紅外物理與技術(shù)參考答案

1、.習(xí) 題 參 考 答 案以下為各章習(xí)題解析要點：第1章 1-2 （1）太陽七色光的熱效應(yīng)；絕對零度。 （2）是很大的數(shù)值，不能直接測量；測得的頻率數(shù)值精度通常比測得的波長數(shù)值精度低。 （3）0.751000m；10。 （4）812m或814m；35m。 （5）局部充血，皮溫上升。 （6）電阻值；熱點。 1-3 紅外輻射的波長范圍是0.751000m，跨過大約10個倍頻程，根據(jù)紅外輻射在地球大氣層中的傳輸特性，把整個紅外輻射光譜區(qū)按波長分為四個波段：近紅外波段（波長0.753m）；中紅外波段（波長36m）；遠(yuǎn)紅外波段（波長615m）；極遠(yuǎn)紅外波段（波長151000m）。1-4 紅外輻射既具有與可

2、見光相似的特性，如反射、折射、干涉、衍射和偏振，又具有粒子性，即它可以以光量子的形式被發(fā)射和吸收。同可見光相比，同時具有獨有特性：（1） 必須用對紅外輻射敏感的紅外探測器才能探測到；（2）紅外輻射的光量子能量比可見光的??；（3）紅外輻射的熱效應(yīng)比可見光要強得多；（4）紅外光譜區(qū)比可見光譜區(qū)含有更豐富的內(nèi)容；（5）紅外輻射更容易被物質(zhì)所吸收。 1-5 紅外物理與紅外技術(shù)所研究的內(nèi)容不同，它們是相互聯(lián)系、相互依存、相互融合的，二者之間的關(guān)系既緊密聯(lián)系又相互區(qū)別。 1-6 如：紅外制導(dǎo)；紅外夜視；紅外通信；紅外預(yù)警；隱身藏匿武器探測；紅外對抗等。 1-7 如：紅外測溫；紅外遙控；紅外醫(yī)療；紅外遙感；

3、紅外輻射加熱；紅外光譜技術(shù)；紅外故障診斷；紅外災(zāi)害觀測；建筑物檢測等。第2章 2-1 輻射能: 以電磁波的形式發(fā)射、傳輸或接收的能量，用表示，單位是；輻射強度：描述點輻射源的輻射功率在空間不同方向上的分布特性；輻射照度：指被照表面的單位面積上接收到的輻射功率，用表示；光子輻射強度：光源在給定方向上的單位立體角內(nèi)所發(fā)射的光子通量，用表示；光子輻射照度：指被照表面上某一點附近，單位面積上接收到的光子通量，用表示。 2-2 （1）擴(kuò)展源輻射特性；輻射功率；。 （2）擴(kuò)展源；源表面；面密度。 （3）擴(kuò)展源輻射特；單位投影面積；單位立體角；。 2-3 解： 2-4 解：輻射功率與輻射通量混用。輻射強度對

4、整個發(fā)射立體角的積分，即 對于各向同性的輻射源，等于常數(shù)，則得，得。2-5 解：（1） 燈正下方照度： （2）房屋一角照度： 則： 2-6 解： 位置（1）：，位置（2）： ， 位置（3）：， 位置（4）：， 位置（5）：，2-7 解： 太陽向全空間發(fā)出的光通量: 太陽的光亮度: 由于各向同性，且，則： 如果只考慮太陽的可見光部分，可以估算其輻射亮度。太陽輻射的峰值在可見光區(qū)，可見光區(qū)的中心大約在波長0.58微米處，。 假設(shè)在可見光區(qū),光譜光視效率的平均值 ，則有：2-8 解：（1）光源置于桌子上方2.00m時。 輻射照度:發(fā)光強度： （2）當(dāng)把光源置于桌子上方3.00m時。桌子中心的照度：桌

5、子邊緣距光源的距離，則 ，可得： 2-9 解：根據(jù)題意，輻射源被認(rèn)為是擴(kuò)展源。 光學(xué)系統(tǒng)接收的輻射功率為: 2-10 解：設(shè)在B點處的接收面積為B，通過的輻射通量為：在B點的輻照度為: 把B點所在平面按逆時針方向旋轉(zhuǎn)，輻照度先增大后減小。 2-11 證明：圓盤目標(biāo)的輻射照度為，等效輻射出射度為,進(jìn)而將圓盤目標(biāo)視為擴(kuò)展源，則系統(tǒng)接收目標(biāo)反射的輻射功率為: 2-12 解：朗伯輻射面在距中心處的輻通量：輻照度為: 2-13 證明：因為，且，所以：2-14 解：設(shè)在距為的點處兩點輻射源產(chǎn)生輻射照度相等，由電輻射源輻射強度與輻射照度之間關(guān)系式和可知，當(dāng)時，有：第3章3-1 （1）熱輻射：物體由于具有溫度

6、而輻射電磁波的現(xiàn)象，是自然界中普遍存在的現(xiàn)象，它不依賴任何外界條件而進(jìn)行。 （2）輻射效率：輻射源發(fā)射的輻射通量（功率）與消耗功率之比。 （3）輻射對比度：指目標(biāo)和背景輻射出射度之差與背景輻射出射度之比。 （4）灰體：物體在任何溫度下所有各波長的輻射強度與絕對黑體相應(yīng)波長的輻射強度比值不變。3-2 （1）化學(xué)發(fā)光；光致發(fā)光；電致發(fā)光；熱輻射。 （2）紫外光；可見光；紅外光；毫米波。 （3）其溫度的4次方；其絕對溫度的3次方。 （4）黑體；灰體；朗伯體。 3-3 黑體（或絕對黑體）是指在任何溫度下都能夠全部吸收任何波長入射輻射的物體。黑體輻射的規(guī)律包括： （1）黑體的光譜輻射出射度隨波長連續(xù)變化

