第一章 红外辐射0

可见辐亮度与观测者所在的方位角有关. 可见辐亮度与观测者所在的方位角有关.
根据辐亮度的定义,源面上的小面积元A在θ方 根据辐亮度的定义,源面上的小面积元 在 方 向上的小立体角 内发射的辐射功率为 向上的小立体角
2 P = L cos θA
dA向半球空间(2π球面度)发射的辐射功率为 向半球空间( 球面度 球面度) 向半球空间
– 热成像的工作区域(人体热辐射波长 热成像的工作区域 人体热辐射波长10um) 人体热辐射波长
Far infrared(FIR,IR-C):15um~1000um , :
1.2 基本辐射量与光谱辐射量
1.2.1 基本辐射量
– 以电磁波形式传播的能量称为辐射能,用Q 以电磁波形式传播的能量称为辐射能, 表示,单位为[焦耳] 表示,单位为[焦耳]. –红外探测器响应的往往是辐射能相对于时 红外探测器响应的往往是辐射能相对于时 间的速率,称为辐射功率( 间的速率,称为辐射功率(P). –辐射功率以及由它派生出来的几个辐射度 辐射功率以及由它派生出来的几个辐射度 学的物理量,属于基本辐射量. 学的物理量,属于基本辐射量.
M λ (T ) = α (λ , T ) Eλ (T )
– 其中 其中α(λ, T)为物体的吸收率. 为物体的吸收率. 为物体的吸收率 – 为了研究物体的辐射特性,提出了黑体的概 为了研究物体的辐射特性, 即对于理想黑体α(λ, T)=α=1 . 念,即对于理想黑体
– 红外调制
红外调制的方法及分类. 红外调制的方法及分类.
参考文献: 参考文献:
– – – – – – – 1,《红外物理学》,张幼文. , 红外物理学》 张幼文. 2,《红外光学工程》,陈衡. , 红外光学工程》 陈衡. 3,《光电检测技术》,罗先和等. , 光电检测技术》 罗先和等. 4,《光电检测技术》,雷玉堂等. , 光电检测技术》 雷玉堂等. 5,《红外光谱法》,董庆年. , 红外光谱法》 董庆年. 6,《红外系统》,杨宜禾等. , 红外系统》 杨宜禾等. 7,《红外辐射测量基础》,周书铨. , 红外辐射测量基础》 周书铨.
小面源上的L可以看成是相同的, 小面源上的 可以看成是相同的, 可以看成是相同的 则其可以看作是朗伯辐射体. 则其可以看作是朗伯辐射体. 则其上小面元dA辐射功率 则其上小面元 辐射功率 可以表示为
d 2 P = L cos θ dAd
小面源A上的辐射功率为 小面源 上的辐射功率为
dP = L cos θAd
M = lim (
A→ 0
A
)=
A
相应一面辐射源的辐射功率可以表示为
P=
∫
源面积A
MdA
– 三,辐射强度 辐射强度I
点源与扩展源: 点源与扩展源:
– 相对于被观测者 一般指探测器 相对于被观测者(一般指探测器 一般指探测器) 的张角很小的辐射源称为点源. 的张角很小的辐射源称为点源. – 相对于被观测者的张角很大的辐 射源称为扩展源. 射源称为扩展源.
L=
E
π
即理想漫反射体的辐亮度等于其辐照度除以π . 即理想漫反射体的辐亮度等于其辐照度除以
ห้องสมุดไป่ตู้
1.3 红外辐射基本定律
1.3.1 基尔霍夫辐射定律 基尔霍夫辐射定律(Kirchhoff's radiation law)
– 在给定温度下,对某一波长来说,物体的吸 在给定温度下,对某一波长来说, 收本领和发射本领的比值与物体本身的性质 无关,对于一切物体都是恒量. 无关,对于一切物体都是恒量.可表示为
– 一,漫辐射源的辐亮度
2 P L = lim =B A→ 0 A cos θ → 0
可见,理想漫辐射源辐亮度是一个与方向无关的 可见, 常量. 常量.
– 二,漫辐射源的辐亮度与辐射度的关系
M =L
(2 )
∫π cos θ d = π L
(请证明本式 请证明本式) 请证明本式
– 三,小面源的 ,L及M的相互关系 小面源的I, 及 的相互关系
二,红外线
– 红外线也是电磁波,其波长范围从0.7微米到 微米到1000微 红外线也是电磁波,其波长范围从 微米到 微 米.
