要满足面源的约定，仪器测得的辐射功率正比于源的辐亮度，而与测量距离无关。这样就可以

26、获得真实的辐射数据。现以一个激光探测的实例说明之。1.3.3 133计算实例实例：用一个10.6微米CO2激光器（15W, 出射窗5mm）作为光源，激光束打在墙面后漫射。用一台室温热象仪（ 814微米，120°视场，F数0.8,孔径7.1mm,320×240元）对激光散射斑成像。热象仪至墙面，激光源至墙面均为2米。求：入射到热象仪的激光辐照度SeffSSCO2激光器室温热像仪激光散斑激光斑有效面积图1.8 激光散射辐射能量计算热象仪瞬时视场 瞬时视场所张的立体角每个像元能看到的有效辐射面积激光斑面积激光散射的辐射强度按点源公式，热象仪处辐照度如在激光器前加凹透镜发散，束散角

27、为1°，墙面上光斑直径约35mm，辐射源已充满瞬时视场，因此，只有部分光斑的能量能到达探测元。可先求激光散斑的辐亮度：式中 为发散光斑面积再求得系统入瞳处的辐照度.可以发现：照射在热像仪的照度与热像仪至墙的距离无关。距离增加时，每个像元能看到的有效辐射面积与距离的平方成正比，而光斑对热像仪所张的立体角与距离平方成反比，只要发散光斑还是充满像元视场，辐射面积的增加完全补偿了立体角的减小，热像仪收到的辐射通量不变，即照度不变。1.4 辐射基本定律1.4.1 辐射体的分类如果用光谱辐射计来考察各种辐射源的光谱分布，可明显地看出，存在两类完全不同的辐射源。如果辐射源是灼热固体或液体，则光谱分

28、布曲线是连续的，仅有一个最大值，其波长随辐射源温度而变化，这种辐射源称为热辐射体。若辐射源是火焰或气体中的电气放电，则光谱分布曲线是不连续的，此时辐射通量集中在狭窄的光谱区间。用高分辨率的单色仪可以发观，这些区间十分挟窄陡峭得象一条线故这种分布称为线谱。另外，光谱也可以由狭窄的的线带组成，这种情况称为带谱。具有线谱或带谱的辐射源，称为选择性辐射体。初看起来，通量集中的所在波长在整个频谱上的位置似乎是杂乱的。详细的考察表明；它们表征了一定类型的辐射原子和分子的特性。因而，这些波长构成了辐射源独有的特征：线谱是原子的特征，带谱是分子的特征。图1.9 热辐射体和选择性辐射体的光谱分布红外系统设计者可

29、能碰到的一些选择牲辐射体有：喷气发动机或火箭排出的热气流再入大气层物体周围的激波受激层，以及通汛系统所用的气体放电源。典型的热辐射体有；喷气发动机发火箭尾喷管的热金属、气动加热表面、汽车、人大地、空间飞行器以及天体。由于热辐射体远为普遍，因此，首先讨论一下适用于这些辐射源的定律。1.4.2 热辐射定律1.4.2.1 比辐射率和基尔霍夫定律19世纪后半期，物理学家一直在试图解释热辐射体的光谱能量分布。1860年，基尔霍夫在研究辐射传输的过程中发现：在任一给定的温度下，辐射通量密度和吸收系数之比，对任何材料都是常数。用一句精练的话表达，即：“好的吸收体也是好的辐射体”。基尔霍夫还提出用“黑体”这个

30、词来说明能吸收全部入射辐射能量的物体，按照他的定律，黑体必然是最有效的辐射体。因而，黑体是一个比较标准，它是任何其它辐射源可以与之进行比较的最有效的辐射体。一个辐射源的比辐射率即是指它的辐射能力与黑体发射能力之比。从能量守恒角度很容易理解基尔霍夫定律。如果，我们将物体A1、A2放在恒温容器内，令容器内部为真空，则物体与容器之间及物体与物体之间只能通过辐射和吸收来交换能量。当系统达到热平衡时，所有物体与容器的温度相等，均为同一温度T。但是，物体A1和A2的表面情况不一样，它们所辐射出去的能量也不一样。显然，只有当辐射能量多的物体吸收能量也多时，才能和其他物体一样保持温度T不变。这就说明：物体的辐

