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第1章 红外辐射和辐射源1

1.1红外辐射1

1.1.1电磁波频谱1

1.1.2波段划分方法3

1.2红外光电系统5

1.2.1探测对象5

1.2.2信息流程6

1.2.3系统特性7

1.2.4应用分类8

1.3辐射测量术语8

1.3.1常用辐射量8

1.3.2光谱辐射量10

1.3.3波段辐射量11

1.3.4光子辐射量12

1.3.5光度量12

1.3.6朗伯漫射体14

1.4辐照度计算16

1.4.1面元之间的辐射传递16

1.4.2点源与面源17

1.4.3点源产生的辐照度18

1.4.4面源产生的辐照度19

1.4.5太阳常数计算20

1.5热辐射基本定律21

1.5.1辐射体的分类21

1.5.2基尔霍夫定律22

1.5.3普朗克定律23

1.5.4斯蒂芬-玻尔兹曼定律25

1.5.5维恩位移定律25

1.5.6微分辐亮度26

1.5.7光子形式的普朗克定律27

1.6反射率28

1.6.1镜面反射率28

1.6.2漫反射率28

1.6.3漫反射目标的辐射计算31

1.7发射率32

1.7.1发射率定义32

1.7.2黑体、灰体和选择性辐射体33

1.7.3辐射测温的温度定义34

1.7.4材料的发射率35

1.7.5热控涂层的辐射特性38

1.8自然辐射源41

1.8.1概述41

1.8.2太阳辐射41

1.8.3天体和宇宙背景43

1.8.4地球大气44

1.8.5地物46

1.8.6地球-大气系统49

1.9人工辐射源50

1.9.1概述50

1.9.2黑体型辐射源50

1.9.3积分球56

1.9.4非气体白炽光源56

1.9.5弧光灯58

1.9.6气体放电灯58

1.9.7发光二极管59

1.9.8激光器60

1.10人工目标辐射计算62

1.10.1有动力飞行器辐射计算62

1.10.2空间目标的平衡温度65

1.11红外辐射的大气传输67

1.11.1大气特性67

1.11.2大气吸收71

1.11.3大气散射74

1.11.4其他大气效应76

1.11.5大气传输计算76

1.12 MODTRAN介绍79

1.12.1大气模型79

1.12.2气溶胶模型80

1.12.3大气路径类型80

1.12.4运行模式80

1.12.5计算实例82

1.13大气传输效应的应用83

1.13.1太阳辐射定标83

1.13.2地空目标探测的大气效应87

1.13.3大气垂直探测原理88

参考文献90

第2章 红外光学系统91

2.1光的波动理论91

2.1.1光的波粒二象性91

2.1.2光矢量91

2.1.3自然光和偏振光92

2.1.4光的传播92

2.2几何光学基本定律93

2.2.1直线传播和独立传播定律93

2.2.2反射定律94

2.2.3折射定律95

2.2.4费马原理96

2.3红外光学元件的反射损失97

2.3.1界面反射率97

2.3.2平板透过率98

2.3.3折射元件的表面增透99

2.4近轴光学理论99

2.4.1共轴光学系统99

2.4.2近轴理论和应用99

2.4.3共轴球面系统近轴光计算101

2.5理想光学系统104

2.5.1主点和焦点104

2.5.2物像关系106

2.5.3焦深和景深107

2.5.4光学系统的组合108

2.6实际光学系统109

2.6.1光学孔径109

2.6.2光学视场110

2.6.3光敏元照度和辐射通量计算116

2.7光学像差117

2.7.1像差概述117

2.7.2球差118

2.7.3轴外像差120

2.7.4彗差122

2.7.5场曲和像散123

2.7.6畸变124

2.7.7色差125

2.7.8初级像差概要126

2.8光学系统像质评价127

2.8.1衍射限点分辨率127

2.8.2分辨率法129

2.8.3点列图法130

2.8.4光学传递函数法131

2.9调制传递函数132

2.9.1脉冲响应和频率响应132

2.9.2点扩散函数133

2.9.3调制度133

2.9.4光学传递函数135

2.9.5调制传递函数计算136

2.9.6调制传递函数检测137

2.9.7方波传递函数139

2.9.8附录：傅里叶变换的数学基础141

2.10系统调制传递函数142

2.10.1概述142

2.10.2扫描成像系统MTF分析144

2.10.3成像系统的分辨率147

2.11红外光学系统的主要类型148

2.11.1反射式系统148

2.11.2卡塞格伦双反射系统152

2.11.3折反射系统154

2.11.4折射式系统156

2.12辅助光学系统160

2.12.1场镜160

2.12.2光锥161

2.12.3浸没透镜162

2.13红外光学材料163

2.13.1主要特性参数163

2.13.2红外光学晶体165

2.13.3红外光学玻璃169

2.13.4红外光学塑料169

2.13.5材料选择170

参考文献170

第3章 红外探测器171

