基于大气实时修正的飞机辐射特性测量

研究了飞机飞行时的动态辐射特性测量方法。针对利用软件计算大气透过率进行目标辐射修正精度较低的问题,提出了通过机上标校黑体进行实时大气修正的新辐射测量方法。该方法通过目标飞机上挂载的标校黑体实现大气透过率的实时测量,并利用实测大气透过率对目标飞机辐射进行大气修正来提高修正精度。借助中波和长波红外相机、两个标准面源黑体及一块硒化锌平板,开展了飞机目标辐射特性测量的地面模拟实验。利用MODTRAN和CART计算以及实测大气透过率分别对黑体目标红外测量值进行辐射反演。与MODTRAN和CART计算大气透过率的传统方法相比,文中提出的实测大气透过率方法可将目标辐射反演精度提高一倍以上。     

红外热像仪外场测温的大气透过率二次标定

为了实现测温红外热像仪的外场精确测温,研究了大气透过率的二次标定。建立了红外热像仪的外场远距离测温标定模型,采用一个标准面源黑体和红外热像仪对大气透过率进行了二次标定。首先,用标准面源黑体的设置温度标定大气透过率的二次修正系数;然后,在已知目标感兴趣区域发射率的情况下,用二次修正系数对未知辐射源测量值进行修正,实现未知辐射源目标辐射温度的准确测量。实验显示,随黑体设置温度从50℃不断升高(二次大气透过率近似为1),大气二次透过率修正系数在50～100℃内迅速下降,在100～200℃内下降趋势减缓,逐渐接近于约为0.7的常数。实验结果为测温红外热像仪外场精确测温提供了保证。     

应用内外定标修正实现红外测量系统辐射定标

由于现有的大口径短波红外测量系统的辐射定标需要制备大口径红外平行光管,不仅机动性差且成本较高,故提出了一种基于内、外定标修正的辐射定标新方法。该方法将一个中、高温腔型黑体置于红外系统内部,通过切换反射镜,将中、高温腔型黑体辐射引入红外光学系统,并对部分光路进行中、高温段的内定标。然后,使用大面源黑体对全系统进行中温段的外定标;提取并处理公共温度范围的内、外定标数据以获取内、外定标之间的修正系数。最后,对中、高温段的内定标数据进行修正从而获取全系统的辐射定标数据。使用该方法对某Φ400mm口径的红外测量系统进行了辐射定标,并根据定标结果反演了黑体的辐射亮度和温度。结果显示:辐射亮度反演的最大误差为1.67%,温度反演的最大误差为1.02℃。实验结果证明了该方法可以准确、有效地对大口径短波红外测量系统进行辐射定标。     

地基大口径红外光电系统的联合辐射定标

考虑标准红外星定标方法无法测定地基大口径红外光电系统像元级的辐射响应度,进而导致对系统存在的非均匀性现象适应能力差的问题,提出了基于标准红外星与小口径黑体的联合辐射定标方法。该方法以标准红外星为外定标参考源,测定全光路系统的辐射响应度;以小口径黑体为内定标参考源,测定半光路系统像元级的辐射响应度;最后,结合内、外定标结果推算前端光学系统透过率,进而实现系统的全光路像元级辐射响应度定标。开展了自然星红外辐射特性测量实验,并与标准红外星定标方法进行了对比。结果显示:提出方法获得的目标最大反演误差为15.89%,而标准红外星定标方法在最理想情况下获得的最大反演误差为15.92%,表明提出方法的定标精度高于标准红外星定标方法。另外,提出方法能够测定全光路系统像元级的辐射响应度,克服了系统响应非均匀性的影响,进而提高了红外探测器的焦平面利用率,弥补了标准红外星定标方法的应用缺陷。     

