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本书是作者根据多年的教学经验和科研实践，按照新形势下教材改革的精神，结合红外物理与技术发展现状编写而成的。本书融入理工融合的思想，内容充实、重点突出、通俗易懂、便于教学。本书共11章，主要内容包括绪论、辐射度量基础、热辐射的基本规律、红外辐射源、红外辐射的测量、红外辐射的大气传输、红外热成像技术、红外偏振成像的原理与技术、红外仿真技术、红外图像处理技术、红外图像融合技术。本书提供配套的电子课件和习题参考答案。本书可作为高等学校物理学、应用物理学、光电信息科学与工程、安全科学与技术、公安技术等专业的高年级本科生或光学工程、仪器科学与技术、兵器科学与技术、生物工程、信息与通信工程、测绘科学与技术等学科硕士生的教材，也可供从事红外与夜视方面的工程技术和科学研究人员参考、使用。

目    录
 
第1章  绪论	1
引言	1
1.1  红外辐射的基本概念	1
1.1.1  电磁辐射	1
1.1.2  红外辐射	3
1.1.3  红外辐射的特点	4
1.2  红外物理与红外技术	5
1.3  红外技术的应用	6
1.3.1  红外技术的发展	6
1.3.2  红外技术在军事领域的应用	7
1.3.3  红外技术在国民经济领域的
应用	9
小结	13
习题	13
参考文献	13
第2章  辐射度量基础	15
引言	15
2.1  辐射量	15
2.1.1  基本辐射量	15
2.1.2  光谱辐射量	19
2.1.3  光子辐射量	21
2.2  光度量	22
2.2.1  光视效能与光视效率	22
2.2.2  基本光度量	25
2.3  朗伯辐射体	28
2.3.1  朗伯余弦定律	29
2.3.2  朗伯辐射体的特征	29
2.4  朗伯辐射度量中的基本规律	30
2.4.1  距离平方反比定律	30
2.4.2  互易定理	31
2.4.3  立体角投影定理	32
2.4.4  森普纳（Sumpner）定理	32
2.4.5  角系数互换性关系	33
2.4.6  塔尔伯特定律	35
2.5  朗伯体的辐射量计算	36
小结	43
习题	43
参考文献	45
第3章  热辐射的基本规律	46
引言	46
3.1  物体发光类型	46
3.2  基尔霍夫定律	47
3.3  普朗克辐射定律	49
3.4  维恩位移定律	56
3.5  斯蒂芬-玻尔兹曼定律	58
3.6  黑体辐射的计算	59
3.7  辐射效率和辐射对比度	64
3.8  发射率	67
3.8.1  发射率的定义	67
3.8.2  物体发射率的变化规律	69
3.8.3  热辐射体的分类	70
小结	71
习题	71
参考文献	73
第4章  红外辐射源	74
引言	74
4.1  腔体辐射理论	74
4.1.1  哥福（Gouffé）理论	74
4.1.2  德法斯（Devos）理论	80
4.2  黑体型辐射源	87
4.3  实用红外辐射源	90
4.3.1  电热固体辐射源	90
4.3.2  气体放电辐射源	93
4.4  红外激光器	96
4.4.1  激光的特性	96
4.4.2  常用的红外激光器	97
4.5  自然景物光辐射	98
4.5.1  太阳光辐射	98
4.5.2  月亮光辐射	101
4.5.3  天空背景光辐射	101
4.5.4  地物光辐射	103
4.5.5  海洋光辐射	106
4.6  人工目标的红外辐射	108
4.6.1  火箭的红外辐射	108
4.6.2  飞机的红外辐射	109
4.6.3  坦克的红外辐射	113
4.6.4  火炮的红外辐射	115
4.6.5  红外诱饵的辐射	116
4.6.6  人体的红外辐射	116
小结	117
习题	117
参考文献	118
第5章  红外辐射的测量	119
引言	119
5.1  常用的红外辐射测量仪器	119
5.1.1  单色仪	119
5.1.2  红外光谱辐射计	121
5.1.3  红外分光光度计	123
5.1.4  傅里叶变换红外光谱仪	125
5.1.5  多通道光谱仪	127
5.2  基本辐射量的测量	128
5.2.1  辐射亮度的测量	128
5.2.2  辐射强度的测量	129
5.2.3  总辐射通量的测量	129
5.3  红外发射率的测量	131
5.3.1  半球全发射率的测量	132
5.3.2  法向光谱发射率的测量	134
5.4  红外反射比的测量	137
5.4.1  反射比	138
5.4.2  积分球反射计	140
5.5  红外吸收比和透射比的测量	144
5.6  红外辐射测温	145
小结	148
习题	148
参考文献	149
第6章  红外辐射的大气传输	150
引言	150
6.1  大气的基本组成	150
6.1.1  大气层的构成	150
6.1.2  大气的组成	151
6.1.3  大气模式	154
6.2  辐射在大气中传输的光学现象	155
