红外光电工程涉及红外物理、光学、探测器、信号检测与处理等多个技术领域，是一门工程性强、知识覆盖面宽的综合性学科。本书是中国科学院大学推出的系列教材之一，重点介绍红外光电系统的基础理论和相关技术。按红外光电系统信息获取的流程，本书共分“红外辐射和辐射源”“红外光学系统”“红外探测器”红“外分光技术”“光机扫描技术”等五章，其中前三章是本书的重点。
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前言
第1章 红外辐射和辖射源 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 气溶肢模型 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 初級像差概要 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
京公网安备 11010102004214号