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紅外輻射與目標(biāo)識(shí)別 版權(quán)信息
- ISBN：9787030712974
- 條形碼：9787030712974 ; 978-7-03-071297-4
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊(cè)數(shù)：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
紅外輻射與目標(biāo)識(shí)別 本書特色
從事目標(biāo)探測(cè)識(shí)別技術(shù)的總體單位、載荷研制單位、載荷使用單位、數(shù)據(jù)應(yīng)用部門，以及相關(guān)從事目標(biāo)特性與識(shí)別技術(shù)研究的科研人員。
紅外輻射與目標(biāo)識(shí)別 內(nèi)容簡(jiǎn)介
本書重點(diǎn)面向紅外探測(cè)與識(shí)別應(yīng)用，較為系統(tǒng)地介紹了紅外輻射特性基礎(chǔ)理論、各類目標(biāo)及其所處環(huán)境的紅外輻射特性、紅外探測(cè)特性、紅外輻射定量測(cè)試技術(shù)等目標(biāo)特性知識(shí)，并就紅外特性在目標(biāo)探測(cè)識(shí)別應(yīng)用中的關(guān)鍵問題進(jìn)行了較為系統(tǒng)的介紹，包括紅外探測(cè)中的目標(biāo)特性基礎(chǔ)問題（如探測(cè)距離、譜段選擇等）以及紅外點(diǎn)源目標(biāo)、成像目標(biāo)、光譜成像目標(biāo)等的特征提取、選擇、分類和識(shí)別等，*后就智能紅外識(shí)別技術(shù)進(jìn)行了介紹。
紅外輻射與目標(biāo)識(shí)別 目錄
目錄
第1章 緒論 1
1.1 紅外輻射與紅外特性 1
1.2 目標(biāo)光學(xué)輻射特性 3
1.3 環(huán)境光學(xué)輻射特性 4
1.4 目標(biāo)紅外識(shí)別 6
參考文獻(xiàn) 9
第2章 紅外輻射基礎(chǔ)理論 10
2.1 輻射基本物理量 10
2.1.1 常用輻射量 10
2.1.2 輻射量的計(jì)算 14
2.1.3 輻射比率 18
2.2 輻射的基本定律 20
2.2.1 基爾霍夫定律 20
2.2.2 普朗克定律 21
2.2.3 維恩位移定律 23
2.2.4 斯特藩-玻爾茲曼定律 23
2.3 宏觀介質(zhì)輻射基礎(chǔ) 24
2.3.1 宏觀介質(zhì)輻射特性分析 24
2.3.2 輻射的方向性 26
2.3.3 輻射的光譜性 29
2.4 氣體輻射基礎(chǔ) 30
2.4.1 原子/分子輻射躍遷 30
2.4.2 氣體的輻射譜線 33
2.4.3 熱力學(xué)非平衡狀態(tài) 38
2.5 粒子輻射基礎(chǔ) 39
2.5.1 粒子的形態(tài)學(xué) 40
2.5.2 粒子的輻射屬性 41
2.5.3 粒子輻射理論簡(jiǎn)述 45
2.6 輻射傳輸概論 46
2.6.1 輻射傳輸方程 47
2.6.2 輻射傳輸?shù)姆e分形式解 49
參考文獻(xiàn) 51
第3章 目標(biāo)紅外輻射特性建模 54
3.1 氣體介質(zhì)流場(chǎng)計(jì)算 54
3.1.1 氣體流動(dòng)基本方程 54
3.1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)射流模型 60
3.1.3 高速繞流場(chǎng)模型 68
3.2 固體壁面溫度場(chǎng)計(jì)算 71
3.2.1 固體導(dǎo)熱基本方程 71
3.2.2 對(duì)流換熱計(jì)算模型 75
3.2.3 輻射換熱計(jì)算模型 79
3.3 流固耦合輻射傳輸計(jì)算 81
3.3.1 氣體輻射數(shù)值計(jì)算方法 81
3.3.2 粒子散射數(shù)值計(jì)算方法 88
3.3.3 輻射傳輸數(shù)值計(jì)算方法 90
3.4 典型飛行器紅外輻射特性 94
3.4.1 飛機(jī)紅外輻射特性 94
3.4.2 火箭紅外輻射特性 95
3.4.3 高超聲速飛行器繞流場(chǎng)紅外輻射特性 96
參考文獻(xiàn) 99
第4章 環(huán)境的紅外傳輸與輻射特性 101
4.1 紅外輻射在大氣中的傳輸 101
4.1.1 大氣的熱力學(xué)結(jié)構(gòu)與組分分布 101
4.1.2 紅外輻射在大氣中的衰減機(jī)制 110
4.1.3 大氣的紅外傳輸特性 112
4.2 地外天體紅外輻射特性 120
4.2.1 太陽的輻射特性 120
4.2.2 月球的輻射特性 124
4.2.3 其他天體的輻射特性 126
4.3 地表紅外輻射特性 129
4.3.1 地表輻射機(jī)制 129
4.3.2 地物反射率/發(fā)射率的變化特性 132
4.3.3 地表溫度的變化特征 137
4.4 海表紅外輻射特性 139
4.4.1 海表輻射機(jī)制 139
4.4.2 海表反射率/發(fā)射率的變化特性 140