31、射出射度和吸收率之间存在一定的比例关系。图1.10从能量守恒角度看基尔霍夫定律基尔霍夫定律可用数学公式表达为：（1.4.1）这里为黑体（）在温度时的辐射出射度。我们将比辐射率定义为辐射源的辐射出射度与具有同一温度的黑体的辐射出射度之比。即：(1.4.2)比辐射率是一个比值，其值介于非辐射源的零和黑体的1之间，可用来度量辐射源接近黑体的程度。代入基尔霍夫定律（1.4.1），可得到比辐射率和吸收率的关系：(1.4.3)结论：在给定温度下，任何材料的比辐射率在数值上等于该温度时的吸收率。基尔霍夫定律对所有波长的全辐射是正确的，对波长为单色辐射也成立。(1.4.4)对波长为单色辐射，同样可定义光谱比辐

32、射率，并得到：(1.4.5)例如：地球大气中有一层稳定的二氧化碳气体，它在1416微米有一很强吸收带，也是1416微米很稳定的强辐射源。卫星红外地平仪的探测波段就选择在1416微米，实际探测的是稳定的二氧化碳大气层的辐射，而不是地球大地的辐射。这样可消除地球大地的辐射不均匀对姿态控制精度的影响。1.4.2.2 普朗克热辐射定律1879年，斯蒂芬从他的实验测量中得出结论：黑体辐射的总能量与它的绝对温度的四次方成正比。1884年，波尔兹曼应用热力学的关系也得到同样的结论；这个结果就是熟知的斯蒂芬波尔兹曼定律。1894年，维恩发表位移定律，给出了黑体辐射光谱分布的一般形式，遗憾的是它仅与低温时短波段

33、的实验数据相符。然而，他的位移定律，即温度与辐射能量峰值波长关系的距离仍然有效。1900年，瑞利基于经典物理的概念，推导出与高温时长波段实验数据相吻合的表达式，可是表达式预言能量随波长减小会无限制增加，被人称为“紫外灾难”。1900年，普朗克发表的辐射定理，用量子物理的新概念补充了经典物理理沦，完整叙述了黑体辐射的光谱分布。普朗克定理可表示为:(1.4.6)通常也可写成：(1.4.7)温度从500°K到900°K范围的黑体辐射光谱通量密度曲线如图所示。这是一个重要范围，因为它包括了涡轮喷气机尾喷管的温度。 图1.11 各种温度下的黑体光谱辐射通量密度全光谱的辐射通量密度与光

34、谱分布曲线下的面积相对应，可积分求解：(1.4.8)由图可见：随黑体温度增加，总辐射通量密度迅速增加，光谱辐射的峰值波长随向短波方向移动。另外，不同温度的光谱分布曲线彼此不相交，说明任何波长的光谱通量密度都随温度的升高而增加。波段的辐射通量密度也可用同样方法求得，只是积分限不同：(1.4.9)可借助黑体辐射表计算波段辐射通量密度，由于黑体辐射表给出的是0的辐射通量密度，可作变换求得结果：(1.4.10)例如：热成象系统经常要用到常温（300°K）的黑体在814微米的辐射功率密度，可有：=2.3695×10-2-6.4403×10-3=1.7255×10-

35、2 W·cm-2。随计算机技术的发展，用数值积分方法计算黑体辐射已不是难事。1.4.3 普朗克定律的重要推论1.4.3.1 斯蒂芬-波耳兹曼定律在从零到无穷大的波长范围内,对普朗克光谱分布函数积分,可得黑体辐射到半球空间的辐射通量密度：(1.4.11)式中 : 斯蒂芬-波耳兹曼常数, 5.6697×10-12 （）辐射通量密度与绝对温度的四次方成正比。因此，相当小的温度变化，就会引起辐射功率密度很大的变化。1.4.3.2 维恩位移定律普朗克光谱分布函数对求波长的偏微分，并令其为零，可得出黑体的光谱辐射通量密度的峰值波长和黑体绝对温度之间满足： 微米(1.4.12)在实际可以

