第3章目标与环境辐射及其工程计算

1、光电系统设计光电系统设计-第三章第三章 目标与环境辐射目标与环境辐射及其工程计算及其工程计算 2目标与环境辐射目标与环境辐射 3目标与环境辐射目标与环境辐射0.000.250.500.751.001.251.501.752.002505007501000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000Wavelength nmSpectral Irradiance W m-2 nm -1Etr W*m-2*nm-1Global tilt W*m-2*nm-1Direct+circumsolar W*m-2*nm-1Dire

2、ct Normal Irradiance - the amount of solar radiation from the direction of the sun.ETR - extraterrestrial radiation, also known as top-of-atmosphere (TOA) irradiance.Global Tilt = spectral radiation from solar disk plus sky diffuse and diffuse reflected from ground on south facing surface tilted 37

3、deg from horizontal. 4目标与环境辐射目标与环境辐射 目标与环境辐射研究与军事应用密切相关，世目标与环境辐射研究与军事应用密切相关，世界各国进行详细研究，研究成果严格保密；界各国进行详细研究，研究成果严格保密； 5目标与环境辐射目标与环境辐射 6目标与环境辐射目标与环境辐射 环境辐射特性研究也有广泛的民事用途。环境辐射特性研究也有广泛的民事用途。 7目标与环境辐射目标与环境辐射日常生活周围环境辐射强度（毫希沃特日常生活周围环境辐射强度（毫希沃特mSv） 8 目标与环境的光辐射特性：空间特性、光谱特目标与环境的光辐射特性：空间特性、光谱特性和时间特性。性和时间特性。目标辐射空

4、间特性目标辐射空间特性-高炉热图高炉热图目标与环境辐射目标与环境辐射 9目标辐射光谱特性目标辐射光谱特性目标与环境辐射目标与环境辐射 10目标辐射时间特性目标辐射时间特性目标与环境辐射目标与环境辐射 11本章内容本章内容3.1、光辐射与度量、光辐射与度量3.2、绝对黑体及其基本定律、绝对黑体及其基本定律3.3、辐射源及其特性形式分类、辐射源及其特性形式分类3.4、点源、小面源、朗伯扩展源产生的辐照度、点源、小面源、朗伯扩展源产生的辐照度3.5、目标与环境光学特性的分类及特点、目标与环境光学特性的分类及特点3.6、环境与目标光辐射特性、环境与目标光辐射特性3.7、目标辐射的简化计算程序、目标辐射

5、的简化计算程序 12第一节第一节 光辐射与度量光辐射与度量1、光辐射及其红外辐射光辐射及其红外辐射 13第一节第一节 光辐射与度量光辐射与度量X-射线的产生射线的产生 14第一节第一节 光辐射与度量光辐射与度量电磁波谱电磁波谱 15第一节第一节 光辐射与度量光辐射与度量二氧化碳气体辐射谱二氧化碳气体辐射谱 一切物体在高于一切物体在高于0K的温度下都会发射热辐射。的温度下都会发射热辐射。 气体辐射波谱：特征谱线和谱带气体辐射波谱：特征谱线和谱带 16第一节第一节 光辐射与度量光辐射与度量 原子波谱：线状光谱原子波谱：线状光谱 17第一节第一节 光辐射与度量光辐射与度量 分子波谱：带状光谱分子波谱

6、：带状光谱 18第一节第一节 光辐射与度量光辐射与度量 液体波谱：带状光谱和连续光谱液体波谱：带状光谱和连续光谱 19第一节第一节 光辐射与度量光辐射与度量 固体波谱：带状光谱和连续光谱固体波谱：带状光谱和连续光谱 20第一节第一节 光辐射与度量光辐射与度量 红外辐射红外辐射 电磁波谱中，通常把波长范围为电磁波谱中，通常把波长范围为0. 761000微米这一波谱区间称为红外波谱区。其中，又分微米这一波谱区间称为红外波谱区。其中，又分为近红外（为近红外（0.763.0微米）、中红外（微米）、中红外（3.06.0微米）和远红外（微米）和远红外（6.015.0微米）和超远红外微米）和超远红外（15.

7、01000微米）。虽然红外波谱区很宽，但微米）。虽然红外波谱区很宽，但由于大气的吸收，实际主要有三个由于大气的吸收，实际主要有三个“大气窗口大气窗口”可利用：可利用：2.02.6微米、微米、3.05.0微米和远红外微米和远红外的的8.014.0微米。微米。 21第一节第一节 光辐射与度量光辐射与度量红外辐射红外辐射“大气窗口大气窗口”：2.02.6微米、微米、3.05.0微米和微米和8.014.0微米微米 红外辐射和可见光一样，有直线传播、反射、折射、红外辐射和可见光一样，有直线传播、反射、折射、散射、干涉、衍射、偏振等性质。散射、干涉、衍射、偏振等性质。 22第一节第一节 光辐射与度量光辐射

8、与度量2、光度量和辐射度量光度量和辐射度量 辐射度量是一门度量电磁辐射能的科学技术，是辐射度量是一门度量电磁辐射能的科学技术，是光电工程技术的基础；光电工程技术的基础； 历史上形成两种度量机制：光度量制和辐射度量历史上形成两种度量机制：光度量制和辐射度量制；制； 光度量制：以人眼或者经视见函数校正过的照度光度量制：以人眼或者经视见函数校正过的照度计作为探测器，是一种主观定义，形成光度学；计作为探测器，是一种主观定义，形成光度学； 辐射度量制：以无光谱选择性的真空热电偶为探辐射度量制：以无光谱选择性的真空热电偶为探测器，是一种能量的客观的定义。测器，是一种能量的客观的定义。 23第一节第一节 光

