双通道红外光谱辐射计的研制及标定

研制了一台双通道(1.40±0.02μm,4.50±0.03μm)光谱辐射亮度计(以下简称辐射计),并进行了光谱辐亮度定标[1]。该辐射计主要由前置光学系统、精密机械调制器、双路单元红外探测器、锁相放大器、A/D转换器和单片机等组成。在短波红外波段,由InGaAs探测器和积分球光源传递国家光谱辐照度标准灯的标准[15],对辐射计进行标定[7];在中波红外波段,用大面积标准黑体辐射源和腔型黑体辐射源,标定辐射计的光谱辐亮度。由数据统计分析,得出辐射计的光谱辐亮度响应度的不确定度[12,14]。     

一种红外目标模拟器黑体辐射源选型的计算方法

在光电系统测试中目标模拟器是必不可少的测试设备,黑体辐射源是红外目标模拟器的关键部件,它的选型直接影响着红外目标模拟器的性能。从黑体探测灵敏度与系统探测灵敏度的关系,推导出黑体辐射源的温度计算公式,以此计算黑体辐射源所需的最低温度点。通过仿真验证了计算方法的正确性,为黑体辐射源的选型提供了理论依据。     

基于三波段光学成像系统的地物辐亮度系数测量

为了对地面目标的辐亮度系数进行测量,研制了一套包含紫外、可见光和近红外三个波段的光学成像系统,用积分球对其辐亮度响应进行标定,得到辐亮度与图像灰度值和探测器积分时间的拟合方程。提出了一种地面目标辐亮度系数测量方法,采用两块不同辐亮度系数的漫反射板作为参照物,建立辐亮度方程组,最终求解得到的目标辐亮度系数表达式中将不含气象参数项。利用研制的三波段光学成像系统,对绿草地的辐亮度系数进行测量,使用辐亮度系数分别为0.99、0.50、0.20、0.10的四块漫反射板,测得草地的紫外、可见光和近红外波段的辐亮度系数分别为0.070、0.184和0.429。     

圆形渐变滤光片光谱辐射计辐射定标

基于分区线性法对圆形渐变滤光片型光谱辐射计开展辐射定标研究,以解决温度范围大、工作波段宽的测量目标对该类型光谱辐射计造成的非线性问题。所提光谱辐射计的主要技术原理是将待测目标的温度区间分为多个子区间,采集目标温度区间内多个不同温度黑体对应的测量光谱,并计算各个温度下的响应度函数。在进行红外光谱测量时,将目标光谱与区间内记录的不同温度点光谱进行比对,从而确定待测目标所属温度子区间的上下限。根据子区间计算的响应度函数,通过线性插值求得待测目标的响应度函数并进行辐射定标。基于该方法的实验结果表明,待测目标理论辐亮度与使用分区线性法进行辐射定标得到的辐亮度在波长范围内的平均偏差小于1%。通过定标结果反演测量黑体的等效温度,等效温度误差小于2%。     

太阳衰减屏光衰减非均匀性对星上定标的影响

利用定标光谱仪(SCS)实际光学系统参数,分析了经太阳衰减屏(SAC)衰减后的太阳漫反射板(SD)的出射辐亮度非均匀性来源。基于星上定标时刻漫反射板光谱辐亮度物理模型,结合实验室部分实测参数计算得到整年星上定标时段的漫反射板出射辐亮度角度变化规律,并与以实验室小发散角太阳模拟器作为照明光源测得的SCS漫反射板出射辐亮度随照明角度变化的规律进行了比较,验证了星上漫反射板定标时刻光谱辐亮度物理模型的正确性,且光通过太阳衰减屏照明漫反射板得到的出射辐亮度在SCS焦平面的能量非均匀性可优于0.47%/(°),满足SCS相对辐射定标对辐射源工作区域在其焦平面均匀性优于99.5%的要求。最后,根据实际应用状态,分析得到太阳衰减屏+漫反射板方式形成的星上光谱辐亮度标准面源量值不确定度可优于2.13%。     