7、，且每條曲線只有一個極大值，極大值的連線近似一條直線；（2）光譜輻射出射度曲線隨黑體溫度的升髙而整體提髙；（3）每條光譜輻射出射度曲線彼此不相交，故溫度越高，在所有波長上的光譜輻射出射度也越大；（4）隨著溫度的升高，黑體的輻射中包含的短波成分所占比例在增大；（5）黑體的輻射只與黑體的絕對溫度有關(guān)。3-4 物體的發(fā)射率（也稱為比輻射率）是指該物體在指定溫度時的輻射量與同溫度黑體相應(yīng)輻射量的比值。該值越大，表明該物體的輻射與黑體輻射越接近。其規(guī)律包括： （1）不同類物體的發(fā)射率不同；（2）金屬的發(fā)射率較低，但它隨溫度的升高而增高，且當(dāng)表面形成氧化層時，可以成10倍或更大倍數(shù)地增高；（3）非金屬的發(fā)

8、射率較高，一般大于0.8，且隨溫度的增加而降低；（4）金屬及其它非透明材料的輻射，一般發(fā)生在表面幾微米內(nèi)，因此發(fā)射率是表面狀態(tài)的函數(shù)，而與尺寸無關(guān)；（5）介質(zhì)的光譜發(fā)射率隨波長的變化而變化。在紅外區(qū)域，大多數(shù)介質(zhì)的光譜發(fā)射率隨波長的增加而降低。3-5 黑體輻射包括： （1）基爾霍夫定律：在熱平衡條件下，物體的輻射出射度與其吸收率的比值等于空腔中的輻射照度，這與物體的性質(zhì)無關(guān)。物體的吸收率越大，則它的輻射出射度也越大，即好的吸收體必然是好的發(fā)射體；（2）普朗克輻射定律：該定律揭示了黑體輻射光譜的分布，波長范圍包括紫外光、可見光、紅外光和毫米波；（3）維恩位移定律：黑體光譜輻射出射度峰值對應(yīng)的峰值

9、波長與黑體的絕對溫度成反比。 3-6 解：由斯蒂芬-波爾茲曼公式有（輻射出射度）和維恩公式得：已知，得： 3-7 解： 由斯蒂芬-波爾茲曼公式得輻射出射度增加了：=則功率增加了： 3-8 解：=25+273=298K，則全輻射出射度為：由吸收率為0.4可得發(fā)射率為0.6則:3-9 解：（1） 由斯蒂芬-波爾茲曼公式得輻射出射度： （2） （3）由維恩公式，得： 3-10 解：已知，由斯蒂芬-波爾茲曼公式得輻射出射度為： 則，一分鐘消耗的能量為： 每分鐘消耗的液氮。3-11 證明：由，得：令，則可解得，所以：同樣可得： 則： 3-12 證明：普朗克黑體輻射公式給出黑體輻射的能量分布： 對所有波長

10、求積分得到總輻射度： 查積分表得，則： 又由于波長為的光子能量為，則光子數(shù)：3-13 證明：由可得：化簡得：解得：其中，則： 值得注意的是，這里的是在極大值所對應(yīng)的頻率下對應(yīng)得到的，而維恩位移定律中得到的值是黑體光譜輻射出射度峰值對應(yīng)的峰值波長，所以在相同溫度下，二者不同。第4章4-1 解：準(zhǔn)確率可達(dá)0.1%，即有效發(fā)射率為0.999。由壁的反射率=0.4，可得腔壁發(fā)射率：=1-0.4=0.6。對球形腔體，有，則，即。根據(jù)數(shù)圖法，由圖4-4可查出，由圖4-3可得：當(dāng)時，即當(dāng)時，才能把空腔當(dāng)做準(zhǔn)確度可達(dá)0.1%的黑體。4-2 解：，由圖4-3可查出：由，從圖4-4中查出，得：則： 4-3 解：（

11、1）由題可知，。 當(dāng)腔體為球形時，由于，得，由，根據(jù)數(shù)圖法，由圖4-4查出：。又，即，則，又，則。 （2）當(dāng)腔體為球形時，由，可從圖4-3中查出，則由，從圖4-4中查出又得： 當(dāng)腔體為圓柱形時，由，從圖4-3中查出，由，從圖4-4中查出又得： 當(dāng)腔體為錐形時，由，從圖4-3中查出，由，從圖4-4中查出又得：4-4 解：對于球形腔，一級近似的有效發(fā)射率為：，由，則： 4-5 解：（1） 由黑體輻射定律， 太陽的輻射總功率為： 地球接受到的功率： 把地球看作黑體，則公式，得： （2）太陽常數(shù)： （3）地面上5000m2的區(qū)域所接收的輻射功率為：4-6 解： （1）因為，由斯蒂芬-波爾茲曼公式得紅外

12、星球向立體空間的輻射出射度：則入射到紅外望遠(yuǎn)鏡上的輻射功率，又可得：（2）由斯蒂芬-波爾茲曼公式得大氣的輻射出射度：則入射到紅外望遠(yuǎn)鏡上的輻射功率，所以背景輻射功率。 4-7所謂隱身飛機(jī)，就是利用各種技術(shù)減弱雷達(dá)反射波、紅外輻射等特征信息，使敵方探測系統(tǒng)不易發(fā)現(xiàn)的飛機(jī)。目前，飛機(jī)隱身的方法主要有以下三個方面：一是減小飛機(jī)的雷達(dá)反射面，從技術(shù)角度講，其主要措施有設(shè)計合理的飛機(jī)外型、使用吸波材料、主動對消、被動對消等；二是降低紅外輻射，主要是對飛機(jī)上容易產(chǎn)生紅外輻射的部位采取隔熱、降溫等措施；三是運用隱蔽色降低肉眼可視度。 4-8由于3-5m紅外波段具有低發(fā)射率，耐高溫的特點，在飛機(jī)尾焰中加入碳顆

