红外物理与技术(第2版)杨风暴课后习题解答

红外物理与技术(第2版)杨风暴课后习题解答

第1章绪论

1-1名词解释

(1)红外辐射：红外辐射也称为红外线；在电磁波谱中，红外线区域从可

见光的红光边界开始，一直扩展到电子学中的微波区边界，其波长范围是0.76-

1000pmo

(2)红外故障诊断：输电线路和设备的不良接触点或故障部位的电阻值往

往会变大，从而形成不正常线路的部分温度高的热点，利用红外热成像方法可以

很容易地检测到这些热点，进而确定故障位置，根据热点形状也能得到故障的类

型信息。

(3)红外物理：红外物理是现代物理的一个分支，它以电磁波谱中的红外

辐射为特定研究对象，是研究红外辐射与物质之间相互作用的学科.红外物理运

用物理学的理论和方法，研究分析红外辐射的产生、传输及探测过程中的现象、

机理、特征和规律，从而为红外辐射的技术应用，以及探索新的原理、新的材料、

新型器件和开拓新的波谱区提供了理论基础与实脸依据。红外物理的主要研究内

容包括红外辐射的基本规律、红外光谱学、红外辐射源、目标和背景的红外辐射

特性(包括空间分布特性、光谱辐射特性、时间变化特性)、红外辐射的大气传

输特性、红外波段光学材料等。

1-2填空题

(1)红外线是1800年由英国天文学家威廉・赫谢尔在研究太阳七色光的热

效应时发现的。一切温度高于热力学零度的布•生命和无生命的物体都在不停地辐

射红外线。

(2)由于电磁波的频率是很大的数值，不便直接测量并且测得的频率数值

精度通常比测得的波长数值精度低,因此多用波长来描述紫外线、可见光和红外

线等。

(3)电磁波谱中红外线的波长范围是0.75〜lOOOum,跨越大致皿个倍

频程。

(4)工程实践中，一般长波红外探测器的工作波段为8~12或8~14nm,中

波红外探测器的工作波段为

(5)在红外医疗诊断时，急性炎症由于皮肤局部充血，皮温上升,因此容

易用红外热像仪将发炎部位显示出来。

(6)输电线路和没备的不良接触点或故障部位的电阻值往往会变大，从而

形成热点,利用红外热成像方法可以很容易地确定故障位置。

（7）多波段（多色化）、非制冷、低成本和偏振型是当前红外热成像技术发

展的显著特征。

1-3红外辐射光谱区内的波段是如何划分的？

答：红外辐射的波长范围是0.76〜lOOOpim,跨过大约10个倍频程，根据红

外辐射在地球大气层中的传输特性，把整个红外辐射光谱区按波长分为四个波段:

近红外波段（波长0.75〜3Hm）；中红外波段（波长3〜6pm）；远红外波段（波长

6~15pm）；极远红外波段（波长15〜lOOOjxm）。如下图：

波段近红外中红外远红外极远红外

波长/Um().76〜33〜66〜1515〜1()0()

1-4与可见光相比，红外辐射有哪些特点？

答：红外辐射具有与可见光相似的特性，如反射、折射，干涉、衍射和偏振，

又具有粒子性，即它可以以光量子的形式被发射和吸收。另外，红外辐射具有与

可见光不同的独有特性：（1）必须用对红外辐射敏感的红外探测器才能探测到；

（2）红外辐射的光量子能量比可见光的小；（3）红外辐射的热效应比可见光要

强得多；（4）红外光谱区比可见光谱区含有更丰富的内容；（5）红外辐射更容易

被物质所吸收。

1-5请说明红外物理与红外技术的关系。

答：红外物理和红外技术是相互联系、相互依存、相互融合的，二者之间既

紧密联系又相互区别。红外物理不仅能预言各种技术应用方案的可行性，而且可

以通过对各种物质、不同目标和背景红外辐射特性进行研究，从而为地球大气层

红外光学性质的研究、不同材料红外吸收特性及由此引起的各种物理效应的研究,

以及红外系统工程的设计和新型元器件的研制提供了可靠依据；随着红外技术在

各领域的推广和应用，出现了不少新的物理技术问题，这也需用红外物理的理论

方法，结合使用对象具体加以解决，为红外物理的研究提供需求驱动。

红外物理与红外技术的主要内容及其相互关系如图1・5所示，这也是本书章节安

排的依据。除此之外，红外物理还包括红外材料的研究，其主要属于材料学科的

范畴；红外技术还包括红外光谱分析，其主要属于化工学科的范畴。考虑专业差

异，本书没有包含这两个方面的内容，请读者注意。

图1-1红外物理与红外技术的主要内容及其相互关系

1-6红外技术在军事领域有哪些应用？

答：红外制导；红外夜视；红外通信；红外预警；隐身臧匿武器探测；红外对抗

等（见132节）。

1-7红外技术在国民经济领域有哪些应用？

答：红外测温；红外遥控；红外医疗；红外遥感；红外辐射加热；红外光谱

技术；红外故障诊断；红外灾害观测；建筑物检测等（见1.3.3节）。

1-8略。

（9）若辐射源在各个方向上的辐射亮度不变，则其被称为朗伯一体。

（10）辐射的总功率、辐射的空间分布、辐射的光谱分布这三

个参数一般用来描述辐射源的辐射特性。

（11）若探测器的视场角为兀，辐射源面积充满整个视场，则探测器表面上

的辐射照度等于扩展源的辐射出射度。

（12）朗伯体辐射度量中的基本规律有平方反比定律、互易定

理、立体角投影定理、森普纳（Sumpner）定理和塔尔伯特定律

2-3解：A。x泮黑泮”）

△P=7AQ=2.5xO.Ol=0.025”)

2-4解：辐射功率尸与辐射通量0混用。辐射强度对整个发射立体角。的积分,

即

对于各向同性的辐射源，/等于常数，则得得/=》•去

2-5解：（1）灯正下方照度:

E人=-/-=--1（-X）-=16.8cd/m

d22.44?