4.4.3 海表溫度的變化特征 146
4.5 大氣紅外輻射特性 147
4.5.1 大氣紅外輻射機(jī)制 147
4.5.2 地基觀測(cè)的大氣紅外輻射 149
4.5.3 空基觀測(cè)的大氣紅外輻射 152
4.5.4 天基臨邊觀測(cè)的大氣紅外輻射 153
4.6 地球大氣紅外輻射特性 157
4.6.1 地球大氣紅外輻射機(jī)制 158
4.6.2 空基觀測(cè)的地球大氣紅外輻射 160
4.6.3 天基觀測(cè)的地球大氣紅外輻射 161
參考文獻(xiàn) 163
第5章 紅外輻射測(cè)量 167
5.1 紅外輻射測(cè)量的基本物理量 167
5.1.1 表觀輻射亮度 167
5.1.2 表觀輻射強(qiáng)度 167
5.1.3 表觀輻射照度 168
5.1.4 表觀輻射溫度 168
5.1.5 輻射面積 169
5.2 紅外輻射測(cè)量?jī)x器的基本原理 169
5.2.1 紅外單點(diǎn)輻射測(cè)量?jī)x器 169
5.2.2 紅外成像輻射測(cè)量?jī)x器 170
5.2.3 紅外光譜輻射測(cè)量?jī)x器 173
5.2.4 紅外成像光譜輻射測(cè)量?jī)x器 178
5.3 紅外輻射測(cè)量?jī)x器定標(biāo) 179
5.3.1 標(biāo)準(zhǔn)輻射源 179
5.3.2 輻射定標(biāo) 180
5.3.3 光譜定標(biāo) 181
5.3.4 環(huán)境溫度與雜散輻射影響補(bǔ)償 184
5.4 紅外輻射測(cè)量技術(shù) 186
5.4.1 空天目標(biāo)紅外輻射測(cè)量技術(shù) 186
5.4.2 地海目標(biāo)紅外輻射測(cè)量技術(shù) 195
5.4.3 材料光學(xué)參數(shù)實(shí)驗(yàn)室測(cè)量技術(shù) 200
參考文獻(xiàn) 204
第6章 紅外特性與傳感器探測(cè)感知 205
6.1 概述 205
6.2 紅外特性對(duì)傳感器參數(shù)設(shè)計(jì)指導(dǎo) 206
6.2.1 靈敏度 206
6.2.2 探測(cè)譜段 207
6.2.3 光譜分辨率 213
6.3 紅外傳感器探測(cè)感知對(duì)目標(biāo)識(shí)別影響 215
6.3.1 紅外傳感器光學(xué)信息傳輸效應(yīng) 215
6.3.2 光學(xué)信息傳輸效應(yīng)對(duì)目標(biāo)特性測(cè)量精度影響 216
6.3.3 光學(xué)信息傳輸效應(yīng)對(duì)目標(biāo)識(shí)別影響 218
參考文獻(xiàn) 220
第7章 紅外成像探測(cè)中的特征提取與識(shí)別 221
7.1 紅外目標(biāo)特點(diǎn) 221
7.2 紅外點(diǎn)源目標(biāo)特征提取 222
7.2.1 輻射特征 222
7.2.2 溫度特征 225
7.2.3 等效輻射截面特征 228
7.3 紅外面源目標(biāo)特征提取 229
7.3.1 形狀特征 229
7.3.2 輪廓特征 232
7.3.3 輻射亮度特征 233
7.4 紅外目標(biāo)運(yùn)動(dòng)特征提取 245
7.4.1 光流法 245
7.4.2 幀間匹配 248
7.4.3 目標(biāo)機(jī)動(dòng)狀態(tài)輻射特征提取 250
7.5 紅外點(diǎn)源目標(biāo)識(shí)別 253
7.5.1 基于輻射特征的目標(biāo)識(shí)別 253
7.5.2 基于多譜段多特征融合的目標(biāo)識(shí)別 255
7.6 紅外面源目標(biāo)識(shí)別 256
7.6.1 基于邊緣與紋理特征聯(lián)合的目標(biāo)識(shí)別 258
7.6.2 基于整體與部件聯(lián)合提取的目標(biāo)識(shí)別 267
7.6.3 基于多紋理特征聯(lián)合的目標(biāo)識(shí)別 272
參考文獻(xiàn) 279
第8章 紅外光譜探測(cè)中的特征提取與識(shí)別 284
8.1 紅外高光譜特點(diǎn) 284
8.2 紅外光譜選擇的一般方法 285
8.2.1 基于總體精度排序與K-L散度的波段選擇 287
8.2.2 總體精度與冗余度聯(lián)合*優(yōu)的波段選擇 293
8.3 高光譜解混與定位 299
8.3.1 光譜線性混合模型 299
8.3.2 端元提取與豐度求取 302
8.3.3 高光譜亞像元定位 306
8.4 光譜域特征提取 310
8.4.1 光譜斜率和坡向 310
8.4.2 光譜二值編碼 310
8.4.3 光譜導(dǎo)數(shù) 311
8.4.4 光譜積分 312
8.4.5 光譜重排 312
8.4.6 光譜包絡(luò)線 313
8.4.7 光譜不確定性分析 313
8.5 變換域特征提取 314
8.5.1 小波變換特征 314
8.5.2 PCA 變換特征 315
8.5.3 稀疏表示特征 316
8.5.4 自編碼特征 318
8.6 基于光譜特征的紅外目標(biāo)識(shí)別 320
