红外遥感
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第四章 热红外遥感
4.1 概 述
1．大气、烟云等吸收可见光和近红外线，但是对3~5微米和8~14微米的热红外线却是 透明的。因此，这两个波段被称为热红外线的“大气窗口” 。利用这两个窗口，可以 使人们在完全无光的夜晚，或是在烟云密布的战场，清晰地观察到前方的情况。正是 由于这个特点，热红外成像技术军事上提供了先进的夜视装备并为飞机、舰艇和坦克 装上了全天候前视系统。这些系统在海湾战争中发挥了非常重要的作用。
热红外遥感，是用遥感手段感应 地面物体发射辐射能的差异。 复杂性主要表现在以下几方面:
(1)热红外遥感的大气影响更为复杂 大气效应除了有大气吸收、散射外，还有大 气自身的发射。尽管，远红外谱段波长较长， 大气的散射作用远不如紫外和可见光谱段显 得那么重要。但是，在热红外波段内大气分 子与悬浮粒的吸收作用却是明显的。 在有限的大气窗口内，最主要的影响因素是 大气的水汽和气溶胶．它们既要吸收能量又 要自身发射热辐射能。这种大气自身的热辐 射，叠加在地面物体的热辐射信号之上．使 问题复杂化。
一、黑体：实验室理想的热辐射特征研究对 象—物理学概念—（黑体=全吸收体）
热辐射定律
1.基尔霍夫定律： 好的吸收体，必是好的辐射体。
吸收率=发射率
通过观察人们发现吸收率高的物质，发射本 领要强。 例如一块白底黑花的瓷片，把它加温到一定 程度，原来黑色花纹处有更强的射击辐射， 不同温度下物体的吸收率与出射度之间没有 确定的数量关系，但是在同一温度下，它们 之间严格成成正比例关系，这个规律称之为 基尔霍夫定律。
thermal infrared detection of a deer
(whether this is a hunter's target or the subject of a naturalist's study is not known
)
1、红外侦察 1.1空间侦察与监视 照相侦察卫星携带红外成像设备可获得更多地面目标的情报 信息，并能识别伪装目标和在夜间对地面的军事行动进行监 视；导弹预警卫星利用红外探测器可探测到导弹发射时发动 机尾焰的红外辐射并发出警报，为拦截来袭导弹提供一定的 预警时间。 1.2空中侦察与监视 利用人或无人驾驶的侦察机。侦察直升机等携带红外相机。 红外扫描装置等设备对敌方军队及其活动。阵地。地形等情 况进行侦察与监视。 1.3地面侦察与监视 将无源被动式红外探测器隐蔽地布设在监视地区或道路附近， 用于发现经过监视地区附近的运动目标，并能测定其方位。
(5)热探测器所获得的物体发射辐射信息包含 了两个重要的信息，即物体的温度以及表示物 体辐射能力的比辐射率。温度与比辐射率的分 离是热红外遥感的一个难点。
(6)热红外遥感图像的空间分辨率一般低于可 见光—近红外遥感图像，因此“混合像 元”(非同温像元)的问题，显得相当突出。
4.2 热辐射原理
4.2.1 黑体辐射规律
(4)热能的传递有多种方式(传导、对流、辐 射)。改变地物温度的因素，除了热吸收与热 辐射外，还有显热交换与潜热交换。 所谓显热交换是指地表内部热量与大气的交 换(加热空气)，而潜热交换指地表水分蒸发的 能量交换(降低地表温度)，它们都与天气、气 候有关。这几种热交换过程交织在一起，人 们很难加以分解，并建立它们与温度改变的 定量关系。
• 著名军事专家、国防大学张召忠教授认为，海湾战争不仅 是冷战时期向冷战后时期的转折点，也是机械化战争时代 向信息化战争时代的重大转折点。 • 有人评价海湾战争是“信息化的第一场战争”，现在看来 应当认为是由机械化战争时代向信息化战争时代转变中的 最典型的一场战争。 • 海湾战争保留了机械化战争的最先进样式。连续38天的空 袭是以空中力量为主配合大量的精确制导武器对敌人的远 程攻击，是一种非线式作战，没有前后方、没有明显的战 线划分，开辟了许多新的战争样式。应该说这是在核威慑 下的20世纪最典型的高技术局部战争。
• 海湾战争因多国部队在质量和技术方面占据的绝对优势， 使其以高技术局部战争的代名词载入战争史册。在海湾战 争中，美国动用了12类50多颗各种军用和商用卫星构成战 略侦察网，为多国部队提供了70％的战略情报；多国部队 集结了2790架现代化的固定翼飞机、1700多架旋翼飞机 （其中600多架攻击直升机），6500余辆坦克装甲车辆以 及大量自行火炮、火箭发射车、工程技术保障车辆等；多 国部队虽然与伊军在数量对比上不占优势，人员比为1／ 2.4，火炮数量比为1／2．4，坦克数量比为1／1.44，但 多国部队调集的现代化装备数量却超过伊军许多倍：新式 飞机数量比为13／1，攻击直升机数量比为16／1，在精 确制导武器上多国部队拥有绝对优势。在海湾战争空中作 战投掷的8万多吨弹药中，精确制导武器仅占总投弹量的7 ％，但命中率却高达90％；伊军共被摧毁、被俘坦克 3700多辆，装甲车2000多辆。
