大学物理：第五章 红外与遥感技术 (2)

1、红外技术红外技术11800 年英国的天文学家年英国的天文学家赫谢耳赫谢耳（Herschel） 用分光棱镜将太阳光分解成从红色到紫色的单色光，用分光棱镜将太阳光分解成从红色到紫色的单色光，依次测量不同颜色光的热效应。依次测量不同颜色光的热效应。 发现，当水银温度计移到红色光谱边界以外，发现，当水银温度计移到红色光谱边界以外， 人眼看不见有任何光线的黑暗区的时候，人眼看不见有任何光线的黑暗区的时候， 温度反而比红光区域的温度更高。温度反而比红光区域的温度更高。实验证明，在红光外侧，存在一种人眼看不见的实验证明，在红光外侧，存在一种人眼看不见的“热线热线”，后来称为后来称为“红外线红外线”，也称，也

2、称“红外辐射红外辐射”。2红外辐射的物理本质是热辐射。红外辐射的物理本质是热辐射。这种辐射的量主要由这个这种辐射的量主要由这个 物体的温度和材料本身的性质决定。物体的温度和材料本身的性质决定。热辐射的强度及光谱成分取决于辐射体的热辐射的强度及光谱成分取决于辐射体的温度温度，温度这个物理量对热辐射现象起着决定性的作用。温度这个物理量对热辐射现象起着决定性的作用。手持式红外测温仪手持式红外测温仪345红外线除具有红外线除具有 几何光学几何光学（直线传播，遵守反射、折射定律）、（直线传播，遵守反射、折射定律）、波动光学波动光学（具有散射、干涉和偏振等特性）的性质外，（具有散射、干涉和偏振等特性）的性

3、质外，还有其自身独特的性质。还有其自身独特的性质。6人眼看不见红外线，在研究与应用红外辐射时，人眼看不见红外线，在研究与应用红外辐射时， 就要寻找对红外辐射敏感的探测器件；就要寻找对红外辐射敏感的探测器件；红外线的热效应比可见光显著得多；红外线的热效应比可见光显著得多；任何温度高于绝对零度的物质都产生红外辐射。任何温度高于绝对零度的物质都产生红外辐射。人体是很好的热辐射源，人体是很好的热辐射源， 同时人体对红外辐射也有较高的吸收率。同时人体对红外辐射也有较高的吸收率。7红外技术是研究红外辐射的红外技术是研究红外辐射的产生、传播、转化、测量及其应用的技术科学。产生、传播、转化、测量及其应用的技术

4、科学。研究红外辐射的性质，研究红外辐射的性质， 其中有受热物体所发射的辐射其中有受热物体所发射的辐射 在光谱、强度和方向的分布；在光谱、强度和方向的分布；辐射在媒质中的传播特性辐射在媒质中的传播特性 反射、折射、衍射和散射；反射、折射、衍射和散射；热电效应和光电效应等。热电效应和光电效应等。红外元件、部件的研制，红外元件、部件的研制， 包括辐射源、微型制冷器、包括辐射源、微型制冷器、 红外窗口材料和滤光电等。红外窗口材料和滤光电等。红外技术在军事上和红外技术在军事上和 国民经济中的应用。国民经济中的应用。8一一 红外辐射源红外辐射源实验证明，实验证明，一切高于绝对零度的物体都会辐射红外线。一切

5、高于绝对零度的物体都会辐射红外线。我们称这种现象为红外辐射，我们称这种现象为红外辐射，因此，到处都是红外辐射源，到处都充满着红外线。因此，到处都是红外辐射源，到处都充满着红外线。 太阳，地球，高山大海，森林湖泊，冰天雪地，太阳，地球，高山大海，森林湖泊，冰天雪地，活动在地面、水面和空中的军事装置：活动在地面、水面和空中的军事装置： 如坦克、车辆、军舰、飞机，如坦克、车辆、军舰、飞机，照明灯、火炉，一杯热茶，照明灯、火炉，一杯热茶，人体自身就是一个红外线源人体自身就是一个红外线源其他的星球，甚至人造地球卫星，宇宙飞船其他的星球，甚至人造地球卫星，宇宙飞船 9由于红外线的波长大于可见光波长，由于红

6、外线的波长大于可见光波长， 频率比可见光小，频率比可见光小， 因此红外光子的能量明显小于可见光光子，因此红外光子的能量明显小于可见光光子，但红外线的热效应比可见光显著得多，但红外线的热效应比可见光显著得多， 因此红外辐射又称热辐射。因此红外辐射又称热辐射。在温度低于在温度低于500时，一般的物体不会发出可见光，时，一般的物体不会发出可见光， 但能产生红外线，发出热辐射。但能产生红外线，发出热辐射。在工业应用上，典型的红外辐射源有：在工业应用上，典型的红外辐射源有： 标准辐射源标准辐射源（能斯脱灯、硅碳棒、绝对黑体模型）；（能斯脱灯、硅碳棒、绝对黑体模型）； 工程用辐射源工程用辐射源（白炽灯、电

7、发光辐射器、弧光灯等）；（白炽灯、电发光辐射器、弧光灯等）； 激光器激光器（气体激光器、固体激光器、半导体激光器等）。（气体激光器、固体激光器、半导体激光器等）。从红外探测技术方面看，又可将红外辐射源分为四类：从红外探测技术方面看，又可将红外辐射源分为四类： 作为辐射标准的黑体辐射源；作为辐射标准的黑体辐射源； 作为标准辐射源的主动式红外人工辐射源；作为标准辐射源的主动式红外人工辐射源； 红外系统在进行探测、定位和识别时使用的目标辐射源；红外系统在进行探测、定位和识别时使用的目标辐射源； 干扰红外系统探测的背景辐射源。干扰红外系统探测的背景辐射源。 101. 电热固体红外辐射源电热固体红外辐射

