第六章 红外辐射在大气中的传输
第六章-红外辐射在大气中的传输复习进程
其中
hz
KBT
m0Mgz
,如果把h(z)看成常数：
lnpp0zzhzz0
pz pz0 ezhzz0
但h(z)不是常数，是随高度变化的量，称为z处的 标高。我们可以认为在一个不大的范围内，标高近似地 可以看成常数，于是我们就可以利用刚才的压强公式：
pz pz0 ezhzz0
高度 标高 高度 标高 km km km km 0 8.5 40 7.8
大气中的主要吸收气体有水蒸气、二氧化碳、和 臭氧等。
一，水蒸汽
水蒸气在大气的低层中的含量较高，是对红外辐 射传输影响较大的一种大气成分。水蒸气分子对红外 辐射有强烈的选择吸收作用。
1.描述水蒸气含量的一些物理量：
⑴ 水蒸气压强pw : 就是大气中水蒸气的分压强。
⑵ 绝对湿度ρw : 单位体积空气中所含有的水蒸气的质量，单位为
对流层顶10km向上到55公里左右为平流层。 平流层下部温度随高度变化很小（等温层）。 平流层上部因为存在臭氧层(22─35公里处)， 臭氧吸收太阳紫外辐射使大气温度增加。
平流层大气温度下部冷上部热，使大气有相对稳定 的结构。对流很弱，空气大多作水平运动，平流层中水 汽和尘埃很少，也没有对流层中的云和天气现象。
二，大气压强
p d S p z Sz d p z S g
d pzgzdz pdp
zm 0M nz
M ：大气的平均分子量
S
z dz
m 0 ：原子质量单位
根据理想气体物态方程：
pVNKBT
p
nz pz
KBT
d p m 0M nzgzdz
dpm0MK pBzTgzdz
pdzpm 0K M B g Tzd zhd zz
大气湍流对红外的影响_概述及解释说明
大气湍流对红外的影响概述及解释说明1. 引言1.1 概述大气湍流是指大气中存在的一种不规则、无序而且具有随机性的气体运动现象，其对红外辐射的传输产生了重要影响。
红外辐射在军事、航空航天、气象等领域应用广泛，因此了解大气湍流对红外辐射传输的影响机制对于优化红外成像系统的设计和提高其性能至关重要。
1.2 文章结构本文将从以下几个方面对大气湍流对红外辐射的影响进行深入研究。
首先，我们将介绍大气湍流概念及其特征，并讨论导致湍流形成的因素。
接着，我们将探讨红外辐射的基本特性以及在不同波长区域和应用领域中所具有的潜力。
然后，我们将说明红外传感器工作原理以及其在红外成像系统中的应用。
通过以上内容的铺垫，我们将详细介绍目前关于大气湍流对红外辐射影响机制研究的最新进展，包括温度涨落效应、折射率涨落效应以及散焦与模糊效应等方面，并总结当前存在的挑战和问题。
最后，我们将对现有解决方案进行分析并评估其优缺点，并展望未来研究方向和发展趋势。
1.3 目的本文旨在全面概述大气湍流对红外辐射的影响，并深入解释其影响机制。
通过对国内外相关研究成果的综述和分析，可以为红外成像系统的设计和性能提升提供参考，并为未来相关研究提出新的创新思路和方向。
2. 大气湍流概述:2.1 定义与特征:大气湍流是指在大气层中存在的一种不规则运动现象，具有随机性和不可预测性。
它是由于大气中温度、湿度、风向等因素的变化引起的。
大气湍流通常表现为空气的快速混合和乱流运动，导致空间和时间上的非均匀性。
大气湍流具有以下主要特征：- 无规则性: 大气湍流运动没有明确的周期性或规律性，其运动模式会不断变化。
- 尺度范围广: 大气湍流可以出现在非常小的尺度（例如微观颗粒周围）到非常大的尺度（例如行星尺度）之间。
- 能量耗散: 大气湍流会使空气能量从大尺度逐渐转移到小尺度，并最终以热能形式耗散掉。
