光电成像原理与技术第四章辐射在大气中的传输.
光电成像技术玉林师范学院期末考试讲解
光电成像技术玉林师范学院期末考试讲解1.简述：（1）CMOS器件和CCD器件的工作原理上有什么相同点和不同点；答：CMOS图像传感器的光电转换原理与CCD基本相同，其光敏单元受到光照后产生光生电子。
而信号的读出方法却与CCD不同，每个CMOS源像素传感单元都有自己的缓冲放大器，而且可以被单独选址和读出，工作时仅需工作电压信号，而CCD读取信号需要多路外部驱动。
（2）在应用上各自有什么优缺点，以及各自的应用领域是什么？答：优缺点比较：CMOS与CCD图像传感器相比，具有功耗低、摄像系统尺寸小，可将图像处理电路与MOS图像传感器集成在一个芯片上等优点，但其图像质量（特别是低亮度环境下）与系统灵活性与CCD的相比相对较低。
灵敏度代表传感器的光敏单元收集光子产生电荷信号的能力，而CCD灵敏度较CMOS高30%～50%。
电子-电压转换率表示每个信号电子转换为电压信号的大小，由于CMOS在像元中采用高增益低功耗互补放大器结构，其电压转换率略优于CCD。
运用的领域：CMOS传感器在低端成像系统中具有广泛运用，如数码相机，微型和超微型摄像机。
CCD在工业生产中的应用广泛，如冶金部门中的各种管、线轧制过程中的尺寸测量。
（3）全球生产CMOS器件和CCD几件的企业有哪些？分别位于哪些国家，并对先关企业进行简要描述。
2、简要概述《光电成像原理与技术》各章的主要内容，并用自己的语言陈述各章之间的联系（文字在1000字以上）。
答：1.光电成像技术的产生及发展，光电成像对视见光谱域的延伸，光电成像技术的应用范畴，光电成像器件的分类，光电成像器件的特性。
2.人眼的视觉特性与图像探测：人眼的视觉特性与模型，图像探测理论与图像探测方程，目标的探测与识别。
3.辐射源与典型景物辐射：辐射度量及光度量，朗伯辐射体及其辐射特性，黑体辐射定律，辐射源及其特性。
4.辐射在大气中的传输：大气的构成，大气消光及大气窗口，大气吸收和散射的计算，大气消光对光电成像系统性能的影响。
第04讲 大气中的光传输
电子能量：构成分子的原子的电子运动， 分子具有电子能量。
Ee Ev Er
目标识别与成像制导
振动跃迁和转动跃迁
转动能级 10-3——10-4 eV，远红外、微波 振动能级 10-1——10-2 eV，近红外 振动+转动，同振动能级 电子能级跃迁 1 eV，紫外、可见光
目标识别与成像制导
目标识别与成像制导振动跃迁和转动跃迁转动能级103104ev远红外微波振动能级101102ev近红外电子能级跃迁1ev紫外可见光目标识别与成像制导振动跃迁和转动跃迁目标识别与成像制导大气分子对红外光谱的吸收coo的主要吸收带100000001000020000目标识别与成像制导谱线增宽发射中的能量损耗造成的振子振动的阻尼自然增宽吸收分子之间以及吸收与不吸收分子之间相互碰撞产生扰动碰撞增宽各种分子和原子之间的热运动速度差异造成的多普勒效应多谱勒增宽在高层大气中碰撞增宽和多普勒增宽共同起作用在低层大气中20km以下由于气压效应碰撞增宽起主导作用目标识别与成像制导谱线增宽吸收谱线的洛兹线型是大气中红外辐射传输的理论基础吸收系数吸收系数是归一化的理想单色光的波数二分之一极大值处谱线的半宽是气压的函数也是温度的函数谱线的形状因子101327300101标准气压和标准温度随分子类型在范围变动的取值范围约为目标识别与成像制导谱线增宽与洛仑兹廓线相比多普勒廓线在中心区要强得多在ktmc多普勒谱线半宽与绝对温度的平方根成正比目标识别与成像制导对于一个给定的波数和气体成分它对透射比的贡献系由条谱线的吸收系数产生
j 1 N
单色透过率：T exp
目标识别与成像制导
吸收系数的计算
平均波数的谱透射比
在红外辐射传输计算中，在小的谱区间内定义辐射参数具有很大 优越性，普朗克函数的变化就可以忽略不计。
2.1光电测试技术课件：光波在大气中的传播
1、 大气闪烁
光束强度在时间和空间上随机起伏，光强忽大忽小，即 所谓光束强度闪烁。
大气闪烁的幅度特性由接收平面上某点光强I的 对数强度方差来表征
I2 [ln( I / I 0 )] 2 4[ln( A / A0 )] 2 4 2
(2.2-11)
2 式中， 2 可通过理论计算求得，而 I 则可由实际测量得到。
16
2、 光束的弯曲和漂移
在接收平面上，光束中心的投射点（即光斑位 置）以某个统计平均位置为中心，发生快速的随机 性跳动（其频率可由数赫到数十赫），此现象称为 光束漂移。若将光束视为一体，经过若干分钟会发 现，其平均方向明显变化，这种慢漂移亦称为光束 弯曲。 光束弯曲漂移现象亦称天文折射，主要受制于大 气折射率的起伏。弯曲表现为光束统计位置的慢变化， 漂移则是光束围绕其平均位置的快速跳动。