8.6.1 光譜相似性度量 320
8.6.2 基于光譜不確定性分析的目標(biāo)識(shí)別 322
8.6.3 基于拐點(diǎn)光譜分段的地物識(shí)別 325
8.6.4 基于光譜異常分析的紅外小目標(biāo)識(shí)別 331
參考文獻(xiàn) 336
第9章 智能紅外目標(biāo)識(shí)別 341
9.1 人工智能發(fā)展與識(shí)別基礎(chǔ) 341
9.1.1 人工智能簡(jiǎn)史與應(yīng)用 341
9.1.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ) 344
9.1.3 經(jīng)典深度卷積網(wǎng)絡(luò)架構(gòu) 349
9.2 基于大樣本學(xué)習(xí)的紅外目標(biāo)識(shí)別方法 352
9.2.1 問題描述與挑戰(zhàn) 352
9.2.2 目標(biāo)特性數(shù)據(jù)智能生成 352
9.2.3 基于雙階段的紅外圖像弱小目標(biāo)識(shí)別 361
9.2.4 基于單階段的紅外圖像成像目標(biāo)識(shí)別 366
9.3 基于小樣本學(xué)習(xí)的紅外目標(biāo)識(shí)別方法 370
9.3.1 深度遷移學(xué)習(xí) 371
9.3.2 基于深度遷移的紅外成像目標(biāo)識(shí)別 372
9.3.3 基于輻射特性遷移的紅外點(diǎn)目標(biāo)識(shí)別 374
參考文獻(xiàn) 378
附錄A 典型物理常數(shù)和數(shù)據(jù) 382
附錄B 普朗克函數(shù)與維恩位移公式 384
第1章 緒論 1
1.1 紅外輻射與紅外特性 1
1.2 目標(biāo)光學(xué)輻射特性 3
1.3 環(huán)境光學(xué)輻射特性 4
1.4 目標(biāo)紅外識(shí)別 6
參考文獻(xiàn) 9
第2章 紅外輻射基礎(chǔ)理論 10
2.1 輻射基本物理量 10
2.1.1 常用輻射量 10
2.1.2 輻射量的計(jì)算 14
2.1.3 輻射比率 18
2.2 輻射的基本定律 20
2.2.1 基爾霍夫定律 20
2.2.2 普朗克定律 21
2.2.3 維恩位移定律 23
2.2.4 斯特藩-玻爾茲曼定律 23
2.3 宏觀介質(zhì)輻射基礎(chǔ) 24
2.3.1 宏觀介質(zhì)輻射特性分析 24
2.3.2 輻射的方向性 26
2.3.3 輻射的光譜性 29
2.4 氣體輻射基礎(chǔ) 30
2.4.1 原子/分子輻射躍遷 30
2.4.2 氣體的輻射譜線 33
2.4.3 熱力學(xué)非平衡狀態(tài) 38
2.5 粒子輻射基礎(chǔ) 39
2.5.1 粒子的形態(tài)學(xué) 40
2.5.2 粒子的輻射屬性 41
2.5.3 粒子輻射理論簡(jiǎn)述 45
2.6 輻射傳輸概論 46
2.6.1 輻射傳輸方程 47
2.6.2 輻射傳輸?shù)姆e分形式解 49
參考文獻(xiàn) 51
第3章 目標(biāo)紅外輻射特性建模 54
3.1 氣體介質(zhì)流場(chǎng)計(jì)算 54
3.1.1 氣體流動(dòng)基本方程 54
3.1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)射流模型 60
3.1.3 高速繞流場(chǎng)模型 68
3.2 固體壁面溫度場(chǎng)計(jì)算 71
3.2.1 固體導(dǎo)熱基本方程 71
3.2.2 對(duì)流換熱計(jì)算模型 75
3.2.3 輻射換熱計(jì)算模型 79
3.3 流固耦合輻射傳輸計(jì)算 81
3.3.1 氣體輻射數(shù)值計(jì)算方法 81
3.3.2 粒子散射數(shù)值計(jì)算方法 88
3.3.3 輻射傳輸數(shù)值計(jì)算方法 90
3.4 典型飛行器紅外輻射特性 94
3.4.1 飛機(jī)紅外輻射特性 94
3.4.2 火箭紅外輻射特性 95
3.4.3 高超聲速飛行器繞流場(chǎng)紅外輻射特性 96
參考文獻(xiàn) 99
第4章 環(huán)境的紅外傳輸與輻射特性 101
4.1 紅外輻射在大氣中的傳輸 101
4.1.1 大氣的熱力學(xué)結(jié)構(gòu)與組分分布 101
4.1.2 紅外輻射在大氣中的衰減機(jī)制 110
4.1.3 大氣的紅外傳輸特性 112
4.2 地外天體紅外輻射特性 120
4.2.1 太陽的輻射特性 120
4.2.2 月球的輻射特性 124
4.2.3 其他天體的輻射特性 126
4.3 地表紅外輻射特性 129
4.3.1 地表輻射機(jī)制 129
4.3.2 地物反射率/發(fā)射率的變化特性 132
4.3.3 地表溫度的變化特征 137
4.4 海表紅外輻射特性 139
4.4.1 海表輻射機(jī)制 139
4.4.2 海表反射率/發(fā)射率的變化特性 140
4.4.3 海表溫度的變化特征 146
4.5 大氣紅外輻射特性 147
4.5.1 大氣紅外輻射機(jī)制 147
4.5.2 地基觀測(cè)的大氣紅外輻射 149