利用大气修正因子提高目标红外辐射特性测量精度

提出了利用大气修正因子修正大气透过率来提高测量目标红外辐射特性精度的方法。建立了目标红外辐射特性测量模型,给出了基于大气修正因子的目标红外辐射特性测量方法。该方法将短距离大气透过率实测结果和MODTRAN模拟计算的大气透过率之比定义为基础大气修正因子,然后依据长距离与短距离的不同数量关系得到增强大气修正因子,最后利用该因子对MODTRAN计算的长距离大气透过率进行修正并进行目标的辐射反演,从而获得目标辐射特性。对中波红外摄像机进行了定标,利用中波红外摄像机和面源黑体开展了目标红外辐射特性测量实验。实验结果表明,利用大气修正因子修正大气透过率的目标辐射测量方法得到的目标辐射特性测量精度在8%左右,高于传统的利用MODTRAN计算方法得到的20%的测量精度。得到的结果显示本文方法较传统方法较大程度地提高了目标辐射特性测量精度。     

中波红外整层大气透过率测量及误差分析

为实现中波红外整层大气透过率的现场测量,提高空间目标红外辐射特性测量精度,研究了基于标准红外自然星的大气透过率测量方法。建立了基于Beer定律和Langley-Plot定标原理的测量实验数学模型,搭建了基于1.2m口径地基光电望远镜的测量实验系统。采用了"准实时单点校正""窗口提取"和"信噪比特性曲线"等方法有效降低了红外探测器非均匀性和自然星弥散成像等问题给测量精度带来的影响。最后,分析了测量实验的理论误差。实验数据显示:空间目标大气层外红外辐射照度测量的最大实际误差为16.28%,中波红外整层大气透过率测量的理论误差为11.75%。结果表明:基于标准红外自然星的大气透过率测量方法测量误差小,实验系统对外场观测任务适应性强,为空间目标红外辐射特性的地基测量提供了新的解决方案。     

非制冷红外物镜设计中最佳波段的选择

根据常用大气窗口和常见物体辐射峰值波长,计算出黑体在233~313K范围内的光谱辐射出射度,结合红外探测器的光谱响应曲线得到非制冷红外镜头的设计波长及其权重。将该方法应用于实际物镜设计,发现光学系统波长及权重符合探测器焦平面输出信号光谱响应特性。该方法对非制冷红外热像光学系统的设计具有实际意义。     

基于大气透过率比例校正的目标辐射测量

大气透过率是影响目标辐射测量精度的重要因素,而常规通过MODTRAN等模式计算软件,由大气参数计算大气透过率的误差一般在15％以上,极大地限制了目标辐射测量精度.为此,本文提出利用某一距离的实测大气透过率和模式计算大气透过率之比得到大气过率校正系数来对其它距离的模式计算大气透过率进行比例校正.实验显示,校正后大气透过率的精度优于8.1％,大大提高了目标辐射测量精度.利用中波红外相机和面源黑体开展了目标辐射特性测量实验,结果表明,采用MODTRAN计算大气透过率的辐射测量方法得到的目标辐射反演精度约为20％,而采用本文方法对大气透过率校正后可将反演精度提高到10％以内.     

窄带光谱滤光法探测低温黑体太赫兹辐射

为了准确探测低温黑体的太赫兹辐射,研究了黑体的红外辐射和太赫兹各波段辐射的差异,构建了低温黑体太赫兹辐射探测装置,提出在该装置中采用窄带光谱滤光法抑制红外辐射和透过窄带太赫兹光谱.根据普朗克公式计算并对比了各波段太赫兹辐射及红外辐射的亮度值,理论数据显示223～323 K的低温黑体的红外辐射亮度是太赫兹辐射亮度的4～10倍.将在某一窄波长带宽范围内具有高透射比的太赫兹窄带光谱滤光片放置在黑体太赫兹辐射装置的探测器前,滤除红外辐射,并对黑体的太赫兹辐射量进行光谱分段探测实验.根据实验结果计算了黑体在不同太赫兹窄波段的辐射探测值的标准偏差,并对实验结果与黑体太赫兹辐射亮度理论计算值进行了比较.结果显示,窄带光谱滤光法可以实现低温黑体的太赫兹窄带辐射亮度探测.     

