Development of scattering near-field optical microspectroscopy apparatus using an infrared synchrotron radiation source

We report the status of a scattering near-field microspectroscopy apparatus developed at SPring-8 using an infrared synchrotron radiation (IR-SR) source. It consists of a scattering type scanning near-field optical microscope and a Fourier transform infrared spectrometer. The IR-SR is used as a highly brilliant and broad-band IR source. This apparatus has potential for application in near-field spectroscopy with high spatial resolution beyond the diffraction limit. In order to eliminate background scatterings from the probe shaft and/or sample surface, we used higher harmonic demodulation method. The near-field spectra were observed by 2nd harmonic components using the lock-in detection. The spatial resolution of about 300 nm was achieved at around 1000 cm^? 1 (10 μm wavelength).     

空间目标的可见光散射与红外辐射

利用Lowtran7大气传输模型计算了0．4～0．8μm可见光波段的太阳辐射、大气自身的热辐射以及天地背景辐射。利用粗糙面光散射理论与双向反射分布函数计算了空中目标表面对太阳辐射、云层对阳光反射的散射。并利用传热学和背景辐射理论，根据能量守恒定律建立了空间目标表面温度的热平衡方程。以气球为例，计算了不同表面涂层材料的气球在不同地理位置、不同高度、不同时间、温度及辐射功率的变化。分析了空间目标红外辐射特性的一般规律和特征。     

一种红外搜索系统中弱小目标自适应检测算法

为解决红外搜索系统中场景起伏造成的背景预测不准确这一问题,提出了一种自适应调整的空间滤波方法。该算法在估计背景的同时,对背景残差进行计算,根据残差值调整滤波参数,使背景残差趋于最小,以适应背景的起伏。当背景包含较多复杂因素时,不利于目标提取,多尺度形态学算子通过不同尺度不同形态的结构体参与计算,可以全面地估计背景,进一步抑制背景残差,再通过计算图像全局阈值,自适应分割出潜在目标。采用并行运算,可将算法实现于现场可编程器件(FPGA)上。试验结果表明:即使当场景较复杂,场景信噪比较低时,依然可以使处理后的图像信噪比大于3,从而可显著提高红外搜索系统的检测概率,实现弱小目标的检测。     

基于红外光谱分析的小温差物体距离估计

基于辐射传输特性的目标距离估计作为一项典型的被动测距技术,是目前光电对抗领域的一个研究热点。在测距过程中无需向外界发射能量,使得这种探测方式极大地增强了导弹或无人机的隐身能力和突防能力。针对现有被动测距系统不适用于对迎面而来目标物体实施被动距离估计的不足,提出了一种改进的小温差目标距离估计方法。在引入了信号传递函数概念的基础上,明确了当前算法的工作曲线,指出这种方法的非线性会导致目标距离估值不唯一的风险。本文应用非线性校正技术,构造了新的距离估计算法。得到了一个利用3~5和8~12 μm双波段红外传感信息,目标背景温度和气象条件的测距公式。研究表明,当目标与背景表观温差等于5 K、而背景温度估计偏差不超过±5 K时,目标距离估计误差可控制在10%左右。     

制冷型中/长红外双波段双视场全景光学系统设计

为了同时探测中波红外和长波红外两个波段信息,实现两个不同视场快速切换,采用空间多镜头图像拼接全景成像法,设计了四通道制冷型中/长红外双波段双视场全景成像光学系统。该全景系统由周视方向3个互成120的红外物镜和顶视方向一个红外物镜构成,每一个成像通道光学系统采用二次成像结构。F数为2,工作波段为中波3.5 m～4.8 m、长波7.8 m～9.8 m,双视场两档焦距之比为5,通过轴向移动变倍组可以完成122/44.49双视场转换。利用折/衍混合器件及非球面设计技术,采用光学被动式消热差法对光学系统进行了温度补偿。设计结果表明,该双视场光学系统具有100%冷光阑效率和良好的冷反射抑制能力。在-40℃～+60℃范围内,在奈奎斯特频率18 lp/mm位置处,中波红外系统MTF值均大于0.5,长波红外系统MTF值均大于0.3。     

