第3章-目标与环境辐射及其工程计算

光电系统设计---第三章目标与环境辐射及其工程计算2目标与环境辐射3目标与环境辐射0.000.250.500.751.001.251.501.752.002505007501000125015001750200022502500275030003250350037504000WavelengthnmSpectralIrradianceWm-2nm-1EtrW*m-2*nm-1GlobaltiltW*m-2*nm-1Direct+circumsolarW*m-2*nm-1DirectNormalIrradiance-theamountofsolarradiationfromthedirectionofthesun.ETR-extraterrestrialradiation,alsoknownastop-of-atmosphere(TOA)irradiance.GlobalTilt=spectralradiationfromsolardiskplusskydiffuseanddiffusereflectedfromgroundonsouthfacingsurfacetilted37degfromhorizontal.4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6目标与环境辐射•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、光谱特性和时间特性。目标辐射空间特性---高炉热图目标与环境辐射9目标辐射光谱特性目标与环境辐射10目标辐射时间特性目标与环境辐射11本章内容3.1、光辐射与度量3.2、绝对黑体及其基本定律3.3、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3.5、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3.7、目标辐射的简化计算程序12第一节光辐射与度量1、光辐射及其红外辐射13第一节光辐射与度量X-射线的产生14第一节光辐射与度量电磁波谱15第一节光辐射与度量二氧化碳气体辐射谱一切物体在高于0K的温度下都会发射热辐射。•气体辐射波谱：特征谱线和谱带16第一节光辐射与度量•原子波谱：线状光谱17第一节光辐射与度量•分子波谱：带状光谱18第一节光辐射与度量•液体波谱：带状光谱和连续光谱19第一节光辐射与度量•固体波谱：带状光谱和连续光谱20第一节光辐射与度量•红外辐射电磁波谱中，通常把波长范围为0.76～1000微米这一波谱区间称为红外波谱区。其中，又分为近红外（0.76～3.0微米）、中红外（3.0～6.0微米）和远红外（6.0～15.0微米）和超远红外（15.0～1000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“大气窗口”可利用：2.0～2.6微米、3.0～5.0微米和远红外的8.0～14.0微米。21第一节光辐射与度量红外辐射“大气窗口”：2.0～2.6微米、3.0～5.0微米和8.0～14.0微米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。22第一节光辐射与度量2、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制；•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；•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。23第一节光辐射与度量辐射中立体角的定义24第一节光辐射与度量人眼对可见光的响应曲线（可参考课本表3.3）25辐射术语符号定义量纲辐射能U电磁波所传递的能量J辐射通量P辐射功率W辐射通量密度W单位面积所发出的辐射功率W.cm-2辐射强度J单位立体角内的辐射功率W.sr-1辐射亮度N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H入射到单位面积的辐射功率W.cm-2光谱辐射通量Pλ特定波长下单位波长间隔的辐射功率W光谱辐射通量密度Wλ特定波长下单位波长间隔由单位面积发出的辐射功率W.cm-2．μ-1光谱辐射强度Jλ特定波长下单位波长间隔在单位立体角内的辐射功率W.sr-1．μ-1光谱辐射亮度Nλ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W.sr-1.cm-2．μ-1光谱辐照度Hλ特定波长下单位波长间隔的辐照度W.cm-2．μ-1比辐射率ε同一温度下辐射源与黑体辐射发射量之比无辐射吸收率α吸收的辐射功率与入射的辐射功率之比无辐射反射率ρ反射的辐射功率与入射的辐射功率之比无辐射透过率τ透过的辐射功率与入射的辐射功率之比无第一节光辐射与度量辐射能量单位表26第二节绝对黑体及其基本定律1、绝对黑体和非黑体•绝对黑体要求比辐射率为1，且与波长无关，实际上它只是一个理想的物理模型，但是我们用人工方法可以制作尽可能接近绝对黑体的辐射源。这种辐射源虽然也约定俗成地称为黑体，实质上只是黑体模拟器，它已广泛用于红外设备的辐射定标。人造黑体原理27地球黑体辐射---地球可近似视为黑体第二节绝对黑体及其基本定律28第二节绝对黑体及其基本定律•非黑体是指入射的电磁波部分被吸收，即有反射、透射、向外辐射。基尔霍夫辐射定律指出，在热平衡状态的物体所辐射的能量与吸收率之比与物体本身物性无关，只与波长和温度有关。按照基尔霍夫辐射定律，在一定温度下，黑体必然是辐射本领最大的物体，非黑体的辐射本领小于黑体。非黑体的辐射29第二节绝对黑体及其基本定律黑体、灰体和实际物体辐射率比较ε30第二节绝对黑体及其基本定律2、普朗克（MaxPlank）定律普朗克（MaxPlank）（1858-1947）1232kThvvehvc以波长表示的普朗克公式：以频率表示的普朗克公式：11252kThcehc31第二节绝对黑体及其基本定律1900年，普朗克发现经典理论的结果与实验不符合的根本原因在于：经典理论的能量是连续的。普朗克提出能量子h:）、、......321(nnhEh=6.6310-34J.s——普朗克常数1900年12月14日，在德国物理学会上演讲：“能量不连续，只能是h的整数倍。”