1 红外辐射理论 1
1.0 引言 1
1.1 函数、定义与单位 1
1.1.1 辐射度学 1
1.2 各种函数、定义与单位 2
1.2.1 通用的普朗克函数 6
1.3 光照度、光出射度与光亮度 6
1.4 透明度、不透明度与光学密度参数 7
1.4.1 一种参数到另一种参数的转换 8
1.5 辐射几何学 8
1.5.1 朗伯表面的通量密度与辐射分布 8
1.5.2 具有余弦辐射分布函数的辐射表面 9
1.5.3 朗伯体圆面的辐照度 9
1.5.4 光学温度与辐射温度 9
1.6 各种材料的发射率与温度、波长的关系 10
1.7 亮度温度 11
1.8 分布温度 12
1.9 色温 12
1.10 归一化色度坐标与黑体温度的关系 13
1.11 各种红外量的计算 13
1.11.1 遵从斯特芬-玻尔兹曼定律的辐射出射度 13
1.11.2 相对辐射出射度 14
1.11.3 光谱辐射出射度 14
1.11.4 单位时间单位面积单位立体角每微米的光子数 15
1.11.5 相对光子通量密度 18
1.11.6 单位k—间隔单位体积的光子数 18
1.11.7 各种温度下特定光谱带的辐射占总辐射的百分比 19
1.11.8 光谱带亮度对比度 19
1.12 小结 20
参考文献 24
2 红外信号在大气中的传输特性 25
2.1 引言 25
2.2 用于参数计算的大气模型 26
2.2.1 散射与吸收在大气衰减中的联合效应 36
2.2.2 源于气溶胶分布的散射与吸收系数 36
2.2.3 分子分布造成的散射与吸收效应 37
2.2.4 兼有气溶胶与分子分布下的总衰减 38
2.2.5 各种大气性质对机载与空间红外传感器的影响 39
2.3 大气传输特性对高功率激光系统的影响 40
2.3.1 氟化氘（DF）激光的传输特性 41
2.3.2 氟化氢（HF）激光的传输特性 46
2.4 各大气成分的吸收与散射效应 47
2.4.1 二氧化碳（CO2） 47
2.4.2 氧化氮（N2O） 47
2.4.3 一氧化碳（CO） 48
2.4.4 甲烷（CH4） 48
2.4.5 硝酸（HNO3） 48
2.4.6 水蒸气（H2O） 48
2.4.7 臭氧（O3） 48
2.5 在中高度与高高度工作下的主要大气参数 49
2.5.1 中高度下的大气参数 49
2.5.2 高高度下的大气参数 49
2.6 气溶胶的性质与分类 50
2.6.1 大气的气溶胶模型 51
2.6.2 最适用于各种高度范围的气溶胶模型 52
2.7 用于计算大气光学性质的模型 53
2.7.1 散射现象 53
2.7.2 大气分子散射 53
2.8 归一化粒子分布的气溶胶模型 54
2.9 均匀混合的大气气体的浓度 55
2.10 单线吸收 55
2.10.1 大气吸收的带模型 55
2.10.2 强线近似 57
2.11 计算光谱透射率的实用方法 58
2.11.1 仰角下的全程大气透射率 61
2.11.2 水平程透射率 61
2.11.3 对比度传递函数 63
2.12 武器投射的水平能见度 64
2.12.1 参数σv的修正因子与高度的关系 65
2.13 各种程长的大气透射率 66
2.14 大气散射与吸收对红外传感器性能的影响 69
2.14.1 背向散射对红外传感器影响的预测 70
2.14.2 目标背景对比度 71
2.15 小结 74
参考文献 74
3 各种红外源 76
3.0 引言 76
3.1 红外源的分类 77
3.1.1 实验室红外源 77
3.1.2 针对特定参数标定或测量应用的红外源说明 77
3.2 商业标准红外源 79
3.3 炽热的非气体黑体源 80
3.3.1 楞斯特发光体 80
3.3.2 碳硅棒灯 80
3.3.3 气体罩 81
3.3.4 钨丝灯 81
3.3.5 碳弧灯 81
3.3.6 高压放电灯 82
3.3.7 小型弧光灯源 85
3.3.8 低压放电灯源 85
3.3.9 无电极放电灯 85
3.3.10 光谱弧光灯源 86
3.3.11 钨弧光放电灯 86
3.3.12 氢和氘弧光源 86
3.3.13 发光二极管（LED） 86
3.4 人造或人工源 88
3.4.1 飞机红外特征的估算或预测 89
