第3章 目标与环境辐射及其工程计算

1、光电系统设计-第三章 目标与环境辐射及其工程计算,目标与环境辐射,3,目标与环境辐射,Direct Normal Irradiance - the amount of solar radiation from the direction of the sun. ETR - extraterrestrial radiation, also known as top-of-atmosphere (TOA) irradiance. Global Tilt = spectral radiation from solar disk plus sky diffuse and diffuse reflect

2、ed from ground on south facing surface tilted 37 deg from horizontal.,4,目标与环境辐射,目标与环境辐射研究与军事应用密切相关，世界各国进行详细研究，研究成果严格保密；,5,目标与环境辐射,6,目标与环境辐射,环境辐射特性研究也有广泛的民事用途。,7,目标与环境辐射,日常生活周围环境辐射强度（毫希沃特mSv）,8,目标与环境的光辐射特性：空间特性、光谱特性和时间特性。,目标辐射空间特性-高炉热图,目标与环境辐射,9,目标辐射光谱特性,目标与环境辐射,10,目标辐射时间特性,目标与环境辐射,11,本章内容,3.1、光辐射与度量

3、 3.2、绝对黑体及其基本定律 3.3、辐射源及其特性形式分类 3.4、点源、小面源、朗伯扩展源产生的辐照度 3.5、目标与环境光学特性的分类及特点 3.6、环境与目标光辐射特性 3.7、目标辐射的简化计算程序,12,第一节 光辐射与度量,1、光辐射及其红外辐射,13,第一节 光辐射与度量,X-射线的产生,14,第一节 光辐射与度量,电磁波谱,15,第一节 光辐射与度量,二氧化碳气体辐射谱,一切物体在高于0K的温度下都会发射热辐射。,气体辐射波谱：特征谱线和谱带,16,第一节 光辐射与度量,原子波谱：线状光谱,17,第一节 光辐射与度量,分子波谱：带状光谱,18,第一节 光辐射与度量,液体波谱

4、：带状光谱和连续光谱,19,第一节 光辐射与度量,固体波谱：带状光谱和连续光谱,20,第一节 光辐射与度量,红外辐射 电磁波谱中，通常把波长范围为0. 761000微米这一波谱区间称为红外波谱区。其中，又分为近红外（0.763.0微米）、中红外（3.06.0微米）和远红外（6.015.0微米）和超远红外（15.01000微米）。虽然红外波谱区很宽，但由于大气的吸收，实际主要有三个“大气窗口”可利用：2.02.6微米、3.05.0微米和远红外的8.014.0微米。,21,第一节 光辐射与度量,红外辐射“大气窗口”： 2.02.6微米、3.05.0微米和8.014.0微米,红外辐射和可见光一样，有

5、直线传播、反射、折射、散射、干涉、衍射、偏振等性质。,22,第一节 光辐射与度量,2、光度量和辐射度量 辐射度量是一门度量电磁辐射能的科学技术，是光电工程技术的基础； 历史上形成两种度量机制：光度量制和辐射度量制； 光度量制：以人眼或者经视见函数校正过的照度计作为探测器，是一种主观定义，形成光度学； 辐射度量制：以无光谱选择性的真空热电偶为探测器，是一种能量的客观的定义。,23,第一节 光辐射与度量,辐射中立体角的定义,24,第一节 光辐射与度量,人眼对可见光的响应曲线（可参考课本表3.3）,25,第一节 光辐射与度量,辐射能量单位表,26,第二节 绝对黑体及其基本定律,1、绝对黑体和非黑体

6、绝对黑体要求比辐射率为1，且与波长无关，实际上它只是一个理想的物理模型，但是我们用人工方法可以制作尽可能接近绝对黑体的辐射源。这种辐射源虽然也约定俗成地称为黑体，实质上只是黑体模拟器，它已广泛用于红外设备的辐射定标。,人造黑体原理,27,地球黑体辐射-地球可近似视为黑体,第二节 绝对黑体及其基本定律,28,第二节 绝对黑体及其基本定律,非黑体是指入射的电磁波部分被吸收，即有反射、透射、向外辐射。基尔霍夫辐射定律指出，在热平衡状态的物体所辐射的能量与吸收率之比与物体本身物性无关，只与波长和温度有关。按照基尔霍夫辐射定律，在一定温度下，黑体必然是辐射本领最大的物体，非黑体的辐射本领小于黑体。,非黑

