辐射源及其特性-光电成像课件

1辐射源及其特性辐射源按照其用途分为：自然辐射源人工标准黑体辐射源人工辐射源目标辐射源人工标准黑体辐射源一个等温密封腔就是黑体；在密封腔壁上开一小孔，小孔发出的辐射可以模拟黑体辐射；密封腔要是真正等温的，小孔的面积比密封腔内表面的面积要小得多。21、腔型黑体辐射源腔型黑体源结构主要由黑体芯子(内含辐射空腔)、加热绕组、温度计和温度控制器、出口光阑、外壳和隔热材料组成。空腔是辐射发射的主要部件，其内壁材料具有一定辐射发射率；空腔开有小孔，腔内辐射从小孔向外发射。3黑体的辐射发射率其中，0和S分别对应腔内壁的辐射发射率和面积，S为开口面积，为S所对应腔底的立体角黑体的出射度2、面型差分黑体辐射源4面型黑体源—提供均匀辐射面，采用高导热性材料制作面型黑体面，并在其表面喷涂高辐射率材料，半导体控温靶标—高导热性材料上镂刻靶标形状，靶标背景为环境温度，靶标为黑体源温度，形成温差对比靶标轮—安装多种靶标的支架，方便切换和调整红外平行光管—配合面型差分黑体源，进行红外成像系统测试5太阳自然辐射源相当于5800K的黑体辐射；到达地面的太阳辐射主要集中在0.3～3.0µm波段，约为98%；在可见光0.38～0.76µm波段，占太阳辐射总能量的46%，最大辐射强度位于波长0.47µm左右；到达地面的太阳辐射有衰减，且各波段的衰减不均衡；在多个波段有凹陷；到达地面的太阳辐射分布与太阳高度、大气状态等关系很大。67地球地球表面的辐射主要由反射和散射的太阳辐射以及自身热辐射组成。白天，以反射和散射太阳辐射为主，地球辐射分布与太阳类似，峰值波长位于0.5m

附近，辐射波段集中在0.3～2.5m波段。夜间，以地球自身热辐射为主，峰值波长位于10m

附近，辐射波段集中在8～14m波段。地球表面热辐射取决于地物的温度和辐射发射率。8月球月球表面的辐射包含两部分：反射太阳辐射和自身辐射。月球的反射辐射分布与太阳辐射相似，且无凹陷。月球的自身辐射类似于400K黑体，峰值波长位于7.24m

。月球对地面的照度受月相、地—月距离、月面反射率、月球高度以及大气的影响。9大气辉光和夜天空辐射太阳发出的紫外辐射与高层大气分子作用发出的辐射大气辉光光谱分布中包含多种原子谱线辐射强度受维度、地磁场分布和太阳活动等影响10人工辐射源白炽灯——发射连续光谱，在可见光谱段中部与黑体辐射分布相差0.5%，在整个可见光谱段内与黑体分布平均相差2%。真空钨丝白炽灯、充气钨丝白炽灯、各种卤钨灯11气体放电灯——根据气压不同，气体发光原理不同，发出的光辐射性质不同，可以是线光谱，也可以是连续光谱。分为低压、高压和超高压三类，低压汞灯、镝灯，高压汞灯，高压氙灯等半导体发光二极管——P型半导体和N型半导体组合而成，电致发光。红光二极管、红外发光二极管，白光二极管激光光源——准直单色光气体激光器：He-Ne激光器、Ar离子激光器、CO2激光器固体激光器：红宝石激光器可调谐激光器、半导体激光器12喷气飞机、直升机和导弹等均属有动力飞行器，其辐射主要来自排出的热气流、热发动机部位和气动加热表面等。景物目标源：人工目标、自然景物1314辐射传输：电磁波辐射由辐射源(自发射或反射、透射、散射等)经过传输介质投射到接收系统或探测器上的过程

在辐射传输的路径上，会产生折射、反射、散射、吸收等，使辐射的空间分布、波谱分布、偏振态、相干性等发生变化——辐射与介质相互作用第三节辐射在大气中的传输15大气成分和大气层结构气体：

