大气透过率对红外系统作用距离的影响分析

红外系统的作用距离是评价系统探测能力的重要性能指标。研究了大气传输介质对中红外探测波段的影响,计算了典型飞行目标中红外辐射在大气中的传输,分析了红外系统作用距离随相对湿度和大气能见度的变化。结果表明:红外系统作用距离随相对湿度的增加而减小,随能见度的增加而增大。对于800 K的目标,在能见度小于8 km的浑浊大气中,8~12 μm 探测波段的作用距离大于3~5 μm。在中等及良好能见度时,8~12 μm探测波段的作用距离小于3~5 μm波段。为红外探测跟踪系统的设计、性能指标考核与评价提供参考。     

宽光谱激光雷达探测多种气体的仿真研究

宽光谱激光包含丰富的谱特征信息,可用于同时探测多种气体。采用宽光谱激光雷达,利用最大似然估计算法,对同时探测多种有毒气体进行了仿真实验。仿真结果表明,探测距离1000 m时,远红外波段宽光谱激光雷达可以有效同时探测Sarin、Tabun、VX三种气体,且平均误差可以控制在5%以内。此外,选择不同远红外波段探测结果不同,需结合待测气体的吸收频谱特性来合理选择波段,以实现测量误差较小。通过选取9~10μm、10~11μm和10~11.5μm远红外三种不同波段对探测误差进行了分析和比较,结果表明,9~10μm波段为优选。     

色差对猫眼系统回波影响的理论与实验

利用光学窗口"猫眼效应"进行的激光主动探测易受探测激光波长的影响.建立透射式光学系统猫眼效应的色差理论模型,分析了由探测激光波长与透射式猫眼系统工作波段不匹配所产生的色差对激光主动探测的影响,并设计实验对理论分析结果进行验证.结果表明:由探测激光波长与透射式猫眼系统工作波段不匹配产生的色差,使猫眼系统的焦点发生偏移,导...     

四象限探测器的跟踪与通信复合探测技术

针对空间激光通信系统小型化设计的需求,提出了使用雪崩二极管(APD)型四象限探测器实现跟踪与通信复用的方案,用以降低通信系统的体积和功耗,提高光能量的利用率。简述了系统总体方案的组成与工作原理,在室内搭建测试平台,对跟踪与通信复用模式下的数据采集、通信速率、极限灵敏度、跟踪精度等探测性能进行测试。结果表明:采用靶面直径为4mm的APD型InGaAs四象限探测器,在曼彻斯特编码、强度调制/直接探测条件下,通信速率可达10 Mb/s,探测灵敏度为-35.4dBm,误码率为10~(-6)。当光斑直径为四象限探测器光敏面直径的一半左右时,光斑位置检测的最小分辨率为2μm,探测范围可达0.8 mm,角分辨率为0.8μrad。初步验证了使用APD型四象限探测器用于跟踪与通信复合探测技术的可行性,为空间激光通信系统小型化设计提供技术支持。     

基于自由曲面双波段离轴三反光学系统的优化设计

在航空遥感领域中,双波段光学系统是最具代表性的光学系统。与单一波段光学系统相比,双波段系统可以同时探测到背景信号和目标信号,从而获得更准确的信息。采用离轴反射系统这一方案与折射系统相比,在满足更长焦距的同时,又能实现光学系统小型化的目标。本文提出一种基于自由曲面的反射系统作为设计蓝本,能够获得如下优点:视场角更大,光路容易折叠,系统成像质量高,能够达到高分辨率成像以及系统的轻量化设计。本文采用动态光学理论对系统初始结构进行求解并通过对系统元件的倾斜与偏移计算获得离轴系统,系统引入自由曲面获得更加优质的成像质量。系统参数如下:焦距为2000 mm,相对孔径为1/2,视场角为6°×1°,工作波段为3~5 μm与8~12 μm,选用法国Sofradir公司生产的红外双色焦平面阵列非制冷型探测器;设计结果表明,加入自由曲面后系统的成像质量得到了明显改善,系统在整个工作波段内MTF值在14 lp≥0.3。     

地表背景条件下红外低温点目标探测距离研究

点目标的探测距离受目标与背景温差、红外系统分辨率和系统噪声等效通量密度限制,基于此建立了地球背景条件下的点目标探测距离模型。分析了点目标和典型背景(冰盖、海水和植被)在2.6~2.8μm波段、3~5μm波段、8~14μm波段的红外辐射特性,计算了不同背景和不同视场分辨率条件下点目标的探测距离,研究表明,以地球为背景探测点目标应当选择2.6~2.8μm波段,对某典型尺寸目标的理论探测距离可以达到700km以上。     

