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第1章 光电系统设计1

1.1 引言1

1.2 系统设计的原理1

1.2.1 定义1

1.2.2 设计过程2

1.2.3 设计的先决条件2

1.2.4 产品研发方法3

1.2.5 寿命周期3

1.2.6 在研发中的并行的活动4

1.2.7 技术指标5

1.2.8 性能测度和指标值6

1.2.9 评值体系和设计选择6

1.2.10 设计中的假设7

1.2.11 设计过程回顾7

1.3 光电系统和系统设计8

1.3.1 光电系统的定义8

1.3.2 光电系统级设计9

1.3.3 光电系统建模和仿真10

1.4 结论10

参考文献10

第2章 辐射度学基础12

2.1 注解12

2.2 引言12

2.3 辐射度学术语14

2.3.1 量的定义14

2.3.2 辐射度量量的性质15

2.3.3 光谱量16

2.3.4 材质特性16

2.4 线性角17

2.5 立体角18

2.5.1 几何和投影立体角18

2.5.2 锥体的几何立体角19

2.5.3 锥体的投影立体角19

2.5.4 矩形平面的几何立体角20

2.5.5 矩形平面的投影立体角21

2.5.6 立体角的近似21

2.5.7 球面的投影面积21

2.5.8 球面的投影立体角22

2.6 辐射度和通量传输22

2.6.1 辐射度（面辐射强度）的守恒22

2.6.2 辐射通量通过无损介质的传输23

2.6.3 经过有损耗介质的辐射通量传输24

2.6.4 任意形状的源和接收器24

2.6.5 多光谱辐射通量传输25

2.7 朗伯辐射体和投影立体角26

2.8 空间观察因子或结构因子27

2.9 辐射体的形状28

2.9.1 圆盘28

2.9.2 球面29

2.10 光度学和颜色29

2.10.1 光度学单位29

2.10.2 眼睛的光谱响应29

2.10.3 转换到光度学单位30

2.10.4 颜色坐标简介31

2.10.5 颜色坐标对源的光谱的敏感性32

参考文献33

习题35

第3章 源38

3.1 普朗克辐射体38

3.1.1 普朗克辐射定律39

3.1.2 维恩位移定律41

3.1.3 斯忒藩—玻耳兹曼定律42

3.1.4 普朗克定律累加近似42

3.1.5 普朗克定律小结43

3.1.6 常见物体的热辐射45

3.2 发射率45

3.2.1 基尔霍夫定律46

3.2.2 源和接收器之间的辐射通量的传输46

3.2.3 灰体和选择性辐射体47

3.2.4 低发射率表面的辐射48

3.2.5 腔的发射率49

3.3 黑体前面的口径板49

3.4 表面方向性反射50

3.4.1 粗糙度和尺度51

3.4.2 反射几何51

3.4.3 光学平滑表面的反射51

3.4.4 菲涅尔反射52

3.4.5 双向反射分布函数53

3.5 方向性发射率55

3.6 自然界中的方向性反射率和发射率56

3.7 太阳57

参考文献57

习题61

第4章 光学介质65

4.1 概述65

4.2 光学介质65

4.2.1 有损介质65

4.2.2 路径辐射66

4.2.3 对比度降低的一般规律68

4.2.4 光学厚度68

4.2.5 气体辐射体源69

4.3 不均匀的介质和离散坐标69

4.4 等效透过率70

4.5 透过率作为距离的函数72

4.6 大气作为介质72

4.6.1 大气组分和衰减72

4.6.2 大气分子吸收72

4.6.3 大气气溶胶和散射74

4.6.4 大气透过窗口77

4.6.5 大气路径面辐射强度78

4.6.6 路径面辐射强度的实际结果79

4.6.7 在地球上向上和向下观察80

4.6.8 大气水蒸气组分81

4.6.9 大气中的对比度透过率82

4.6.10 气象距离和气溶胶散射84

4.7 大气辐射传输代码85

4.7.1 概述85

4.7.2 MODTRANTM85

参考文献86

习题89

第5章 光学探测器90

5.1 历史回顾90

5.2 探测过程概述90

5.2.1 热探测器91

5.2.2 光子探测器91

5.2.3 归一化响应率93

5.2.4 探测器结构93

