物理第4章 光辐射在空间的传输
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
4.3.1 光辐射能在介质中传输 的一般规律
4.3.2 辐射在大气中传输的消 光
4.1光辐射能在空间的传输
辐射能的传输一般是指辐射能由光源(光源的自发射或者 物体表面反射、透射、散射辐射能)经过传输介质而投射到接 收系统或探测器上。在辐射能的传输路径上，会遇到传输介质 和接收系统的折射、反射、散射、吸收、干涉等，使辐射能在 到达接收系统前，在空间分布、波谱分布、偏振程度、相干性 等方面将会发生变化。
4.1.1 辐亮度和基本辐亮度守恒
d1
dA2
cos2
r2
d2
dA1 cos1
r2
积分响应度和光谱响应度的关系为
L1 L2
d 2 1 2 L 1 c o s1 d A 1 d 1 L 1 c o s1 d A 1d A 2 r c o 2 s2 当辐射能在传输介质中没有损失时，表面
L 2 2d 和A 2d 表d 2 面 2c 1 12 o 的s辐2 亮d 度A 2 相co 等s—d 22 d — A 1 1 辐2 co 亮s度1守r2恒。
● 例2
求图4-8所示圆环2到圆环4的角系数F24
解: 通过可加性和互易性来求解，即
F24 F25 F23 A 2 F 2 5 A 5 F 5 2 (A 3 A 4 ) (F 5 0 F 5 1 ) A 2 F 2 3 A 3 F 3 2 A 3(F 3 0 F 3 1 )
F 24A 3A 2A 4(F 50F 51)A A 3 2(F 30F 31)
图4-5 角系数的等值性
4.1.2 辐射换热角系数
● 可加性 来自光的独立作用原理，即两个光源传输到同一接收表 面的辐射通量等于各光源传输到该表面辐射通量之和。
● 互易性
若已知表面2对光源表面1的角系 数F12, 那么把表面1看成接收表面, 而表面2看作光源表面时，表面1 对 光 源 表 面 2 的 角 系 数 F21 可 由 F12 及表面1，2的面积比来求得。
d A 1 d A 24 d A R 22
的直射辐照度
12F121LdA14d A R 22
E2
12 dA2
LdA1 4R2
E2 与 面 元 2 在 球 内 的 位 置 无 关，即球内任一面元发出的 辐通量在球内各内表面形成 的辐照度值正好等于该辐射 通量除以球的内表面面积。
4.1.2 辐射换热角系数
表面积为dA1)发出的辐射通量Φ1在 球 内 任 一 面 元 2( 表 面 积 为 dA2) 形 成 的直射辐照度E2。
图4-7 积分球内任一面元 的直射辐照度
4.1.2 辐射换热角系数
● 例1 解
由几何关系，1=2=，r12=2Rcos，则
图4-7 积分球内任一面元
1
co s2
F 1 2d A 1 d A 1 d A 24 R 2co s2
第4章 辐射在空间中的传输
4.1 光辐射能在空间的传输
4.1.1 辐亮度和基本辐亮度守 恒
4.1.2 辐射换热角系数
4.1.3 光辐射在光学系统内的 传输
4.2 光辐射在传输介质界面的反 射与透射
4.2.1 在光滑界面上的反射和 透射
4.2.2 光辐射能在粗糙表面的 漫反射
4.3光辐射能在介质中传输时的 吸收和散射
4.1.2 辐射换热角系数
利用角系数的一些基本性质，常常可以使计算大为简化， 把复杂表面的计算变成简单角系数的计算，这些性质包括 等值性、可加性、互易性和完整性。
● 等值性 来自立体角的基本性质,
即接收表面dA2不论离辐射源 表面dA1有多远, 形状如何以 及传输方向的夹角是多少, 只
要它对dA1的立体角不变, 那 末角系数F12不变。
由表面1发出的总辐射通量1=M1A1，表面2接收的辐射通量占光源表 面1发出辐射通量的比值为
F 1 2 1 1 21 A 1 A 1 A 2co s1 r1 c 2 2o s2d A 1 d A 2
F12是只与表面1，2的形状、位置、大小、方向有关的无量纲量，称为 辐射换热角系数或角系数。