9、辐射与度量光辐射与度量辐射中立体角的定义辐射中立体角的定义 24第一节第一节 光辐射与度量光辐射与度量人眼对可见光的响应曲线（可参考课本表人眼对可见光的响应曲线（可参考课本表3.3） 25辐射术语辐射术语符号符号定义定义量纲量纲辐射能辐射能U电磁波所传递的能量电磁波所传递的能量J辐射通量辐射通量P辐射功率辐射功率W辐射通量密度辐射通量密度W单位面积所发出的辐射功率单位面积所发出的辐射功率W.cm-2辐射强度辐射强度J单位立体角内的辐射功率单位立体角内的辐射功率W.sr-1辐射亮度辐射亮度N单位投影面积在单位立体角内的辐射功率单位投影面积在单位立体角内的辐射功率W.sr-1.cm-2辐照度辐照度

10、H入射到单位面积的辐射功率入射到单位面积的辐射功率W.cm-2光谱辐射通量光谱辐射通量P特定波长下单位波长间隔的辐射功率特定波长下单位波长间隔的辐射功率W光谱辐射通量密光谱辐射通量密度度W特定波长下单位波长间隔由单位面积发出的特定波长下单位波长间隔由单位面积发出的辐射功率辐射功率W.cm-2-1光谱辐射强度光谱辐射强度J特定波长下单位波长间隔在单位立体角内的特定波长下单位波长间隔在单位立体角内的辐射功率辐射功率W.sr-1-1光谱辐射亮度光谱辐射亮度N特定波长下单位波长间隔单位投影面积在单特定波长下单位波长间隔单位投影面积在单位立体角内的辐射功率位立体角内的辐射功率W.sr-1.cm-2-1光

11、谱辐照度光谱辐照度H特定波长下单位波长间隔的辐照度特定波长下单位波长间隔的辐照度W.cm-2-1比辐射率比辐射率同一温度下辐射源与黑体辐射发射量之比同一温度下辐射源与黑体辐射发射量之比无无辐射吸收率辐射吸收率吸收的辐射功率与入射的辐射功率之比吸收的辐射功率与入射的辐射功率之比无无辐射反射率辐射反射率反射的辐射功率与入射的辐射功率之比反射的辐射功率与入射的辐射功率之比无无辐射透过率辐射透过率透过的辐射功率与入射的辐射功率之比透过的辐射功率与入射的辐射功率之比无无第一节第一节 光辐射与度量光辐射与度量辐辐射射能能量量单单位位表表 26第二节第二节 绝对黑体及其基本定律绝对黑体及其基本定律1、绝对黑

12、体和非黑体绝对黑体和非黑体 绝对黑体要求比辐射绝对黑体要求比辐射率为率为1，且与波长无关，且与波长无关，实际上它只是一个理想实际上它只是一个理想的物理模型，但是我们的物理模型，但是我们用人工方法可以制作尽用人工方法可以制作尽可能接近绝对黑体的辐可能接近绝对黑体的辐射源。这种辐射源虽然射源。这种辐射源虽然也约定俗成地称为黑体，也约定俗成地称为黑体，实质上只是黑体模拟器，实质上只是黑体模拟器，它已广泛用于红外设备它已广泛用于红外设备的辐射定标。的辐射定标。 人造黑体原理人造黑体原理 27地球黑体辐射地球黑体辐射-地球可近似视为黑体地球可近似视为黑体第二节第二节 绝对黑体及其基本定律绝对黑体及其基本

13、定律 28第二节第二节 绝对黑体及其基本定律绝对黑体及其基本定律 非黑体是指入射的非黑体是指入射的电磁电磁波波部分被吸收，即有部分被吸收，即有反射反射、透射透射、向外辐射。、向外辐射。基尔基尔霍夫辐射定律霍夫辐射定律指出，在热指出，在热平衡状态的物体所辐射的平衡状态的物体所辐射的能量与吸收率之比与物体能量与吸收率之比与物体本身物性无关，只与波长本身物性无关，只与波长和温度有关。按照基尔霍和温度有关。按照基尔霍夫辐射定律，在一定温度夫辐射定律，在一定温度下，黑体必然是辐射本领下，黑体必然是辐射本领最大的物体，非黑体的辐最大的物体，非黑体的辐射本领小于黑体。射本领小于黑体。 非黑体的辐射非黑体的辐

14、射 29第二节第二节 绝对黑体及其基本定律绝对黑体及其基本定律黑体、灰体和实际物体辐射率黑体、灰体和实际物体辐射率 比较比较 30第二节第二节 绝对黑体及其基本定律绝对黑体及其基本定律2、普朗克（普朗克（Max Plank）定律）定律普朗克（普朗克（Max Plank） （1858-1947）1232kThvvehvc以波长表示的普朗克公式：以波长表示的普朗克公式：以频率表示的普朗克公式：以频率表示的普朗克公式：11252kThcehc 31第二节第二节 绝对黑体及其基本定律绝对黑体及其基本定律 1900年，普朗克发年，普朗克发现经典理论的结果与现经典理论的结果与实验不符合的根本原实验不符合的

15、根本原因在于：经典理论的因在于：经典理论的能量是连续的。能量是连续的。 普朗克提出能量子普朗克提出能量子h :）、 .321( nnhE h=6.63 10-34 J.s 普朗克常数普朗克常数 1900年年12月月14日，在德国物理学会上演讲：日，在德国物理学会上演讲：“能能量不连续，只能是量不连续，只能是 h 的整数倍。的整数倍。”这一天定为这一天定为量子力学的诞生日。量子力学的诞生日。 32第二节第二节 绝对黑体及其基本定律绝对黑体及其基本定律3、斯特藩斯特藩-波尔兹曼定律波尔兹曼定律 在一定温度下，黑体在在一定温度下，黑体在单位时间、单位面积和整个单位时间、单位面积和整个波长范围内辐射出

