光电系统分析与设计PDF电子书下载

第1章 光电系统设计 1

1.1 引言 1

1.2 系统设计的原理 1

1.2.1 定义 1

1.2.2 设计过程 2

1.2.3 设计的先决条件 2

1.2.4 产品研发方法 3

1.2.5 寿命周期 3

1.2.6 在研发中的并行的活动 4

1.2.7 技术指标 5

1.2.8 性能测度和指标值 6

1.2.9 评值体系和设计选择 6

1.2.10 设计中的假设 7

1.2.11 设计过程回顾 7

1.3 光电系统和系统设计 8

1.3.1 光电系统的定义 8

1.3.2 光电系统级设计 9

1.3.3 光电系统建模和仿真 10

1.4 结论 10

参考文献 10

第2章 辐射度学基础 12

2.1 注解 12

2.2 引言 12

2.3 辐射度学术语 14

2.3.1 量的定义 14

2.3.2 辐射度量量的性质 15

2.3.3 光谱量 16

2.3.4 材质特性 16

2.4 线性角 17

2.5 立体角 18

2.5.1 几何和投影立体角 18

2.5.2 锥体的几何立体角 19

2.5.3 锥体的投影立体角 19

2.5.4 矩形平面的几何立体角 20

2.5.5 矩形平面的投影立体角 21

2.5.6 立体角的近似 21

2.5.7 球面的投影面积 21

2.5.8 球面的投影立体角 22

2.6 辐射度和通量传输 22

2.6.1 辐射度（面辐射强度）的守恒 22

2.6.2 辐射通量通过无损介质的传输 23

2.6.3 经过有损耗介质的辐射通量传输 24

2.6.4 任意形状的源和接收器 24

2.6.5 多光谱辐射通量传输 25

2.7 朗伯辐射体和投影立体角 26

2.8 空间观察因子或结构因子 27

2.9 辐射体的形状 28

2.9.1 圆盘 28

2.9.2 球面 29

2.10 光度学和颜色 29

2.10.1 光度学单位 29

2.10.2 眼睛的光谱响应 29

2.10.3 转换到光度学单位 30

2.10.4 颜色坐标简介 31

2.10.5 颜色坐标对源的光谱的敏感性 32

参考文献 33

习题 35

第3章 源 38

3.1 普朗克辐射体 38

3.1.1 普朗克辐射定律 39

3.1.2 维恩位移定律 41

3.1.3 斯忒藩—玻耳兹曼定律 42

3.1.4 普朗克定律累加近似 42

3.1.5 普朗克定律小结 43

3.1.6 常见物体的热辐射 45

3.2 发射率 45

3.2.1 基尔霍夫定律 46

3.2.2 源和接收器之间的辐射通量的传输 46

3.2.3 灰体和选择性辐射体 47

3.2.4 低发射率表面的辐射 48

3.2.5 腔的发射率 49

3.3 黑体前面的口径板 49

3.4 表面方向性反射 50

3.4.1 粗糙度和尺度 51

3.4.2 反射几何 51

3.4.3 光学平滑表面的反射 51

3.4.4 菲涅尔反射 52

3.4.5 双向反射分布函数 53

3.5 方向性发射率 55

3.6 自然界中的方向性反射率和发射率 56

3.7 太阳 57

参考文献 57

习题 61

第4章 光学介质 65

4.1 概述 65

4.2 光学介质 65

4.2.1 有损介质 65

4.2.2 路径辐射 66

4.2.3 对比度降低的一般规律 68

4.2.4 光学厚度 68

4.2.5 气体辐射体源 69

4.3 不均匀的介质和离散坐标 69

4.4 等效透过率 70

4.5 透过率作为距离的函数 72

4.6 大气作为介质 72

4.6.1 大气组分和衰减 72

4.6.2 大气分子吸收 72

4.6.3 大气气溶胶和散射 74

4.6.4 大气透过窗口 77

4.6.5 大气路径面辐射强度 78

4.6.6 路径面辐射强度的实际结果 79

4.6.7 在地球上向上和向下观察 80

4.6.8 大气水蒸气组分 81

4.6.9 大气中的对比度透过率 82

4.6.10 气象距离和气溶胶散射 84

4.7 大气辐射传输代码 85

4.7.1 概述 85

4.7.2 MODTRANTM 85

参考文献 86

习题 89

第5章 光学探测器 90

5.1 历史回顾 90

5.2 探测过程概述 90

5.2.1 热探测器 91

5.2.2 光子探测器 91

5.2.3 归一化响应率 93

5.2.4 探测器结构 93

5.3 噪声 93

5.3.1 噪声功率谱密度 94

