红外物理 - 中国高校教材图书网
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书名： |
红外物理
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| ISBN： | 7-5606-1364 - 0 |
责任编辑： | |
| 作者： |
张建奇 方小平
相关图书
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装订： | 平装 |
| 印次： | 1-1 |
开本： | 16开 |
| 定价： |
￥20.00
折扣价：￥19.00
折扣：0.95
节省了1元
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字数： |
347千字
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| 出版社： |
西安电子科技大学出版社 |
页数： |
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| 出版日期： |
2004-06-01 |
每包册数： |
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| 国家规划教材： |
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省部级规划教材： |
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| 入选重点出版项目： |
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获奖信息： |
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| 内容简介： |
本书系统地论述了红外辐射的发射、传输及测量等过程中的基本原理和规律。
全书共分为7章。第1章介绍了红外辐射的基本知识；第2章讨论了辐射度学和光度学的一些基本概念、基本规律和辐射量的计算；第3章讨论了黑体的辐射规律，并通过确定某一温度下物体的发射率把任意物体的辐射与黑体的辐射联系起来；第4章讨论了作为标准用于校准的黑体型辐射源以及实验室常用的其他标准辐射源；第5章讨论了目标与背景的红外辐射特性；第6章讨论了红外辐射在大气中传输时发生衰减的物理起因以及大气透射率的计算方法；第7章介绍了红外辐射测量中常用的基本设备、红外辐射参数测量的原理和方法。
本书叙述由浅入深、循序渐进；内容全面、系统，重点突出。
本书可作为红外技术、光电子技术、光学工程等专业的本科高年级学生及研究生的专业教材，也可供这些专业的科技工作者参考。
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| 作者简介： |
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| 章节目录： |
第1章 绪论 1
1.1 红外辐射的基本特征 1
1.1.1 电磁波谱 1
1.1.2 红外辐射 2
1.1.3 红外辐射的基本特点 4
1.2 红外物理及红外技术 4
第2章 辐射度学和光度学基础 7
2.1 引言 7
2.2 常用辐射量 8
2.2.1 辐射能 8
2.2.2 辐射功率 8
2.2.3 辐射强度 8
2.2.4 辐射出射度 9
2.2.5 辐射亮度 10
2.2.6 辐射照度 11
2.3 光谱辐射量与光子辐射量 12
2.3.1 光谱辐射量 12
2.3.2 光子辐射量 13
2.4 光度量 15
2.4.1 最大光谱光视效能和光谱光视效率 15
2.4.2 光通量 18
2.4.3 发光强度 19
2.4.4 光出射度 19
2.4.5 光亮度 19
2.4.6 光照度 20
2.4.7 发光效率 21
2.4.8 光量 21
2.5 朗伯余弦定律 21
2.5.1 朗伯辐射源的辐射亮度 22
2.5.2 朗伯辐射源的特征 22
2.5.3 朗伯辐射源的L与M关系 23
2.5.4 朗伯小面源的I、L、M的相互关系 23
2.6 辐射度量中的基本规律 23
2.6.1 距离平方反比定律 23
2.6.2 互易定理 24
2.6.3 立体角投影定理 25
2.6.4 Sumpner定理 25
2.6.5 角系数的基本概念 26
2.7 辐射量计算举例 28
2.7.1 圆盘的辐射强度和辐射功率 28
2.7.2 球面的辐射强度和辐射功率 29
2.7.3 半球面的辐射强度和辐射功率 29
2.7.4 点源产生的辐射照度 30
2.7.5 小面源产生的辐射照度 30