2、红外夜视 2.1用于各种作战飞机。武装直升机的导航。瞄准 配备前视红外摄像机等设备的导航吊舱和瞄准吊舱用于飞机昼夜飞行和 攻击的导航和搜索。捕捉目标，为制导武器及非制导武器提供精确制导 和瞄准，以提高命中精度。 2.2用于舰载观察和火控系统 红外夜视器材分辨率高，具有探测掠海飞行目标的优势。舰载跟踪用红 外热像仪既可用于发射掠海导弹时提供目标数据，还可用于探测和报警 敌方掠海导弹，减少反辐射导弹袭击的可能性。配备热成像设备在内的 光电火控系统，便于识别目标并缩短武器系统的反应时间。 2.3用于陆上侦测。瞄准。火控和车辆驾驶 红外热像仪等可用于夜间的战场侦察与观测；配有红外热瞄准具有反坦 克导弹和火炮等武器能在夜间对目标进行精确定位。跟踪和射击；在火 控系统中配有红外跟踪电视摄像机和高炮防空系统，不怕电子干扰，能 有效地对付遥控飞行器和巡航导弹的威胁；配有红外夜视仪的坦克等车 辆可在夜间关灯行驶，车长可在夜间进行观察指挥，炮长可在夜间进行 瞄准射击。
3、红外制导 红外制导就是利用目标本身的红外辐射来引导导弹自动接近目标，以提 高命中率。红外制导是当前空空。空地。地空。反坦克导弹等普遍采用 的工作方式。据不完全统计，目前各国已生产和试制的红外制导导弹已 超过50种。红外焦平面陈列制导技术具有识别各类诱饵的能力，从而对 真目标有较高的命中率。 4、用于探测隐身飞行器 隐身飞行器虽采用了红外隐身技术，但其温度总比背景温度高，仍有可 能被红外探测器。尤其是红外成像设备探测到。将红外成像设备安装在 空间平台上用于探测隐身飞行器，可精确提供目标的角位置信息，探测 距离可达数百千米。 5、用于炮电告警 将凝视型红外探测器安装在飞机。舰艇等平台上，可用于对来袭导弹进 行告警和其他红外威胁告警，或自动发出对抗指令，或自动启动红外干 扰设备进行自卫。 除此以外，红外探测技术还被用于军事通信和雷达等方面。军用红外技 术的飞速发展和广泛应用，表明红外技术的地位已从以往的战术地位向 战略地位发展，对未来战争将有重大的影响。
1990年8月1日，伊拉克与科威特围绕石油问 题宣告破裂。 8月2日，伊拉克入侵科威特并很快占领全境。
8月7日，美国军队开赴沙特阿拉伯。
1991年1月17日，以美国为首的多国部队轰炸 巴格达，海湾战争爆发。
• 海湾战争中所体现出的技术对战争的强烈 影响使海湾战争预示了另一个新时代的到 来： • 在拥有质量优势的部队面前，单纯的数量 对比已失去了意义； • 各种军事高技术应用导致的对信息的大量 获取，也使与之对阵的敌人在战术运用方 面困难重重。
(2)热红外信息，还受地球表层热状况的影响，比 如风速、风向、空气温度、湿度等微气象参数，土 壤水分、组成、结构等土壤参数，植物覆盖状况、 地表粗糙度、地形地貌等多种因素影响。 (3)地物本身的热过程是复杂的。 地物从热辐射的能量吸收(增温)到能量发射(降温)， 存在着一个热储存和热释放过程。这个过程不仅与 地物本身的热学性质(热传导率、热容量、热惯量 等)有关，还与环境条件等多因素有关。整个热过 程存在着“滞后”效应，要定量表达这一过程，是 相当复杂的。
• The field is commonly called thermography. Using thermal sensors coupled with optical systems, one is able to "see in the dark" by detecting varying temperatures from different objects in the scene. • Typical users include hunters and law enforcement officials; • there are a number of military uses. • Another frequent application is to check for heat loss from buildings or thermal contamination in streams.