2.2 影响因素:多个因素会影响大气湍流的生成和发展，其中包括：- 空间和时间上的温度差异: 温度差异会导致空气密度不均匀，从而产生湍流运动。
红外辐射度学基础概述
通过使用扫描仪对目标物体进行扫描，并记录每 个点的红外辐射强度。这种方法可以用于大面积 的目标物体测量。
遥感测量法
通过使用卫星或飞机搭载的红外探测器对地球表 面进行遥感测量，可以获取大面积的红外辐射数 据。
红外辐射测量的误差分析
探测器误差
01
由于探测器的响应特性、噪声和稳定性等因素，可能导致测量
详细描述
一切温度高于绝对零度的物体都会产生热辐射，其中红外辐射占据主要部分。物体的温度越高，其发射的红外辐 射的能量越大，波长越短。红外辐射在真空中传播速度与光速相同，约为3×10^8米/秒。在非真空环境中，红外 辐射可以穿透某些介质，如大气、烟雾等，传播距离受到介质特性的影响。
02 红外辐射度量学基础
红外辐射度学基础概述
目录
• 红外辐射的基本概念 • 红外辐射度量学基础 • 红外辐射的探测与测量 • 红外辐射的应用领域 • 红外辐射度学的未来发展
01 红外辐射的基本概念
红外辐射的定义
总结词
红外辐射是指波长介于可见光和微波 之间的电磁波，通常在0.75~1000μm 的波长范围内。
详细描述
红外辐射是电磁波的一种，其波长比 可见光长，比微波短。它不能被人眼 直接观察到，但可以通过特定的传感 器进行检测和测量。
大气污染监测
通过检测大气中污染物的红外光谱特征，分析污染物的种类和浓 度。
气候变化研究
利用卫星遥感技术监测地球表面温度和大气成分的红外辐射特征， 研究气候变化规律。
生物多样性保护
通过红外相机监测野生动物的活动和种群分布，为生物多样性保 护提供科学依据。
05 红外辐射度学的未来发展
新型红外探测技术的发展趋势
光子探测器
第六章 冠层反射率模型-辐射传输
8/11 植被遥感传输理论的三个里程碑成果：
• 1950年，Chandrasekhar给出辐射传输方程的具体表达式， 并在大气和核物理等研究领域迅速得到应用和发展。 • 1953年，门司正三和佐伯敏郎（Monsi and Saeki）从实 测测定和理论推导两方面建立了光强对叶面积的依赖关系。 其中所采用的理论就是辐射传输的基本定律—BeerLambert消光定律，从而开始了用辐射传输理论对植被冠 层的研究。 • 1975年，在总结前人多年工作的基础上，Ross出版了他 的论著（俄文版），正式确定了植被内部的辐射传输方程， 进而建立植被光学特性和结构特性与辐射场之间的关系。
下标 L 表示 leaf。 uL(z)对dz在 0-H 区域积分，等于？
3/12 对于叶面积密度分布，存在：
H
0
uL (z )dz L0
式中积分上限H为植被冠层深度，z的取向向下（即z=0为 植被上界，z=H为植被下界），L0为叶面积指数（无单位
量纲），是农学、植被生态学中最重要、最常用的参数。
a(θv,υv)
a(θi,υi)
O(θi,θv,υ)
7/11
辐射传输模型
植被遥感接收的信息是植被上界的出射辐射（不考 虑大气影响），它是辐射在植被—土壤耦合体系中 多次散射和吸收的结果，而辐射传输理论可以比较 系统、较完整地描述该过程。通过辐射传输理论， 我们可以准确地计算植被上界的出射辐射量，或根 据这一信息反演植被的光学特性和结构特性，因而 从理论的高度解决了植被遥感的定量化问题。同时 在解决问题的过程中，还可以借鉴许多辐射传输理 论的最新进展和突破，从而将使这一领域充满活力。 , L )d L 1
式中积分区域 2π+ 为上半球空间，这是因为叶片只 能计算单面。对于平面平行假设，存在 gL(r, ΩL) = gL(z, ΩL) 。 叶片在2π+空间均匀分布时， g (z, Ω ) = ?