——这一天定为量子力学的诞生日。32第二节绝对黑体及其基本定律3、斯特藩-波尔兹曼定律在一定温度下，黑体在单位时间、单位面积和整个波长范围内辐射出的能量：斯特藩-波尔兹曼定律对于实际物体并不适用。33第二节绝对黑体及其基本定律4、维恩位移定律维恩位移公式：式中：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，光谱辐射的波长峰值变短，即向短波移动。bTm)(28972kmxCb34第二节绝对黑体及其基本定律斯特藩-玻尔兹曼定律和维恩位移定律是黑体辐射的基本定律，现代广泛应用于高温测量、遥感、红外追踪等。35第二节绝对黑体及其基本定律5、朗伯余弦定律一般说来，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、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辐射源。36第二节绝对黑体及其基本定律朗伯余弦定律描述了辐射源向半球空间内的辐射亮度沿高低角变化的规律。该定律规定，若面积元在法线方向的辐射强度为LN，则它在高低角的方向上的辐射强度为：'cosNLL辐射的空间角37第二节绝对黑体及其基本定律朗伯余弦定律：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）的辐射亮度与表面法线夹角的余弦成正比。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。38第二节绝对黑体及其基本定律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（指面积元在与表示的射线相垂直的方向投影的单位面积）在方向的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常量。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为朗伯面。对于绝对黑体，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。39朗伯辐射：虽各方向亮度相同，但辐射强度不同。第二节绝对黑体及其基本定律40第二节绝对黑体及其基本定律太阳的亮度等价平面圆盘朗伯辐射体积雪41第三节辐射源及其特性形式分类1、辐射源分类按照辐射源光谱发射率特性划分：黑体，灰体，常数（小于1）选择性辐射体，是波长的函数）（1）（）（）（42黑体、灰体和实际物体辐射率比较ε第三节辐射源及其特性形式分类43第三节辐射源及其特性形式分类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扩展源，对系统张角大于瞬时视场一般如果辐射源与红外系统的距离是辐射源尺寸的10倍以上，则可视为点源。点源44第三节辐射源及其特性形式分类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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，有些无关激光具有良好的相干性照明光源是非相干的45第三节辐射源及其特性形式分类按照辐射源表面性质划分：镜面源，入射角与反射角相等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反射源46第三节辐射源及其特性形式分类镜面球反射漫反射47第三节辐射源及其特性形式分类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任何物体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生辐射受激间接跃迁辐射，即激光48第三节辐射源及其特性形式分类金星地表热辐射图1970年12月15日，前苏联金星7号在金星实现软着陆，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447度，气压为90个大气压，大气密度约为地球的100倍。受激直接跃迁辐射光致发光材料---长效夜光粉又名蓄光粉发光粉荧光粉储光粉夜光材料。49第三节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，则离辐射源距离为R处的辐照度（单位面积的辐射功率）为cos2RIH50第三节辐射源及其特性形式分类2、辐射源特性形式表示辐射源特性的形式有四类：总辐射量、光谱辐射量、光子辐射量和辐射量的空间分布形式。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、辐射强度、辐射亮度、辐照度、吸收率、反射率、透过率、发射率等。51第三节辐射源及其特性形式分类沿290纬线的太阳年总辐射量曲线图52第三节辐射源及其特性形式分类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、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波段辐射量，较大的确定的波长范围53第三节辐射源及其特性形式分类单色辐射量波段辐射量54第三节辐射源及其特性形式分类光子辐射量，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。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光子亮度，给定方向单位投影面积、单位立体角发射的光子数光子出射度，单位面积向半球空间发射的光子通量光子照度，被照表面单位面积接收的光子通量55第三节辐射源及其特性形式分类辐射量空间分布，辐射强度在空间的分布情况。56第四节点源、小面源、朗伯扩展源产生的辐照度1、点源产生的辐照度对于点源，如果不考虑大气的任何影响，则离辐射源距离为R处的辐照度（单位面积的辐射功率）为cos2RIH57第四节点源、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寸，但其上强