7、体的辐射,29,第二节 绝对黑体及其基本定律,黑体、灰体和实际物体辐射率 比较,30,第二节 绝对黑体及其基本定律,2、普朗克（Max Plank）定律,普朗克（Max Plank） （1858-1947）,以波长表示的普朗克公式：,以频率表示的普朗克公式：,31,第二节 绝对黑体及其基本定律,1900年，普朗克发现经典理论的结果与实验不符合的根本原因在于：经典理论的能量是连续的。 普朗克提出能量子h :,h=6.6310-34 J.s 普朗克常数,1900年12月14日，在德国物理学会上演讲：“能量不连续，只能是 h 的整数倍。”这一天定为量子力学的诞生日。,32,第二节 绝对黑体及其基本定

8、律,3、斯特藩-波尔兹曼定律,在一定温度下，黑体在单位时间、单位面积和整个波长范围内辐射出的能量：,斯特藩-波尔兹曼定律对于实际物体并不适用。,33,第二节 绝对黑体及其基本定律,4、维恩位移定律,维恩位移公式： 式中： 公式表明，黑体光谱辐出度峰值对应的波长与黑体的温度成反比。当温度升高，光谱辐射的波长峰值变短，即向短波移动。,34,第二节 绝对黑体及其基本定律,斯特藩-玻尔兹曼定律和维恩位移定律是黑体辐射 的基本定律，现代广泛应用于高温测量、遥感、红外追踪等。,35,第二节 绝对黑体及其基本定律,5、朗伯余弦定律 一般说来，辐射源所发出的辐射能通量，其空间方向的分布很复杂，这给辐射量的计算

9、带来很大的麻烦。但在自然界中存在一类特殊的辐射源，它们的辐射亮度与辐射方向无关，例如太阳、荧光屏、毛玻璃灯罩、坦克表面等都近似于这类辐射源。人们把这种辐射亮度与辐射方向无关的辐射源称为漫辐射源。,36,第二节 绝对黑体及其基本定律,朗伯余弦定律描述了辐射源向半球空间内的辐射亮度沿高低角变化的规律。该定律规定，若面积元在法线方向的辐射强度为LN，则它在高低角的方向上的辐射强度为：,辐射的空间角,37,第二节 绝对黑体及其基本定律,朗伯余弦定律：即理想反射体单位表面积向空间某方向单位立体角反射（发射）的辐射亮度与表面法线夹角的余弦成正比。漫反射体的辐射亮度分布遵从朗伯余弦定律，自身发射的黑体辐射源

10、也遵从朗伯余弦定律，凡辐射亮度遵从朗伯余弦定律的辐射源称为朗伯辐射源。,38,第二节 绝对黑体及其基本定律,朗伯余弦定律还有一种表达形式，将辐射亮度定义为辐射源的单位投影面积（指面积元在与表示的射线相垂直的方向投影的单位面积）在 方向的单位立体角内的辐射功率。 则朗伯辐射源的辐射亮度是一个与方向无关的常量。这是因为辐射源的表观面积随表面法线与观测方向夹角的余弦而变化。符合此规律的辐射面称为朗伯面。对于绝对黑体，朗伯余弦定律极为正确。但在实际工作和生活中，人们遇到的各种漫辐射源只是近似地遵从朗伯余弦定律，所以朗伯辐射源是个理想化的概念。,39,朗伯辐射： 虽各方向亮度相同，但辐射强度不同。,第二

