大气对红外辐射的选择吸收及散射特性

2023-06-27 理论教育版权反馈

【摘要】：自然界中无处不在的大气对红外辐射也有着显著的影响,主要指大气中的水气、二氧化碳气体、臭氧、甲烷对红外辐射的选择吸收及悬浮微粒的散射。大气吸收带把红外辐射大致分为三个主要波段,即1～2.5μm、3～5μm、8～13μm,可作为透过红外辐射的“大气窗口”。除吸收外,红外辐射还受大气中悬浮微粒等的散射。

1.红外辐射的普遍性

任何物体只要它的温度高于绝对零度(-273.15℃),就有热能转变的辐射能,物体温度不同。辐射能大小不同,辐射波的波长组成也不同,但总要包括红外辐射。

物体的温度在千度以下的,其热辐射中最强的波为红外辐射;当物体温度为300℃时,其热辐射最强波的波长为5μm;到500℃左右时物体才会出现暗红色的辉光,当温度到800℃时,辐射已有明显的可见光成分,但其绝大部分的辐射能量仍是属红外范围;只有当达3000℃时,物体的辐射能才包含足够多的可见光能量。

在生产实践中无处不在的红外辐射,就是从可见光红端到毫米波这宽广范围中的电磁波辐射。从光子角度看,它是低能量光子流。红外辐射像其他电磁波一样遵循一些相同的物理定律,和光辐射之间存在着相似性,红外辐射还具有自己特殊的规律,遵循的定律除基尔霍夫定律外,还有普朗克定律、斯蒂芬·波尔兹曼定律和维恩位移定律等。

表12-1　常用材料辐射系数推荐值

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2.普朗克定律

普朗克利用光量子理论,推导出红外辐射能与其温度和波长的定量关系,奠定了红外测温的基础。

普朗克定律指出黑体在单位面积上、在波长为λ的单位光谱间隔内辐射通量 (即光谱辐射出度)与其波长λ和绝对温度T 呈如下关系

式中 C1——第一辐射常数3.74×10-16,W·m2;

C2——第二辐射常数1.44×10-2,m·K;

λ——波长,m;

T——黑体绝对温度,K。

3.斯蒂芬-波尔兹曼定律

用普朗克公式对波长积分,得出黑体总光谱辐射出射度与它绝对温度四次方成正比的关系,这即是斯蒂芬-波尔兹曼定律。

式中 σ——辐射系数5.67×10-8,Wm-2·K-4。

几种温度下黑体Mb的数值如表12-2所示。

表12-2　几种温度下黑体Mb数值

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对于灰体辐射体,斯蒂芬-波尔兹曼公式为

4.维恩位移定律

将普朗克公式对波长微分后,可导出黑体的峰值辐射波长随温度变化的关系式

其中b=2898μm·K。位移定律表明了黑体对应的最大辐射出度的波长λmax与其绝对温度T 成反比,当温度增高时,辐射最大值对应的波长变短,即向曲线左方移动,如图124所示。可以证明,在波长λ=0 到λmax之间的辐出度为全部辐射的25%。

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图124　维恩位移定律

5.红外辐射与介质的作用

当红外线投射到物体表面时,要产生透射、吸收、反射三种现象,如图12-5所示。设入射功率为Pi,透射功率为Pτ,吸收功率Pα,反射功率Pρ,则

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图12-5　红外辐射与介质物体

对于不透明体,透射比τ=0,则α+ρ=1,由此式可见,非透明物体吸收与反射是呈相反的关系,即吸收好的物体其反射能力差,反之亦然。根据基尔霍夫定律可知:善于吸收的物体必善于辐射。那么善于辐射的物体,它的反射能力必差。

基尔霍夫定律还指出:物体的辐射系数和吸收系数之比值与物体性质无关,均是波长和温度的普适函数,但吸收和辐射系数随物体的不同而异。

当透射比τ=0,反射比ρ=0时,该物体即不透明,又无反射能力,它的吸收比α=1,即是吸收能力最强的,也是辐射能力最强的物体,称为“黑体”。理想的黑体是没有的,人造的“空腔”,由于腔内壁多次反射与吸收的结果,实际上很少有辐射能再透出去,因而入射的辐射几乎为腔体完全吸收,使其吸收比接近于1,如图12-6所示。实体、黑体与灰体的对比如图12-7所示。

实际中的辐射体,本身即有辐射能量,也还有周围辐射源入射的反射能量,这在应用中要引起注意,一般检测时应尽量减少周围辐射源的影响。

自然界中无处不在的大气对红外辐射也有着显著的影响,主要指大气中的水气、二氧化碳气体、臭氧、甲烷对红外辐射的选择吸收及悬浮微粒的散射。

大气中的红外辐射吸收随波长变化,水气、二氧化碳和臭氧均有较多条吸收带,而一氧化碳、氧化亚氮和甲烷的吸收带,在大多数的实际使用过程中这些气体对红外辐射的吸收可以不加注意。在低层大气中应主要考虑水气的吸收。

大气吸收带把红外辐射大致分为三个主要波段,即1～2.5μm、3～5μm、8～13μm,可作为透过红外辐射的“大气窗口”。该窗口对红外测温至关重要,红外探测器的接收波段应选在大气窗口内,如图12-8所示。

除吸收外,红外辐射还受大气中悬浮微粒等的散射。大气中呈液态或固态的粒子很多,灰尘、烟雾、雨、雪等都使红外辐射的传输方向偏离,导致该方向红外辐射变弱,其中雾和云对辐射有极强的散射作用,而雨的影响则较小,在实际应用时可通过缩短测试距离进行雨中工作。

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