《紅外輻射》PPT課件.ppt

1、1,紅外技術(shù),紅外技術(shù)是光電子學(xué)的重要組成部分，屬于光學(xué)的應(yīng)用分支。 紅外技術(shù)課是一門培養(yǎng)學(xué)生掌握紅外基本理論和相關(guān)的紅外探測技術(shù)的應(yīng)用基礎(chǔ)課。,2,本課程內(nèi)容,本課程分九章： 一、紅外輻射 紅外輻射的基本概念，輻射物理量和光譜輻射量，基爾霍夫定律，黑體和普朗克公式，斯蒂芬玻爾茲曼定律和維恩位移定律。 二、紅外光譜 分子光譜，雙原子分子的振轉(zhuǎn)光譜，多原子分子的紅外光譜。 三、紅外輻射源 黑體等常用輻射源的介紹 四、紅外線在大氣中的傳輸 大氣特性，大氣吸收，大氣散射。 五、紅外探測器 紅外探測器分類、噪聲和性能參數(shù)；光子探測器、熱探測器；檢測微弱信號的方法。,六、紅外調(diào)制 紅外調(diào)制的方法及分類。

2、 七、常用紅外器件及應(yīng)用 介紹常用的紅外發(fā)射器件和紅外檢測器件及其應(yīng)用。 八、紅外光學(xué)系統(tǒng) 在紅外系統(tǒng)中離不開紅外光學(xué)系統(tǒng)，其作用往往是收集目標(biāo)的紅外輻射并傳遞到紅外探測器。本章介紹常用的紅外光學(xué)系統(tǒng)及其特點(diǎn) 九、紅外系統(tǒng) 本章將介紹兩種常見的紅外系統(tǒng)，紅外探測系統(tǒng)和熱成像系統(tǒng)的工作原理及系統(tǒng)構(gòu)成。,3,4,參考文獻(xiàn)： 1、紅外物理學(xué)，張幼文。 2、紅外光學(xué)工程，陳衡。 3、光電檢測技術(shù)，羅先和等。 4、光電檢測技術(shù)，雷玉堂等。 5、紅外光譜法，董慶年。 6、紅外系統(tǒng)，楊宜禾等。 7、紅外輻射測量基礎(chǔ)，周書銓。,5,第一章 紅外輻射(Infrared Radiation, IR),信息科學(xué)與工

3、程學(xué)院 馮傳勝 Email:,6,1.1 紅外線基本知識 1.2 基本輻射量與光譜輻射量 1.3 紅外輻射基本定律,7,1.1 紅外線基本知識,一、紅外現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn) 1800年，英國天文學(xué)家S.W.赫胥耳(Sir William Herschel)第一次發(fā)現(xiàn)紅外輻射現(xiàn)象。 他做實(shí)現(xiàn)時(shí)，用熱敏探測器(水銀溫度計(jì))發(fā)現(xiàn)了頻率低于紅光的“不可見(invisible)光”，他稱這為“熱射線（ calorific rays ）”。后來，紅外線的英語單詞取Infra-red意思是“below red”。 很長一段時(shí)間內(nèi)，人們主要從事紅外線的本質(zhì)方面的研究以及紅外光學(xué)材料研究，隨著一些高靈敏度的探測器的出現(xiàn)，

4、紅外技術(shù)開始走向?qū)嵱秒A段。,8,Sir Frederick William Herschel (1738-1822) was born in Hanover, Germany, and became well known as both a musician and an astronomer. He emigrated to England in 1757, and with his sister Caroline, constructed telescopes to survey the night sky. Their work resulted in several catalogs

5、of double stars and nebulae. William Herschel is perhaps most famous for his discovery of the planet Uranus in 1781, the first new planet found since antiquity. Caroline Herschel gained fame for the discovery of several comets.,In the year 1800, William Herschel made another very important discovery

6、. He was interested in learning how much heat passed through the different colored filters he used to observe the Sun and noticed that filters of different colors seemed to pass different levels of heat. Herschel thought that the colors themselves might contain different levels of heat, so he devise

7、d a clever experiment to investigate his hypothesis.,9,Herschel directed sunlight through a glass prism to create a spectrum - the rainbow created when light is divided into its colors - and measured the temperature of each color. He used three thermometers with blackened bulbs (to better absorb the

8、 heat) and placed one bulb in each color while the other two were placed beyond the spectrum as control samples. As he measured the temperatures of the violet, blue, green, yellow, orange and red light, he noticed that all of the colors had temperatures higher than the controls and that the temperat

9、ure of the colors increased from the violet to the red part of the spectrum. After noticing this pattern, Herschel decided to measure the temperature just beyond the red portion of the spectrum in a region apparently devoid of sunlight. To his surprise, he found that this region had the highest temp