4.1.1 辐亮度和基本辐亮度守恒
如果面元1和2在不同介质中，辐射通量在介质边界上无反射、吸收等
损失，则
d 2 1 2 L 1 d A d 1 c o s1 L 2 d A d 2 c o s2
由立体角定义得
d 2 基 1 本2 辐L 1 亮d A 度s i n 守1 恒c o s 既1 可d 1 用d 在 光L 2 d 辐A 射s i n 能2 在c o 同s 2 d 2 d
一均再由匀折介射质定中律的n传2si输n2 问题n1s，in也1 可用在不
s in同1 c o 介s质1 d 中1 光s in 辐1 d 射(s 能in 传1 )输 (的n n 1 2 ) 分2s i析n描2c o 述s2 d2
代入上式得
L1 L2
图，4有-3 辐射在介质边
n n 2
2
A1F12 A2F21
图4-6 角系数的互易性
4.1.2 辐射换热角系数
● 完整性
耐心哟！
假如接收表面包容了发射表面dA1周围的整个空间，即 dA1发出的全部辐射能都被接收表面所接收，那末F12=1。
● 例1 在积分球规则的球内层涂以具有
近似朗伯漫射特性的涂料。求半径
为R的球内任一面元1(辐通量为
12
A 1
A2L1cos1 r1c 2 2os2dA 1dA2
4.1.2 辐射换热角系数
需要指出，角系数计算的前提是光源为朗伯表面。许 多表面的漫射性虽然和朗伯特性不尽相同，但这种假 设在进行分析中常常是可借鉴的。然而，对准直光、 会聚光、镜面反射表面等就不能用这种假设。
1
2
界的传输
4.1.2 辐射换热角系数
光辐射能在空间传输的计算，对分析辐射能空间分布、辐射 测量系统的工作性能、辐射热交换等都是十分重要的。在计 算中常常需要作与实际情况近似的假定，简化分析的问题。
由表面1上面元dA1传输到表面2上面元dA2的辐射通量可写成
d 1 2 L 1 d A 1 d 1c o s1 L 1c o s1 r 1 c 2 2 o s2d A 1 d A 2
由于F50、F51、F30、F31都可查表求得，由此 可求得F24。
图4-8 例2角系数计算 用图
4.3.2 辐射在大气中传输的消 光
4.1光辐射能在空间的传输
辐射能的传输一般是指辐射能由光源(光源的自发射或者 物体表面反射、透射、散射辐射能)经过传输介质而投射到接 收系统或探测器上。在辐射能的传输路径上，会遇到传输介质 和接收系统的折射、反射、散射、吸收、干涉等，使辐射能在 到达接收系统前，在空间分布、波谱分布、偏振程度、相干性 等方面将会发生变化。
4.1.1 辐亮度和基本辐亮度守恒
d1
dA2
cos2
r2
d2
dA1 cos1
r2
积分响应度和光谱响应度的关系为
L1 L2
d 2 1 2 L 1 c o s1 d A 1 d 1 L 1 c o s1 d A 1d A 2 r c o 2 s2 当辐射能在传输介质中没有损失时，表面
L 2 2d 和A 2d 表d 2 面 2c 1 12 o 的s辐2 亮d 度A 2 相co 等s—d 22 d — A 1 1 辐2 co 亮s度1守r2恒。
● 例2
求图4-8所示圆环2到圆环4的角系数F24
解: 通过可加性和互易性来求解，即
F24 F25 F23 A 2 F 2 5 A 5 F 5 2 (A 3 A 4 ) (F 5 0 F 5 1 ) A 2 F 2 3 A 3 F 3 2 A 3(F 3 0 F 3 1 )
F 24A 3A 2A 4(F 50F 51)A A 3 2(F 30F 31)
图4-5 角系数的等值性
4.1.2 辐射换热角系数
● 可加性 来自光的独立作用原理，即两个光源传输到同一接收表 面的辐射通量等于各光源传输到该表面辐射通量之和。
● 互易性
若已知表面2对光源表面1的角系 数F12, 那么把表面1看成接收表面, 而表面2看作光源表面时，表面1 对 光 源 表 面 2 的 角 系 数 F21 可 由 F12 及表面1，2的面积比来求得。
d A 1 d A 24 d A R 22