4.5.3 空基觀測(cè)的大氣紅外輻射 152
4.5.4 天基臨邊觀測(cè)的大氣紅外輻射 153
4.6 地球大氣紅外輻射特性 157
4.6.1 地球大氣紅外輻射機(jī)制 158
4.6.2 空基觀測(cè)的地球大氣紅外輻射 160
4.6.3 天基觀測(cè)的地球大氣紅外輻射 161
參考文獻(xiàn) 163
第5章 紅外輻射測(cè)量 167
5.1 紅外輻射測(cè)量的基本物理量 167
5.1.1 表觀輻射亮度 167
5.1.2 表觀輻射強(qiáng)度 167
5.1.3 表觀輻射照度 168
5.1.4 表觀輻射溫度 168
5.1.5 輻射面積 169
5.2 紅外輻射測(cè)量?jī)x器的基本原理 169
5.2.1 紅外單點(diǎn)輻射測(cè)量?jī)x器 169
5.2.2 紅外成像輻射測(cè)量?jī)x器 170
5.2.3 紅外光譜輻射測(cè)量?jī)x器 173
5.2.4 紅外成像光譜輻射測(cè)量?jī)x器 178
5.3 紅外輻射測(cè)量?jī)x器定標(biāo) 179
5.3.1 標(biāo)準(zhǔn)輻射源 179
5.3.2 輻射定標(biāo) 180
5.3.3 光譜定標(biāo) 181
5.3.4 環(huán)境溫度與雜散輻射影響補(bǔ)償 184
5.4 紅外輻射測(cè)量技術(shù) 186
5.4.1 空天目標(biāo)紅外輻射測(cè)量技術(shù) 186
5.4.2 地海目標(biāo)紅外輻射測(cè)量技術(shù) 195
5.4.3 材料光學(xué)參數(shù)實(shí)驗(yàn)室測(cè)量技術(shù) 200
參考文獻(xiàn) 204
第6章 紅外特性與傳感器探測(cè)感知 205
6.1 概述 205
6.2 紅外特性對(duì)傳感器參數(shù)設(shè)計(jì)指導(dǎo) 206
6.2.1 靈敏度 206
6.2.2 探測(cè)譜段 207
6.2.3 光譜分辨率 213
6.3 紅外傳感器探測(cè)感知對(duì)目標(biāo)識(shí)別影響 215
6.3.1 紅外傳感器光學(xué)信息傳輸效應(yīng) 215
6.3.2 光學(xué)信息傳輸效應(yīng)對(duì)目標(biāo)特性測(cè)量精度影響 216
6.3.3 光學(xué)信息傳輸效應(yīng)對(duì)目標(biāo)識(shí)別影響 218
參考文獻(xiàn) 220
第7章 紅外成像探測(cè)中的特征提取與識(shí)別 221
7.1 紅外目標(biāo)特點(diǎn) 221
7.2 紅外點(diǎn)源目標(biāo)特征提取 222
7.2.1 輻射特征 222
7.2.2 溫度特征 225
7.2.3 等效輻射截面特征 228
7.3 紅外面源目標(biāo)特征提取 229
7.3.1 形狀特征 229
7.3.2 輪廓特征 232
7.3.3 輻射亮度特征 233
7.4 紅外目標(biāo)運(yùn)動(dòng)特征提取 245
7.4.1 光流法 245
7.4.2 幀間匹配 248
7.4.3 目標(biāo)機(jī)動(dòng)狀態(tài)輻射特征提取 250
7.5 紅外點(diǎn)源目標(biāo)識(shí)別 253
7.5.1 基于輻射特征的目標(biāo)識(shí)別 253
7.5.2 基于多譜段多特征融合的目標(biāo)識(shí)別 255
7.6 紅外面源目標(biāo)識(shí)別 256
7.6.1 基于邊緣與紋理特征聯(lián)合的目標(biāo)識(shí)別 258
7.6.2 基于整體與部件聯(lián)合提取的目標(biāo)識(shí)別 267
7.6.3 基于多紋理特征聯(lián)合的目標(biāo)識(shí)別 272
參考文獻(xiàn) 279
第8章 紅外光譜探測(cè)中的特征提取與識(shí)別 284
8.1 紅外高光譜特點(diǎn) 284
8.2 紅外光譜選擇的一般方法 285
8.2.1 基于總體精度排序與K-L散度的波段選擇 287
8.2.2 總體精度與冗余度聯(lián)合*優(yōu)的波段選擇 293
8.3 高光譜解混與定位 299
8.3.1 光譜線性混合模型 299
8.3.2 端元提取與豐度求取 302
8.3.3 高光譜亞像元定位 306
8.4 光譜域特征提取 310
8.4.1 光譜斜率和坡向 310
8.4.2 光譜二值編碼 310
8.4.3 光譜導(dǎo)數(shù) 311
8.4.4 光譜積分 312
8.4.5 光譜重排 312
8.4.6 光譜包絡(luò)線 313
8.4.7 光譜不確定性分析 313
8.5 變換域特征提取 314
8.5.1 小波變換特征 314
8.5.2 PCA 變換特征 315
8.5.3 稀疏表示特征 316
8.5.4 自編碼特征 318
8.6 基于光譜特征的紅外目標(biāo)識(shí)別 320
8.6.1 光譜相似性度量 320
8.6.2 基于光譜不確定性分析的目標(biāo)識(shí)別 322
8.6.3 基于拐點(diǎn)光譜分段的地物識(shí)別 325