2.7.6 扩展源产生的辐射照度 31
2.7.7 线状辐射源产生的辐射照度 32
2.7.8 简单几何形状辐射源的辐射特性 34
2.8 辐射传输中的相关定律 36
2.8.1 总功率定律 36
2.8.2 朗伯定律和朗伯-比耳定律 37
2.8.3 阿贝定律 40
2.9 光学系统中的辐射量计算 42
2.9.1 像的辐射亮度和辐射强度 42
2.9.2 像的辐射照度 45
2.9.3 系统的总辐射功率 46
习题 47
第3章 热辐射的基本规律 51
3.1 发光种类简介 51
3.2 理想黑体 51
3.2.1 基尔霍夫定律 51
3.2.2 密闭空腔中的辐射为黑体的辐射 52
3.2.3 辐射亮度与能量密度的关系 53
3.2.4 黑体为朗伯辐射体 53
3.3 普朗克公式 54
3.3.1 普朗克公式的推导 54
3.3.2 普朗克公式及其意义 57
3.3.3 普朗克公式的近似 58
3.3.4 用光子数表示的普朗克公式 58
3.3.5 用其他变量表示的普朗克公式 58
3.3.6 广义普朗克函数 59
3.4 维恩位移定律 60
3.4.1 维恩位移定律推导 60
3.4.2 黑体光谱辐射出射度的峰值 61
3.4.3 光子辐射量的维恩维位移定律 61
3.4.4 维恩位移定律的广义表达式 62
3.5 斯蒂芬-玻尔兹曼定律 62
3.5.1 斯蒂芬-玻尔兹曼定律推导 62
3.5.2 用光子数表示的斯蒂芬-波尔兹曼定律 63
3.6 黑体辐射的简易计算 63
3.6.1 黑体辐射函数 63
3.6.2 计算举例 64
3.7 辐射效率和辐射对比度 65
3.7.1 辐射效率 65
3.7.2 辐射对比度 67
3.8 发射率和实际物体的辐射 69
3.8.1 各种发射率的定义 69
3.8.2 朗伯辐射体的发射率 70
3.8.3 物体发射率的一般变化规律 72
3.8.4 热辐射体的分类 73
3.9 红外辐射测温 74
3.9.1 辐射温度 74
3.9.2 亮温度 75
3.9.3 色温度 75
习题 76
第4章 红外辐射源 79
4.1 腔体辐射理论 79
4.1.1 Gouffé理论 79
4.1.2 Devos理论 85
4.2 黑体型辐射源 91
4.3 实用红外辐射源 94
4.3.1 电热固体辐射源 94
4.3.2 气体放电辐射源 97
4.4 红外激光器 101
4.4.1 激光的特性 101
4.4.2 常用的激光器 102
习题 103
第5章 目标和背景的红外辐射特性 105
5.1 环境的光辐射特性 105
5.1.1 太阳的光辐射特性 105
5.1.2 月亮的光辐射特性 108
5.1.3 天空背景的光辐射特性 108
5.1.4 地物的光辐射特性 111
5.1.5 海洋背景的光辐射特性 113
5.2 目标的光辐射特性 115
5.2.1 火箭的红外辐射特性 115
5.2.2 飞机的红外辐射特性 117
5.2.3 坦克的红外辐射特性 121
5.2.4 火炮的红外辐射特性 122
5.2.5 红外诱饵的辐射特性 123
5.2.6 人体的红外辐射特性 124
习题 124
第6章 红外辐射在大气中的传输 126
6.1 地球大气的基本组成 127
6.2 大气的气象条件 128
6.2.1 大气温度 128
6.2.2 大气压强 130
6.2.3 大气密度 132
6.3 大气中的主要吸收气体 135
6.3.1 水蒸气 135
6.3.2 二氧化碳 138
6.3.3 臭氧 140
6.4 大气中的主要散射粒子 141
6.5 大气的吸收衰减 144
6.5.1 大气的选择吸收 144
6.5.2 光谱线的展宽和线型 146
6.5.3 分子的单线吸收 154
6.5.4 分子的带吸收模型 157
6.5.5 斜程的大气吸收 165
6.5.6 表格法计算大气的吸收 166
6.6 大气的散射衰减 178
6.6.1 一般方程 179
6.6.2 瑞利散射 180
6.6.3 米氏散射 181
6.6.4 散射衰减的工程计算法 183
6.7 大气透射率的计算举例 186
6.7.1 大气透射率的计算步骤 186
6.7.2 计算举例 187
6.8 清洁大气在宽谱段内的积累吸收 188
6.9 大气红外辐射传输计算软件介绍 189
6.9.1 各种软件简介 190
6.9.2 LOWTRAN软件 193
习题 199
第7章 红外辐射测量仪器及基本参数测量 200
7.1 红外辐射测量仪器 200
7.1.1 单色仪 200
7.1.2 光谱辐射计 202
7.1.3 红外分光光度计 203
7.1.4 傅里叶变换红外光谱仪 206
7.1.5 多通道光谱仪 208
7.2 基本辐射量的测量 209
7.2.1 辐射亮度的测量 209
7.2.2 辐射强度的测量 210