（2）房屋一角照度

AB……工枷

2

BC2=AB2+AC2=14.5466m2

AC

cos。=——1=0.6401

BC

E=《cos。=———x0.64018=4.4cd/m2

d214.5466

2-6解：AQ=Ac：s，,bp-E，A=LAQcos0\,-"广、cos^cosa,其中4,为两面

70

元距离。位置(1)

AIAA

cos。1=cos'-1，AH,=%，A/j=—;

位置(2)

AL4A

cosq=cos夕，cos。？=cos0=1,AQ?=-^cos8,=―y^-cos^;

位置（3）

4LAA

cosq=cos0,=cos〃,=市cos®,△七=—Lcos29;

位置(4)

4

cos0\=cos0,cos02=cos()=1,AQ4=#cos'0>AF\=―^^-cos0;

位置(5)

ALAA5

cosa=cosa=cos0,AQ5=#COS'0>=—^-^-cos00

2-7解：E、,=&~,AR=47TR2

4

太阳向全空间发出的光通量：①、=4乃齐Ev

太阳的光亮度：4=

dArdQcosO

由于各向同性，且COB=1,4=3=子洛=£(与2

Ar4/r4/r-4/rr47rr

£</??^1071.5xiolp

«3.65XI08(CT//W2)

4万［"4不(0.7x10",

如果只考虑太阳的可见光部分,可以估算其辐射亮度。太阳辐射的峰值在可见

光区，可见光区的中心大约在波长0.58微米处。

V(0.5&〃力=0.87

假设在可见光区，光谱光视效率的平均值V=0.87

Lv=KmVLL=6831m/W

3.65xl08

6.1xl05(W/srm2)

685x0.87

2-8解：(1)光源置于桌子上方2.00m时,

辐射照度：E=-^-=90(lx),

发光强度：/=£z/:=360(cd)o

(2)当把光源置于桌子上方3.00川时，

桌子中心的照度：石=4=空=40(以)

d~9

桌子边缘距光源的距离/=9+1=10(n?),

3

则cos6?=-^=®0.948,

V10

E=—cos0—34.153(lx)©

2-9解：根据题意，测量装置使用了光学系统，且辐射源像比探测器大，所以辐

射源被认为是扩展源。

光学系统接收的辐射功率为

(RJ2)2TTP2(2/2)2

P=AMxMx

1+(0/2)2/+(0/2产

2

九XO.3

0.324

Xlxl0x

~T~O.32+18OO2

=1.963x10-5Wo

2-10解：设在B点处的接收面积为B,通过的辐射通量为：

4cos0

P=LAHAcos0-L------:——-Acos0；

(d/cos。厂

在B点的辐照度为E=£=〃COS8)7。

Bd2

把B点所在平面按逆时针方向旋转，则B点的辐照度变为E=8s(夕+8)

由于0«0,万/2],所以当旋转角度。增大时，辐照度减小。

271证明：圆盘目标的辐射照度为尸=/夕，等效辐射出射度为何=/〃,

进而将圆盘0标视为扩展源，则系统接收目标反射的辐射功率为

2T2解：朗伯辐射面在距中心/处的辐通量:

P=LAQAS=Lx4^x4^-R2

辐照度为石=£=四5=生器o

A4//2

2-13证明：因为/=-L,

△。=丝=J；sinOdOdcp=2^-(1-cos。)

且=2*(1.1)o

V/2+R2

所以P=/AQ=2TT/(I--.1)o

J/2+R?