36、达到的温度范围内, 光谱辐射的峰值波长均位于红外区域。如300K室温条件下，峰值波长为9.66微米，因此，8至14微米红外波段有时也称为热红外波段。峰值波长的光谱辐射通量密度与绝对温度的五次方成正比，即：(1.4.13)式中 为1.2862×10-15 （）1.4.3.3 微分辐射亮度我们将单位温差产生的黑体辐射亮度差称为微分辐射亮度，有的书上也称辐射对比度。微分辐射亮度与红外系统的温度灵敏度关系十分密切。根据一幅红外热图像中目标和背景辐射亮度的差别，我们可以区分船只与水面、车辆与道路、庄稼与草地、建筑物与地面等。实际上，目标和背景之间温度差和比辐射率差都能产生两者的辐射对比度。为便

37、于评估，红外热成像系统的探测灵敏度可用温度灵敏度的形式表达。如用：等效噪声温差（NEDT）、最小可分辨温差（MRDT）等。知道了热成像系统的温度灵敏度，由于比辐射率引起辐射对比度完全可用等效折算方法求得。微分辐射亮度同样有光谱值和波段值之分，先介绍光谱微分辐射亮度。根据普朗克定律，黑体的光谱微分辐射亮度为：(1.4.14)则光谱微分辐射亮度（单位：）为(1.4.15)光谱微分辐射亮度是温度、波长的函数，在峰值波长 处取得最大。对单位温差变化，波长为辐射的亮度差最大，对探测最为有利。光谱微分辐射亮度的峰值波长与温度之积也是常数，可表示为：微米·°K(1.4.16)对照维恩位移

38、定律，光谱微分辐射亮度达到最大的峰值波长不再是光谱辐射出射度达到最大的，小于。对于300K的温度，等于8微米，峰值波长为9.66微米。后面章节将讲到，地球大气层不是对所有波长都透过的，主要的大气窗口位于2到2.5微米, 3到5微米和8到13微米。8到13微米是热像仪观察地面目标最理想的工作波段。无论是光谱辐射量,还是光谱辐射量随温度的变化率均较其他两个窗口高得多。光谱微分辐射亮度在工作波段的积分值叫做微分辐射亮度：(1.4.17)例1：计算室温墙面(300K)和人的皮肤（305K）在814微米的辐射出射度, 忽略比辐射率的影响。可用两种方法：1）直接用普朗克定律计算2) 利用300K时的出射度

39、和微分辐射亮度计算300K时814微米波段的微分辐射亮度：305K皮肤的辐射出射度：温差较小时，两种方法算得结果近似相等。例2： 如一个814微米波段热象仪的300K室温时的温度灵敏度为0.1K，试估算如用来探测浮冰，或高压电缆接头，温度灵敏度将是多少？可分别计算300K室温，273K浮冰及350K（设温升50度）的微分辐射亮度：室温时的温度灵敏度为0.1K的热像仪，如探测浮冰，温度灵敏度为0.13K,如用来检测电缆接头是否过热，温度灵敏度可达0.07K。红外系统的温度灵敏度与被测物温度有关。1.5 比辐射率1.5.1 黑体、灰体和选择性辐射体比辐射率定义为辐射源的辐射出射度与具有同一温度的黑

40、体的辐射出射度之比。比辐射率是材料种类及表面磨光程度的函数，它随波长和材料温度而变。根据热辐射定律，可将全光谱的比辐射率写成更普遍的表达式：(1.4.18)根据光谱比辐射率，可将辐射体分为三类：图1.12黑体、灰体和选择性辐射体的比辐射率1） 黑体或普朗克辐射体，其；2） 灰体，其常数，但小于1；3） 选择性辐射体，随波长而变。图1.13同一温度下三类辐射体的光谱辐射通量密度由于黑体是最佳的热辐射体,在同样的温度下，其总辐射通量或任意光谱区间的波段辐射通量都比其他辐射体大。因此，黑体的光谱分布曲线是各种辐射体光谱分布曲线的包络线。灰体的比辐射率是黑体的一个不变的分数，这是一个特别有用的概念。因