红外与光电系统手册
红外与光电系统手册全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：红外与光电系统手册红外和光电系统是一种常用的技术，用于检测、识别和监控目标物体。
这种系统利用红外辐射和光电信号来实现各种功能，例如安防监控、物体检测、无人机导航等。
本手册将介绍红外与光电系统的工作原理、应用领域以及常见问题的解决方法，帮助读者更好地了解和应用这种技术。
一、红外系统的工作原理红外系统利用电磁波在空气中传播的特性来实现目标探测和识别。
红外辐射是一种电磁波，具有热量较高的物体会发出更多的红外辐射，而冷物体则发出较少的红外辐射。
通过检测目标物体发出的红外辐射强度和频率，可以判断目标的性质、温度和位置。
光电系统利用光电传感器和光源来进行目标检测和识别。
光源发出光束，光束射中目标，被目标反射或吸收，然后通过光电传感器接收反射光束的信号，进行信号处理和分析，从而实现目标的探测和识别。
红外与光电系统广泛应用于各种领域，包括安防监控、智能家居、医疗健康等。
在安防监控领域，红外系统可以实现夜视、烟雾检测、人体检测等功能；在智能家居领域，光电系统可以实现智能灯光控制、窗帘控制等功能；在医疗健康领域，红外系统可以实现体温检测、心率监测等功能。
四、红外与光电系统的常见问题与解决方法在使用红外与光电系统时，可能会遇到一些常见问题，例如信号干扰、检测距离不足、系统故障等。
对于这些问题，可以采取以下解决方法：1.信号干扰：可以采用屏蔽和滤波技术，减少外部电磁干扰对系统信号的影响；2.检测距离不足：可以调整系统的功率和灵敏度，增加光源的亮度和光电传感器的接收灵敏度，以提高系统的检测距离；3.系统故障：可以通过重启系统、更换部件等方式，解决系统故障问题。
总结第二篇示例：【红外与光电系统手册】一、概述红外与光电系统是一种利用红外线和光电技术进行监视、检测和控制的系统。
它通常由红外传感器、光电探测器、信号处理器和执行器等组成，广泛应用于安防监控、智能家居、工业生产等领域。
红外辐射大气透过率研究综述
红外辐射大气透过率研究综述红外辐射大气透过率研究综述摘要：红外辐射大气透过率的研究是大气科学领域中的关键问题之一。
本文主要综述了红外辐射大气透过率的研究现状和发展趋势。
首先介绍了红外辐射的基本概念和特点，然后分析了大气中影响红外辐射传播的主要因素，包括水汽、二氧化碳和臭氧等。
接着，总结了红外辐射大气透过率的测量方法和实验装置，包括遥感技术和地面观测。
最后，展望了红外辐射大气透过率研究的未来发展方向，包括提高测量精度、研究大气光学窗口和大气红外辐射传输模型等。
关键词：红外辐射；大气透过率；水汽；二氧化碳；臭氧；测量方法；发展趋势一、引言红外辐射是电磁波谱中的一部分，波长范围通常从红外线的可见边界1 μm延伸到300 μm。
在大气科学中，研究红外辐射的传输和透过率对于理解地球大气系统的能量平衡和气候变化具有重要意义。
由于地球表面和大气中的物体都会辐射出红外辐射能量，因此红外辐射的传输和透过率会受到大气中各种因素的影响。
二、红外辐射大气传输机制大气中的主要成分对红外辐射的透过率有着显著影响。
水汽是大气中最重要的成分之一，它对红外辐射的传输起着关键作用。
由于水汽分子的振动-旋转吸收能力较强，特别是在特定波长范围内，因此水汽对红外辐射的透过率较低。
在中红外波段，水汽吸收特性相对较强，所以该波段的透过率相对较低。
二氧化碳是另一个重要的大气成分，其吸收红外辐射主要集中在近红外和中红外波段。
相对于水汽，二氧化碳的吸收能力较弱，但其浓度的增加会导致红外辐射的传输衰减。
臭氧也对红外辐射的传输起到一定的影响，特别是在远红外波段。
三、红外辐射大气透过率的测量测量红外辐射大气透过率的主要方法包括遥感技术和地面观测。
遥感技术通过卫星或飞机平台上搭载的传感器来获取大气透过率的遥感信息。
这种方法可以覆盖广阔的区域，并能够获得较长时间尺度上的变化趋势。
地面观测则通过在地面安装测量设备，如红外辐射仪、光谱仪等，来获取局地地区的透过率信息。
第六章 红外辐射在大气中的传输
n0 S D nco2 x Sdx 0 nco2 x dx 0 n0 ：二氧化碳在标准状态下的分子数密度。
X
1 D n0