2-14解：设在距A为x的点处两点辐射源产生辐射照度相等，由电辐射源辐射

强度与辐射照度之间关系式耳=坐和E,二芋丝，当E=E,时，

X2■(/-A)2

解得V

第3章热辐射的基本规律

3-1名词解释

（1）热辐射：物体在一定温度下发出电磁辐射的现象，是自然界中普遍存

在的现象，它不依赖任何外界条件而进行。一切物体，只要其温度高于热力学零

度，就会产生不同程度的辐射，如太阳对大地的照射、高炉内发出的炙热火焰等

都是最常见的热辐射现象。

（2）辐射效率：辐射源发射的辐射通量（功率）与消耗功率之比。

（3）辐射对比度：指目标和背景辐射出射度之差与背景辐射出射度之比。

（4）黑体：黑体（或绝对黑体），是指在任何温度下都能够全部吸收任何波

长入射辐射的物体；按此定义，黑体的反射率和透射率均为0,吸收率为1。

（5）发射率：物体的发射率又称为比辐射率，是指该物体在指定温度r时

的辐射量与同温度黑体的辐射量的比值。

3-2填空题

（1）物体的发光包括化学发光、光致发光、电致发光、热辐射等形式。

（2）普朗克公式揭示了物体热辐射的基本规律，波长范围包括紫外线、可见光、

红外线和毫米波。

（3）黑体的全辐射出射度与其温度的4次方成正比,黑体的光子全辐射出射

度与其热力学温度的3次方成正比。

（4）热辐射体通常可分为黑体或普朗克辐射体、灰体、选择性辐射体三大类。

（5）在腔壁上开一个腔孔，腔孔的辐射出射度等于腔壁的总辐射照度，这说

明腔孔的辐射遵循朗伯体辐射规律，或称腔孔为朗伯源。

（6）金属的发射率较低，但其随着温度的升高而增高，当金属表面形成氧化

层时，发射率成10倍地增高。

（7）好的吸收体必然是好的好的发射体。

（8）黑体的光谱辐射出射度与其温度的4次方成正比,黑体的光谱光子辐射

出射度与其热力学温度的3次方成正比。

（9）用于黑体辐射简化计算的两个函数分别是7（ZT）和尸（ZT）函数。

（10）在红外线区，大多数材料的光谱发射率随波长的增大而降低。

（11）普朗克公式在极限条件下，当时，其变为维恩公式,当

时，其变为瑞利-普金公式。

（12）对于朗伯辐射体，半球发射率、方向全发射率和法线发射率三种发射

率彼此相等。

3-3根据普朗克公式，黑体辐射具有哪些规律？

答：根据普朗克公式，黑体辐射的规律包括：1）黑体的光谱辐射出射度随

波长连续变化，且每条曲线只有一个极大值，极大值的连线近似一条直线。2）

光谱辐射出射度曲线随黑体温度的升高而整体提高。3）每条光谱辐射出射度曲

线彼此不相交，故温度越高，在所有波长上的光谱辐射出射度也越大。4）随着

温度的升高，黑体的辐射中包含的短波成分所占比例在增大。5）黑体的辐射只

与黑体的绝对温度有关。

3-4什么是物体的发射率？它具有哪些变化规律？

答：物体的发射率（也称为比辐射率）是指该物体在指定温度7时的辐射量

与同温度黑体相应辐射量的比值。该值越大，表明该物体的辐射与黑体辐射越接

近。

其规律包括：1）不同类物体的发射率不同。2）金属的发射率较低，但它随

温度的升高而增高，且当表面形成氧化层时，可以成10倍或更大倍数地增高.3）

非金属的发射率较高，一般大于0.8,且随温度的增加而降低。4）金属及其它非

透明材料的辐射，一般发生在表面几微米内，因此发射率是表面状态的函数，而

与尺寸无关。5）介质的光谱发射率随波长的变化而变化。在红外区域，大多数

介质的光谱发射率随波长的增加而降低。（见3.8.2小节）

3-5简述黑体辐射的几条定律，并讨论其物理意义。

答：黑体辐射定律包括：1）基尔霍夫定律：在热平衡条件下，物体的辐射

出射度与其吸收率的比值等于空腔中的辐射照度，这与物体的性质无关。物体的

吸收率越大，则它的辐射出射度也越大，即好的吸收体必然是好的发射体。2）

普朗克辐射定律：该定律揭示了黑体辐射光谱的分布，波长范围包括紫外光、可

见光、红外光和毫米波。3）维恩位移定律：黑体光谱辐射出射度峰值对应的峰

值波长4n与黑体的绝对温度7成反比。

3-6解：由斯蒂芬-波尔兹曼公式有（辐射出射度）RT=OT』和维恩公式乙丁二b

已知RT=3.45xl()5w/cn?,b=2.90x10-3m-k,b=5.67xlO^w/(„?.!?)得

4

2m=1.85xIOnm

3-7解：a=5.67x10-8W/(m2-K4)

由斯蒂芬-波尔兹曼公式RT=OT4得辐射出射度增加了

4442

A(RT)=RT1-RT2=0-(T,-T2)=3.9358X10W//m

则功率增加了/P=/(%)xS=5903.714/

3-8解：25C=25+273=298K

全辐射出射度为M=aT4=5.67x10-8*2984=4.47x102(w/nr)

4

由吸收率为0.4可得发射率为0.6贝ij：Mt=Mx0.610=2.68x

10~2(W/cm2')

3-9W：l)cr=5.67xl0-8w/(m2-k4)

由斯蒂芬-波尔兹曼公式R.「=oT4得辐射出射度

202

RT«5.67x10W/m

47rL4R4x5.67xlQ20

w=-----=-----TL=7.56x10J)

3xl08

22

2)P=RTA=5.67X100X^X0.15

=4.008x1(严(w)

3)由维恩公式4.T=b,b=2.90xl0-3mk,得儿，=2.9x10%

3-10ft?-：已知b=5.67x10-8w/(n?.k，,由斯蒂芬-波尔兹曼公式RT=oT4得辐

射出

射度为H7=4.59xl()2w/m2,则P=・S=0.M59W,一分钟消耗的能量为

W=Pt=2.754J,每分钟消耗的液氮M=0.l097g。

hvm

3-11证明：由4”二0,得:

