第二章-红外物理基础

第2章红外物理基础第二章红外物理基础红外辐射及辐射源红外辐射的基本理论第2章红外物理基础2.1红外辐射及辐射源红外辐射：波长在0.75～1000m之间的电磁波热辐射：分子热运动产生的红外辐射第2章红外物理基础2.1红外辐射及辐射源红外光谱学波段划分：近红外波段：0.78～2.5m中红外波段：2.5～50m远红外波段：50～1000m热成像技术波段划分：近红外波段：1～2.5m（SWIR）中红外波段：3～5m（MWIR）远红外波段：8～14m（LWIR）第2章红外物理基础2.1红外辐射及辐射源室温物体的辐射：构成物质的分子和原子与热运动对应的振动和转动能级之间跃迁的自发辐射，振动和转动的能量大致与室温能量相当。黑体辐射：所发射的辐射能等于所吸收辐射能，发射率＝1。灰体：不能吸收入射到其上的一切辐射能的吸收体，其发射率为常数，但小于1。第2章红外物理基础2.1.1太阳辐射峰值波长：0.5m98％能量：0.15～0.3m单位面积、单位时间：1390W/m2第2章红外物理基础2.1.2地球红外辐射在白天：地球表面的红外辐射由两部分构成：反射和散射太阳辐射；地球自身的红外辐射或热辐射。地球可视为温度为280K的灰体，其热辐射的峰值在10μm处。两部分辐射叠加后就有0.5μm和10μm两个峰值波长,两峰之间的最小值在3.5μm处。在夜间：自身热辐射第2章红外物理基础2.1.3大气热辐射散射太阳辐射：3μm以下大气分子的热辐射：3μm以上大气光程内的发射率与路程中水蒸汽、二氧化碳、臭氧等成份的含量有关。大气的辐射亮度与大气温度和视线的仰角有关。第2章红外物理基础2.1.4人工黑体黑体分类：低温黑体（10～500K）中温黑体（500～1000K）高温黑体(温度高于1000K)表征黑体性能参数的主要指标：（1）发射率；（2）黑体辐射面的温度均匀性；（3）辐射孔面积；（4）温度范围；（5）温度控制精度第2章红外物理基础2.1.4人工黑体发射率黑体辐射面的温度均匀性一级标准0.9990.01K二级标准0.9990.05K一般要求0.980.10K表2.1红外测量对黑体发射率和辐射面的温度均匀性的一般要求第2章红外物理基础2.1.4人工黑体点源黑体：黑体辐射面温度的均匀性是指黑体辐射腔内表面的温度均匀性面源黑体辐射热成像系统非均匀性校正用黑体：低温面源黑体，发射率0.98，辐射面积红外探测器有效探测器面积温度均匀性NETD/2第2章红外物理基础其他人工红外辐射源：•能斯特灯：红外光谱仪•硅碳棒：红外光谱仪•半导体发光二极管（GaAs）：数字显示与指示、固体平面显示器件、光电耦合器件等•半导体二极管激光器（GaAs）：光盘信号读写、光通信、激光准直、激光测距等•光纤激光器：中继光源第2章红外物理基础2.1.12人体热辐射对波长大于4μm的热辐射，人体皮肤发射率的平均值可达0.99。在环境温度21℃、皮肤温度约32℃时，人体平均辐射强度为93.5W/sr。约32%的辐射能量分布在8～13μm波段，1%的分布在3.2～4.8μm。第2章红外物理基础2.2.1基本概念和名词（1）辐射能在红外辐射理论中，辐射能是指物体发射红外辐射的总能量，符号Qe，单位为焦耳（J）。（2）辐射能密度辐射能密度是物体在单位体积中发射的红外辐射能，符号e，定义：单位为每立方米焦耳（J/m3）。VQee/2.2红外辐射的基本理论第2章红外物理基础2.2.1基本概念和名词（3）辐射能通量辐射能通量是物体在单位时间中发射或接收的红外辐射能，简称辐射通量，符号Φe，定义：tQee/单位为瓦（W）第2章红外物理基础2.2.1基本概念和名词（4）辐射通量密度/出射度/辐照度辐射通量密度、出射度、辐照度是物体在单位面积发射或接收的红外辐射能通量，单位为每平方米瓦（W/m2）。