41、为有些辐射源，如喷气机尾喷管、气动加热表面、无动力空间飞行器、人体、大地及空间背景在有限的光谱区间内都可视为灰体，并对大多数工程计算有足够的准确度。喷气发动机或火箭的尾焰是典型的选择性辐射体。在燃气流中，主要的燃烧物是二氧化碳和水蒸汽，它们产生了特有的分子发射带。二氧化碳强谱带在4.3微米,较弱谱带分别在2.7微米和15微米。水分子强谱带靠近2.7微米和6.3微米。4.3微米二氧化碳发射带的辐射强度约为2.7微米水分子发射带强度的3倍。对各种火焰的测量表明，这个比值可以从2.5至10,主要与所用的材料有关。从探测角度看，考虑到太阳光线干扰和大气透过，4.3微米二氧化碳发射带也比2.7微米水分子

42、发射带更有用。如按严格定义，黑体的比辐射率在全光谱范围内应恒等于1，灰体的比辐射率应恒等于一个常数，几乎所有材料都是选择性辐射体。但许多材料在有限的光谱区间的辐射特性完全可看成灰体，这样可以简化计算。1.5.2 材料的比辐射率从基尔霍夫定律可得出结论：在给定温度下，任何材料的比辐射率在数值上等于该温度时的吸收率。根据能量守恒定律，入射的辐射能等于吸收、反射、透过能量之和，即：（1.4.19）对于不透辐射材料，所以有：(1.4.20)由于直接测量比辐射率比较困难，可通过测量反射率来间接测量比辐射率。常用材料的比辐射率如表所列，由表可见：1） 金属材料的比辐射率均较低,但随温度而增加,并且当表面形

43、成氧化层后,比辐射率成十倍或更大倍数增加。2） 非金属的比辐射率要高些，一般大于0.8,并随温度的增高而减小。3） 金属或其他非透明材料的辐射发生在表面几微米内,因此,比辐射率与材料尺寸无关,主要与表面状态有关。表面涂复或刷漆对比辐射率有影响，表面的油膜、污垢、灰尘、擦伤都能引起比辐射率测量值的变化。4） 比辐射率是有方向性的，必须分别定义半球、定向、法向等三类不同的比辐射率。由于这三类比辐射率的差别较小，除磨光金属外，其差都可忽略。对磨光金属，半球比辐射率约比法向值大20%，但由于很少用磨光金属做辐射源，一般就不特别注明了。表1.3 常见材料比辐射率的法向值表1.3 常见材料比辐射率的法向值

44、（续）同样一种材料在不同波段的比辐射率的差异很大，雪就是一个典型例子。表中给出雪的比辐射率为0.85，这是在红外波段测得的平均结果。雪在阳光照射下显得十分耀眼，说明雪在可见波段是很好的漫反射体，由于吸收很少，根据基尔霍夫定律，它的比辐射率应该很低。太阳辐射相当于6000K黑体，其辐射的峰值波长在0.5微米处,整个辐射能量98处于0.15到3微米的波段内。由于人眼只对可见光敏感, 最敏感的波长在0.5微米左右，阳光下我们观察到的雪确实应该是白的。比辐射率定义为辐射源的辐射出射度与具有同一温度的黑体的辐射出射度之比。表中给出的雪的比辐射率值是在10时测得的，该温度下的黑体辐射的峰值波长在11微米，