10、erature of all. Herschel performed further experiments on what he called the calorific rays that existed beyond the red part of the spectrum and found that they were reflected, refracted, absorbed and transmitted just like visible light. What Sir William had discovered was a form of light (or radiat

11、ion) beyond red light. These calorific rays were later renamed infrared rays or infrared radiation (the prefix infra means below). Herschels experiment was important not only because it led to the discovery of infrared, but also because it was the first time that someone showed that there were forms

12、 of light that we cannot see with our eyes. Herschels original prism and mirror are on display at the National Museum of Science and Industry in London, England.,1835年，安培宣告了光和熱射線的同一性。 1870年，蘭利制成了面積只有針孔那樣大小的探測器，并用凹面反射光柵、巖鹽及氟化物棱鏡來提高測量色散的能力，這為紅外應(yīng)用的重要方面航空攝影奠定了基礎(chǔ)。 1880年，“紅外”一詞出現(xiàn)在阿貝尼的文 章中（最早）。 1888年，麥洛尼用比

13、較靈敏的熱電堆改進(jìn)了赫胥耳的探測和測量方法，為紅外技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。 1904年，開始采用近紅外進(jìn)行攝影。 1929年，苛勒發(fā)明了銀氧銫（Ag-o-Cs）光陰極，開創(chuàng)了紅外成像器件的先河。 二十世紀(jì)30年代中期，荷蘭、德國、美國各自獨(dú)立研制成紅外變像管，紅外夜視系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)戰(zhàn)。 1952年，美國陸軍制成第一臺熱像記錄儀。,10,11,12,二、紅外線 紅外線也是電磁波，其波長范圍從0.7微米到1000微米。 分為三個(gè)波段(International Commission on Illumination(CIE, 國際照明委員會)： Near-infrared (NIR，IR-A)：0.7um1.

14、4um 水吸收窗口，常用于光纖通訊(fiber optics telecommunication) Short wavelength infrared(SWIR，IR-B)：1.4um3um Mid-wavelength infrared(MWIR，IR-C)：3um8um 大氣窗口，被動(dòng)式熱尋導(dǎo)彈的工作窗口。 Long wavelength infrared(LWIR，IR-C)：8um15um 熱成像的工作區(qū)域(人體熱輻射波長10um) Far infrared(FIR，IR-C)：15um1000um,近紅外,中紅外,遠(yuǎn)紅外,13,三、應(yīng)用 Night vision（微光夜視）,14,紅

15、外攝像機(jī)（英軍押解伊戰(zhàn)俘）,Thermography（熱成像） 914um,15,Meteorology(氣象學(xué)）,16,紅外云圖,Communications（通訊）,17,紅外線遙控器？,Art history（藝術(shù)品鑒定） 探傷與識別,18,More applications Tracking Heating Spectroscopy Climatology Astronomy Biological systems More,19,20,1.2 基本輻射量與光譜輻射量,1.2.1 基本輻射量 以電磁波形式傳播的能量稱為輻射能，用Q表示，單位為焦耳。 紅外探測器響應(yīng)的往往是輻射能相對于時(shí)間

16、的速率，稱為輻射功率(P)。 輻射功率以及由它派生出來的幾個(gè)輻射度學(xué)的物理量，屬于基本輻射量。,21,一、輻射功率P 輻射功率就是單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射(傳輸或接收)的輻射能。單位為：瓦(焦耳/秒)。 輻射功率P的定義表示為 二、輻射度M 輻射源單位面積向半球空間(立體角為2)發(fā)射的輻射功率，稱為輻射源的輻射度。單位為： 瓦/m2。 輻射度M的定義表示為 相應(yīng)一面輻射源的輻射功率可以表示為,22,三、輻射強(qiáng)度I 點(diǎn)源與擴(kuò)展源： 相對于被觀測者(一般指探測器) 的張角很小的輻射源稱為點(diǎn)源。 相對于被觀測者的張角很大的輻 射源稱為擴(kuò)展源。 點(diǎn)源單位立體角內(nèi)的輻射功率稱為輻射強(qiáng)度。單位為瓦/球面度。 輻射強(qiáng)