4，

令粤7则w=3(/-1);解得：X=2.82因此匕”L=2.823

同样可得:任=4.96得力加=0.568c

AmKI

3-12证明：普朗克黑体辐射公式给出黑体辐射的能量分布

2就/1

对所有波长求积分得总辐射度R=[查积分表得二白沙=6.494,则

e1

R=hc(fr\o又由于波长为X的光子能量为£=则光子数

2.75KJU2

z才

N=------------------------------o

2.15KBT

由也=0可得四二%12油炉K"T

3-13证明:"（4）丁S"_])2=U

dvc-

化简得：篝=3,解得匕“二学其中勺,=1.38x10-23,"=6.624x10-34.s,则

KQh

=r~5099urn-Ko值得注意的是，这里的％是在此丁极大值所对应的频

3KB

率^下对应得到的，而维恩位移定律中得到的乙值是黑体光谱辐射出射度峰值

对应的峰值波氏4，所以在相同温度下，二者不同。

第4章红外辐射源

4-1填空题

（I）腔体辐射理论是制作黑体型辐射源的基础,主要有哥福（Gouffe）理

论、德法斯（Devos）理论等。

（2）德法斯理论考虑的是任意形状的腔体,没有假设腔壁是漫反射表面，

但计算比置逼理论复杂得多。

（3）在制造黑体型辐射源时，要考虑腔形选择、对腔芯材料加热的要求、

腔体的等温加热、腔体的温度控制和测量和降低黑体前表面辐射等问题。

（4）红外激光器的基本结构由工作物质、抽运（汞浦）装置、光学谐振腔

三部分组成。

（5）太阳在地球上的辐照度与太阳的高度角、观测者的海平面高度和天空

中云霾尘埃的含量有关。

（6）白天，天空背景的红外辐射由太阳光和大气热辐射组成;夜间，天空

背景的红外辐射主要是大气自身的热辐射,其与水蒸气、二氧化碳和臭氧的含量

有关。

（7）白天，当波长超过时，地物的红外辐射主要来源于自身狗热

辐射，不同地物的光谱辐射亮度差别较小。

（8）在用探测器测量海洋光辐射时，接收到的光辐射包括海面的热辐射、

海面反射的太阳和天空的辐射,以及光学路径上的大气辐射。

（9）海洋光辐射的辐射亮度在3波段基本不受太阳和云层的影

响，故利用组处长波探测器探测和识别海面舰船的效果更好。

（10）喷气飞机的红外辐射主要来源于被加热的金属尾喷管热辐射、尾喷焰

辐射、气动加热形成的蒙皮热辐射、对环境（太阳、地面和蒙空）辐射的反射。

（11）静止坦克表面的红外辐射受太阳照射的影响大。处于运动状态的坦克

的红外辐射特性与动机排气装置安装位置有关。

（12）常见的红外诱饵有烟火剂类诱饵、凝固油料类诱饵、红外热气球诱饵

和红外综合箔条。

（13）人体辐射的峰值波长在左右，大约32%的辐射能量处在

8-13um波段。

4-2直径为D的球体,腔壁的反射遵守朗伯余弦定律。己知壁的反射率。为0.4。

问小孔的直径d为多长时，才能把空腔当作准确度可达（）.1%的黑体（只考虑一

级近似的情况）。

解：准确率可达。1%,即有效发射率为0.999。

由壁的反射率p=0.4,得：腔壁发射率£=1-0.4=0.6。

对球形腔体,有A/S,=A/S°,贝心=(1一£)(A/S—4S0)=0,即£O=£O'=O.999

根据数图法，由图4-4可查出：4/S,=0.01,由图4-3可得：当〃R=O/d=16时,

4/5,=0.01

即当d时，才能把空腔当做准确度可达0.1%的黑体。

16

4-3设计一个圆柱形腔的黑体，材料用氧化铜，£=0.85,腔体的开口式=1”〃，

腔体的深度/=&5，求腔体的有效发射率4。

解：由〃/<=6,由图4-3可查出：A/S,=0.06.4S。=0.026由£=0.85,A/S,=0.06,

从图4-4中查出=0.98

/口AA

得：Z=(1—£)(-----)=(1-0.85)(0.06-0.026)=0.0051

srs。

则:%="(1+k)=0.98(1+0.0051)=0.985

4-4用Gouff6理论计算：

(1)当腔体为球形，材料选用表面反射率为0.8的不锈钢，要求直径为20mm

的圆形开口时，若要求有效发射率达到0.998,应如何设计腔长？

(2)若用表面发射率为0.5的材料，当几何因子〃R=9时，问球形、圆柱形及

锥形腔

的％各为多少？

解：(1)由题可知，£=0.8,R=10，M%=().998,

当腔体为球形时,由于A/S,=A/S。，得2=(1-£)(A/S,-A/So)=O,%=£Q=0998

由斯=0.998,£=0.8,根据数图法,由图4-4查出:A/S,=0.01

又从不产铲二冷了，即(,)2=00],则/=()],又R=IO〃〃〃，贝lJ/=100w?

(2)当腔体为球形时，

由，=9,由图4-3中查出A/S,=0.025,则A/So=O.O25

R

由£=0.5,A/S,=0.025,从图4-4中查出％=0.975

又2=(1-£)(A/S,-A/S0)=()

得£q-£n-0.975

当腔体为圆柱形时，

由//R=9,从图4-3中查出A/S,=0.04

由£=0.5,A/S,=0.04,从图4-4中查出q=0.94

又k=(l-£)(A/5f-A/5o)=(l-O.5)(O.()4-0.025)=().(X)75

得%=%(1+k)=0.94(1+0.0075)=0.95

当腔体为锥形时，

由"R=9,从图4-3中查出A/S,=0.09

由£=0.5,A/S,=0.09,从图4-4中查出=0.91

又k=(l-幻(A/Sr-A/S0)=(l-0.5)(0.09-0.025)=0.0325

得%=%(1+&)=0.91(1+0.0325)=0.94

4-5一球形腔的开口半径与腔的直径比为1:9.5,部分反射率为0.15,用Devos

理论的一级近似求该腔的有效发射率。

解：对于球形腔，一级近似的有效发射率为：%=1一竿或.

4].2I

由广〃=1/9.5,=0.015,则q=1—/珑=1一加一)2x0.15=0.995.

