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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