I I
dl
(dB/km)=4.343 (1/km)
图2
2
上式积分后得大气透过率 ：
T I '/ I exp dl
0
L
(2.2-1)
简化为：
T exp( L)
(2.2-2)
描述大气衰减的朗伯定律，表明光强随传输距离的增加呈 指数规律衰减。
3
衰减系数描述了吸收和散射两种独立物理过程对传播光辐 射强度的影响，可表示为 ：
[答]：对某些特定的波长，大气呈现出极为强烈 的吸收。光波几乎无法通过。而对于另外一些波长 的光波，几乎不吸收，根据大的这种选择吸收特 性，一般把近红外区分成八个区段，将透过率较高 的波段称为大气窗口。
光谱位于大气窗口内的光辐射的大气衰减因素主 要有：大气分子的吸收，大气分子散射 ，大气气溶 胶的衰减 。
光电成像原理与技术考试要点概要
光电成像原理与技术考试要点第一章:1. 试述光电成像技术对视见光谱域的延伸以及所受到的限制。
答 :[1]电磁波的波动方程该方程电磁波传递图像信息物空间和像空间的定量关系,通过经典电磁场理论可以处理电磁波全部的成像问题[2]收到的限制:当电磁波的波长增大时,所能获得的图像分辨力将显著降低。
对波长超过毫米量级的电磁波而言,用有限孔径和焦距的成像系统所获得的图像分辨力将会很低。
因此实际上己排除了波长较长的电磁波的成像作用。
目前光电成像对光谱长波阔的延伸仅扩展到亚毫米波成像。
除了衍射造成分辨力下降限制了将长波电磁波用于成像外, 用于成像的电磁波也存在一个短波限。
通常把这个短波限确定在 X 射线 (Roentgen 射线与 y 射线 (Gamma 射线波段。
这是因为波长更短的辐射具有极强的穿透能力,所以,宇宙射线难以在普通条件下聚焦成像。
2. 光电成像技术在哪些领域得到广泛的应用?光电成像技术突破了人眼的哪些限制?答:[1]应用:(1人眼的视觉特性 (2各种辐射源及目标、背景特性 (3大气光学特性对辐射传输的影响 (4成像光学系统 (5光辐射探测器及致冷器 (6信号的电子学处理 (7图像的显示[2]突破了人眼的限制 :(1可以拓展人眼对不可见辐射的接受能力 (2可以拓展人眼对微弱光图像的探测能力 (3可以捕捉人眼无法分辨的细节 (4可以将超快速现象存储下来3. 光电成像器件可分为哪两大类?各有什么特点?答:[1]直视型:用于直接观察的仪器中,器件本身具有图像的转换、增强及显示等部分,可直接显示输出图像,通常使用光电发射效应,也成像管 .[2]电视型:于电视摄像和热成像系统中。
器件本身的功能是完成将二维空间的可见光图像或辐射图像转换成一维时间的视频电信号使用光电发射效应或光电导效应,不直接显示图像 .4. 什么是变像管?什么是像增强器?试比较二者的异同。
答:[1]变像管:接收非可见辐射图像,如红外变像管等,特点是入射图像和出射图像的光谱不同。
大气对激光传输的影响
第19 卷第1 期2007 年3 月光散射学报THE JOUR NAL OF L IGHT SCATTERIN GVol119 No11March1 2007文章编号:100425929 (2007) 0120043206大气对激光传输的影响ΞΞΞ刘波涛(海军工程大学兵器工程学院, 湖北武汉430033)摘要: 本文分析了激光传输过程中大气这一传输介质对其的影响,由大气的成分出发,采用辐射传输理论描述了大气介质的吸收和散射特性,着重分析了其中对辐射影响最大的两种因素,即大气消光和大气湍流。
并建立了大气传输系统的传递函数模型。
最后通过LOWTRAN 模拟软件包对本文所得的模型进行评估。
关键词: 大气传输特性; 大气湍流; 大气消光中图法分类号: TN92911 文献标识码: AThe Attenuation of Laser in the AtmosphereL IU Bo2tao( N av a l U niversit y o f E ngineering , Enginee r ing Instit ution of Weapon ,Hubei Prov . , W u han 430033 , China)Abstract : The attenuation of laser through the atmosphere is analyzed. Atmosphere absorption and scattering are described by radiation propagation theory. We analyze air extinction and air on flow on emphasis which are the most important factors to the absorption of radiation propa2 gation. The atmospheric t ransfer function model is constructed. At last , we evaluate this func2 tion model with the help of LOW TRA N software.Key words : Atmospheric propagation characteristic ; A ir on flow ; Air extinction1 大气的结构与对激光的影响随着光电成像技术的发展,远程摄像应用越来越广泛。