16、的能量：波长范围内辐射出的能量： 斯特藩斯特藩-波尔兹曼定律对于实际物体并不适用。波尔兹曼定律对于实际物体并不适用。 33第二节第二节 绝对黑体及其基本定律绝对黑体及其基本定律4、维恩位移定律维恩位移定律维恩位移公式：维恩位移公式： 式中：式中： 公式表明，黑体光谱辐出度峰值对应的波长公式表明，黑体光谱辐出度峰值对应的波长与黑体的温度成反比。当温度升高，光谱辐射的与黑体的温度成反比。当温度升高，光谱辐射的波长峰值变短，即向短波移动。波长峰值变短，即向短波移动。bTm)(28972kmxCb 34第二节第二节 绝对黑体及其基本定律绝对黑体及其基本定律 斯斯特藩特藩-玻尔兹曼定律和维恩位移定律是黑

17、体辐玻尔兹曼定律和维恩位移定律是黑体辐射射 的基本定律，现代广泛应用于高温测量、遥感、的基本定律，现代广泛应用于高温测量、遥感、红外追踪等。红外追踪等。 35第二节第二节 绝对黑体及其基本定律绝对黑体及其基本定律5、朗伯余弦定律朗伯余弦定律 一般说来，辐射源所发出的辐射能通量，其空一般说来，辐射源所发出的辐射能通量，其空间方向的分布很复杂，这给辐射量的计算带来很大间方向的分布很复杂，这给辐射量的计算带来很大的麻烦。但在自然界中存在一类特殊的辐射源，它的麻烦。但在自然界中存在一类特殊的辐射源，它们的辐射亮度与辐射方向无关，例如太阳、荧光屏、们的辐射亮度与辐射方向无关，例如太阳、荧光屏、毛玻璃灯罩

18、、坦克表面等都近似于这类辐射源。人毛玻璃灯罩、坦克表面等都近似于这类辐射源。人们把这种辐射亮度与辐射方向无关的辐射源称为漫们把这种辐射亮度与辐射方向无关的辐射源称为漫辐射源。辐射源。 36第二节第二节 绝对黑体及其基本定律绝对黑体及其基本定律 朗伯余弦定律描朗伯余弦定律描述了辐射源向半球空述了辐射源向半球空间内的辐射亮度沿高间内的辐射亮度沿高低角变化的规律。该低角变化的规律。该定律规定，若面积元定律规定，若面积元在法线方向的辐射强在法线方向的辐射强度为度为LN，则它在高低，则它在高低角的方向上的辐射强角的方向上的辐射强度为：度为：cosNLL辐射的空间角辐射的空间角 37第二节第二节 绝对黑体

19、及其基本定律绝对黑体及其基本定律 朗伯余弦定律：朗伯余弦定律：即理想反射体单位表面积向空即理想反射体单位表面积向空间某方向单位立体角反射（发射）的辐射亮度与表间某方向单位立体角反射（发射）的辐射亮度与表面法线夹角的余弦成正比。面法线夹角的余弦成正比。漫反射体的辐射亮度分漫反射体的辐射亮度分布遵从朗伯余弦定律，自身发射的黑体辐射源也遵布遵从朗伯余弦定律，自身发射的黑体辐射源也遵从朗伯余弦定律，凡辐射亮度遵从朗伯余弦定律的从朗伯余弦定律，凡辐射亮度遵从朗伯余弦定律的辐射源称为朗伯辐射源。辐射源称为朗伯辐射源。 38第二节第二节 绝对黑体及其基本定律绝对黑体及其基本定律 朗伯余弦定律还有一种表达形式

20、，将辐射亮度朗伯余弦定律还有一种表达形式，将辐射亮度定义为辐射源的单位投影面积（指面积元在与表示定义为辐射源的单位投影面积（指面积元在与表示的射线相垂直的方向投影的单位面积）在的射线相垂直的方向投影的单位面积）在 方向的方向的单位立体角内的辐射功率。单位立体角内的辐射功率。 则朗伯辐射源的辐射亮度是一个与方向无关的则朗伯辐射源的辐射亮度是一个与方向无关的常量。常量。这是因为辐射源的表观面积随表面法线与观这是因为辐射源的表观面积随表面法线与观测方向夹角的余弦而变化。符合此规律的辐射面称测方向夹角的余弦而变化。符合此规律的辐射面称为朗伯面。对于绝对黑体，朗伯余弦定律极为正确。为朗伯面。对于绝对黑体

21、，朗伯余弦定律极为正确。但在实际工作和生活中，人们遇到的各种漫辐射源但在实际工作和生活中，人们遇到的各种漫辐射源只是近似地遵从朗伯余弦定律，所以朗伯辐射源是只是近似地遵从朗伯余弦定律，所以朗伯辐射源是个理想化的概念。个理想化的概念。 39朗伯辐射：朗伯辐射：虽各方向亮度相同，虽各方向亮度相同，但辐射强度不同。但辐射强度不同。第二节第二节 绝对黑体及其基本定律绝对黑体及其基本定律 40第二节第二节 绝对黑体及其基本定律绝对黑体及其基本定律太阳的亮度等价平面圆盘太阳的亮度等价平面圆盘朗伯辐射体朗伯辐射体积雪积雪 41第三节第三节 辐射源及其特性形式分类辐射源及其特性形式分类1、辐射源分类辐射源分类

22、 l 按照辐射源光谱发射率按照辐射源光谱发射率 特性划分：特性划分：黑体，黑体，灰体，灰体， 常数（小于常数（小于1 1） 选择性辐射体，选择性辐射体， 是波长的函数是波长的函数）（1）（）（）（ 42黑体、灰体和实际物体辐射率黑体、灰体和实际物体辐射率 比较比较第三节第三节 辐射源及其特性形式分类辐射源及其特性形式分类 43第三节第三节 辐射源及其特性形式分类辐射源及其特性形式分类l 按照辐射源相对于红外系统瞬时视场张角划分：按照辐射源相对于红外系统瞬时视场张角划分：点源，对系统张角小于瞬时视场点源，对系统张角小于瞬时视场扩展源，对系统张角大于瞬时视场扩展源，对系统张角大于瞬时视场 一般如果