2. 玻尔次曼定律：
Fra Baidu bibliotek
W=T4 =常数5.67x10-12W.cm2.K-4
3.维恩位移定律：
maxT=2897.8+0.4 m0 K
Note: to convert Angstroms to the more common micrometer unit (µ m), multiply by 10-4, or 1/10000
• 精确制导武器（Precision Guide Weapon）这一 术语起源于20世纪70年代中期，美国在越南战争 中大量使用了精确制导炸弹。由于它具有精确的 制导装置，在战场上取得了惊人的作战效果，因 而引起人们的极大注意。 • 我军对精确制导武器的定义是：采用精确制导技 术，直接命中概率在50%以上的武器。主要包括精 确制导导弹、制导炮弹、制导地雷等。 • 直接命中指制导武器的圆概率误差(也叫圆公算偏 差，表示符号CEP，即英文Circular Error， Probable的缩写）小于该武器弹头的杀伤半径。
2．物体的热辐射能量的大小，直接和物体表面的温度相关。热辐射的这个特点使人 们可以利用它来对物体进行无接触温度测量和热状态分析，从而为工业生产，节约能 源，保护环境等等方面提供了一个重要的检测手段和诊断工具。
• 红外谱段指的是波长在0.76～1000μm范围内，位 于可见光和微波之间的区域。 • 这一范围内，既有反射红外波段(波长0.7～ 3.0μm)，又有发射红外波段(波长3～18μm)。后 者又称“热红外”。但严格地说，“热红外”谱段 内，物体也有少量的能量反射，只不过物体的热辐 射能量大于太阳的反射能量而已。 • 其中，波长7～18μm的“热红外”谱段内，以热辐 射为主，反射部分往往可以忽略不计；而波长3～ 5μm的中红外，热辐射与太阳辐射的反射部分须同 时考虑(处于同一数量级)。 • 另外，“热红外”谱段外的许多其他谱段也可以有 少量的热能发射，所以有人更愿意把“热红外”用 “远红外”来表达。
• 普朗克(Planck)定律给出了黑体辐射的出射 度与温度、波长的定量关系。 • 维思(wien)位移定律给出了黑体的发射峰值 波长与温度的定量关系，指出随着黑体温 度的增加、发射峰值波长减小，两者呈反 比关系 。 • 斯特藩—玻耳兹曼(Stefan-Boltzmann)定律 数学描述了随着黑体温度的增加，总发射 辐射也增加，即黑体的辐射强度与温度的4 次方成正比。
海湾战争改变了传统的作战样式，对二战以来形成的传统战 争观念产生了强烈的震撼。表现在：
(1)空中力量发挥了决定性作用。海湾战争开创了以空 中力量为主体赢得战争的先例，表明战略空袭和反空袭是未 来战争的主要作战样式，有时甚至是惟一的战争样式(如同 科索沃战争一样)； (2)电子战成为未来战争的核心，对战争进程和结果产 生重要影响，因此电磁优势将成为现代战场双方激烈争夺的 制高点； (3)作战空域空前扩大，战场向大纵深、高度立体化方 向发展，不存在明显的前方和后方； (4)高技术武器大大提高了作战能力，使作战行动向高 速度、全天候、全时域发展。
4.1 概 述
1．大气、烟云等吸收可见光和近红外线，但是对3~5微米和8~14微米的热红外线却是 透明的。因此，这两个波段被称为热红外线的“大气窗口” 。利用这两个窗口，可以 使人们在完全无光的夜晚，或是在烟云密布的战场，清晰地观察到前方的情况。正是 由于这个特点，热红外成像技术军事上提供了先进的夜视装备并为飞机、舰艇和坦克 装上了全天候前视系统。这些系统在海湾战争中发挥了非常重要的作用。
热红外遥感，是用遥感手段感应 地面物体发射辐射能的差异。 复杂性主要表现在以下几方面:
(1)热红外遥感的大气影响更为复杂 大气效应除了有大气吸收、散射外，还有大 气自身的发射。尽管，远红外谱段波长较长， 大气的散射作用远不如紫外和可见光谱段显 得那么重要。但是，在热红外波段内大气分 子与悬浮粒的吸收作用却是明显的。 在有限的大气窗口内，最主要的影响因素是 大气的水汽和气溶胶．它们既要吸收能量又 要自身发射热辐射能。这种大气自身的热辐 射，叠加在地面物体的热辐射信号之上．使 问题复杂化。