/9.5

4-6若将太阳与地球都近似地看为黑体，己知太阳的平均直径D=1.39xl0gm,

太阳的表面温度为5900K,地球到太阳的距离/=L49xl()Um,试估计：

(1)地球表面的平均温度；

(2)太阳常数；

(3)若地球大气层吸收太阳辐射能的10%,太阳仰角为30。时,地面上5000E

的区域所接收的辐射功率。

解：(1)由黑体辐射定律，

太阳的辐射总功率为

R==oT。代=5.67xl02x59004x4乃x(6.69xlO2)2=4.17x1026W

26637xl0,217

地球接受到的功率PE=04万用“(殷f=4.17x10x(-j=1.82x10W

47rd~d1.49x10

地球看作黑体，则公式方=加£.4乃庵=。霏4乃

则T=______=290k

EV万晓V5.67xlO'x4万X(6.37x106)2

(2)太阳常数旌备=4：；d"5-2

(3)地面上5000m?的区域所接收的辐射功率为

°二加3^x5000=33^x5。吐2.05x1。%

4/rR-4^x(6.37xl06)2

4-7温度T=1()()()K的红外星球，对直径为1m的红外望远镜张的立体角为复二

0.25x1()-6sr,此红外望远镜工作于10卜皿波段间隔1pmo

(1)求入射到红外望远镜上的辐射功率；

(2)设在10pm处，大气的透过率为0(团=0.8,求温度为300K的大气，在红

外望远镜上所形成的背景辐射功率；

解：(1)因为0=5.67x1。-%/(加2./)

由斯蒂芬-波尔兹变公式M=b〃得：

红外星球向立体空间的辐射出射度M=5.67x104W/病

则入射到红外望远镜上的辐射功率P=..Q.S

4乃

又S=笈•0.52=0.79w2可得。=8.9x104W

(2)由斯蒂芬-波尔兹曼公式得：

大气的辐射出射度M=153.09VV/m2

则入射到红外望远镜上的辐射功率P="Sr(㈤

4乃

所以背景辐射功率PD2.56W

4-8为了制造一架红外隐身飞机，可能采取的隐身措施有哪些？

答：所谓隐身飞机，就是利用各种技术减弱雷达反射波、红外辐射等特征信

息，使敌方探测系统不易发现的飞机。目前，飞机隐身的方法主要有以下三个方

面：一是减小飞机的雷达反射面，从技术角度讲，其主要措施有设计合理的飞机

外型、使用吸波材料、主动对消、被动对消等；二是降低红外辐射，主要是对飞

机上容易产生红外辐射的部位采取隔热、降温等措施；三是运用隐蔽色降低肉眼

可视度。

4-9在匕机尾焰中加入碳颗粒，nJ以将降低£机尾焰3〜511m波段的辐射，试

解释其原因。

答：由于3・5pm红外波段具有低发射率，耐高温的特点，在飞机尾焰中加入碳

颗粒，可以实现光谱转换(就是采用在窗口波段发射率低而在其他大气吸收波段

发射率高的材料)。

第5章红外辐射的测量

5-1名词解释

（1）多波长辐射测温：当采用超过两个波长来测量温度时，这种辐射测量

方法被称作多波长测温。

（2）比色测温：指根据物体在两个相邻波长下的辐射能量密度之比来确定

物体的温度。

5-2填空题

（1）单色仪是一种常用的分光仪器，可分为棱镜单色仪和光栅单色仪两类。

（2）辐射计一般由光学系统、光谱元件、探测器和电子部件等组成。

（3）红外半球全发射率的测量一般采用的方法是量热法：法向光谱发射率

测量时基本采用辐射度量比较法。

（4）红外分光光度计根据其结构特征的不同，可分为单光束红外分光光度

计和双光束红外分光光度计两种.

