Главная страница Случайная страница
КАТЕГОРИИ:
АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника
Тепловизионные приборы
|
|
Эффективным прибором ночного видения является тепловизор. В качестве приемника излучения тепловизионного прибора используется приемник, чувствительный к средней ИК-области излучения 8-12 мкм, т.е. собственному тепловому излучению тела.
В качестве приемников излучения к этому диапазону широкое применение нашли неохлаждаемые микроболометрические матрицы.
Наблюдаемая в тепловизионном приборе картина соответствует тепловому рельефу объекта. Тепловизоры обнаруживают и распознают объекты в условиях, при которых ПНВ не эффективны. Они эффективны при тумане и дымке и в сложных условиях фона. Тепловизор показывает тепловую картину, и вследствие того, что температура живого объекта обычно выше фона, он легко обнаруживается.
Тепловизионные приборы могут быть выполнены также как и ПНВ в виде монокуляров, биноклей, очков и прицелов.
4.1 Тепловое излучение тел [28]
Все нагретые тела излучают электромагнитные волны.
Это излучение, находящееся в термодинамическом равновесии с телами, имеющими определенную температуру, называется равновесным излучением. Плотность энергии равновесного излучения и его спектральный состав зависят только от температуры.
Тело называют абсолютно черным, если оно поглощает все излучения, независимо от длины волны. При заданной температуре абсолютно черное тело испускает с поверхности единичной площади в единицу времени больше лучистой энергии, чем любое другое тело.
Рис. 4.1. Модель абсолютно черного тела
Хорошей моделью черного тела является небольшое отверстие в замкнутой полости (рис. 4.1). Свет, падающий через отверстие внутрь полости, после многочисленных отражений будет практически полностью поглощен стенками, и снаружи отверстие будет казаться совершенно черным.
С увеличением температуры внутри полости будет возрастать энергия выходящего из отверстия излучения, и будет изменяться его спектральный состав. Распределение энергии по длинам волн в излучении абсолютно черного тела при заданной температуре T характеризуется излучательной способностью r (λ, T), равной мощности излучения с единицы поверхности тела в единичном интервале длин волн. Произведение r (λ, T) Δ λ равно мощности излучения, испускаемого единичной площадкой поверхности по всем направлениям в интервале Δ λ длин волн. Функцию r (λ, T) часто называют спектральной светимостью, а полный поток R (T) излучения всех длин волн называют интегральной светимостью тела.
В 1879 году Йозеф Стефан на основе анализа экспериментальных данных пришел к заключению, что интегральная светимость R (T) абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры:
|
А в 1884 году Людвиг Больцман вывел эту зависимость теоретически, исходя из термодинамических соображений. Этот закон получил название закона Стефана–Больцмана. Числовое значение постоянной σ, по современным измерениям, составляет
| σ = 5, 671·10–8 Вт / (м2 · К4). |
Рисунок 4.2. Спектральное распределение r (λ, T) излучения черного тела при различных температурах
Экспериментальные измерения спектрального распределения излучения абсолютно черного тела показали, что при каждом значении температуры T зависимость r (λ, T) имеет ярко выраженный максимум (рис. 4.2). С увеличением температуры максимум смещается в область коротких длин волн, причем произведение температуры T на длину волны λ m, соответствующую максимуму, остается постоянным:
|
Это соотношение выражает закон смещения Вина. Значение постоянной Вина
| b = 2, 898·10–3 м·К, и, следовательно, λ m=2898/T (мкм) |
Максимум энергии излучения Солнца приходится примерно на 470 нм (зеленая область спектра), что соответствует температуре около 6200 К.
В 1900 году теоретически получить зависимость спектрального распределения излучения черного тела r(λ, T) попытался английский физик Д. Релей, который в основу своих рассуждений положил теорему классической статистической механики о равномерном распределении энергии по степеням свободы в состоянии термодинамического равновесия. Несколько позже эту идею подробно развил Джинс. Таким путем удалось получить зависимость излучательной способности абсолютно черного тела от длины волны λ и температуры T:
| r (λ, T) = 8π kTλ –4. |
Это соотношение называют формулой Релея–Джинса. Оно согласуется с экспериментальными данными только в области достаточно длинных волн (рис. 4.3).
Рис. 4.3. Сравнение закона распределения энергии по длинам волн r (λ, T) в излучении абсолютно черного тела с формулой Релея–Джинса при T = 1600 К
Решить задачу о спектральном распределении излучения абсолютно черного тела в рамках классической физики невозможно.
Эта задача была успешно решена Максом Планком. Планк пришел к выводу, что процессы излучения и поглощения электромагнитной энергии нагретым телом происходят не непрерывно, как это принимала классическая физика, а конечными порциями – квантами. Квант – это минимальная порция энергии, излучаемой или поглощаемой телом. По теории Планка, энергия кванта E прямо пропорциональна частоте света:
E = hν,
где h – так называемая постоянная Планка. h = 6, 626·10–34 Дж·с.
На основе гипотезы о прерывистом характере процессов излучения и поглощения телами электромагнитного излучения Планк получил формулу для спектральной светимости абсолютно черного тела. Формулу Планка удобно записывать в форме, выражающей распределение энергии в спектре излучения абсолютно черного тела по частотам ν, а не по длинам волн λ.
Здесь c – скорость света, h – постоянная Планка, k – постоянная Больцмана, T – абсолютная температура.
Формула Планка хорошо описывает спектральное распределение излучения черного тела при любых частотах.