红外基础知识

目录红外简介：....................................................................................................................1红外辐射特性：............................................................................................................3红外光学........................................................................................................................9红外探测......................................................................................................................14红外应用......................................................................................................................15红外简介：红外辐射[infraredradiation]红外辐射，又称红外线，是太阳光线中众多不可见光线中的一种。它是德国科学家霍胥尔于1800年对太阳光线作实验时偶尔发现的。他用一块三棱镜将太阳光分解开，在太阳光各种不同颜色的色带位置上放置温度计，试图测量各种颜色的光的加热效应。结果发现，被无意放在红光外侧的那支温度计升温最快。因此得出结论：太阳光谱中的红光的外侧必定存在人眼看不见的光线，红外辐射即由此得名。红外辐射也是由物质内部运动的变化（如分子、离子、院子等的振动、转动、电子跃迁等）而辐射的电磁波。所有高于绝对零度（－273℃）的物质都可以产生红外辐射。现代物理学称之为热辐射。描述红外辐射的参数有辐射强度、波长等。红外辐射的波长为0.76μm～1000μm。根据波长的长短，人们又把红外辐射分为近红外（0.76μm～3.00μm）、中红外（3.00μm～25.00μm）和远红外（25.00μm～1000μm）三部分。描述红外辐射特性的基本定律有：基尔霍夫定律、斯蒂芬-玻耳兹曼定律、维恩定律、普朗克公式等。红外辐射在白天、黑夜都可利用。因此人们可以被动方式接收它，并根据目标、背景红外辐射的不同，识别军事目标，特别是发现经过伪装的目标。红外辐射源[sourceofinfraredradiation]产生红外辐射的物体就是红外辐射源。由于产生红外辐射的机理所决定，凡是温度高于0K（-273℃）的物体都能产生红外辐射，因而自然界的所有物体都可看成是红外辐射源，只是波长、强度、发射率等不同。除了自然界的红外辐射源，如太阳（可见光区辐射最强，但它也是很强的红外辐射源）、恒星、行星、天空、地球表面、山川、树木、大气、云雾、热气体、各种金属以及人体外，还有目标辐射源，如涡轮喷气发动机、火箭、地面车辆等等。为了满足科研和生产的需要，人们还制作了很多人工辐射源，如黑体型辐射源、发光硅碳棒、能斯脱灯、汞气灯、钨灯、红外激光器以及红外探照灯等。红外辐射源又分点源和扩展源。这也是相对的，同一个源有时可看成是点源，有时也可看成是扩展源。一个好的吸收体也是一个好的辐射体。黑体辐射的总能量与它的绝对温度的四次方成正比。辐射源的研制对红外技术的发展及应用都有一定的意义。红外物理[infraredphysics]是指用物理学方法系统地研究红外辐射的各种特殊问题（物理现象）的学科。主要研究与分析红外辐射的产生、物体红外辐射特性规律、红外辐射与物质的相互作用、红外辐射的传输及探测等有关的一些现象的机理、特性，因而也是红外工程技术的基础。