第九章 红外线物理

蛇属于冷血动物，它们几乎无法出现在热成像图片中。而且所有的蛇类物种都依靠外部热源来调节它的内部温度。狮子狮子是存活于非洲和亚洲的凶残捕食者，而且坚定的位于它们当地食物链的顶端。它们被认为属于易危物种，而且种群数量由于猎杀和栖息地的消失而直线下降。北极熊北极熊是保持身体热量的高手。在北极环境中的数百万年进化，已经使它们完善了保持热量的能力。鹿鹿遍布全世界，而且拥有大量的个体物种。它身体上的黑暗表明，它的皮毛非常完美的保持了热量。无线电波红外线可见光紫外线可见光X射线γ射线第九章红外线物理第三节红外线与物质的相互作用第一节红外线的产生第二节红外线辐射的基本规律第一节红外线的产生第二节红外线辐射的基本规律第三节红外线与物质的相互作用二、红外线辐射源一、红外线光谱第一节红外线的产生第一节红外线的产生第二节红外线辐射的基本规律第三节红外线与物质的相互作用一、红外线光谱1800年，科学家威廉·赫歇尔（W.Herschel）,为寻找观察太阳时保护眼睛的方法，研究了太阳光谱各部分的热效应。发现了太阳光谱中包含看不见的辐射,称为‘看不见的光线’,后称之为红外线(简称红外)。第一节红外线的产生第二节红外线辐射的基本规律第三节红外线与物质的相互作用

红外线是一种电磁波，其波长范围是0.75～1000μm,红外线频率范围3×1011～4×1014Hz。红外光谱学中用波数来表示,波长的倒数就是波数值,相当于在真空中1米长的路程上包含有多少个波长的数值。

单位

m-1。一、红外线光谱l1~=v第一节红外线的产生第二节红外线辐射的基本规律第三节红外线与物质的相互作用可知,波数的大小同样可反映频率的高低，红外线波数范围在10～1.3×104cm-1。红外辐射还以红外光量子形式存在，一个光子的能量为如果用电子伏特（eV）来表示，红外波段的光子能量范围是1.24×10-3～1.65eV一、红外线光谱vhchvE~==第一节红外线的产生第二节红外线辐射的基本规律第三节红外线与物质的相互作用cvv=~由波数与频率的关系电磁波谱中，常用倍频程(octave)等级表征所研究的频率或波长范围。以2为底的两个频率比的对数称为频程，数学表达式为式中n为倍频程数，为基准频率，为所求倍频程数的信号频率，可以是整数或分数。

一、红外线光谱第一节红外线的产生第二节红外线辐射的基本规律第三节红外线与物质的相互作用例如n=1、1/3，则分别称为“倍频程或一个倍频程”和“三分之一倍频程”。红外波段的频率范围跨过约10个倍频程红外光谱区比可见光谱区内容更丰富的和发展潜力更大可见光谱所占的频率范围是3.9×1014～7.5×1014Hz一、红外线光谱第一节红外线的产生第二节红外线辐射的基本规律第三节红外线与物质的相互作用可见光谱的频率范围只跨过一个倍频程红外线所占的频率范围是3×1011～4×1014Hz

红外辐射分四个波段波段近红外中红外远红外极远红外波长（μm）0.75～33～66～1515～1000简称NIRMIRFIRXIR一、红外线光谱第一节红外线的产生第二节红外线辐射的基本规律第三节红外线与物质的相互作用理想的红外辐射源是黑体。黑体是一个与环境达到热平衡并能吸收入射的一切辐射能的物体。黑体的最大特征是所发射的辐射能等于所吸收的辐射能，黑体的辐射能量是温度、波长的连续函数。普朗克定律准确地描述了黑体辐射的规律，黑体的发射率等于1，对实际红外辐射源的分析可以在黑体辐射理论的基础上加以修正。二、红外线辐射源第一节红外线的产生第二节红外线辐射的基本规律第三节红外线与物质的相互作用实际红外辐射源有两大类二、红外线辐射源1．太阳辐射2．地球红外辐射3．大气热辐射4．人工黑体5．人体热辐射实际红外辐射源有灰体选择性辐射体灰体不能全部吸收辐射能，发射率为常数，小于1；选择性辐射体发射率是波长的函数，在0和1之间。第一节红外线的产生第二节红外线辐射的基本规律第三节红外线与物质的相互作用