3.4.2 大炮口闪光的红外辐射 91
3.5 各种红外激光源 92
3.5.1 半导体二极管激光器 92
3.5.2 使用二极管条或阵列泵浦的固体（DPSS）激光器 93
3.5.3 高功率不含铝二极管（AFD）激光器 95
3.5.4 光纤耦合激光器 95
3.5.5 垂直腔表面发射激光器（VCSEL） 98
3.5.6 量子级联激光器 99
3.5.7 可调谐激光器 100
3.5.8 固体电子振动可调谐（SSVT）激光器 102
3.5.9 可调谐二极管激光器（TDL） 102
3.5.10 远红外区的自由电子激光器（FEL） 103
3.5.11 气体激光器 103
3.5.12 化学激光器 105
3.5.13 近衍射限光学质量输出的超高功率激光器 106
3.6 光参量振荡器 108
3.6.1 用于OPO的非线性光学晶体 109
3.6.2 低脉冲能量（LPE）OPO 111
3.6.3 OPO的主要性能参数 111
3.7 光放大器 113
3.7.1 EDFA器件的噪声图 114
3.7.2 EDFA的增益和功率输出 114
3.7.3 EDFA对光纤的要求 114
3.8 小结 115
参考文献 116
4 探测器和焦平面阵列 117
4.0 引言 117
4.1 探测器类型 117
4.1.1 时间范畴和频率范畴探测器 119
4.2 低功率、高功率和高速探测器 119
4.2.1 低功率探测器 119
4.2.2 高功率探测器 119
4.2.3 高能探测器 120
4.2.4 高速探测器 121
4.3 半导体光电池探测器 123
4.3.1 太阳聚能器设计 124
4.4 金属-半导体-金属（MSM）光子探测器 124
4.5 量子探测器 125
4.5.1 雪崩光子计数探测器 126
4.5.2 光电倍增管（PMT）探测器 126
4.5.3 像增强器 128
4.6 光探测器和准光探测器 130
4.6.1 超导热电子测辐射热计（HEB） 130
4.7 谐振腔增强（RCE）探测器 130
4.7.1 RCE探测器的关键设计问题和参数 134
4.7.2 速度匹配的分布光电（VMDP）探测器的性能参数 136
4.8 焦平面阵列（FPA）探测器 136
4.8.1 引言 136
4.8.2 非制冷焦平面阵列（FPA） 138
4.8.3 双波段成像系统 139
4.8.4 潜在的探测器材料和信号处理要求 139
4.9 FPA读出器件和要求 141
4.9.1 CCD探测器读出器件 142
4.9.2 CMOS探测器读出器件 142
4.10 读出集成电路（ROIC）工艺 143
4.11 空间应用的FPA设计要求 144
4.12 小结 145
参考文献 147
5 红外无源器件和电光元件 148
5.0 引言 148
5.1 光纤、光学材料及其性质 148
5.1.1 光纤中的插入损耗 149
5.1.2 光纤中的模色散和材料色散 152
5.2 与折射率有关的光纤参数 152
5.2.1 临界角 152
5.2.2 数值孔径 152
5.2.3 总模数 153
5.2.4 材料色散 153
5.3 光纤的结构与组成 153
5.3.1 最佳的光纤耦合形状 154
5.3.2 侧面抛光的光纤（SPOF） 155
5.3.3 高功率纤维光学光缆（HPFO） 156
5.4 红外窗与整流罩的工艺和材料 156
5.5 光学晶体 158
5.5.1 无机非线性光学晶体（NOC） 161
5.5.2 二次谐波发生器（SHG）的效率 161
5.6 小型的光学透镜或微透镜 163
5.7 光学谐振腔与支撑结构 163
5.7.1 支撑结构和光学谐振腔的材料要求 163
5.7.2 谐振腔的性能要求 164
5.8 激光指示器 164
5.9 用液晶显示器（LCD）和发光二极管（LED）技术的光学显示器 164
5.10 用光学技术设计模拟-数字转换器 165
5.11 激光高度计 166
5.12 光限幅器 167
5.13 光隔离器和环行器 167
5.13.1 隔离器的价格与性能 168
5.13.2 光学环行器 168
5.14 光纤耦合器和复用器 169
5.14.1 耦合器 169
