Infrared Technology

1 红外辐射理论1

10 引言1

11 函数、定义与单位1

1. 1. 1 辐射度学1

12 各种函数、定义与单位2

121 通用的普朗克函数6

13 光照度、光出射度与光亮度6

14 透明度、不透明度与光学密度参数7

141 一种参数到另一种参数的转换8

15 辐射几何学8

151 朗伯表面的通量密度与辐射分布8

152 具有余弦辐射分布函数的辐射表面9

153 朗伯体圆面的辐照度9

154 光学温度与辐射温度9

16 各种材料的发射率与温度、波长的关系10

17 亮度温度11

18 分布温度12

19 色温12

110 归一化色度坐标与黑体温度的关系13

111 各种红外量的计算13

. 1111 遵从斯特芬-玻尔兹曼定律的辐射出射度13

1112 相对辐射出射度14

1113 光谱辐射出射度14

1114 单位时间单位面积单位立体角每微米的光子数15

1115 相对光子通量密度18

1116 单位k-间隔单位体积的光子数18

1117 各种温度下特定光谱带的辐射占总辐射的百分比19

1118 光谱带亮度对比度19

112 小结20

参考文献24

2 红外信号在大气中的传输特性25

21 引言25

22 用于参数计算的大气模型26

221 散射与吸收在大气衰减中的联合效应36

222 源于气溶胶分布的散射与吸收系数36

223 分子分布造成的散射与吸收效应37

224 兼有气溶胶与分子分布下的总衰减38

225 各种大气性质对机载与空间红外传感器的影响39

23 大气传输特性对高功率激光系统的影响40

231 氟化氘（df）激光的传输特性41

232 氟化氢（hf）激光的传输特性46

24 各大气成分的吸收与散射效应47

241 二氧化碳（co2) 47

242 氧化氮（n2o) 47

243 一氧化碳（co) 48

244 甲烷（ch4) 48

245 硝酸(hno3)48

246 水蒸气(h2o)48

247 臭氧（o3) 48

25 在中高度与高高度工作下的主要大气参数49

251 中高度下的大气参数49

252 高高度下的大气参数49

26 气溶胶的性质与分类50

261 大气的气溶胶模型51

262 最适用于各种高度范围的气溶胶模型52

27 用于计算大气光学性质的模型53

271 散射现象53

272 大气分子散射53

28 归一化粒子分布的气溶胶模型54

29 均匀混合的大气气体的浓度55

210 单线吸收55

2101 大气吸收的带模型55

2102 强线近似57

211 计算光谱透射率的实用方法58

2111 仰角下的全程大气透射率61

2112 水平程透射率61

2113 对比度传递函数63

212 武器投射的水平能见度64

2121 参数σ璿的修正因子与高度的关系65

213 各种程长的大气透射率66

214 大气散射与吸收对红外传感器性能的影响69

2141 背向散射对红外传感器影响的预测70

2142 目标背景对比度71

215 小结74

参考文献74

3 各种红外源76

30 引言76

31 红外源的分类77

311 实验室红外源77

312 针对特定参数标定或测量应用的红外源说明77

32 商业标准红外源79

33 炽热的非气体黑体源80

331 楞斯特发光体80

332 碳硅棒灯80

333 气体罩81

334 钨丝灯81

335 碳弧灯81

336 高压放电灯82

337 小型弧光灯源85

338 低压放电灯源85

339 无电极放电灯85

3310 光谱弧光灯源86

3311 钨弧光放电灯86

3312 氢和氘弧光源86

3313 发光二极管 (led) 86

34 人造或人工源88

341 飞机红外特征的估算或预测89

342 大炮口闪光的红外辐射91

35 各种红外激光源92

351 半导体二极管激光器92

352 使用二极管条或阵列泵浦的固体（dpss）激光器93

353 高功率不含铝二极管（afd）激光器95

354 光纤耦合激光器95

355 垂直腔表面发射激光器（vcsel) 98

356 量子级联激光器99

357 可调谐激光器100

358 固体电子振动可调谐（ssvt）激光器102

359 可调谐二极管激光器 (tdl) 102

3510 远红外区的自由电子激光器 (fel) 103

3511 气体激光器103

3512 化学激光器105

3513 近衍射限光学质量输出的超高功率激光器106

36 光参量振荡器108

361 用于opo的非线性光学晶体109

362 低脉冲能量（lpe) opo111

363 opo的主要性能参数111

37 光放大器113

371 edfa器件的噪声图114