8、源（1）能斯脱灯）能斯脱灯（2）硅碳棒）硅碳棒（3）钨灯）钨灯（4）乳白石英加热管）乳白石英加热管2. 气体放电辐射源气体放电辐射源（1）氙灯）氙灯（2）水银灯）水银灯（3）碳弧）碳弧3. 红外激光器红外激光器4. 红外发光二极管红外发光二极管5. 自然红外辐射源自然红外辐射源（1）太阳辐射）太阳辐射（2）地面和云层的辐射）地面和云层的辐射（3）天空的辐射）天空的辐射6. 目标红外辐射源目标红外辐射源（1）飞机的辐射）飞机的辐射（2）坦克的辐射）坦克的辐射（3）火炮的辐射）火炮的辐射（4）火箭的辐射）火箭的辐射（5）人体的辐射）人体的辐射111. 电热固体红外辐射源电热固体红外辐射源（1）能斯

9、脱灯）能斯脱灯是近代红外技术中常用的辐射光源之一，是近代红外技术中常用的辐射光源之一，由氧化锆和氧化钆及少量其他物质混合制成的由氧化锆和氧化钆及少量其他物质混合制成的 棒状或管状棒状或管状固体红外辐射源固体红外辐射源。长度约长度约3cm，直径约，直径约3mm，两端缠铂丝并与电路相连接，用直流或交流供电，两端缠铂丝并与电路相连接，用直流或交流供电，工作温度可达工作温度可达2000K。能斯脱灯典型参数值为：能斯脱灯典型参数值为： 功率消耗功率消耗45W、0. 1 A； 工作温度工作温度TC = 1980K； 尺寸尺寸 3.1 mm12.7 mm。 12能斯脱灯在室温下是绝缘体，能斯脱灯在室温下是绝

10、缘体，在点燃之前需加在点燃之前需加230V左右的电压。左右的电压。用电热丝或酒精灯将能斯脱灯用电热丝或酒精灯将能斯脱灯 预热到预热到800左右时，左右时，棒（或管）即开始导电，棒（或管）即开始导电， 具有负阻效应，具有负阻效应，故电路中需加入限流器。故电路中需加入限流器。能斯脱灯的主要优点是：能斯脱灯的主要优点是： 可以在空气中点燃（需玻璃外壳及红外透射窗）。可以在空气中点燃（需玻璃外壳及红外透射窗）。 能斯脱灯的缺点是机械强度低，工作寿命短，能斯脱灯的缺点是机械强度低，工作寿命短，表面部分的辐射状况常受空气扰动变化不定，表面部分的辐射状况常受空气扰动变化不定，起燃也比较麻烦。起燃也比较麻烦。

11、 1314（2）硅碳棒）硅碳棒1. 电热固体红外辐射源电热固体红外辐射源是用含是用含SiC超过超过95的材料制成的棒状或管状辐射源。的材料制成的棒状或管状辐射源。硅碳棒的直径为硅碳棒的直径为650mm，长度从几厘米到，长度从几厘米到lm左右。左右。可以在空气中直接通电加热，工作温度在可以在空气中直接通电加热，工作温度在1500K以下。以下。若温度超过若温度超过1500K，则棒体将被氧化而损坏。，则棒体将被氧化而损坏。如果在棒表面涂上二氧化钛保护层，如果在棒表面涂上二氧化钛保护层，则可使工作温度提高到则可使工作温度提高到2200K。 1516（3）钨灯）钨灯1. 电热固体红外辐射源电热固体红外辐

12、射源卤钨灯 将钨丝装在一个充满惰性气体将钨丝装在一个充满惰性气体并带有红外透射窗口的灯泡内，并带有红外透射窗口的灯泡内， 可以延长红外波段。可以延长红外波段。根据不同需要，根据不同需要，灯丝可做成各种形状，灯丝可做成各种形状，钨灯的供电电源要求稳定。钨灯的供电电源要求稳定。 17（4）乳白石英加热管）乳白石英加热管1. 电热固体红外辐射源电热固体红外辐射源乳白石英加热管是以天然水晶为原料，乳白石英加热管是以天然水晶为原料，在以石墨电极为坩埚发射体的真空电阻炉中在以石墨电极为坩埚发射体的真空电阻炉中 熔融（熔融（1740）拉制而成。）拉制而成。在熔融过程中，使气体在熔体中形成大量的小气泡，在熔融

13、过程中，使气体在熔体中形成大量的小气泡，故外观呈乳白色状。故外观呈乳白色状。乳白石英玻璃材料耐热性能好乳白石英玻璃材料耐热性能好 （可耐（可耐2001300高温），热膨胀系数低，高温），热膨胀系数低，有优良的抗热震性能和电绝缘性能，有优良的抗热震性能和电绝缘性能，还具有很好的化学稳定性，还具有很好的化学稳定性，但机械强度和耐冲击性能较差。但机械强度和耐冲击性能较差。18工作温度范围广，通常为工作温度范围广，通常为400 500，也可制作表温为也可制作表温为750以下、以下、 100以上的加热辐射源。以上的加热辐射源。升温降温快，升温降温快， 只需只需7 10 min（SiC板需板需3035 m

14、in）。）。外表纯净洁白，外表纯净洁白， 可以用在工艺卫生要求很高的地方。可以用在工艺卫生要求很高的地方。19202. 气体放电辐射源气体放电辐射源当电流通过气体媒质时，会产生多种放电现象，当电流通过气体媒质时，会产生多种放电现象，常见的有辉光放电和弧光放电两类。常见的有辉光放电和弧光放电两类。各种气体放电辐射源的结构基本相同。各种气体放电辐射源的结构基本相同。A和和C是放电灯的电极，是放电灯的电极，A是阳极，是阳极，C是阴极。是阴极。G为气体介质，它不应与管壳和电极材料发生化学反应，为气体介质，它不应与管壳和电极材料发生化学反应，可选用惰性气体或金属及金属化合物蒸气。可选用惰性气体或金属及金

15、属化合物蒸气。21当把灯接入电源，就会放电发光。当把灯接入电源，就会放电发光。发光的基本过程可分为三个阶段：发光的基本过程可分为三个阶段：自由电子被外电场加速；自由电子被外电场加速；被加速的电子与气体原子碰撞，使气体原子受激；被加速的电子与气体原子碰撞，使气体原子受激；当受激原子返回基态时，则以辐射的形式释放能量。当受激原子返回基态时，则以辐射的形式释放能量。根据放电机制的不同，可制成多种气体放电辐射源。根据放电机制的不同，可制成多种气体放电辐射源。222. 气体放电辐射源气体放电辐射源（1）氙灯）氙灯利用惰性气体的放电现象可以制成辐射源。利用惰性气体的放电现象可以制成辐射源。超高压下的氩、氪