6.2.1  大气的折射	155
6.2.2  大气消光及大气窗口	157
6.2.3  大气的其他光学现象	159
6.3  大气吸收与散射的计算	159
6.3.1  大气的吸收	159
6.3.2  大气的散射	165
6.3.3  大气透过率	172
6.4  大气消光对成像系统性能的影响	174
6.5  红外大气传输模型	175
6.5.1  雾天气条件下的红外辐射能	175
6.5.2  红外辐射大气衰减模型	176
6.5.3  路径辐射模型	178
6.6  大气传输计算软件MODTRAN	179
6.6.1  MODTRAN的组成	180
6.6.2  MODTRAN的运行模式	182
小结	184
习题	184
参考文献	185
第7章  红外热成像技术	186
引言	186
7.1  红外热成像系统	186
7.1.1  红外热成像原理及结构	186
7.1.2  红外热成像系统的类型	188
7.1.3  红外热成像系统的基本参数	189
7.2  光学系统与扫描器	191
7.2.1  光学系统	191
7.2.2  扫描器	193
7.3  红外探测器	194
7.3.1  红外探测器的类型	194
7.3.2  红外探测器的发展	195
7.3.3  红外探测器的品质因数	197
7.3.4  红外光子探测器	200
7.3.5  红外热探测器	201
7.4  红外热成像后处理技术	203
7.4.1  增益/电平归一化	203
7.4.2  伽马校正	204
7.5  红外热成像系统的性能 指标及测量	205
7.5.1  噪声等效温差	205
7.5.2  调制传递函数	207
7.5.3  最小可分辨温差	210
7.5.4  最小可探测温差	212
小结	212
习题	213
参考文献	213
第8章  红外偏振成像的原理与技术	215
引言	215
8.1  光的偏振	215
8.2  红外偏振成像的原理	217
8.2.1  偏振光的产生	217
8.2.2  偏振光的描述	221
8.2.3  红外偏振成像方式	224
8.3  目标与背景的偏振特性	228
8.3.1  自然目标的偏振特性	228
8.3.2  人工目标的偏振特性	231
8.3.3  背景的偏振特性	232
8.4  红外偏振成像与光强成像的对比	233
8.4.1  大气传输差异特性分析	233
8.4.2  成像响应差异特性分析	235
小结	237
习题	237
参考文献	238
第9章  红外仿真技术	240
引言	240
9.1  仿真技术的基本概念	240
9.1.1  仿真及其分类	240
9.1.2  仿真技术的作用和实现过程	242
9.2  红外仿真的基本方法	243
9.2.1  数学仿真	244
9.2.2  半实物仿真	245
9.3  红外地表仿真	246
9.3.1  地表红外辐射建模	246
9.3.2  地表红外场景可视化	248
9.3.3  实验结果及分析	251
9.4  基于JRM软件系统的红外场景仿真	253
9.4.1  JRM软件介绍	253
9.4.2  仿真案例	260
小结	262
习题	262
参考文献	263
第10章  红外图像处理技术	264
引言	264
10.1  红外图像的特点	264
10.2  红外图像的非均匀性校正	264
10.2.1  红外图像的非均匀性产生机理	264
10.2.2  红外图像的非均匀性校正算法	266
10.3  盲元检测与补偿	272
10.3.1  盲元检测	272
10.3.2  盲元补偿	273
10.4  红外图像的增强	273
10.4.1  红外图像直方图	273
10.4.2  直方图均衡化	275
10.4.3  自适应分段线性变换	276
10.4.4  离散小波变换红外图像增强方法	277
10.4.5  Retinex红外图像增强方法	278
10.4.6  图像增强实验	279
10.5  红外图像的降噪	281
10.5.1  红外图像的常见噪声模型	281
10.5.2  红外图像降噪的基本方法	283
10.5.3  基于阈上随机共振的红外图像降噪方法	287
小结	289
习题	289
参考文献	290
第11章  红外图像融合技术	292
引言	292
11.1  图像融合的基本概念	292
11.1.1  图像融合的概念与层次	292
11.1.2  图像融合效果的评价	295
11.1.3  常用图像融合方法分析	300
11.1.4  图像融合的应用	302 
11.2  可见光图像与红外图像的 融合	303
11.3  红外多波段图像的融合	305
11.3.1  红外多波段图像的融合	305
11.3.2  红外中波细分波段图像的融合	312
11.3.3  红外短波、长波图像的融合	319
11.3.4  红外多波段伪彩色融合	321
11.4  红外偏振图像与红外光强图像的融合	324
小结	329
习题	329
参考文献	330