X
2
X
m0 Mn
D
1
0co
2
0
co x dx
根据理想气体物态方程，在标准状态下：p0
在x点，二氧化碳的分压强也应该满足：
n0 K BT0
温度梯度:7K/km
0到10公里高度温度从300K降至220K。
对流层的主要特征：
i)温度随高度升高而降低。地面能吸收太阳辐射 的短波部分而升温并放出长波辐射，大气通过吸收地 面的长波辐射和通过对流方式从地面吸收热量升温， 因而越接近地面的大气得到的热量越多，造成对流层 的气温随高度升高而降低。 ii)有强烈的垂直混合。低层空气由于从地面得到 热量使之受热上升，高层冷空气下沉，从而造成对流 层内存在强烈的垂直混合作用。 iii)气象要素水平分布不均匀。由于各地纬度和 地表性质的差异，地面上空空气在水平方向上具有不 同物理属性，压、温、湿等要素水平分布不均匀，从 而产生各种天气过程和天气变化。
二，气溶胶
气溶胶：以液体或固体为分散相和气体为分散介质形 成的溶胶称为气溶胶，亦称气体分散胶体。 比如，雾是水滴分散在空气中的气溶胶，烟是固 体粒于分散在空气中的气溶胶等。 大气中含有悬浮的尘埃、液滴、冰晶等固体或液 体微粒状气溶胶。大气中的气溶胶和环境污染有密切 的关系。 气溶胶会造成辐射的散射衰减。
例外：20公里左右存在一个气溶胶层～0.1
§6.5 大气的吸收衰减
一.大气的辐射透射特性
朗伯定律：
P R Pi 0e
K R
Pi 0
x0
红外探测原理及其应用
1800年，英国物理学家F.W.赫胥尔从热的观点来研究各种色光时，发现了 一种看不见的“热线”，由于这种“热线”出现于红光的外侧，因此人们 称之为红外线，也叫红外辐射。
红外辐射本质是一种电磁波辐射。温度在绝对零度以上的物体，都会因自 身的分子和原子运动而辐射出红外线。分子和原子的运动愈剧烈，辐射的 能量愈大，反之，辐射的能量愈小。
红外探测器技术的发展历史
30年代，首次出现红外光谱仪，以后，它发展成在物质分析中不可缺少的仪器。
红外探测器技术的发展历史
·40年代初，光电型红外探测器问世，以硫化铅红外探测器为代表的这类探测器，其性能优良、结构牢靠。 ·50年代，半导体物理学的迅速发展，使光电型红外探测器得到新的推动。 ·到60年初期，对于1～3、3～5和8～13微米三个重要的大气窗口都有了性能优良的红外探测器
点击输入标题
热电偶和热电堆
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热电偶和热电堆常用来测量温度，应用很广泛。如果热电偶的一个接头受到红外线照射， 就会因吸收辐射功率而温度升高，该接头与电偶的的另一未受到照射的接头之间就会产 生温度差，于是温度不同的两个接头间就会产生电动势。此电动势大小反映出入射的红 外辐射功率大小，这就是热电偶型红外探测器。
物体的温度与辐射波长呈反比关系（维恩位移定律）
目标特性与背景特性
Part One
➢ 在应用中，红外探测需要有更高的灵敏度和更强的识别功能，能从复杂的背景中 分辨出目标，了解目标和背景的辐射特性对于红外探测系统的设计来说是至关重 要的。
➢ 目标的红外辐射特性是系统选择红外波段的主要依据。选择波段要根据目标的温 度不同来选择恰当的大气窗口进行探测。因而红外系统对波段的选择需要综合权 衡，不单要了解其温度、辐射系数，还要进一步分析、测试其光谱特征。
大气中的热红外辐射传输[精选课件
01
热红外辐射在大气中传播时，会 受到气体分子和气溶胶的吸收、 散射和再辐射作用，导致能量逐 渐衰减。
02
衰减程度取决于大气组成、气溶 胶浓度、云层覆盖等因素。在计 算热红外辐射传输时，需要考虑 这些因素对衰减的影响。
04 热红外遥感在大气探测中的应用
CHAPTER
热红外遥感的基本原理
热红外遥感通过接收地球表面和大气热辐射的红外辐射，利用遥感器将 这些辐射转换为可测量的电信号，再通过数据处理和分析，实现对地球 表面和大气的探测。
特性
热红外辐射的强度与物体的温度 四次方成正比，不同温度的物体 发射的红外辐射有明显差异。
热红外辐射在大气中的传输过程
01
02
03
吸收
大气中的气体分子和气溶 胶粒子能够吸收部分热红 外辐射。
散射
大气中的气体分子和气溶 胶粒子能够散射热红外辐 射。
透射
