发布时间 : 星期三 文章红外辐射和辐射源-中科院上海技术物理研究所 - 图文更新完毕开始阅读f9b46df6970590c69ec3d5bbfd0a79563c1ed4b4
d???IFOV??(8.75?10?3)2?7.66?10?5Sr
2每个像元能看到的有效辐射面积
Seff??l?IFOV?2??200?8.75?10?3?2?1.75?1.75?3.1cm2
激光斑面积
3.14?0.52S???0.2cm2
44?d2激光散射的辐射强度 P15?4.78W/Sr J???3.14按点源公式，热象仪处辐照度
JP H?2?2?1.2?10?4W/cm2?0.12mW/cm2
l?l 如在激光器前加凹透镜发散，束散角为1°，墙面上光斑直径约35mm，辐射源已充满瞬时视场，因此，只有部分光斑的能量能到达探测元。可先求激光散斑的辐亮度：
WPN??
???S式中 S?为发散光斑面积
再求得系统入瞳处的辐照度
H?N?d??N?IFOV2
.可以发现：照射在热像仪的照度与热像仪至墙的距离无关。距离增加时，每个像元能看到的有效辐射面积与距离的平方成正比，而光斑对热像仪所张的立体角与距离平方成反比，只要发散光斑还是充满像元视场，辐射面积的增加完全补偿了立体角的减小，热像仪收到的辐射通量不变，即照度不变。
1．4 辐射基本定律 1．4．1 辐射体的分类
如果用光谱辐射计来考察各种辐射源的光谱分布，可明显地看出，存在两类完全不同的辐射源。如果辐射源是灼热固体或液体，则光谱分布曲线是连续的，仅有一个最大值，其波长随辐射源温度而变化，这种辐射源称为热辐射体。若辐射源是火焰或气体中的电气放电，则光谱分布曲线是不连续的，此时辐射通量集中在狭窄的光谱区间。用高分辨率的单色仪可以发观，这些区间十分挟窄．陡峭得象一条线．故这种分布称为线谱。另外，光谱也可以由狭窄的的线带组成，这种情况称为带谱。具有线谱或带谱的辐射源，称为选择性辐射体。初看起来，通量集中的所在波长在整个频谱上的位置似乎是杂乱的。详细的考察表明；它们表征了一定类型的辐射原子和分子的特性。因而，这些波长构成了辐射源独有的特征：线谱是原子的特征，带谱是分子的特征。
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红外系统设计者可能碰到的一些选择牲辐射体有：喷气发动机或火箭排出的热气流．再入大气层物体周围的激波受激层，以及通汛系统所用的气体放电源。典型的热辐射体有；喷气发动机发火箭尾喷管的热金属、气动加热表面、汽车、人．大地、空间飞行器以及天体。由于热辐射体远为普遍，因此，首先讨论一下适用于这些辐射源的定律。 1．4．2 热辐射定律
1．4．2．1 基尔霍夫定律、比辐射率定义
19世纪后半期，物理学家一直在试图解释热辐射体的光谱能量分布。1860年，基尔霍夫在研究辐射传输的过程中发现：在任一给定的温度下，辐射通量密度和吸收系数之比，对任何材料都是常数。用一句精练的话表达，即：“好的吸收体也是好的辐射体”。
基尔霍夫还提出用“黑体”这个词来说明能吸收全部入射辐射能量的物体，按照他的定律，黑体必然是最有效的辐射体。因而，黑体是一个比较标准，它是任何其它辐射源可以与之进行比较的最有效的辐射体。一个辐射源的比辐射率即是指它的辐射能力与黑体发射能力之比。
从能量守恒角度很容易理解基尔霍夫定律。如果，我们将物体A1、A2放在恒温容器内，令容器内部为真空，则物体与容器之间及物体与物体之间只能通过辐射和吸收来交换能量。当系统达到热平衡时，所有物体与容器的温度相等，均为同一温度T。但是，物体A1和A2的表面情况不一样，它们所辐射出去的能量也不一样。显然，只有当辐射能量多的物体吸收能量也多时，才能和其他物体一样保持温度T不变。这就说明：物体的辐射出射度和吸收率之间存在一定的比例关系。
基尔霍夫定律可用数学公式表达为：
图1.10从能量守恒角度看基尔霍夫定律
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WA1?A1?WA2?A2?????WB?f(T)
（1.4.1）
这里WB为黑体（?B?1）在温度T时的辐射出射度。
我们将比辐射率定义为辐射源的辐射出射度与具有同一温度的黑体的辐射出射度之比。即：
??W WB (1.4.2)
比辐射率是一个比值，其值介于非辐射源的零和黑体的1之间，可用来度量辐射源接近黑体的程度。代入基尔霍夫定律（1.4.1），可得到比辐射率和吸收率的关系：
??W?WB??? WBWB (1.4.3)
结论：在给定温度下，任何材料的比辐射率在数值上等于该温度时的吸收率。
基尔霍夫定律对所有波长的全辐射是正确的，对波长为?单色辐射也成立。
WA1??A1?
?WA2??A2??????WB??f(?,T)
(1.4.4)
对波长为?单色辐射，同样可定义光谱比辐射率，并得到：
???W??W??B???? WB?WB? (1.4.5)
例如：地球大气中有一层稳定的二氧化碳气体，它在14～16微米有一很强
吸收带，也是14～16微米很稳定的强辐射源。卫星红外地平仪的探测波段就选择在14～16微米，实际探测的是稳定的二氧化碳大气层的辐射，而不是地球大地的辐射。这样可消除地球大地的辐射不均匀对姿态控制精度的影响。
1．4．2．2 普朗克定律 1879年，斯蒂芬从他的实验测量中得出结论：黑体辐射的总能量与它的绝对温度的四次方成正比。1884年，波尔兹曼应用热力学的关系也得到同样的结论；这个结果就是熟知的斯蒂芬－波尔兹曼定律。1894年，维恩发表位移定律，给出了黑体辐射光谱分布的一般形式，遗憾的是它仅与低温时短波段的实验数据相符。然而，他的位移定律，即温度与辐射能量峰值波长关系的距离仍然有效。1900年，瑞利基于经典物理的概念，推导出与高温时长波段实验数据相吻合的表达式，可是表达式预言能量随波长减小会无限制增加，被人称为“紫外灾难”。
1900年，普朗克发表的辐射定理，用量子物理的新概念补充了经典物理理沦，完整叙述了黑体辐射的光谱分布。普朗克定理可表示为:
W??2?hc21ech/?kT?1?5 (1.4.6)
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通常也可写成：
c1 W??1
?5ec2/?T?1 (1.4.7)
温度从500°K到900°K范围的黑体辐射光谱通量密度曲线如图所示。这是一个重要范围，因为它包括了涡轮喷气机尾喷管的温度。
图1.11
全光谱的辐射通量密度与光谱分布曲线下的面积相对应，可积分求解：
?W(T)??W?(?,T)d?
0 (1.4.8)
由图可见：随黑体温度增加，总辐射通量密度迅速增加，光谱辐射的峰值波长随向短波方向移动。另外，不同温度的光谱分布曲线彼此不相交，说明任何波
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