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前言

紅外技術在國民經(jīng)濟、國防和科學研究中得到了廣泛的應用，是現(xiàn)代光電子技術的重要組成部分，尤其是紅外成像的不斷發(fā)展和完善，使紅外技術的應用得到了空前普及。因此，許多高等學校在相關專業(yè)和學科的本科生、碩士生培養(yǎng)中開設了紅外物理與技術方面的課程，以適應國民經(jīng)濟建設對紅外技術人才的需求。

紅外物理以電磁波譜中的紅外輻射為特定對象，研究紅外輻射的產(chǎn)生、傳輸及探測過程的現(xiàn)象、機理、特征和規(guī)律等。紅外技術以紅外物理為基礎，研究目標的紅外輻射特點、探測與成像、信息處理及應用方法等；紅外物理為紅外技術的應用、發(fā)展提供了理論基礎和實驗數(shù)據(jù)；而隨著紅外技術的不斷推廣和應用，出現(xiàn)了許多新的物理問題和現(xiàn)象，從而推動紅外物理的研究進一步深入。二者是緊密聯(lián)系，相互促進的。為了讓理科學生在掌握扎實的紅外物理基本知識的同時，得到紅外技術方面應用性能力的培養(yǎng)，讓工科學生在學好紅外技術應用知識的同時，進一步夯實紅外物理的理論基礎，滿足理工融合型課程教學改革的需要，本書將紅外物理、紅外技術兩大塊內(nèi)容有機整合起來，并加入該領域一些新的理論研究和技術發(fā)展成果，以利于人才全面素質(zhì)的培養(yǎng)和提高。

本書第1版系工業(yè)和信息化部“十二五”規(guī)劃教材，曾獲得第五屆兵工高校優(yōu)秀教材一等獎，被國內(nèi)許多高校的同行選為教材，在此表示衷心感謝。隨著紅外技術的快速發(fā)展和高等學校教學形勢的變化，本書第1版的內(nèi)容需要更新、調(diào)整，論述方式需要根據(jù)教與學的特點進行斟酌修改，而且原來書中也存在一些錯誤，因此在幾位專家的建議下，我們編寫了本書第2版。

本書共11章，按照從理論到技術的順序，具體內(nèi)容安排是：第1章介紹紅外輻射的基本概念、紅外物理與紅外技術、紅外技術的應用；第2章介紹輻射度量基礎；第3章介紹熱輻射的基本規(guī)律；第4章介紹紅外輻射源；第5章介紹紅外輻射的測量；第6章介紹紅外輻射的大氣傳輸；第7章介紹紅外熱成像技術；第8章介紹紅外偏振成像的原理與技術；第9章介紹紅外仿真技術；第10章介紹紅外圖像處理技術；第11章介紹紅外圖像融合技術。

為了方便針對不同專業(yè)的學生進行教學，使用本書時可按照不同的專業(yè)來組織教學內(nèi)容。例如，物理類專業(yè)可選擇第1章，第2.2～2.5節(jié)，第4.1～4.3節(jié)，第5、6章，第7.1節(jié)，第8.1～8.2節(jié)，第9.1節(jié)，第10.1節(jié)；光學類專業(yè)可選擇第1、3、4章，第5.1～5.4節(jié)，第6章，第7.3～7.4節(jié)，第8、10章，第11.1節(jié)；信息類專業(yè)可選擇第1、3章，第4.4～4.5節(jié)，第5.5節(jié)，第6、7章，第8.2～8.3節(jié)，第9、10、11章。也可以根據(jù)學時、專業(yè)特點、教學計劃進行取舍。未選擇的章節(jié)作為自學、選學內(nèi)容，如物理類專業(yè)可選學第7.2節(jié)，第10.2～10.3節(jié)；光學類專業(yè)可選學第7.1～7.2節(jié)，第9.1節(jié)；信息類專業(yè)可選學第2.1～2.4節(jié)，第4.1～4.3節(jié)，第5.1～5.3節(jié)。建議課堂講授40～60學時。

本書提供配套的電子課件和習題參考答案，請登錄華信教育資源網(wǎng)（http://www. hxedu.com.cn）注冊后免費下載，也可聯(lián)系本書責任編輯（wangxq@phei.com.cn）索取。

本書可作為高等學校物理學、應用物理學、光電信息科學與工程、安全科學與技術、公安技術等專業(yè)的高年級本科生或光學工程、儀器科學與技術、兵器科學與技術、生物工程、信息與通信工程、測繪科學與技術等學科碩士生的教材，也可供從事紅外與夜視方面的工程技術和科學研究人員參考、使用。

本書由楊風暴教授擔任主編，由吉琳娜和王肖霞擔任副主編。其中，第6、7、11章由吉琳娜編寫，第4、5、9章由王肖霞編寫，第1、3章由楊風暴編寫，第2章由李志堅博士編寫，第8章由張雷博士編寫，第10章由王志社副教授編寫。

