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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）OPO111

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