红外探测基础简介ppt课件.ppt

概述 红外探测技术是伴随军用需要而迅速发展起来的一门新兴技术在光电子技术中，红外探测技术是一种无源探测技术，它不需要光源照射目标，靠目标自身发射的红外辐射来探测目标与雷达相比，具有结构简单、体积小、质量轻、分辨率高、隐蔽性好、抗干扰能力强等优点；与可见光探测相比，有透雾能力强、可昼夜工作等特点 从常规的夜间红外瞄准具到空间的卫星拦截器都使用了红外技术，可以说红外武器装备已经成为各军兵种必备的现代武器装备典型的红外应用包括红外夜视、前视红外、侦察、告警、火控、跟踪、定位、精确制导和光电对抗等，他们对取得战场的主动权，发挥了突出作用 应用举例 有人统计从19751985年，马岛战争至两伊战争期间，被红外制导导弹击落的飞机，占飞机损失总数的95 红外搜索跟踪仪的跟踪精度可以在10以内，对超低空目标和掠海飞行目标的抗干扰能力以及对多目标的选择跟踪能力，都是已有手段中最好的 海湾战争中美国预警卫星的红外望远镜，可以全天候探测“飞毛腿”导弹发射，30s内就可以探测到发动机喷射的尾焰，为反导赢得了时间 红外成像装备及观察到的F117图像第1章 红外技术基础知识 1.1 红外辐射1.1.1 红外线与电磁波 早在1800年，英国天文学家F.W.赫谢尔在研究太阳光的热效应时，首先发现红外线。

由于这种光线处在红光以外的光谱区，很自然地就称之为红外线，由于红外线是与热和温度紧密联系在一起的，因此又称为热线或热辐射同时红外线又属于电磁频谱的一个部分，因此也被称为红外辐射（Infrared radiation），它位于可见光与微波之间，属不可见光线，和其它电磁波一样具有光波的性质，在真空中以光速沿直线传播，遵守同样的反射、折射、衍射、干涉、偏振定律，区别只是波长（频率）不同而已现已测得其波长范围为0.75m-1000m，频率从4104Hz-31011Hz同时也已证明，自然界中的一切物体，只要它的温度高于热力学零度（273）就不断地向外界发射红外线紫外光红外光X-射线GammaRaysEHF SHF UHF VHF HF MF LF VLF0.1A1A1UA100A0.11101001cm0.1cm10cm1m100m1km10km 100km10m30mm20mm15mm1mm800m300m100m20m10m0.8m0.6m0.4m红外线波长范围： 在0.75m 1000m500m1.1.2 红外线的传播 红外线的传播和可见光相似，在传播过程中遇到障碍物会被反射（散射）、吸收和透射，在大气传播中,吸收是影响红外传播的主要因素，如水蒸气、CO2、NO、NO2等物质都对红外线具有强烈的吸收，但是这些物质都有其相对应的特征吸收谱线，对某些波长的红外线吸收比较强烈使其传播的能量受到损失，而对另外一些红外谱线却几乎不产生吸收，透射率很高。

大气对红外线吸收比较少的波段，也就是透射率比较高的波段，被形象地称为“大气窗口”红外波段按不同大气窗口，可分为短波红外（SWIR）1m-3m波段、中波红外（MWIR）3m-5m波段和长波红外（LWIR）8m-14m波段右图为红外线在大气中传播的透射曲线 红外辐射在大气中传输时能量会受到衰减，影响最大的是水蒸气、二氧化碳和气溶胶，气溶胶是由尘埃、烟、水、盐类与其他有机物的微粒构成水蒸气和气溶胶在低高度下对红外辐射的衰减更加突出如在海平面高度的水平方向，大气对红外辐射有最大的衰减，尤其是当水蒸气与气溶胶浓度很大时，会严重影响红外系统的应用效果定性地讲，水蒸气对8m-14m波段的吸收比对3m-5m波段严重；气溶胶对3m-5m波段的吸收与散射比对8m-14m波段严重大气主要成分对红外辐射的吸收谱1.1.3 红外辐射与红外吸收 任何物体能辐射红外线也能吸收红外线，辐射和吸收都是能量转换的过程假若辐射入射到物体表面，能被物体全部吸收，没有反射和透射，这种物体就称为黑体黑体能100%吸收入射到表面的全部辐射，它的吸收系数是1，很显然，当物体温度恒定时，它的吸收和辐射应当相等，它的吸收系数和辐射系数也应当相等，所以黑体的辐射系数也是1。