45、且整个辐射能量约有98处于3微米到70微米的波段内。因此，表中给出的雪的比辐射率主要反映雪在红外波段的发射本领。可惜人眼不能感知红外，否则雪应该是“黑”的。像卫星那样的航天飞行器进入日照区时，星体大量吸收太阳辐射的能量，舱内迅速升温。进入阴影区后，星体又向深冷太空辐射能量，舱内急剧降温。我们可充分利用星体的壳体材料在太阳辐射波段和壳体热辐射波段发射能力的差别，对星体结构进行热控设计，减小舱内环境温度的波动。热控设计时，壳体材料对太阳辐射的吸收率以及在低温（300K）辐射时的比辐射率是非常重要的参数。内部没有能量散逸的卫星称为被动式卫星，其平衡温度仅取决与值。值高的为“热卫星”，值低的为“冷卫星

46、”。对于有能量散逸的主动式卫星，必须考虑其他一些因素，但决定它们的平衡温度时，仍是最重要的一个量。表1.4 空间飞行器蒙皮材料的太阳吸收系数和低温（300K）的比辐射率比较一下磨光铝板和白色氧化钛涂料的值，就能明白：为什么许多飞机为降低停放地面时太阳照射产生的内部高温，都涂以涂层。美国双子星座载人飞船以制动舱和设备舱外蒙皮为辐射散热面, 为0.9，对太阳辐射的吸收率为0.187。其值为0.21，对舱内的红外探测仪器比较有利。1.6 黑体型辐射源1.6.1 黑体和黑体型辐射源基尔霍夫定义的黑体是一个理想化的物理模型，它的比辐射率为1，且与波长无关，而且是理想的漫发射体。这样，黑体可以用来作为与其

47、它辐射源比较的基准。我们虽然无法制作出这样一个严格意义上的黑体，但我们可以制作一个尽可能接近绝对黑体的辐射源，比如它的比辐射率非常接近1，而且在一定的光谱范围内与波长无关，在一定的空间辐射范围内遵循朗伯余弦定律。这样的辐射源本质上应是灰体，或者应确切地称之为黑体型辐射源。多年来，红外领域的工作者都把这类黑体型辐射源称为黑体，约定俗成，黑体型辐射源这一更为确切的名称反而不常使用了。1860年，基尔霍夫提出了制作黑体必须满足的条件。他指出，在一个等温密封腔内的辐射就是黑体辐射。所以，如果在密封腔壁上开一小孔，小孔发出的辐射应该是逼真地模拟了黑体辐射。他进一步指出，无论密封腔的几何形状或制作材料如何

48、，都不影响这个结果。重要的是，密封腔要是真正等温的，同时，小孔的面积比密封腔内表面的面积要小得多。绝对黑体要求对任何波长的辐射100吸收，材料本身无法做到这一点，但是，入射到密封腔小孔的的辐射却能被密封腔壁完全吸收。图1.8 人造黑体原理如在等温容器A上开一个小孔B，所有由小孔B入射的光线经过多次反射才能由B射出。当腔壁的反射率较小，反射次数较多时，只有极小部分的光才能从B射出。例如把A的内表面涂黑，设吸收率为0.9,反射率为0.1,经三次反射后,它就吸收了入射光的0.999,已经非常接近黑体了。因此，只要满足腔壁近似等温，开孔比腔体小得多，就有可能制作一个黑体源。图1.14 人造黑体原理1.

49、6.2 黑体腔的有效比辐射率根据黑体空腔理论，增加空腔辐射面积，改善空腔内部温度均匀性，提高腔壁材料发射率是提高空腔有效发射率的重要因素。黑体的有效比辐射率可通过计量标定和理论计算得到。Gouffe对黑体设计问题作了分析，虽然他的某些方法的合理性尚有争议，大多数叙述作为校准标准的高精度黑体结构的文章，都利用了Gouffe的方法来计算有效比辐射率。假定腔体是漫反射体，Gouffe的有效比辐射率计算公式为：(1.5.1)(1.5.2)式中 为腔体有效比辐射率；为腔壁比辐射率；开口面积，厘米2；包括开口面积在内的腔体总表面面积，厘米2；直径等于腔体深度（从开口平面到腔体最深点）的球体表面积，厘米2。