13、粒，可以實現(xiàn)光譜轉(zhuǎn)換（就是采用在窗口波段發(fā)射率低而在其他大氣吸收波段發(fā)射率高的材料）。第5章5-1 （1）多波長輻射測溫：當(dāng)采用超過兩個波長來測量溫度時，這種輻射測量方法被稱作多波長測溫。 （2）比色測溫：指根據(jù)物體在兩個相鄰波長下的輻射能量密度之比來確定物體的溫度。5-2（1）分光；棱鏡；光柵。 （2）光學(xué)系統(tǒng)；光譜元件；探測器 ；電子部件。 （3）半球發(fā)射率；光譜發(fā)射率。 （4）色散型；傅里葉變換型紅外分光。 5-3 當(dāng)來自輻射源的輻射束穿過入射狹縫后，經(jīng)拋物面的準(zhǔn)直反射鏡反射變成平行光束投射到平面反射鏡，再被反射進(jìn)入色散棱鏡，然后被分解為不同折射角的單色平行光束，經(jīng)另一拋物面反射鏡反射，

14、并聚焦于出射狹縫輸出。色散棱鏡與平面反射鏡的組合，稱為瓦茨伏爾士（Wadsworth）色散系統(tǒng)。通過轉(zhuǎn)動該系統(tǒng)，可在出射狹縫后面獲得不同波長的單色光束。 5-4 雙光束電學(xué)平衡系統(tǒng)在光路的安排上，要求斬光器放在樣品槽之前通過樣品的光束為間斷的脈沖光束，而雙光束光學(xué)自動平衡系統(tǒng)無此要求；在參比光路上，雙光束電學(xué)平衡系統(tǒng)不使用光學(xué)衰減器，而是用斬光器將參比光束變?yōu)殚g斷的脈沖光束。5-5 （1）全輻射溫度、亮溫度恒小于物體表面的真實溫度。 （2）對于發(fā)射率較小的物體，全輻射測溫和亮溫度測溫相對誤差都較大。對于發(fā)射率較高的材料，3種測溫法均適宜。（3）全輻射測溫和亮溫度測溫都必須知道被測物體發(fā)射率的絕

15、對值。而雙波長輻射測溫則只要知道兩個波長處光譜發(fā)射率之比值。5-6 解：由公式，又知R最大為，紅外線波長為，取其平均值為，得數(shù)值孔徑：5-7 解：（1）已知，則由公式得分辨率為： （2） 5-8 解：由分辨率公式得：5-9 解：已知，則由公式得分辨率為：則由分辨率公式得： 5-10 解：利用色散曲線的柯西公式，由于波長變化范圍不大，只取前兩項，即：，代入得：鈉光譜線，三棱鏡在這個波長附近的色分辨率本領(lǐng)，由棱鏡色散公式和得： 5-11 對光柵有如下要求： （1）閃耀波長，閃耀波長為光柵最大衍射效率點，因此選擇光柵時應(yīng)盡量選擇閃耀波長在實驗需要波長附近； （2）光柵刻線，光柵刻線多少直接關(guān)系到光譜

16、分辨率，刻線多光譜分辨率高，刻線少光譜覆蓋范圍寬，兩者要根據(jù)實驗靈活選擇； （3）光柵效率，光柵效率是衍射到給定級次的單色光與入射單色光的比值。光柵效率愈高，信號損失愈小。為提高此效率，除提高光柵制作工藝外，還采用特殊鍍膜，提高反射效率。 5-12 在能夠直接進(jìn)行絕對測量的裝置中，必須將輻射能量或被吸收的輻射通量與一種定量的能量或者其它形式的功率作比較。另外，對于低精度的輻射計一般不采用參考黑體，而是用涂黑或高發(fā)射率的調(diào)制盤，以調(diào)制盤的葉片作為參考輻射源；對于商業(yè)用的輻射計，通常采用在可見光和紅外波段內(nèi)有均勻光譜響應(yīng)的熱電或熱阻探測器；對于軍用輻射計，為了對軍用目標(biāo)有大的作用距離和快速的目標(biāo)光

17、輻射采樣頻率，一般采用在較窄光譜波段范圍內(nèi)有高靈敏度的光子探測器。 5-13 為了不引入雜光，提高測量靈敏度，滿足全波段測試的要求，應(yīng)在輻射源與入射狹縫間加入一個光柵元件，原因在于光柵具有衍射作用，從出射狹縫出來的光線為單色光。第6章6-1 （1）標(biāo)準(zhǔn)大氣：是用以描述理想的中緯度狀況的物理量，即在太陽黑子最多和最少活動范圍內(nèi)的大氣年平均狀態(tài)。世界氣象組織（WMO）關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)大氣的定義是：所謂標(biāo)準(zhǔn)大氣就是能夠粗略地反映周年，中緯度狀況的，得到國際上承認(rèn)的假想大氣溫度、壓力和密度的垂直分布。它的典型用途是做壓力高度計校準(zhǔn)，飛機(jī)性能計算，飛機(jī)和火箭設(shè)計，彈道制表和氣象制圖的基礎(chǔ)，假定空氣服從使溫度、壓

18、力和密度與位勢發(fā)生關(guān)系的理想氣體定律和流體靜力學(xué)方程。 （2）波蓋爾定律：輻射通過介質(zhì)的消光作用與入射輻射能量、衰減介質(zhì)密度和所經(jīng)過的路徑成正比，如下式：該式稱為波蓋耳（Bougner）定律。式中，為光程上單位截面中的介質(zhì)質(zhì)量； 為介質(zhì)的光學(xué)厚度。 （3）大氣窗口：除可見光范圍外，在、 、等波段有較大的透射比，猶如輻射透射的窗口，稱為 “大氣窗口”。 （4）多次散射：當(dāng)散射粒子間距是粒子半徑的數(shù)倍時，可認(rèn)為每個粒子都是獨立于其它粒子的散射。在大多數(shù)大氣條件下，這種獨立散射條件基本成立。這是建立波蓋耳定律的前提條件。該條件假定粒子只暴露在入射輻射下，即為一次散射，多次重復(fù)為多次散射。 （5）大氣