372 edfa的增益和功率输出114

373 edfa对光纤的要求114

38 小结115

参考文献116

4 探测器和焦平面阵列117

40 引言117

41 探测器类型117

411 时间范畴和频率范畴探测器119

42 低功率、高功率和高速探测器119

421 低功率探测器119

422 高功率探测器119

423 高能探测器120

424 高速探测器121

43 半导体光电池探测器123

431 太阳聚能器设计124

44 金属-半导体-金属（msm）光子探测器124

45 量子探测器125

451 雪崩光子计数探测器126

452 光电倍增管（pmt）探测器126

453 像增强器128

46 光探测器和准光探测器130

461 超导热电子测辐射热计（heb) 130

47 谐振腔增强（rce）探测器130

471 rce探测器的关键设计问题和参数134

472 速度匹配的分布光电（vmdp）探测器的性能参数136

48 焦平面阵列（fpa）探测器136

481 引言136

482 非制冷焦平面阵列（fpa) 138

483 双波段成像系统139

484 潜在的探测器材料和信号处理要求139

49 fpa读出器件和要求141

491 ccd探测器读出器件142

492 cmos探测器读出器件142

410 读出集成电路（roic）工艺143

411 空间应用的fpa设计要求144

412 小结145

参考文献147

5 红外无源器件和电光元件148

50 引言148

51 光纤、光学材料及其性质148

511 光纤中的插入损耗149

512 光纤中的模色散和材料色散152

52 与折射率有关的光纤参数152

521 临界角152

522 数值孔径152

523 总模数153

524 材料色散153

53 光纤的结构与组成153

531 最佳的光纤耦合形状154

532 侧面抛光的光纤（spof) 155

533 高功率纤维光学光缆（hpfo) 156

54 红外窗与整流罩的工艺和材料156

55 光学晶体158

551 无机非线性光学晶体（noc) 161

552 二次谐波发生器（shg）的效率161

56 小型的光学透镜或微透镜163

57 光学谐振腔与支撑结构163

571 支撑结构和光学谐振腔的材料要求163

572 谐振腔的性能要求164

58 激光指示器164

59 用液晶显示器（lcd）和发光二极管（led）技术的光学显示器164

510 用光学技术设计模拟-数字转换器165

511 激光高度计166

512 光限幅器167

513 光隔离器和环行器167

5131 隔离器的价格与性能168

5132 光学环行器168

514 光纤耦合器和复用器169

5141 耦合器169

5142 波分复用器 (wdm) 170

515 光纤环形激光陀螺170

516 光纤通信链路171

517 光开关171

5171 光开关的其他开关技术172

518 用光电技术的绘图仪、扫描器和打印机172

5181 激光绘图仪172

5182 光学扫描器172

5183 激光打印机173

519 红外温度计174

520 光纤延迟线175

5201 光纤的重要性能参数175

521 用光学技术的数码相机176

5211 像元尺寸和面积的影响177

522 高速红外相机177

5221 红外相机设计要求178

523 滤光器178

5231 带通滤光器179

5232 低通滤光器和高通滤光器179

5233 加-减滤光器179

5234 红外吸收滤光器180

5235 介质热排除滤光器180

5236 介质热反射滤光器180

5237 可调谐滤光器180

524 小结182

参考文献182

6 红外有源器件和元件184

60 引言184

61 电光调制器184

611 以工作原理和器件结构为基础设计调制器184

612 行波调制器186

613 半导体行波调制器188

614 屏蔽式速度匹配电光调制器188

615 采用棒状体电光调制器原理188

616 声光调制器190

617 磁光调制器190

618 半导体波导调制器190

619 磁致伸缩光调制器191

6110 调制器用的电光材料特性191

62 光学接收机192

621 采用直接探测技术的光学接收机193

622 采用声光技术的信道光学接收机195

623 使用集成电光技术的监视接收机197

624 光谱分析仪199

63 半导体光发射器200

631 光电子振荡器200

64 光学相关器201

65 采用电光和光子技术的模数转换器202

651 采用光子时间展宽技术的模数转换器设置202

652 采用电光技术的模数转换器设计204