3.1概述171

3.2探测器特性参数171

3.2.1响应率171

3.2.2噪声等效功率174

3.2.3探测率175

3.3热探测器177

3.3.1热敏效应177

3.3.2测辐射热计177

3.3.3热电偶和热电堆179

3.3.4热释电探测器180

3.4光子探测器182

3.4.1光电效应182

3.4.2固体能带理论183

3.4.3光电导型红外探测器185

3.4.4光伏型探测器186

3.4.5光磁电型红外探测器189

3.4.6光发射型探测器189

3.4.7量子阱红外探测器189

3.5常用红外探测器191

3.5.1探测器发展历史191

3.5.2探测器种类和性能192

3.6探测器噪声195

3.6.1噪声概述195

3.6.2探测器噪声分类196

3.6.3背景限探测率201

3.6.4低噪声放大电路设计201

3.6.5晶体管噪声204

3.7系统灵敏度207

3.7.1灵敏度表达方法207

3.7.2系统噪声等效带宽208

3.7.3测量精度、灵敏度与噪声210

3.7.4噪声等效灵敏度211

3.7.5目标探测灵敏度214

3.7.6探测概率和虚警率218

3.8红外焦平面阵列221

3.8.1概述221

3.8.2红外焦平面器件结构221

3.8.3读出集成电路的前置放大224

3.8.4电流-电压放大器226

3.8.5复位积分电路227

3.8.6信号多路传输与读出231

3.8.7片上信号处理233

3.9焦平面阵列的噪声235

3.9.1时间噪声与空间噪声235

3.9.2信号与噪声电子数236

3.9.3像元的噪声电子数计算237

3.9.4实测时间噪声和空间噪声238

3.10图像传感器239

3.10.1图像传感器种类239

3.10.2图像传感器性能参数241

3.10.3凝视成像系统灵敏度计算247

3.10.4 CCD图像传感器249

3.10.5 CMOS图像传感器252

3.11红外焦平面阵列实例255

3.11.1光伏型红外焦平面线列255

3.11.2热敏型非致冷红外焦平面面阵259

3.12红外凝视成像系统性能评价261

3.12.1噪声等效温差261

3.12.2热像仪参数测量264

3.12.3目标识别距离预测267

3.13红外探测器制冷方式269

3.13.1制冷方式介绍269

3.13.2辐射制冷269

3.13.3热电制冷270

3.13.4储存式制冷271

3.13.5低温机械制冷272

参考文献273

第4章 红外分光技术274

4.1引言274

4.2薄膜光学基础274

4.2.1光学薄膜274

4.2.2菲涅耳公式275

4.2.3单层膜的多光束干涉277

4.2.4等效光纳279

4.2.5两种特殊膜层280

4.2.6红外光学薄膜281

4.2.7红外滤光片及其应用285

4.3棱镜分光288

4.4光栅分光289

4.4.1衍射光栅概述289

4.4.2衍射光栅分光290

4.4.3闪耀光栅295

4.4.4体积相位全息光栅297

4.4.5球面光栅302

4.5成像光谱仪303

4.5.1概述303

4.5.2推扫型成像光谱仪304

4.5.3光机扫描型成像光谱仪307

4.5.4谱线弯曲和色畸变307

4.6干涉分光技术309

4.6.1概述309

4.6.2干涉分光原理310

4.6.3干涉分光光谱分辨率312

4.6.4干涉分光特点314

4.6.5干涉光谱仪结构315

参考文献317

第5章 光机扫描技术318

5.1引言318

5.2光机扫描种类319

5.2.1物面扫描319

5.2.2像面扫描319

5.2.3多元扫描320

5.2.4行扫描方式320

5.3光机扫描部件321

5.3.1扫描部件及驱动321

5.3.2摆动平面镜321

5.3.3摆动、旋转传感头323

5.3.4旋转45°扫描镜325

5.3.5旋转多面体反射棱柱327

5.3.6旋转多面体折射棱柱329

5.3.7旋转折射光楔329

5.3.8摆动二维指向镜331

5.4扫描图形335

5.4.1直线扫描335

5.4.2圆锥扫描336

5.5扫描仪数据畸变与对地定位337

5.5.1概述337

5.5.2地面畸变和正切畸变338

5.5.3扫描漏失和重叠339

5.5.4飞行姿态342

5.5.5遥感数据的对地定位343

5.5.6机载行扫描仪数据流345

5.6卫星轨道简介346

5.6.1卫星轨道概述346

5.6.2轨道高度、速度与周期346

5.6.3太阳同步与地球同步轨道349

5.7附录1：45°镜多元并扫K镜消像旋技术352

5.7.1消像旋方法352

5.7.2平面镜转动的物像矢量关系353

5.7.3 K镜消像旋原理354

5.8附录2：二维指向搜索跟踪系统成像特性357

5.8.1绕单轴转动矢量公式357

5.8.2绕单轴转动的物像矢量关系358

5.8.3绕两轴转动的坐标变换矩阵359

5.8.4扫描轨迹计算360

5.8.5像旋角计算361

5.8.6目标精确跟瞄的像旋修正362

参考文献363