空间目标的可见光散射与红外辐射

利用Lowtran7大气传输模型计算0.4～0.8μm可见光波段的太阳辐射、大气自身的热辐射以及天地背景辐射.依据粗糙面光散射理论与双向反射分布函数计算空中目标表面对太阳辐射和云层对阳光反射的散射.利用传热学和背景辐射理论,根据能量守恒定律建立空间目标表面温度的热平衡方程.以气球为例,计算不同表面涂层材料的气球,在不同地理位置、不同高度和不同时间条件下,其温度及辐射功率的变化.分析空间目标红外辐射特性的一般规律和特征.     

分孔径中波红外多光谱成像光学系统的设计

为了同时获得目标的红外图像信息和光谱信息,设计了一种分孔径中波红外分波段成像光学系统。该系统可将位于成像器前方不同波段的目标红外场景通过分孔径方式成像到红外制冷型探测器的4个区域上。该系统通过内部分孔径的办法,在不同通道内放置滤光片的方式,实现在一个探测器上对3.5 μm~4.1 μm、4.4 μm~5 μm、3.5 μm~5 μm、4.4 μm不同波段的目标同时成像。该系统F数为1.93,单通道的焦距为60 mm,MTF接近衍射极限,同时实现了在-40℃~+60℃的无热化需求,可以满足应用和指标需求。     

污染气体扫描成像红外被动遥测系统实时数据处理研究

使用红外被动遥测技术可实现污染气体的远程监控和预警. 该技术应用过程中, 获取背景辐射是进行定量解析的关键, 在已有的应用中, 多采用同条件测量法和上风口测量方法获取背景光谱和环境光谱, 但这些方法均需要提前或者同时测量无目标物的背景光谱, 难以在实际应用中满足快速响应的需求. 本文基于红外辐射传输模型分析, 通过研究在800–1200 cm^-1波段内的实测光谱中同时包含目标、背景和环境辐射的基本原理, 采用了一种不需要事先测量背景的目标特征的背景光谱实时提取算法, 通过将该方法应用于自主研制的污染气体扫描成像红外被动遥测系统, 以六氟化硫为示踪气体, 开展了遥测验证实验. 将获取的浓度数据与应用同条件测量法获取的数据进行了比较, 结果显示两者的相关系数平方值达到0.99, 表明该方法切实可行, 可有效提高系统的响应速度和适用范围. 关键词： 傅里叶变换红外光谱 被动遥测 实时光谱提取算法     

迎头方向隐身导弹红外辐射特性分析北大核心CSCD

隐身导弹应用红外隐身技术将降低导弹被红外探测系统的发现概率。通过以AGM-158C导弹为参考,对迎头观测方向目标的红外辐射特性,包括目标蒙皮、目标蒙皮反射周围背景和目标尾焰的红外辐射强度进行估算,并与典型亚音速导弹红外辐射特性的数据进行对比分析。分析结果表明:红外隐身技术可以明显降低导弹的中、长波红外辐射,尤其是中波波段的红外辐射;红外探测系统设计时尾焰探测通常选用中波红外探测器,弹体探测通常选用长波红外探测器;隐身导弹采用红外隐身技术将提高导弹的突防能力。     

太阳对成像型天基激光告警系统的影响

针对成像型天基激光告警系统中的太阳背景辐射问题,通过理论分析和数值计算研究了太阳与系统探测器不同空间位置关系时直射太阳光和地球反射太阳光对系统成像信噪比、威胁激光检测、探测器自身安全的影响.结果表明:太阳光是天基激光告警系统的主要背景辐射,地球反射太阳光是系统红外探测器成像的主要背景光|反射太阳光辐照在探测器像面上的最大能量密度为0.97 mJ/cm2,反射太阳光背景下,攻击激光成像信噪比在103以上,信标激光信噪比小于1,反射太阳光对攻击激光检测没有影响,对信标激光成像是强背景干扰|直射太阳光辐照探测器是系统不可避免的情况,太阳成像光斑功率密度最大时约20 W/cm2,将导致探测器像元饱和甚至损坏|太阳成像光斑特征与入射激光相似,会造成系统严重虚警.     

