光电成像原理与技术chapter3辐射源与典型景物辐射.ppt

北京理工大学光电成像与信息工程研究所 曹峰梅 liuba@bit.edu.cn 010802 光电成像原理与技术－绪论（2） 光电成像与信息工程研究所 曹峰梅 liuba@bit.edu.cn 第三章 辐射源与典型景物辐射 黑体辐射定律 辐射源及其特性 黑体辐射定律 基尔霍夫定律： 热辐射：物体因温度而辐射能量的现象叫热辐射。只要温度高于绝对零度的物体都将产生辐射。 当辐射能入射到物体表面时，被吸收的能量与入射总能量之比，成为物体的吸收本领αλ；被反射的能量与入射总能量之比，成为物体的反射本领ρλ。显然，不透明物体的吸收与反射本领之和为1。 实验指出，物体的发射本领（即辐射出射度）和吸收本领之间有一定关系。 基尔霍夫定律：物体的辐射出射度M和吸收本领α的比值与物体的性质无关，都等于同一温度下绝对黑体(α=1)的辐射出射度M0。 基尔霍夫定律不但对所有波长的全辐射，而且对波长为λ的任何单色辐射也都正确。它是一切物体热辐射的普遍定律，表明吸收本领大的物体，其发射本领也大，如物体不能发射某波长的辐射能，则也不能吸收该波长的辐射能，反之亦然。显然，黑体对于任何波长在单位时间单位面积上发射或吸收的辐射能都比同一温度下的其它物体高。 黑体辐射定律 基尔霍夫定律： 辐射发射率（比辐射率） ελ ：在相同温度下，辐射体的光谱辐射出射度与黑体的光谱辐射出射度之比。 黑体， ελ ＝1； 灰体， ελ ＝ ε 1，与波长无关； 选择体， ελ 1，且随着波长和温度变化。 黑体辐射定律 黑体辐射定律： 普朗克定律：描述黑体辐射出射度随波长和温度的函数关系。式中c1,c2是第一第二辐射常数。 斯蒂芬－玻尔兹曼定律（全波长辐射定律）:由普朗克公式在全波段积分得到。 维恩位移定律（峰值波长与温度的定律）：对普朗克公式求极值得到。 最大辐射定律：把峰值波长带入普朗克公式而得。 辐射源及其特性 人工目标辐射源 腔型黑体辐射源 面型黑体辐射源 自然环境辐射及其在目标上的反射 典型军事目标辐射 自然辐射源 红外场景仿真器 用于在室内模拟实际环境和状态的红外场景。 腔型黑体辐射源 面型黑体辐射源 辐射源及其特性 典型军事目标辐射 地面目标:目标温度低,辐射能量小,且辐射多集中在8~14微米 海上目标：目标排气筒部分温度较高，其余部分温度低，目标与背景辐射特性差异大。 空中目标：目标速度快、体积小，温度高能发射很强的红外辐射。 飞机的辐射：尾喷管、排出气流、蒙皮的热辐射 海上目标的辐射：舰船的烟囱是较强的辐射源，峰值波长在8微米左右，尽管舰体温度与海水温度相近，但二者的辐射发射率差异大，且海水的辐射发射率不断变化，易造成目标与背景的大对比度。 地面车辆辐射：车辆的排气管最热，其次是发动机外壳，运动中车辆的传动装置、轮胎等。 炮口闪光： 人体的辐射：在2微米以上的波段辐射与黑体基本一致，峰值波长在8~14微米波段。 军事目标辐射源 军事目标辐射源－飞机喷口的辐射强度角分布 军事目标辐射源－三叉戟和米格15M飞机喷口的辐射光谱分布 军事目标辐射源－波音707排出气体流的等温线，及辐射随距离的衰减 军事目标辐射源－炮口闪光的光谱分布 自然辐射源 太阳：射至地球的太阳辐射功率、光谱分布与太阳高度、大气状态关系很大。 地球：主要由反射和散射的太阳光以及自身热辐射组成，有两个光谱峰值：0.5微米（来自太阳）10微米处的自身辐射。 月球：主要包括反射的太阳辐射和自身的辐射，近似于400K黑体，峰值在7.24微米 星球：其辐射量对地球很小，用星等来描述星的亮度。 大气辉光：产生于70km以上的大气层中，是夜天辐射的主要组成部分，由不能到达地面的太阳紫外辐射在高层大气中激发原子并与分子发生低几率碰撞，是其产生的原因。 夜天空辐射：由上述各种自然辐射共同构成，除可见光外包含大量丰富的近红外辐射，正是微光夜视系统所利用的波段。 在平均地-日距离上太阳的的光谱分布 典型地物的光谱辐亮度 月球辐射特性 星等的概念 星的亮度用星等衡量，以在地球大气层外所接收的星光辐射产生的照度来衡得。 规定星等相差五等照度比为100倍，即相邻两等星得照度比为2.512倍。 规定零等星的照度为2.65X10-4lx，比零等星亮的星等为负。 大气辉光和夜天光 物理（半实物）仿真工作框图 半实物的红外仿真系统主要由仿真计算机、图形发生计算机、红外目标仿真器、红外场景投影光学系统、伺服运动控制系统和载机模拟运动飞行转台组成。 其中光电仿真系统可通过两种途径传递场景信息：一是采用光学投影模式；二是信号直接注入。信号注入模式是通过界面不经过光学投影系统将场景信息直接送入光电传感器的电子组件,实现系统的仿真测试。 红外场景生成计算机(CIG)：接受仿真计算机的