8.62 9.50
9.66 10.6 37.53
红外辐射能量密度曲线
常见物体的峰值波长
25
5.2红外辐射的基本概念
红外辐射的大气窗口
红外辐射在大气中传输时，不同波长的红外辐射，有着不 同的吸收和衰减。能够透过大气的红外辐射主要有三个波长 范围：1～2.5um，3～5um，8～14um，通常称为大气窗口。
基尔霍夫 1824～1887
推论：性能好的反射体或透明体，必然是性能差的辐射体。
22
5.2、红外辐射的基本概念
斯蒂芬－玻耳兹曼定律
物体辐射的红外能量密度 W 与其自身的热力学温度 T 的 4 次方成正比，并与它表面的比辐射率成正比：
W T
4
（5-2）
玻耳兹曼常数 5.6697 1012W / cm2 K 4
被动式红外成像系统 （红外热像仪）
核心问题：如何将红外图像转变为可见光图像？
29
5.3主动式红外成像系统
主动式红外成像系统又称红外夜视仪、夜视眼 镜，夜视望远镜以及红外线望远镜等。自身带有红 外光源，是根据被成像物体对红外光源的不同反射 率，以红外变像管作为光电成像器件的红外成像系 统。 优点：成像清晰、对比度高、不受环境光源影响；
40
5.3主动式红外成像系统
探照灯：短脉 冲红外激光
＋
红外变像管： 加选通电极
41
8微秒
优点1:减少大 气后向散射对 后向散射辐射 红外图像对比 度和清晰度的 目标反射辐射 影响
脉冲光源 照明输出
选通脉冲
优点2:精确测 量目标与观察 者之间的距离
探测距离为1220米时的选通时序图
选通脉冲的时序要与目标反射辐射时序一致！
10
红外感应开关
红外测温仪
温度感应
11
数据传输
12
医学成像
13
5.1引言
5.1引言
天文
红外线这 么有用啊！
气象
文物鉴定
医学
数据传输
军事
16
红外热成像技术的优点
①红外热成像技术是一种被动式的非接触的检测与识别，隐蔽性好 ②红外热成像技术不受电磁干扰，能远距离精确跟踪热目标，精确 制导 ③红外热成像技术能真正做到24h全天候监控 ④红外热成像技术的探测能力强，作用距离远 ⑤红外热成像技术可采用多种显示方式，把人类的感官由五种增加 到六种 ⑥红外热成像技术能直观地显示物体表面的温度场，不受强光影响， 应用广泛
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5.3主动式红外成像系统
3. 红外探照灯
光源 抛物面反射镜
红外光源可以是 电热光源（白炽 灯）；气体放电 光源（高压氙 灯）；半导体光 源（砷化镓发光 二极管）；激光 光源（砷化镓发 光二极管）
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灯座
红外滤光片
5.3主动式红外成像系统
对红外探照灯的技术要求：
① 红外探照灯的辐射光谱要与变像管光阴极的光 谱响应有效匹配，在匹配的光谱范围内有高的辐射 效率； ② 探照灯的照射范围与仪器的视场角基本吻合； ③ 红光暴露距离要短，结构上要容易调焦，滤光 片和光源更换方便；
通常变像管的光阴极采用对近红外敏感 （0.8～1.2um）的银氧铯光敏层，电子光学部 分相当于一个静电聚焦系统。
39
5.3主动式红外成像系统
大气后向散射现象：红外探照灯向目标发出的红外光束通过大 气时，其中一部分散射后向辐射进入观察系统。引入了图像的 背景噪声，降低了图像对比度和清晰度。 如何减小大气后向散射影响？ 选通技术：利用发出短脉冲光的探照灯和在相应时间工作的 选通型变像管，以时间的先后分开不同距离上的散射光和目 标的反射光，使由被观察目标反射回来的辐射脉冲刚好在变 像管选通时到达并成像，由辐射脉冲在投向目标的后向散射 辐射到达接收器时，变像管恰好处于非工作状态而不参与成 像，从而减小后向散射对成像的影响。
I Ib
I Ib
（5-1）
即物体的实际红外辐射与同温度下黑体红外辐射之比值，显然， 物体的比辐射率都小于1。人体为0.98。
20
5.2、红外辐射的基本概念
不同材料的比辐射率
21
5.2、红外辐射的基本概念
5.2.2 红外辐射的三个规律
基尔霍夫定律
同温度物体的红外发射能力正比于其红 外吸收能力；红外平衡状态时，物体吸收 的红外能量恒等于它所发射的红外能量。
主动式红外夜视仪具有成像清晰、制作简单等特点， 但它的致命弱点是红外按照灯的红外光会被敌人的红外探 测装置发现。60年代，美国首先研制出被动式的热像仪， 它不发射红外光，不易被敌发现，并具有透过雾、雨等进 行观察的能力。
6
5.2红外辐射的基本概念
红外辐射的介质传输特性
许多对可见光透明的介质，对红外辐射却 是不透明的。通常把可以透过红外辐射的介质 称为红外光学材料。 红外光学材料可以分为 晶体材料 、 玻璃材 料 和 塑性材料 三种，每种材料都对某些波长 范围的红外有较高的透过率。
27
5.2红外辐射的基本概念
④ 体积要小，重量轻，寿命长，工作可靠。
44
5.3主动式红外成像系统
4 直流高压电源