人体本身是一个远红外辐射源，他可以吸收及发射远红外光。对波长大于4μm的热辐射，人体皮肤发射率的平均值可达0.99，几乎与肤色无关，可视为黑体。二、红外线辐射源第一节红外线的产生第二节红外线辐射的基本规律第三节红外线与物质的相互作用红外辐射度学是研究电磁辐射能测量的科学与技术。辐射度学主要建立在几何光学的基础上，基于以下两个假设光度学只适用电磁波谱可见光区域，辐射度学的概念和方法，适用于整个电磁波谱范围。第一辐射按直线传播第二辐射能是不相干辐射度学不考虑干涉效应第一节红外线的产生第二节红外线辐射的基本规律第三节红外线与物质的相互作用第二节红外线辐射的基本规律第二节红外线辐射的基本规律三、热辐射的基本规律一、基本辐射量二、光谱辐射量与光子辐射量第一节红外线的产生第二节红外线辐射的基本规律第三节红外线与物质的相互作用基本辐射量辐射亮度辐射照度辐射出射度辐射强度辐射通量密度辐射密度辐射功率辐射能一、基本辐射量第一节红外线的产生第二节红外线辐射的基本规律第三节红外线与物质的相互作用

辐射能密度(radiantenergydensity)是物体在辐射场内单位体积中的辐射能，用ω表示，单位:焦耳·米-3（J·

m-3），即1．辐射能辐射能(radiantenergy)就是以电磁波的形式发射、传输或接收的能量，用Q表示，单位是焦耳（J）。2．辐射能密度式中，V为体积，单位是m-3。一、基本辐射量VQ¶¶=w第一节红外线的产生第二节红外线辐射的基本规律第三节红外线与物质的相互作用3．辐射功率(radiantpower)发射、传输或接收辐射能的时间速率，用P表示，单位是瓦（W），式中，t为时间。辐射在单位时间内通过某一面积的辐射能又称为经过该面积的辐射通量，辐射通量也称为辐通量。一、基本辐射量tQP¶¶=第一节红外线的产生第二节红外线辐射的基本规律第三节红外线与物质的相互作用4．辐射强度(radiantintensity)

辐射源在某一方向上的辐射强度是指辐射源在包含该方向的单位立体角内所发出的辐射功率。一个点源围绕某指定方向小立体角元内发射的辐射功率为ΔP，辐射源在该方向上的辐射强度一、基本辐射量ΩPΩPIΩ¶¶=DD=®D)(lim0第一节红外线的产生第二节红外线辐射的基本规律第三节红外线与物质的相互作用单位是瓦·球面度-1（）。

辐射强度是点源所发射的辐射功率在空间角分布特性的物理量。或者说，它是辐射功率在某方向上的角密度的度量。辐射强度对整个发射立体角的积分，可给出辐射源发射的总辐射功率P，即对于各向同性的辐射源，I等于常数。一、基本辐射量ΩIPΩdò=第一节红外线的产生第二节红外线辐射的基本规律第三节红外线与物质的相互作用4．辐射强度(radiantintensity)

辐射源在某一方向上单位投影面积向单位立体角中发射的辐射功率。一、基本辐射量6．辐射亮度第一节红外线的产生第二节红外线辐射的基本规律第三节红外线与物质的相互作用单位是瓦·