19、的傳遞函數(shù): 反映大氣消光使目標(biāo)與背景的對比度下降的程度，如下式： 式中，為地平天空亮度與背景亮度之比。由此可見，是和的函數(shù)，與目標(biāo)亮度無關(guān)，即只與目標(biāo)與探測器之間的大氣狀態(tài)有關(guān)。 6-2 （1）干結(jié)大氣；水蒸氣；其它懸浮的固體；液體粒子。 （2）長距離的探測；遙測；短距離。 （3）愛爾撒司模式；統(tǒng)計模式；隨機(jī)模式；準(zhǔn)隨機(jī)模式。 （4）目標(biāo)與背景的對比度隨。 （5）大氣透過率；熱輻射亮度；帶散射的輻亮度；太陽直射照度。 6-3 常見的方法是將大氣劃分為對流層、平流層、中間層、熱成層和散逸層五個層次。對流層對人類活影響最大，天氣過程主要發(fā)生在這一層，其厚度不到地球半徑的2，卻集中了約的大氣質(zhì)量和

20、以上的水汽。對流層溫度變化較大，在地面至高的范圍內(nèi)稱為貼地層，晝夜溫度變化可達(dá)以上，貼地層以上至高度的邊界層內(nèi)常出現(xiàn)逆溫。就整個對流層而言，溫度是隨高度的增加而遞減的，平均遞減率為。溫度遞減率變?yōu)榱慊驗樨?fù)之處稱為對流層頂，對流層的高度在中緯度區(qū)平均為。 平流層位于大約范圍內(nèi)，集中了左右的大氣質(zhì)量，水汽已相當(dāng)少，而臭氧含量最為豐富。平流層的溫度變化與對流層相反，溫度遞減率變?yōu)榱慊蛘帪槠搅鲗禹?。這種溫度結(jié)構(gòu)的空氣十分穩(wěn)定，氣溶膠比較豐富。中間層為平流層頂至范圍，在該范圍內(nèi)溫度隨高度的增加而迅速下降，以上則保持不變或遞增。由于中間層的溫度結(jié)構(gòu)與對流層相似，故有第二對流層之稱。熱成層又稱為電離層或暖

21、層。其范圍自中間層頂至，該層大氣的溫度隨高度的增加而迅速上升，直到高度時，溫度可接近于左右。該層的大氣由于受強烈的太陽紫外輻射和宇宙射線的照射，使空氣形成了好幾個電離層，這使短波無線電的遠(yuǎn)距離傳輸成為可能。散逸層為熱成層以上的大氣層統(tǒng)稱為散逸層，近代人造衛(wèi)星的探測結(jié)果表明，大氣的上界可以擴(kuò)展到處。大氣是由多種元素和化合物混合而成，大致可分為干潔大氣、水蒸氣以及其它懸浮的固體和液體粒子。 6-4 垂直分布是指由于重力作用，大氣氣溶膠粒子的濃度隨高度按指數(shù)形式衰減。尺度分布是指由于不同尺度（大小）的粒子對不同波長光波的散射不同，因此應(yīng)知道氣溶膠粒子尺度分布。 6-5 輻射在大氣中傳輸主要有吸收和散

22、射。產(chǎn)生原因為：大氣中吸收太陽輻射的主要成分是氧氣、臭氧、水汽、二氧化碳、甲烷等，對長波輻射的主要吸收成分是水汽、二氧化碳和臭氧。不同氣體對不同波段輻射的吸收作用也不同。這種性質(zhì)稱為大氣對輻射能的選擇吸收。散射作用的強弱取決于入射電磁波的波長及散射質(zhì)點的性質(zhì)和大小。特殊地，當(dāng)散射粒子的尺度遠(yuǎn)小于波長時，稱為分子散射或瑞利散射，散射系數(shù)與波長的四次方成反比，主要是空氣分子的散射。當(dāng)粒子尺度可與波長相比擬時稱為米氏散射散射系數(shù)是波長和粒子半徑的一個復(fù)雜函數(shù)。 6-6 MODTRAN共包含4種運行模式，具體包括大氣透過率、熱輻射亮度、帶散射的輻亮度及太陽直射照度運行模式。大氣透過率的運行模式（）可計

23、算路徑的總透過率以及氣體分子帶吸收、連續(xù)吸收、氣溶膠吸收等分量的路徑透過率。熱輻射亮度運行模式（）可計算路徑大氣輻射的輻亮度和路徑的總透過率，由于大氣輻射主要在熱紅外波段，故稱為大氣熱輻射。熱輻射亮度模式的路徑輻亮度只考慮路徑大氣和地面的熱輻射，帶散射的輻亮度運行模式（）的路徑輻亮度不僅考慮了路徑大氣和地面的熱輻射，還增加了路徑外輻射源（如太陽、月、地球等）產(chǎn)生的大氣散射輻亮度和地面反射輻亮度。太陽直射照度運行模式（）可進(jìn)行大氣層外太陽正入射的光譜輻照度、太陽透過大氣到達(dá)觀察點的光譜輻照度及路徑透過率等的計算。注意，這里的大氣層外太陽照度或觀察點太陽照度約定為正入射照。6-7：解：（1）當(dāng)時

24、對來說：由，查表得飽和水蒸氣含量，則： 水平： 斜程： （）： 因此，時的光譜透射比為： 水平： 斜程： 對來說：水平： ，斜程： ， 則當(dāng)時，總吸收的光譜透射比為：水平： 斜程： （2）當(dāng)由上面結(jié)果可得：對來說：水平： 斜程： 對來說：水平： 斜程： 則當(dāng)時，總吸收的光譜透射比為：水平： 斜程： 6-8 解： （1）在晴天下，由公式： 帶入，x=3km，可求得：=0.46 再由對比度公式： ，帶入=0.3，=，得：=0.090 （2）同理可得，在陰天條件下：=0.096，=0.088。6-9 （1）當(dāng)波長為時，故取，。根據(jù)透射率公式可得： 這里只取兩個組元的吸收，即水蒸氣和二氧化碳吸收的透射