11、节 绝对黑体及其基本定律,40,第二节 绝对黑体及其基本定律,太阳的亮度等价平面圆盘,朗伯辐射体,积雪,41,第三节 辐射源及其特性形式分类,1、辐射源分类 按照辐射源光谱发射率 特性划分： 黑体， 灰体， 常数（小于1） 选择性辐射体， 是波长的函数,42,黑体、灰体和实际物体辐射率 比较,第三节 辐射源及其特性形式分类,43,第三节 辐射源及其特性形式分类,按照辐射源相对于红外系统瞬时视场张角划分： 点源，对系统张角小于瞬时视场 扩展源，对系统张角大于瞬时视场 一般如果辐射源与红外系统的距离是辐射源尺寸的10倍以上，则可视为点源。,点源,44,第三节 辐射源及其特性形式分类,按照辐射源辐射

12、的相干性划分： 相干辐射源，不同位置相位关系不变 非相干辐射源，不同位置相位关系无关 部分相干辐射源，不同位置相位关系有些不变，有些无关,激光具有良好的相干性,照明光源是非相干的,45,第三节 辐射源及其特性形式分类,按照辐射源表面性质划分： 镜面源，入射角与反射角相等 漫射源，即朗伯辐射源 毛面反射源，除朗伯辐射源和镜面源之外的其他反射源,46,第三节 辐射源及其特性形式分类,镜面球反射,漫反射,47,第三节 辐射源及其特性形式分类,按照辐射源发光机理划分： 热辐射，热力学温度不为零且处于热平衡状态的任何物体 受激直接跃迁辐射，物质原子中的电子受到外来能量的激发跃迁至高能级，然后直接落入低能

13、级产生辐射 受激间接跃迁辐射，即激光,48,第三节 辐射源及其特性形式分类,金星地表热辐射图 1970年12月15日，前苏联金星7号在金星实现软着陆， 成功传回金星表面温度等数据资料。测得金星表面温度为摄氏447度， 气压为90个大气压，大气密度约为地球的100倍。,受激直接跃迁辐射 光致发光材料-长效夜光粉又名蓄光粉发光粉荧光粉储光粉夜光材料。,49,第三节 辐射源及其特性形式分类,对于点源，如果不考虑大气的任何影响，则离辐射源距离为R处的辐照度（单位面积的辐射功率）为,50,第三节 辐射源及其特性形式分类,2、辐射源特性形式 表示辐射源特性的形式有四类：总辐射量、光谱辐射量、光子辐射量和辐

14、射量的空间分布形式。 总辐射量，全频域各个方向辐射功率的总和。相关的物理量有辐射能、辐射能密度、辐射出射度、辐射强度、辐射亮度、辐照度、吸收率、反射率、透过率、发射率等。,51,第三节 辐射源及其特性形式分类,沿290纬线的太阳年总辐射量曲线图,52,第三节 辐射源及其特性形式分类,光谱辐射量，是波长的函数，用光谱密度函数表示。相关的物理量有光谱辐通量、光谱辐射强度、光谱辐射出射度、光谱辐射亮度、光谱辐射照度等。 单色辐射量，足够小波长间隔 波段辐射量，较大的确定的波长范围,53,第三节 辐射源及其特性形式分类,单色辐射量,波段辐射量,54,第三节 辐射源及其特性形式分类,光子辐射量，用每秒接

15、收（或发射、通过）的光子数代替辐射能通量定义各辐射量。 光子数 光子通量，单位时间发射、传输或接收的光子数 光子强度，给定方向单位立体角发射的光子数 光子亮度，给定方向单位投影面积、单位立体角发射的光子数 光子出射度，单位面积向半球空间发射的光子通量 光子照度，被照表面单位面积接收的光子通量,55,第三节 辐射源及其特性形式分类,辐射量空间分布，辐射强度在空间的分布情况。,56,第四节 点源、小面源、朗伯扩展源产生的辐照度,1、点源产生的辐照度,对于点源，如果不考虑大气的任何影响，则离辐射源距离为R处的辐照度（单位面积的辐射功率）为,57,第四节 点源、小面源、朗伯扩展源产生的辐照度,2、小面