23、辐射源与红外系统的距离是辐射源尺一般如果辐射源与红外系统的距离是辐射源尺寸的寸的1010倍以上，则可视为点源。倍以上，则可视为点源。点源点源 44第三节第三节 辐射源及其特性形式分类辐射源及其特性形式分类l 按照辐射源辐射的相干性划分：按照辐射源辐射的相干性划分：相干辐射源，不同位置相位关系不变相干辐射源，不同位置相位关系不变非相干辐射源，不同位置相位关系无关非相干辐射源，不同位置相位关系无关部分相干辐射源，不同位置相位关系有些不变，部分相干辐射源，不同位置相位关系有些不变，有些无关有些无关激光具有良好的相干性激光具有良好的相干性照明光源是非相干的照明光源是非相干的 45第三节第三节 辐射源及

24、其特性形式分类辐射源及其特性形式分类l 按照辐射源表面性质划分：按照辐射源表面性质划分：镜面源，入射角与反射角相等镜面源，入射角与反射角相等漫射源，即朗伯辐射源漫射源，即朗伯辐射源毛面反射源，除朗伯辐射源和镜面源之外的其他毛面反射源，除朗伯辐射源和镜面源之外的其他反射源反射源 46第三节第三节 辐射源及其特性形式分类辐射源及其特性形式分类镜面球反射镜面球反射漫反射漫反射 47第三节第三节 辐射源及其特性形式分类辐射源及其特性形式分类l 按照辐射源发光机理划分：按照辐射源发光机理划分：热辐射，热力学温度不为零且处于热平衡状态的热辐射，热力学温度不为零且处于热平衡状态的任何物体任何物体受激直接跃迁

25、辐射，物质原子中的电子受到外来受激直接跃迁辐射，物质原子中的电子受到外来能量的激发跃迁至高能级，然后直接落入低能级产能量的激发跃迁至高能级，然后直接落入低能级产生辐射生辐射受激间接跃迁辐射，即激光受激间接跃迁辐射，即激光 48第三节第三节 辐射源及其特性形式分类辐射源及其特性形式分类金星地表热辐射图金星地表热辐射图 1970年年12月月15日，前苏联金星日，前苏联金星7号在号在金星实现软着陆，金星实现软着陆， 成功传回金星表面温度成功传回金星表面温度等数据资料。测得金星表面温度为摄氏等数据资料。测得金星表面温度为摄氏447度，度， 气压为气压为90个大气压，大气密度约个大气压，大气密度约为地球

26、的为地球的100倍。倍。 受激直接跃迁辐射受激直接跃迁辐射 光致发光材料光致发光材料-长效夜光粉又长效夜光粉又名蓄光粉发光粉荧光粉储光粉夜光名蓄光粉发光粉荧光粉储光粉夜光材料。材料。 49第三节第三节 辐射源及其特性形式分类辐射源及其特性形式分类 对于点源，如果不考虑大气的任何影响，对于点源，如果不考虑大气的任何影响，则离辐射源距离为则离辐射源距离为R处的辐照度（单位面积的处的辐照度（单位面积的辐射功率）为辐射功率）为cos2RIH 50第三节第三节 辐射源及其特性形式分类辐射源及其特性形式分类2、辐射源特性形式辐射源特性形式 表示辐射源特性的形式有四类：总辐射量、光表示辐射源特性的形式有四类

27、：总辐射量、光谱辐射量、光子辐射量和辐射量的空间分布形式。谱辐射量、光子辐射量和辐射量的空间分布形式。 l 总辐射量，全频域各个方向辐射功率的总和。相总辐射量，全频域各个方向辐射功率的总和。相关的物理量有辐射能、辐射能密度、辐射出射度、关的物理量有辐射能、辐射能密度、辐射出射度、辐射强度、辐射亮度、辐照度、吸收率、反射率、辐射强度、辐射亮度、辐照度、吸收率、反射率、透过率、发射率等。透过率、发射率等。 51第三节第三节 辐射源及其特性形式分类辐射源及其特性形式分类沿沿290纬线的太阳年总辐射量曲线图纬线的太阳年总辐射量曲线图 52第三节第三节 辐射源及其特性形式分类辐射源及其特性形式分类l 光

28、谱辐射量，是波长的函数，用光谱密度函数表光谱辐射量，是波长的函数，用光谱密度函数表示。相关的物理量有光谱辐通量、光谱辐射强度、示。相关的物理量有光谱辐通量、光谱辐射强度、光谱辐射出射度、光谱辐射亮度、光谱辐射照度等。光谱辐射出射度、光谱辐射亮度、光谱辐射照度等。单色辐射量，足够小波长间隔单色辐射量，足够小波长间隔波段辐射量，较大的确定的波长范围波段辐射量，较大的确定的波长范围 53第三节第三节 辐射源及其特性形式分类辐射源及其特性形式分类单色辐射量单色辐射量波段辐射量波段辐射量 54第三节第三节 辐射源及其特性形式分类辐射源及其特性形式分类l 光子辐射量，用每秒接收（或发射、通过）的光光子辐射

29、量，用每秒接收（或发射、通过）的光子数代替辐射能通量定义各辐射量。子数代替辐射能通量定义各辐射量。光子数光子数光子通量，单位时间发射、传输或接收的光子数光子通量，单位时间发射、传输或接收的光子数光子强度，给定方向单位立体角发射的光子数光子强度，给定方向单位立体角发射的光子数光子亮度，给定方向单位投影面积、单位立体角光子亮度，给定方向单位投影面积、单位立体角发射的光子数发射的光子数光子出射度，单位面积向半球空间发射的光子通光子出射度，单位面积向半球空间发射的光子通量量光子照度，被照表面单位面积接收的光子通量光子照度，被照表面单位面积接收的光子通量 55第三节第三节 辐射源及其特性形式分类辐射源及