红外技术[infraredtechnology]红外技术是概括性的术语，一般是指：根据不同目标、不同红外辐射（或吸收）特性设计、制造的可供实用的红外系统。也可以说，在研究的基础上根据具体需要把红外辐射的特性用在军事、科研、医学以及工农业生产等各方面的综合应用工程技术。红外技术一般可以分成四个方面：一、红外辐射的研究与利用；二、围绕探测红外辐射的一些相关技术，如各种光学材料、部件（主要是探测器，也包括辐射源）；三、完整的红外整机系统（包括光学系统、电子学系统、制冷系统）；四、在国民经济、科学技术以及军事等各方面的具体应用。红外辐射特性：黑体[blackbody]如果物体对红外辐射的吸收率与投射其上的辐射波长和表面温度无关，并恒等于1，此物体即称为黑体。在一定的温度下，对所有波长来说，黑体与其他物体相比具有最大的辐射功率。因此，黑体是研究热辐射规律的理想辐射体。黑体式辐射源[blackbody-typesource]理想的黑体辐射源实际上并不存在，但是人们可以根据需要通过各种加工方法制成非常接近于理想黑体的辐射源。黑体式辐射源一般都是带有一个小孔的腔体（球形、柱形和锥形等），用电阻丝加热，用热电偶测量和控制温度，作为不同温度的标准辐射源。灰体[greybody]如果物体对任何辐射波长的吸收率保持不变并恒小于1，这类物体就称为灰体。灰体辐射的光谱分布相似于同一温度的黑体辐射的光谱分布。理想的灰体在自然界也是不存在的，不过许多物体的辐射在一定程度上近似于灰体，因此在应用上可以作为灰体来处理。选择性辐射体[selectiveradiator]黑体或灰体的辐射光谱分布是连续的，而选择性辐射体辐射的光谱分布不同于黑体和灰体。选择性辐射体的发射率随波长不同变化很大，在有些波段可较大，甚至接近于1；而在有的波段则很小，甚至几乎为零。因此其辐射光谱通常是一些强弱相差较大的窄带。发射率[emissivity]发射率又名比辐射率，是用以描述所研究的实际辐射体相对于黑体的辐射能力的一个物理量，是一个小于1的数。其定义为：实际物体的辐射本领（如辐射强度、辐射功率等）与同温度下黑体辐射之比值，即ε=I/Ib式中，I为实际物体的辐射强度；Ib为黑体的辐射强度；ε为实际物体的发射率。对某一波段λ~λ+Δλ的辐射来说，则为ελ=Iλ/Iλb式中，Iλ为实际物体的分谱辐射强度；Iλb为黑体的分谱辐射强度；ελ为实际物体的分谱发射率。有效发射率[effectiveemissivity]有效发射率又名有效比辐射率，是某一表面发射到半球内的辐射总功率对具有同样温度的黑体发射到半球内的辐射总功率之比。它总小于或等于1.热辐射定律[thermalradiationlaw]热辐射定律是描述客观物体热辐射的规律。一般说来，热辐射定律是指基尔霍夫定律、斯蒂芬-玻耳兹曼定律、维恩定律以及普朗克公式，它们之间有着一定的内在联系。基尔霍夫定律[Kirchhoff'slaw]热辐射定律之一。它指出，物体吸收和发射之间是有相互联系的，一个良好的吸收体同时也是一个良好的辐射体，黑体则是辐射本领最强的理想辐射体。斯蒂芬-玻耳兹曼定律[Stefan-Boltzmann'slaw]斯蒂芬-玻耳兹曼定律是热辐射定律之一。此定律建立了黑体的辐射能量与绝对温度T的关系，说明黑体的积分辐射通量密度与绝对温度四次方成正比。斯蒂芬-玻耳兹曼定律可由下式表示：式中，σ为斯蒂芬-玻耳兹曼常数；T为黑体的绝对温度；Wλ(T)为黑体的辐射通量密度；W为黑体的积分辐射通量密度。普朗克公式[Planck'sformula]普朗克公式表示黑体辐射通量密度按波长（或频率）分布的关系。黑体单位表面在单位时间内向外辐射的总能量中，属于波长在λ～λ＋Δλ之间的部分等于：式中，c为光速；K为玻尔兹曼常数；T为黑体的绝对温度；h为普朗克常数。维恩定律[Wien'slaw]黑体在一定的温度下辐射的能量中有着各种波长的成分，但各波长辐射能量的大小不同，对应于辐射能量最大的波长常被称为辐射的峰值波长，用λmax表示。