25、率，所以有。 的飽和水蒸氣密度為，絕對濕度： 所以，全路程的可凝結(jié)水的毫米數(shù)為： 可凝結(jié)毫米數(shù)為50mm時的水蒸氣透射率：=0.548 路程長度為10km時二氧化碳的透射率： =0.995 由以上可得出： =0.5480.995=0.545 因此： （2） 當(dāng)波長為時，根據(jù)透射率公式可得： 可凝結(jié)水的毫米數(shù)為50mm時=0.508，路程長度為10km時=1。 所以： =0.508可求得： 6-10 解：輸入文件：HY1太陽散射輻亮度（全波段）.ltn。 輸入?yún)?shù)：太陽天頂角為0°。中緯度、夏天，23公里能見度，海水溫度300K，反射率0.03。 輸出的全波段路徑輻亮度和總透過率曲線分

26、別如圖（a）和（b）所示。中波、長波波段的路徑輻亮度是海面和路徑大氣的熱輻射輻亮度之和大氣散射、海面反射均可忽略。（a）輻亮度曲線（b）總透過率曲線第7章 7-1 紅外熱成像的過程包括獲取景象的紅外輻射、把紅外輻射轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，再用處理后的電信號?qū)動顯示器，產(chǎn)生可供人眼觀察的圖像。 7-2 通常紅外成像系統(tǒng)包括五個主要的子系統(tǒng)：光學(xué)系統(tǒng)和掃描器，探測器和探測器電子線路，數(shù)字化子系統(tǒng)圖像處理子系統(tǒng)和圖像重建子系統(tǒng)。7-4 （1）透射式光學(xué)系統(tǒng)。其優(yōu)點是無擋光、球面鏡加工容易、通過光學(xué)設(shè)計各種像差容易消除，但該類系統(tǒng)的光量損失較大、裝配和調(diào)整較困難。 （2）反射式光學(xué)系統(tǒng)。反射式系統(tǒng)對材料要求不高

27、、重量輕、成本低、光量損失小、不存在色差；但中心有擋光、軸外像差大，難以滿足大視場大孔徑成像的需要。 （3）折反射組合式光學(xué)系統(tǒng)。用球面鏡取代非球面鏡，并用補償透鏡來校正球面反射鏡的像差，可以獲得好的像質(zhì)。但是該類系統(tǒng)的體積較大、成本較高、加工難度也較大。7-5 （1）光子紅外探測器。易于準(zhǔn)備、材料穩(wěn)定。設(shè)計和生長工藝復(fù)雜，對分界面敏感。 （2）熱紅外探測器。輕便、可靠、成本低、室溫工作。響應(yīng)頻率低、響應(yīng)速度慢（ms量級）。7-6 （1）響應(yīng)率或叫做響應(yīng)度；（2）噪聲等效功率；（3）探測率；（4）光譜響應(yīng)；（5）響應(yīng)時間；（6）頻率響應(yīng)。7-7 以下分別為一點校正、兩點校正、三點校正、五點校正

28、的探測器輸出曲線。 7-8 制冷型紅外探測器體積大、功耗大、價格高和可靠性不足；非制冷紅外焦平面探測器功耗低，尺寸小，成本低。 7-9 （a）該系統(tǒng)的= （b）系統(tǒng)的視場角FOV：是用感光面（矩形）的對角線的長度為“底”，鏡頭的焦距為高，組成的等腰三角形，頂角就是視場角：1.414(512*50+511*25)=54.26mm （c）有效采樣頻率，因為奈奎斯特頻率=。 7-10 解：探測器的光敏面積，則入射到探測器的輻射功率： 可得：歸一化探測率： 第8章8-1 熱成像系統(tǒng)的性能評價主要包括調(diào)制傳遞函數(shù)、噪聲等效溫差、最小可分辨溫差、作用距離。調(diào)制傳遞函數(shù)：是可以衡量熱成像系統(tǒng)如實再現(xiàn)場景的程

29、度，它是具有不同時空頻率特性的各組成部分共同作用的結(jié)果。噪聲等效溫差：溫度為的均勻方形黑體目標(biāo)，處在溫度為的均勻黑體背景中，熱像儀對此目標(biāo)進(jìn)行觀察，當(dāng)系統(tǒng)輸出的信噪比為時，黑體目標(biāo)和黑體背景的溫差就作為噪聲等效溫差。最小可分辨溫差：對具有某一空間頻率的四個條帶（高寬比為7:1）目標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)黑體圖案，由觀察者在顯示屏上作無限長時間的觀察。當(dāng)目標(biāo)與背景之間的溫差從零逐漸增大到觀察者確認(rèn)能分辨（50%的概率）出四個條帶的目標(biāo)圖案為止，此時目標(biāo)與背景之間的溫差稱為該空間的最小可分辨溫差。作用距離：是在規(guī)定的氣象條件下對特定目標(biāo)觀察、識別和認(rèn)清時的觀察距離、識別距離和認(rèn)清距離。 8-2 對于掃描型熱成像系

30、統(tǒng)，它的噪聲分布在各個分系統(tǒng)中，由于掃描的作用，可以用時間性噪聲來表示；應(yīng)用噪聲功率譜，把系統(tǒng)噪聲等效為一個噪聲源，插入探測器后，一般用測量NETD時的基準(zhǔn)參考電子濾波器模擬一代熱成像系統(tǒng)的探測器后續(xù)系統(tǒng)的濾波效果。最后可以使用NETD與系統(tǒng)噪聲的帶寬來求出系統(tǒng)噪聲。對凝視型熱成像系統(tǒng)而言，二代NETD測量點往往被典型地設(shè)在視頻信號輸出口，系統(tǒng)顯示之前，NETD已不足掃描系統(tǒng)噪聲。首先，NETD的測量和計算都要求一個基準(zhǔn)參考濾波器，以之來模擬后續(xù)的系統(tǒng)信號處理電路，而事實上，二代熱成像系統(tǒng)的信號處理往往已出現(xiàn)在NETD的測量點之前；其次，從信號處理不均勻和焦平面不均勻性出來后的噪聲對系統(tǒng)噪聲有