（5）红外辐射测温的方法主要有全辐射式测温、亮度测温（乂称为单色辐

射测温）和比色测温。其中，对于发射率低的物体，全辐射式测温和亮度测温的

相对误差较大，对于发射率高的物体，三种测温方法均适用。

（6）对于不能使用透射法和反射法测量的固体材料，可测量材料的发射比

来获得相应的透射比和吸收比。

（7）反射比的测量一般取决于入射辐射的遗氐及诡振状态。

（8）傅里叶变换红外光谱仪主要由迈克尔逊干涉仪和计算机构成，前者得

到的干涉图函数包含光源的全部频率和强度信息。

（9）目前室内的反射比测量系统主要有积分球反射计、热腔反射计、半球

反射计和椭球镜反射计4种。

5-3简述反射式单色仪的工作原理。

答：反射式单色仪光路系统的工作原理如图5-3所示。当来自辐射源的辐射

束穿过入射狭缝$后，经抛物面准直反射镜反射变成平行光束投射到平面反

射镜M],再被反射进入色散棱镜P,便被分解为不同折射角的单色平行光束，

经另一抛物面反射镜M，反射，并聚焦于出射狭缝S?输出。色散棱镜P与平面反

射镜M2的组合，称为瓦茨伏尔士（Wadsworth）色散系统。通过转动该系统，可

在出射狭缝S2后面获得不同波长的单色光束。

图5-1反射式单色仪光路系统的示意图

5-4简述双光束光学自动平衡系统和双光束电学平衡系统的异同。

答：两者都属于双光束红外分光光度计，结构特征和工作原理有区别：双

光束电学平衡系统在光路的安排上，要求斩光器放在样品槽之前，通过样品的光

束为间断的脉冲光束，而双光束光学自动平衡系统无此要求；在参比光路上，双

光束电学平衡系统不使用光学衰减器，而是用斩光器将参比光束变为间断的冰冲

光束，然后分别将两条光束的强度转换成电信号，经放大后测量两个电信号的比

率。

5-5简述各类辐射测温法的特点。

答：全辐射测温没有考虑物体所反射的环境辐射，因此求得的真实温度不

一定准确；亮度温度测量中也存在着光学系统效率低下的辐射能量损失，因此精

度不高；比色测温由物体在两个相邻波长下的辐射能量密度之比来确定物体温度,

测温精度高、抗干扰能力强；多波长辐射测温，采用超过两个波长来测量温度，

目前处于实验阶段，实用化还有一定困难。四种辐射测温法的比较如下：

1）全辐射温度、亮温度恒小于物体表面的真实温度。

2）对于发射率较小的物体，全辐射测温和亮温度测温相对误差都较大。对

于发射率较高的材料，3种测温法均适宜。

3）全辐射测温和亮温度测温都必须知道被测物体发射率的绝对值。而双波

长辐射测温则只要知道两个波长处光谱发射率之比值。

5-6解：由公式R=0.614/24,又知R最大为58|im,红外线波长入为760〃6-1加〃7,

取其平均值为2=880/im,得数值孔径NA=9.26mm。

5-7解：1）已知K=LN=1200,则由公式R=2/A2=KN得分辨率为

R=1200x50=60000

2）A2=A/R=600/60000=0.0Inm

5-8解：由分辨率公式A=b驾得b=论”=60000+120=500nm

dAdn

5・9解：已知K=l,N=300x50=15000,则由公式R=/l/AA=KN得分辨率

为R=300x50=15000

由分辨率公式R=mb二，dn/dA=-4.6x1（）6得匕=3.26x10-6m<>

aA

5-10解：利用色散曲线的柯西公式n=〃+2+:，由于波长变化范围不大，只

A2肃

取前两项，

即：n=〃+/,代入（和<得b=8240.196〃〃72。

钠光谱线4=589.3〃〃？,三棱镜在这个波长附近的色分辨率本领

尸=3.019x10,

由棱镜色散公式包二-与和p=2-=#@二》上得s=7.498c〃zo

“才"A/t万

5-11欲购一台红外光栅光谱仪，利用光栅的一级光谱，使其适用于0.415〜10微米

波段，对其光栅有什么要求？

答：对光栅有如下要求：（1）闪耀波长，闪耀波长为光栅最大衍射效率点，

因此选择光栅时应尽量选择闪耀波长在实验需要波长附近。（2）光栅刻线，光

栅刻线多少直接关系到光谱分辨率，刻线多光谱分辨率高，刻线少光谱覆盖范围

宽，两者要根据实验灵活选择。（3）光栅效率，光栅效率是衍射到给定级次的

单色光与入射单色光的比值。光栅效率愈高，信号损失愈小。为提高此效率，除

提高光栅制作工艺外，还采用特殊镀膜，提高反射效率。

5-12假设天空为朗伯辐射体，如果用绝对辐射计测量天空的辐射亮度，对其接收

器有什么要求？

答：在能够直接进行绝对测量的装置中，必须将辐射能量或被吸收的辐射通

量与一种定量的能量或者其它形式的功率作比较。另外，对于低精度的辐射计一

般不采用参考黑体，而是用涂黑或高发射率的调制盘，以调制盘的叶片作为参考

辐射源；对于商业用的辐射计，通常采用在可见光和红外波段内有均匀光谱响应

的热电或热阻探测器；对于军用辐射计，为了对军用目标有大的作用距离和快速

的目标光辐射采样频率，一般采用在较窄光谱波段范围内有高灵敏度的光子探测

器。

5-13用单色仪在研究红外辐射源的光谱特性时，为了不引入杂光、提高测量灵敏

度、满足全波段测量的要求，应在辐射源与入射狭缝间加入什么光学元件？

答：为了不引入杂光，提高测量灵敏度，满足全波段测试的要求，应在辐射源与

入射狭缝间加入一个光栅元件，原因在于光栅具有衍射作用，从出射狭缝出来的

光线为单色光。

第6章红外辐射的大气传输

6-1名词解释

(1)标准大气：是用以描述理想的中纬度状况的物理量，即在太阳黑子最

多和最少活动范围内的大气年平均状态。世界气象组织(WMO)关于标准大气

的定义是：“所谓标准大气就是能够粗略地反映周年，中纬度状况的，得到国际

上承认的假想大气温度、压力和密度的垂直分布。它的典型用途是做压力高度计

校准，飞机性能计算，飞机和火箭设计，弹道制表和气象制图的基础，假定空气

服从使温度、压力和密度与位势发生关系的理想气体定律和流体静力学方程，在

一个时期内只能规定一个标准大气，除相隔多年做修正外，这个标准大气不允许经

常变动。”

(2)波盖尔定律：辐射通过介质时的消光作用与入射辐射通量切、介质密

度/(g/m3)及所经过的路径ds成正比

d0(v,5)=-Z：(v,5)0(v,5)xxls'(6-1)

式中，⑦(匕s)为5处的入射辐射通量；I，为波数，v=l/A(cm-1)；k(亿s)为光谱

质量的消光系数，单位是皿上。

由式(6-1)可得辐射衰减规律

0(v,5)=0(v,O)exp-[(6-2)

式中，虫匕0)为初始入射辐射通量。

若介质具有均匀的光学性质，则式(6-2)可进一步简化为

火匕s)=</>(匕O)exp[-&(i/)sp](6-3)

式中，ps=o为光程上单位截面中的介质质量，&»).卬=4为介质的光学厚度。该

式称为波盖尔(Bougner)定律。

(3)大气窗口：大气的消光作用与波长相关，且具有明显的选择性。除可见

光范围外,在0.76〜1.1lum、1.25〜1.77pm、1.16~1.32即、2.1〜2.4pm、3.4〜4.1pn、

4.5〜5.3Rm、8〜14pm等波段有较大的透射比，犹如辐射透射的窗口，称为“大气窗

口”。

(4)大气的传递函数：人眼是一个比较理想的成像系统，对日间视觉来说，

人眼的阈值对比度为2%〜5%,大气的传递函数为

(6-4)