物体发射时采用出射度，符号Me定义：AMee/物体接收时采用辐照度，符号Ee，定义:AEee/第2章红外物理基础2.2.1基本概念和名词（5）辐射强度辐射强度是红外辐射源在单位立体角发射的红外辐射通量，符号Ie，定义：/eeI单位为每球面度瓦（W/sr），表征红外辐射源发射红外辐射的本领。第2章红外物理基础2.2.1基本概念和名词（6）辐射亮度辐射亮度是在与红外辐射源表面法线夹角为θ时，红外辐射源单位立体角、单位面积发射的红外辐射通量，符号Le，定义：cos/AILee单位为每球面度平方米瓦（W/srm2）第2章红外物理基础2.2.1基本概念和名词（7）吸收本领/吸收率吸收本领表示物体对入射到其上的红外辐射吸收能力，用数字表示吸收本领就是吸收率α。α=吸收量/入射量为波长和温度的函数.（8）反射本领/反射率反射本领表示物体对入射到其上的红外辐射反射能力(ρ)。=反射量/入射量反射率为波长和温度的函数第2章红外物理基础2.2.1基本概念和名词（9）透射本领/透射率透射本领表示物体对入射到其上的红外辐射透射能力(τ)。透射量/入射量透射率为波长和温度的函数（10）发射本领/发射率发射本领表示物体的红外辐射的发射能力(ε)。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黑体:ελT=1，εT=1第2章红外物理基础2.2.2透射、反射、吸收定律能量守恒原则:光谱吸收率αT、光谱反射率T和光谱透射率T之和为1：1TTT对入射红外辐射各种波长求平均值，则其吸收率T、反射率T和透射率T之和仍然为1：1TTT第2章红外物理基础2.2.2透射、反射、吸收定律2121,,dTMdTMiT2121,,dTMdTMiT2121,,dTMdTMiTMi为入射红外辐射，M为物体吸收的红外辐射，M为物体反射的红外辐射，M为物体透射的红外辐射。第2章红外物理基础2.2.3基尔霍夫定律基尔霍夫定律：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。),(//TfMMMTbTbTbTT1860-1862年，基尔霍夫引入发射本领，吸收本领的概念并定义了吸收率和发射率，建立了“绝对黑体”模型。第2章红外物理基础2.2.4普朗克定律黑体辐射出射度:1exp251KTccMTb式中:K=1.3807×10-23J/K为玻尔兹曼常数，c1=2hc2=3.7418×10-16Wm2为第一辐射常数，c2=hc/K=1.4388×10-2mK为第二辐射常数。第2章红外物理基础2.2.4普朗克定律图2.7不同温度的黑体光谱辐射出射度分布曲线（1）普朗克定律揭示了物体受热自发发射电磁辐射的基本规律，其波长范围从紫外光、可见光、红外光到毫米波。普朗克定律有如下特点：第2章红外物理基础2.2.4普朗克定律图2.7不同温度的黑体光谱辐射出射度分布曲线普朗克定律有如下特点：2）从普朗克定律看，只要物体的温度没有达到绝对零度，物体就有电磁辐射发射。第2章红外物理基础(3)各条曲线互不相交，每条曲线下所围的面积代表该温度的全光谱辐射出射度。温度越高,所有波长的光谱辐射出射度越大，该温度的全光谱辐射出射度也越大；2.2.4普朗克定律图2.7不同温度的黑体光谱辐射出射度分布曲线普朗克定律有如下特点：第2章红外物理基础（4）随温度升高，除黑体辐射的峰值波长从长波向短波方向移动外，各个波长的光谱辐射出射度也随之增加。2.2.4普朗克定律图2.7不同温度的黑体光谱辐射出射度分布曲线普朗克定律有如下特点：第2章红外物理基础（5）随温度升高，除黑体辐射的峰值波长向短波方向移动外，辐射中包含的短波成份也随之增加；2.2.4普朗克定律图2.7不同温度的黑体光谱辐射出射度分布曲线普朗克定律有如下特点：第2章红外物理基础（6）辐射的出射度随波长连续增加，到达一个极大值后又连续减小。