光电成像原理及技术课后题答案
光电成像原理及技术课后题答案第⼀章5.光学成像系统与光电成像系统的成像过程各有什么特点？在光电成像系统性能评价⽅⾯通常从哪⼏⽅⾯考虑？答：a、两者都有光学元件并且其⽬的都是成像。
⽽区别是光电成像系统中多了光电装换器。
b、灵敏度的限制，夜间⽆照明时⼈的视觉能⼒很差；分辨⼒的限制，没有⾜够的视⾓和对⽐度就难以辨认；时间上的限制，变化过去的影像⽆法存留在视觉上；空间上的限制，隔开的空间⼈眼将⽆法观察；光谱上的限制，⼈眼只对电磁波谱中很窄的可见光区感兴趣。
6．反映光电成像系统光电转换能⼒的参数有哪些？表达形式有哪些？答：转换系数：输⼊物理量与输出物理量之间的依从关系。
在直视型光电成像器件⽤于增强可见光图像时，被定义为电镀增益G1，光电灵敏度：或者：8.怎样评价光电成像系统的光学性能？有哪些⽅法和描述⽅式？答，利⽤分辨⼒和光学传递函数来描述。
分辨⼒是以⼈眼作为接收器所判定的极限分辨⼒。
通常⽤光电成像系统在⼀定距离内能够分辨的等宽⿊⽩条纹来表⽰。
光学传递函数：输出图像频谱与输⼊图像频谱之⽐的函数。
对于具有线性及时间、空间不变性成像条件的光电成像过程，完全可以⽤光学传递函数来定量描述其成像特性。
第⼆章6.影响光电成像系统分辨景物细节的主要因素有哪些？答：景物细节的辐射亮度（或单位⾯积的辐射强度）；景物细节对光电成像系统接受孔径的张⾓；景物细节与背景之间的辐射对⽐度。
第三章13.根据物体的辐射发射率可见物体分为哪⼏种类型？答：根据辐射发射率的不同⼀般将辐射体分为三类：⿊体，=1；灰体，<1,与波长⽆关；选择体，<1且随波长和温度⽽变化。
14.试简述⿊体辐射的⼏个定律，并讨论其物理意义。
答：普朗克公式：普朗克公式描述了⿊体辐射的光谱分布规律，是⿊体理论的基础。
斯蒂芬-波尔滋蔓公式：表明⿊体在单位⾯积上单位时间内辐射的总能量与⿊体温度T的四次⽅成正⽐。
维恩位移定律：他表⽰当⿊体的温度升⾼时，其光谱辐射的峰值波长向短波⽅向移动。
光电成像原理与技术教学大纲
《光电成像原理与技术》课程教学大纲课程代码：090642001课程英文名称：The Principle Of Photo-electronic Imaging and Technology课程总学时：32 讲课：32 实验：0 上机：0适用专业：光电信息科学与工程大纲编写（修订）时间：2017.10一、大纲使用说明（一）课程的地位及教学目标本课程是光电信息科学与工程专业的专业选修课。
本课程是一门多学科交叉、理论性和实践性都很强的综合性课程。
通过本课程的学习，可以培养学生运用所学数理知识和方法认识和分析各种光电成像器件工作机理的能力和创新意识，提高学生对光电成像系统整体技术构成的认识，为他们走上工作岗位从事相关工作奠定基础。
通过对本学科新理论、新器件、新系统的介绍，还可以使学生了解本学科的最新发展动态和技术前沿，为将来从事相关领域的研究或工作奠定基础。
（二）知识、能力及技能方面的基本要求1．通过本科程的学习，使学生掌握光电成像器件的基础理论和光电成像技术的基本原理，并在此基础上掌握光电成像系统的结构以及相关的学科和技术。
2．通过本科程的学习，培养学生应用所学习的基础理论和方法，分析光电成像器件各环节的物理过程，理解和认识光电成像系统的结构、各子系统的作用，掌握光电成像技术的基本理论和思想方法等，逐渐形成观察、思考、分析和解决有关理论和实践问题的能力。
（三）实施说明这个教学大纲是根据光电信息科学与工程专业的特点和学科内容要求而编写的，在执行本大纲时应注意以下几点：1. 在授课过程中要由易到难，循序渐进。
重点是物理概念和物理模型的讲解，其次是数学理论与方法的具体应用；2. 可根据实际情况安排各部分的学时，后面的课时分配表仅供参考；3. 对大纲中内容不相关部分可自行安排讲授顺序。
（四）对先修课的要求本课的先修课程：《光电子学》（五）对习题课、实验环节的要求各章内容学习结束后，根据教材内容选择习题，布置习题作业，根据习题的完成质量，随堂讲解各章重点习题，期末总复习全面讲解。
光电成像原理与技术
光电成像原理与技术光电成像的基本原理是利用光敏材料的光电效应，将光信号转化为电信号。