16、、氙等惰性气体超高压下的氩、氪、氙等惰性气体在紫外和可见光区域具有连续光谱，在紫外和可见光区域具有连续光谱，而在红外波段则有明显的线光谱叠加在连续光谱上。而在红外波段则有明显的线光谱叠加在连续光谱上。在惰性气体中，以氙气放电最为常用，在惰性气体中，以氙气放电最为常用，由它制成的辐射源叫做氙灯。由它制成的辐射源叫做氙灯。氙灯是一种在椭球形石英泡壳内氙灯是一种在椭球形石英泡壳内 充有充有0.0190.0266MPa高压高压氙气、氙气、 极间距离小于极间距离小于10mm的氙灯。的氙灯。23超高压短弧氙灯的超高压短弧氙灯的光谱光谱分布分布 超高压短弧氙灯已成为电影放映光源超高压短弧氙灯已成为电影放映光

17、源 242. 气体放电辐射源气体放电辐射源（2）水银灯）水银灯利用金属蒸气的放电现象可以制做辐射源，利用金属蒸气的放电现象可以制做辐射源，水银灯就是利用水银蒸气的放电现象而制成的。水银灯就是利用水银蒸气的放电现象而制成的。低压水银灯主要产生紫外辐射。低压水银灯主要产生紫外辐射。高压水银灯可产生强的紫外线和可见辐射，高压水银灯可产生强的紫外线和可见辐射， 同时也产生近红外光，同时也产生近红外光，这种灯广泛用于实验室作为单色光谱来标定光谱仪器。这种灯广泛用于实验室作为单色光谱来标定光谱仪器。超高压水银灯随着水银蒸气压的升高，超高压水银灯随着水银蒸气压的升高， 在红外波段的辐射能也相应地增加，在红外

18、波段的辐射能也相应地增加， 并且谱线变宽，形成连续光谱。并且谱线变宽，形成连续光谱。 当压力达当压力达20 MPa 时，红外辐射占全部辐射的时，红外辐射占全部辐射的34 %，因此它是一种良好的近红外辐射源。因此它是一种良好的近红外辐射源。25高压水银灯的高压水银灯的结构结构: 灯管用石英玻璃制成，管内充以水银蒸气及少量氢气。灯管用石英玻璃制成，管内充以水银蒸气及少量氢气。正常工作时，灯管内的水银蒸气压为正常工作时，灯管内的水银蒸气压为 0.10.5 MPa。在辅助电极与相邻的主电极间加有在辅助电极与相邻的主电极间加有220V的交流电压。的交流电压。由于电极之间的间距很近（约由于电极之间的间距很

19、近（约23 mm），），形成很强的电场，因而电极间的气体被击穿，形成很强的电场，因而电极间的气体被击穿，发生辉光放电，产生大量电子和离子，发生辉光放电，产生大量电子和离子，这些带电粒子在电场作用下产生繁流过程，这些带电粒子在电场作用下产生繁流过程，并过渡到两主电极之间的弧光放电。并过渡到两主电极之间的弧光放电。 26（3）碳弧）碳弧2. 气体放电辐射源气体放电辐射源碳弧是开放式放电，碳弧是开放式放电，电弧发生在大气中的两个碳棒之间。电弧发生在大气中的两个碳棒之间。为使电弧保持稳定，阳极做成有芯结构，为使电弧保持稳定，阳极做成有芯结构，一般由外壳和灯芯形成，采用纯碳素材料一般由外壳和灯芯形成，采

20、用纯碳素材料 （炭黑、石墨、焦炭）制作，只是灯芯材料较软。（炭黑、石墨、焦炭）制作，只是灯芯材料较软。放电时，阳极大量放热，造成碳的蒸发，放电时，阳极大量放热，造成碳的蒸发，而灯芯的蒸发比外壳厉害得多，而灯芯的蒸发比外壳厉害得多，因此便在阳极中心形成稳定的喷火口（弧坎）。因此便在阳极中心形成稳定的喷火口（弧坎）。碳弧的辐射约碳弧的辐射约 90是从阳极发出，是从阳极发出，其中主要是热辐射。其中主要是热辐射。27碳弧的辐射光谱是由炽热电极的连续光谱碳弧的辐射光谱是由炽热电极的连续光谱 和气体混合物的特征谱线及带光谱迭加而成和气体混合物的特征谱线及带光谱迭加而成 28293. 红外激光器红外激光器激

21、光器的种类繁多，可以对激光器进行不同的分类。激光器的种类繁多，可以对激光器进行不同的分类。按按工作物质工作物质分类，分类， 可分为固体（含半导体）、液体（含染料）、可分为固体（含半导体）、液体（含染料）、 气体（含分子的、原子的、离子的）激光器。气体（含分子的、原子的、离子的）激光器。按按泵浦方式泵浦方式分类，分类， 可分为光泵式、电泵式和化学反应式激光器。可分为光泵式、电泵式和化学反应式激光器。按按工作方式工作方式分类，分类， 可分为连续式（可分为连续式（CW）和脉冲式，）和脉冲式， 其中脉冲式又可为标准式、其中脉冲式又可为标准式、 Q 开关式和锁模式等几类激光器。开关式和锁模式等几类激光器

22、。按按输出波长输出波长分类，分类， 可分为紫外、可见和红外激光器等。可分为紫外、可见和红外激光器等。30由于激光器输出的激光由于激光器输出的激光 方向性强、单色性好、方向性强、单色性好、 亮度高和相位一致等优良特性，亮度高和相位一致等优良特性，自激光问世以来，得到了很好的开发和应用。自激光问世以来，得到了很好的开发和应用。红外激光器是一类新型的红外辐射光源红外激光器是一类新型的红外辐射光源 氦氖激光器氦氖激光器半导体激光器半导体激光器31典型红外激光器典型红外激光器 324. 红外发光二极管红外发光二极管红外发光二极管（红外发光二极管（IRLED），），通常采用复合几率高的通常采用复合几率高的