式中，K为地平面天空亮度与背景亮度之比。

由此可见，不是K和z的函数，与目标亮度无关，即不只与目标与探测器之

间的大气状态有关。

6-2填空题

（1）大气一般可划分为对流层、平流层、中间层、热成层和散逸层,大多

数光电探测器件工作在对流层和平流层下部。

（2）大气是由多种元素和化合物混合而成的，大致可分为干结大气、水蒸

笃、其它悬浮的固体和液体粒子。

（3）辐射在大气中的折射对光电成像系统的影响主要在长距离的探测和遥

迎中较为明显，而在短距离探测时，其影响可忽略。

（4）常用的吸收带模式主要包括爱尔撒司模式、统计模式、随机模式和准

随机模式4种。

（5）气象视程是指目标与背景的对比度随距离的增大而减小到原来的2%

时的距离。

（6）MODTRAN共包含大气透过率运行模式、热辐射亮度运行模式、带散

射的辐射亮度运行模式和太阳直射照度运行模式4种运行模式。

（7）人眼视觉受大气消光的影响要远大于被动红外成像系统受大气消光的

影响。

（8）瑞利散射只适用于粒子尺寸小的情况，大气中瑞利散射粒子主要是气

体分子,该散射与万成反比，即短波散射比长波散射强，故天空呈遁色。

（9）雾滴的半径远大于可见光的波长，其形成的散射与遗氐无关，故雾呈

白色。

（10）大气单条吸收线的形状主要分为洛伦兹线形、多普勒线形和混合线形。

（11）雾天气条件下的红外路径辐射由大气自身的发射辐射和大气散射辐射

组成。

6-3简述大气层的结构特点和大气的组成。

答：依据温度垂直分布的特征，大气层常划分为对流层、平流层、中间层、

热成层和散逸层五个层次。

对流层对人类活影响最大，天气过程主要发生在这一层，其厚度不到地球半

径的2%0,却集中了约80%的大气质量和90%以上的水汽。

平流层位于大约12~55km范围内，集中了2侬左右的大气质量，水汽已相当少，

而臭氧含量最为丰富。平流层的温度变化与对流层相反，温度递减率变为零或正

处为平流层顶。这种温度结构的空气十分稳定，气溶胶比较丰富。

中间层为平流层顶至55~85km范围，在该范闱内温度随高度的增加而迅速下

降，80km以上则保持不变或递增。

热成层又称为电离层或暖层。其范围自中间层顶至800km,该层大气的温度

随高度的增加而迅速上升，直到3（X）km高度时，温度可接近于1000C左右。

散逸层为热成层以上的大气层统称为散逸层，近代人造卫星的探测结果表明,

大气的上界可以扩展到2000〜3000km处。

大气是由多种元素和化合物混合而成，大致可分为干洁大气、水蒸气以及其

它悬浮的固体和液体粒子。

6-4气溶胶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，大气气溶胶粒子的浓度随高度按指数形式

衰减。如表6-1所示为不同地面（z=0）能见度条件下的气溶胶粒子的特征高度。

表6-1不同地面（z=0）能见度条件下的气溶胶粒子的特征高度

地面能见

234568101325

度/km

力o/km0.840.900.950.991.031.101.151.231.45

尺度分布是指由于不同尺度（大小）的粒子对不同波长光波的散射不同，因

此应知道气溶胶粒子尺度分布。

6-5辐射在大气中传输主要有哪些光学现象？试简述其产生的物理原因。

答：由多种成分组成的大气是复杂的光学介质，当辐射在这种介质中传输时，

将产生折射、吸收和散射等物理过程，从而导致辐射能的衰减，这将使光电成像

系统对目标的探测产生直接误差。同时这些现象也反映了大气的状态，为大气遥

感提供了依据。

折射：原木直线前进的辐射在穿越大气层时，因空气密度随着高度变化而产

生偏折的现象。

吸收和散射：大气对辐射强度的衰减主要是由大气中的各种气体分子及气溶

胶粒子对辐射的吸收与散射造成的。当辐射在大气中传输时，分子的选择性吸收

会导致辐射能衰减；辐射在大气中遇到气体分子密度的起伏及微小颗粒，使辐射

改变方向（散射现象），从而使传播方向的辐射能减少。

在辐射的传输过程中，辐射与气体分子和气溶胶粒子相互作用。从经典电子

论的角度看，构成物质的原子或分子内的带电粒子被准弹性力保持在其平衡位置

附近，并具有一定的固有振动频率。在入射辐射的作用下，原子或分子发生极化

并根据入射光频率做强迫振动，此时可能产生两种形式的能量转换过程。

①入射辐射转换为原子或分子的次波辐射能。在均匀介质中，这些次波叠加

的结果是使光只在折射方向上继续传播，在其他方向上因次波的干涉而相互抵消,

所以没有消光现象；在非均匀介质中，由于不均匀质点破坏了次波的相干性，因

此在其他方向上出现散射光。在散射情况下，原波的辐射能不会转换成其他形式

的能量，但辐射能向各方向的散射使沿原方向传播的辐射能减少。

②入射辐射能转换为原子碰撞的平动能，即热能。当共振子发生受迫振动,

即入射辐射的频率等于共振子的固有频率（。=例）时，这一过程会吸收特别多

的能量，入射辐射被吸收而转换为原子或分子的热能，从而使原方向传播的辐射

能减少。

6-6简述MODTRAN软件中的大气模式。

答：MODTRAN共包含4种运行模式，具体包括大气透过率、热辐射亮度、

带散射的辐亮度及太阳直射照度运行模式。

大气透过率的运行模式（modc=0）可计算路径的总透过率以及气体分子带

