现代光电成像技术概论 第2章 辐射源、目标及大气特性课件

1、第第2章章 辐射源、目标及辐射源、目标及大气特性大气特性唐佳禄唐佳禄电子科学与技术系，电气与信息工程学院，引言引言n各类电磁辐射是光电子成像系统的信息源泉，它各类电磁辐射是光电子成像系统的信息源泉，它们的特征及其传输特性对光电子成像系统的设计们的特征及其传输特性对光电子成像系统的设计应用的有效性有着直接的影响。应用的有效性有着直接的影响。n特定光电子成像系统所面对的辐射源、目标和大特定光电子成像系统所面对的辐射源、目标和大气的具体特征往往千差万别。气的具体特征往往千差万别。n本章支队主要的辐射源的频谱特性、能量特性、本章支队主要的辐射源的频谱特性、能量特性、目标特性和大气传输特性的普遍规律、特

2、性参数目标特性和大气传输特性的普遍规律、特性参数和度量方法作概要介绍。和度量方法作概要介绍。Heilongjiang Institute of Technology, China Jialu Tang2March, 2014辐射源电磁波谱辐射源电磁波谱n电磁波产生原因：电磁波产生原因：“辐射辐射”的本质是院子中电子的本质是院子中电子的能级跃迁并交换能量的结果，低能级电子受到的能级跃迁并交换能量的结果，低能级电子受到某种外界激发，可跃迁至高能级，当这些处于不某种外界激发，可跃迁至高能级，当这些处于不稳定状态的受激电子落入较低能级时，就会以辐稳定状态的受激电子落入较低能级时，就会以辐射的形式，向外

3、传播能量。射的形式，向外传播能量。Heilongjiang Institute of Technology, China Jialu Tang3March, 2014辐射源电磁波谱辐射源电磁波谱Heilongjiang Institute of Technology, China Jialu Tang4March, 2014Heilongjiang Institute of Technology, China Jialu Tang5March, 2014辐射源特性辐射源特性n光谱特性：辐射源的辐射强度随波长的分布。辐光谱特性：辐射源的辐射强度随波长的分布。辐射源可区分射源可区分X射线、紫外光源

4、、可见光源、红外射线、紫外光源、可见光源、红外辐射源和微波辐射源等。辐射源和微波辐射源等。Heilongjiang Institute of Technology, China Jialu Tang6March, 2014辐射源特性辐射源特性n能量特性：能量的大小分别用辐射（光）功率（能量特性：能量的大小分别用辐射（光）功率（通量）、辐射强度、面辐射度和辐射亮度等参量通量）、辐射强度、面辐射度和辐射亮度等参量来度量。来度量。n角度特性：辐射源强度沿空间的角度分布，它决角度特性：辐射源强度沿空间的角度分布，它决定辐射源的发散特性。据此，可将辐射源分为点定辐射源的发散特性。据此，可将辐射源分为点光

5、源（如太阳、星体等）、朗伯辐射源（其强度光源（如太阳、星体等）、朗伯辐射源（其强度分布遵守余弦定律，如荧光屏、电影银屏等）和分布遵守余弦定律，如荧光屏、电影银屏等）和激光光源（空间发散角极小）。激光光源（空间发散角极小）。Heilongjiang Institute of Technology, China Jialu Tang7March, 2014辐射源度量辐射源度量n历史上形成了两种度量制：光度量制和辐射度量历史上形成了两种度量制：光度量制和辐射度量制。前者以人眼或经视见函数校正过的照度计作制。前者以人眼或经视见函数校正过的照度计作为探测器；后者以无选择性的真空热电偶作为探为探测器；后者