可调谐地物光谱辐射源研究

介绍了一种以半导体发光二极管(LED)和溴钨灯为光源的光谱可调谐地面景物光谱辐射源,及其系统结构和控制系统设计。利用地物光谱辐射源模拟了大量不同地物光谱,在控制系统中建立了地物光谱数据库,引进了改进型遗传算法匹配出了光谱数据库中的500余种地物光谱。进而详细分析了几种典型地物的光谱匹配相似度,平均光谱匹配误差以及全波段,红,绿,蓝和近红外波段光谱匹配相似度。目标辐亮度为50W·(m2·sr)-1时,地物光谱辐射源平均光谱匹配误差在10%以内,最低可达6.0%;全波段光谱匹配相似度高于0.895,最高可达0.983;对于同一景物光谱红、绿、蓝和近红外波段(特别是绿光和近红外波段)光谱匹配相似度低于全波段,绿光和近红外波段光谱匹配相似度与红光和蓝光波段相比,最大低幅为50%。地物光谱辐射源能够用于光学遥感器的辐射定标,能有效解决光学遥感器的工作目标与定标光源光谱不匹配造成的定标误差。     

影响光谱辐亮度标定因素的分析

在利用漫反射板标定光谱辐亮度的实验装置中,标准灯完全可以近似为点光源。通过对进入光谱仪的辐射通量的数值积分,可以对应求出仪器的实测光谱辐亮度的计算公式。计算表明,实测光谱辐亮度并不等于漫反射板表面的光谱辐亮度,而有一个随标定条件变化的微小差值。通过计算,对光谱仪与漫反射板的距离、光谱仪入射挟缝的光轴与漫反射板法线的夹角以及标准灯与漫反射板的距离等影响光谱仪标定的因素进行分析,得到了最佳的标定条件。讨论了理想标定情况、光谱仪视场趋于一点的极限情况和采用实际的双向反射分布函数已知的漫反射板标定时,实测光谱辐亮度的计算情况。     

基于LightTools的大口径月球模拟器设计与准确度分析

为了满足月球敏感器和导航敏感器对月球目标的观测需要,设计了大口径高辐亮度月球模拟器,其有效辐照面积为Φ2 000mm.利用照明分析软件LightTools,通过建模与追迹方法对模拟器的月相、辐亮度和均匀度进行设计、仿真和分析.设计月相目标与月球亮度控制系统,对14种典型月相及其辐亮度进行实时控制,提出LED灯阵的辐亮度修正方法提高系统均匀度.测试结果表明:经过修正后,模拟器的辐亮度均匀度优于15.7%.该模拟器可作为月球观测目标供敏感器识别.     

空间调制干涉光谱成像仪的室外定标技术研究

空间调制干涉光谱成像仪通过干涉仪分光,在探测器上得到干涉条纹,经过软件复原后最终得到目标的光谱信息。发射前的室外辐射定标中的定标光源为太阳,可以有效地弥补实验室辐射定标时定标光源(太阳模拟器)短波波段辐亮度低,导致干涉光谱成像仪短波输出信噪比低、光谱复原精度低的缺点,通过室外辐射定标模拟遥感光谱仪探测地物目标的太阳反射光谱特性,可以得到地物目标的准确光谱信息,并与实验室定标的结果进行相互验证。经过理论研究和计算,使用了两种定标方法-大气漫射板测量法和标准传递辐亮度法进行室外定标,在大理的室外定标结果表明,大气漫射板测量法的定标不确定度为6.3%,标准传递辐亮度法的定标不确定度为6.0%。     

氧气吸收通道的高光谱传感器在轨光谱定标

通过对760nm氧气吸收特征的分析,构建波段半高宽分别为15、10、5和2.5nm的高光谱传感器模型,提出了四种光谱匹配类型和六种光谱匹配算法.基于MODTRAN辐射传输模型模拟出包含光谱偏移信息的测量光谱与参考光谱,计算出不同匹配类型和匹配算法的在轨光谱定标精度.结果表明,采用测量表观辐亮度和参考表观辐亮度作为光谱匹配类型,以相关系数作为光谱匹配算法的光谱定标精度最高.     