31、重大貢獻(xiàn)，甚至占據(jù)主要地位，而NETD顯然不能描述這些噪聲。 8-3 紅外熱成像系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)主要由光學(xué)系統(tǒng)、探測器、電路和顯示器等四個組成部分決定。 8-4 空間頻率為的目標(biāo)與背景的實際溫差經(jīng)過大氣傳輸，到達(dá)熱成像系統(tǒng)時仍大于；同時目標(biāo)對系統(tǒng)的張角應(yīng)大于或等于觀察水平所要求的最小張角。視距估算的傳統(tǒng)表達(dá)式如下： 式中為目標(biāo)的特征空間頻率；為目標(biāo)到系統(tǒng)的距離；為到達(dá)熱成像系統(tǒng)時目標(biāo)與背景的溫差，它是距離和空間頻率的函數(shù)；為按Johnson準(zhǔn)則所要求的目標(biāo)等效條帶數(shù)；為目標(biāo)高度；為目標(biāo)對系統(tǒng)所成的張角。8-5 視距估算的修正因素有大氣傳輸衰減、觀察水平的確定和目標(biāo)形狀的影響。其中大氣傳輸衰減

32、影響著熱成像系統(tǒng)的視距，不同大氣條件所產(chǎn)生的衰減有很大的差別。觀察水平是將系統(tǒng)性能與人眼視覺相結(jié)合的一種視覺劃分方法，需通過視覺心理實驗來完成。實驗室性能參量的測試圖案是長寬比為7:1的4條帶目標(biāo)，而實際目標(biāo)的等效條帶圖案的長寬比一般不滿足上述條件，因此，在視距估算時，應(yīng)根據(jù)實際目標(biāo)所對應(yīng)的長寬比做出修正。 8-6 紅外熱成像系統(tǒng)特性參數(shù)測試平臺由黑體系統(tǒng)、紅外輻射準(zhǔn)直反射系統(tǒng)、被測試的紅外熱成像系統(tǒng)、監(jiān)視器和PC構(gòu)成。8-7 平面黑體輻射源可以工作于兩種模式。一種是靜態(tài)模式，即平面黑體輻射源可以精確穩(wěn)定在一個固定的溫度；另一種是跟蹤模式，即借助于圓盤上的溫度傳感器，平面黑體輻射源可以準(zhǔn)確監(jiān)視

33、和跟蹤其前面靶標(biāo)的溫度，并與之保持穩(wěn)定的溫差。8-8 MTF測試采用課文中圖8-16（b）或（c）所示的靶標(biāo)。由于靶標(biāo)和黑體溫度是均勻的，且存在截然不同的溫差，則行像素對目標(biāo)圖案的響應(yīng)就構(gòu)成了邊界擴(kuò)散函數(shù)(ESF)。采用課文中圖8-5給出的MTF測試圖案。我們知道，邊界擴(kuò)散函數(shù)的微分就是線擴(kuò)散函數(shù)(LSF)。對LSF做離散傅里葉變換就可以獲得成像系統(tǒng)的MTF。考慮到離散數(shù)據(jù)已經(jīng)包含隨機(jī)噪聲、采樣噪聲，而數(shù)字微分將會增大這些噪聲，這將導(dǎo)致MTF的失真，特別是在高頻部分。為了避免噪聲產(chǎn)生的影響，可以采用函數(shù)擬合法來擬合邊界擴(kuò)散函數(shù)。擬合函數(shù)是多個費米函數(shù)累加的形式，它的表達(dá)式為： 選擇費米函數(shù)是因

34、為它與ESF有類似的形狀，產(chǎn)生的擬合誤差較小。Tzannes的研究表明，當(dāng)取3時，已具有很好的擬合度。對微分可以得到LSF的表達(dá)式： 依照最小均方誤差準(zhǔn)則，可以計算出方程的未知參數(shù)，代入方程即可獲得LSF。這不僅避免了數(shù)字微分引入更大噪聲，而且可以對數(shù)據(jù)重采樣，以獲得更高的分辨率。已知LSF，我們可以通過離散傅里葉變換獲得紅外成像系統(tǒng)的MTF。8-9 由于熱成像系統(tǒng)的波長范圍較寬，而且接收的景物輻射是非相干的，其光學(xué)系統(tǒng)可以認(rèn)為是衍射限制光學(xué)系統(tǒng)。衍射限制的光學(xué)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)取決于其波長和孔徑。對于常見的圓形孔徑，衍射限制下的調(diào)制傳遞函數(shù)為：式中，為截止頻率，它由波長和數(shù)決定，。除了衍射作用以

35、外，成像過程還會受到光學(xué)系統(tǒng)像差的影響。由像差引起的彌散圓能量分布為高斯函數(shù)，具有圓對稱形式，其標(biāo)準(zhǔn)偏差為，其調(diào)制傳遞函數(shù)為：綜合以上兩個因素可得光學(xué)系統(tǒng)總的調(diào)制傳遞函數(shù)：8-10 作用距離包含兩種計算模型：點目標(biāo)模型和擴(kuò)展源模型。當(dāng)目標(biāo)成像不足以充滿一個像素時就可以把目標(biāo)看成是點目標(biāo)。理論上只要目標(biāo)到達(dá)系統(tǒng)的輻射能量大于系統(tǒng)的探測閾值，系統(tǒng)就有響應(yīng)，就可以探測出目標(biāo)。而事實上，對目標(biāo)探測的主要目的就是獲取目標(biāo)的確切信息，比如說目標(biāo)的類型、型號等，因此點目標(biāo)模型并沒有實際的意義。此時要把目標(biāo)看成是擴(kuò)展源目標(biāo)來研究。在研究紅外成像系統(tǒng)對這類目標(biāo)的作用距離時，不能僅僅考慮目標(biāo)的輻射能量，而且還要考