8.6.4 基于光譜異常分析的紅外小目標(biāo)識(shí)別 331
參考文獻(xiàn) 336
第9章 智能紅外目標(biāo)識(shí)別 341
9.1 人工智能發(fā)展與識(shí)別基礎(chǔ) 341
9.1.1 人工智能簡(jiǎn)史與應(yīng)用 341
9.1.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ) 344
9.1.3 經(jīng)典深度卷積網(wǎng)絡(luò)架構(gòu) 349
9.2 基于大樣本學(xué)習(xí)的紅外目標(biāo)識(shí)別方法 352
9.2.1 問題描述與挑戰(zhàn) 352
9.2.2 目標(biāo)特性數(shù)據(jù)智能生成 352
9.2.3 基于雙階段的紅外圖像弱小目標(biāo)識(shí)別 361
9.2.4 基于單階段的紅外圖像成像目標(biāo)識(shí)別 366
9.3 基于小樣本學(xué)習(xí)的紅外目標(biāo)識(shí)別方法 370
9.3.1 深度遷移學(xué)習(xí) 371
9.3.2 基于深度遷移的紅外成像目標(biāo)識(shí)別 372
9.3.3 基于輻射特性遷移的紅外點(diǎn)目標(biāo)識(shí)別 374
參考文獻(xiàn) 378
附錄A 典型物理常數(shù)和數(shù)據(jù) 382
附錄B 普朗克函數(shù)與維恩位移公式 384
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紅外輻射與目標(biāo)識(shí)別 節(jié)選
第1章 緒論 1.1 紅外輻射與紅外特性 光是一種電磁輻射，在空間中的傳播可以采用電場(chǎng)和磁場(chǎng)的波動(dòng)方程來描述，故也稱為電磁波，它所具有的能量就是電磁輻射能。通常所說的可見光是人眼可以看到的電磁輻射，它的波長(zhǎng)范圍在 0.38～0.76μm，與波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的顏色依次是紫、藍(lán)、青、綠、黃、橙、紅。位于紅色光以外，波長(zhǎng)在 0.76～1000μm 范圍的電磁輻射常稱為 “紅外輻射”，也稱 “紅外線” 或 “紅外光”。 實(shí)際上，電磁輻射的波長(zhǎng)具有極長(zhǎng)的跨度，形成電磁波譜，它的分布如圖 1.1所示。在電磁波譜中，波長(zhǎng)由短到長(zhǎng)分別被劃分并命名為 γ 射線、X 射線、紫外線、可見光、紅外線、無線電。這些命名并非固定，如無線電的短波譜段也稱為微波譜段，紅外與微波的過渡區(qū)域也稱為太赫茲譜段。每個(gè)譜段的范圍也并非嚴(yán)格確定，主要是根據(jù)它們的產(chǎn)生方式、傳播方式、測(cè)量技術(shù)和應(yīng)用范圍的不同而劃分。光學(xué)譜段包含了紫外、可見光和紅外部分。在實(shí)際應(yīng)用中，紅外譜段常被細(xì)分為四個(gè)部分：近紅外/短波紅外 (0.76～3μm)；中紅外/中波紅外 (3～6μm)；遠(yuǎn)紅外/長(zhǎng)波紅外 (6～25μm)；極遠(yuǎn)紅外/甚長(zhǎng)波紅外 (25～1000μm)，極遠(yuǎn)紅外與太赫茲譜段基本重疊。有時(shí)也稱 1～3μm 為近紅外，3～5μm 為中波紅外，8～12μm為長(zhǎng)波紅外，這三個(gè)譜段是大氣窗口區(qū)，即大氣中能夠透過紅外輻射的譜段。本書討論的紅外輻射光譜范圍主要在 2～25μm。 圖1.1 電磁波譜分布 書討論的紅外輻射光譜范圍主要在 2～25μm。紅外輻射的研究有著悠長(zhǎng)的歷史。1800 年英國(guó)天文學(xué)家威廉 赫歇爾 (S. W.Herschel) 在研究太陽光譜的熱效應(yīng)時(shí)，用分光棱鏡將太陽光分解成從紅色到紫色的單色光，依次測(cè)量不同顏色光的熱效應(yīng)。他發(fā)現(xiàn)：當(dāng)水銀溫度計(jì)移到紅色光譜邊界以外人眼看不見有任何光線的黑暗區(qū)時(shí)，溫度反而比紅光區(qū)域高，證明了紅外輻射的存在 [1]。當(dāng)時(shí)，這種輻射被稱為 “看不見的光線”，也就是后來所謂的紅外線或紅外輻射。至此，開啟了紅外輻射產(chǎn)生、傳播和探測(cè)的機(jī)理、方法與應(yīng)用研究。 隨著溫差熱電偶、半導(dǎo)體電阻輻射計(jì)等探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，紅外輻射的測(cè)量從定性走向定量。到 19 世紀(jì)末，紅外輻射的定量測(cè)量波長(zhǎng)超過了 5μm，20 世紀(jì)初，超過了 13μm。過去一百年間，數(shù)種全新體制的探測(cè)技術(shù)出現(xiàn)，促使紅外探測(cè)水平飛速發(fā)展，現(xiàn)在部分譜段的探測(cè)光譜分辨率已經(jīng)到達(dá)小于單吸收譜線有效寬度(典型值在 10.4 cm.1)，探測(cè)靈敏度*高可實(shí)現(xiàn)單光子測(cè)量。