吸收、连续吸收、气溶胶吸收等分量的路径透过率。

热辐射亮度运行模式（mode=l）可计算路径大气辐射的辐亮度和路径的总

透过率，由于大气辐射主要在热红外波段，故称为大气热辐射。

热辐射亮度模式的路径辐亮度只考虑路径大气和地面的热辐射.，带散射的辐

亮度运行模式（mode=2）的路径辐亮度不仅考虑了路径大气和地面的热辐射，

还增加了路径外辐射源（如太阳、月、地球等）产生的大气散射辐亮度和地面反

射辐亮度。

太阳直射照度运行模式（modc=3）可进行大气层外太阳正入射的光谱辐照

度、太阳透过大气到运观察点的光谱辐照度及路径透过率等的计算。注意，这里

的大气层外太阳照度或观察点太阳照度约定为正入射照。

6-7解：1）当4=0.7用口时

a）对田。来说：由，=1万C,查表得饱和水蒸气含量9.40g/nd,则

=0.5640cm

水平路径：牝（4）=X2«l.（X）18cm

斜程（Z2=2km）：coe=o）e（zx）x0.8021«O.8O35cm

因此，/I=0.7Pm时的光谱透射比为：

水平：3、o（Z1）=09100

斜程：rH：o=0.9127

b）对CO?来说:

水平：L/z,)=2『」心2xi.4km,rco>«0.9652

斜程：4，=4(4)x0.924才1.29km,rco,«0.9464

c)当；1=0.7用11时，总吸收的光谱透射比为：

水平：r=rHiO,rC02=0.8783

斜程：r=rHi0•rco>=0.8638

2)当4=4pm由上面结果：

水平：成0伍)=09700

斜程：%。=。-9720

水平：rCOn«0.9925

斜程：rco；0.9930

c)当/l=4Nm时，总吸收的光谱透射比为：

水平：r=他0,rC02=0.9627

斜程：T=7HQ•%o,=0.9652

6-8解:1)在晴天下，由公式：V=—"I"—带入&=15km,x=3km,可求得

Inq(4,x)

rs(/l0,x)=0.46

再由对比度公式:c=c____-____

带入。0=0.3,K=0.2/〃,得。,=0.090

2）同理可得，在阴天条件下：臬（4,工）=0.096

CA=0.088

6-9解：⑴当波长为10.6pm时:

a)因为L=10km,故取g=1.3,4=0.6pm,2=10.6pm

根据透射率公式可得

fs(10.6)=exp--f—1xl()=0.8295

s5<10.6j

b)这里只取两个组元的吸收，即水蒸气和二氧化碳吸收的透射率，所以有

r=rr0

aH,OCO:

1)先求水蒸气的透射率2=成。°5℃的饱和水蒸气密度为八=6.80g/m3,

绝对湿度为：Av==6.80x0.95=6.46g/m3,所以，全路程的可凝结水

的毫米数为

co=pwx=6.46x10=64.6mm

波长为10.6pm,可凝结毫米数为50mm时：rH0=0.548

2)求二氧化碳的透射率々介。

波长为10.6|im,路程长度为10km时,：rco=0.995

3)可得%=0.548x0.995=0.545

所以，可求得

r=faTs=0.545x0.83=0.452

(2)当波长为1.0611m时

a)根据透射率公式可得

--心\3.91(0.6丫3inl

r(1.()6)=exp----------x1()=0.024

s5V1.06)

b)波长为1.06同11,可凝结水的毫米数为5()mm时：rH,o=0.508

波长为1.06|.im,路程长度为10km时；rCOi=1

所以：ra=0.508

所以，可求得

T=Tcl.、T=0.508X0.024=0.012

6-10解：输入文件：HY1太阳散射辐亮度(全波段).Itno

输入参数：太阳天顶角为0。。中纬度、夏天，23公里能见度，海水温度300K,

反射率0.03o

输出的全波段路径辐亮度和总透过率曲线分别如图(a)和(b)所示。中波、

长波波段的路径辐亮度是海面和路径大气的热辐射辐亮度之和大气散射、海

面反射均可忽略。

o

rc4

K

H

E

'03

尸

U

J

2

E08

W

Mc

©

2

038

.2P

C

B

C

(a)辐亮度曲线

u

o

u丝»

E

S

U

Q

±

(b)总透过率曲线

第7章红外热成像技术

7-1名词解释

（1）瞬时视场：当光轴不动时，系统所能观察到的空间范围就是该系统的

瞬时视场。瞬时视场取决于单元探测器的尺寸和红外物镜的焦距，瞬时视场是表

征系统空间分辨力的物理量。

（2）响应度：红外探测器的响应度R用来表征红外探测器对辐射的敏感程

度或红外探测器将入射的红外辐射转换为电信号的能力，是红外探测器的输出信

号S与入射到红外探测器的辐射功率尸之比

R=-（7-1）

P

式中，R的单位是或A.W—。

（3）噪声等效温差：由于红外热成像系统通过物体辐射温度成像，因此系

统本身与景象周围的辐射环境将产生噪声，其对图像质量均有较大的影响。噪声

等效温差定义为：温度为r的均匀方形黑体目标，处在温度为"的均匀黑体背

景中，用红外热像仪对此目标进行观察，当系统输出的信噪比为1时，黑体目标

和黑体背景的温差称为噪声等效温差。

（4）最小可探测温差：是综合评价红