30、其特性形式分类l 辐射量空间分布，辐射强度在空间的分布情况。辐射量空间分布，辐射强度在空间的分布情况。 56第四节第四节 点源、小面源、朗伯扩展源产生的辐照度点源、小面源、朗伯扩展源产生的辐照度1、点源产生的辐照度点源产生的辐照度 对于点源，如果不考虑大气的任何影响，对于点源，如果不考虑大气的任何影响，则离辐射源距离为则离辐射源距离为R处的辐照度（单位面积的处的辐照度（单位面积的辐射功率）为辐射功率）为cos2RIH 57第四节第四节 点源、小面源、朗伯扩展源产生的辐照度点源、小面源、朗伯扩展源产生的辐照度2、小面源产生的辐照度：不忽略辐射源的空间尺小面源产生的辐照度：不忽略辐射源的空间尺寸，

31、但其上强度可认为均匀分布。寸，但其上强度可认为均匀分布。3、朗伯扩展源产生的辐照度：辐射源的空间尺寸朗伯扩展源产生的辐照度：辐射源的空间尺寸较大，其上强度分布不均匀。较大，其上强度分布不均匀。 58第五节第五节 目标与环境光学特性的分类及特点目标与环境光学特性的分类及特点 根据目标与背景的不同，讨论四类情况：空间根据目标与背景的不同，讨论四类情况：空间目标与深空背景、空中目标与天空背景、地面目标目标与深空背景、空中目标与天空背景、地面目标与地物背景、海面目标与海洋背景。与地物背景、海面目标与海洋背景。1、空间目标与深空背景空间目标与深空背景 空间目标指空间目标指100km100km以上的战略导

32、弹、卫星、空以上的战略导弹、卫星、空间飞行器、空间站和中继站。间飞行器、空间站和中继站。 深空背景是辐射温度大约深空背景是辐射温度大约3.5K3.5K的冷背景，对于的冷背景，对于许多红外系统，可以忽略不计。许多红外系统，可以忽略不计。 59 战略导弹（战略导弹（strategic missile）是指用于打击战略）是指用于打击战略目标的导弹。它是战略武器的目标的导弹。它是战略武器的主要组成部分。通常携带核弹主要组成部分。通常携带核弹头，战略弹道导弹射程通常在头，战略弹道导弹射程通常在1000公里以上，用于打击政治公里以上，用于打击政治和经济中心、军事和工业基地、和经济中心、军事和工业基地、核武

33、器库、交通枢纽等目标，核武器库、交通枢纽等目标，以及拦截来袭战略弹道导弹。以及拦截来袭战略弹道导弹。战略核导弹是衡量一个国家战战略核导弹是衡量一个国家战略核力量和军事科学技术综合略核力量和军事科学技术综合发展能力的主要标志之一。发展能力的主要标志之一。第五节第五节 目标与环境光学特性的分类及特点目标与环境光学特性的分类及特点中国东风中国东风-41 60 白杨白杨M导弹是俄罗斯联导弹是俄罗斯联邦的超级秘密武器。白杨邦的超级秘密武器。白杨M洲际弹道导弹重洲际弹道导弹重47吨，长近吨，长近23米，安装有固体燃料发动机，米，安装有固体燃料发动机，能以疯狂的速度拔地而起，可能以疯狂的速度拔地而起，可以摧

34、毁以摧毁1万公里以外的目标。万公里以外的目标。而无论敌人以什么样的方式拦而无论敌人以什么样的方式拦截，都无法把它击落，这就是截，都无法把它击落，这就是为什么美国人称为什么美国人称“白杨白杨M导导弹弹”为为“疯子疯子”的原因。美国的原因。美国人承认，人承认，“白杨白杨M导弹导弹”大大大降低了美国导弹防御系统大降低了美国导弹防御系统（TMD）的效果。）的效果。第五节第五节 目标与环境光学特性的分类及特点目标与环境光学特性的分类及特点 61 美国和前苏联都发展了战略美国和前苏联都发展了战略导弹预警卫星。美国的预警卫导弹预警卫星。美国的预警卫星称为星称为DSP（防御支持计划防御支持计划）。）。位于赤道

35、上空的定点轨道上，位于赤道上空的定点轨道上，利用大的红外望远镜探测导弹利用大的红外望远镜探测导弹发射发出的红外信号，通过分发射发出的红外信号，通过分析这些信号的强度以及与地球析这些信号的强度以及与地球冷背景的差别，判别出导弹的冷背景的差别，判别出导弹的型号，并把这些信号送到地面型号，并把这些信号送到地面的弹道导弹预警系统，计算出的弹道导弹预警系统，计算出导弹的落点。在导弹发射后导弹的落点。在导弹发射后120 秒预报落点秒预报落点，给前线提供，给前线提供90秒秒钟的预警时间。钟的预警时间。第五节第五节 目标与环境光学特性的分类及特点目标与环境光学特性的分类及特点 62第五节第五节 目标与环境光学

36、特性的分类及特点目标与环境光学特性的分类及特点2、空中目标与天空背景空中目标与天空背景 空间目标指高度空间目标指高度202030km30km以下各种类型飞机和以下各种类型飞机和战术导弹，以及飞机和导弹释放的光学诱饵。战术导弹，以及飞机和导弹释放的光学诱饵。 天空背景包括地球大气散射和辐射，也包括云、天空背景包括地球大气散射和辐射，也包括云、雾、雨、雪等。雾、雨、雪等。 空中目标通常相对于天空背景在红外区域有较空中目标通常相对于天空背景在红外区域有较强的红外辐射强度，因此可以利用简单的点源式的强的红外辐射强度，因此可以利用简单的点源式的红外系统对空中目标进行跟踪制导。红外系统对空中目标进行跟踪制