16、源产生的辐照度：不忽略辐射源的空间尺寸，但其上强度可认为均匀分布。 3、朗伯扩展源产生的辐照度：辐射源的空间尺寸较大，其上强度分布不均匀。,58,第五节 目标与环境光学特性的分类及特点,根据目标与背景的不同，讨论四类情况：空间目标与深空背景、空中目标与天空背景、地面目标与地物背景、海面目标与海洋背景。 1、空间目标与深空背景 空间目标指100km以上的战略导弹、卫星、空间飞行器、空间站和中继站。 深空背景是辐射温度大约3.5K的冷背景，对于许多红外系统，可以忽略不计。,59,战略导弹（strategic missile）是指用于打击战略目标的导弹。它是战略武器的主要组成部分。通常携带核弹头，战

17、略弹道导弹射程通常在1000公里以上，用于打击政治和经济中心、军事和工业基地、核武器库、交通枢纽等目标，以及拦截来袭战略弹道导弹。战略核导弹是衡量一个国家战略核力量和军事科学技术综合发展能力的主要标志之一。,第五节 目标与环境光学特性的分类及特点,中国东风-41,60,白杨M导弹是俄罗斯联邦的超级秘密武器。白杨M洲际弹道导弹重47吨，长近23米，安装有固体燃料发动机，能以疯狂的速度拔地而起，可以摧毁1万公里以外的目标。而无论敌人以什么样的方式拦截，都无法把它击落，这就是为什么美国人称“白杨M导弹”为“疯子”的原因。美国人承认，“白杨M导弹”大大降低了美国导弹防御系统（TMD）的效果。,第五节

18、目标与环境光学特性的分类及特点,61,美国和前苏联都发展了战略导弹预警卫星。美国的预警卫星称为DSP（防御支持计划）。位于赤道上空的定点轨道上，利用大的红外望远镜探测导弹发射发出的红外信号，通过分析这些信号的强度以及与地球冷背景的差别，判别出导弹的型号，并把这些信号送到地面的弹道导弹预警系统，计算出导弹的落点。在导弹发射后120 秒预报落点，给前线提供90秒钟的预警时间。,第五节 目标与环境光学特性的分类及特点,62,第五节 目标与环境光学特性的分类及特点,2、空中目标与天空背景 空间目标指高度2030km以下各种类型飞机和战术导弹，以及飞机和导弹释放的光学诱饵。 天空背景包括地球大气散射和辐

19、射，也包括云、雾、雨、雪等。 空中目标通常相对于天空背景在红外区域有较强的红外辐射强度，因此可以利用简单的点源式的红外系统对空中目标进行跟踪制导。,63,第五节 目标与环境光学特性的分类及特点,被动式红外制导是直接接收目标红外辐射,64,第五节 目标与环境光学特性的分类及特点,3、地面目标与地物背景 地面目标包括坦克、装甲、车辆、电站、桥梁、机场、建筑物和发射场等，主要分为有内动力和无内动力两大类。 地物背景包括土壤、沙漠、植被、树林和水体等。 一般采用812um（或814um）红外成像技术，白天也可以采用可见光电视制导或可见光图像处理。,65,第五节 目标与环境光学特性的分类及特点,车辆红外

20、辐射,道路识别,66,第五节 目标与环境光学特性的分类及特点,4、海面目标与海洋背景 海面目标包括航空母舰、巡洋舰、驱逐舰、护卫舰、扫雷舰、猎潜舰、运输舰、军用快艇和军用气垫船等。 海洋背景包括海水、天空、海面浮游物等。 探测烟囱、动力舱部位，主要采用35um红外点源非成像系统，但夜间舰船温度低于海水，利用812um可以进行昼夜探测、识别、跟踪和制导。,67,第五节 目标与环境光学特性的分类及特点,68,第六节 环境与目标光辐射特性,环境光辐射可来自动物、海面、大气、气溶胶和星体的自身发射，也可以来自这些环境的反射辐射或散射辐射。,69,第六节 环境与目标光辐射特性,70,第六节 环境与目标光