黑体是最好的吸收体也是最好的辐射体但是，实际物体达不到100%吸收，实际物体的吸收与相同温度黑体的吸收之比，称为物体的吸收率，当物体温度恒定时，吸收率与辐射率相等，实际物体辐射红外线的强弱是由其温度和辐射率决定的 为了研究和比较不同大小和形状物体的辐射特性，不直接用总能量，而是规定从1cm2面积上、1s内辐射到半球空间的能量的大小，称它为辐射通量密度辐射通量密度随着辐射的波长不同而变化，单位波长间隔内的辐射通量密度称为光谱辐射通量密度，其大小应与温度、辐射率和波长有关系光谱辐射通量密度的最大值与温度的5次方成正比，即Wm=bT5，其中Wm代表光谱辐射通量密度的最大值；b是常数；T是热力学温度；m代表辐射普的峰值波长物体辐射的峰值波长与其所处的温度成反比，即mT=常数=2897.885m*K2898m*K此关系称为维恩位移定律图1.3为黑体的温度、光谱辐射通量密度和辐射的波长之间的关系 从上述关系中，可以看到黑体的热辐射非常强烈地依赖于温度，温度高的黑体，热辐射很强，其峰值波长较短实际物体的的辐射特性与黑体相似，只不过与材料种类和表面特性（辐射率）有关物体的温度与辐射峰值波长的关系举例如表1.1所列，从表中可以看出，武器装备和军事感兴趣的目标辐射的红外线，大都在1m-10m之间，所以，前面介绍的短波红外、中波红外和长波红外三个大气窗口，在军事应用上最为重要。

物体的温度与辐射峰值波长的关系举例如下：物体名称 温度K 辐射峰值波m/m太阳 5900 049钨丝灯 3000 097 2000 145波音707发动机喷嘴 890 362M46 坦克尾部 473 613F16飞机蒙皮 333 870人体(37) 310 966冰水(0) 273 106液态氮 77 376 1.1.4 目标特性和背景特性 应用对红外探测的要求是有更高的灵敏度和更强的识别功能，能在复杂的背景中分辨出目标，了解目标和背景的辐射特性对于设计红外整机来说是至关重要的目标特性 目标的红外辐射特性是系统选择红外波段的主要依据选择波段首先要和目标的温度相匹配下表列出了目标与背景温差对系统温度分辨力，即噪声等效温差（NETD）的要求和目标的辐射强度与等效黑体温度的关系 对略高于300K温度的目标，其最大辐射值对应的波长为9m-10m，就是说选择8m-14m这一大气窗口是恰当的；对略高于600K温度的目标，其最大辐射值对应的波长在4m-5m，同时考虑到背景，如云层、海面以至沙滩对阳光强烈反射带来的干扰，选择3m-5m是非常合适的红外制导的空空导弹所用探测器已经从1m-3m改为3m-5m，减少阳光的干扰就是重要原因之一。

因而红外系统对波段的选择需要综合权衡，对目标特性的分析中，不单要了解其温度、辐射系数，还要进一步分析、测试其光谱特征，因为光谱特征是目标识别与光电对抗的重要依据之一功能 目标 典型温差/K 对NETD的最低要求/K侦察 人的皮肤 8 1.5 侦察 穿衣服的人 2 0.4侦察 飞行器 10 2.0侦察 车辆 5 1.0侦察 船舶 2 0.4医疗诊断 皮肤温度、血液循环温度 0.2-0.5 0.05-0.1天文学 行星、宇宙尘埃、气体云团等 尽可能小背景特性 在红外系统的军事应用中，目标的探测和识别是首要的背景的影响可以从两个方面来加以考虑：首先是目标对背景的对比度，这里的对比度是指亮度或温度对比度假定目标周围的背景是均匀的，对目标探测与识别的必要条件是目标对背景有足够高的对比度只要知道地表（包括海洋等水体）的温度，就可以定量地估算系统对特定目标的探测与识别距离，然而在白天，特别是晴天，阳光的反射辐射则是一复杂变化的因素，因为对不同波段阳光在地面产生的照度相差很大其次是背景形成杂波干扰，当需要从背景中探测和识别目标时，如果目标对背景的对比度不够高，背景就会同目标混淆现代的红外系统大多需要进行目标的自动探测与识别，自动化处理器要时时处理成像传感器送来的视频信号。