50、一个黑体型辐射源的有效比辐射率与腔体形状、开孔大小、腔壁的比辐射率及等温精度都有关。设计黑体除要求其有效比辐射率尽量接近于1外，开孔大小、等温精度均极其重要。等温精度影响到辐射的定量精度。开孔太小，无法获得一定的辐射能量，开孔过大有效比辐射率较低，也不易做到等温。黑体源的腔体结构通常有球型、园柱型或圆锥型等形式，选择时需要综合考虑各种因素。可对腔体形状作初步分析。设球型、园柱型和圆锥型腔体具有相等的（腔长与开口半径比），用Gouffe公式可计算并比较它们的有效比辐射率。可以发现：球形黑体有效比辐射率最高，园柱次之，圆锥最低。这是因为球形腔体内反射次数最多的缘故。图1.15 三种腔体结构比较Go

51、uffe公式计算得出的结论是：对于给定的L/r值，表面积最大的腔体的有效比辐射率最高，其腔体效应是极为明显的。腔体的有效比辐射率总是超过其腔壁的比辐射率，腔壁材料比辐射率较低时，增加腔长/开孔半径之比，可明显改善腔体的有效比辐射率。以L/r等于6的圆锥腔体为例：表1.5 不同腔长/开孔半径比和腔壁材料制成圆锥黑体的有效比辐射率腔长/开孔半径腔壁比辐射率腔体有效比辐射率60.90.99560.10.53400.10.93对给定L/r值，球形腔体有效比辐射率最高，但制作较难，也难以均匀加热。因此，园柱或圆锥腔体结构还是经常采用的。开孔较小的点源黑体可以把整个腔体做成圆锥状，一些大口径的黑体面源的有

52、效辐射面和附罩加工成同心V型槽，V型槽的深度远大于槽的宽度，即有较大L/r值。1.6.3 典型黑体辐射源的结构包容腔体的大块材料称为芯子。芯子材料应有较高的热传导系数，使温度梯度最小。在高温时，要有好的抗氧化能力和不易剥落的性能，并且有高的比辐射率。1400K以下黑体源的芯子材料一般都选用不锈钢，因为不锈钢有良好的导热系数，氧化表面的稳定性也很高。铜导热虽好，但受热后形成的氧化层不稳定。1400K以上可用石墨或陶瓷。芯子一般由绕在其外围的镍铬丝加热。为改善腔体温度的均匀性，可改变芯子的外型轮廓或采取非均匀绕组，尽量使每圈加热绕组加热的金属体积不变。在腔体的开口附近损失最大，可在此部位增加加热圈

53、数。由于开口端很难均热，可以在黑体源的出口处设置光栏盘。该光栏相当于测量系统视场光栏，使测量系统只能看到黑体腔的温度较为均匀的中心部分。黑体源的辐射面积等于光栏孔的面积。图1.16 典型黑体型辐射源的详细结构黑体源的辐射功率对温度十分敏感。T=800K时，温度变化1K ，辐射功率将变化5%。因此，黑体源常用铂电阻测温，PID精密温控装置，控温精度可达0.1K。应该指出：上述腔型黑体的出射辐射仅在与轴线夹角不超过5°10°范围内符合朗伯余弦关系。当测量系统在大于这一范围介绍接收辐射时，不能再用前面介绍的简单关系计算。必须测出辐射的角分布，用积分计算辐射量。另外，当测量系统的光

54、学口径较大时，辐射不充满入瞳，会引入许多误差。因此，一般黑体源总与大口径平行光管配合使用。例如：黑体光栏孔为10mm,平行光管口径400mm,焦距4000mm。可算得平行光管的会聚角为5.7°，出射光束的发散角为0.14°。如测量系统视场很小，在沿光轴方向可自由放置，在垂直光轴方向只要不超过400mm的范围，均可测得稳定的结果。图1.17 由黑体和平行光管组成的辐射定标源下图为一个大口径同心槽低温面源，工作温度150350K。它由有效辐射面和附罩组成，有效辐射面和附罩均加工成同心V型槽。材料用SY12铝，强氧化发黑，黑层发射率0.930.94。理论上，空腔有效发射率可达0.998，辐射面的有效发射率为0.9972。图1.18大