光电测量设备光学系统像面照度均匀性检测方法

提出了光电测量设备光学系统像面照度均匀性的检测方法,该方法首先对被检设备的CCD标定,然后用给出的均匀性检测系统对整机光学系统检测。该检测系统利用积分球产生均匀背景光信号,将光测设备置于积分球通光口处,利用计算机采集CCD图像。根据CCD的标定结果,用两点多段校正算法对采集到的图像进行校正,通过对校正后的图像进行分析,得到像面照度的不均匀度。并且将图像分为多个区域,计算各个区域的灰度与像面中心区域灰度的比值,得出图像的灰度分布,实现了光电测量设备光学系统像面照度均匀性的室内检测。     

聚变反应速率测量光学系统设计

基于塑料闪烁体和条纹相机设计了聚变反应速率测量系统,论述了测量光学系统的工作原理和设计方法。通过设置防辐射石英玻璃窗,防止了光学元件受强X射线辐射而变暗;采用晶体等紫外透过率高的光学材料,满足了光学系统对透过率的要求;光学系统像面与条纹相机的阴极面直接对接,解决了条纹相机孔径不匹配的问题;最后在一次像面设置场镜,大幅缩小了光学元件的口径。设计的光学系统总长为2 660mm,放大倍率为1/3,像方F/#数达到0.667,系统透过率达到67%,时间弥散小于7.3ps。这些结果能够适应不同中子产额的实验需求,在激光打靶实验中取得了较好的实验效果。     

光电测量设备光学系统的像面照度均匀性检测

提出了一种光电测量设备光学系统像面照度均匀性的检测方法.该方法首先对被检设备的CCD进行标定,然后用给出的均匀性检测系统对整机光学系统进行检测.该检测系统利用积分球产生均匀背景光信号,将光测设备置于积分球通光口处,利用计算机采集CCD图像.根据CCD的标定结果,用两点多段校正算法对采集到的图像进行校正,通过对校正后的图像进行分析,得到像面照度的不均匀度.此外,将图像分为多个区域,计算各个区域的灰度与像面中心区域灰度的比值,得出图像的灰度分布,实现了光电测量设备光学系统像面照度均匀性的室内检测.利用研制的光电测量设备光学系统像面照度均匀性检测系统对某型号光电测量设备进行了检测,得到了该设备光学系统像面照度不均匀度达到18.7%,不满足不均匀度≤10%的要求,应对该光测设备进行重新装调.在重新装调后对该设备进行复检,得到重新装凋后的不均匀度为6.7%,像面照度均匀性得到了提高,验证了该方法的有效性.     

1m口径红外测量系统的辐射定标

为了测量空中目标的红外辐射特性,设计了一套1m口径红外测量系统的辐射定标装置。给出了红外测量系统辐射定标的数学模型,以腔型黑体和平行光管组合作为标准辐射源,建立了1m口径红外测量系统的辐射定标系统。考虑该红外测量系统的光谱响应具有选择性,若采用传统辐射定标方法易产生原理误差,故提出了一种基于光栅单色仪和标准辐射计的相对光谱标定方法。给出了该标定方法的数学模型并进行了相对光谱标定。最后,在外场以黑体作为模拟目标进行了辐射特性测量实验。结果表明,应用本文提出的辐射定标方法,1m口径红外测量系统的辐射特性测量误差最大值为9.5%,比传统方法平均减少了约8.7%,可满足实际项目指标要求,非常适合外场辐射定标的应用。     

大口径光学系统透过率的测量方法

本文着重介绍测量大口径光学系统的透过率。同时讨论了影响测量精度的因素,并给出了提高测量精度的方法。通过一个大型光学系统的测定,证明该方法是可行的。测量透过率的均方根误差为±0.02。     

FTIR遥感测量烟火药燃烧红外辐射出射度的方法研究

傅立叶变换红外遥测光谱仪不能直接测量烟火药燃烧时的光谱辐射出射度值,为解决此问题,本文介绍了一种简易方法,该方法采用该仪器和黑体辐射源构成的测试装置进行烟火药燃烧红外光谱辐射出射度测量,测量方法简单易行,对于该类仪器的使用具有一定的指导意义.     