5.3 噪声93

5.3.1 噪声功率谱密度94

5.3.2 约翰逊噪声95

5.3.3 散弹噪声95

5.3.4 产生—复合噪声96

5.3.5 l/f噪声96

5.3.6 温度起伏噪声96

5.3.7 接口电子噪声97

5.3.8 成像系统中的噪声考虑97

5.3.9 信号通量起伏噪声97

5.3.10 背景辐射通量起伏噪声98

5.3.11 探测器噪声等效功率和探测率98

5.3.12 合成功率谱密度99

5.3.13 噪声等效带宽99

5.3.14 时间—带宽积100

5.4 热探测器100

5.4.1 工作原理100

5.4.2 热探测器响应率101

5.4.3 电阻微测辐射热计103

5.4.4 热释电探测器104

5.4.5 热电探测器105

5.4.6 光子—噪声限工作方式107

5.4.7 温度起伏噪声限工作方式108

5.5 晶体材料的特性108

5.5.1 晶状结构108

5.5.2 能带中电子的出现率109

5.5.3 能带中的电子密度110

5.5.4 半导体带结构112

5.5.5 导体、半导体和绝缘体112

5.5.6 本征和非本征半导体材料113

5.5.7 光子—电子交互作用115

5.5.8 半导体中的光吸收116

5.5.9 重要的半导体中的物理参数118

5.6 光子探测过程概述118

5.6.1 光子探测器工作原理118

5.6.2 载流子和电流在半导体材料中的流动118

5.6.3 光子吸收和多数／少数载流子119

5.6.4 量子效率119

5.7 探测器制冷121

5.8 光导探测器123

5.8.1 引言123

5.8.2 光导探测器信号123

5.8.3 光导探测器的偏压电路124

5.8.4 光导探测器的频率响应125

5.8.5 光导探测器中的噪声126

5.9 光伏探测器127

5.9.1 光伏探测器工作127

5.9.2 二极管电流—电压关系129

5.9.3 光伏探测器的偏置结构131

5.9.4 光伏探测器的频率响应133

5.9.5 光伏探测器中的噪声134

5.9.6 探测器性能建模137

5.10 探测器技术对红外系统的影响139

参考文献140

习题145

第6章 传感器147

6.1 概述147

6.2 对一个传感器的剖析147

6.3 光学系统概述148

6.3.1 光学元件148

6.3.2 一阶光线追迹150

6.3.3 光瞳、孔径、光阑和f－数151

6.3.4 光学传感器空间角153

6.3.5 扩展目标和点目标物体154

6.3.6 光学像差154

6.3.7 光学点扩展函数156

6.3.8 光学系统156

6.3.9 非球面透镜157

6.3.10 平行光管的辐射度学157

6.4 光谱滤光片159

6.5 一种简单的传感器模型159

6.6 传感器信号计算160

6.6.1 探测器信号161

6.6.2 源的面积的变化162

6.6.3 复杂源162

6.7 信号噪声基准面163

6.8 传感器光学吞吐量164

参考文献165

习题166

第7章 辐射度学方法170

7.1 性能指标（性能测度）170

7.1.1 性能指标的作用170

7.1.2 一般定义170

7.1.3 常用的性能指标171

7.2 归一化173

7.2.1 立体角和空间归一化173

7.2.2 有效值归一化173

7.2.3 峰值归一化174

7.2.4 加权映射175

7.3 光谱失配175

7.4 光谱卷积176

7.5 距离方程178

7.6 一个图像中的像素辐射通量密度178

7.7 对比度差180

7.8 脉冲检测和虚警率181

7.9 验核方法183

参考文献183

习题184

第8章 光学特征186

8.1 光学特征的模型186

8.2 有关光学特征的一般性注解189

8.3 反射特征190

8.4 热辐射体建模190

8.4.1 发射率估计191

8.4.2 面积估计192

8.4.3 温度估计193

8.5 测量数据分析195

8.6 案例研究：高温火焰测量196

8.7 案例研究：低发射率表面测量197

8.8 案例研究：云建模198

8.8.1 测量198

8.8.2 模型199