這推動(dòng)了紅外科學(xué)與技術(shù)發(fā)展成為一門獨(dú)立的學(xué)科，在環(huán)境與遙感科學(xué)、能源科學(xué)、天文與空間探測(cè)、醫(yī)學(xué)與公共衛(wèi)生、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、軍事與安全技術(shù)等眾多領(lǐng)域的研究與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用中發(fā)揮令人矚目的作用。 本書的紅外輻射部分面向目標(biāo)紅外探測(cè)、識(shí)別所需要的目標(biāo)與環(huán)境紅外特性知識(shí)，系統(tǒng)闡述紅外特性涉及的紅外輻射基本概念、紅外特性理論計(jì)算、特性規(guī)律及測(cè)量方法，它是紅外光電系統(tǒng)設(shè)計(jì)、探測(cè)、識(shí)別目標(biāo)等應(yīng)用不可或缺的基礎(chǔ)和依據(jù)。 書討論的紅外輻射光譜范圍主要在 2～25μm。所謂目標(biāo)與環(huán)境紅外特性就是紅外譜段的光學(xué)特性。目標(biāo)與環(huán)境光學(xué)特性，是指目標(biāo)與環(huán)境可被探測(cè)的光學(xué)參量的科學(xué)描述，反映了光學(xué)輻射同目標(biāo)與環(huán)境相互作用而產(chǎn)生的物理現(xiàn)象及其變化規(guī)律，揭示了目標(biāo)與環(huán)境的固有屬性 [2]。對(duì)目標(biāo)與環(huán)境的可測(cè)量光學(xué)參量進(jìn)行計(jì)算、測(cè)量、提取與應(yīng)用共同構(gòu)成了光學(xué)特性研究的基本內(nèi)容。在本書中，環(huán)境的對(duì)象范疇為地球表面、地球的大氣和地外天體；目標(biāo)的對(duì)象范疇為處于地表、海表、空中和空間中的各類人造物體。根據(jù)測(cè)量手段分類，光學(xué)特性可以被區(qū)分為被動(dòng)式探測(cè)對(duì)應(yīng)的光學(xué)輻射特性和主動(dòng)式探測(cè)對(duì)應(yīng)的光學(xué)散射特性。目前，紅外探測(cè)技術(shù)主要是被動(dòng)接收輻射的探測(cè)方式，因此，本書重點(diǎn)闡述紅外輻射特性。 這里很有必要澄清一些紅外輻射特性常用的術(shù)語表達(dá)。絕對(duì)零度以上的物體都在不停地向外發(fā)射電磁波，輻射能量主要與物體溫度相關(guān)，通常溫度越高發(fā)射輻射的能力越強(qiáng)，輻射峰值波長(zhǎng)越短。自然界中大部分目標(biāo)及其所處環(huán)境產(chǎn)生的電磁輻射的峰值波長(zhǎng)都在紅外譜段；可以說，紅外探測(cè)器所觀測(cè)到的物體輻射很大程度上反映了它的熱狀態(tài)，因此，也有文獻(xiàn)將紅外輻射稱為熱輻射。但是，由于探測(cè)器測(cè)量的紅外輻射并不完全來自物體發(fā)射，很多時(shí)候來自散射過程，這些輻射并不反映物體熱狀態(tài)，將熱輻射與紅外輻射等價(jià)在字面上易引起誤解。本書在紅外輻射特性的機(jī)理闡述中以發(fā)射輻射、反射輻射、透射輻射、散射輻射等術(shù)語分解物理過程，將 “熱輻射” 一詞等價(jià)于發(fā)射輻射。隨著紅外器件和紅外探測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展，紅外輻射在現(xiàn)代軍事技術(shù)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、資源勘探、氣象預(yù)報(bào)和環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用給紅外輻射特性不斷提出新需求。對(duì)目標(biāo)與環(huán)境紅外輻射特性的研究也早已突破光學(xué)或紅外物理單一學(xué)科范疇，發(fā)展成為光學(xué)與原子分子物理學(xué)、地球與行星科學(xué)、空間物理學(xué)、力學(xué)、傳熱學(xué)、材料科學(xué)與技術(shù)以及工程設(shè)計(jì)等相互共融的學(xué)科交叉研究領(lǐng)域，煥發(fā)新生。 1.2 目標(biāo)光學(xué)輻射特性 早在 20 世紀(jì) 50 年代，以美國(guó)為代表的西方發(fā)達(dá)國(guó)家便開始將目標(biāo)與環(huán)境光學(xué)特性作為一個(gè)獨(dú)立的領(lǐng)域開展系統(tǒng)性的理論建模、測(cè)量及其應(yīng)用研究。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，建立了較為完善的研究與應(yīng)用體系，形成了一批目前被廣泛使用且置信度很高的光學(xué)特性理論模型和工程計(jì)算軟件，執(zhí)行了一系列地基、船載、機(jī)載、球載、箭載、星載測(cè)量計(jì)劃，積累了豐富的光學(xué)特性數(shù)據(jù)，促使他們?cè)谀繕?biāo)光電探測(cè)與識(shí)別等應(yīng)用技術(shù)方面走在世界前列。