提高红外测温系统测温精度的研究

基于比色测温原理设计了一种红外测温系统,测温前先使用标准黑体对测温系统进行标定,得到标定曲线R(T)-T.在测量目标的温度时,在目标附近放置一个超大面元黑体,通过这种方法来消除环境反射辐射和大辐射等辐射量的影响来提高红外测温系统的精度.     

空间红外光学系统技术综述

红外光学系统用于探测目标自身辐射,可昼夜工作。随着空间技术的飞速发展,对空间分辨力以及对观测目标覆盖面积的要求越来越高,大口径大视场的空间红外光学系统在空间对地以及对其它星球遥感观测中广泛应用。介绍了大口径大视场空间红外光学系统的几种结构形式及其优缺点和发展趋势。     

反射温度补偿法及其实验验证

为补偿环境辐射对红外测温的影响,根据红外辐射理论和红外热像仪的测温原理,提出了反射温度补偿法。介绍了该方法的原理,给出了该补偿方法的理论计算公式。相关实验显示,在被测物体周围存在高温物体的情况下,采用提出的反射温度补偿法可补偿高温物体的反射能量。红外反射镜的选取与被测物体的表面状况有关,若被测物体可视为朗伯体,则可选铝箔为红外反射镜;若被测物体为非朗伯体,则需选用与被测物体表面结构相似的材料为红外反射镜。经过反射温度补偿,能较为准确地得到朗伯体的表面温度,误差可控制在2%以内;该方法亦能够较大地提高对非朗伯体的测温精度,其误差不超过5%。这些结果表明该方法简单易行,精度较高,适用于大部分的红外热像仪。     

8μm~12μm红外动态热像模拟器光机结构设计

针对常规红外动态热像模拟器光能利用率低,结构复杂,机加与装调困难,无法模拟地面目标及场景的问题,提出一种基于DMD调制的大视场、易装调、结构紧凑的长波红外动态热像模拟器。模拟器采用场镜与反射镜分离照明与投影光束,光能利用率约为TIR棱镜分光结构的2倍左右,同时针对两者的特殊位置设计了多维微调结构;为避免不同材料间热膨胀系数不同所引起的透镜光学表面受力不均,影响照明均匀性,对照明光学系统进行了热稳定结构设计;利用MATLAB求解出黑体的温度变化范围,并拟合出经光学系统前后辐射出射度的比值随温度变化曲线。温度测试与仿真实验表明,黑体温度从50℃变化为350℃的过程中,仿真背景温度漂移为8.1℃,约为模拟温差的7.84%,黑体温度为400℃时其图像对比度达到0.8以上,满足现阶段红外动态热像模拟器的使用要求。     

8～12μm红外动态热像模拟器光机结构设计

针对常规红外动态热像模拟器光能利用率低,结构复杂,机加与装调困难,无法模拟地面目标及场景的问题,提出一种基于DMD调制的大视场、易装调、结构紧凑的长波红外动态热像模拟器。模拟器采用场镜与反射镜分离照明与投影光束,光能利用率约为TIR棱镜分光结构的2倍左右,同时针对两者的特殊位置设计了多维微调结构;为避免不同材料间热膨胀系数不同所引起的透镜光学表面受力不均,影响照明均匀性,对照明光学系统进行了热稳定结构设计;利用MATLAB求解出黑体的温度变化范围,并拟合出经光学系统前后辐射出射度的比值随温度变化曲线。温度测试与仿真实验表明,黑体温度从50℃变化为350℃的过程中,仿真背景温度漂移为8.1℃,约为模拟温差的7.84%,黑体温度为400℃时其图像对比度达到0.8以上,满足现阶段红外动态热像模拟器的使用要求。