热红外辐射在穿越大气层 时，部分能量会被大气吸 收和散射，只有部分能够 透过大气层到达地表。
研究发现，水汽、二氧化碳、臭氧等成分对热红外辐射的吸收和散射作
用是影响大气中热红外辐射传输的主要因素。
03
热红外辐射在气候变化研究中的应用
热红外辐射传输的研究对于理解气候变化具有重要的意义，通过研究热
红外辐射的传输机制，可以进一步揭示气候变化的内在机制。
未来研究方向与挑战
提高模型的精度和适用范围
未来需要进一步改进和完善热红外辐射传输模型，提高模型的模拟精度，扩大模型的适 用范围。
湿度梯度
湿度梯度影响水汽的分布和扩散，进 而影响热红外辐射在大气中的传输和 能量平衡。
03 热红外辐射在大气中的传输模型
CHAPTER
定量遥感-第六章热红外定量遥感
20
§6.2 热红外辐射在大气中的传输
2. 热红外辐射的大气传输方程
通过大气中某一水平面的长波辐射通量密度 F 应当由该面 上的辐射亮度 L 对半球空间积分求得，即：
F d
0
2
/2
0
L ( , ) cos sind
3. 比辐射率获取
2001/04/21 08:00
2001/04/21 10:00
2001/04/21 12:00
2001/04/21 14:00
2001/04/21 16:00
2001/04/21 18:00
2001/04/21 20:00
2001/04/22 00:00
12
冬小麦辐射方向性分布变化
§6.4 陆面温度反演
17
§6.2 热红外辐射在大气中的传输
1. 大气热红外辐射的性质
• 吸收
H2O 吸收带 CO2 吸收带 O3 吸收带
6.3微米
4.3微米、15微米 9.6微米
大气的长波辐射性质很复杂， 不仅与吸收物质分布有关，而且 与大气温度、压力有关。
大气在14微米以上，可以看成是近于黑体。 地面14微米以上的远红外辐射，不能透过大气 传向空间。
40可选 85.92
美国 美国 美国
10 90 90 100
8.2-12.7 2.5-7.0 6.0-14.5 1.0-5.2
始于1993年 始于1989年 始于1993年
70 1.3 0.7
2.0 0.5 0.77
16
第六章 热红外定量遥感
§6.1 热红外遥感基本定律 §6.2 热红外辐射在大气中的传输 §6.3 海面温度反演
第六章 冠层反射率模型-辐射传输 ppt课件
分布可以看成均一分布；而植被则在三维空间上均有
变化，植被个体间往往存在一不定期的间隙，造成其
在水平面上的不连续性，因而使问题复杂化。在本节
中，我们考虑连续植被分布，或者植被个体间虽有间
断，但却均匀分布（其体现的效果相当于个体密度之
和在整个平面上的平均），这时植被叶片密度呈平面
平行分布。这种假设符合农作物、自然草场以及一些
ppt课件
3
3/11
在研究植被等地物的光谱特征时，人们逐渐发现了“同物 异谱、异物同谱”的现象，地面测量的光谱曲线与实际遥 感测量的光谱曲线很难一一对应。研究者考虑到这种现象 可能是混合象元引起的，于是引进了混合象元模型及其求 解方法。在混合象元中，植被的反射率是已知的。
但是实际上，由于植被反射率是由叶片、下层土壤等形成 的综合因素，即植被区域不是一个平面刚体，辐射是可以 穿过冠层表面的，通过各种散射后，再从冠层上界逸出， 被传感器所接收。因而形成冠层反射率模型。
ppt课G件1(z, ' )
21
11/12
比较函数与P函数，前者更具有直接的物理意义、更简单， 而后者则更规范。目前的植被辐射传输问题更普遍采用的 还是函数。
当然，由于相互融合，两类模型现在已经区分不明显了， 即以几何光学为基础的模型加入了对多次散射的考虑，而 以辐射传输为基础的模型加入了对热点现象的考虑。
ppt课件
6
6/11
热点 (hot spot) 现象
所谓热点(hot spot)现象，即当传感器与太阳位于同 一方向时，传感器所接收的地面辐射最强（地面反 射率最大、地面光强最强、最热）。 几何光学模型可以较好地解释热点现象。
K e[a(i,i) a(v,v)O(i,v,)] G
6第六章 红外辐射在大气中的传输
对于同一目标来说，当它距观察点的距离为x时， 那么观察者所看到的目标与背景的对比度为
Cx
Ltx Lbx Lbx
