发布时间 : 星期一 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
从拍摄的某军用机场的长波红外图像看，高仰角天空背景较暗，云彩也较暗，称之为“冷云”。低仰角天空的辐射亮度与远处机场跑道的辐射亮度已十分接近。
中波波段低仰角探测时，大气辐亮度变化不大，大气透过率下降较少。探测巡航导弹、掠海导弹等低空、超低空目标时，选用中波波段较为合适。但白天工作时，太阳散射、海面反射会产生较严重的干扰。
图1.25 停机坪上和起飞的军用机的中波图象
1．6．2．4 外层空间
工作在地球大气层以外的红外系统的背景，是深冷的外层空间。作为一级近似，此背景的温度可取为绝对零度。将空间背景的辐亮度在全部外层空间（包括所有恒星）上进行积分，可算得其有效温度约3.5K。
1．6．2．5 月球、行星和恒星
月球、行星的辐射由自身辐射和对太阳辐射的反射组成。如月球反照的光谱分布与阳光相似，峰值波长为0.5μm；月球自身的红外辐射相当于400K的绝对黑体，峰值波长7.24μm。 图1.26
33
1.7 目标辐射特性
1．7．1 有动力飞行器
喷气飞机、直升机和导弹等均属有动力飞行器，其辐射主要来自排出的热气流、热发动机部位和气动加热表面等，现根据波音707涡轮喷气机公开发表的资料，介绍一下应采用的辐射计算方法。
波音707有四台涡轮喷气发动机。涡轮喷气发动机包括有压缩机、燃烧室、涡轮、排气喷嘴等，某些情况还有加力燃烧室。图中表示各组成部分和沿轴线的气流温度分布。
图1.27 涡轮喷气发动机的组成和气流温度分布
涡轮喷气发动机有两个热辐射源：尾喷管的热金属和高速排出的热气流（也称尾焰）。从无加力燃烧室的后部看，尾喷管的辐射远大于尾焰。但有了加力燃烧室后，尾焰便成了主要辐射源。
1）尾喷管辐射计算
尾喷管实际上是被排出的气体加热了的园柱体。根据Gouffe计算公式，其L/R比完全可将它视作黑体。但是，考虑到管壁比辐射率、L/R较低、排气温度与管壁温度仍有差别等因素，可按比辐射率0.9灰体计算。根据尾喷管的温度、
34
喷管面积和系统工作波段来计算辐射量。根据有关参数：
尾喷管温度等于排出气体温度,取758K（485℃，最大巡航推力状态）；
2
尾喷管面积取3600厘米；
系统工作波段取3.2～4.8微米；;
则单台发动机的尾喷管的波段辐射亮度和辐射强度分别为：
N喷管?4.8-2-1??W?(758K)d??0.144 W.cm.sr ?3.2W.sr-1
J喷管?N喷管A?0.144?3600?518
当距离远至飞机的四台发动机落在系统的同一瞬时视场内时，辐射强度取上述值的4倍。
2）尾焰辐射计算
尾焰是选择性辐射源，辐射能量主要集中在4.3～4.55微米的二氧化碳发射带，可近似等效为比辐射率0.5的灰体辐射。尾焰温度较低，对亚音速涡轮喷气机，随排出气体膨胀到周围的压力，膨胀后气体温度将比尾喷管里气体温度低15%。可取643K（370℃）。
图1.28尾焰辐射的二氧化碳发射带
同样，可求出单台发动机尾焰的波段有效辐射亮度：
N尾焰?0.54.55-2-1?3 W.cm.sr W(643K)d??5.6?10???4.3可见在无加力燃烧的前提下，尾喷管的辐射亮度约为尾焰的25倍。
3）飞机蒙皮辐射计算
飞机蒙皮由于在大气中高速飞行被加热，称为空气动力加热，此时蒙皮温度为：
T蒙皮?To(1?0.164M2)
35
式中：TO 为周围大气温度， M为马赫数
如设环境温度230K， 航速0.7 M(典型巡航速度),则蒙皮温度约高于环境温度20K。可计算中波波段飞机蒙皮的辐亮度：
N蒙皮?0.94.8-2-1?5 W.cm.sr W(250K)d??1.31?10???0.93.2中波波段飞机蒙皮的辐射几乎可忽略，如改用长波探测，则
12-2-1?2 W.cm.sr W(250K)d??1.3?10??
N蒙皮??8 当设备侧向或迎头探测飞机时，大部分尾焰辐射被遮挡，蒙皮成为主要辐射
源。
1．7．2 人体
许多红外仪器的探测目标是人体。如红外入侵报警器利用了对人体自身辐射的探测，医用热像仪可测量皮肤表面的温度，判定有无病变。
人的皮肤的发射本领很高。在4微米以上，人皮肤的比辐射率在0.99以上，这个值与肤色无关。皮肤温度是评分和周围环境之间辐射交换的复杂函数。在正常的室温环境，露在外面的脸部和手的皮肤温度约为32℃。
假定皮肤是漫射体，其有效面积等于人体投影，约0.6米2，平均辐射强度约几十瓦/球面度,其中约32%的能量在8到12微米波段,仅有1%的能量在3.2到4.8微米波段。以上数据仅指裸露皮肤，由于衣服的温度和比辐射率都低于皮肤，穿着衣服这些数值要降低。几十米远处的人体产生的照度大致在10-6至10-7瓦/厘米2的量级范围，这对高灵敏的红外系统不能说是弱信号。
红外入侵报警器采用高灵敏、宽光谱响应的热释电器件，为排除短波长辐射如太阳光、白炽灯等的干扰，窗口前装有起始波长为6.5至8微米的短波截止、长波导通的干涉滤光片。
1．7．3 地面车辆
车辆涂料的比辐射率通常都达0.85和再高一些,涂料因气候和自然变质以及灰尘和污垢的堆积,均使比辐射率增大。由于排气管和消声器的温度很高，其粉红色能量比车辆的气体部位要多好几倍。
1．8 红外辐射在大气中的传输 1．8．1 大气传输过程
大多数红外系统必须通过地球大气才能观察到目标，从设计者角度看是不利的。因为从目标来的辐射功率在到达红外传感器前，会被大气中某些气体有选择地吸收，大气中悬浮微粒能使光线散射，吸收、散射虽然机理不同，其作用结果均使辐射功率在传输过程中发生了衰减。另外，大气路径本身的红外辐射与目标辐射相叠加，将减弱目标与背景的对比度。
由于大气湍流能引起空气温度、湿度和密度的波动，因而也引起折射率的波动，造成光束的传播方向、相位和偏振的抖动以及光束强度闪烁，本章节暂不讨论这方面内容。
由于吸收和散射引起辐射衰减，可用大气透过率表达：
36