66 光学相控阵天线205

661 相干光学相控阵天线技术205

67 光学转换器208

68 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

71 引言211

72 在工商业装置与系统中的应用211

721 高清晰度电视211

722 便携式微型激光投影仪214

73 全色虚拟（fcv）显示器216

74 数字通用光盘216

741 数字通用光盘对激光二极管的要求217

742 蓝光激光二极管在dvd中的应用217

75 商业激光印刷机218

751 用计算机制版技术（ctp）的激光印刷机218

752 激光印刷机的功率要求219

753 商业激光印刷机的性能要求219

754 商业印刷机的多光束曝光技术220

755 商业印刷机的单片线性阵列 (mla) 220

76 使用电光技术的高压传感器221

77 烟火探测的红外传感器221

78 相控阵天线的光学控制222

781 发射和接收组件的同步性223

782 信号编码技术223

783 直接光学控制技术225

784 使用光学技术的多波束成形能力227

79 毒品和炸药探测的光电子装置228

791 简介228

792 傅里叶变换红外光谱技术229

793 傅里叶变换拉曼光谱技术229

794 低成本毒品探测装置229

795 打击犯罪的激光dna技术230

796 激光指纹印系统231

710 探测晴空大气湍流（cat）的激光传感器231

711 防恐怖分子威胁的光子传感器232

7111 防生物威胁的光子传感器232

7112 防化学威胁的低成本光子装置233

712 工业用红外传感器234

7121 监控半导体生产过程的红外传感器234

7122 环境控制用的红外传感器234

7123 监控涡轮发动机性能的傅里叶变换红外光谱仪235

7124 生产过程实时监控的拉曼光谱仪235

713 红外机器视觉系统的红外相机236

7131 红外机器视觉系统最佳结果的性能要求237

714 激光焊接工艺238

715 激光技术在稻谷生长方面的应用238

716 集成电路生产率跟踪的激光器239

717 激光机器人引导239

7171 汽车工业用的激光机器人引导系统240

7172 飞机工业用的机器人引导系统240

718 高速光纤（hsfo）链路241

7181 光纤链路的关键性能参数241

7182 链路性能与激光波长的关系241

7183 卫星光通信不同部件的关键性能参数242

719 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

81 引言246

82 医疗应用中的红外与光子传感器246

821 用于生物技术图像分析的红外传感器247

822 光动力疗法247

823 医疗用的超光谱成像光谱系统249

824 癫痫病治疗的近红外光谱方法251

825 用于心脏病治疗的激光血管成形术 (tmr) 252

826 用于牙病治疗的激光光谱仪252

827 用于各种疾病诊断与治疗的拉曼光谱技术254

828 用于美容手术的激光器255

829 医疗用的光学层析摄影术255

8210 测绘烧伤组织用的激光器256

8211 激光内窥镜检查技术257

8212 用于dna分析的激光传感器257

8213 用于视力矫正的激光技术258

8214 激光镊子259

83 光通信系统261

831 卫星对卫星和卫星对地通信系统261

84 天基激光雷达系统262

841 用于激光雷达系统的固体激光发射机技术262

85 探测大气污染的激光传感器262

851 lbrs系统的分类263

86 用于空间飞船对接的激光传感器265

87 卫星间的激光通信系统266

871 激光通信系统的主要单元266

872 卫星间通信链路的要求266

873 对光发射机与光接收机的要求267

874 卫星间通信对捕获与跟踪的要求267

875 空间通信系统对元件性能的要求268

88 使用波分复用（wdm）和密集波分复用（dwdm）技术的光纤链路268

881 长距离高数据率对光纤的要求270

882 对光放大器的增益曲线要求271

89 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

90 引言276

91 三维监视用的光学技术276

911 供选择的三维监视技术276

912 stil系统的性能277

92 红外搜索跟踪传感器的性能278

921 关键元件及其性能参数279

922 焦平面阵列探测器的关键性能要求279

923 焦平面阵列用的探测器类型和材料280

924 irst探测距离计算280