下面分別介紹國(guó)外在目標(biāo)輻射特性建模和測(cè)量方面的重要研究進(jìn)展，并簡(jiǎn)要對(duì)比分析國(guó)內(nèi)情況。類似地，在 1.3 節(jié)介紹環(huán)境輻射特性建模與測(cè)量方面的進(jìn)展。 目標(biāo)光學(xué)輻射特性建模研究主要是基于傳熱學(xué)、流體力學(xué)、光散射及輻射傳輸理論，構(gòu)建各類復(fù)雜結(jié)構(gòu)目標(biāo)在內(nèi)部動(dòng)力因素和外部環(huán)境因素共同作用下光學(xué)輻射特性的計(jì)算模型，逐步形成各種類型目標(biāo)的集成仿真計(jì)算軟件 [3]。 以目標(biāo)對(duì)象來區(qū)分，對(duì)于車輛、建筑等地面目標(biāo)，主要的軟件有 PRISM (PhysicalReasonable Infrared Signature Model) 和 MuSES (Multi-Service Electro-opticSignature)。對(duì)于水面艦船類目標(biāo)，主要的軟件有 ShipIR (Ship InfraRed simulator)和 EOSTAR (Electro-Optical Signal TrAnsmission Ranging)。對(duì)于飛機(jī)等空中目標(biāo)，主要的軟件有 NIRATAM (NATO InfraRed Air TArget Model) 和 SPIRITSAC(Spectral and In-band Radiometric Imaging of Targets and Scenes-AirCraft)，其中 SPIRITS-AC 的計(jì)算譜段范圍可以覆蓋紫外到紅外。對(duì)于火箭類目標(biāo)，主要的軟件有 SPF (Standard Plume Flowfield)、SIRRM (Standard InfraRed RadiationModel)、SPURC (Standrad Plume Ultraviolet Radiation Code)、CHAMP(Composite Hardbody And Missile Plumes)。 由于目標(biāo)光學(xué)輻射特性建模原理的共通性，不同類型目標(biāo)特性的仿真計(jì)算實(shí)際上就是根據(jù)目標(biāo)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)組合、優(yōu)化基本的流場(chǎng)、傳熱、輻射傳輸計(jì)算模塊。因此，很多目標(biāo)特性仿真軟件在版本迭代的過程中不斷提升其通用性，以上介紹的一些軟件雖然*初只用于一種特定類型目標(biāo)光學(xué)輻射特性計(jì)算，但*新版本已經(jīng)支持地、海、空多類型目標(biāo)光學(xué)輻射特性的計(jì)算。另外，盡管很多計(jì)算軟件在國(guó)防需求下誕生，但逐步發(fā)展為通用計(jì)算軟件，能夠支撐各種對(duì)目標(biāo)光學(xué)輻射特性存在需求的技術(shù)領(lǐng)域，體現(xiàn)出光學(xué)特性理論的應(yīng)用基礎(chǔ)性。 另一方面，為了滿足目標(biāo)性能評(píng)估、理論模型校驗(yàn)等需求，利用輻射計(jì)、光譜儀、多譜段成像儀、光譜成像儀、偏振成像儀等各種類型的測(cè)量設(shè)備，建設(shè)了大量的光學(xué)輻射特性測(cè)量系統(tǒng)，執(zhí)行特性測(cè)量測(cè)試、數(shù)據(jù)獲取計(jì)劃 [4]。 按照測(cè)量方式分類：一是，在靜態(tài)或模擬環(huán)境下構(gòu)建測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)處于地面靜止、滑軌、臺(tái)架、風(fēng)洞等的目標(biāo)開展光學(xué)輻射特性測(cè)量；二是，建設(shè)開放環(huán)境下地基、船載光學(xué)測(cè)試場(chǎng)，對(duì)處于真實(shí)環(huán)境的地海面目標(biāo)、處于飛行狀態(tài)的飛機(jī)和火箭等空中目標(biāo)以及衛(wèi)星等空間目標(biāo)開展光學(xué)輻射特性測(cè)量，比較著名的測(cè)試場(chǎng)有毛伊島光學(xué)靶場(chǎng)、星火光學(xué)靶場(chǎng)、大西洋紅外測(cè)試場(chǎng)等；三是，研發(fā)機(jī)載、彈載測(cè)量系統(tǒng)對(duì)地海面目標(biāo)開展俯視測(cè)量，對(duì)飛機(jī)、火箭等目標(biāo)開展伴飛、跟蹤測(cè)量，典型的測(cè)量系統(tǒng)有美國(guó)海軍空戰(zhàn)中心的 Tiger 紅外測(cè)量吊艙、空軍研究實(shí)驗(yàn)室的目標(biāo)與背景紅外特征試驗(yàn)機(jī) (Flying Infrared Signature Technology Aircraft，F(xiàn)ISTA)；四是，發(fā)射光學(xué)輻射特性測(cè)量衛(wèi)星開展地海面、空中目標(biāo)、火箭等的天基測(cè)量，*典型的測(cè)量衛(wèi)星是 MSX (Midcourse Space eXperiment) 技術(shù)驗(yàn)證星，它攜帶了覆蓋紫外至遠(yuǎn)紅外的輻射計(jì)、光譜儀和成像儀在天基下視和臨邊探測(cè)視角下獲取飛行試驗(yàn)中的目標(biāo)輻射特性。 