23、 直接带隙半导体材料制造，直接带隙半导体材料制造，如：如：GaAs。所发射出来的光是波长在所发射出来的光是波长在750nm以上的光。以上的光。IRLED与普通与普通LED一样，一样，具有外形尺寸小、质量轻、可靠性高、寿命长等特点。具有外形尺寸小、质量轻、可靠性高、寿命长等特点。与红外激光器相比，与红外激光器相比， IRLED在成本、稳定性方面具较大优势、在成本、稳定性方面具较大优势、因而也具有广泛的用途。因而也具有广泛的用途。335. 自然红外辐射源自然红外辐射源在自然界中，太阳、月亮、星星、地面、云层等在自然界中，太阳、月亮、星星、地面、云层等 均是自然红外辐射源。均是自然红外辐射源。太阳、

24、地球、行星是宇宙空间的点源，太阳、地球、行星是宇宙空间的点源， 可用于宇宙飞船的定向。可用于宇宙飞船的定向。太阳和地球的红外辐射可用来太阳和地球的红外辐射可用来 确定人造地球卫星表面的受热温度。确定人造地球卫星表面的受热温度。在某些情况下，在某些情况下， 自然源的辐射会干扰红外仪器的工作。自然源的辐射会干扰红外仪器的工作。34（1）太阳辐射）太阳辐射太阳是最强的自然红外辐射源，太阳是最强的自然红外辐射源， 其辐射强度达其辐射强度达6200 W/cm2。 太阳辐射谱，特别是在红外波段，太阳辐射谱，特别是在红外波段， 与与6000K的黑体辐射相当符合的黑体辐射相当符合 35太阳的光谱从波长为太阳的

25、光谱从波长为10 nm 或者更短的或者更短的X射线射线 一直延伸到波长大于一直延伸到波长大于100m的无线电波。的无线电波。但只有但只有 0.33m波段的太阳辐射到达地球表面，波段的太阳辐射到达地球表面，更短和更长波长的辐射被地球大气所吸收。更短和更长波长的辐射被地球大气所吸收。36在距太阳平均日在距太阳平均日-地距离外测得太阳的能量地距离外测得太阳的能量有有99.9是集中在是集中在0.21710.94m的波段，的波段，其中约有其中约有50的能量在红外区域，的能量在红外区域， 40的能量在可见光部分，的能量在可见光部分，9的能量在紫外波段。的能量在紫外波段。37（2）地面和云层的辐射）地面和云

26、层的辐射在白天，地球表面的红外辐射由两部分组成，在白天，地球表面的红外辐射由两部分组成， 即即地球本身的热辐射地球本身的热辐射和和反射的太阳辐射反射的太阳辐射。 在夜间，反射的太阳辐射部分消失了。在夜间，反射的太阳辐射部分消失了。 38白天的白天的雪地、草地、土壤和沙地雪地、草地、土壤和沙地的光谱辐射亮度曲线的光谱辐射亮度曲线 这些曲线与这些曲线与35黑体辐射曲线进行比较，黑体辐射曲线进行比较， 辐射与发射率为辐射与发射率为0.9以上的灰体的辐射一样。以上的灰体的辐射一样。 3940研究地球对宇宙空间的红外辐射，研究地球对宇宙空间的红外辐射， 就涉及到大气就涉及到大气-地球系统的辐射，地球系统

27、的辐射，因大部分地球表面经常被云层所覆盖。因大部分地球表面经常被云层所覆盖。41在不同厚度云层覆盖的情况下，在不同厚度云层覆盖的情况下， 被地球反射的太阳辐射的相对分布被地球反射的太阳辐射的相对分布云层下面的本征热辐射可与云层下面的本征热辐射可与273K黑体的辐射相比拟；黑体的辐射相比拟；云层上表面的辐射约与温度为云层上表面的辐射约与温度为230K的物体辐射相近。的物体辐射相近。42冬天和夏天云空的光谱辐射亮度的分布曲线冬天和夏天云空的光谱辐射亮度的分布曲线43（3）天空的辐射）天空的辐射白天和夜晚的天空辐射可白天和夜晚的天空辐射可 干扰红外仪器工作的辐射背景。干扰红外仪器工作的辐射背景。为了

28、减少天空背景辐射对红外装置灵敏度的影响，为了减少天空背景辐射对红外装置灵敏度的影响，可以采用窄带滤光片和电子滤波器等多种方法，可以采用窄带滤光片和电子滤波器等多种方法，同时还需了解天空辐射的各种特征和分布规律。同时还需了解天空辐射的各种特征和分布规律。4445白天和黑夜晴朗天空的辐射谱（相对分布）白天和黑夜晴朗天空的辐射谱（相对分布）46白天和黑夜晴朗天空的辐射谱（相对分布）白天和黑夜晴朗天空的辐射谱（相对分布）476. 目标红外辐射源目标红外辐射源所谓目标就是指所设计的红外系统要探测、定位或所谓目标就是指所设计的红外系统要探测、定位或识别的那些物体。任何一个实际的工业或军事目标，识别的那些物

29、体。任何一个实际的工业或军事目标，可以是一个点辐射源，也可以是一个扩展辐射源。可以是一个点辐射源，也可以是一个扩展辐射源。若已知目标的一些特性，如温度、尺寸、结构、发若已知目标的一些特性，如温度、尺寸、结构、发射率、反射比等，如何求得整个目标的辐射量数值，射率、反射比等，如何求得整个目标的辐射量数值，是系统设计中首先要考虑的问题。目标的辐射通常是系统设计中首先要考虑的问题。目标的辐射通常由两部分组成，即本身的发射辐射和对背景辐射的由两部分组成，即本身的发射辐射和对背景辐射的反射辐射。如果是透射体，还应包括背景辐射的透反射辐射。如果是透射体，还应包括背景辐射的透射辐射。目标往往是复合体或群体，在

30、计算中必须射辐射。目标往往是复合体或群体，在计算中必须同时考虑上述因素，将它们的影响加起来，才能获同时考虑上述因素，将它们的影响加起来，才能获得目标总的辐射。得目标总的辐射。48（1）飞机的辐射）飞机的辐射各种类型的飞机、导弹、火箭和卫星等各种类型的飞机、导弹、火箭和卫星等 空中目标都构成重要的红外辐射源。空中目标都构成重要的红外辐射源。飞机的辐射主要包括飞机的辐射主要包括 发动机壳体及尾喷管的辐射、发动机壳体及尾喷管的辐射、 尾焰（排出的废气）辐射、尾焰（排出的废气）辐射、 以及高速飞行时的蒙皮辐射。以及高速飞行时的蒙皮辐射。但不同类型的飞机，但不同类型的飞机， 其辐射的强度和分布具有很大差