6、以无选择性的真空热电偶作为探测器。测器。Heilongjiang Institute of Technology, China Jialu Tang8March, 2014Heilongjiang Institute of Technology, China Jialu Tang9March, 2014辐射源分类辐射源分类n热辐射：热辐射：绝对温度不为零绝对温度不为零且处于热平衡状态的任且处于热平衡状态的任何物体均会向外辐射电磁波。处于热运动的原子何物体均会向外辐射电磁波。处于热运动的原子中的电子。由于电子运动具有连续速度分布，因中的电子。由于电子运动具有连续速度分布，因此，热辐射具有连续辐射

7、能谱。基于这些特点，此，热辐射具有连续辐射能谱。基于这些特点，常把热辐射称为温度辐射或平衡辐射。典型的热常把热辐射称为温度辐射或平衡辐射。典型的热辐射源有绝对黑体、标准白炽灯、人体、军用目辐射源有绝对黑体、标准白炽灯、人体、军用目标、太阳、星体以及其他热力学温度不为零、且标、太阳、星体以及其他热力学温度不为零、且处于热平衡状态的任何物体。处于热平衡状态的任何物体。Heilongjiang Institute of Technology, China Jialu Tang10March, 2014辐射源分类辐射源分类n受激直接跃迁辐射：物质原子中的电子受到外来受激直接跃迁辐射：物质原子中的电子受

8、到外来能量激发、跃迁至高能态，然后直接落入较低能能量激发、跃迁至高能态，然后直接落入较低能态所产生的辐射，称为受激直接跃迁辐射。通常态所产生的辐射，称为受激直接跃迁辐射。通常它们具有带状谱或线状谱。根据外来激发能量的它们具有带状谱或线状谱。根据外来激发能量的形式，又可将这类辐射细分为下列形式，又可将这类辐射细分为下列8项。（光致项。（光致分光、电致发光等）。分光、电致发光等）。Heilongjiang Institute of Technology, China Jialu Tang11March, 2014辐射源分类辐射源分类n受激间接跃迁辐射（激光）：靠外界泵浦源输入受激间接跃迁辐射（激光

9、）：靠外界泵浦源输入能量（例如泵浦激光），激发激光的物质中的电能量（例如泵浦激光），激发激光的物质中的电子跃迁至高能态，这些电子先落入一个叫子跃迁至高能态，这些电子先落入一个叫“亚稳亚稳态态”的能级上，并不断聚集，然后一起落入基态的能级上，并不断聚集，然后一起落入基态，辐射出一束强度很强的光。，辐射出一束强度很强的光。Heilongjiang Institute of Technology, China Jialu Tang12March, 2014辐射源分类辐射源分类n反射体：任何物体表面对辐射都有反射作用。反射体：任何物体表面对辐射都有反射作用。“反射体反射体”本来不属于辐射源范畴（因为它

10、们的自本来不属于辐射源范畴（因为它们的自辐射强度可予忽略，人们是通过它的反射特性感辐射强度可予忽略，人们是通过它的反射特性感知其存在的）。但从光电子学应用角度出发，把知其存在的）。但从光电子学应用角度出发，把反射体也看成是一种反射体也看成是一种“辐射源辐射源”，既不妨碍对光，既不妨碍对光电子成像系统信息传输过程机理的理解，又可使电子成像系统信息传输过程机理的理解，又可使多样的研究对象（景物）模型规范化。反射体分多样的研究对象（景物）模型规范化。反射体分镜面反射（如镜子、静止水面等）、朗伯反射体镜面反射（如镜子、静止水面等）、朗伯反射体（如氧化镁面、优质电影银幕等），以及毛面反（如氧化镁面、优质

11、电影银幕等），以及毛面反射体（除镜面和朗伯反射体以外的所有其他反射射体（除镜面和朗伯反射体以外的所有其他反射体）。军用目标和背景多属于毛面反射体。体）。军用目标和背景多属于毛面反射体。Heilongjiang Institute of Technology, China Jialu Tang13March, 2014黑体辐射黑体辐射n任何有温度的物体都会不停的发射电磁波，同时任何有温度的物体都会不停的发射电磁波，同时也会吸收电磁波。也会吸收电磁波。Heilongjiang Institute of Technology, China Jialu Tang14March, 2014黑体辐射黑体辐