光敏材料是指具有光敏感性的物质，包括光电导体、光电场效应材料和光电子材料等。
当光信号照射到光敏材料时，材料吸收光能，产生电子激发，从而形成电荷分布。
通过引入适当的电场或电势差，电荷分布就可以引起电流。
这样，光信号就被转化为电信号了。
根据光敏材料的不同特性，光电成像技术又可以分为直接式光电成像和间接式光电成像两种。
直接式光电成像技术是指将光信号直接转化为电信号的技术。
其中最常用的是光电导体，如硒鼓和硅光电导体。
硒鼓是一种灵敏度很高的光电导体材料，它在感光过程中形成的电荷分布可以被扫描读出，并转化为视频信号。
硅光电导体则是利用硅材料的光电效应，将光信号转化为电信号。
这类直接式光电成像器件广泛应用于摄像机、望远镜和医学成像设备等领域。
间接式光电成像技术是指将光信号先转化为能量或光的形式，然后再转化为电信号的技术。
其中最常用的是光电场效应材料，如光电耦合器件和光电二极管。
光电耦合器件是将光信号转化为电场信号的器件，它由光敏传感器和场效应管组成，通过光敏传感器将光信号转化为电流信号，再经过场效应管放大和调制，最终得到电信号。
光电二极管则是将光信号转化为电流信号。
这类间接式光电成像器件广泛应用于通信、传感和显示领域。
光电成像技术的发展使得我们能够更好地观察和分析光信号，从而提高了对光信号的解析能力。
现代光电成像技术已经发展到了高分辨率、高灵敏度和高速度的水平，逐渐应用于医学、军事、安防、航空航天等领域。
例如，在医学上，光电成像技术已经广泛应用于X射线摄影、核磁共振成像、超声成像等诊断设备中，大大提高了医学影像的清晰度和准确性。
总之，光电成像原理与技术作为一种将光信号转化为电信号的技术，为我们提供了全新的光学观察和分析手段。
随着科技的不断进步，光电成像技术将继续发挥其在各个领域的重要作用，为我们带来更多的科学发现和生活便利。
光电子技术2.1光波在大气中的传播
I
dl
I'
大气衰减图示
传输距离L后的大气透过率（%）用T表示，应为：
I L dl T exp 0 I0
若在 传输距离L上β为常数，则有：
I T exp L I0
式中，I0和I分别为通过距离L前后的光强。
此式即为描述大气衰减的朗伯定律。
dB / km 4.343 1 / km
1、大气分子的吸收， km
（1）吸收的概念：
吸收电磁辐射是物质的普通性质，是指电磁辐射与物体 作用后，转化为物体的内能。根据吸收的强弱和随波长的变 化，吸收分为两种： ①一般吸收: 在电磁辐射的整个波段内都有吸收，且吸 收率随波长的变化几乎不变的吸收。 ②选择吸收: 在一些波段上吸收很大，而一些波段上吸 收很少，即吸收率随波长的变化有急剧变化的吸收。 任何物质对电磁辐射的吸收都由这两种吸收组成，如石 英在可见光范围内为一般吸收，在红外波段为选择吸收。
激光的大气湍流效应，实际上是指激光辐射在折射率 起伏场中传输时的效应。 湍流理论表明，大气速度、温度、折射率的统计特 性服从“2/3次方定律”
Di(r ) (i1 i2 )2 C i2r 2 / 3
(2.1-9)
通常用折射率结构常数的数值大小表征湍流强度
2 Cn 2.5 1013 强湍流： 2 弱湍流： Cn 6.4 1017 2 中等强度湍流： 2.5 1013 Cn 6.4 1017
Re Δvl /
(2.1-8)
式中， 为流体密度（kg/m3）；l为某一特征线度(m) vl为在l量级距离上运动速度的变化量(m/s)， 为流体 粘滞系数(kg/ms)。雷诺数Re是一个无量纲的数。
光电成像技术考点及解析
光电成像技术考点及解析基本术语：光电成像技术（P2）：采⽤各类光电成像器件完成成像过程的技术可以统称为光电成像技术。
像管（P8）：直视型光电成像器件基本结构包括有：光电发射体、电⼦光学系统、微通道板（电⼦倍增器件）、荧光屏以及保持⾼真空⼯作环境的管壳等。
这种成像器件通常简称为像管。
变像管（P8）：接受⾮可见辐射图像的直视型光电成像器件统称为变像管。
像增强器（P8）：接受微弱可见光图像的直视型光电成像器件统称为像增强器。
摄像器（P8）：电视型光电成像器件⽤于电视摄像和热成像系统中，只完成摄像功能，不直接输出图像的器件，也称为⾮直视型光电成像器件或者摄像器件。