31、别。其辐射的强度和分布具有很大差别。49螺旋桨飞机螺旋桨飞机发动机外壳温度较低（发动机外壳温度较低（80 100），），发射率（发射率（0.2 0.45）、辐射功率也较小，）、辐射功率也较小，其排气管温度在接近集气管部分为其排气管温度在接近集气管部分为650 800 ，到接近排气口处温度降到到接近排气口处温度降到250 350，表面发射率可达表面发射率可达0.8 0.9。这类飞机的总辐射中，这类飞机的总辐射中，废气和发动机外壳的辐射占废气和发动机外壳的辐射占35 45%，其余则是排气管的辐射。其余则是排气管的辐射。50喷气式飞机喷气式飞机的辐射主要来源于尾喷管热金属辐射和尾的辐射主要来源于尾喷

32、管热金属辐射和尾焰辐射，其次是高速飞行时的蒙皮辐射。尾喷管实际焰辐射，其次是高速飞行时的蒙皮辐射。尾喷管实际上是一个被排出气体加热的圆柱形腔体，可以把它看上是一个被排出气体加热的圆柱形腔体，可以把它看作是作是L / R=3 8的腔形黑体辐射源，其有效发射率约的腔形黑体辐射源，其有效发射率约为为0.9，辐射面积等于排气喷嘴面积，辐射温度等于，辐射面积等于排气喷嘴面积，辐射温度等于排出气体的温度（排出气体的温度（400 700）。）。515253伊尔伊尔28、米格、米格15、米格、米格21等飞机喷口的等飞机喷口的 辐射强度的角分布辐射强度的角分布54米格米格15M飞机喷口的红外辐射光谱飞机喷口的红

33、外辐射光谱55三叉戟飞机喷口的红外辐射光谱三叉戟飞机喷口的红外辐射光谱56（2）坦克的辐射）坦克的辐射坦克的背景辐射特性比较复杂，既有各种地形地貌坦克的背景辐射特性比较复杂，既有各种地形地貌（山谷、河流、树林、沙漠等）的差异，又有季节（山谷、河流、树林、沙漠等）的差异，又有季节变化带来的背景变化（大雪、植被四季变化等）。变化带来的背景变化（大雪、植被四季变化等）。坦克的红外辐射能是由大量热耗产生的，其中发动坦克的红外辐射能是由大量热耗产生的，其中发动机能量的机能量的60是损失于热耗，此外，传动齿轮也是是损失于热耗，此外，传动齿轮也是高热集中点。坦克的辐射包括自身辐射和反射辐射高热集中点。坦克的

34、辐射包括自身辐射和反射辐射两部分，其自身辐射与坦克的形状、面积、温度、两部分，其自身辐射与坦克的形状、面积、温度、辐射方向、发射率等因素有关。坦克在冬、夏季与辐射方向、发射率等因素有关。坦克在冬、夏季与背景的平均温差分别是背景的平均温差分别是6.9和和5.25 。坦克涂漆表。坦克涂漆表面的发射率一般约为面的发射率一般约为0.9，但由于日晒夜露，发射率，但由于日晒夜露，发射率会有所变化，而灰尘与污染会加剧这种效应。会有所变化，而灰尘与污染会加剧这种效应。5758（3）火炮的辐射）火炮的辐射5960（4）火箭的辐射）火箭的辐射飞行中的弹道火箭是一种强烈的红外辐射源。飞行中的弹道火箭是一种强烈的红外

35、辐射源。其壳体由于火箭发动机工作时散发的热量、其壳体由于火箭发动机工作时散发的热量、 空气气动加热和太阳辐射，可达到很高的温度。空气气动加热和太阳辐射，可达到很高的温度。飞行初始段，飞行初始段， 短时间的辐射源是燃料燃烧后的产物和尾焰。短时间的辐射源是燃料燃烧后的产物和尾焰。61含铅的固体推进剂燃烧的近场光谱含铅的固体推进剂燃烧的近场光谱62（5）人体的辐射）人体的辐射6364二二 热辐射原理热辐射原理1. 热辐射的基本概念热辐射的基本概念（1）热辐射）热辐射物体由大量原子组成，物体由大量原子组成， 热运动引起原子碰撞使原子激发而辐射电磁波。热运动引起原子碰撞使原子激发而辐射电磁波。原子的动能

36、越大，原子的动能越大， 通过碰撞引起原子激发的能量就越高，通过碰撞引起原子激发的能量就越高，从而辐射电磁波的波长就越短。从而辐射电磁波的波长就越短。热运动是混乱的，原子的动能与温度有关，热运动是混乱的，原子的动能与温度有关， 因而辐射电磁波的能量也与温度有关。因而辐射电磁波的能量也与温度有关。 例如例如：加热铁块，温度上升，：加热铁块，温度上升， 铁块颜色由铁块颜色由“看不出发光看不出发光”到到“暗红暗红”， 再到再到“橙色橙色”，再到，再到“黄白色黄白色”，再到，再到“蓝白色蓝白色”。 1400K800K1000K1200K65在任何温度下，物体都向外发射各种频率的电磁波。在任何温度下，物体

37、都向外发射各种频率的电磁波。只是在不同的温度下所发出的各种电磁波的只是在不同的温度下所发出的各种电磁波的 能量按频率有不同的分布，表现为不同的能量按频率有不同的分布，表现为不同的颜色颜色。这种能量按频率的分布这种能量按频率的分布 随温度而不同的电磁辐射叫做随温度而不同的电磁辐射叫做热辐射热辐射。 低温物体（例如人体）也有热辐射，但辐射较弱，低温物体（例如人体）也有热辐射，但辐射较弱， 并且主要成分是波长较长的红外线。并且主要成分是波长较长的红外线。 并不是所有发光现象都是热辐射，并不是所有发光现象都是热辐射， 例如：激光、日光灯发光就不是热辐射。例如：激光、日光灯发光就不是热辐射。 1400K