7.2.3 总辐射通量的测量 210
7.3 红外发射率测量 213
7.3.1 半球全发射率测量 213
7.3.2 法向光谱发射率测量 215
7.4 红外反射比测量 219
7.4.1 反射比的定义 219
7.4.2 积分球反射计 222
7.5 红外吸收比和透射比测量 226
习题 227
参考文献 228
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| 精彩片段： |
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| 书 评： |
自然界一切温度高于绝对零度的物体（物质）无不在每时每刻产生着红外辐射，且这种辐射都载有物体的特征信息，这就为探测和识别各种目标提供了客观基础。因此，自从英国天文学家赫谢耳（Herschel）在1800年发现红外线以来，随着红外辐射理论、红外探测器、红外光学以及红外探测及跟踪系统等的发展，红外技术在国民经济、国防和科学研究中得到了广泛的应用，已成为现代光电子技术的重要组成部分，受到世界各国的普遍关注。
红外探测器是红外系统的核心部件，是发展红外技术的先导。200年来的红外发展历史证明： 每一种性能更好的新型红外探测器的出现都标志着人类认识红外辐射的进步，它将有力地推动着整个红外技术的发展。20世纪50年代中期，由于高灵敏度硫化铅红外探测器的出现，导致红外制导的空—空导弹的研制成功并在实战中得到应用；60年代初期，应用长波红外探测器的行扫描仪在高空飞机侦察方面起了重要作用；60年代中期，机载红外前视装置研制成功并在越南战场上使用；70年代初期，由于碲镉汞等三元系化合物半导体红外探测器的出现和多元技术的发展，使得红外技术在卫星预警、侦察、民用遥感技术中得到应用。此后，军事红外装备，如红外夜视、机载红外前视、红外制导导弹、红外侦察等成为现代军事装备的重要组成部分。近30年来，红外探测器技术已从第一代的单元和线阵列发展到了第二代的二维时间延迟与积分（TDI）8～12 μm的扫描和3～5 μm的640×480元InSb凝视阵列。目前红外探测器技术正在由第二代阵列技术向第三代微型化高密度和高性能红外焦平面阵列技术方向发展。目前红外探测器具有如下特点：1. 超高集成度的焦平面探测器像元像可见光CCD之类的摄像阵列一样，要提高系统成像的分辨率和目标识别能力，大幅度地提高系统焦平面红外探测像元的集成度是一种重要的途径。各公司厂家都在尽力增加焦平面阵列的像元数，发展各种格式的大型或特大型红外焦平面阵列。在1～3 μm的短波红外（SWIR）焦平面阵列方面，由于多年来的军用都集中在中波红外（MWIR）和长波红外（LWIR）波段，因而SWIR焦平面阵列技术的发展受到忽略，但由于这个波段的许多应用是MWIR和LWIR应用达不到的，因而近几年来加快了对SWIR焦平面阵列技术的发展步伐，目前的阵列规模已达到2048×2048元。2. 高性能由于采用诸如MBE、MOCVD这样的高精度控制制作工艺，微机械加工技术和CMOS这样的大型或特大型集成多路传输器不但实现了如1024×1024元、2048×2048元这样的大型二维凝视红外焦平面阵列的高速大容量的信号处理，而且获得了高度均匀性的阵列焦平面响应特性，进一步提高了阵列的性能。3. 高密度小像元尺寸大型或特大型高密度集成，特别是100万及其以上的探测器元集成焦平面阵列要求采用高精度的超大规模集成电路加工技术（如亚微米）和微机械加工技术，焦平面阵列技术的发展很大程度上取决于超大规模集成电路的进展。DRAM每个单元仅要求有一个晶体管，而红外焦平面阵列读出电路则需有三个或更多的晶体管，而且其中有一个必须是低噪声模拟的。目前DRAM生产水平设计规格为0.25 μm，预生产设计规格已是0.18 μm，在这样先进的加工条件下，焦平面阵列多路传输器和探测器元尺寸都可进一步缩小，阵列元数集成度更高。目前的红外焦平面阵列由于采用亚微米加工技术，像元尺寸大为缩小，实现了小像元高密度的红外焦平面集成的进一步发展。4. 多色工作随着红外焦平面阵列制作技术的迅速进展，近期在双色或多色红外焦平面阵列技术发展方面取得了显著的进展。目前已研制出了8～9 μm和14～15 μm的双色640×486元GaAs/AlGaAs量子阱红外焦平面阵列，但这种技术目前的工作温度尚不到77 K。同时探测器像元要求两种工作电压，长波敏感区需极高的偏压（＞8 V）实现长波红外探测，虽然电压可调，但它不能同时提供两个波段的数据。