21、辐射特性,1、天体背景光辐射特性 除了各类星体（恒星和行星）辐射外，深空背景是辐射温度大约3.5K的冷背景，对于许多红外系统，可以忽略不计。 1964年，美国贝尔实验室的工程师阿诺彭齐亚斯(Penzias)和罗伯特威尔逊(Wilson)架设了一台喇叭形状的天线，用以接受“回声”卫星的信号。他们发现，在波长为7.35cm的地方一直有一个各向同性的讯号存在，但与地球的公转和自转无关。他们对天线进行了彻底检查，清除了天线上的鸽子窝和鸟粪，然而噪声仍然存在。,71,第六节 环境与目标光辐射特性,于是他们正式宣布了这个发现。紧接着狄克等人在同一杂志上对这个发现给出了正确的解释：即这个额外的辐射就是宇宙大

22、爆炸之后的微波背景辐射。 彭齐亚斯和威尔逊也因发现了宇宙微波背景辐射而获得1978年的诺贝尔物理学奖。,72,第六节 环境与目标光辐射特性,宇宙背景辐射具有高度各向同性,73,第六节 环境与目标光辐射特性,2003年，美国发射的威尔金森微波各向异性探测器对宇宙微波背景辐射在不同方向上的涨落的测量表明，宇宙的年龄是1371亿年，在宇宙的组成成分中，4%是一般物质，23%是暗物质，73%是暗能量。宇宙目前的膨胀速度是71公里每秒每百万秒差距，宇宙空间是近乎于平直的，它经历过暴涨的过程，并且会一直膨胀下去。 秒差距：1秒差距约等于3.26光年，或206265天文单位，或30.8568万亿千米。,74

23、,第六节 环境与目标光辐射特性,75,第六节 环境与目标光辐射特性,2、太阳光辐射特性,太阳 表面温度：约 5500 摄氏度 中心温度：约 2000万摄氏度 每秒损失质量：4.670109kg 每年损失质量：1.4731017kg 目前质量： 1.9891030 kg,76,第六节 环境与目标光辐射特性,77,第六节 环境与目标光辐射特性,3、天空背景光辐射特性 天空的光辐射来自于对太阳光（含星光）散射和大气的热辐射。,78,第六节 环境与目标光辐射特性,天空可见光散射 晴天，地面上总照度的1/5来自天空，即来自大气散射的太阳光。 夜晚，夜空辐射有黄道光、银河光、气辉（大气发光）、散射光辉、星

24、光（散射和直射）、银河外辐射等。,黄道光是一些不断环绕太阳的尘埃微粒反射太阳的光而成。,79,第六节 环境与目标光辐射特性,天空红外辐射 白天，天空红外辐射是太阳和地球辐射散射的组合。夜晚，红外辐射主要为大气的热辐射。,白天红外辐射,太阳和地球红外辐射比较,80,第六节 环境与目标光辐射特性,4、海洋背景光辐射特性 海洋的光辐射由海洋本身的热辐射和它对环境辐射（如太阳和天空）的反射组成。 不论白天还是晚上，4um以上的光辐射都来自海洋的热辐射。,81,海面对自然光、垂直偏振光和平行偏振光的反射系数,第六节 环境与目标光辐射特性,82,海面辐射探测,第六节 环境与目标光辐射特性,83,第六节 环

25、境与目标光辐射特性,5、自然辐射源与目标辐射源 太阳 地球所接受到的太阳辐射能量仅为太阳向宇宙空间放射的总辐射能量的二十亿分之一，但却是地球大气运动的主要能量源泉。 世界气象组织1981年公布的太阳常数值是1368瓦每平方米每秒。地球大气上界的太阳辐射光谱的99%以上在波长 0.154.0微米之间。大约40%的太阳辐射能量在可见光谱（波长0.40.76微米），10%在紫外光谱区（波长0.76微米），最大能量在波长 0.475微米处。,84,第六节 环境与目标光辐射特性,85,第六节 环境与目标光辐射特性,太阳的高度角越小，地球接收的红外辐射占太阳总辐射能的比例越大。 早晚的太阳红的原因是：地球