前    言
红外技术在国民经济、国防和科学研究中得到了广泛的应用，是现代光电子技术的重要组成部分，尤其是红外成像的不断发展和完善，使红外技术的应用得到了空前普及。因此，许多高等学校在相关专业和学科的本科生、硕士生培养中开设了红外物理与技术方面的课程，以适应国民经济建设对红外技术人才的需求。
红外物理以电磁波谱中的红外辐射为特定对象，研究红外辐射的产生、传输及探测过程的现象、机理、特征和规律等。红外技术以红外物理为基础，研究目标的红外辐射特点、探测与成像、信息处理及应用方法等；红外物理为红外技术的应用、发展提供了理论基础和实验数据；而随着红外技术的不断推广和应用，出现了许多新的物理问题和现象，从而推动红外物理的研究进一步深入。二者是紧密联系，相互促进的。为了让理科学生在掌握扎实的红外物理基本知识的同时，得到红外技术方面应用性能力的培养，让工科学生在学好红外技术应用知识的同时，进一步夯实红外物理的理论基础，满足理工融合型课程教学改革的需要，本书将红外物理、红外技术两大块内容有机整合起来，并加入该领域一些新的理论研究和技术发展成果，以利于人才全面素质的培养和提高。
本书第1版系工业和信息化部“十二五”规划教材，曾获得第五届兵工高校优秀教材一等奖，被国内许多高校的同行选为教材，在此表示衷心感谢。随着红外技术的快速发展和高等学校教学形势的变化，本书第1版的内容需要更新、调整，论述方式需要根据教与学的特点进行斟酌修改，而且原来书中也存在一些错误，因此在几位专家的建议下，我们编写了本书第2版。
本书共11章，按照从理论到技术的顺序，具体内容安排是：第1章介绍红外辐射的基本概念、红外物理与红外技术、红外技术的应用；第2章介绍辐射度量基础；第3章介绍热辐射的基本规律；第4章介绍红外辐射源；第5章介绍红外辐射的测量；第6章介绍红外辐射的大气传输；第7章介绍红外热成像技术；第8章介绍红外偏振成像的原理与技术；第9章介绍红外仿真技术；第10章介绍红外图像处理技术；第11章介绍红外图像融合技术。
为了方便针对不同专业的学生进行教学，使用本书时可按照不同的专业来组织教学内容。例如，物理类专业可选择第1章，第2.2～2.5节，第4.1～4.3节，第5、6章，第7.1节，第8.1～8.2节，第9.1节，第10.1节；光学类专业可选择第1、3、4章，第5.1～5.4节，第6章，第7.3～7.4节，第8、10章，第11.1节；信息类专业可选择第1、3章，第4.4～4.5节，第5.5节，第6、7章，第8.2～8.3节，第9、10、11章。也可以根据学时、专业特点、教学计划进行取舍。未选择的章节作为自学、选学内容，如物理类专业可选学第7.2节，第10.2～10.3节；光学类专业可选学第7.1～7.2节，第9.1节；信息类专业可选学第2.1～2.4节，第4.1～4.3节，第5.1～5.3节。建议课堂讲授40～60学时。
本书提供配套的电子课件和习题参考答案，请登录华信教育资源网（http://www. hxedu.com.cn）注册后免费下载，也可联系本书责任编辑（wangxq@phei.com.cn）索取。
本书可作为高等学校物理学、应用物理学、光电信息科学与工程、安全科学与技术、公安技术等专业的高年级本科生或光学工程、仪器科学与技术、兵器科学与技术、生物工程、信息与通信工程、测绘科学与技术等学科硕士生的教材，也可供从事红外与夜视方面的工程技术和科学研究人员参考、使用。
本书由杨风暴教授担任主编，由吉琳娜和王肖霞担任副主编。其中，第6、7、11章由吉琳娜编写，第4、5、9章由王肖霞编写，第1、3章由杨风暴编写，第2章由李志坚博士编写，第8章由张雷博士编写，第10章由王志社副教授编写。
需要特别指出的是，在本书编写过程中得到了浙江大立科技股份有限公司的支持，开展了产学结合的有益合作，在此对其表示深深的谢意。北京未尔锐创科技有限公司提供了红外仿真方面的技术资料，在此表示感谢。
在编写过程中，作者除参阅各章之后所列的参考文献外，还在网络上查阅了大量的资料，在此对相关作者表示感谢。
由于编者水平有限，书中难免存在错误和不妥之处，欢迎大家批评指正。

编  者

杨风暴，教授，中北大学信息与通信工程学院院长。中国仪器仪表学会光机电技术与系统集成分会常务理事，中国航空学会信息融合分会常务委员，中国光学学会光电专委会委员。长期讲授红外物理与技术、信息融合等课程。

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红外物理与技术（第2版）