目前先进的红外焦平面阵列技术正处在从第二代向第三代更为先进的阵列技术发展的转变时期。世界各国正在加紧确定第三代红外焦平面阵列技术的概念，各有关公司和厂家机构的注意力已转向第三代红外焦平面阵列传感器的发展。第三代红外焦平面阵列技术要满足以下几种要求： (1) 焦平面上探测器像元的集成度进一步提高，至少双色工作；（2） 高的工作温度，以便实现低功耗和小型轻量化的系统应用；（3） 非致冷工作红外焦平面阵列传感器的性能达到或接近目前第二代致冷工作红外焦平面阵列传感器的水平；（4） 必须是极低成本的微型传感器，甚至是一次性应用的传感器。最终的第三代红外焦平面阵列将是极低成本的微型传感器，它将占领整个红外市场，其未来的应用将是无人操作的一次性应用传感器，如微型无人驾驶航空飞行器，头盔安装式红外摄像机和微型机器人等。跨入21世纪以来，红外热成像技术的发展已经历了30多个年头。它已从当初的机械扫描机构发展到了目前的固体小型化全电子自扫描凝视摄像，特别是非致冷技术的发展使红外热摄像技术从长期的主要军事目的扩展到诸如工业监控测温、执法缉毒、安全防范、医疗卫生、遥感、设备先期性故障诊断与维护、海上救援、天文探测，以及车辆、飞行器和舰船的驾驶员夜视增强观察仪等广阔的民用领域。
红外遥感技术是红外物理与技术研究和应用进展的重要标志。红外遥感由于具有保密性好、抗干扰本领强、能昼夜连续工作等优点，因此首先在空中军事侦察中占有十分重要的位置。同时在气象、土地资源管理、自然灾害、环境污染分析等方面得到广泛的应用，并取得了令世人瞩目的成果。红外光学遥感器是空间光学遥感器中研制难度最大、用途最广的。它集合了光学、精密机械、空间制冷、温度控制、探测器和系统控制等多种领域的技术成果，体现着一个国家的综合科技实力。目前国际上只有少数发达国家具有研制和开发红外光学遥感器的技术实力。从美国1960 年发展气象卫星、1972年发射陆地卫星和1978年发射海洋卫星以来，这三个应用领域使用的光学遥感器无论是地面分辨率、温度分辨率、辐射分辨率、光谱分辨率和重复观测周期，还是波段范围的开发利用都有长足的进展。以傅里叶变换光谱技术为代表的红外光谱学在气态、液态、固态等不同形态分析对象中得到了广泛的应用，例如，大气污染分析、混合气体中大气毒物定量分析、燃烧废气的检测、润滑油品质分析、化妆品质量分析等。红外光谱技术无论是在对固体、液体、气体的定量还是定性分析中都有广泛的应用，如果能够选取恰当的定量分析方法, 就可以达到非常有用的结果，并且红外光谱技术与气相色谱的联用使定量和定性分析更加准确。目前，军事应用仍主宰着红外市场，预计在将来的一段时期内这种趋势还将持续下去。与此同时，商用红外市场的销售额也正在逐渐增长。很多生产商为降低红外系统单位成本，正在朝着合并其军用和商用生产线的方向发展。近几年，方兴未艾的红外技术在商业市场中占有份额的不断增长，也从另一个侧面说明红外技术还具有大量的潜在用户。红外市场的增长受到多方因素推动。传统上，红外成像系统一般比较庞大、沉重并且价格昂贵。而近几年由于新技术的诞生、生产过程的改良、军用与商用生产线的合作等诸多因素，促进了更小、更轻和更经济的红外器件不断推出。生产成本的下降和技术逐渐成熟使红外技术的生产发展达到了一个新的水平，并涌现出很多新的应用。此外，多重超光谱效用和基本的红外技术相结合，也大大增强了红外技术的应用范围。在市场销售方面，红外成像市场是一个具有较高经济效益的市场，以美国为例，2000年，美国红外成像与红外测温系统的市场销售总额为18.2亿美元，比上一年增长了3%，预计到2008年，总的市场销售额将达到28.2亿美元，年综合增长率达到6.5%。
由以上简述可知，红外技术在国防、国民经济和科学研究中得到了广泛的应用，并受到商业领域的密切关注。同时，红外技术也是一门正在迅速发展的学科，而且作为红外技术基础的红外物理涉及的内容十分广泛。
本书为西安电子科技大学研究生系列教材，由西安电子科技大学张建奇教授担任主编。
本书的参考学时为46～60学时，其内容分为7章。第1章介绍了红外辐射的基本概念和基本知识；第2章着重讨论了辐射度学中的一些基本规律和辐射量的计算，同时对光度学中的一些重要概念、定义和单位进行了说明；第3章讨论了黑体的辐射规律，即普朗克公式、维恩位移定律、斯蒂芬-波尔兹曼定律，并通过确定某一温度下物体的发射率把任意物体的辐射与黑体的辐射联系起来；第4章讨论了作为标准用于校准的黑体型辐射源以及实验室常用的其他标准辐射源；第5章讨论了红外系统所作用的目标与背景的红外辐射特性以及目标与背景红外辐射特性研究中所涉及的一些理论问题；第6章讨论了红外辐射在大气中传输时发生衰减的物理起因以及大气透射率的计算方法，同时介绍了几个常用的大气辐射计算软件；第7章介绍了红外辐射测量中常用的基本设备、红外辐射参数测量的原理和方法。
本书第1～6章由张建奇编写，第7章由方小平编写。在本书的编著过程中曾参阅多种国内、外书籍和文章，在此谨向各位作者一并表示感谢。
由于作者水平有限，书中难免会有不当或错误之处，希望各位读者批评指正。
此书的出版得到了西安电子科技大学研究生建设基金的资助。
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