38、800K1000K1200K一个黑白花盘子的两张照片一个黑白花盘子的两张照片室温，反射光室温，反射光1100K，自身辐射光，自身辐射光鸟的羽毛的颜色鸟的羽毛的颜色是不是热辐射？是不是热辐射？鸟的羽毛的颜色鸟的羽毛的颜色是不是热辐射？是不是热辐射？不是，不是，是反射是反射69（2）平衡热辐射）平衡热辐射加热一物体，加热一物体， 若物体所吸收的能量等于在同一时间内辐射的能量，若物体所吸收的能量等于在同一时间内辐射的能量，则物体的温度恒定。则物体的温度恒定。这种温度不变的热辐射称为这种温度不变的热辐射称为平衡热辐射平衡热辐射。70（3）单色辐出度）单色辐出度d),(d)(TETM单色辐出度为：单色辐

39、出度为： 710:（4）辐出度）辐出度0d)()(TMTMd),(d)(TETM72物体在进行热辐射的同时，物体在进行热辐射的同时， 也吸收照射到它的表面上的电磁波。也吸收照射到它的表面上的电磁波。实验证明，物体的辐射能力和吸收能力实验证明，物体的辐射能力和吸收能力 都与它的表面的材料有关，都与它的表面的材料有关，而吸收本领越大的物体，它辐射的本领也越强。而吸收本领越大的物体，它辐射的本领也越强。2. 黑体辐射黑体辐射（1）黑体）黑体白色表面吸收电磁波的能力小，白色表面吸收电磁波的能力小， 在同温度下它辐射的电磁波的强度也小；在同温度下它辐射的电磁波的强度也小；表面越黑，吸收电磁波的能力就越大

40、，表面越黑，吸收电磁波的能力就越大， 在同温度下它辐射的电磁波的强度也越大。在同温度下它辐射的电磁波的强度也越大。黑体炉黑体炉73能完全吸收射到它上面的电磁波的表面能完全吸收射到它上面的电磁波的表面 叫绝对黑体，简称叫绝对黑体，简称黑体黑体。 煤烟是很黑的，煤烟是很黑的， 但也只能吸收但也只能吸收99的入射电磁波的能量，的入射电磁波的能量，还不是理想黑体。还不是理想黑体。 74维恩黑体模型维恩黑体模型 1895年年 不管用什么材料不管用什么材料 制成一个空腔，制成一个空腔，如果在腔壁上开一个小洞，如果在腔壁上开一个小洞，那么射入小洞的光就很难那么射入小洞的光就很难 有机会再从小洞出来了。有机会

41、再从小洞出来了。这个小洞只吸收光而不反射光。这个小洞只吸收光而不反射光。这样一个小洞实际上就能完全吸收各种波长的这样一个小洞实际上就能完全吸收各种波长的 入射电磁波而成了一个黑体。入射电磁波而成了一个黑体。 加热这个空腔到不同温度，加热这个空腔到不同温度， 小洞就成了不同温度下的黑体。小洞就成了不同温度下的黑体。 75)(TM用分光技术可测出不同温度下由它用分光技术可测出不同温度下由它 发出的电磁波的强度按频率分布的规律。发出的电磁波的强度按频率分布的规律。对黑体加热，黑体放出热辐射（不同频率的光）。对黑体加热，黑体放出热辐射（不同频率的光）。用光栅分光把辐射按频段分开。用光栅分光把辐射按频段

42、分开。 76（2）黑体辐射谱）黑体辐射谱 实验测定的不同温度下的黑体辐射光谱辐出度曲线实验测定的不同温度下的黑体辐射光谱辐出度曲线 77（3）斯特藩）斯特藩-玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律4)(TTM)/(1067. 5428KmW0d)()(TMTMd),(d)(TETM78（4）维恩位移定律）维恩位移定律对应于每一温度下的曲线都有一个极大值，对应于每一温度下的曲线都有一个极大值， 即每一温度下有一个最大单色辐出度。即每一温度下有一个最大单色辐出度。 m1893年维恩由理论推导出年维恩由理论推导出 TCmTbmK/Hz10880. 510CKm10898. 23b79（5）维恩公式）维恩公式189

43、6年，维恩从年，维恩从经典热力学经典热力学 和和麦克斯韦分布麦克斯韦分布出发，出发，找到了一个黑体辐射公式找到了一个黑体辐射公式 TTMexp)(5这一理论在高频（短波）这一理论在高频（短波）范围内与实验符合的很好，范围内与实验符合的很好，但在低频（长波）范围内但在低频（长波）范围内与实验结果有明显的偏差。与实验结果有明显的偏差。 80（6）瑞利）瑞利(Rayleigh) -金斯金斯(Jeans)公式公式1900年年6月，瑞利按经典的能量均分定理，月，瑞利按经典的能量均分定理，把空腔中简谐振子平均能量取与温度成正比的连续值，把空腔中简谐振子平均能量取与温度成正比的连续值，得到一个黑体辐射公式得

44、到一个黑体辐射公式42)(ckTTM8142)(ckTTM这与实验结果不符。这与实验结果不符。在高频范围内差别更明显，在高频范围内差别更明显，黑体辐射出的电磁波强度黑体辐射出的电磁波强度随频率的二次方不断增大，随频率的二次方不断增大，以致可趋于以致可趋于无限大无限大。这一经典理论与这一经典理论与 实验结果的实验结果的 巨大差别巨大差别称为称为“紫外灾难紫外灾难” 821911年诺贝尔年诺贝尔 物理学奖获得者物理学奖获得者德国物理学家德国物理学家（1864-1928）L. Rayleigh(1842-1919)42)(ckTTMTTMexp)(5833. 普朗克的能量子假说和黑体辐射公式普朗克的