明适应、暗适应、:P31-32凝视、凝视中⼼:P48的倒数第⼆段⼈眼的绝对视觉阈：P32.2⼈眼的阈值对⽐度：P33.3⼈眼的光谱灵敏度：光谱光视效率P34.4⼈眼的分辨⼒：P34.5图像的信噪⽐：P42的2-27瞥见时间：P48的倒数第⼆段瞥见孔径：P49的顺数第⼆⾏辐射度量、辐射功率、辐度强度、辐亮度、辐照度、辐射出射度:P54光度量、光能、光能密度、光通量：都在P58表3-3光出射度：符号M、Mv，意义：光源单位⾯积向半球空间发射的光通量；定义式：,单位：;照度：符号，意义：照射到表⾯⼀点处单位⾯积的光通量；定义式：，单位：lx；发光照度：符号：，意义：在给定⽅向上，单位⽴体⾓内的光通量；定义式：，单位：cd;光亮度：，意义：表⾯⼀点处的⾯元，在给定⽅向上发光强度除以该⾯元在垂直于给定⽅向上的投影⾯积；定义式：，单位：；坎德拉：光源在给定⽅向上的发光强度，该光源发出频率为540*10∧12Hz的单⾊辐射，且在此⽅向上的辐射强度为1/163W/sr.cd(P58)1流明lm(P58):光通量的单位，点光源在某⼀⽅向的发光强度为1cd时，在该⽅向单位⽴体⾓内传出的光通量。
(P58)1勒克司lx：1lm的光通量均匀分布在1平⽅⽶的⾯积所产⽣的照度称为1lx。
北航光电成像原理第四章
16
(4) 负电子亲和势(NEA)光阴极
1963年提出负电子亲和势理论 量子效率高，热发射电流小，电子能量分布集中，长波限能向外延伸 透射式NEA光阴极的灵敏度达到3000µA/lm，室温下1.06 µm波长处 的量子效率超过9% NEA光阴极结构
光电成像原理
17
电子光学成像
——基于电子在电磁场中的运动规律，电子光学系统实现
电子从表面逸出
EVAC χ ——取决于光电发射 EC Eg 体的能带分布 EF EV Eϕ Eϕ E0 EC EVAC
金属 半导体 真空 光电成像原理
真空
8
——光电逸出功 ——光电发射长波限
= E Eg + χ 0
hc λC = Eg + χ
——当入射光辐射波长短于长波限时，光电发射体内电子接受光子能量， 成为热电子，接近表面的受激电子可以直接从表面逸出，且具有 较大动能；体内受激电子在向表面迁移过程中，损失能量后成为 冷电子，具有导带能量，到表面时，其能量需克服表面电子亲和 势才能逸出。
10
像管性能参数
光电转换特性
亮度增益
AC M G = = ητ UR L E AS
时间响应特性
荧光屏发光衰减延迟 负指数函数
I = I 0e
光电成像原理
− pt
11Βιβλιοθήκη 背景噪声特性暗背景：无光照情况下，光阴极的热电子发射和场致发射造成。 光致背景：入射信号产生的杂散光、光反馈、离子反馈等造成。
(1) 等效背景照度 －使荧光屏亮度等于暗背景亮度时的光阴极面上的入射照度值
光吸收系数大。 光电子在体内传输过程中受到的能量损失小，使其逸出深度大。 表面势垒低，使表面逸出几率大。
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
光电成像原理
光电成像原理
21
光电成像器件特性描述
表征光电转换能力：转换系数、灵敏度 表征时间响应的动态特性：惰性、脉冲响应函数、瞬时 调制传递函数 表征噪声特性：噪声特点、信噪比、噪声等效功率 表征图像分辨特性：分辨力、点扩散函数、光学传递函数
说明各项性能参数的物理意义 给出必要的数学描述
光电成像原理
22
光电成像器件的转换特性
特点
基于外光电效应，即光电发射效应
工作于真空环境下
光电成像原理
20
电视型光电成像器件 — 用于电视摄像和热成像系统中
大多基于内光电效应（光电导、光伏）、光
特点
热效应 将二维空间图像转换为一维视频信号 一维信号重现为二维图像需要显像装置 真空器件：光电摄像管、热释电摄像管……
电视型
固体器件：CCD、CMOS、IRFPA
分类
紫外 辐射特性 可见光 红外 微波
光电成像原理
全色 光谱 激光
18
工作模式
主动
被动
成像特点 凝视
挥扫 扫描 推扫
成像系统形式
折射
反射 折反射
光电成像原理
19
变像管：红外、紫外、X射线
光电成像器件 直视型 像增强器：电子倍增……
电视型
直视型光电成像器件 — 用于人眼直接观察的系统中 器件本身具有图像转换、增强及显示部分
R()~曲线称为光谱灵敏度曲线
光电成像原理
27
R、R以及R() 的关系
以电压响应为例
u R P
0 0
du dP
0
P R d
0
P d
光电成像技术考点及解析
基本术语：光电成像技术（P2）：采用各类光电成像器件完成成像过程的技术可以统称为光电成像技术。
像管（P8）：直视型光电成像器件基本结构包括有：光电发射体、电子光学系统、微通道板（电子倍增器件）、荧光屏以及保持高真空工作环境的管壳等。
这种成像器件通常简称为像管。
变像管（P8）：接受非可见辐射图像的直视型光电成像器件统称为变像管。
像增强器（P8）：接受微弱可见光图像的直视型光电成像器件统称为像增强器。
摄像器（P8）：电视型光电成像器件用于电视摄像和热成像系统中，只完成摄像功能，不直接输出图像的器件，也称为非直视型光电成像器件或者摄像器件。