17、度I的定義表示為 它給出了點(diǎn)源發(fā)射的輻射功率在某方向上角密度的度量。很明顯它與輻射功率的關(guān)系還可表示為,23,四、輻亮度L 對于擴(kuò)展源有輻亮度的概念。 輻亮度為擴(kuò)展源單位面積 在某方向上單位立體角內(nèi)的 輻射功率。 單位為： 瓦/(m2球面度) 輻亮度L的定義可表示為 可見輻亮度與觀測者所在的方位角有關(guān)。,24,根據(jù)輻亮度的定義，源面上的小面積元A在方向上的小立體角內(nèi)發(fā)射的輻射功率為 A向半球空間(2球面度)發(fā)射的輻射功率為 根據(jù)輻射度M的定義，有,上面給出的幾個(gè)物理量(輻射度、輻射強(qiáng)度和輻亮度)都用于表征輻射源的輻射特性。,25,五、輻照度E 用于表示被照面接收輻射的特性。 輻照度是被照表面單

18、位面積上接收的輻射功率。單位是：瓦/m2。 輻照度E的定義可表示為,輻照度E的大小不僅與在被照面上的位置有關(guān)，而且還與輻射源的特性及被照面與源的相對位置有關(guān)。如圖，兩點(diǎn)源S1和S2的輻射強(qiáng)度I相同，它們在x位置產(chǎn)生的輻照度為,26,1.2.2 光譜輻射量 前面幾個(gè)輻射量只考慮了輻射功率的空間分布特征，并認(rèn)為這些輻射量包含了波長從0到 的全部輻射，所以常把它們叫做全輻射量。 下面給出對輻射的光譜特征的度量。 光譜輻射量即波長單位間隔(取波長單位為um)內(nèi)的輻射度量。,27,光譜輻射功率P： 光譜輻射度M ： 光譜輻射強(qiáng)度I ： 光譜輻亮度L ： 光譜輻照度E ：,瓦um-1,瓦 m-2 um-1

19、,瓦球面度-1 um-1,瓦 m-2球面度-1 um-1,瓦 m-2 um-1,28,29,1.2.3 朗伯余弦定律(Lamberts Law) 鏡面反射體與漫反射體。 理想漫反射體服從朗伯余弦定律： 即理想漫輻射源單位表面積向空間指向方向(如觀測方向)單位立體角內(nèi)發(fā)射(或反射)的輻射功率與該指定方向與表面法線夾角的余弦成正比。其中B是與方向角無關(guān)的比例系數(shù)。 又稱為余弦發(fā)射定律（cosine emission law）或朗伯發(fā)射定律（Lamberts emission law） 注意：雖然余弦定律是針對理想漫輻射源的，但在實(shí)際中很多輻射源在一定范圍內(nèi)具有接近朗伯余弦定律的輻射規(guī)律，如實(shí)驗(yàn)用的

20、黑體；電絕緣體(與法線方向小于60度)。,30,1.2.4 漫輻射源的輻射特性 一、漫輻射源的輻亮度 可見，理想漫輻射源輻亮度是一個(gè)與方向無關(guān)的常量。 二、漫輻射源的輻亮度與輻射度的關(guān)系,(請證明本式),31,三、小面源的I、L及M的相互關(guān)系 小面源上的L可以看成是相同的， 則其可以看作是朗伯輻射體。 則其上小面元dA輻射功率 可以表示為 小面源A上的輻射功率為 根據(jù)輻射強(qiáng)度I的定義，有 根據(jù)M=L，則有,(朗伯定律的另一形式),32,四、理想漫反射體輻亮度與輻照度的關(guān)系 理想漫反射體將輻射到它上面的輻射功率無吸收和無透射地反射出去。所以輻射度等于其表面上的輻照度，即M=E。 根據(jù)M=L，則

21、即理想漫反射體的輻亮度等于其輻照度除以 。,1.2.5 輻射量計(jì)算舉例 一、點(diǎn)源向圓盤發(fā)射 的輻射功率 點(diǎn)源S的輻射強(qiáng)度為I，圓盤中心距S的距離為l0，圓盤的半徑為Rc。計(jì)算S在圓盤上的輻射功率。,33,如圖，小面元dA上接收的功率為 又 則,34,則圓盤上接收的總輻射功率為 設(shè)l0=1m,則圓盤上接收的輻射功率與圓盤半徑的關(guān)系如圖所示。,35,36,二、小面源產(chǎn)生的輻照度計(jì)算 相對于點(diǎn)源來說，小面源的分析更具實(shí)際意義。如果在系統(tǒng)中輻射源的尺寸相對于源到接收系統(tǒng)的距離是較小的，這時(shí)輻射源可以看作小面源。 設(shè)小面源的面積為As，其輻亮度為L。由于As很小，可將其看作點(diǎn)源，則其輻射強(qiáng)度為 其中s是