– 分为三个波段: 分为三个波段:
Near-infrared (NIR,IR-A):0.7um~1.4um , :
近红外
– 水吸收窗口,常用于光纤通讯(fiber optics 水吸收窗口,常用于光纤通讯 telecommunication)
P = (
(2 )
∫π
L cos θ d )A
根据辐射度M的定义,有 根据辐射度M的定义,
P M= = ∫ L cos θ d A (2π )
上面给出的几个物理量(辐射度,辐射强度和辐亮度 上面给出的几个物理量 辐射度,辐射强度和辐亮度) 辐射度 都用于表征辐射源的辐射特性. 都用于表征辐射源的辐射特性.
– 五,辐照度 辐照度E
用于表示被照面接收辐射的特性. 用于表示被照面接收辐射的特性. 辐照度是被照表面单位面积上接收的辐射功率. 辐照度是被照表面单位面积上接收的辐射功率. 单位是: 瓦 单位是:[瓦/m2]. . 辐照度E的定义可表示为 辐照度 的定义可表示为 P P E = lim ( ) = A→ 0 A A 辐照度E的大小不仅与在被照面上的 辐照度 的大小不仅与在被照面上的 位置有关, 位置有关,而且还与辐射源的特性及 被照面与源的相对位置有关.如图, 被照面与源的相对位置有关.如图, 两点源s1和 的辐射强度 相同, 的辐射强度I相同 两点源 和s2的辐射强度 相同,它们 在x位置产生的辐照度为 位置产生的辐照度为 P Id 1 I 1 E1 = = 2 = 2 A l d 1 l
根据辐射强度I的定义, 根据辐射强度 的定义,有 的定义
I = dP / d = L cos θA
根据M=πL,则有 , 根据
I=
M
π
cos θA = I 0 cos θ
(朗伯定律的另 朗伯定律的另 一形式) 一形式
– 四,理想漫反射体辐亮度与辐照度的关系
理想漫反射体将辐射到它上面的辐射功率无吸收 和无透射地反射出去. 和无透射地反射出去.所以辐射度等于其表面上 的辐照度, 的辐照度,即M=E. . 根据 根据M=πL,则 ,
– 红外光谱
分子光谱,双原子分子的振—转光谱,多原子分子的红外 分子光谱,双原子分子的振 转光谱 转光谱, 光谱. 光谱.
– 红外线在大气中的传输
大气特性,大气吸收,大气散射. 大气特性,大气吸收,大气散射.
– 红外探测器
红外探测器分类,噪声和性能参数;光子探测器,热探测 红外探测器分类,噪声和性能参数;光子探测器, 检测微弱信号的方法. 器;检测微弱信号的方法.
第一章 红外辐射 (Infrared Radiation, IR)
信息科学与工程学院 冯传胜 Email:fcs@beelink.com
1.1 红外线基本知识 1.2 基本辐射量与光谱辐射量 1.3 红外辐射基本定律
1.1 红外线基本知识
一,红外现象的发现
– 1800年,英国天文学家S.W.赫 年 英国天文学家 赫 歇尔(Sir William Herschel)第 歇尔 第 一次发现红外辐射现象. 一次发现红外辐射现象.
本课程内容
本课程分六章: 本课程分六章:
– 红外辐射
红外辐射的基本概念,辐射物理量和光谱辐射量,基尔霍 红外辐射的基本概念,辐射物理量和光谱辐射量, 夫定律,黑体和普朗克公式,斯蒂芬—玻尔兹曼定律和维 夫定律,黑体和普朗克公式,斯蒂芬 玻尔兹曼定律和维 恩位移定律. 恩位移定律.