需要特別指出的是，在本書編寫過程中得到了浙江大立科技股份有限公司的支持，開展了產(chǎn)學結(jié)合的有益合作，在此對其表示深深的謝意。北京未爾銳創(chuàng)科技有限公司提供了紅外仿真方面的技術資料，在此表示感謝。

在編寫過程中，作者除參閱各章之后所列的參考文獻外，還在網(wǎng)絡上查閱了大量的資料，在此對相關作者表示感謝。

由于編者水平有限，書中難免存在錯誤和不妥之處，歡迎大家批評指正。

編者

目錄
第1章緒論 1
引言 1
1．1 紅外輻射的基本概念 1
1．1．1 電磁輻射 1
1．1．2 紅外輻射 3
1．1．3 紅外輻射的特點 4
1．2 紅外物理與紅外技術 5
1．3 紅外技術的應用 6
1．3．1 紅外技術的發(fā)展 6
1．3．2 紅外技術在軍事領域的應用 7
1．3．3 紅外技術在國民經(jīng)濟領域的
應用 9
小結(jié) 13
習題 13
參考文獻 13
第2章輻射度量基礎 15
引言 15
2．1 輻射量 15
2．1．1 基本輻射量 15
2．1．2 光譜輻射量 19
2．1．3 光子輻射量 21
2．2 光度量 22
2．2．1 光視效能與光視效率 22
2．2．2 基本光度量 25
2．3 朗伯輻射體 28
2．3．1 朗伯余弦定律 29
2．3．2 朗伯輻射體的特征 29
2．4 朗伯輻射度量中的基本規(guī)律 30
2．4．1 距離平方反比定律 30
2．4．2 互易定理 31
2．4．3 立體角投影定理 32
2．4．4 森普納（Sumpner）定理 32
2．4．5 角系數(shù)互換性關系 33
2．4．6 塔爾伯特定律 35
2．5 朗伯體的輻射量計算 36
小結(jié) 43
習題 43
參考文獻 45
第3章熱輻射的基本規(guī)律 46
引言 46
3．1 物體發(fā)光類型 46
3．2 基爾霍夫定律 47
3．3 普朗克輻射定律 49
3．4 維恩位移定律 56
3．5 斯蒂芬-玻爾茲曼定律 58
3．6 黑體輻射的計算 59
3．7 輻射效率和輻射對比度 64
3．8 發(fā)射率 67
3．8．1 發(fā)射率的定義 67
3．8．2 物體發(fā)射率的變化規(guī)律 69
3．8．3 熱輻射體的分類 70
小結(jié) 71
習題 71
參考文獻 73
第4章紅外輻射源 74
引言 74
4．1 腔體輻射理論 74
4．1．1 哥福（Gouffé）理論 74
4．1．2 德法斯（Devos）理論 80
4．2 黑體型輻射源 87
4．3 實用紅外輻射源 90
4．3．1 電熱固體輻射源 90
4．3．2 氣體放電輻射源 93
4．4 紅外激光器 96
4．4．1 激光的特性 96
4．4．2 常用的紅外激光器 97
4．5 自然景物光輻射 98
4．5．1 太陽光輻射 98
4．5．2 月亮光輻射 101
4．5．3 天空背景光輻射 101
4．5．4 地物光輻射 103
4．5．5 海洋光輻射 106
4．6 人工目標的紅外輻射 108
4．6．1 火箭的紅外輻射 108
4．6．2 飛機的紅外輻射 109
4．6．3 坦克的紅外輻射 113
4．6．4 火炮的紅外輻射 115
4．6．5 紅外誘餌的輻射 116
4．6．6 人體的紅外輻射 116
小結(jié) 117
習題 117
參考文獻 118
第5章紅外輻射的測量 119
引言 119
5．1 常用的紅外輻射測量儀器 119
5．1．1 單色儀 119
5．1．2 紅外光譜輻射計 121
5．1．3 紅外分光光度計 123
5．1．4 傅里葉變換紅外光譜儀 125
5．1．5 多通道光譜儀 127
5．2 基本輻射量的測量 128
5．2．1 輻射亮度的測量 128
5．2．2 輻射強度的測量 129
5．2．3 總輻射通量的測量 129
5．3 紅外發(fā)射率的測量 131
5．3．1 半球全發(fā)射率的測量 132
5．3．2 法向光譜發(fā)射率的測量 134
5．4 紅外反射比的測量 137
5．4．1 反射比 138
5．4．2 積分球反射計 140
5．5 紅外吸收比和透射比的測量 144
5．6 紅外輻射測溫 145
小結(jié) 148
習題 148
參考文獻 149
第6章紅外輻射的大氣傳輸 150
引言 150
6．1 大氣的基本組成 150
6．1．1 大氣層的構(gòu)成 150
6．1．2 大氣的組成 151
6．1．3 大氣模式 154
6．2 輻射在大氣中傳輸?shù)墓鈱W現(xiàn)象 155
6．2．1 大氣的折射 155
6．2．2 大氣消光及大氣窗口 157
6．2．3 大氣的其他光學現(xiàn)象 159
6．3 大氣吸收與散射的計算 159
6．3．1 大氣的吸收 159
6．3．2 大氣的散射 165
6．3．3 大氣透過率 172
6．4 大氣消光對成像系統(tǒng)性能的影響 174