和目标混在一起的背景信号就形成了杂波，它会严重干扰红外系统的功能为此，基于各种应用目的的图像和信号处理技术，必须研究开发对所感兴趣目标的特征提取与识别技术，包括物理数学模型、相应的元件和硬件技术热热热热像像仪仪仪仪夜夜间间间间拍拍摄摄摄摄的的热热热热图图图图像，它是景物的像，它是景物的热热热热图图图图，不受有无阳光照，不受有无阳光照射的影响射的影响 1.2 辐射度学与光度学 在辐射单位体系中，辐射通量或者辐射能是基本量，是只与辐射客体有关的量，其基本单位是瓦（W）或者焦（J）辐射度学适用于整个电磁波段；光度单位体系是一套反映视觉亮暗特性的光辐射计量单位，被选作基本量的不是光通量而是发光强度，其基本单位是坎（cd），光度学只适用于可见光波段 以上两类单位体系中的物理量在物理概念上是不同的，但所用的物理符号是相互对应的，为了区别起见，以下角标e表示辐射度物理量，下角标v表示光度物理量1.2.1 辐射度学物理量1、辐（射）能 辐能是以辐射形式发射或传输的电磁波（主要指紫外、可见光、红外辐射）能量辐射能一般用符号Qe表示，单位是焦（J）2、辐（射）通量 辐通量e又称为辐射功率，定义为单位时间发射、传输或接收的辐射能量即e=dQe/dt,单位是瓦（W）或焦/秒（J/s）。

3、辐（射）出（射）度 辐出度Me是用来反映物体辐射能力的物理量，定义为辐射体单位面积发射的辐射通量即Me=de/dS,单位为瓦/米2（W/m2）4、辐（射）强度 辐强度Ie定义为点辐射源在给定方向上发射在单位立体角内的辐通量，用Ie表示即Ie=de/d,单位为瓦/球面度（W/sr）5、辐（射）亮度 辐亮度Le定义为面辐射源在某一给定方向上的辐通量即Le=dIe/(dScos)=d2e/ddScos,其中为给定方向和辐射源面元法线间的夹角，单位为瓦/（球面度米2）（W/（srm2）6、辐（射）照度 在辐射接收面上的辐照度Ee定义为照射在面元dA的辐通量与该面元面积之比，即Ee=de/dA,单位为瓦/米2（W/m2）7、单色辐（射）度量 对于单色辐射，同样可以采用上述物理量表示，只不过均定义为单位波长间隔内对应的辐射度量，并且对所有辐射量Xe来说，单色辐度量与辐度量之间均满足Xe=0Xe()d1.2.2常用辐射度学物理量与光度学物理量之间的对应关系 物理量名称 符号 定义或定义式 单位 物理量名称 符号 定义或定义式 单位 辐射能 Qe 基本量 J 光亮 Qv Qv=vdt lms 辐射通量 e e=d Qe/dt W 光通量 v v= Ivd lm 辐射出射度 Me Me =de/ds W/m2 光出射度 Mv Mv= dv/ds lm/m2 辐射强度 Ie Ie= de/d W/sr 发光强度 Iv 基本量 cd 辐射亮度 Le Le=dIe/(dScos) W/（srm2）光亮度 Lv Lv=dIv/(dScos) cd/m2 辐射照度 Ee Ee=de/dA W/m2 光照度 Ev Ev=dv/dA lx1.2.2 辐射度学与光度学的基本定律辐照度的余弦定律：任一表面上的辐照度随该表面法线和辐能传输方向之间夹角的余弦而变化。

朗伯余弦定律：朗伯辐射表面在某方向上的辐射强度随与该方向和表面法线之间夹角的余弦而变化.(朗伯辐射表面：是一个对入射辐射提供均匀漫射的表面，从不同角度观察该表面，其明暗程度是一样的)距离平方反比定律：一定的立体角内，所张的立体角所截的面积与球半径平方成正比若无损失，点光源在此空间发出的辐通量不变因此，点光源在传输方向上的某点的辐照度和该点到点光源的距离平方成反比亮度守恒定律：光辐射能在传播介质中没有损失时辐射亮度是恒定的 1.3 1.3 黑体辐射及其相关定律、公式黑体辐射及其相关定律、公式 任何温度在任何温度在0K0K以上的物体都会发射各种波长的电磁波，这种由于物体中的分子、原子以。