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一切温度高于绝对零度的物体都在以电磁波的形式向外辐射能量，其辐射能包括各种波长，其中波长范围在 0.76～1000μm 之间的称为红外线。红外线在电磁波连续频谱中处于无线电波与可见光之间的区域。按波长范围可分为近红外、中红外、远红外、极远红外四类。任何物体在绝对零度以上都会产生分子和原子的无规则运动并不停地向外辐射热红外能量。分子和原子的运动越剧烈，辐射的能量越大。在自然界中红外线辐射是存在最广泛的电磁波辐射，辐射测温技术的广泛应用也是因为红外线具有很强的温度效应。热辐射投射到物体上会产生反射、吸收和透射现象。吸收能力越强的物体，反射能力就越差。能全部透射辐射能的物体称为透明体；能全部吸收辐射能的物体称为黑体；能全部反射辐射能的物体，当呈现镜面反射时称为镜体，呈现漫反射时称为白体。显然，透明体、黑体、镜体、白体都是理想物体 [95] 。物体表面温度与物体的红外辐射能量、波长的大小均有着十分密切的关系。因此，通过测量物体红外辐射能量，能准确地测定物体表面温度，这是红外辐射测温所依据的客观理论基础 [96] 。红外热像仪为实时表面温度测量提供了有效、快速的方法。
1．黑体辐射定律
黑体能吸收所有波长的辐射能，没有能量的反射和透射。在理论研究中为了弄清和获得红外辐射的分布规律必须选择合适的模型，于是普朗克提出了基于腔体辐射的量子化振子模型，称为普朗克黑体辐射定律，简称黑体辐射定律。这是一切红外辐射理论的出发点，黑体的光谱辐射度M λ 可以用波长的函数表示，如式（2-4）所示。
式中：c 1 ——第一辐射常数，c 1 =2πhc 2 =3.7418×10 -16 W/m 2 ；
c 2 ——第二辐射常数，c 2 =hc/k=1.4388×10 -2 m . K；
λ——光谱辐射的波长，单位为μm；
T——黑体的绝对温度，单位为K。
其中，k为玻尔兹曼常量，k=1.3807×10 -23 J/K。
将不同的温度值代入式（2-4）得到多组黑体的光谱辐射度-波长关系曲线，如图2-3所示。
图2-3 黑体的光谱辐射度-波长关系曲线
从图2-3中的曲线可以看出黑体辐射存在的普遍规律如下。
（1）在任何温度下，黑体的光谱辐射度都随着波长连续变化，每条曲线只有一个极大值。
（2）随着温度升高，与黑体的光谱辐射度极大值对应的波长减小。这表明随着温度升高，黑体辐射中的短波长辐射所占比例增加；不同温度的辐射能量曲线，其辐射能量最大值所对应的波段不同。
（3）随着温度升高，黑体辐射曲线整体提高，即在任一指定波长处，与较高温度相应的黑体的光谱辐射度也较大，反之亦然。
2．斯特藩-玻尔兹曼定律
斯特藩-玻尔兹曼定律的表达式如式（2-5）。
式中，σ是斯特藩-玻尔兹曼常量，σ=5.6703×10 -8 W/(m 2 ·K 4 )。
3．维恩位移定律
维恩位移定律的表达式如式（2-6）所示。
4．兰波特定律
对于一个非黑体的实际辐射体，整个波长范围内的辐射出射度表示为
式中
是光谱发射率的平均效果，称为辐射体的发射率。
普朗克于 1900 年提出能量量子化假设，建立了辐射出射度的公式，黑体的光谱辐射出射度的表达式为
式中：M λ 为黑体的光谱辐射出射度，单位为W/(m 2 m·μ)；
λ为辐射电磁波的波长，单位为 mμ；
T为黑体热力学温度，单位为K；
c 1 =3.7418×10 -16 W/m 2 ，c 2 =1.4388×10 -2 m . K。
普朗克定律描述了黑体辐射的光谱分布规律，是黑体辐射的理论基础。
由 2.2.2 节中介绍的普朗克定律可知，对于一定的温度，绝对黑体的光谱辐射出射度存在一个极大值，此极大值的波长定义为峰值波长λ m 。1894年，维恩指出绝对黑体光谱辐射峰值波长λ m 与热力学温度T成反比，即
式中，λ m 为黑体最大光谱辐射出射度的波长，单位为 mμ；b 为维恩常数，值为2897.8 μm . K。式（2-10）是对普朗克公式（2-9）求偏导得到的，称为维恩位移定律。
另外若将维恩位移定律的值代入普朗克公式，可得到黑体光谱辐射出射度的峰值
，即
式中，B=1.2862×10 -11 W/(m 2 . μm . K 5 )。
对普朗克定律在整个波段积分可得，黑体的全辐射出射度和黑体热力学温度的四次方成正比，即斯特藩-玻尔兹曼定律
式（2-12）中，黑体的全辐射出射度用M表示，单位为W/m 2 ；斯特藩-玻尔兹曼常量用σ表示，其值等于5.6703×10 -8 W /m 2 . K 4 )。
由式（2-12）的斯特藩-玻尔兹曼定律可知，黑体的全辐射出射度与热力学温度的四次方成正比。由此说明，温度的微小变化会引起全辐射出射度的很大变化。