925 红外背景杂波对irst性能的影响281

926 光谱鉴别技术与热鉴别技术281

927 irst传感器的关键性能参数282

928 最佳性能对虚警率与电压信噪比 (snr）的要求282

93 前视红外（flir）传感器284

931 关键性能参数与能力286

94 红外行扫仪传感器287

941 irls的性能与关键参数287

95 空间用的激光扫描测距机288

951 捕获与跟踪对激光系统性能的要求288

96 空间用的半导体激光雷达289

961 光子限扩展目标时测距能力290

97 人眼安全的激光测距（lrf）传感器292

971 人眼安全激光测距机的系统要求293

98 用于精确武器投放的激光测距系统295

99 激光寻的器296

991 激光制导炸弹298

992 激光指示器或照明器298

910 红外制导导弹299

911 用高能激光对抗红外导弹威胁299

9111 反卫星激光系统300

9112 天基激光监视(sbls)系统301

9113 用于导弹防御系统的高功率高能co2激光源304

9114 用于导弹监视系统的探测和跟踪要求304

912 用于防御马赫速度导弹的激光系统305

913 光子技术在战场上的应用305

914 空间用的红外望远镜306

9141 红外望远镜的关键性能要求306

9142 空间实验室望远镜的性能要求307

915 陆基监视和导弹告警系统307

9151 监视与导弹告警系统的性能要求309

916 小结311

参考文献312

10 红外特征分析与对抗技术313

100 引言313

101 红外辐射源及其红外特征值314

102 各种喷气发动机红外辐射强度的计算316

1021 飞机或导弹的蒙皮温度与速度的函数关系317

1022 飞机的机动飞行对红外特征的影响320

1023 发射率对红外特征的影响321

103 预计红外特征值的计算机程序322

1031 飞机红外辐射的评估方法323

104 采用scorpio-n软件程序确定总的辐射量与锁定距离324

105 短程、中程与洲际弹道导弹预计的辐射强度325

1051 短程弹道导弹（srbm）的红外辐射326

1052 中程弹道导弹(mrbm)和洲际弹道导弹（icbm）的射程和

推力要求328

106 红外对抗技术331

1061 包含红外干扰弹和诱饵的无源红外对抗技术332

1062 降低红外特征技术333

1063 主动红外对抗技术333

107 光电威胁告警系统335

108 激光定向红外对抗系统336

1081 导弹告警接收机337

109 红外反对抗(irccm)技术339

1091 导弹寻的器设计方面提供的irccm能力339

1092 潜在的irccm技术340

1010 天基红外监视传感器342

1011 天基反卫星系统342

1012 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

110 引言346

111 水下探雷用的激光扫描器346

112 与人类学（pba）有关的光子传感器347

113 食品监测的光子传感器348

1131 啤酒和饮料业的光子传感器349

1132 食油分析的红外传感器349

1133 食品加工用的红外传感器349

114 下水道检测的发光二极管光源351

115 半导体工艺控制的光子传感器351

116 光子加密系统354

117 昆虫计数的红外传感器354

118 激光空中传送（lbad）系统355

119 激光转接器355

1191 光学阵列的类型356

1192 光学转接器的重要设计问题358

1110 核反应堆修补的激光系统359

11101 激光系统修补核反应堆的能力360

1111 战场监视的光子传感器361

11111 靶机或无人机对传感器的性能要求362

11112 电视成像传感器的性能363

11113 前视红外传感器的性能363

11114 激光测距机和指示器的性能363

11115 红外行扫仪传感器的性能364

1112 激光微加工技术365

1113 红外和光子传感器需要的辅助装置366

11131 光源366

11132 电源367

1114 控制电路368

11141 制冷剂流量调节的模拟控制器368

1115 红外传感器的低温制冷器和微型制冷器369

11151 制冷器与微型制冷器的关键参数370

11152 制冷器的维修要求370

11153 各种应用对制冷器的性能要求371

11154 微型制冷器的性能371

11155 激光器冷却装置373

11156 新一代的制冷器374

1116 未来光通信系统与红外传感器的波长锁定技术375

1117 光学软件程序与光机建模377

1118 小结378

参考文献378