一、黑体：实验室理想的热辐射特征研究对 象—物理学概念—（黑体=全吸收体）
热辐射定律
1.基尔霍夫定律： 好的吸收体，必是好的辐射体。
吸收率=发射率
通过观察人们发现吸收率高的物质，发射本 领要强。 例如一块白底黑花的瓷片，把它加温到一定 程度，原来黑色花纹处有更强的射击辐射， 不同温度下物体的吸收率与出射度之间没有 确定的数量关系，但是在同一温度下，它们 之间严格成成正比例关系，这个规律称之为 基尔霍夫定律。
thermal infrared detection of a deer
(whether this is a hunter's target or the subject of a naturalist's study is not known
)
1、红外侦察 1.1空间侦察与监视 照相侦察卫星携带红外成像设备可获得更多地面目标的情报 信息，并能识别伪装目标和在夜间对地面的军事行动进行监 视；导弹预警卫星利用红外探测器可探测到导弹发射时发动 机尾焰的红外辐射并发出警报，为拦截来袭导弹提供一定的 预警时间。 1.2空中侦察与监视 利用人或无人驾驶的侦察机。侦察直升机等携带红外相机。 红外扫描装置等设备对敌方军队及其活动。阵地。地形等情 况进行侦察与监视。 1.3地面侦察与监视 将无源被动式红外探测器隐蔽地布设在监视地区或道路附近， 用于发现经过监视地区附近的运动目标，并能测定其方位。
(5)热探测器所获得的物体发射辐射信息包含 了两个重要的信息，即物体的温度以及表示物 体辐射能力的比辐射率。温度与比辐射率的分 离是热红外遥感的一个难点。
(6)热红外遥感图像的空间分辨率一般低于可 见光—近红外遥感图像，因此“混合像 元”(非同温像元)的问题，显得相当突出。
4.2 热辐射原理
4.2.1 黑体辐射规律
(4)热能的传递有多种方式(传导、对流、辐 射)。改变地物温度的因素，除了热吸收与热 辐射外，还有显热交换与潜热交换。 所谓显热交换是指地表内部热量与大气的交 换(加热空气)，而潜热交换指地表水分蒸发的 能量交换(降低地表温度)，它们都与天气、气 候有关。这几种热交换过程交织在一起，人 们很难加以分解，并建立它们与温度改变的 定量关系。
• 著名军事专家、国防大学张召忠教授认为，海湾战争不仅 是冷战时期向冷战后时期的转折点，也是机械化战争时代 向信息化战争时代的重大转折点。 • 有人评价海湾战争是“信息化的第一场战争”，现在看来 应当认为是由机械化战争时代向信息化战争时代转变中的 最典型的一场战争。 • 海湾战争保留了机械化战争的最先进样式。连续38天的空 袭是以空中力量为主配合大量的精确制导武器对敌人的远 程攻击，是一种非线式作战，没有前后方、没有明显的战 线划分，开辟了许多新的战争样式。应该说这是在核威慑 下的20世纪最典型的高技术局部战争。
• 海湾战争因多国部队在质量和技术方面占据的绝对优势， 使其以高技术局部战争的代名词载入战争史册。在海湾战 争中，美国动用了12类50多颗各种军用和商用卫星构成战 略侦察网，为多国部队提供了70％的战略情报；多国部队 集结了2790架现代化的固定翼飞机、1700多架旋翼飞机 （其中600多架攻击直升机），6500余辆坦克装甲车辆以 及大量自行火炮、火箭发射车、工程技术保障车辆等；多 国部队虽然与伊军在数量对比上不占优势，人员比为1／ 2.4，火炮数量比为1／2．4，坦克数量比为1／1.44，但 多国部队调集的现代化装备数量却超过伊军许多倍：新式 飞机数量比为13／1，攻击直升机数量比为16／1，在精 确制导武器上多国部队拥有绝对优势。在海湾战争空中作 战投掷的8万多吨弹药中，精确制导武器仅占总投弹量的7 ％，但命中率却高达90％；伊军共被摧毁、被俘坦克 3700多辆，装甲车2000多辆。