22、l0與小面源法線的夾角，l0是源到被照面的距離。,37,圖中Ac為被照面的面積， c為輻射在被照面上的入射角。 源在被輻射面上產(chǎn)生的 照度為 如果輻射源可以看成朗伯輻射體，則,38,如果將上面的輻射量換成 光譜輻射量則,39,三、均勻大面積輻射源產(chǎn)生的輻照度 探測器面對的輻射源可能是大擴(kuò)展源，如紅外裝置面對的天空背景等。設(shè)其為朗伯輻射體，其輻亮度為L，現(xiàn)計(jì)算該擴(kuò)展源在面積為Ad的探測器表面上產(chǎn)生的輻照度。,40,如圖，設(shè)探測器的半 視場角為0，在探測器 的視場范圍內(nèi)取圓環(huán)狀 面積元 設(shè)源表面與探測器表面平行，則圖中s=, 利用前面推導(dǎo)的小面源生產(chǎn)的輻照度公式有,41,從圖中，又有 所以 可見，

23、當(dāng)20時(shí)， 相應(yīng)的光譜輻照度為,42,下面我們分析一下對 擴(kuò)展源做點(diǎn)源近似時(shí)所 產(chǎn)生的誤差 則 當(dāng)將其看作點(diǎn)源時(shí)有 相對誤差可記為 當(dāng)b/h0.1時(shí)，相對誤差小于1%。此時(shí),43,44,1.3 紅外輻射基本定律,1.3.1 基爾霍夫輻射定律(Kirchhoffs radiation law) 在給定溫度下，對某一波長來說，物體對輻射的吸收本領(lǐng)和發(fā)射本領(lǐng)的比值與物體本身的性質(zhì)無關(guān)，對于一切物體都是恒量?？杀硎緸?其中(, T)為物體的吸收率。 為了研究物體的輻射特性，提出了黑體的概念，即對于理想黑體(, T)=1 。,45,1.3.2 普朗克定律(Plancks Law) 黑體的光譜輻射度是溫度

24、與波長的函數(shù)，但具體是什么樣的函數(shù)呢？人們用經(jīng)典理論一直無法完全解釋實(shí)驗(yàn)事實(shí)。 1900年，普朗克提出“量子學(xué)說”，并建立了黑體輻射度的正確公式（普朗克公式）。 普朗克對可以作為絕對黑體輻射的空腔作了兩個(gè)假設(shè)： （1）空腔壁的原子是一些諧振子（振動(dòng)著的電偶極子），諧振子的能量只能取一些分立的值，是最小值0(h)的整數(shù)倍：10,20,。這些分離的能量值稱為諧振子的能級，兩相鄰能級之差即為0 。 （2）諧振子不能連續(xù)地發(fā)射或吸收能量，只能跳躍地進(jìn)行。即諧振子只能從一個(gè)能級躍遷到另一個(gè)能級，而不能處于兩個(gè)能級之間的某一能量狀態(tài)。,46,普朗克定律給出了黑體一定溫度下輻射隨頻率的變化關(guān)系。 黑體光譜輻

25、射度描述為,其中：波長(um) 頻率 c光速:2.9979251010cm/s h普朗克常數(shù):6.626196 10-34 W/s2 k玻爾茲曼(Boltzmann)常數(shù):1.380622 10-23 Ws/K T絕對溫度.,47,不同溫度時(shí)的光譜輻射度,48,經(jīng)常將普朗克公式寫成：,其中：波長 T絕對溫度. c1第一輻射常數(shù)，c1=2hc2=3.741844 10-12 W/cm2 c2第二輻射常數(shù)，c2=ch/k=1.438833cm K,49,Mb的關(guān)系曲線稱為普朗克曲線，它們有以下特點(diǎn): 1、隨波長連續(xù)變化，連線、平滑、具有單一峰值; 2、單一溫度對應(yīng)一條曲線。曲線下的面積為黑體的全輻

26、射度(Mb=T4); 3、溫度越高，Mb也越高，不同溫度下的曲線永不相交； 4、曲線峰值對應(yīng)的波長m隨溫度的升高而降低； 5、隨著溫度的升高，黑體輻射的幅度呈指數(shù)增長； 6、黑體輻射能量的75%位于波長高于m的范圍，而25%位于波長低于m的范圍。,50,1.3.3 斯蒂芬-玻爾茲曼定律(Stefan-Boltzmann Law) 1879年，Stefan得出經(jīng)驗(yàn)公式，1884年由他的學(xué)生Boltzmann用熱力學(xué)理論導(dǎo)出。 黑體的輻射度Mb與溫度T的四次方成正比。 斯蒂芬-玻爾茲曼定律可由Planck定律導(dǎo)出,其中：斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)5.6697 x 10-8 W/m2 K4 T絕對溫度(K).,51,From