5.3.2 约翰逊噪声 95

5.3.3 散弹噪声 95

5.3.4 产生—复合噪声 96

5.3.5 l/f噪声 96

5.3.6 温度起伏噪声 96

5.3.7 接口电子噪声 97

5.3.8 成像系统中的噪声考虑 97

5.3.9 信号通量起伏噪声 97

5.3.10 背景辐射通量起伏噪声 98

5.3.11 探测器噪声等效功率和探测率 98

5.3.12 合成功率谱密度 99

5.3.13 噪声等效带宽 99

5.3.14 时间—带宽积 100

5.4 热探测器 100

5.4.1 工作原理 100

5.4.2 热探测器响应率 101

5.4.3 电阻微测辐射热计 103

5.4.4 热释电探测器 104

5.4.5 热电探测器 105

5.4.6 光子—噪声限工作方式 107

5.4.7 温度起伏噪声限工作方式 108

5.5 晶体材料的特性 108

5.5.1 晶状结构 108

5.5.2 能带中电子的出现率 109

5.5.3 能带中的电子密度 110

5.5.4 半导体带结构 112

5.5.5 导体、半导体和绝缘体 112

5.5.6 本征和非本征半导体材料 113

5.5.7 光子—电子交互作用 115

5.5.8 半导体中的光吸收 116

5.5.9 重要的半导体中的物理参数 118

5.6 光子探测过程概述 118

5.6.1 光子探测器工作原理 118

5.6.2 载流子和电流在半导体材料中的流动 118

5.6.3 光子吸收和多数／少数载流子 119

5.6.4 量子效率 119

5.7 探测器制冷 121

5.8 光导探测器 123

5.8.1 引言 123

5.8.2 光导探测器信号 123

5.8.3 光导探测器的偏压电路 124

5.8.4 光导探测器的频率响应 125

5.8.5 光导探测器中的噪声 126

5.9 光伏探测器 127

5.9.1 光伏探测器工作 127

5.9.2 二极管电流—电压关系 129

5.9.3 光伏探测器的偏置结构 131

5.9.4 光伏探测器的频率响应 133

5.9.5 光伏探测器中的噪声 134

5.9.6 探测器性能建模 137

5.10 探测器技术对红外系统的影响 139

参考文献 140

习题 145

第6章 传感器 147

6.1 概述 147

6.2 对一个传感器的剖析 147

6.3 光学系统概述 148

6.3.1 光学元件 148

6.3.2 一阶光线追迹 150

6.3.3 光瞳、孔径、光阑和f－数 151

6.3.4 光学传感器空间角 153

6.3.5 扩展目标和点目标物体 154

6.3.6 光学像差 154

6.3.7 光学点扩展函数 156

6.3.8 光学系统 156

6.3.9 非球面透镜 157

6.3.10 平行光管的辐射度学 157

6.4 光谱滤光片 159

6.5 一种简单的传感器模型 159

6.6 传感器信号计算 160

6.6.1 探测器信号 161

6.6.2 源的面积的变化 162

6.6.3 复杂源 162

6.7 信号噪声基准面 163

6.8 传感器光学吞吐量 164

参考文献 165

习题 166

第7章 辐射度学方法 170

7.1 性能指标（性能测度） 170

7.1.1 性能指标的作用 170

7.1.2 一般定义 170

7.1.3 常用的性能指标 171

7.2 归一化 173

7.2.1 立体角和空间归一化 173

7.2.2 有效值归一化 173

7.2.3 峰值归一化 174

7.2.4 加权映射 175

7.3 光谱失配 175

7.4 光谱卷积 176

7.5 距离方程 178

7.6 一个图像中的像素辐射通量密度 178

7.7 对比度差 180

7.8 脉冲检测和虚警率 181

7.9 验核方法 183

参考文献 183

习题 184

第8章 光学特征 186

8.1 光学特征的模型 186

8.2 有关光学特征的一般性注解 189

8.3 反射特征 190

8.4 热辐射体建模 190

8.4.1 发射率估计 191

8.4.2 面积估计 192

8.4.3 温度估计 193

8.5 测量数据分析 195

8.6 案例研究：高温火焰测量 196

8.7 案例研究：低发射率表面测量 197

8.8 案例研究：云建模 198

8.8.1 测量 198

8.8.2 模型 199