45、能量子假说和黑体辐射公式1900年，认为空腔黑体的热辐射是腔壁中的年，认为空腔黑体的热辐射是腔壁中的 带电谐振子向外辐射各种频率的电磁波的结果。带电谐振子向外辐射各种频率的电磁波的结果。1900年年10月，普朗克利用数学上的内插法，月，普朗克利用数学上的内插法，把适用于高频的维恩公式和适用于把适用于高频的维恩公式和适用于 低频的瑞利低频的瑞利-金斯公式衔接起来，金斯公式衔接起来，得到一个半经验公式，即得到一个半经验公式，即普朗克黑体辐射公式普朗克黑体辐射公式：1exp12)(52TkhchcTM841exp12)(52TkhchcTM这一公式这一公式在全波段范围内在全波段范围内与实验完全符合与

46、实验完全符合 85为了使他的理论与实验曲线符合，为了使他的理论与实验曲线符合，普朗克作了一个经典理论所不允许的普朗克作了一个经典理论所不允许的假设假设：谐振子可能具有的能量是不连续的，谐振子可能具有的能量是不连续的，而只能取一些离散的值。而只能取一些离散的值。 , 2, 1, 0nnhE在这一假设基础上，再运用经典的统计物理方法在这一假设基础上，再运用经典的统计物理方法 就可推出普朗克黑体辐射公式。就可推出普朗克黑体辐射公式。86普朗克把谐振子能量公式给出的每一个能量值普朗克把谐振子能量公式给出的每一个能量值/hch称做称做“能量子能量子” 这是物理学史上第一次提出量子的概念。这是物理学史上第

47、一次提出量子的概念。 由于这一概念的革命性和重要意义，由于这一概念的革命性和重要意义，普朗克获得了普朗克获得了1918年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。 , 2, 1, 0nnhEsJ10)52(62606876. 634h直到直到1911年，他才真正认识到：年，他才真正认识到： 量子化的全新的、基础性的意义，量子化的全新的、基础性的意义， 它是根本不能由经典物理导出的。它是根本不能由经典物理导出的。 普朗克普朗克（Max Karl Ernst Ludwig Planck）18581947在吸收、辐射时在吸收、辐射时光是量子化的。光是量子化的。（1918年诺贝尔物理学奖）年诺贝尔物理学奖）/

48、hch884灰体辐射规律灰体辐射规律通常一个物体在辐射能量的同时，通常一个物体在辐射能量的同时， 也吸收周围物体的辐射能，也吸收周围物体的辐射能，如果某物体吸收的辐射能如果某物体吸收的辐射能 多于同一时间内放出的辐射能量，多于同一时间内放出的辐射能量，则其总能量增加，温度升高；则其总能量增加，温度升高；反之能量减少温度下降。反之能量减少温度下降。 当一个物体吸收外界的辐射能时，当一个物体吸收外界的辐射能时，一般会发生三个过程，即一部分一般会发生三个过程，即一部分反射反射， 一部分一部分吸收吸收，还有一部分，还有一部分透射透射。 对于一个对于一个不透明不透明的物体，的物体，可以忽略其透射能，只考

49、虑其反射能和吸收能。可以忽略其透射能，只考虑其反射能和吸收能。 89入射吸收EE入射反射EE显然对于不透明物质显然对于不透明物质 0透射E190这时容器内仍存在热交换，这时容器内仍存在热交换， 只不过是每一物体的吸收能等于其辐射能。只不过是每一物体的吸收能等于其辐射能。91按热平衡理论，按热平衡理论， 黑体黑体A辐射的能量应辐射的能量应等于等于其吸收的能量其吸收的能量)()()(TMTMTMABBABBATMTM1)()(92BBATMTM1)()(对于不透明物体对于不透明物体 BBATMTM)()(因此可以推论得因此可以推论得),()()()(02211TfTMTMTM基尔霍夫定律基尔霍夫定

50、律 93对一切物体的辐出度的基尔霍夫定律可表示为对一切物体的辐出度的基尔霍夫定律可表示为 ),()()()(02211TfTMTMTM)()()()(02211TfTMTMTM一个物体的辐出度与其吸收本领的比值一个物体的辐出度与其吸收本领的比值 是与物体性质无关的量，是与物体性质无关的量，它等于同一温度下的黑体的辐出度。它等于同一温度下的黑体的辐出度。因对任何物体，吸收本领大的物体，辐射本领也大。因对任何物体，吸收本领大的物体，辐射本领也大。 如果一个物体不能辐射某一波长的电磁波，如果一个物体不能辐射某一波长的电磁波，那么它也绝对吸收不了同样波长的电磁辐射能。那么它也绝对吸收不了同样波长的电磁

51、辐射能。 0d)()(TMTM94),()()()(02211TfTMTMTM辐射发射率定义为一定温度下，辐射发射率定义为一定温度下， 某辐射体在某波长的单色辐出度，某辐射体在某波长的单色辐出度，与同一温度下的黑体在同一波长的单色辐出度比值。与同一温度下的黑体在同一波长的单色辐出度比值。)()(0TMTM1095自然界并不存在黑体和灰体，自然界并不存在黑体和灰体，但在限定的波长范围内，但在限定的波长范围内，许多物体的辐射特性的精度许多物体的辐射特性的精度 可近似为黑体或灰体。可近似为黑体或灰体。)()(0TMTM96d )( d )()(000TMTMTM4400d )( )(TTTMTM)(

52、)(0TMTM10974400d )( )(TTTMTM当辐射体温度改变当辐射体温度改变dT时，时， 引起灰体的辐出度的相对变化率引起灰体的辐出度的相对变化率TTMMd4d对于辐射体温度控制的要求，对于辐射体温度控制的要求， 取决于对辐射源辐出度变化的要求。取决于对辐射源辐出度变化的要求。如果要求辐射体的辐出度变化小于如果要求辐射体的辐出度变化小于1%， 则对辐射体温度变化的要求，应不超过则对辐射体温度变化的要求，应不超过0. 25%。 98三三 红外线在介质中的衰减红外线在介质中的衰减光在传播过程中强度减弱的原因有两个：光在传播过程中强度减弱的原因有两个： 其一，能量真的被介质吸收而转化为介