6．5 紅外大氣傳輸模型 175
6．5．1 霧天氣條件下的紅外輻射能 175
6．5．2 紅外輻射大氣衰減模型 176
6．5．3 路徑輻射模型 178
6．6 大氣傳輸計算軟件MODTRAN 179
6．6．1 MODTRAN的組成 180
6．6．2 MODTRAN的運行模式 182
小結(jié) 184
習題 184
參考文獻 185
第7章紅外熱成像技術 186
引言 186
7．1 紅外熱成像系統(tǒng) 186
7．1．1 紅外熱成像原理及結(jié)構(gòu) 186
7．1．2 紅外熱成像系統(tǒng)的類型 188
7．1．3 紅外熱成像系統(tǒng)的基本參數(shù) 189
7．2 光學系統(tǒng)與掃描器 191
7．2．1 光學系統(tǒng) 191
7．2．2 掃描器 193
7．3 紅外探測器 194
7．3．1 紅外探測器的類型 194
7．3．2 紅外探測器的發(fā)展 195
7．3．3 紅外探測器的品質(zhì)因數(shù) 197
7．3．4 紅外光子探測器 200
7．3．5 紅外熱探測器 201
7．4 紅外熱成像后處理技術 203
7．4．1 增益/電平歸一化 203
7．4．2 伽馬校正 204
7．5 紅外熱成像系統(tǒng)的性能指標及測量 205
7．5．1 噪聲等效溫差 205
7．5．2 調(diào)制傳遞函數(shù) 207
7．5．3 最小可分辨溫差 210
7．5．4 最小可探測溫差 212
小結(jié) 212
習題 213
參考文獻 213
第8章紅外偏振成像的原理與技術 215
引言 215
8．1 光的偏振 215
8．2 紅外偏振成像的原理 217
8．2．1 偏振光的產(chǎn)生 217
8．2．2 偏振光的描述 221
8．2．3 紅外偏振成像方式 224
8．3 目標與背景的偏振特性 228
8．3．1 自然目標的偏振特性 228
8．3．2 人工目標的偏振特性 231
8．3．3 背景的偏振特性 232
8．4 紅外偏振成像與光強成像的對比 233
8．4．1 大氣傳輸差異特性分析 233
8．4．2 成像響應差異特性分析 235
小結(jié) 237
習題 237
參考文獻 238
第9章紅外仿真技術 240
引言 240
9．1 仿真技術的基本概念 240
9．1．1 仿真及其分類 240
9．1．2 仿真技術的作用和實現(xiàn)過程 242
9．2 紅外仿真的基本方法 243
9．2．1 數(shù)學仿真 244
9．2．2 半實物仿真 245
9．3 紅外地表仿真 246
9．3．1 地表紅外輻射建模 246
9．3．2 地表紅外場景可視化 248
9．3．3 實驗結(jié)果及分析 251
9．4 基于JRM軟件系統(tǒng)的紅外場景仿真 253
9．4．1 JRM軟件介紹 253
9．4．2 仿真案例 260
小結(jié) 262
習題 262
參考文獻 263
第10章紅外圖像處理技術 264
引言 264
10．1 紅外圖像的特點 264
10．2 紅外圖像的非均勻性校正 264
10．2．1 紅外圖像的非均勻性產(chǎn)生機理 264
10．2．2 紅外圖像的非均勻性校正算法 266
10．3 盲元檢測與補償 272
10．3．1 盲元檢測 272
10．3．2 盲元補償 273
10．4 紅外圖像的增強 273
10．4．1 紅外圖像直方圖 273
10．4．2 直方圖均衡化 275
10．4．3 自適應分段線性變換 276
10．4．4 離散小波變換紅外圖像增強方法 277
10．4．5 Retinex紅外圖像增強方法 278
10．4．6 圖像增強實驗 279
10．5 紅外圖像的降噪 281
10．5．1 紅外圖像的常見噪聲模型 281
10．5．2 紅外圖像降噪的基本方法 283
10．5．3 基于閾上隨機共振的紅外圖像降噪方法 287
小結(jié) 289
習題 289
參考文獻 290
第11章紅外圖像融合技術 292
引言 292
11．1 圖像融合的基本概念 292
11．1．1 圖像融合的概念與層次 292
11．1．2 圖像融合效果的評價 295
11．1．3 常用圖像融合方法分析 300
11．1．4 圖像融合的應用 302
11．2 可見光圖像與紅外圖像的融合 303
11．3 紅外多波段圖像的融合 305
11．3．1 紅外多波段圖像的融合 305
11．3．2 紅外中波細分波段圖像的融合 312
11．3．3 紅外短波、長波圖像的融合 319
11．3．4 紅外多波段偽彩色融合 321
11．4 紅外偏振圖像與紅外光強圖像的融合 324
小結(jié) 329
習題 329
參考文獻 330

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