8.8.3 对云特征的相对贡献 200

8.9 案例研究：对比度反转／温度交叉 200

8.10 案例研究：热透明的涂料 201

8.11 案例研究：太阳闪烁 201

参考文献 202

习题 203

第9章 光电系统分析 207

9.1 案例研究：火焰传感器 207

9.2 案例研究：物体在一幅图像中的表观 209

9.3 案例研究：太阳能电池分析 211

9.3.1 观察 211

9.3.2 分析 212

9.4 案例研究：激光测距机距离方程 215

9.4.1 噪声等效辐射通量密度 215

9.4.2 信号辐射通量密度 216

9.4.3 朗伯目标反射 217

9.4.4 天空背景中的朗伯目标 217

9.4.5 地形背景中的朗伯体 218

9.4.6 探测距离 218

9.4.7 计算实例 219

9.4.8 镜面反射表面 220

9.5 案例研究：热成像传感器模型 221

9.5.1 电子参数 221

9.5.2 采用D*表示的噪声 222

9.5.3 入瞳孔径中的噪声 222

9.5.4 物平面中的噪声 223

9.5.5 实例计算 224

9.6 案例研究：大气和热像仪灵敏度 225

9.7 案例研究：红外传感器辐射度学 227

9.7.1 在探测器上的辐射通量 227

9.7.2 聚焦光学系统 228

9.7.3 离焦光学 230

9.8 案例研究：本生灯火焰特性 231

9.8.1 数据分析工作流 232

9.8.2 仪表标定 233

9.8.3 测量 234

9.8.4 成像摄像机面辐射强度的结果 235

9.8.5 成像摄像机火焰面积结果 237

9.8.6 火焰动力学 238

9.8.7 热电偶火焰温度结果 238

参考文献 238

习题 240

第10章 黄金法则 246

10.1 辐射度量计算的最佳做法 246

10.2 从第一原理出发 246

10.3 理解面辐射强度、面积和立体角 246

10.4 构建数学模型 247

10.5 采用基本的SI单位处理问题 247

10.6 完成量纲分析 248

10.7 绘图 248

10.8 理解π的作用 250

10.9 简化空间积分 250

10.10 采用图形绘出中间结果 251

10.11 采用适当的代码编写 251

10.12 验核和校核 251

10.13 一次做对 251

参考文献 252

附录A 参考信息 253

参考文献 258

附录B 红外场景仿真 260

B.1 概述 260

B.2 仿真作为知识管理工具 260

B.3 仿真验核框架 260

B.4 光学特征渲染 261

B.4.1 图像渲染 263

B.4.2 渲染方程 265

B.5 超采样和混淆效应 267

B.6 太阳反射、天空背景和颜色比 268

参考文献 270

附录C 多维光线追迹 272

附录D 数值求解方法 274

D.1 引言 274

D.2 需求 274

D.3 作为计算器的Matlab？和PythonTM 275

D.3.1 Matlab？ 276

D.3.2 Numpy和Scipy 276

D.3.3 Matlab？和PythonTM用于辐射度学计算 276

D.3.4 pyradi工具箱 276

D.4 Helper函数 277

D.4.1 普朗克辐射出射度函数 277

D.4.2 光谱滤光片函数 278

D.4.3 光谱探测器函数 280

D.5 完整的实例 281

D.5.1 在Matlab？中实现的火焰传感器 281

D.5.2 采用PythonTM语言编写的火焰探测器程序 284

D.5.3 在PythonTM中一幅图像中物体的表观 287

D.5.4 PythonTM中颜色坐标系计算 292

D.5.5 在Matlab？中计算火焰面积 296

D.5.6 在PythonTM中求解距离方程 297

D.5.7 脉冲检测和虚警率计算 298

D.5.8 采用Matlab？进行平板的空间积分 298

参考文献 301

附录E 习题选解 302

E.1 立体角定义 302

E.2 立体角近似 302

E.3 立体角应用（问题2.4 ） 308

E.4 通量传输应用 308

E.5 简单的探测器系统（问题6.2 ） 309

E.6 观察云的InSb探测器（问题8.2 ） 310

E.7 传感器优化（问题9.1 ） 316

附录F 补充阅读和归属权 326

F.1 补充阅读 326

F.2 归属权 326

参考文献 327