– 红外辐射源
黑体等常用辐射源的介绍
P=
发射立体角
∫
Id
– 四,辐亮度 辐亮度L
对于扩展源有辐亮度的概念. 对于扩展源有辐亮度的概念. 辐亮度为扩展源单位面积 在某方向上单位立体角内的 辐射功率. 辐射功率. 单位为: 瓦 球面度)] 单位为: [瓦/(m2球面度 球面度 辐亮度 的定义可表示为 辐亮度L的定义可表示为
2 P 2P 2P L = lim = = A→0 A Aθ A cos θ θ → 0
注意:虽然余弦定律是针对理想漫辐射源的,但 注意:虽然余弦定律是针对理想漫辐射源的, 在实际中很多辐射源在一定范围内具有接近朗伯 余弦定律的辐射规律,如实验用的黑体; 余弦定律的辐射规律,如实验用的黑体;电绝缘 与法线方向小于60度 . 体(与法线方向小于 度). 与法线方向小于
1.2.4 漫辐射源的辐射特性
– 二,辐射度M 辐射度
辐射源单位面积向半球空间(立体角为 发射的辐射功率, 辐射源单位面积向半球空间 立体角为2π)发射的辐射功率, 立体角为 发射的辐射功率 称为辐射源的辐射度.单位为: [瓦/m2]. 称为辐射源的辐射度.单位为: 瓦 . 辐射度 的定义表示为 辐射度M的定义表示为 P P
他做实现时,用热敏探测器发现 他做实现时, 了频率低于红光的" 了频率低于红光的"不可见 (invisible)光",红外线的英语单 光 意思是" 词Infra-red意思是"below red". 意思是 .
– 很长一段时间内,人们主要从 很长一段时间内, 事红外线的本质方面的研究以 及红外光学材料研究, 及红外光学材料研究,随着一 些高灵敏度的探测器的出 现, 红外技术开始走向实用阶 段.
Short wavelength infrared(SWIR,IR-B):1.4um~3um , : Mid-wavelength infrared(MWIR,IR-C):3um~8um , :
中红外 远红外
– 大气窗口,被动式热寻导弹的工作窗口. 大气窗口,被动式热寻导弹的工作窗口.
Long wavelength infrared(LWIR,IR-C):8um~15um infrared(LWIR, IR-C):8um~15um , , : :
– 一,辐射功率P 辐射功率
辐射功率就是单位时间内发射 传输或接收)的辐射能.单 辐射功率就是单位时间内发射(传输或接收 的辐射能 传输或接收 的辐射能. 位为: 瓦 焦耳 焦耳/秒 . 位为:[瓦](焦耳 秒). 辐射功率 的定义表示为 辐射功率P的定义表示为
P = lim(
t → 0
Q Q )= t t
– 光谱辐射功率 λ: 光谱辐射功率P – 光谱辐射度 λ : 光谱辐射度M – 光谱辐射强度 λ : 光谱辐射强度I – 光谱辐亮度 λ : 光谱辐亮度L – 光谱辐照度 λ : 光谱辐照度E
P Pλ = λ M Mλ = λ I Iλ = λ L Lλ = λ E Eλ = λ
[瓦um-1] 瓦
P2 Id 2 I cos θ = 2 = E2 = A l d 1 l2
1.2.2 光谱辐射量
– 前面几个辐射量只考虑了辐射功率的空间分 布特征,并认为这些辐射量包含了波长从0 布特征,并认为这些辐射量包含了波长从 的全部辐射, 到∞ 的全部辐射,所以常把它们叫做全辐 射量. 射量. – 下面给出对辐射的光谱特征的度量. 下面给出对辐射的光谱特征的度量. – 光谱辐射量即波长单位间隔 取波长单位为 光谱辐射量即波长单位间隔(取波长单位为 um)内的辐射度量. 内的辐射度量. 内的辐射度量
[瓦 m-2 um-1] 瓦
[瓦球面度 um-1] 瓦 球面度 球面度-1
[瓦 m-2球面度-1 um-1] 瓦 球面度
[瓦 m-2 um-1] 瓦
1.2.3 朗伯余弦定律 朗伯余弦定律(Lambert's Law)
– 镜面反射体与漫反射体. 镜面反射体与漫反射体. – 理想漫反射体服从朗伯余弦定律: 理想漫反射体服从朗伯余弦定律: 2 P = B cos θA 即理想漫辐射源单位表面积向空间指向方向 (如观测方向 单位立体角内发射 或反射 的 如观测方向)单位立体角内发射 或反射)的 如观测方向 单位立体角内发射(或反射 辐射功率与该指定方向与表面法线夹角的余 弦成正比.其中B是与方向角无关的比例系 弦成正比.其中 是与方向角无关的比例系 数.
点源单位立体角内的辐射功率称为辐射强度.单 点源单位立体角内的辐射功率称为辐射强度. 位为[瓦 球面度 球面度]. 位为 瓦/球面度 . 辐射强度 的定义表示为 辐射强度I的定义表示为 P P I = lim ( )= → 0 它给出了点源发射的辐射功率在某方向上角密度 的度量. 的度量.很明显它与辐射功率的关系还可表示为