球面度·

米-2（W

·

sr-1

·

m-2

）。辐射亮度的定义一、基本辐射量第一节红外线的产生第二节红外线辐射的基本规律第三节红外线与物质的相互作用6．辐射亮度由辐射强度I

定义有如小面源很小，辐射亮度L可近似看成不随位置变化，则小面源的辐射强度为小面源在空间某一方向上的辐射强度等于该面源的辐射亮度乘以小面源在该方向上的投影面积（或表观面积）。一、基本辐射量AIL¶¶×=qcos1qcosALID=第一节红外线的产生第二节红外线辐射的基本规律第三节红外线与物质的相互作用6．辐射亮度1．光谱辐射量二、光谱辐射量与光子辐射量第一节红外线的产生第二节红外线辐射的基本规律第三节红外线与物质的相互作用全辐射量:包含了波长(0～∞)的全部辐射的辐射量。用定义为相应的光谱辐射量(spectralradiance)△x是小波长间隔内辐射量的变化。红外辐射理论透射、反射和吸收定律普朗克定律基尔霍夫定律三、热辐射的基本规律第一节红外线的产生第二节红外线辐射的基本规律第三节红外线与物质的相互作用1．描述红外线传播特性的物理量表示物体红外辐射的发射能力，用数字表示就是发射率。发射率无量纲，为某一物体发射的红外辐射量与相同温度的黑体红外辐射发射量之比。有光谱发射率和平均发射率。对黑体，光谱发射率等于1，故平均发射率也等于1。

物体对入射到其上的红外辐射的吸收能力，用数字表示就是吸收率

。吸收率无量纲，为吸收量和入射量之比。有光谱吸收率

和平均吸收率

。三、热辐射的基本规律第一节红外线的产生第二节红外线辐射的基本规律第三节红外线与物质的相互作用（1）发射本领（发射率）(emissivity)（2）吸收本领（吸收率）(absorptivity)表示物体对入射到其上的红外辐射的反射能力，用数字表示反射本领就是反射率。有光谱反射率和平均反射率。表示物体对入射到其上的红外辐射的透射能力，用数字表示透射本领就是透射率。也有光谱透射率和平均透射率。三、热辐射的基本规律第一节红外线的产生第二节红外线辐射的基本规律第三节红外线与物质的相互作用1．描述红外线传播特性的物理量（3）反射本领（反射率）(reflectivity)（4）透射本领（透射率）(transmissivity)：

当温度一定时，按能量守恒原则有光谱吸收率、光谱反射率和光谱透射率之和为1，即

如果入射到物体的红外辐射全部被吸收，若=0,则

。如果将物体吸收率、反射率和透射率对入射红外辐射各种波长求的平均值，则其吸收率、反射率和透射率

之和仍然为1，即在不同的温度，物体吸收红外辐射的机制可能不一样，因此吸收率、反射率和透射率仍然是温度的函数。三、热辐射的基本规律第一节红外线的产生第二节红外线辐射的基本规律第三节红外线与物质的相互作用2．吸收、反射、透射定律3．基尔霍夫定律物体发射本领和吸收本领的比值仅与辐射波长和温度有关，与物体的性质无关，该比值是对所有物体的普适函数。数学表示为三、热辐射的基本规律第一节红外线的产生第二节红外线辐射的基本规律第三节红外线与物质的相互作用对黑体所有光谱的发射率等于光谱吸收率(等于1)，故上述普适函数就是黑体的辐射出射度。如果获得黑体的辐射出射度的具体数学表达式，就构成了最基本红外辐射定律。普朗克推导出了以波长(μm)和温度T(K)为变量、确定黑体辐射出射度的公式为三、热辐射的基本规律式中为玻尔兹曼常量，

为第一辐射常量，为第二辐射常量,黑体辐射出射度的单位是瓦·

米-2·微米-1()第一节红外线的产生第二节红外线辐射的基本规律第三节红外线与物质的相互作用4．普朗克定律不同温度下黑体光谱辐射出射度分布曲线三、热辐射的基本规律第一节红外线的产生第二节红外线辐射的基本规律第三节红外线与物质的相互作用4．普朗克定律（1）不同曲线代表不同温度黑体光谱辐射出射度随波长