37、导。 63第五节第五节 目标与环境光学特性的分类及特点目标与环境光学特性的分类及特点被动式红外制导是直接接收目标红外辐射被动式红外制导是直接接收目标红外辐射 64第五节第五节 目标与环境光学特性的分类及特点目标与环境光学特性的分类及特点3、地面目标与地物背景地面目标与地物背景 地面目标包括坦克、装甲、车辆、电站、桥梁、地面目标包括坦克、装甲、车辆、电站、桥梁、机场、建筑物和发射场等，主要分为有内动力和无机场、建筑物和发射场等，主要分为有内动力和无内动力两大类。内动力两大类。 地物背景包括土壤、沙漠、植被、树林和水体地物背景包括土壤、沙漠、植被、树林和水体等。等。 一般采用一般采用8 812um

38、12um（或（或8 814um14um）红外成像技术，）红外成像技术，白天也可以采用可见光电视制导或可见光图像处理。白天也可以采用可见光电视制导或可见光图像处理。 65第五节第五节 目标与环境光学特性的分类及特点目标与环境光学特性的分类及特点车辆红外辐射车辆红外辐射道路识别道路识别 66第五节第五节 目标与环境光学特性的分类及特点目标与环境光学特性的分类及特点4、海面目标与海洋背景海面目标与海洋背景 海面目标包括航空母舰、巡洋舰、驱逐舰、护海面目标包括航空母舰、巡洋舰、驱逐舰、护卫舰、扫雷舰、猎潜舰、运输舰、军用快艇和军用卫舰、扫雷舰、猎潜舰、运输舰、军用快艇和军用气垫船等。气垫船等。 海洋背

39、景包括海水、天空、海面浮游物等。海洋背景包括海水、天空、海面浮游物等。 探测烟囱、动力舱部位，主要采用探测烟囱、动力舱部位，主要采用3 35um5um红外红外点源非成像系统，但夜间舰船温度低于海水，利用点源非成像系统，但夜间舰船温度低于海水，利用8 812um12um可以进行昼夜探测、识别、跟踪和制导。可以进行昼夜探测、识别、跟踪和制导。 67第五节第五节 目标与环境光学特性的分类及特点目标与环境光学特性的分类及特点 68第六节第六节 环境与目标光辐射特性环境与目标光辐射特性 环境光辐射可来自动物、海面、大气、气溶胶环境光辐射可来自动物、海面、大气、气溶胶和星体的自身发射，也可以来自这些环境的

40、反射辐和星体的自身发射，也可以来自这些环境的反射辐射或散射辐射。射或散射辐射。 69第六节第六节 环境与目标光辐射特性环境与目标光辐射特性 70第六节第六节 环境与目标光辐射特性环境与目标光辐射特性1、天体背景光辐射特性天体背景光辐射特性 除了各类星体（恒星和行星）辐射外，深空背除了各类星体（恒星和行星）辐射外，深空背景是辐射温度大约景是辐射温度大约3.5K3.5K的冷背景，对于许多红外系的冷背景，对于许多红外系统，可以忽略不计。统，可以忽略不计。 19641964年，美国贝尔实验室的工程师阿诺年，美国贝尔实验室的工程师阿诺彭齐亚彭齐亚斯斯(Penzias)(Penzias)和罗伯特和罗伯特威

41、尔逊威尔逊(Wilson)(Wilson)架设了一台架设了一台喇叭形状的天线，用以接受喇叭形状的天线，用以接受“回声回声”卫星的信号。卫星的信号。他们发现，在波长为他们发现，在波长为7.35cm7.35cm的地方一直有一个各向的地方一直有一个各向同性的讯号存在，但与地球的公转和自转无关。他同性的讯号存在，但与地球的公转和自转无关。他们对天线进行了彻底检查，清除了天线上的鸽子窝们对天线进行了彻底检查，清除了天线上的鸽子窝和鸟粪，然而噪声仍然存在。和鸟粪，然而噪声仍然存在。 71第六节第六节 环境与目标光辐射特性环境与目标光辐射特性 于是他们正式宣布了这个发现。紧接着狄克等于是他们正式宣布了这个发

42、现。紧接着狄克等人在同一杂志上对这个发现给出了正确的解释：即人在同一杂志上对这个发现给出了正确的解释：即这个额外的辐射就是宇宙大爆炸之后的微波背景辐这个额外的辐射就是宇宙大爆炸之后的微波背景辐射。射。 彭齐亚斯和威尔逊也因发现了宇宙微波背景辐彭齐亚斯和威尔逊也因发现了宇宙微波背景辐射而获得射而获得19781978年的诺贝尔物理学奖。年的诺贝尔物理学奖。 72第六节第六节 环境与目标光辐射特性环境与目标光辐射特性宇宙背景辐射具有高度各向同性宇宙背景辐射具有高度各向同性 73第六节第六节 环境与目标光辐射特性环境与目标光辐射特性 2003 2003年，美国发射的威尔金森年，美国发射的威尔金森微波各

43、向异性探测器对宇宙微波背微波各向异性探测器对宇宙微波背景辐射在不同方向上的涨落的测量景辐射在不同方向上的涨落的测量表明，宇宙的年龄是表明，宇宙的年龄是1371371 1亿年，亿年，在宇宙的组成成分中，在宇宙的组成成分中，4%4%是一般物是一般物质，质，23%23%是暗物质，是暗物质，73%73%是暗能量。是暗能量。宇宙目前的膨胀速度是宇宙目前的膨胀速度是7171公里每秒公里每秒每百万秒差距，宇宙空间是近乎于每百万秒差距，宇宙空间是近乎于平直的，它经历过暴涨的过程，并平直的，它经历过暴涨的过程，并且会一直膨胀下去。且会一直膨胀下去。 秒差距：秒差距：1 1秒差距约等于秒差距约等于3.263.26