λmax与黑体的绝对温度T之间存在以下关系：式中，λmax为辐射的峰值波长；T为黑体的绝对温度；c为常数，等于2897μm·K。这就是维恩定律。由维恩定律可知，黑体温度越高，则λmax越小，即峰值波长较短。朗伯余弦定律[Lambert'scosinelaw]朗伯余弦定律是描述黑体表面发射和吸收特性角分布的一个辐射规律。对于黑体，分谱辐射亮度不依赖于方位角而依赖于俯仰角。此时黑体辐射被称为符合朗伯余弦定律。若以Enλ表示黑体在法线方向上的分谱辐射亮度，Eλ(θ)表示黑体在俯仰角θ方向上的分谱辐射亮度，则它们之间满足以下关系：这就是朗伯定律的数学表达式。朗伯面[Lambert'ssurface]辐射在空间的分布规律满足朗伯余弦定律的辐射表面叫朗伯面。理想漫射表面就是这类面，白色的无光泽表面近似于朗伯面。对这种面的辐射或漫反射，人们无论从哪个方向来看，其亮度都是不变的。目标和背景[targetandbackground]在视场内，除探测目标之外的空间物体等都可以算是背景。背景和目标是相对的，不是绝对的。所以，一个物体在某些场合被认为是目标，而在另一些情况下又可能是其他目标的背景。一般来说，我们不需要探测的热辐射源则可称是背景。红外辐射的大气窗[atmosphericwindowsofinfrared]红外辐射在大气中的吸收具有选择性的特点，即在某些波段范围吸收较强，而在另一些波段范围吸收较弱。因此，可将整个红外辐射按其光谱透射特性分为若干段，其中透明度相对较高的区域成为大气窗口。大气窗口通常是根据主要透明区的边界来划分的。近红外与中红外的主要大气窗口为：2～2.5μm；3～5μm；8～14μm。在16～24μm处还存在着一个半透明的大气窗。消光[extinction]辐射通过大气时，其辐射通量被衰减的过程，通常称为消光。一般来说，消光现象是由于大气对辐射能的吸收和散射引起的。消光系数[extinctioncoefficient]消光系数是为表示辐射通量的衰减（消光）而引进的参数。用下列公式表示：式中，Φ0为L=0处的辐射通量；Φ为传播到L处的辐射通量；L为距离；σ为消光系数。消光系数通常包括两部分，即σ=α＋γ。其中α是吸收系数，用来描述大气中气体分子的吸收大小；γ是散射系数，用来描述大气中各种微粒对辐射通量的散射。消光系数随入射辐射的波长而不同，不均匀的大气也会引起消光系数的剧烈变化。大气散射效应[scatteringeffectintheatmosphere]大气散射效应是指辐射（能量）在大气中传播时偏离其初始方向发生的散射过程。大气分子的起伏和大气中悬浮的作无规则运动的微小水滴（形成云、雾、雨）及固体微粒（尘埃、烟、冰晶等）是大气中的散射元。散射的强弱与大气中散射元的浓度及散射元的特性和大小有密切关系。大气散射效应严重地衰减了传输中的辐射能量，大大缩短了传输光程。散射主要有：（1）瑞利散射（Rayleighscattering）——微粒尺寸远小于辐射波长。主要散射元是气体分子，所以也称为分子散射。（2）米氏散射（Miescattering）——微粒尺寸与波长可相比拟，主要表现为粒子对辐射能的绕射作用，所以也称绕射散射。（3）无选择散射（non-selectivescattering）——也称几何散射，粒子尺寸远大于波长。在真空的大气中，实际上存在着各种大小不同的粒子，因此三种散射形式总是同时存在的。散射系数[scatteringcoefficient]散射系数用来描述大气中各种散射元对辐射通量散射作用的强弱。如果辐射能在大气中传输时的衰减仅由散射作用引起，则透射的辐射通量可表示为式中，Φ0为L=0处的辐射通量；Φ为L处的辐射通量；L为距离；γ为散射系数。散射系数与散射元的大小有密切联系。当散射颗粒远小于入射辐射的波长时，散射系数与入射辐射波长的四次方成反比；而当散射颗粒与入射辐射波长可以相比拟或远大