N2、O2

、H2O、CO2

、O3、CO、CH4等。分为常定成分气体和可变成分气体。

大气层厚度约为1000Km，垂直方向自下而上分为：对流层、平流层、中间层、热成层和散逸层大气是由多种气体及气溶胶粒子组成的混合物。气溶胶：大气中有大量的粒度在0.03m到2000m之间的固态和液态微粒，它们大致是尘埃、烟粒、微水滴、盐粒以及有机微生物等。由于这些微粒在大气中的悬浮呈胶溶状态，所以通常又称为大气气溶胶。16对流层：地表到平均高度10km范围内,气压和温度随高度而降低，空气明显垂直对流，天气变化频繁，有大量的云团、烟尘存在。平流层：高度在10～50km，没有对流和天气现象。底部为同温层，同温层以上为暖层，温度由于臭氧层对紫外线的强吸收而逐渐升高。中间层：高度在50～85km，冷层，温度随高度增加迅速下降。热成层：高度在80～500km，又称为电离层，大气中的O2、N2受紫外线照射而电离，对遥感波段是透明的，是陆地卫星活动空间。散逸层：500～800km以上至星际空间的边界,空气极稀薄，对卫星基本上没有影响。17大气成分随地理位置、季节、时间和温度等有很大变化，对大气的光学性质有明显影响。局部区域大气成分只沿高度方向变化。描述大气特征的物理参数一般有气压、温度、湿度以及它们沿高度方向分布的垂直廓线。通过定义标准大气和大气模式来推算大气性能和变化趋势，明确大气特征。大气对电磁波传输过程的影响包括五个方面：散射(Scattering)、吸收(Absorption)、扰动(Turbulence)、折射(Refraction)和偏振(Polarization)主要影响因素是散射和吸收，其作用结果引起电磁波辐射功率在传输过程中产生衰减。－大气消光大气消光和大气窗口18191、大气散射电磁波与大气分子和气溶胶粒子相互作用，电磁波偏离原来传播方向的现象。大气散射一方面使辐射衰减，另一方面增大背景辐射强度，降低目标与背景的对比度，降低信噪比。大气散射的性质与强度取决于大气分子或气溶胶粒子的半径及被散射光的波长。大气散射形式主要有：选择性散射－－瑞利(Rayleigh)散射、米氏(Mie)散射无选择性散射瑞利散射半径a小于波长的1/10以下的微粒引起的散射。20大气分子对可见光的散射为瑞利散射。波长愈短，散射能力愈强。瑞利散射对不同波长的电磁波有不同的散射能力，属于选择性散射。大气分子的密度、大小随季节、纬度、气候条件而变动，不同地区上空大气的瑞利散射能力也是变化的。米氏散射半径a大于等于波长的微粒引起的散射。散射光的强度与波长有关，比瑞利散射波段更长－－选择性散射米氏散射具有较强的向前散射能力。212、大气吸收大气吸收将辐射能量转化为大气分子的运动。大气中对太阳辐射的主要吸收体是水蒸气、二氧化碳和臭氧。臭氧(O3)吸收带：二氧化碳(CO2)吸收带：水蒸气(H2O)吸收带：223、大气透过率

由于大气分子和气溶胶粒子的影响，光线在透过大气的同时被吸收和散射，由此引起的电磁波衰减称作消光(Extinction)。

消光程度可以用大气透过率(或大气透射比)描述。辐射通过介质的消光作用Bouggner定律——均匀光学介质消光系数光学厚度透射比23

若入射光的辐射照度为E0，入射方向为，当通过高度Z1到高度Z2的大气层后，辐射照度为E大气厚度大气透过率散射系数取决于气体分子、气溶胶粒子对电磁波的散射；吸收系数取决于气体分子对电磁波的吸收。

与随波长不同而变化。可见光辐射的衰减以大气散射为主；紫外和红外辐射的衰减以大气分子的选择性吸收为主。令大气消光系数24

令m代表大气中的气体分子、p代表气溶胶粒子大气散射系数大气吸收系数大气透过率254、大气窗口电磁波辐射在大气传输中透过率较高的波段称为大气窗口。26典型的大气窗口有：

0.30m~1.15m：部分紫外光、全部可见光、部分近红外0.3m~0.4m透过率约为70%0.4m~0.7m透过率大于95%0.7m~1.1m透过率约为80%

1.4m~1.9m：短波红外，透过率在60%～95%之间

2.0m~2.5m：短波红外，透过率约为80%

3.5m~5.0m：中波红外，透过率约为60%～70%

8.0m~14.0m：热红外，透过率约为80%27大气辐射传输计算利用气象学距离处理消光大气透明度1——白光通过1Km水平路程的大气透射比距离R处的目标和背景的表观对比度目标和背景固有对比度式中，能见距离（能见度）Rv——人眼发现以地平天空为背景、视角大于30的黑色目标物的最大距离大气对比传递函数28根据辐射传输方程散射附加亮度解得目标和背景的表观辐亮度典型数据：C0=1，CRV=0.0229大气传输工程计算软件5S、6S、LOWTRAN、MOTRAN、FASCODE、HITRAN……30基于理论模型的辐射传输计算辐射传输方程从辐射源经大气层到达探测系统的过程中电磁波能量变化的模型。地物的波谱反射率式中，地物的波谱发射率与地物同温度黑体的辐射出射度探测系统的光谱响应系数天空辐射照度大气上界太阳辐照度31LOWTRAN－低谱分辨率大气传输计算程序正式命名于1972年，目前流行的是1989年公布的LOWTRAN7;由美国空军地球物理实验室(AFGL)开发，单参数、谱带模式的低分辨率(20cm-1)大气传输模型；计算迅速、结构灵活多变，适用于从紫外、可见光、红外到微波乃至更宽的电磁波谱范围（0~50000cm-1），包括云、雾、雨等多种大气状况的大气透过率及背景辐射。由于谱带模型的限制，对40Km以上的大气区域，精度严重下降；LOWTRAN主要作为工作于下层大气和地表面战术系统的辅助工具。32331、大气模型LOWTRAN7规定了六种大气模型：1976年美国“标准”大气：1976年，由美国制定，用中纬度平均值表示；赤道： 北纬15°；中纬度夏天： 北纬45°，7月；中纬度冬天： 北纬45°，1月；亚北极夏天： 北纬60°，7月；亚北极冬天： 北纬60°，1月；

用户也可以自定义大气模型，另行输入温度和气压的高度分布参数，或水蒸汽、臭氧等气体的高度分布参数。34六种大气模型大气温度的高度分布六种大气模型大气压强的高度分布352、气溶胶模型及参数无气溶胶衰减；农村，缺省能见度23公里；农村，缺省能见度5公里；近海（NavyMaritime）；海洋，缺省能见度23公里；都市，缺省能见度5公里；对流层，缺省能见度50公里；用户自定义，缺省能见度23公里；薄雾，缺省能见度0.5公里；浓雾，缺省能见度0.2公里；沙漠；