连续变化的情况，每条曲线都有一个极大值。（2）不同温度的曲线彼此不相交。在任一波长上，温度越高，光谱辐射出射度越大，反之亦然。（3）随着温度T的升高，峰值波长λm向短波方向移动，表明黑体辐射中短波部分所占比例增大。（4）波长小于λm部分的能量约占25%，波长大于λm

部分的能量约占75%。（5）温室下辐射峰值波长在红外波段。普朗克定律的特点：三、热辐射的基本规律第一节红外线的产生第二节红外线辐射的基本规律第三节红外线与物质的相互作用4．普朗克定律描述黑体辐射分布的峰值波长与热力学温度关系的定律式中b=2897.8，称为维恩常数，为黑体最大光谱辐射出射度的波长，单位是μm。三、热辐射的基本规律bT=ml第一节红外线的产生第二节红外线辐射的基本规律第三节红外线与物质的相互作用5．维恩位移定律黑体全波辐射出射度和黑体热力学温度之间的关系式中，为斯特潘-玻尔兹曼常量黑体光谱辐射出射度峰值的表达式为常量三、热辐射的基本规律第一节红外线的产生第二节红外线辐射的基本规律第三节红外线与物质的相互作用6．斯特潘-玻尔兹曼定律(Stefan-Boltzmann)第三节红外线与物质的相互作用一、红外线的物理特性二、红外线的生物效应三、红外线的临床作用第一节红外线的产生第二节红外线辐射的基本规律第三节红外线与物质的相互作用红外线除具有电磁辐射的一般性质外，还有一些特性：（1）红外线波长为0.75～1000μm，大于可见光，不可见（2）高于绝对零度的物质都在不停的辐射红外线。医用红外线可分为两类：近红外线与远红外线（3）红外辐射的光量子能量比可见光的小（4）红外线的热效应比可见光要强得多（5）红外线照射物质表面将被反射和吸收（6）短波红外线对物质的穿透能力强，对皮肤的穿透力超过紫外线。一、红外线的物理特性第一节红外线的产生第二节红外线辐射的基本规律第三节红外线与物质的相互作用1．红外线对人体的穿透作用2．远红外线对细胞的共振作用3．红外线对人体的热作用二次效应共振效应对皮肤、眼、机体的作用二、红外线的生物效应第一节红外线的产生第二节红外线辐射的基本规律第三节红外线与物质的相互作用微光夜视仪，顾名思义，就是利用外部环境的可见光（如星光、月光）进行成像的一种技术。电子管，它的作用是把微弱的光线转换为电子束，加强放大后轰击荧光粉发光，只有选用专用的硫化锌荧光粉才能满足要求，而这种硫化锌荧光粉发的就是绿色光。红外摄影基本与“夜视”无关。军用红外夜视仪通常使用波长7-14um的红外波段，因为机车发动机和人体自身释放的红外线在这个波长范围.狙击枪在镜头后端，我们可完全看清楚人体状态，但是看不清楚人的脸。这也就是为什么热成像技术一直难以步入视频监控领域的原因了。热成像技术的环境适应力很强，在强光、沙暴、大雾等恶劣天气环境下都可以进行观测。它不是一种完全的夜间观测技术，在白天应用在恶劣环境观测的案例也不少。主动红外技术，顾名思义，就是通过主动发射红外光进行夜间成像的一种技术。那为什么它的成像效果为黑白色呢？主要因为在夜晚，通过红外夜视以后黑白色的画面是成像最清晰夜视最好的。彩色的图像会因为光线等原因与物体原来的效果产生偏差，而黑白色的画面对色彩的丢失会更少。生命探测技术，主要通过探测人的心跳来确定人的位置。利