5.14.2 波分复用器（WDM） 170
5.15 光纤环形激光陀螺 170
5.16 光纤通信链路 171
5.17 光开关 171
5.17.1 光开关的其他开关技术 172
5.18 用光电技术的绘图仪、扫描器和打印机 172
5.18.1 激光绘图仪 172
5.18.2 光学扫描器 172
5.18.3 激光打印机 173
5.19 红外温度计 174
5.20 光纤延迟线 175
5.20.1 光纤的重要性能参数 175
5.21 用光学技术的数码相机 176
5.21.1 像元尺寸和面积的影响 177
5.22 高速红外相机 177
5.22.1 红外相机设计要求 178
5.23 滤光器 178
5.23.1 带通滤光器 179
5.23.2 低通滤光器和高通滤光器 179
5.23.3 加-减滤光器 179
5.23.4 红外吸收滤光器 180
5.23.5 介质热排除滤光器 180
5.23.6 介质热反射滤光器 180
5.23.7 可调谐滤光器 180
5.24 小结 182
参考文献 182
6 红外有源器件和元件 184
6.0 引言 184
6.1 电光调制器 184
6.1.1 以工作原理和器件结构为基础设计调制器 184
6.1.2 行波调制器 186
6.1.3 半导体行波调制器 188
6.1.4 屏蔽式速度匹配电光调制器 188
6.1.5 采用棒状体电光调制器原理 188
6.1.6 声光调制器 190
6.1.7 磁光调制器 190
6.1.8 半导体波导调制器 190
6.1.9 磁致伸缩光调制器 191
6.1.10 调制器用的电光材料特性 191
6.2 光学接收机 192
6.2.1 采用直接探测技术的光学接收机 193
6.2.2 采用声光技术的信道光学接收机 195
6.2.3 使用集成电光技术的监视接收机 197
6.2.4 光谱分析仪 199
6.3 半导体光发射器 200
6.3.1 光电子振荡器 200
6.4 光学相关器 201
6.5 采用电光和光子技术的模数转换器 202
6.5.1 采用光子时间展宽技术的模数转换器设置 202
6.5.2 采用电光技术的模数转换器设计 204
6.6 光学相控阵天线 205
6.6.1 相干光学相控阵天线技术 205
6.7 光学转换器 208
6.8 小结 209
参考文献 209
7 红外与光子技术在工商业装置与系统中的应用 211
7.1 引言 211
7.2 在工商业装置与系统中的应用 211
7.2.1 高清晰度电视 211
7.2.2 便携式微型激光投影仪 214
7.3 全色虚拟（FCV）显示器 216
7.4 数字通用光盘 216
7.4.1 数字通用光盘对激光二极管的要求 217
7.4.2 蓝光激光二极管在DVD中的应用 217
7.5 商业激光印刷机 218
7.5.1 用计算机制版技术（CTP）的激光印刷机 218
7.5.2 激光印刷机的功率要求 219
7.5.3 商业激光印刷机的性能要求 219
7.5.4 商业印刷机的多光束曝光技术 220
7.5.5 商业印刷机的单片线性阵列（MLA） 220
7.6 使用电光技术的高压传感器 221
7.7 烟火探测的红外传感器 221
7.8 相控阵天线的光学控制 222
7.8.1 发射和接收组件的同步性 223
7.8.2 信号编码技术 223
7.8.3 直接光学控制技术 225
7.8.4 使用光学技术的多波束成形能力 227
7.9 毒品和炸药探测的光电子装置 228
7.9.1 简介 228
7.9.2 傅里叶变换红外光谱技术 229
7.9.3 傅里叶变换拉曼光谱技术 229
7.9.4 低成本毒品探测装置 229
7.9.5 打击犯罪的激光DNA技术 230
7.9.6 激光指纹印系统 231
7.10 探测晴空大气湍流（CAT）的激光传感器 231
7.11 防恐怖分子威胁的光子传感器 232
7.11.1 防生物威胁的光子传感器 232
7.11.2 防化学威胁的低成本光子装置 233
7.12 工业用红外传感器 234
7.12.1 监控半导体生产过程的红外传感器 234
7.12.2 环境控制用的红外传感器 234