Infrared (IR) image synthesis method of IR real background and modeled IR target

An infrared (IR) image synthesis method is proposed for the synthesis of a real IR background and modeled IR target, used as IR signatures, as well as a band-transformation between short wave IR (SWIR), middle wave IR (MWIR), and long wave IR (LWIR) in an IR imaging system simulation. IR target images are created by the RadThermIR software, an IR signature prediction software. Individual radiances for IR signatures, corresponding to the max/min temperatures of a real IR background and modeled IR target image, are calculated with Planck’s law. First, an IR background of an arbitrary wavelength band is transformed to one of the other wavelength bands with the temperature-radiance characteristics. And then, after adjusting the gray levels of the arbitrary IR target signatures based on their radiances for the wavelength band of the transformed IR background, these IR target and background signatures can be synthesized as one image for a specific wavelength band. The experimental results show that the modeled IR target images, such as a modeled helicopter and F16, can be synthesized on the IR background images of three IR wavelength bands. And we confirmed that IR background images of the three IR wavelength bands can diversely be synthesized with the modeled IR targets as the setting temperature of the target and background, the target distance, and the field of view (FOV) arbitrarily.     

长波红外高光谱偏振特性的伪装目标识别方法

光谱偏振探测可以综合获得目标的光谱、强度、偏振态等参数，有利于改善对目标的探测和识别能力。本文介绍了基于红外高光谱偏振特性的伪装目标识别方法，搭建了长波红外高光谱偏振测量系统，开展了对两类伪装目标在不同温度下的高光谱偏振成像实验，获取了有效的实验数据并进行处理分析。结果表明：两类伪装目标即使涂覆相同的表面涂料，但受基底材料的热传导率影响, 在相同温度差异下红外偏振特性的提升量明显大于辐射亮度，并有着温差越大偏振特性提升量差异越大的规律，同时显示出波段选择性。利用两类伪装目标偏振特性提升量的差异，有效解决相同温度下伪装目标无法识别的难题。     

目标红外波段辐射亮度差通用计算方法

在采用NETD计算红外热像仪的探测距离时,需要计算目标在热像仪探测波段范围内的辐射亮度差.提出了一种红外波段目标的辐射亮度差通用计算方法,可提高利用NETD计算热像仪作用距离的准确度.     

红外烟幕遮蔽率及其分布表征方法

目标与背景的辐射对比度是红外系统探测目标的主要依据,也是烟幕干扰重点降低的一个参量。结合辐射对比度的定义和红外定标原理,由目标和背景的视在辐射亮度引入其视在辐射对比度,并与目标和背景热像图的灰度值关联起来。利用烟幕遮蔽前后与目标和背景视在辐射对比度变化相对应的热像灰度对比度的变化,对烟幕遮蔽率进行表征。用提出的背景灰度方法对干扰实验结果进行了表征,计算得到3组试验的背景灰度值分别为91.902 4、88.002 0、33.285 6,并获得了目标区域各像元遮蔽率的直观分布图,克服了以往以点代面的评价方法。     

近紫外到近红外光谱辐射计及定标方法研究

为实现目标光谱辐射亮度的高精度测量，研制了一种小视场近紫外到近红外光谱辐射计，光谱范围为300 nm~2 000 nm，光谱辐射亮度测量范围为50μW/cm2·nm·sr~1 000μW/cm2·nm·sr。阐述了近紫外到近红外光谱辐射计设计原理及关键部件，使用基于钨带灯的直接定标法实现了光谱辐射计光谱辐射亮度绝对定标，测量了标准积分球光源的光谱辐射亮度，测量值与积分球光源标准值偏差优于0.5%。     