的直射辐照度
12F121LdA14d A R 22
E2
12 dA2
LdA1 4R2
E2 与 面 元 2 在 球 内 的 位 置 无 关，即球内任一面元发出的 辐通量在球内各内表面形成 的辐照度值正好等于该辐射 通量除以球的内表面面积。
4.1.2 辐射换热角系数
表面积为dA1)发出的辐射通量Φ1在 球 内 任 一 面 元 2( 表 面 积 为 dA2) 形 成 的直射辐照度E2。
图4-7 积分球内任一面元 的直射辐照度
4.1.2 辐射换热角系数
● 例1 解
由几何关系，1=2=，r12=2Rcos，则
图4-7 积分球内任一面元
1
co s2
F 1 2d A 1 d A 1 d A 24 R 2co s2
第4章 辐射在空间中的传输
4.1 光辐射能在空间的传输
4.1.1 辐亮度和基本辐亮度守 恒
4.1.2 辐射换热角系数
4.1.3 光辐射在光学系统内的 传输
4.2 光辐射在传输介质界面的反 射与透射
4.2.1 在光滑界面上的反射和 透射
4.2.2 光辐射能在粗糙表面的 漫反射
4.3光辐射能在介质中传输时的 吸收和散射
4.1.2 辐射换热角系数
利用角系数的一些基本性质，常常可以使计算大为简化， 把复杂表面的计算变成简单角系数的计算，这些性质包括 等值性、可加性、互易性和完整性。
● 等值性 来自立体角的基本性质,
即接收表面dA2不论离辐射源 表面dA1有多远, 形状如何以 及传输方向的夹角是多少, 只
要它对dA1的立体角不变, 那 末角系数F12不变。
由表面1发出的总辐射通量1=M1A1，表面2接收的辐射通量占光源表 面1发出辐射通量的比值为
F 1 2 1 1 21 A 1 A 1 A 2co s1 r1 c 2 2o s2d A 1 d A 2
F12是只与表面1，2的形状、位置、大小、方向有关的无量纲量，称为 辐射换热角系数或角系数。
4.1.1 辐亮度和基本辐亮度守恒
如果面元1和2在不同介质中，辐射通量在介质边界上无反射、吸收等
损失，则
d 2 1 2 L 1 d A d 1 c o s1 L 2 d A d 2 c o s2
由立体角定义得
d 2 基 1 本2 辐L 1 亮d A 度s i n 守1 恒c o s 既1 可d 1 用d 在 光L 2 d 辐A 射s i n 能2 在c o 同s 2 d 2 d
一均再由匀折介射质定中律的n传2si输n2 问题n1s，in也1 可用在不
s in同1 c o 介s质1 d 中1 光s in 辐1 d 射(s 能in 传1 )输 (的n n 1 2 ) 分2s i析n描2c o 述s2 d2
代入上式得
L1 L2
图，4有-3 辐射在介质边
n n 2
2
A1F12 A2F21
图4-6 角系数的互易性
4.1.2 辐射换热角系数
● 完整性
耐心哟！
假如接收表面包容了发射表面dA1周围的整个空间，即 dA1发出的全部辐射能都被接收表面所接收，那末F12=1。
● 例1 在积分球规则的球内层涂以具有
近似朗伯漫射特性的涂料。求半径
为R的球内任一面元1(辐通量为
12
A 1
A2L1cos1 r1c 2 2os2dA 1dA2
4.1.2 辐射换热角系数
需要指出，角系数计算的前提是光源为朗伯表面。许 多表面的漫射性虽然和朗伯特性不尽相同，但这种假 设在进行分析中常常是可借鉴的。然而，对准直光、 会聚光、镜面反射表面等就不能用这种假设。
1
2
界的传输
4.1.2 辐射换热角系数
光辐射能在空间传输的计算，对分析辐射能空间分布、辐射 测量系统的工作性能、辐射热交换等都是十分重要的。在计 算中常常需要作与实际情况近似的假定，简化分析的问题。
由表面1上面元dA1传输到表面2上面元dA2的辐射通量可写成
d 1 2 L 1 d A 1 d 1c o s1 L 1c o s1 r 1 c 2 2 o s2d A 1 d A 2
由于F50、F51、F30、F31都可查表求得，由此 可求得F24。
图4-8 例2角系数计算 用图