2、红外夜视 2.1用于各种作战飞机。武装直升机的导航。瞄准 配备前视红外摄像机等设备的导航吊舱和瞄准吊舱用于飞机昼夜飞行和 攻击的导航和搜索。捕捉目标，为制导武器及非制导武器提供精确制导 和瞄准，以提高命中精度。 2.2用于舰载观察和火控系统 红外夜视器材分辨率高，具有探测掠海飞行目标的优势。舰载跟踪用红 外热像仪既可用于发射掠海导弹时提供目标数据，还可用于探测和报警 敌方掠海导弹，减少反辐射导弹袭击的可能性。配备热成像设备在内的 光电火控系统，便于识别目标并缩短武器系统的反应时间。 2.3用于陆上侦测。瞄准。火控和车辆驾驶 红外热像仪等可用于夜间的战场侦察与观测；配有红外热瞄准具有反坦 克导弹和火炮等武器能在夜间对目标进行精确定位。跟踪和射击；在火 控系统中配有红外跟踪电视摄像机和高炮防空系统，不怕电子干扰，能 有效地对付遥控飞行器和巡航导弹的威胁；配有红外夜视仪的坦克等车 辆可在夜间关灯行驶，车长可在夜间进行观察指挥，炮长可在夜间进行 瞄准射击。
3、红外制导 红外制导就是利用目标本身的红外辐射来引导导弹自动接近目标，以提 高命中率。红外制导是当前空空。空地。地空。反坦克导弹等普遍采用 的工作方式。据不完全统计，目前各国已生产和试制的红外制导导弹已 超过50种。红外焦平面陈列制导技术具有识别各类诱饵的能力，从而对 真目标有较高的命中率。 4、用于探测隐身飞行器 隐身飞行器虽采用了红外隐身技术，但其温度总比背景温度高，仍有可 能被红外探测器。尤其是红外成像设备探测到。将红外成像设备安装在 空间平台上用于探测隐身飞行器，可精确提供目标的角位置信息，探测 距离可达数百千米。 5、用于炮电告警 将凝视型红外探测器安装在飞机。舰艇等平台上，可用于对来袭导弹进 行告警和其他红外威胁告警，或自动发出对抗指令，或自动启动红外干 扰设备进行自卫。 除此以外，红外探测技术还被用于军事通信和雷达等方面。军用红外技 术的飞速发展和广泛应用，表明红外技术的地位已从以往的战术地位向 战略地位发展，对未来战争将有重大的影响。
1990年8月1日，伊拉克与科威特围绕石油问 题宣告破裂。 8月2日，伊拉克入侵科威特并很快占领全境。
8月7日，美国军队开赴沙特阿拉伯。
1991年1月17日，以美国为首的多国部队轰炸 巴格达，海湾战争爆发。
• 海湾战争中所体现出的技术对战争的强烈 影响使海湾战争预示了另一个新时代的到 来： • 在拥有质量优势的部队面前，单纯的数量 对比已失去了意义； • 各种军事高技术应用导致的对信息的大量 获取，也使与之对阵的敌人在战术运用方 面困难重重。
(2)热红外信息，还受地球表层热状况的影响，比 如风速、风向、空气温度、湿度等微气象参数，土 壤水分、组成、结构等土壤参数，植物覆盖状况、 地表粗糙度、地形地貌等多种因素影响。 (3)地物本身的热过程是复杂的。 地物从热辐射的能量吸收(增温)到能量发射(降温)， 存在着一个热储存和热释放过程。这个过程不仅与 地物本身的热学性质(热传导率、热容量、热惯量 等)有关，还与环境条件等多因素有关。整个热过 程存在着“滞后”效应，要定量表达这一过程，是 相当复杂的。
• The field is commonly called thermography. Using thermal sensors coupled with optical systems, one is able to "see in the dark" by detecting varying temperatures from different objects in the scene. • Typical users include hunters and law enforcement officials; • there are a number of military uses. • Another frequent application is to check for heat loss from buildings or thermal contamination in streams.