红外双波段光学系统被动式消热差设计

为提高红外光学系统的目标探测识别能力,增强其温度适应能力,在分析红外材料在中波和长波红外波段的色差与热差特性的基础上,根据系统光焦度分配、双波段轴向消色差和双波段消热差等要求,利用红外色差图合理选择光学材料组合,设计了一款中波和长波红外双波段消热差系统,系统采用非制冷探测器,工作波段为3~5 m和8~12 m,由4片透镜组成,焦距为50 mm,相对空间为1:1.25,全视场角为14,总长67.9 mm。设计结果表明:在温度范围-50~60 ℃范围内,在空间频率为17 lp/mm处,系统在中波和长波波段的MTF值均大于0.4,表明系统有较强的温度适应性。     

折/衍射双波段共光路齐焦光学系统设计

为了提高双波段光学系统成像性能,结合可见光和中波红外的特点,设计了无光路补偿的折/衍射双波段共光路齐焦光学系统。对系统的4片透镜波段间消色差以及焦距补偿表达式进行了推导,采用4片透镜并引入二元衍射面,通过合理匹配光学系统光焦度,实现了系统共用一组光路,在可见光和中波红外两个波段的焦距一致,提高了双波段观测目标信息的一致性。设计的双波段共口径/共光路成像光学系统的工作波长为0.38~0.76 m,3~5 m,系统的焦距为90 mm,视场角为0.5,F数为3,在-40~+60℃的温度范围内采用光学被动式进行消热差设计。设计结果表明:系统结构简单,体积小,成像质量接近衍射极限。     

高温激波层CO2辐射与传输特性数值计算研究

CO₂是中、短波红外探测的主要辐射噪声源,目前针对高温CO₂辐射和传输特性的研究尚不明晰。重点研究了激波层中CO₂的吸收作用,并对CO₂热辐射及光敏面各辐射分量占比进行了计算与分析。采用改进的切线平板法求解辐射传输方程,并考虑了目标与窗口辐射对激波层内辐射场分布的影响,据此推导了激波层红外辐射和传输特性计算模型,最后给出了探测器光敏面各辐射分量及占比计算模型。对某型超声速红外制导导弹飞行高度h=1 km、飞行速度Ma=3~5时激波层特性进行仿真计算,结果表明:中波波段激波层透过率低于短波波段,但总体来说可忽略激波层吸收作用;飞行速度增加导致CO₂辐射噪声区间向长波方向拓宽,Ma≥4、h=1 km时,4.4 μm以上波段有严重的CO₂辐射噪声淹没目标信号,截止波长为4.4 μm的滤波器无法适用。     

双波段红外光学系统无热化设计

针对制冷型320×256双色焦平面阵列探测器,设计了一套双波段红外光学系统,用于机载光电探测设备。光学系统采用锗、硒化锌和硫化锌组合实现了无热化设计;通过引入非球面和谐衍射元件,很好地校正了系统的色差和轴外像差,简化了系统结构。光学系统仅由6片镜子构成,工作波段为3.7~4.8μm/7.7~9.5μm波段,F数为2,满足100%冷光阑效率。像质评价结果表明,光学系统在-60~+70℃全温度范围内,双波段成像质量良好。     

面向激光防护应用的金刚石/V2O5 膜系设计与制备

针对目前激光对红外光电传感器的威胁,为满足红外传感器在可见光与3~5 m波段高透射,低于3 m波段高反射的使用要求,采用光学金刚石作为红外窗口材料,采用具有热致相变特性的V2O5薄膜作为激光防护涂层,采用ZnS和YbF3作为高低折射率材料,依据膜系设计理论设计具有抗激光致盲能力的红外增透膜并采用TFCalc优化膜系。采用离子辅助法制备增透膜,采用磁控溅射法在实验制备增透膜上制备V2O5涂层。采用扫描探针显微镜对光学薄膜的表面三维形貌及粗糙度进行测试分析,对薄膜进行红外光谱测试分析,结果满足使用设计要求。     

机载激光测深系统中的精确海表测量

讨论了机载激光海洋测深技术中采用红外激光测量海表的精度和探测概率。首先介绍了机载激光测深系统中红外激光测距的原理以及计算方法;分析了不同扫描角、海况(尤其是不同风速)下斜距的测量方法、测量精度及对回波信噪比的影响,分析了在给定探测概率下甄别阈值的选择以及探测概率和信噪比的关系。最后用机裁激光测深系统的参数对海表探测进行了数值模拟和讨论,提出了改进措施。     

