红外辐射与电磁波谱

人类的视觉仅限于探测可见光，而可见光只占电磁波谱的一小部分。在此范围之外，波谱的大部分由携带额外信息的不可见光组成。红外辐射与无线电波、微波、紫外线、X射线和伽马射线一样，是该波谱的重要组成部分。这些不同形式的电磁能量是根据其波长进行分类的。在电磁波谱中，红外辐射的波长范围约为 0.7 µm 到 1000 µm，位于可见光和微波之间。而对于温度测量的应用，人们通常关注的波段在 0.5 到 14 µm 之间。

根据传感器响应划分方案，这一红外波段方案是基于各类探测器的响应特性以及大气窗口进行划分的。用于非接触式温度测量的红外波段被分为近红外（NIR）、短波红外（SWIR）、中波红外（MWIR）和长波红外（LWIR）。近红外的波长最接近人眼所能探测到的辐射。中红外和远红外则逐渐远离可见光谱。中波和长波波段通常被称为“热红外”，而NIR和SWIR通常被统称为“反射红外”。下表列出了这些光谱波段的波长范围。

图1展示了大气红外窗口。大气红外窗口是一个光谱区域，在此区域内，地球大气层对热辐射的吸收极小，从而允许红外能量散逸到太空中。水蒸气（H₂O）、二氧化碳（CO₂）和臭氧（O₃）决定了该窗口的边界。在 14.7 µm 处的 CO₂ 吸收设定了长波长的极限，而水蒸气的振动吸收带则设定了短波长的边缘。臭氧在 9.6 µm 处有强烈的吸收，会部分阻挡辐射的传输。水分子浓度的变化可以使该窗口变窄甚至闭合，从而影响红外测量。

红外光谱直观地展现了电磁波强度是如何在不同波长上分布的。尽管存在差异，但所有电磁波都遵循相同的核心原理：衍射、折射、反射和偏振。在正常条件下，它们以光速传播。在线性介质中，波形可表示为正弦分量的独立传播。波长 [math]\lambda[/math] 与频率 [math]f[/math]之间的恒定关系可通过以下方程表达，其中 [math]v[/math] 表示光在介质中的传播速度。这一概念是理解所有类型电磁辐射行为的基础 [1,2,3]：

[math]\upsilon=\lambda \cdot f[/math]