53、质的内能，其一，能量真的被介质吸收而转化为介质的内能， 这称为真吸收；这称为真吸收； 其二，光被介质中的颗粒散射而分散了能量。其二，光被介质中的颗粒散射而分散了能量。1. 介质对光的吸收介质对光的吸收光的强度随着透入介质的深度的增加而减弱的现象，光的强度随着透入介质的深度的增加而减弱的现象，是由于介质对光能的吸收和向各个方向散射造成的。是由于介质对光能的吸收和向各个方向散射造成的。任何介质或多或少对光都有所吸收，任何介质或多或少对光都有所吸收， 这是光通过介质以后减弱的一个重要原因，这是光通过介质以后减弱的一个重要原因，因此因此100的透明介质只是一种理想模型。的透明介质只是一种理想模型。99

54、xkIIdd)exp(0klIIIIlIIxk0dd00lnIIkl100朗伯特定律朗伯特定律)exp(0klII光强在介质中按指数规律衰减光强在介质中按指数规律衰减定义介质的定义介质的透过率透过率)exp(0klIIk1012. 介质对光的散射介质对光的散射在光的传播过程中，除了介质的吸收外，在光的传播过程中，除了介质的吸收外， 介质中的悬浮微粒对光的散射也很强烈，介质中的悬浮微粒对光的散射也很强烈，且对不同的波长，颗粒散射的情况也不一样且对不同的波长，颗粒散射的情况也不一样lk)(exp对于对于均匀介质均匀介质，散射衰减的光能量可以忽略不计，散射衰减的光能量可以忽略不计， 光强衰减主要来自

55、光强衰减主要来自真吸收真吸收。对于对于非均匀介质非均匀介质和和稀薄气体稀薄气体， 衰减光能量起主要作用的是衰减光能量起主要作用的是散射散射。102普遍吸收普遍吸收只改变光的强度，不改变光的颜色。只改变光的强度，不改变光的颜色。 空气、纯净水、不含金属的玻璃空气、纯净水、不含金属的玻璃 在可见光范围内都是普遍吸收。在可见光范围内都是普遍吸收。选择吸收选择吸收不但改变光的强度，而且改变复色光的颜色。不但改变光的强度，而且改变复色光的颜色。例如红玻璃中参入一些金属，形成选择吸收，例如红玻璃中参入一些金属，形成选择吸收， 就可以制成彩色的玻璃。就可以制成彩色的玻璃。红色的玻璃能把白光中除了红色以外的光

56、都吸收掉。红色的玻璃能把白光中除了红色以外的光都吸收掉。103普遍吸收，吸收很少；选择吸收，吸收强烈。普遍吸收，吸收很少；选择吸收，吸收强烈。任一介质对光的吸收，任一介质对光的吸收， 都是由两种吸收（普遍吸收和选择吸收）组成的。都是由两种吸收（普遍吸收和选择吸收）组成的。臭氧吸收紫外线、水蒸气吸收红外线属选择吸收。臭氧吸收紫外线、水蒸气吸收红外线属选择吸收。 研究它们含量的变化，对气象预报至关重要。研究它们含量的变化，对气象预报至关重要。固体和液体选择吸收的波段较宽；固体和液体选择吸收的波段较宽； 而稀薄的原子气体吸收波段很窄。而稀薄的原子气体吸收波段很窄。红外吸收光谱红外吸收光谱：原子吸收光

57、谱的灵敏度是很高的，：原子吸收光谱的灵敏度是很高的， 不同分子红外吸收光谱显著不同。不同分子红外吸收光谱显著不同。如确定太阳大气的组成、微量元素的分析等。如确定太阳大气的组成、微量元素的分析等。 尤其对同分异构体，虽然物理化学性质相近，尤其对同分异构体，虽然物理化学性质相近，但红外吸收光谱也明显不同。但红外吸收光谱也明显不同。1043. 大气窗口大气窗口在整个电磁波谱范围内，不存在普遍吸收的介质，在整个电磁波谱范围内，不存在普遍吸收的介质， 地球的大气对可见光、紫外光是透明的。地球的大气对可见光、紫外光是透明的。大气层对波长为大气层对波长为300700nm的电磁波是透明的，的电磁波是透明的，但

58、是对于波长小于但是对于波长小于300nm的紫外线和的紫外线和 波长大于波长大于700nm的红外线却并不完全透明，的红外线却并不完全透明，大气中的臭氧对紫外线有强烈的吸收作用，大气中的臭氧对紫外线有强烈的吸收作用， 而红外线将被大气中的水蒸气大量吸收。而红外线将被大气中的水蒸气大量吸收。红外辐射在大气中传输有衰减，红外辐射在大气中传输有衰减， 其主要因素是大气中一些气体对辐射的吸收。其主要因素是大气中一些气体对辐射的吸收。105106大气对红外辐射的吸收具有明显的选择性，大气对红外辐射的吸收具有明显的选择性， 某些波长的红外线在大气中具有良好的透明度，某些波长的红外线在大气中具有良好的透明度，

59、某些波长的红外线被大气吸收得很厉害，某些波长的红外线被大气吸收得很厉害，这就好比在整个闭封的大气层上，这就好比在整个闭封的大气层上， 被打开了几扇透光的被打开了几扇透光的“窗户窗户”107“窗口窗口”的研究对红外导航、跟踪、制导至关重要。的研究对红外导航、跟踪、制导至关重要。一般认为，红外辐射在大气窗口波段内传播时，一般认为，红外辐射在大气窗口波段内传播时， 辐射的衰减主要是散射引起的。辐射的衰减主要是散射引起的。1084红外光学材料红外光学材料在物质内部，原子中电子的运动、在物质内部，原子中电子的运动、 晶体中原子的振动都能吸收入射的辐射。晶体中原子的振动都能吸收入射的辐射。而这两种吸收过程

60、所能而这两种吸收过程所能 吸收的光子能量是很不相同的，吸收的光子能量是很不相同的，前者主要在紫外、可见波段，前者主要在紫外、可见波段，而后者则在红外波段。而后者则在红外波段。109110四四 红外探测器红外探测器红外探测器是把不可见的红外辐射能红外探测器是把不可见的红外辐射能 转变为可测量信号的转换器。转变为可测量信号的转换器。如何检测红外辐射的存在，如何检测红外辐射的存在， 测定它的强弱并将其转变为其它形式的能量，测定它的强弱并将其转变为其它形式的能量，就是红外探测器的主要任务。就是红外探测器的主要任务。红外探测器所用的材料是制备红外探测器的基础，红外探测器所用的材料是制备红外探测器的基础，