高压电源提供红外变像管进行图像增强的能 量，一般为1.2～2.9万伏。 对高压电源的技术要求：
① 输出稳定直流高压； ② 在高、低温环境下能保证系统正常工作； ③ 防潮、防震、体积小、重量轻、耗电省。
45
5.3主动式红外成像系统
高温性 能稳定
最常见
几种红外光学材料的透过率
单晶锗：1.8～20µ m，最常见；单晶硅：11µm以内； 多晶硫化锌：1～14µm；多晶氟化镁：3～5µm，高温性能稳定
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5.3主动式红外成像系统
红外成像系统
利用不同物体 对红外辐射的 不同反射 利用物体自 然发射的红 外辐射
主动式红外成像系统 （红外夜视仪）
与常规光学仪器不同，变像管将物镜组和目镜组隔 开，使得光学系统的入瞳和出瞳不存在物象共轭关 系！渐晕系数越大越好，像面照度均匀。
36
5.3主动式红外成像系统
2.红外变像管
红外变像管是主动式红外成像系统的核心，是一 种高真空图像转换器件，完成从近红外图像到可见 光图像的转换并增强图像。 从结构材料上分，红外变像管可以分为金属结构 型和玻璃结构型； 从工作方法上分，可以分为连续工作方式和选通工 作方式。
可见，物体的温度越高，红外辐射能量越多。正常人体 的红外辐射功率大致为1kW。
23
5.2红外辐射的基本概念
维恩位移定律
物体的红外辐射能量密度大小，随波长（频率）不同而变 化。与辐射能量密度最大峰值相对应的波长为峰值波长，维 恩通过大量实验得出峰值波长和物体热力学温度之间的关系：
max 2897 / T
缺点：易暴露，不利于军事应用。
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5.3主动式红外成像系统
红外夜视图像
装有红外夜视仪的步枪
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红外夜视仪的原理是将我们肉眼看不红外线转化成 为可见光。因为辐射的红外线很弱，所以转化成的可见 光也很弱。图像呈绿色是因为我们的眼睛对绿光感光性 最敏感，而且容易疲劳，
这些都是使我们对弱光看得更清楚些。而且红光和 绿光的区别就是波长不一样而已，很容易转变的。夜间 模糊的图象→光电阴极(把光子转化为电子)→微通屏(电 子撞击一个具有磷光质涂层的屏幕)所以红外夜视仪看到 的景象大多是绿色的。
可见光：0.38～0.78um，一个倍频程 红外线：0.78～1000um，商为1282＝210，10个倍频程
19
5.2、红外辐射的基本概念
黑体(black body)
黑体:假想的全部吸收和辐射红外电磁波的理想体，其红 外吸收和辐射能力与温度无关。红外辐射率和吸收率为1（客 观世界不存在），其意义体现在为衡量自然物体的红外辐射和 吸收能力建立一个标准。 一般物体的红外辐射率和吸收率都小于1，并且其辐射和 吸收能力都与表面温度和波长有关。 在理论和工程实践中，常用物体的比辐射率定量描述物体 辐射和吸收红外电磁波的能力：
37
5.3主动式红外成像系统
红外变像管结构
阴极 外筒 光学纤维 红外光阴极 电子轨迹 电子光学系统
阳极锥电极
荧光屏
工作波长范围取决于红外变像管的光阴极响应谱区，一般为 0.76~1.2µ m的近红外光。 38
5.3主动式红外成像系统
红外变像管的工作过程
近红外辐射 光阴极面 电子流图像 高能电子 可见光图像 荧光屏 电子光学系统
6
红外线的应用
地面10米望远镜用7种波长观 测的彗木碰撞后的红外图像
SL-9彗核C碰撞前后的木星红外 图像
天文观测
7
红外摄像机（英军押解伊战俘）
红外望远镜
军事观察
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气 象 预 测
红外云图
9
Invisible radiation photography is often applied to the study of works of art as here in the painting La Madonna dell'Impannata by Raphael. Invisible radiation imaging reveals a much younger Saint John the Baptist sitting on Joseph's lap found beneath the surface of the visible painting (right). Images © Editech. 艺术鉴定
红外成像原理
红外线的历史 1800年，赫胥耳利用太阳光谱色散实验 发现了红外光。 1835年，安培宣告了光和热射线的同一 性。
通常取可见光谱中红光末端为780nm，比它长的光 就是红外光，或称为热射线。
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