2. 玻尔次曼定律：
Fra Baidu bibliotek
W=T4 =常数5.67x10-12W.cm2.K-4
3.维恩位移定律：
maxT=2897.8+0.4 m0 K
Note: to convert Angstroms to the more common micrometer unit (µ m), multiply by 10-4, or 1/10000
• 精确制导武器（Precision Guide Weapon）这一 术语起源于20世纪70年代中期，美国在越南战争 中大量使用了精确制导炸弹。由于它具有精确的 制导装置，在战场上取得了惊人的作战效果，因 而引起人们的极大注意。 • 我军对精确制导武器的定义是：采用精确制导技 术，直接命中概率在50%以上的武器。主要包括精 确制导导弹、制导炮弹、制导地雷等。 • 直接命中指制导武器的圆概率误差(也叫圆公算偏 差，表示符号CEP，即英文Circular Error， Probable的缩写）小于该武器弹头的杀伤半径。
2．物体的热辐射能量的大小，直接和物体表面的温度相关。热辐射的这个特点使人 们可以利用它来对物体进行无接触温度测量和热状态分析，从而为工业生产，节约能 源，保护环境等等方面提供了一个重要的检测手段和诊断工具。
• 红外谱段指的是波长在0.76～1000μm范围内，位 于可见光和微波之间的区域。 • 这一范围内，既有反射红外波段(波长0.7～ 3.0μm)，又有发射红外波段(波长3～18μm)。后 者又称“热红外”。但严格地说，“热红外”谱段 内，物体也有少量的能量反射，只不过物体的热辐 射能量大于太阳的反射能量而已。 • 其中，波长7～18μm的“热红外”谱段内，以热辐 射为主，反射部分往往可以忽略不计；而波长3～ 5μm的中红外，热辐射与太阳辐射的反射部分须同 时考虑(处于同一数量级)。 • 另外，“热红外”谱段外的许多其他谱段也可以有 少量的热能发射，所以有人更愿意把“热红外”用 “远红外”来表达。
• 普朗克(Planck)定律给出了黑体辐射的出射 度与温度、波长的定量关系。 • 维思(wien)位移定律给出了黑体的发射峰值 波长与温度的定量关系，指出随着黑体温 度的增加、发射峰值波长减小，两者呈反 比关系 。 • 斯特藩—玻耳兹曼(Stefan-Boltzmann)定律 数学描述了随着黑体温度的增加，总发射 辐射也增加，即黑体的辐射强度与温度的4 次方成正比。
海湾战争改变了传统的作战样式，对二战以来形成的传统战 争观念产生了强烈的震撼。表现在：
(1)空中力量发挥了决定性作用。海湾战争开创了以空 中力量为主体赢得战争的先例，表明战略空袭和反空袭是未 来战争的主要作战样式，有时甚至是惟一的战争样式(如同 科索沃战争一样)； (2)电子战成为未来战争的核心，对战争进程和结果产 生重要影响，因此电磁优势将成为现代战场双方激烈争夺的 制高点； (3)作战空域空前扩大，战场向大纵深、高度立体化方 向发展，不存在明显的前方和后方； (4)高技术武器大大提高了作战能力，使作战行动向高 速度、全天候、全时域发展。