式中Ltx为观察者所看到的目标亮度；Lbx为背景亮 度
当x=V处的亮度对比度CV与x=0处的对比度 亮度C0的比值恰好等于2%时，这时的距离V 称为气象视距，即
CV (Ltv Lbv ) / Lbv 0.02
s (0 ,V )
Ltv Lt 0
e s (0 )V
(6-183)
由上面两式可得到
所以可以得到在波长λ0处，散射系数和气象 视程的关系为
ln s (0 ,V ) s (0 )V ln 0.02 3.91
上式即为视程方程式，V是长度单位，与 µS(λ0)相适应即可。
V 3.91
s (0 )
求：只考虑散射，计算在3.5~4.0µm光谱 带的平均大气透射率。
计算大气透射率
气象条件：海平面水平路程5km，气象视 程在V=27km（0.在61m ） 处，水蒸气含量 相当于5mm可降水量，考虑二氧化碳和水 蒸气的影响，计算 4.5m 附近光谱带的平均 大气透射率。（e取2.72）
6.9大气红外辐射传输计算软件介绍
6.7 大气透射率的计算举例
1 大气透射率的计算步骤 在实际大气中，尤其是在地表附近几千米的大气
第六章-红外辐射在大气中的传输
二，气溶胶
气溶胶：以液体或固体为分散相和气体为分散介质形 成的溶胶称为气溶胶，亦称气体分散胶体。
比如，雾是水滴分散在空气中的气溶胶，烟是固 体粒于分散在空气中的气溶胶等。
大气中含有悬浮的尘埃、液滴、冰晶等固体或液 体微粒状气溶胶。大气中的气溶胶和环境污染有密切 的关系。
气溶胶会造成辐射的散射衰减。
C
t。 Wm
15.1 106.3 2.6
16.5 106.3 2.4
比云雾更大的水滴就是雨滴：102~104微米
一.气溶胶尺度谱
散射粒子浓度和粒子大小的关系叫气溶胶尺度谱, 辐射传输中常用的气溶胶尺度谱模型有三种:
（1）Diermendjian模型
dNr ar exp br
dr
r:粒子半径； dN(r):r到r＋dr的粒子数浓度；
a:和总的粒子数浓度相关的参数； b、、 ：不同情况下的成形常数。
二，大气压强
p dpS zSdzgz pS
dp zgzdz
p dp
z m0Mnz
M ：大气的平均分子量
S
z dz
m0 ：原子质量单位
根据理想气体物态方程：
pV NKBT
p
nz pz
K BT
dp m0Mnzgzdz
dp
m0M
pz
K BT
gzdz
dp
pz
m0Mgz
K BT
dz
dz
hz
55到80公里高度温度从270K降至180K左右。
4.热层
这一层温度又随高度升高而增加，因为热层的分子 氧和原子氧能吸收太阳紫外辐射。但由于分子稀少很难 有对流运动，热传导率很小，造成巨大温度梯度和昼夜 温差，白天太阳活动期温度高达2000k，夜间太阳宁 静期仅500k。热层空气处于高度的电离状态。热层上 部由于空气稀薄，大气粒子很少互相碰撞，高速运动的 空气分子可能克服地球引力，向星际空间逃逸，又称逸 散层。
黑体辐射理论、黑体辐射理论以及红外微光探测理论的研究
摘要自然界一切温度都高于绝对零度的物体（物质）无不在每时每刻产生着红外辐射，且这种辐射都载有物体的特征信息。
本文第一部分介绍了黑体和黑体辐射，讨论了黑体的辐射规律，即基尔霍夫辐射定律、维恩位移定律、瑞利—金斯公式、普朗克定律、斯蒂藩—玻尔兹曼定律；第二部分讨论了红外传输理论，即红外辐射在大气中传输时发生衰减的物理起因和余弦定律；第三部分介绍了微光及微光探测理论，主要解释了发射率和实际物体的辐射。
关键词：黑体黑体辐射黑体辐射红外微光探测目录摘要 (I)第一章序言 (1)第二章黑体辐射理论 (2)2.1黑体和黑体辐射 (2)2.2基尔霍夫辐射定律 (3)2.3维恩位移定律 (6)2.4瑞利—金斯公式 (9)2.5普朗克公式 (9)2.6 Stefan-Boltzmann定律 (11)第三章红外传输理论 (13)3.1红外辐射在大气中的传输 (13)3.2Lambert定律 (13)第四章红外与微光探测理论 (16)4.1实际物体的辐射力 (16)4.2实际物体的定向辐射强度 (16)4.3物体发射率的一般变化规律 (18)4.4灰体的概念及其工程应用 (19)第五章结论 (20)参考文献 (21)第一章 序言自从英国天文学家赫谢耳（Herschel ）在1800年发现红外线以来，随着红外辐射理论、红外探测器、红外光学以及红外探测及跟踪系统等的发展，红外技术在国民经济、国防和科学研究中得到了广泛的应用，已成为现代光电子技术的重要组成部分，受到世界各国的普遍关注。