44、光年，或光年，或206265206265天文单位，或天文单位，或30.856830.8568万亿千米。万亿千米。 74第六节第六节 环境与目标光辐射特性环境与目标光辐射特性 75第六节第六节 环境与目标光辐射特性环境与目标光辐射特性2、太阳光辐射特性太阳光辐射特性太阳太阳表面温度：约表面温度：约 5500 摄氏度摄氏度 中心温度：约中心温度：约 2000万摄氏度万摄氏度每秒损失质量：每秒损失质量：4.670109kg每年损失质量：每年损失质量：1.4731017kg目前质量：目前质量：1.9891030 kg 76第六节第六节 环境与目标光辐射特性环境与目标光辐射特性 77第六节第六节 环境与

45、目标光辐射特性环境与目标光辐射特性3、天空背景光辐射特性天空背景光辐射特性 天空的光辐射来自于对太阳光（含星光）散射天空的光辐射来自于对太阳光（含星光）散射和大气的热辐射。和大气的热辐射。 78第六节第六节 环境与目标光辐射特性环境与目标光辐射特性l 天空可见光散射天空可见光散射 晴天，地面上总照度晴天，地面上总照度的的1/51/5来自天空，即来自来自天空，即来自大气散射的太阳光。大气散射的太阳光。 夜晚，夜空辐射有黄夜晚，夜空辐射有黄道光、银河光、气辉道光、银河光、气辉（大气发光）、散射光（大气发光）、散射光辉、星光（散射和直辉、星光（散射和直射）、银河外辐射等。射）、银河外辐射等。黄道光是

46、一些不断环绕太阳的尘埃黄道光是一些不断环绕太阳的尘埃微粒反射太阳的光而成。微粒反射太阳的光而成。 79第六节第六节 环境与目标光辐射特性环境与目标光辐射特性l 天空红外辐射天空红外辐射 白天，天空红外辐射是太阳和地球辐射散射的组白天，天空红外辐射是太阳和地球辐射散射的组合。夜晚，红外辐射主要为大气的热辐射。合。夜晚，红外辐射主要为大气的热辐射。白天红外辐射白天红外辐射太阳和地球红外辐射比较太阳和地球红外辐射比较 80第六节第六节 环境与目标光辐射特性环境与目标光辐射特性4、海洋背景光辐射特性海洋背景光辐射特性 海洋的光辐射由海洋本身的热辐射和它对环境海洋的光辐射由海洋本身的热辐射和它对环境辐射

47、（如太阳和天空）的反射组成。辐射（如太阳和天空）的反射组成。 不论白天还是晚上，不论白天还是晚上，4um4um以上的光辐射都来自海以上的光辐射都来自海洋的热辐射。洋的热辐射。 81海面对自然光、垂直偏振海面对自然光、垂直偏振光和平行偏振光的反射系光和平行偏振光的反射系数数第六节第六节 环境与目标光辐射特性环境与目标光辐射特性 82海面辐射探测海面辐射探测第六节第六节 环境与目标光辐射特性环境与目标光辐射特性 83第六节第六节 环境与目标光辐射特性环境与目标光辐射特性5、自然辐射源与目标辐射源自然辐射源与目标辐射源l 太阳太阳 地球所接受到的太阳辐射能量仅为太阳向宇宙空地球所接受到的太阳辐射能量

48、仅为太阳向宇宙空间放射的总辐射能量的二十亿分之一，但却是地球间放射的总辐射能量的二十亿分之一，但却是地球大气运动的主要能量源泉。大气运动的主要能量源泉。 世界气象组织世界气象组织19811981年公布的太阳常数值是年公布的太阳常数值是13681368瓦每平方米每秒。地球大气上界的太阳辐射光谱的瓦每平方米每秒。地球大气上界的太阳辐射光谱的99%99%以上在波长以上在波长 0.150.154.04.0微米之间。大约微米之间。大约40%40%的太的太阳辐射能量在可见光谱（波长阳辐射能量在可见光谱（波长0.40.40.760.76微米），微米），10%10%在紫外光谱区（波长在紫外光谱区（波长0.40

49、.760.76微米），最大能量在波长微米），最大能量在波长 0.4750.475微米处。微米处。 84第六节第六节 环境与目标光辐射特性环境与目标光辐射特性 85第六节第六节 环境与目标光辐射特性环境与目标光辐射特性太阳的高度角越太阳的高度角越小，地球接收的小，地球接收的红外辐射占太阳红外辐射占太阳总辐射能的比例总辐射能的比例越大。越大。早晚的太阳红早晚的太阳红的的原因是：地球大原因是：地球大气层阻挡或散射气层阻挡或散射太阳光，早晚太太阳光，早晚太阳光穿过的大气阳光穿过的大气层比中午厚，而层比中午厚，而红光的穿透能力红光的穿透能力强，早晚时易穿强，早晚时易穿过大气层。过大气层。 86第六节第六

50、节 环境与目标光辐射特性环境与目标光辐射特性 87第六节第六节 环境与目标光辐射特性环境与目标光辐射特性l 月球、行星、恒星月球、行星、恒星 月球和行星的红外辐射由自身辐射和对太阳辐射月球和行星的红外辐射由自身辐射和对太阳辐射的反射组成；恒星自身就是辐射体。的反射组成；恒星自身就是辐射体。 由于没有大气层阻挡，各种辐射可以直接抵达月由于没有大气层阻挡，各种辐射可以直接抵达月球表面并与月壤相互作用。月球表面物质主要受到球表面并与月壤相互作用。月球表面物质主要受到下列三种辐射源的辐照并反射和吸收，即太阳风、下列三种辐射源的辐照并反射和吸收，即太阳风、太阳耀斑和银河宇宙射线，太阳风是由太阳发出的太阳