36、慮目標(biāo)的大小和形狀對視距估算的影響。第9章 9-1 對于橫波，通過波的傳播方向且包含振動矢量的那個平面顯然和不包含振動矢量的任何平面有區(qū)別，這說明波的振動方向?qū)鞑シ较驔]有對稱性。振動方向?qū)τ趥鞑シ较虻牟粚ΨQ性稱為偏振。 9-2 線偏振光、圓偏振光、橢圓偏振光、部分偏振光。9-3 從自然光獲得偏振光的方法有以下四種：（1）利用反射和折射；（2）利用二向色性；（3）利用晶體的雙折射；（4）利用散射。 9-6 紅外波段的目標(biāo)反射及自身輻射電磁波的過程中也會產(chǎn)生由自身特性所決定的偏振特性。紅外偏振成像就是利用目標(biāo)的紅外偏振特性進(jìn)行目標(biāo)探測與識別。對于任意目標(biāo)，只要從一個光滑表面反射或者輻射時，從一定

37、的觀測角度來看，紅外輻射就會產(chǎn)生線偏振光。第10章 10-1 仿真模型：仿真模型是被仿真對象的相似物或其結(jié)構(gòu)形式。它可以是物理模型或數(shù)學(xué)模型。但并不是所有對象都能建立物理模型。為此首先要建立對象的數(shù)學(xué)模型，然后將它轉(zhuǎn)換成適合計算機(jī)處理的形式，即仿真模型。具體地說，對于模擬計算機(jī)應(yīng)將數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換成模擬排題圖；對于數(shù)字計算機(jī)應(yīng)轉(zhuǎn)換成源程序。 數(shù)學(xué)仿真：是以數(shù)學(xué)方程式相似為基礎(chǔ)的仿真方法，它是用數(shù)學(xué)式來表示被仿真的對象。在紅外仿真中數(shù)學(xué)仿真的內(nèi)容主要包括目標(biāo)的紅外輻射特征模型、背景的紅外輻射特征模型、目標(biāo)與背景的合成模型以及大氣傳輸特性模型等。 半實物仿真：將控制器（實物）與在計算機(jī)上實現(xiàn)的控制對象

38、的仿真模型（見數(shù)學(xué)仿真）聯(lián)接在一起進(jìn)行試驗的技術(shù)。在這種試驗中，控制器的動態(tài)特性、靜態(tài)特性和非線性因素等都能真實地反映出來，因此它是一種更接近實際的仿真試驗技術(shù)。 10-2 根據(jù)不同目標(biāo)的幾何結(jié)構(gòu)和工作原理以及是否有內(nèi)部熱源等特點，考慮其與周圍背景的能量交換關(guān)系（導(dǎo)熱、對流換熱、太陽輻射、大氣輻射等），建立描述目標(biāo)溫度分布的數(shù)學(xué)模型，求解目標(biāo)的溫度場，并根據(jù)目標(biāo)表面材料的紅外輻射特征參數(shù)，計算目標(biāo)的紅外輻射特征。目標(biāo)相關(guān)參數(shù)目標(biāo)幾何結(jié)構(gòu)環(huán)境參數(shù)目標(biāo)溫度計算模型目標(biāo)表面材料紅外輻射特征目標(biāo)自身紅外輻射目標(biāo)表面材料紅外反射特征環(huán)境紅外輻射目標(biāo)紅外輻射特征 10-3 根據(jù)背景的類型，如自然地表、水面

39、、雪地、叢林等，考慮其與周圍環(huán)境的能量交換關(guān)系，建立背景的溫度分布計算模型，利用背景表面的紅外輻射特征數(shù)據(jù)，建立背景的紅外輻射特性理論模型.近紅外、中紅外等紅外圖像圖像處理隨機(jī)分布和分形方法地面背景的類型和高程數(shù)據(jù)物性參數(shù)環(huán)境參數(shù)背景的溫度計算模型紅外輻射特征模型材料表面紅外輻射參數(shù) 10-4 將控制器（實物）與在計算機(jī)上實現(xiàn)的控制對象的仿真模型（見數(shù)學(xué)仿真）聯(lián)接在一起進(jìn)行試驗的技術(shù)。在這種試驗中，控制器的動態(tài)特性、靜態(tài)特性和非線性因素等都能真實地反映出來，因此它是一種更接近實際的仿真試驗技術(shù)。 10-5 首先建立地表紅外輻射模型然后利用地表紅外輻射模型計算得到24地表溫度均值曲線，假設(shè)24地

40、表溫度標(biāo)準(zhǔn)差曲線為；然后由可見光圖像求出圖像的灰度均值和標(biāo)準(zhǔn)差；再令；地表24溫度場；最后由溫度場得到紅外仿真圖像 10-6 目標(biāo)與背景的紅外輻射仿真步驟，主要利用GenesisMC和JRM材質(zhì)庫，對目標(biāo)和背景紅外輻射特征進(jìn)行映射。以T72紅外特征為例，T72坦克主要熱源是發(fā)動機(jī)、履帶等。首先導(dǎo)入T72坦克的紋理，然后使用GenesisMC進(jìn)行熱源標(biāo)記和熱邊界識別。通過熱源賦予材質(zhì)、最終把材質(zhì)和熱特性信息存儲為MCM編碼的紋理圖片。建立好模型后，可以預(yù)覽建立的模型，并根據(jù)需要調(diào)整。 10-7 （1）Motion MTF：運動效應(yīng)的調(diào)制傳遞函數(shù)，指物體與成像傳感器之間的運動造成成像信息的調(diào)制特性