激光/长波红外双谱段减反射薄膜设计与制备

在氟化钡光学元件上设计并制备多谱段减反射薄膜是提升光电系统探测性能的关键。在氟化钡基底上设计并制备了1064 nm激光/长波红外双谱段减反射薄膜。基于周期对称结构膜系导纳计算方法,以及拟合膜层周期数与参考波长的优化算法,开展了复合谱段减反射薄膜初始膜系的设计方法研究。使用热蒸发离子束辅助沉积方法制备了多层减反射薄膜。测试结果表明,该薄膜在1064 nm处透射率为94.0%,在8~12 μm长波红外谱段平均透射率为96.3%,在8.2 μm处的透射率高达99.4%。该激光/长波红外双谱段减反射薄膜具有良好的光学性能,可以应用于多模复合精确探测光电装备之中,对于提升探测系统的工作性能具有重大意义。     

双色探测激光引信抗海浪技术

阐述了双色激光引信探测的原理,提出采用双色探测,利用海水对红外激光与蓝绿激光回波特性时域差异显著,而舰船对二者的反射特性相近的特点,区分目标与海面,提出抗海浪干扰和判别目标的双色激光引信方案。双色激光引信利用激光发射系统同时发出红外和蓝绿窄脉冲激光,激光接收系统采用两路探测器分别接收两种波长的回波信号,信息处理系统对两路激光回波信号进行高速实时采集,获得两路回波信号幅度、脉冲宽度、回波率等区分目标和海面。通过设计样机并进行海面试验,试验结果表明,双色激光引信抗海浪干扰效果良好。     

红外四谱段测温辐射计的电子学设计与实现

为了给卫星上的红外辐射计做地面定标检测而设计了一种能自动测量海水表面温度的四谱段红外辐射计。文中针对红外辐射计的电子学系统进行了详细的设计,通过分光调制分别对3.5~4m,8~13 m,10.3~11.3 m,11.5~12.3 m 4种波段的红外辐射进行采集和处理,利用双黑体标准辐射源实时自动校正系统参数和相应算法计算出当前海水表面的温度,并能在PC 机上实时显示温度和保存数据的一种红外辐射系统。另外,通过A/D 采样设计保证了系统采样分辨率0.1 K 的要求。最后,通过分析该辐射计在南海所获得的数据,得到该系统满足了测温精度依0.5 K的技术指标要求。     

激波对前置激光引信光程影响分析

前置激光引信发射系统的脉冲红外激光先到达目标,而后回波的激光脉冲信号又到达光敏管激光探测接收器表面,在超音速条件下要依次穿过附面层-剪切层-激波-大气层-激波-剪切层-附面层,最后聚焦在光敏面上。由于激波对前置激光引信在激光光路中的影响,从而使在静态下采用的一些距离判定方法与实际飞行过程中的应用有较大的偏差。提出了超音速条件下激波对前置式激光引信光程影响的模型,并以某弹型进行光程差分析,使用Matlab计算出不同的弹速下光程的差值,为超音速下激光引信或激光武器的探测提供了一种可行的误差分析方法。     

旋翼气动加热对直升机红外特征分布的影响

文中采用数值模拟的方法较为系统地研究了旋翼表面温度分布及其对直升机红外辐射特征分布的影响。结果表明:（1）旋翼桨叶上自旋翼转轴到翼尖温度分布呈依次递增的趋势,最高温度值为316K,高出环境温度29 K;遮挡罩表面最高温度值为317 K,高出环境温度30 K;（2） 探测角度一定时,旋翼红外辐射强度随时间上下波动, 旋翼在3～5 m 和8~14 m 波段红外辐射强度随时间的变化趋势基本一致;（3） 旋翼气动加热后3～5 m 波段和8~14 m 波段红外辐射强度值的增量占整机固体对应波段总的红外辐射强度的比重分别为15%～16%、5%～6%;（4）同一发射率下,气动加热的旋翼8~14 m 波段红外辐射强度远大于3～5 m 波段,约为3～5 m 波段辐射强度的30 倍,其8~14 m 波段红外辐射强度约占整机固体8~14 m 波段红外辐射强度的30%~40%, 但降低旋翼表面发射率能有效降低旋翼8~14 m 波段红外辐射强度,同时也能降低旋翼辐射占整机辐射的比重。     

便携式红外目标模拟器系统设计

为了满足光电探测设备对不同温度环境下多波段的目标模拟需求,设计了一种便携式红外目标模拟器,选用可切换的黑体光源来进行照明,实现3～5μm和8～14μm的中波红外和长波红外的辐射特性。作为准直系统的平行光管口径为110 mm,考虑到中心遮挡问题,采用离轴反射式光学结构。在装调时利用该结构对300 mm口径的参考平面镜进行测量,测试结果 PV值为0.356λ(λ=632.8 nm),RMS值为0.047λ。采用MSC. Patran进行建模,利用有限元分析方法完成了系统的光机热分析,在-10～50℃工作环境下,由温度变化引起的主次镜面形变化为纳米级别,对中红外波段可实现实时稳定成像,为光电探测设备提供宽波段的多种直接模拟目标。