明适应、暗适应、:P31-32 凝视、凝视中心:P48的倒数第二段人眼的绝对视觉阈：P32.2 人眼的阈值对比度：P33.3 人眼的光谱灵敏度：光谱光视效率P34.4 人眼的分辨力：P34.5 图像的信噪比：P42的2-27 瞥见时间：P48的倒数第二段瞥见孔径：P49的顺数第二行辐射度量、辐射功率、辐度强度、辐亮度、辐照度、辐射出射度:P54 光度量、光能、光能密度、光通量：都在P58表3-3 光出射度：符号M、Mv，意义：光源单位面积向半球空间发射的光通量；定义式：,单位：; 照度：符号，意义：照射到表面一点处单位面积的光通量；定义式：，单位：lx；发光照度：符号：，意义：在给定方向上，单位立体角内的光通量；定义式：，单位：cd; 光亮度：，意义：表面一点处的面元，在给定方向上发光强度除以该面元在垂直于给定，单位：；方向上的投影面积；定义式：坎德拉：光源在给定方向上的发光强度，该光源发出频率为540*10∧12Hz的单色辐射，且在此方向上的辐射强度为1/163W/sr.cd(P58) 1流明lm(P58):光通量的单位，点光源在某一方向的发光强度为1cd时，在该方向单位立体角内传出的光通量。
(P58) 1勒克司lx：1lm的光通量均匀分布在1平方米的面积所产生的照度称为1lx。
光电成像原理与技术第四章课后题答案
光电成像原理与技术第四章课后题答案在光电成像中，传感器的工作原理和光学成像基本相同，只是在特定条件下，传感器产生的光信号有不同的传播方向。
在光电成像中，传感器的信号由光电探测器接收。
通过光电探测器和光电传感器接收到的光信号经过光电探测器和光电传感器所构成的二维网络，然后通过二维网络传输到成像单元中储存信号。
光学成像采用像素(pixels)二维连续成像技术。
像素是指根据光子传播方向和位置，可以直接地将成像过程分为两个部分：光路部分和成像单元(pixels)。
光路部分包括光路光源与反射光（如可见光）相互作用的过程；成像单元是由二个或更多块光路组合而成，用来接收和显示从可见光到近红外所发生的各种波长（包括可见光、红外线和紫外线）传输过来的光信号。
每一个部分都由光源、反射镜和探测器三部分组成。
1.选择正确的光源光源有直接光源和间接光源两种。
直接光源指通过灯管发光的光源，如荧光灯、卤素灯等。
直接光源的亮度一般为400~1000 lm/m2。
间接光源是指利用光的辐射原理来发出光源所需各种光学元件、结构或器件时所采用的光。
例如发光二极管(LED)、激光二极管(Light-Emitting Cables)、红外 CCD灯等。
间接光源既可以直接用在光源上直接显示图像，也可以用在非直接光源上显示图像。
需要注意的是，间接光源与直接光源在工作原理上有许多不同之处。
一方面，间接光源通过光管发光但亮度不高，而直接光源通过光管不发光（如 CCD灯）且亮度可调。
另一方面，直视光源产生成像图像时还会产生一些影响图像亮度的非视场角（如 CCD灯),这会影响图像中感光元件发出的光密度。
2.光源为光电探测器提供良好的照明和热输出光源是光电探测器的直接光源，其作用是通过将光通过光路而将反射光吸收，并通过反射光产生可见光信号。
可见光光子在波长为200~400 nm范围内的波长范围内传播时有一定的散射系数。
所以需要为探测器提供良好的照明，以保证探测器的正常工作。
辐射在大气中的传输课件
地球科学中的应用
地质勘测
遥感卫星利用辐射传输原理，通过测 量地表的反射和发射的辐射，推断出 地表岩石、土壤和植被的类型，帮助 地质学家进行地质勘测。
地球磁场的研究
地球的磁场对辐射的传输有重要影响 ，通过研究辐射在大气中的行为，科 学家可以更深入地了解地球的磁场。
环境监测和保护中的应用
空气质量监测
瑞利散射
小颗粒对光的散射，主要影响晴朗天空的颜色 。
米氏散射
大气中的气溶胶对光的散射，影响天空的能见 度。
非球形颗粒散射
不规则颗粒的散射，影响特定波长和方向的散射。
大气中辐射的衰减系数
01
吸收系数
描述辐射在大气中被吸收的程度 。
散射系数
02
03
衰减系数
描述辐射在大气中被散射的程度 。
综合考虑吸收和散射的影响，表 示辐射在大气中总体的衰减程度 。
辐射在大气中的传输
目录
CONTENTS
• 辐射的基础知识 • 大气对辐射的吸收和散射 • 辐射在大气中的传输模型 • 辐射在大气中的传输现象 • 辐射在大气中的传输应用 • 辐射安全与防护
01 辐射的基础知识
辐射的定义和类型
定义
辐射是能量以波或粒子的形式在空间 中传播的过程。
类型
根据传播的媒介，辐射可以分为电磁 辐射和粒子辐射。电磁辐射包括无线 电波、可见光、紫外线和X射线等； 粒子辐射包括电子、质子、中子和重 离子等。
慢性辐射损伤
长期接触低剂量辐射可引起慢性 辐射损伤，如造血系统障碍、免 疫系统障碍等。
遗传效应
辐射可引起基因突变和染色体畸 变，增加后代出生缺陷和遗传疾 病的风险。
辐射防护的基本原则
尽可能减少不必要的照射
大气辐射传输与气象光学研究