7.12.3 监控涡轮发动机性能的傅里叶变换红外光谱仪 235
7.12.4 生产过程实时监控的拉曼光谱仪 235
7.13 红外机器视觉系统的红外相机 236
7.13.1 红外机器视觉系统最佳结果的性能要求 237
7.14 激光焊接工艺 238
7.15 激光技术在稻谷生长方面的应用 238
7.16 集成电路生产率跟踪的激光器 239
7.17 激光机器人引导 239
7.17.1 汽车工业用的激光机器人引导系统 240
7.17.2 飞机工业用的机器人引导系统 240
7.18 高速光纤（HSFO）链路 241
7.18.1 光纤链路的关键性能参数 241
7.18.2 链路性能与激光波长的关系 241
7.18.3 卫星光通信不同部件的关键性能参数 242
7.19 小结 244
参考文献 245
8 红外与光子技术在医疗、电信与空间中的应用 246
8.1 引言 246
8.2 医疗应用中的红外与光子传感器 246
8.2.1 用于生物技术图像分析的红外传感器 247
8.2.2 光动力疗法 247
8.2.3 医疗用的超光谱成像光谱系统 249
8.2.4 癫痫病治疗的近红外光谱方法 251
8.2.5 用于心脏病治疗的激光血管成形术（TMR） 252
8.2.6 用于牙病治疗的激光光谱仪 252
8.2.7 用于各种疾病诊断与治疗的拉曼光谱技术 254
8.2.8 用于美容手术的激光器 255
8.2.9 医疗用的光学层析摄影术 255
8.2.10 测绘烧伤组织用的激光器 256
8.2.11 激光内窥镜检查技术 257
8.2.12 用于DNA分析的激光传感器 257
8.2.13 用于视力矫正的激光技术 258
8.2.14 激光镊子 259
8.3 光通信系统 261
8.3.1 卫星对卫星和卫星对地通信系统 261
8.4 天基激光雷达系统 262
8.4.1 用于激光雷达系统的固体激光发射机技术 262
8.5 探测大气污染的激光传感器 262
8.5.1 LBRS系统的分类 263
8.6 用于空间飞船对接的激光传感器 265
8.7 卫星间的激光通信系统 266
8.7.1 激光通信系统的主要单元 266
8.7.2 卫星间通信链路的要求 266
8.7.3 对光发射机与光接收机的要求 267
8.7.4 卫星间通信对捕获与跟踪的要求 267
8.7.5 空间通信系统对元件性能的要求 268
8.8 使用波分复用（WDM）和密集波分复用（DWDM）技术的光纤链路 268
8.8.1 长距离高数据率对光纤的要求 270
8.8.2 对光放大器的增益曲线要求 271
8.9 小结 273
参考文献 274
9 光子与红外技术在空间和军事传感器中的应用 276
9.0 引言 276
9.1 三维监视用的光学技术 276
9.1.1 供选择的三维监视技术 276
9.1.2 STIL系统的性能 277
9.2 红外搜索跟踪传感器的性能 278
9.2.1 关键元件及其性能参数 279
9.2.2 焦平面阵列探测器的关键性能要求 279
9.2.3 焦平面阵列用的探测器类型和材料 280
9.2.4 IRST探测距离计算 280
9.2.5 红外背景杂波对IRST性能的影响 281
9.2.6 光谱鉴别技术与热鉴别技术 281
9.2.7 IRST传感器的关键性能参数 282
9.2.8 最佳性能对虚警率与电压信噪比（SNR）的要求 282
9.3 前视红外（FLIR）传感器 284
9.3.1 关键性能参数与能力 286
9.4 红外行扫仪传感器 287
9.4.1 IRLS的性能与关键参数 287
9.5 空间用的激光扫描测距机 288
9.5.1 捕获与跟踪对激光系统性能的要求 288
9.6 空间用的半导体激光雷达 289
9.6.1 光子限扩展目标时测距能力 290
9.7 人眼安全的激光测距（LRF）传感器 292
9.7.1 人眼安全激光测距机的系统要求 293
9.8 用于精确武器投放的激光测距系统 295
9.9 激光寻的器 296
9.9.1 激光制导炸弹 298
9.9.2 激光指示器或照明器 298
9.10 红外制导导弹 299
9.11 用高能激光对抗红外导弹威胁 299
9.11.1 反卫星激光系统 300