51、耀斑和银河宇宙射线，太阳风是由太阳发出的连续的等离子体流。连续的等离子体流。 88 月球上的复杂环境对登月宇航员的生命健康构月球上的复杂环境对登月宇航员的生命健康构成严重威胁，上图为成严重威胁，上图为1969年美国宇航员在月球上行年美国宇航员在月球上行走。美国国家宇航局的科学家指出，月球上的辐射、走。美国国家宇航局的科学家指出，月球上的辐射、灰尘及低温是威胁人类探月的三大杀手。灰尘及低温是威胁人类探月的三大杀手。第六节第六节 环境与目标光辐射特性环境与目标光辐射特性 89第六节第六节 环境与目标光辐射特性环境与目标光辐射特性l 大气、云、极光大气、云、极光 辐射通过大气时，分别受到大气中的水汽

52、、二辐射通过大气时，分别受到大气中的水汽、二 氧化碳、微尘、氧和臭氧以及云滴、雾、冰晶、空氧化碳、微尘、氧和臭氧以及云滴、雾、冰晶、空气分子的吸收、反射、折射、散射、衍射等作用，气分子的吸收、反射、折射、散射、衍射等作用，而使投射到大气上的辐射不能完全透过大气。正是而使投射到大气上的辐射不能完全透过大气。正是因为大气对辐射有多种作用才使大气中出现了丰富因为大气对辐射有多种作用才使大气中出现了丰富多彩的大气光现象。多彩的大气光现象。 大气吸收地面长波辐射的同时，又以辐射的方式大气吸收地面长波辐射的同时，又以辐射的方式向外放射能量。大气这种向外放射能量的方式，称向外放射能量。大气这种向外放射能量的

53、方式，称为大气辐射。由于大气本身的温度也低，放射的辐为大气辐射。由于大气本身的温度也低，放射的辐射能的波长较长，故也称为大气长波辐射。射能的波长较长，故也称为大气长波辐射。 90第六节第六节 环境与目标光辐射特性环境与目标光辐射特性大气辐射示意图大气辐射示意图 91第六节第六节 环境与目标光辐射特性环境与目标光辐射特性 大气辐射的方向既有大气辐射的方向既有向上的，也有向下的。大向上的，也有向下的。大气辐射中向下的那一部分，气辐射中向下的那一部分，刚好和地面辐射的方向相刚好和地面辐射的方向相反，所以称为大气逆辐射。反，所以称为大气逆辐射。大气逆辐射是地面获得热大气逆辐射是地面获得热量的重要来源。

54、由于大气量的重要来源。由于大气逆辐射的存在，使地面实逆辐射的存在，使地面实际损失的热量比地面以长际损失的热量比地面以长波辐射放出的热量少一些，波辐射放出的热量少一些，大气的这种保温作用称为大气的这种保温作用称为大气的温室效应。这种大大气的温室效应。这种大气的保温作用使近地表的气的保温作用使近地表的气温提高了约气温提高了约1818。 92第六节第六节 环境与目标光辐射特性环境与目标光辐射特性大气辐射对遥感的影响大气辐射对遥感的影响 93第六节第六节 环境与目标光辐射特性环境与目标光辐射特性贵州黎平县贵州黎平县ASTER大气辐射校正与地形辐射大气辐射校正与地形辐射校正前后校正前后ASTER3/2/

55、1波段波段RGB合成图像合成图像 94第六节第六节 环境与目标光辐射特性环境与目标光辐射特性极光（极光（Polar light，aurora）是由于太阳带电）是由于太阳带电粒子（太阳风）进入地球粒子（太阳风）进入地球磁场，在地球南北两极附磁场，在地球南北两极附近地区的高空，夜间出现近地区的高空，夜间出现的灿烂美丽的光辉。在南的灿烂美丽的光辉。在南极称为南极光，在北极称极称为南极光，在北极称为北极光。为北极光。 95第六节第六节 环境与目标光辐射特性环境与目标光辐射特性l 地面和水面地面和水面 地球表面在吸收地球表面在吸收太阳辐射的同时，又太阳辐射的同时，又将其中的大部分能量将其中的大部分能量以

56、辐射的方式传送给以辐射的方式传送给大气。地表面这种以大气。地表面这种以其本身的热量日夜不其本身的热量日夜不停地向外放射辐射的停地向外放射辐射的方式，称为地面辐射。方式，称为地面辐射。地面辐射和太阳、大地面辐射和太阳、大气辐射紧密相关。气辐射紧密相关。 96第六节第六节 环境与目标光辐射特性环境与目标光辐射特性 由于地表温度比太阳低得多由于地表温度比太阳低得多( (地表面平均温度约地表面平均温度约为为300K)300K)，因而，地面辐射的主要能量集中在，因而，地面辐射的主要能量集中在1 13030微米之间，其最大辐射的平均波长为微米之间，其最大辐射的平均波长为1010微米，属红微米，属红外区间，

57、与太阳短波辐射相比，称为地面长波辐射。外区间，与太阳短波辐射相比，称为地面长波辐射。几种岩石的反射几种岩石的反射波谱曲线波谱曲线 97第六节第六节 环境与目标光辐射特性环境与目标光辐射特性 地面的辐射能力，主要决定于地面本身的温度。地面的辐射能力，主要决定于地面本身的温度。由于辐射能力随辐射体温度的增高而增强，所以，由于辐射能力随辐射体温度的增高而增强，所以，白天，地面温度较高，地面辐射较强；夜间，地面白天，地面温度较高，地面辐射较强；夜间，地面温度较低，地面辐射较弱。温度较低，地面辐射较弱。 地面的辐射是长波辐射，除部分透过大气奔向宇地面的辐射是长波辐射，除部分透过大气奔向宇宙外，大部分被大气中水汽和二氧化碳所吸收，其宙外，大部分被大气中水汽和二氧化碳所吸收，其中水汽对长波辐射的吸收更为显著。因此，大气，中水汽对长波辐射的吸收更为显著。因此，大气，尤其是对流层中的大气，主要靠吸收地面辐射而增尤其是对流层中的大气，主要靠吸收地面辐射而增热。热。 98第六节第六节 环境与目标光辐射特性环境