在极大值短波一侧的光谱辐射出射度的变化率比长波一侧的大；2.2.4普朗克定律图2.7不同温度的黑体光谱辐射出射度分布曲线普朗克定律有如下特点：第2章红外物理基础（7）曲线族的极大值的连线是一条直线，这条直线方程就是维恩位移定律。2.2.4普朗克定律图2.7不同温度的黑体光谱辐射出射度分布曲线普朗克定律有如下特点：第2章红外物理基础2.2.5维恩定律在红外技术中，用维恩定律计算出某一温度下的峰值波长，以确定量子型红外探测器工作的峰值波长。79.2897Tm)mK(第2章红外物理基础2.2.6斯蒂藩-波尔兹曼定律对波长从0～∞积分,得到:4TMb=5.6703×10-8W/m2·K4，称为斯蒂藩-波尔兹曼常数第2章红外物理基础2.2.7红外辐射源的光谱辐射效率对温度T求导数取极值后可导出下式：1exp112451TcTcMMbTb73.3669eeebT)Km(表明：对于给定的波长e，有一对应光谱辐射效率最大的温度Te。定义：第2章红外物理基础2.2.8目标与背景的辐射对比度定义：BTBTMMMMCMT为目标在红外波段1～2内的辐射出射度：21)(dTMMTTMB为背景在相同波段内的辐射出射度：21)(dTMMBB第2章红外物理基础2.2.8目标与背景的辐射对比度例：设目标温度TT=310K，背景温度TB=300K，计算在=0～∞mm全光谱辐射对比度。斯蒂藩-波尔兹曼定律：解：4TMb34TTMb将目标的温度视为叠加在背景温度上的一个变化量，对斯蒂藩-波尔兹曼定律式求温度的导数得：第2章红外物理基础2.2.8目标与背景的辐射对比度全光谱辐射对比度C0～∞：TTTTTTTTMCBBBb221440C0～∞≈0.0625短波红外的辐射对比度C1～2.5为0.3174中波红外的辐射对比度C3～5为0.1742长波红外的辐射对比度C8～12为0.0793第2章红外物理基础2.2.8目标与背景的辐射对比度图2.８（a）飞机的短波红外图像（b）飞机的中波红外图像（c）飞机的长波红外图像结论：相同温度变化产生的黑体辐射出射度在不同波段是不同的，在短波红外的黑体辐射比中波红外、长波红外的大。第2章红外物理基础2.2.9光谱微分出射率（热导数）定义：光谱辐射出射度对温度的导数22226211expexpTcTcTccTM26.2410ccT再将M/T对波长求极值，则有：物理意义:对给定温度的黑体，有一个相应的波长使光谱微分出射率达到最大值。（μm·K）黑体光谱辐射对比度公式第2章红外物理基础•忽略大气吸收，点源红外系统利用维恩位移定律•在考虑物体最有效的发射或吸收红外辐射时，利用效率公式•要分辨目标的细节时，利用对比度公式2.2.10维恩定律与效率公式、对比度公式讨论区别：1.物理意义不同2.应用情况不同：3.对应相同的温度，计算出的波长数值不同第2章红外物理基础2.2.10维恩定律与效率公式、对比度公式讨论图2.9不同温度的黑体光谱辐射出射度分布曲线上的位移、效率和对比度直线物理实质：低能量光子的辐射比高能量光子更为容易第2章红外物理基础2.2.11实际物体的红外辐射光谱发射率εT定义:光谱辐射出射度MT与黑体辐射出射度MbT之比.TbTTMM实际物体的光谱辐射出射度MPλT为4TMTTP实际物体的全光谱辐射出射度MPT为：4TMTPT第2章红外物理基础2.3红外辐射的大气传播2.3.1地球的大气层结构大气层可分为对流层、平流层、中间层、热层、散逸层等5大部分.对流层中(海平面垂直向上8～18km的大气)：集中了大气约四分之三的质量和几乎全部水汽，绝大多数气象现象都发生在该层大气中。对流层又可细分为下层、中层、上层和对流层顶。第2章红外物理基础2.3红外