26、大气层阻挡或散射太阳光，早晚太阳光穿过的大气层比中午厚，而红光的穿透能力强，早晚时易穿过大气层。,86,第六节 环境与目标光辐射特性,87,第六节 环境与目标光辐射特性,月球、行星、恒星 月球和行星的红外辐射由自身辐射和对太阳辐射的反射组成；恒星自身就是辐射体。 由于没有大气层阻挡，各种辐射可以直接抵达月球表面并与月壤相互作用。月球表面物质主要受到下列三种辐射源的辐照并反射和吸收，即太阳风、太阳耀斑和银河宇宙射线，太阳风是由太阳发出的连续的等离子体流。,88,月球上的复杂环境对登月宇航员的生命健康构成严重威胁，上图为1969年美国宇航员在月球上行走。美国国家宇航局的科学家指出，月球上的辐射、灰

27、尘及低温是威胁人类探月的三大杀手。,第六节 环境与目标光辐射特性,89,第六节 环境与目标光辐射特性,大气、云、极光 辐射通过大气时，分别受到大气中的水汽、二 氧化碳、微尘、氧和臭氧以及云滴、雾、冰晶、空气分子的吸收、反射、折射、散射、衍射等作用，而使投射到大气上的辐射不能完全透过大气。正是因为大气对辐射有多种作用才使大气中出现了丰富多彩的大气光现象。 大气吸收地面长波辐射的同时，又以辐射的方式向外放射能量。大气这种向外放射能量的方式，称为大气辐射。由于大气本身的温度也低，放射的辐射能的波长较长，故也称为大气长波辐射。,90,第六节 环境与目标光辐射特性,大气辐射示意图,91,第六节 环境与目

28、标光辐射特性,大气辐射的方向既有向上的，也有向下的。大气辐射中向下的那一部分，刚好和地面辐射的方向相反，所以称为大气逆辐射。大气逆辐射是地面获得热量的重要来源。由于大气逆辐射的存在，使地面实际损失的热量比地面以长波辐射放出的热量少一些，大气的这种保温作用称为大气的温室效应。这种大气的保温作用使近地表的气温提高了约18。,92,第六节 环境与目标光辐射特性,大气辐射对遥感的影响,93,第六节 环境与目标光辐射特性,贵州黎平县ASTER大气辐射校正与地形辐射校正前后ASTER3/2/1波段RGB合成图像,94,第六节 环境与目标光辐射特性,极光（Polar light，aurora）是由于太阳带电

29、粒子（太阳风）进入地球磁场，在地球南北两极附近地区的高空，夜间出现的灿烂美丽的光辉。在南极称为南极光，在北极称为北极光。,95,第六节 环境与目标光辐射特性,地面和水面 地球表面在吸收太阳辐射的同时，又将其中的大部分能量以辐射的方式传送给大气。地表面这种以其本身的热量日夜不停地向外放射辐射的方式，称为地面辐射。地面辐射和太阳、大气辐射紧密相关。,96,第六节 环境与目标光辐射特性,由于地表温度比太阳低得多(地表面平均温度约为300K)，因而，地面辐射的主要能量集中在130微米之间，其最大辐射的平均波长为10微米，属红外区间，与太阳短波辐射相比，称为地面长波辐射。,几种岩石的反射波谱曲线,97,第六节 环境与目标光辐射特性,地面的辐射能力，主要决定于地面本身的温度。由于辐射能力随辐射体温度的增高而增强，所以，白天，地面温度较高，地面辐射较强；夜间，地面温度较低，地面辐射较弱。 地面的辐射是长波辐射，除部分透过大气奔向宇宙外，大部分被大气中水汽和二氧化