8.8.3 对云特征的相对贡献200

8.9 案例研究：对比度反转／温度交叉200

8.10 案例研究：热透明的涂料201

8.11 案例研究：太阳闪烁201

参考文献202

习题203

第9章 光电系统分析207

9.1 案例研究：火焰传感器207

9.2 案例研究：物体在一幅图像中的表观209

9.3 案例研究：太阳能电池分析211

9.3.1 观察211

9.3.2 分析212

9.4 案例研究：激光测距机距离方程215

9.4.1 噪声等效辐射通量密度215

9.4.2 信号辐射通量密度216

9.4.3 朗伯目标反射217

9.4.4 天空背景中的朗伯目标217

9.4.5 地形背景中的朗伯体218

9.4.6 探测距离218

9.4.7 计算实例219

9.4.8 镜面反射表面220

9.5 案例研究：热成像传感器模型221

9.5.1 电子参数221

9.5.2 采用D*表示的噪声222

9.5.3 入瞳孔径中的噪声222

9.5.4 物平面中的噪声223

9.5.5 实例计算224

9.6 案例研究：大气和热像仪灵敏度225

9.7 案例研究：红外传感器辐射度学227

9.7.1 在探测器上的辐射通量227

9.7.2 聚焦光学系统228

9.7.3 离焦光学230

9.8 案例研究：本生灯火焰特性231

9.8.1 数据分析工作流232

9.8.2 仪表标定233

9.8.3 测量234

9.8.4 成像摄像机面辐射强度的结果235

9.8.5 成像摄像机火焰面积结果237

9.8.6 火焰动力学238

9.8.7 热电偶火焰温度结果238

参考文献238

习题240

第10章 黄金法则246

10.1 辐射度量计算的最佳做法246

10.2 从第一原理出发246

10.3 理解面辐射强度、面积和立体角246

10.4 构建数学模型247

10.5 采用基本的SI单位处理问题247

10.6 完成量纲分析248

10.7 绘图248

10.8 理解π的作用250

10.9 简化空间积分250

10.10 采用图形绘出中间结果251

10.11 采用适当的代码编写251

10.12 验核和校核251

10.13 一次做对251

参考文献252

附录A 参考信息253

参考文献258

附录B 红外场景仿真260

B.1 概述260

B.2 仿真作为知识管理工具260

B.3 仿真验核框架260

B.4 光学特征渲染261

B.4.1 图像渲染263

B.4.2 渲染方程265

B.5 超采样和混淆效应267

B.6 太阳反射、天空背景和颜色比268

参考文献270

附录C 多维光线追迹272

附录D 数值求解方法274

D.1 引言274

D.2 需求274

D.3 作为计算器的Matlab？和PythonTM275

D.3.1 Matlab？276

D.3.2 Numpy和Scipy276

D.3.3 Matlab？和PythonTM用于辐射度学计算276

D.3.4 pyradi工具箱276

D.4 Helper函数277

D.4.1 普朗克辐射出射度函数277

D.4.2 光谱滤光片函数278

D.4.3 光谱探测器函数280

D.5 完整的实例281

D.5.1 在Matlab？中实现的火焰传感器281

D.5.2 采用PythonTM语言编写的火焰探测器程序284

D.5.3 在PythonTM中一幅图像中物体的表观287

D.5.4 PythonTM中颜色坐标系计算292

D.5.5 在Matlab？中计算火焰面积296

D.5.6 在PythonTM中求解距离方程297

D.5.7 脉冲检测和虚警率计算298

D.5.8 采用Matlab？进行平板的空间积分298

参考文献301

附录E 习题选解302

E.1 立体角定义302

E.2 立体角近似302

E.3 立体角应用（问题2.4 ）308

E.4 通量传输应用308

E.5 简单的探测器系统（问题6.2 ）309

E.6 观察云的InSb探测器（问题8.2 ）310

E.7 传感器优化（问题9.1 ）316

附录F 补充阅读和归属权326

F.1 补充阅读326

F.2 归属权326

参考文献327