我國(guó)目標(biāo)與環(huán)境光學(xué)特性研究起始于 20 世紀(jì) 60 年代，盡管受到投入限制，20 世紀(jì) 70 年代至 2000 年依然較系統(tǒng)地開展了光學(xué)特性理論與測(cè)量試驗(yàn)研究，初步形成了研究與應(yīng)用體系。進(jìn)入 21 世紀(jì)以后，隨著投入不斷增加，且各領(lǐng)域的需求強(qiáng)烈，國(guó)外引入現(xiàn)有成果逐漸不能滿足應(yīng)用發(fā)展，國(guó)內(nèi)的光學(xué)特性研究進(jìn)入發(fā)展快車道。盡管已經(jīng)取得一些成果，但是，理論模型校驗(yàn)不足、集成性較差，測(cè)量手段單一且可靠性、持續(xù)性不夠，光學(xué)特性在目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別等應(yīng)用領(lǐng)域作用體現(xiàn)不足等問題依然十分突出。因此，系統(tǒng)梳理光學(xué)特性建模與測(cè)量知識(shí)體系，夯實(shí)學(xué)科基礎(chǔ)，是十分有必要的，也是本書紅外特性理論與測(cè)量部分撰寫的初衷之一。 1.3 環(huán)境光學(xué)輻射特性 環(huán)境光學(xué)輻射特性作為獨(dú)立的研究領(lǐng)域，是復(fù)雜環(huán)境下目標(biāo)光學(xué)探測(cè)的基礎(chǔ)，是環(huán)境自身基本要素 (如大氣溫度、密度、組分等) 光學(xué)探測(cè)的依據(jù)，是氣象、氣候物理的重要組成部分。因此，在氣候氣象模擬和環(huán)境遙感等應(yīng)用需求的牽引下，環(huán)境光學(xué)輻射特性建模研究起步略早于目標(biāo)特性建模。 環(huán)境光學(xué)輻射特性建模主要是基于分子光譜學(xué)、光散射及輻射傳輸?shù)壤碚摵铜h(huán)境參量觀測(cè)數(shù)據(jù)，構(gòu)建地球及其大氣環(huán)境中輻射傳輸計(jì)算模型和星際背景輻射經(jīng)驗(yàn)/半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑢?shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境狀態(tài)變化下的光學(xué)特性獲取。由于環(huán)境對(duì)象是非人為、客觀存在的，且極其復(fù)雜多變，在環(huán)境光學(xué)特性建模研究中要特別強(qiáng)調(diào)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的使用方法研究，比如氣象要素觀測(cè)數(shù)據(jù)在輻射傳輸理論計(jì)算中的使用以及地外星體輻射觀測(cè)數(shù)據(jù)在星際背景輻射經(jīng)驗(yàn)/半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆?gòu)建中的使用，脫離這些觀測(cè)數(shù)據(jù)的理論方法很難具備實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。 面向各領(lǐng)域需求，已經(jīng)形成了大量、具有各自特點(diǎn)的環(huán)境光學(xué)輻射特性模型。總的來說，用于氣候模擬、遙感反演的模型都高度定制化，針對(duì)特定的譜段、特定的效率需求，但通用性不強(qiáng)。正是在目標(biāo)探測(cè)等光電工程需求的牽引下，才逐步形成一批集成性、通用性較好的模型軟件。使用*廣泛的軟件是美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室及其前身研發(fā)的系列通用輻射傳輸軟件。早期的軟件是 LOWTRAN (LOWresolution atmospheric TRANmission)，可以以 20cm.1 光譜分辨率計(jì)算紫外到遠(yuǎn)紅外的大氣透射率、大氣輻射亮度和太陽直接輻射照度等，在發(fā)展到第 7 版本后，為適應(yīng)中高光譜分辨率仿真計(jì)算需求，又研發(fā)了 MODTRAN (MODerateresolution atmospheric radiance and TRANmission)。目前，*新版本的 MODTRAN集成逐線積分、譜帶模
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