其中研究热辐射的基本规律是红外物理的基本内容，本文首先讨论任意物体在热平衡条件下的辐射规律，即基尔霍夫定律。
接着讨论黑体的辐射规律，即基尔霍夫辐射定律、维恩位移定律、瑞利—金斯公式、普朗克定律、斯蒂藩—玻尔兹曼定律。
基尔霍夫定律是热辐射理论的基础之一。
它不仅把物体的发射与吸收联系起来，而且好指出了一个好的吸收体必然是一个好的发射体。
普朗克公式在近代物理发展中占有极其重要的地位。
大气的受热过程知识点
大气的受热过程知识点大气的受热过程是指太阳辐射能量进入地球大气层并被大气吸收、传递和释放的过程。
这一过程对于地球的气温和气候变化起着关键作用。
下面将介绍一些与大气受热过程相关的知识点。
1. 辐射传输太阳辐射是指太阳发出的电磁波能量，其中包括可见光、紫外线和红外线等。
这些辐射通过传输方式从太阳到达地球大气层。
当太阳辐射到达地球表面时，一部分被反射回太空，一部分被地表吸收，另一部分则穿过大气层直接传输到地面。
2. 吸收和散射当太阳辐射进入大气层后，其中的一部分被大气成分如氧气、二氧化碳、水蒸气等吸收。
吸收的能量将使大气层加热。
同时，大气中的微粒也能够对太阳辐射进行散射，将能量传递给周围的空气颗粒。
3. 温室效应温室效应是大气受热过程的重要现象之一。
地球上的大气层中存在温室气体，如水蒸气、二氧化碳、甲烷等。
这些气体能够吸收大气中的红外辐射并将其重新辐射到地球表面，使得地球表面温度升高。
温室效应在一定程度上维持了地球的适宜气温，并对维持生命的存在起着重要作用。
4. 对流传输大气中的对流是指由温度和密度不同引起的气体的垂直运动。
太阳辐射在地球表面加热空气，使其变得较轻且容易升起。
升起的空气在高空冷却后下沉，形成对流循环。
这种对流循环在大气中传递能量，并将热量从表层向高层和深层传输。
5. 水循环大气的受热过程与水循环密切相关。
太阳辐射加热地表水，使其蒸发成水蒸气。
水蒸气上升到大气中，当遇到冷空气层时冷却凝结成云，最终形成降水。
降水过程中释放出的能量会影响大气温度和湿度的分布。
6. 辐射平衡在一段时间内，地球接收太阳辐射总能量与地球向太空辐射总能量之间要达到平衡。
这种平衡称为辐射平衡。
太阳辐射主要通过各种辐射过程加热地球大气层和地表，而地球向太空辐射则通过红外辐射释放。
总结起来，大气的受热过程是一个相互联系的复杂系统，涉及辐射传输、吸收和散射、温室效应、对流传输、水循环等多个过程。
这些过程共同决定着地球大气层和地表的温度分布和气候变化。
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高度 km 0
标高 km 8.5
高度 km 40
标高 km 7.8
10
20
7.8
6.3
50
60
8.1
7.6
30
6.8
70
6.5
三.大气密度
根据理想气体物态方程：
p0 n0 （标准状态） K BT0 p z T0 n z n0 p0 T z
p z T0 z 0 p0 T z
1.描述水蒸气含量的一些物理量：
⑴ 水蒸气压强pw : 就是大气中水蒸气的分压强。
⑵ 绝对湿度ρ w : 单位体积空气中所含有的水蒸气的质量，单位为 g/m3。也就是水蒸气在空气中的密度。
⑶ 饱和水蒸气压ps : 水蒸气在某一温度下开始发生液化时的压强，称 为水蒸气在该温度下的饱和水蒸气压，也就是饱和状 态下水蒸气的分压强，它只是温度的函数。 ⑷ 饱和水蒸气量ρs : 即饱和水蒸气密度，只与温度有关。
二，大气压强
p dpS z Sdzg z pS dp z g z dz p dp S z m0 Mnz dz z ：大气的平均分子量 M
m0
：原子质量单位 根据理想气体物态方程：
p
pz n z K BT
§6.1 地球大气的基本组成
一.气体的气体组成
主要气体：78%的氮气 21%的氧气 微量气体： 氩（Ar）、二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)、 一氧化二氮(N2O)、甲烷(CH4)、臭氧(O3)、 水蒸汽(H2O)等。 这些气体并不总是中性的，在太阳辐射的作用下 在90km以上还有离子和电子存在。 大气气体对辐射有吸收衰减和散射衰减的作用。