12、射n吸收入射能量与颜色、表面质地等等条件有关。吸收入射能量与颜色、表面质地等等条件有关。n物体是好的辐射吸收体也是好的发射体。比如：物体是好的辐射吸收体也是好的发射体。比如：海面与石头。如果只吸不放就会不平衡。海面与石头。如果只吸不放就会不平衡。Heilongjiang Institute of Technology, China Jialu Tang15March, 2014绝对黑体绝对黑体n绝对黑体：完全吸收落于其上的电磁波。绝对黑体：完全吸收落于其上的电磁波。n在光电子学中，绝对黑体是热辐射源的典型代表在光电子学中，绝对黑体是热辐射源的典型代表，这是因为它既可以作为一种理想的标准辐射源，

13、这是因为它既可以作为一种理想的标准辐射源，又能以严格的数学表达式予以描述。，又能以严格的数学表达式予以描述。Heilongjiang Institute of Technology, China Jialu Tang16March, 2014黑体辐射基本定律黑体辐射基本定律n维恩利用热力学推导，在长波长处与实验不符。维恩利用热力学推导，在长波长处与实验不符。n瑞利琴斯利用电磁理论与能量平均分配推导，在瑞利琴斯利用电磁理论与能量平均分配推导，在短波处不符。短波处不符。Heilongjiang Institute of Technology, China Jialu Tang17March, 20

14、14黑体辐射基本定律黑体辐射基本定律n普朗克假设普朗克假设E=nhv n=0,1,2 h=6.63*10-34 得到得到与实际曲线吻合结果。与实际曲线吻合结果。Heilongjiang Institute of Technology, China Jialu Tang18March, 2014黑体辐射基本定律黑体辐射基本定律n波尔兹曼方程：波尔兹曼方程：n维恩位移定律维恩位移定律Heilongjiang Institute of Technology, China Jialu Tang19March, 2014常见的辐射源常见的辐射源n钨丝灯与标准光源：使用黑体描述物体的辐射能钨丝灯与标准光源

15、：使用黑体描述物体的辐射能量不易测试，就将与黑体在量不易测试，就将与黑体在2856K的辐射可见光的辐射可见光能量（色温）相等的标准白炽灯辐射能量作为标能量（色温）相等的标准白炽灯辐射能量作为标准光源。准光源。Heilongjiang Institute of Technology, China Jialu Tang20March, 2014色温的概念色温的概念n色温是表示光源光谱质量最通用的指标。一般用色温是表示光源光谱质量最通用的指标。一般用Tc表示。色温是按绝对黑体来定义的，光源的辐表示。色温是按绝对黑体来定义的，光源的辐射在可见区和绝对黑体的辐射完全相同时，此时射在可见区和绝对黑体的辐射

16、完全相同时，此时黑体的温度就称此光源的色温。低色温光源的特黑体的温度就称此光源的色温。低色温光源的特征是能量分布中，红辐射相对说要多些，通常称征是能量分布中，红辐射相对说要多些，通常称为为“暖光暖光”；色温提高后，能量分布中，蓝辐射的；色温提高后，能量分布中，蓝辐射的比例增加，通常称为比例增加，通常称为“冷光冷光”。一些常用光源的色。一些常用光源的色温为：标准烛光为温为：标准烛光为1930K（开尔文温度单位）；（开尔文温度单位）；钨丝灯为钨丝灯为2760-2900K；荧光灯为；荧光灯为3000K；闪光灯；闪光灯为为3800K；中午阳光为；中午阳光为5600K；电子闪光灯为；电子闪光灯为6000