9.11.2 天基激光监视（SBLS）系统 301
9.11.3 用于导弹防御系统的高功率高能CO2激光源 304
9.11.4 用于导弹监视系统的探测和跟踪要求 304
9.12 用于防御马赫速度导弹的激光系统 305
9.13 光子技术在战场上的应用 305
9.14 空间用的红外望远镜 306
9.14.1 红外望远镜的关键性能要求 306
9.14.2 空间实验室望远镜的性能要求 307
9.15 陆基监视和导弹告警系统 307
9.15.1 监视与导弹告警系统的性能要求 309
9.16 小结 311
参考文献 312
10 红外特征分析与对抗技术 313
10.0 引言 313
10.1 红外辐射源及其红外特征值 314
10.2 各种喷气发动机红外辐射强度的计算 316
10.2.1 飞机或导弹的蒙皮温度与速度的函数关系 317
10.2.2 飞机的机动飞行对红外特征的影响 320
10.2.3 发射率对红外特征的影响 321
10.3 预计红外特征值的计算机程序 322
10.3.1 飞机红外辐射的评估方法 323
10.4 采用SCORPIO-N软件程序确定总的辐射量与锁定距离 324
10.5 短程、中程与洲际弹道导弹预计的辐射强度 325
10.5.1 短程弹道导弹（SRBM）的红外辐射 326
10.5.2 中程弹道导弹（MRBM）和洲际弹道导弹（ICBM）的射程和推力要求 328
10.6 红外对抗技术 331
10.6.1 包含红外干扰弹和诱饵的无源红外对抗技术 332
10.6.2 降低红外特征技术 333
10.6.3 主动红外对抗技术 333
10.7 光电威胁告警系统 335
10.8 激光定向红外对抗系统 336
10.8.1 导弹告警接收机 337
10.9 红外反对抗（IRCCM）技术 339
10.9.1 导弹寻的器设计方面提供的IRCCM能力 339
10.9.2 潜在的IRCCM技术 340
10.10 天基红外监视传感器 342
10.11 天基反卫星系统 342
10.12 小结 343
参考文献 344
11 红外光子技术的未来应用和对辅助设备的要求 346
11.0 引言 346
11.1 水下探雷用的激光扫描器 346
11.2 与人类学（PBA）有关的光子传感器 347
11.3 食品监测的光子传感器 348
11.3.1 啤酒和饮料业的光子传感器 349
11.3.2 食油分析的红外传感器 349
11.3.3 食品加工用的红外传感器 349
11.4 下水道检测的发光二极管光源 351
11.5 半导体工艺控制的光子传感器 351
11.6 光子加密系统 354
11.7 昆虫计数的红外传感器 354
11.8 激光空中传送（LBAD）系统 355
11.9 激光转接器 355
11.9.1 光学阵列的类型 356
11.9.2 光学转接器的重要设计问题 358
11.10 核反应堆修补的激光系统 359
11.10.1 激光系统修补核反应堆的能力 360
11.11 战场监视的光子传感器 361
11.11.1 靶机或无人机对传感器的性能要求 362
11.11.2 电视成像传感器的性能 363
11.11.3 前视红外传感器的性能 363
11.11.4 激光测距机和指示器的性能 363
11.11.5 红外行扫仪传感器的性能 364
11.12 激光微加工技术 365
11.13 红外和光子传感器需要的辅助装置 366
11.13.1 光源 366
11.13.2 电源 367
11.14 控制电路 368
11.14.1 制冷剂流量调节的模拟控制器 368
11.15 红外传感器的低温制冷器和微型制冷器 369
11.15.1 制冷器与微型制冷器的关键参数 370
11.15.2 制冷器的维修要求 370
11.15.3 各种应用对制冷器的性能要求 371
11.15.4 微型制冷器的性能 371
11.15.5 激光器冷却装置 373
11.15.6 新一代的制冷器 374
11.16 未来光通信系统与红外传感器的波长锁定技术 375
11.17 光学软件程序与光机建模 377
11.18 小结 378
参考文献 378
附录 计量单位换算表 379