41、；（2）Aero-optical effects：氣動光學(xué)效應(yīng)，當(dāng)光波在飛行器周圍流場中傳輸時，氣體介質(zhì)密度的變化會導(dǎo)致光波前發(fā)生畸變，從而對機(jī)載或其他運動載體的光學(xué)系統(tǒng)成像性能產(chǎn)生不利影響，這種作用稱之為氣動光學(xué)效應(yīng)；（3）Transmittance/emittance：透射率/發(fā)射率。透射率是指光穿過透光介質(zhì)之后其出射光功率與入射光功率之比。發(fā)射率物體通過表面向外輻射的電磁能與同溫度的黑體在相同條件下所輻射的電磁能的比值；（4）iTF：信號傳遞函數(shù)。描述場景輻射量值到成像系統(tǒng)輸出信息的能量傳遞和轉(zhuǎn)換過程的一個函數(shù)；（5）Diffraction MTF：衍射調(diào)制傳遞函數(shù)，指光學(xué)系統(tǒng)衍射造成的

42、成像信號的調(diào)制特性；（6）Design blur MTF：圖樣模糊的調(diào)制傳遞函數(shù)； （7）Vibration MTF：振動的調(diào)制傳遞函數(shù)用來描述振動造成的成像信號的調(diào)制特性。 10-8 （1）Detector IFOV sampling：探測器瞬時視場采樣。每一個探測單元都對應(yīng)著一個瞬時視場，探測器通過每一個這樣的視場對空間進(jìn)行劃分并采樣；（2）Detector MTF： 探測去調(diào)制傳遞函數(shù)，通常用來描述探測器的信號調(diào)制特性；（3）Detector pitch：探測器像元間距；（4）Spectral response/efficiency：光譜響應(yīng)度/光譜響應(yīng)效率。指光陰極量子效率與入射波長之

43、間的關(guān)系；（5）Scanning effects：掃描效率，在掃描成像中，有效的掃描時間與幀周期之比稱為系統(tǒng)的掃描效率；（6）NET-calibrated(1/f)n & while noise：噪聲等效溫度與白噪聲，噪聲等效溫度一般指信號處理電路中把噪聲等效到一個溫度T的電阻熱噪聲，這時把該溫度稱為噪聲等效溫度。白噪聲是指白噪聲是指功率譜密度在整個頻域內(nèi)均勻分布的噪聲；（7）Back-end filtering：后置濾波器；（8）Detector non-uniformity：探測器非均勻性。探測器非均勻性指在相同光照度的情況下，不同探測器單元的響應(yīng)電壓不同。通常需要非均勻性校正；（

44、9）NUC：非均勻性校正，指通過一定的算法使得對于相同的光照度所有的像元輸出趨于一致；（10）Dead-pixels：盲元，通常是指探測器當(dāng)中一些自生產(chǎn)出來就不能使用的單元。 10-9 （1）Pre-amplifier：前置放大通常用于對信號初步處理；（2）AC-coupling：交流耦合，就是通過隔直電容耦合，去掉了直流分量；（3）Boost elex OTF：提舉電路的調(diào)制傳遞函數(shù)，表征提舉電路的調(diào)制特性；（4）Display MTF：顯示設(shè)備的調(diào)制傳遞函數(shù)，表征顯示設(shè)備的信號調(diào)制特性；（5）AGC/Gain-Level：自動增益/自動增益水平。一般指自動調(diào)解放大器的增益倍數(shù)；（6）Rea

45、l-time display：實時顯示。采集來的圖像信息立刻進(jìn)行顯示。 10-10 首先由目標(biāo)紅外輻射模型和背景紅外輻射模型共同構(gòu)建目標(biāo)與背景合成模型。再由大氣傳輸模型，紅外探測器參數(shù)與目標(biāo)與背景合成模型共同組建系統(tǒng)運行過程的紅外圖像序列。目標(biāo)紅外輻射模型背景紅外輻射模型目標(biāo)與背景合成模型大氣傳輸模型紅外探測器參數(shù)系統(tǒng)運行過程的紅外圖像序列第十一章11-1（1）盲元是指IRFPA中的響應(yīng)過高或過低的像素;隨機(jī)共振是指非線性系統(tǒng)、弱的周期信號和適量的噪聲三者在一定條件下協(xié)作時，噪聲通過非線性系統(tǒng)對信號起積極作用的現(xiàn)象；（2）隨機(jī)共振是指非線性系統(tǒng)、弱的周期信號和適量的噪聲三者在一定條件下協(xié)作時，

46、噪聲通過非線性系統(tǒng)對信號起積極作用的現(xiàn)象。11-2 紅外圖像具有以下特點：（1）紅外熱圖像表征景物的溫度分布是灰度圖像，沒有立體感，對人眼而言，分辨率低；（2）由于受景物熱平衡、波長、傳輸距離遠(yuǎn)、大氣衰減等因素的影響，紅外圖像空間相關(guān)性強、對比度低、視覺效果模糊；（3）熱成像系統(tǒng)的探測能力和空間分辨率低于可見光CCD陣列，使得紅外圖像的清晰度低于可見光圖像；（4）外界環(huán)境的隨機(jī)干擾和熱成像系統(tǒng)的不完善，給紅外圖像帶來多種多樣的噪聲，比如熱噪聲、散粒噪聲、噪聲、光子電子漲落噪聲等； 11-3 從信號傳遞的過程來看，首先是探測器像素響應(yīng)率的不一致性，紅外焦平面陣列由成千上萬個像素組成，由于各個像素的響應(yīng)參數(shù)不盡相同，造成即使在均勻輸入的情況下，各個像素的響應(yīng)也不一致，這是導(dǎo)致紅外焦平面陣列非均勻性的主要因素；其次是讀出電路自身以及讀出電路和探測器的耦合因素等。11-4 非均勻性校正的方法有很多，基本可以分為兩類：基于參照源和基于場景的校正技術(shù)。國外的大量研究工作集中于基于場景的非均勻性校正技術(shù)，并提出了多種基于場景的非均勻性校正方法。目前比較實用的還是兩點法和擴(kuò)展兩點法。非均勻性校正就是使相同輻射條件下的探測器的響應(yīng)曲線重合于一條曲線，為此設(shè)定一條標(biāo)準(zhǔn)曲線，將各探測元的響應(yīng)曲線分別做旋轉(zhuǎn)和平移變換，最終使探測