垂直极化平行板有界波电磁脉冲模拟器辐射近场的快速估算方法

为快速估算出垂直极化平行板有界波电磁脉冲(EMP)模拟器的时域近场,将散射传递函数法应用于该类型模拟器近场的时域计算中,即对于给定的脉冲源,先寻找有效频谱范围能覆盖该源的高斯脉冲源,并应用时域有限差分(FDTD)方法计算该高斯脉冲源激励时模拟器中测试点场的时域响应,再利用傅里叶变换、系统的传递函数及傅里叶逆变换计算得到给定脉冲源激励时各测试点场的瞬态响应。所得计算结果与直接使用给定脉冲源激励时FDTD方法的计算结果符合较好。所述方法可用于同一模拟器在不同脉冲源激励时辐射近场的快速估算,能大大减少FDTD模拟计算的次数,尤其对于中大型模拟器能有效减少计算时间和内存。     

高光谱遥感器现场光谱定标精度验证方法研究

鉴于精确的光谱辐射定标精度验证对于高光谱遥感器的现场定标和数据应用非常必要,以SVC光谱辐亮度计为例,利用多波段辐亮度标准传递探测器和新型的光谱可调积分球参考光源,设计了一种高光谱遥感器光谱定标精度的验证方法。该方法利用新型光谱可调积分球参考光源在待测波段内分别输出光谱形状单调上升和单调下降的光谱辐亮度状态,通过光谱匹配技术,即平移改变SVC光谱辐亮度计的波长,分析比对MRSTD和SVC光谱辐亮度计测量辐亮度的相对偏差。比对结果为光谱定标验证精度优于±0.2 nm,辐射定标验证精度小于5%。     

Study on the Characteristic of IR Radiation from the Space Target

In this paper, based on the analysis of the thermal environment where the space target embeds and the study of thermal exchanges between the environment and the space target, the mathematics model of the temperature field for the space target is present by using the thermal network method. The temperature and radiant flux of the target surface are calculated, the characteristic of the distribution of temperature and IR radiation from the space target is discussed in detail.     

一种新型红外/紫外双色诱饵剂的光谱辐射特性研究

传统MTV型红外诱饵(以镁粉、聚四氟乙烯、氟橡胶为基本组分)的优点是其红外辐射总能量很高,可有效对抗传统热源寻的导引头。依靠燃烧高温产生光谱辐射的MTV诱饵,紫外波段和近红外波段辐射强度很高,红外中波段的辐射强度相对较低,而真实战斗机的紫外波段辐射强度较低,且其红外中近比一般大于1,因此,传统的MTV型诱饵无法对抗红外/紫外双色复合制导系统。根据光谱匹配原理设计制备了一种新型红外/紫外双色诱饵剂,基本组分为45%~75%的氧化剂(A₁/A₂)、10%~25%的燃料(B₁/B₂/B₃)、25%~50%的含能粘合剂(C₁/C₂/C₃)以及添加剂(D),使用CEA软件对药剂配方的燃烧产物进行了理论计算,通过计算结果初步确定诱饵剂配方中各个组分的含量;采用SR5000光谱辐射计、Tensor37遥感红外光谱仪测试其红外光谱辐射特性,并分别从测试原理和计算方法、测试环境的差异性以及测试结果的稳定性等方面分析了两种仪器测试获得的结果存在差异性的可能原因;采用S2000光纤光谱仪测试其紫外光谱辐射特性,测试结果与通过理论计算获得的战斗机紫外辐射强度较为吻合;采用Imager IR8325中波红外热像仪测试其燃温特性,结果表明该双色诱饵剂与真实目标具有较为接近的温度特征。实验结果表明,该诱饵剂的红外中近比为1<I_{3～5 μm}∶I_{1～3 μm}<3,3~5 μm红外辐射强度在0.9~2.5 kW·sr-1范围内可调,0.3~0.5 μm波段紫外辐射强度约为(20±5)W·sr-1,火焰温度在850~1 100 ℃之间,是一种性能优良的双色诱饵剂。