大气辐射传输与气象光学研究大气辐射传输与气象光学是气象学中的重要分支研究领域。
它研究的是大气中光的传输过程和大气对光的散射、吸收、反射和折射等现象。
这项研究对于理解大气现象、气候变化以及应用于气象预报和遥感探测等方面都有着重要的意义。
首先，大气辐射传输是指太阳光从太阳射到地球表面的过程。
太阳辐射进入大气层后会发生散射和吸收，并被云、大气气溶胶物质所反射，最终到达地球表面。
这一过程中，大气的吸收和散射作用对太阳辐射的传输有着重要的影响。
通过对大气中不同成分、浓度的研究，可以了解大气对太阳辐射的吸收和散射情况，从而更好地预测和观测大气光学现象。
其次，气象光学研究的一个重要方面是大气颗粒物对光线的散射作用。
大气中存在着各种各样的气溶胶颗粒，它们对光线的散射贡献了大气的可见光波段散射，也使得我们能够看到蓝天和云朵。
通过对气溶胶物质成分、浓度以及粒径分布等方面的研究，可以更加深入地了解大气颗粒物对光的散射过程，从而提高大气中微粒的测量和探测能力。
此外，大气辐射传输与气象光学还与气候变化的研究密切相关。
大气中的温室气体对太阳辐射的吸收和地球表面的长波辐射的反射会导致大气层中的温度升高。
通过研究大气辐射传输和气象光学，可以了解温室效应的具体机制，从而对气候变化进行有针对性的研究。
最后，大气辐射传输与气象光学在实际应用中有着广泛的应用。
遥感技术是利用卫星和气象雷达等设备获取地球表面信息的重要手段。
而大气辐射传输和气象光学的研究可以改进遥感观测精度和质量，提高遥感数据的利用效果。
此外，大气辐射传输与气象光学还能应用于气象预报和气象灾害预警等方面，能够更加准确地预测和解释气象现象。
综上所述，大气辐射传输与气象光学研究对于理解大气现象、气候变化以及应用于气象预报和遥感探测等方面都具有重要的意义。
通过研究大气中的光线传输和气象光学现象，可以更深入地了解大气层的光学特性，从而提高对大气现象的观测和预测能力，并且推动气象科学在理论和应用上的不断发展。
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使用1976年美国标准大气30km以下作为国家下午标10时准1分。
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光电成像原理
§4.1 大气的构成
标准大气的典型用途：用作压力高度计校准， 飞机性能计算，飞机和火箭设计，弹道制表和气象 制图的基础，假定空气服从使温度、压力和密度与 位势发生关系的理想气体定律和流体静力学方程。
辐射在其中传输时将产生折射、吸收和散射等现
象，从而导致辐射能量的衰减，影响光电成像系统
对目标的探测。
大气遥感
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光电成像原理
§4.2 大气消光和大气窗口
一、大气消光
大气消光：大气对辐射能量折射、吸收和散射 等衰减作用称为消光。
大气消光的基本特点：
在干洁大气中，大气消光决定于空气密度和辐射通 过的大气层厚度；
描述大气中水蒸气含量的方法：
水蒸气分压强ev，单位是标准大气压（atm）或毫巴 （mb，1mb=100Pa）；
体积比浓度，单位是%；
混合比或质量密度比—单位质量空气中所包含的水 蒸气质量，单位是g/kg；
绝对湿度H—单位体积空气中所含水蒸气的质量， 单位是g/m3；
饱和水蒸气含量—一定温度下单位体积空气中所含 有的水蒸气质量的最大值，只与温度有关；(露点温度
大气气溶胶粒子浓度由于重力原因随高度按指数 衰减，在对流层的这种变化趋势为：
N z N 0expz / h0
其中，N是粒子浓度，z为高度，h0是与气候和地区 有关的特征高度，见表4-2(不同能见度条件下)。
气溶胶粒子对光波将产生散射，并且不同尺度
的粒子对不同波长的光波散射也不一样。气溶胶粒
互作用，原子或分子发生极化并依从入射光频率做 强迫振动，从而发生能量交换：
大气中有气溶胶粒子时，其消光作用增强；
在地面基本观测不到波长小于0.3um以下的短波紫 外辐射；
地面观测到的太阳光谱辐射中有明显的气体吸收带 结构。
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光电成像原理
§4.2 大气消光和大气窗口
大气的消光作用主要由大气中各种气体成分及气 溶胶粒子对辐射的吸收和散射造成。
辐射在大气中传输时与气体成分和气溶胶粒子相
如果相对湿度Hr=100%，对应的水蒸气压强称 为饱和水蒸气压强：
ea HaRvT HaRv 273.15 td
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下午10时1分 光电成像原理
§4.1 大气的构成
