第一章红外辐射和辐射源中国科学院上海技术物理研究所.docx

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第一章红外辐射和辐射源中国科学院上海技术物理研究所

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

红外线是电磁波谱的一个部分，这一波段位于可见光和微波之间。

早在1800年，英国天文学家赫胥尔为寻找观察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。

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，辐射的光谱分布也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0.4～0.75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。

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。

由于，具有全天时、隐蔽性好、不易为敌方干扰，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，可测量分析物体的颜色、水份、和材料组分等。

这一类探测仪器是需要辐射源的。

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，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，主要元部件（如光学系统、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：

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。

光谱性能

波段、光谱分辨率

时间特性

电子带宽、数据率

空间特性

光学/扫描视场、分辨率

辐射能量

信噪比、信号动态范围

空间分辨率

影响能量

光谱分辨

影响能量

光谱分辨率

影响数据率

带宽影响

信噪比

空间分辨率影响带宽、数据率

空间分辨率影响光谱分辩率

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，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：

名称

英文缩写

波长范围（微米）

近红外/短波红外

NIR/SWIR

0.75～3

中红外/中波红外

MWIR

3～6

远红外/长波红外/热红外

LWIR/TIR

6～15

极远红外

15～1000

表1.1红外谱段的划分

图1.3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），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（RadiantFlux），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（RadiantFluxDensity），也译作“辐射发射量”或“辐射出射度”（RadiantEmittance）。

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（Emissivity）,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