17、K；蓝天为；蓝天为12000-18000K。Heilongjiang Institute of Technology, China Jialu Tang21March, 2014常见的辐射源常见的辐射源n太阳是光电子学应用中最重要的辐射源，它近似太阳是光电子学应用中最重要的辐射源，它近似黑体辐射，且温度黑体辐射，且温度T5900K。n太阳辐射能量的峰值波长在太阳辐射能量的峰值波长在0.51um（绿光）附近（绿光）附近，在可见光波段（，在可见光波段（0.380.76um）内的辐射能量）内的辐射能量占总能量的占总能量的1/2以上。（太阳是为了人类准备？）以上。（太阳是为了人类准备？）Heilong

18、jiang Institute of Technology, China Jialu Tang22March, 2014激光器的工作原理激光器的工作原理n激光（激光（Laser）（Light Amplification by Stimulated Emission or Radiation） 波尔原子模型波尔原子模型 原子中的电子能阶原子中的电子能阶Heilongjiang Institute of Technology, China Jialu Tang23March, 2014激光器的工作原理激光器的工作原理n吸收光子，吸收能量吸收光子，吸收能量n任意方向的自发辐射任意方向的自发辐射n受到

19、一个正确光子能量受到一个正确光子能量的受激发射的受激发射Heilongjiang Institute of Technology, China Jialu Tang24March, 2014激光器的工作原理激光器的工作原理n除了合适的光子能量激发还需要除了合适的光子能量激发还需要2个条件个条件（1）粒子数反转）粒子数反转（2）亚稳态足够长时间）亚稳态足够长时间 10-3 sec vs. 10-8 sec for exampleHeilongjiang Institute of Technology, China Jialu Tang25March, 2014激光器的诞生激光器的诞生nT.H.

20、Maimannholding the first laser ( 1960 )Heilongjiang Institute of Technology, China Jialu Tang26March, 2014红宝石激光器红宝石激光器nE3，E4：短暂的激发态：短暂的激发态( 10-8秒秒)nE2：长寿命：长寿命( 310 -3秒秒)的亚稳态的亚稳态nE1：基态：基态n电子很容易从电子很容易从E3、E4衰减到衰减到E2 ，n但不容易从但不容易从E2到到E1Heilongjiang Institute of Technology, China Jialu Tang27March, 2014（1

21、）E1泵浦到泵浦到E3、E4（2）E3，E4容易衰变到容易衰变到E2（3）自发发射的光子触发）自发发射的光子触发E2到到E1的的受激发射，激光波长受激发射，激光波长694.3 nm（4）脉冲激光（每闪几次）脉冲激光（每闪几次）激光的产生过程与特点激光的产生过程与特点n单方向，发散角度小单方向，发散角度小，可制造远距离激光，可制造远距离激光武器。武器。n高密度，亮度、能量高密度，亮度、能量高，可制造远距离激高，可制造远距离激光武器。光武器。n单频，单色。可用于单频，单色。可用于精确测量。精确测量。Heilongjiang Institute of Technology, China Jialu

22、Tang28March, 2014激光器在光电子成像中应用激光器在光电子成像中应用n激光激光/微光选通夜视系统微光选通夜视系统n激光扫描大屏幕激光扫描大屏幕n激光刻蚀机、激光打印机和激光视盘激光刻蚀机、激光打印机和激光视盘Heilongjiang Institute of Technology, China Jialu Tang29March, 2014激光激光/微光选通夜视系统微光选通夜视系统n通过大电流驱动与控制，发射出人们肉眼看不到通过大电流驱动与控制，发射出人们肉眼看不到的红外光线去照亮被拍摄的目标物体。但由于激的红外光线去照亮被拍摄的目标物体。但由于激光的光束细、亮度高，因此必须要根据所监视的光的光束细、亮度高，因此必须要根据所监视的远距离目标的距离和范围，通过光学扩束准直镜远距离目标的距离和范围，通过光学扩束准直镜头将红外光束扩束照亮到所监视范围的目标场景头将红外光束扩束