3. 气溶胶粒子 气溶胶粒子是分散在气体中的固体微粒(半径小于几 十微米)或液态粒子 (图4-2不同成分的尺寸)的悬浮体系。
2. 分析模式
气压、密度和温度等参数随几何高度的分布可 按照以下几种分析模式进行拟合：p93
等密度模式，式(4-6) ；
等温模式，式(4-7) ；
多元模式，式(4-8) 。
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下午10时1分 光电成像原理
§4.2 大气消光和大气窗口
大气是混合物，由多种元素和化合物混合而成， 是复杂的光学介质。
由大气层结构可知：大气不干燥，含有水蒸气，
并且水蒸气的含量随地理位置、温度、季节及气层 高度而变化。水蒸气主要集中在4km以下的气层中， 在14km以上的气层中，其含量变化很小。
水蒸气对辐射衰减非常严重，是光电成像系统 设计、分析和使用中必须重点考虑的因素。
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光电成像原理
§4.1 大气的构成
第四章 辐射在大气中的传输
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光电成像原理
§4 辐射在大气中的传输
各种图像探测器接收的信号都是以大气作 为传输媒介的电磁波。而大气本身对辐射有折 射、吸收和散射等作用，将造成辐射能量的衰 减，即大气的传输特性直接影响图像探测器的 探测效果，很多技术指标的制定都与一定的大 气条件相对应。
平流层 20
对流层顶
T/K
非常丰富。
光电成像系统基本上工作在 对流层 对流层或平流层下部(20-25)。
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光电成像原理
§4.1 大气的构成
二、大气的组成
大气是混合物，由多种元素和化合物混合而成， 可分为干洁大气、水蒸气以及其他悬浮的固体和液 体粒子。 1. 干洁大气
干洁大气是指不含水蒸汽和气溶胶粒子的大气。 分为：
表示湿度-露点与气温的差值表示大气中水汽距离饱和的程度。)
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光电成像原理
§4.1 大气的构成
相对湿度Hr—单位体积空气中所含水蒸气的质量与
同温度下饱和水蒸气质量分数Ha之比，以百分数表
示。
Hr
H Ha
绝对湿度H与水蒸气压强ev的关系是：
ev HRvT ,
Rv =4.165102J/(kg K)是气体常数，T是热力学温度
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光电成像原理
§4.1 大气的构成
z/km
一、大气层结构
根据大气的温度、成分、电离状态和其他物理 性质在垂直方向将大气划分成若干层次：
100 热成层
中间层 60
对流层集中了约80%的大气 中间层顶 质量和90%以上的水汽。对流
层温度变化较大。
平流层集中了约20%的大气
平流层顶
质量，水汽非常少，臭氧含量
常定成分：在大气中的含量随时间、地点变化 很小。主要有氮、氧、氦、氢、氖、氩、氪和氙等， 占据了绝大部分干洁空气的体积。
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光电成像原理
§4.1 大气的构成
可变成分：在大气中的含量随时间、地点的改
变而变化。主要有二氧化碳、一氧化碳、甲烷、臭 氧、氨、二氧化硫、一氧化氮和二氧化氮等，这些 气体所占体积很小，但是对辐射的吸收和散射贡献 大2. 。水蒸气
三、大气模式
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光电成像原理
§4.1 大气的构成
大气的成分随地理位置、季节和温度有很大变
化，这些变化对大气的光学性质有明显影响，局部 区域大气成分只沿高度方向变化。
描述大气特征的主要参数：气压、温度、温度递减 率和密度等的地面值及它们的高度轮廓。并且这些 参数复杂多变。
1. 标准大气
标准大气的定义：能够粗略地反映周年、中纬
子尺度的分布决定了光波的散射。
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8Байду номын сангаас
光电成像原理
§4.1 大气的构成
目前，普遍采用广义伽马分布来描述气溶胶粒 子尺度分布的成因：
nr ar2 expcrd
式中，r是粒子半径，n(r)是半径r处单位半径间隔内 气溶胶粒子浓度，a、b、c、d是拟合参数，选择不 同的拟合参数分别描述雨、雾、云等粒子的尺度分 布和宏观的光学特性。