⑸ 相对湿度RH : 空气试样中水蒸气的含量和同温度下该空气试样 达到饱和状态时的水蒸气含量的比值，用百分数表示。
⑹ 露点温度: 露点温度是给定空气试样变成饱和状态时的温度。
w pw RH s ps
2，可凝结水量W
在辐射传播方向上，和辐射束有相同截面、以辐 射传播距离为长度的体积内，所含有的水蒸汽折合成 液态水层的厚度。
温度梯度:7K/km
0到10公里高度温度从300K降至220K。
对流层的主要特征：
i)温度随高度升高而降低。地面能吸收太阳辐射 的短波部分而升温并放出长波辐射，大气通过吸收地 面的长波辐射和通过对流方式从地面吸收热量升温， 因而越接近地面的大气得到的热量越多，造成对流层 的气温随高度升高而降低。 ii)有强烈的垂直混合。低层空气由于从地面得到 热量使之受热上升，高层冷空气下沉，从而造成对流 层内存在强烈的垂直混合作用。 iii)气象要素水平分布不均匀。由于各地纬度和 地表性质的差异，地面上空空气在水平方向上具有不 同物理属性，压、温、湿等要素水平分布不均匀，从 而产生各种天气过程和天气变化。
水SW w x Sdx
2.平流层
对流层顶10km向上到55公里左右为平流层。
平流层下部温度随高度变化很小（等温层）。
平流层上部因为存在臭氧层(22─35公里处)， 臭氧吸收太阳紫外辐射使大气温度增加。 平流层大气温度下部冷上部热，使大气有相对稳定 的结构。对流很弱，空气大多作水平运动，平流层中水 汽和尘埃很少，也没有对流层中的云和天气现象。 等温层温度大约220K
dp m0 Mnz g z dz
pz pz0 e
z z0 h z
但h(z)不是常数，是随高度变化的量，称为z处的 标高。我们可以认为在一个不大的范围内，标高近似地 可以看成常数，于是我们就可以利用刚才的压强公式：
pz pz0 e
z z0 h z
20到55公里高度温度从220 K上升到270K左右。
3.中间层
中间层：55到80公里。大气温度随高度递减，水 汽极少，有相当强的垂直混合（类似于对流层），60 公里以上大气分子开始电离，电离层的底就在中层内。 55到80公里高度温度从270K降至180K左右。
4.热层
这一层温度又随高度升高而增加，因为热层的分子 氧和原子氧能吸收太阳紫外辐射。但由于分子稀少很难 有对流运动，热传导率很小，造成巨大温度梯度和昼夜 温差，白天太阳活动期温度高达2000k，夜间太阳宁 静期仅500k。热层空气处于高度的电离状态。热层上 部由于空气稀薄，大气粒子很少互相碰撞，高速运动的 空气分子可能克服地球引力，向星际空间逃逸，又称逸 散层。
pV dz pz K BT h z K BT 其中 h z ,如果把h(z)看成常数： m0 Mg z
z z0 pz ln p0 h z
pz dp m0 M g z dz K BT
二，气溶胶
气溶胶：以液体或固体为分散相和气体为分散介质形 成的溶胶称为气溶胶，亦称气体分散胶体。 比如，雾是水滴分散在空气中的气溶胶，烟是固 体粒于分散在空气中的气溶胶等。 大气中含有悬浮的尘埃、液滴、冰晶等固体或液 体微粒状气溶胶。大气中的气溶胶和环境污染有密切 的关系。 气溶胶会造成辐射的散射衰减。
pz n z K BT
其中
0 m0 M 是标准状态下的大气密度。
严格的大气状况应以实际测量值为准。
§6.3 大气中的主要吸收气体
大气中的主要吸收气体有水蒸气、二氧化碳、和 臭氧等。
一，水蒸汽
水蒸气在大气的低层中的含量较高，是对红外辐 射传输影响较大的一种大气成分。水蒸气分子对红外 辐射有强烈的选择吸收作用。
气溶胶的产生和消除
气溶胶按其来源可分为：
一次气溶胶（以微粒形式直接从发生源进入大气）
二次气溶胶（在大气中由一次污染物转化而生成）
气溶胶的消除： 主要靠大气的降水、小粒子间的碰并、凝聚、聚合和 沉降过程。
§6.2 大气的气象条件
一，大气温度
1.对流层 对流层顶的平均高度 10km，几乎集中了大气 质量的80％以及全部水汽、 云和降水，主要天气现象 和过程如寒潮、台风、雷 雨、闪电等都发生在 这一 层。