快速无参数背景建模的红外目标检测方法研究

针对复杂背景红外图像序列目标检测的难题,给出了一种用于红外监控系统中入侵目标检测的背景建模方法。应用特征样本集为每一个像素建立统计无参数样本集模型,根据核函数估计计算每一个像素值对模型的符合概率。使用双阈值进行目标检测和模型更新,将图像分为三类:可靠背景、感兴趣区域和不可靠背景。通过不可靠背景类提供的信息进一步将感兴趣区域细分为入侵目标和错误检测。对几种红外图像序列仿真实验表明,该算法不仅可以比较精确的检测显著入侵目标,对于容易淹没在噪声中的弱小入侵目标也可以实现准确地检测。     

水雾强弥散条件下高温温场多光谱成像反演

高浓度水雾条件下的表面高温温场反演测量在航空航天、冶金铸造等工业领域有着重要的应用。由于水雾的弥散作用,高温表面的辐射透过水雾后,会出现强烈的衰减和散射,导致传统辐射测温方法出现很大误差。现有水雾弥散条件下的温场反演测量主要包括基于试验数据反推及实时测量水雾参数进行修正的测量方法,并基于辐射传输理论对测量结果进行误差分析和评估,测量方式多为单通道或双通道点辐射测温。基于水雾场红外光谱辐射特性的计算,提出了一种水雾强弥散条件下表面高温温场多光谱成像反演方法;根据辐射传输理论,考虑强弥散条件下的邻近效应,建立了相应的反演模型。在水雾场相关参数未知的情况下,通过三个透过水雾场后的高温目标长波红外光谱辐射图像,反演得到表面高温温场的真温分布。反演第一步是辐射温度场反演,即通过长波红外辐射图像,根据定标曲线和高温目标的光谱发射率先验数据,得到高温目标透过弥散水雾场经过发射率校正的辐射温度场;反演的第二步是根据三通道非线性反演模型,得到目标的真温温场分布。设计了一个长波红外三光谱通道反演测量装置,中心波长分别是8.8, 10.7和12.0 μm,对高温目标进行三个长波红外光谱通道的同时探测成像。设计了一套验证测试装置,利用标准高温黑体源和水雾弥散设备,进行了高温目标水雾弥散条件下的辐射图像采集和目标温度的反演试验。试验结果表明8～14 μm长波红外波段比短波波段对水雾弥散具有更强的抗干扰能力,在1 100和1 200 ℃典型温度点反演的平均误差在7%左右,大大减小了未经校正的辐射传输失真,适用于黑体和灰体高温目标,且无需水雾场的浓度和粒径分布等先验信息,基于多光谱成像信息的水雾弥散条件下温场反演方法具有一定的普适性和创新性。     

辐射背景对岩石受力热红外光谱变化影响的实验研究

研究表明,岩石在加载过程中表面的红外辐射随应力发展而变化,而辐射信息的有效提取与辐射背景存在密切关系。通过理论分析不同实验环境对岩石受力热红外光谱变化影响,开展了花岗岩在室内外环境下的受力热红外光谱观测实验,分析了不同辐射背景下岩石红外辐射与应力的相关性以及由应力引发的辐射变化信息的强弱差异,并对两种环境下岩石应力热红外探测的优势波段进行了对比分析。结果表明,辐射背景对岩石受力热红外光谱探测结果有重要影响,室外环境因背景辐射较弱,相同应力作用下的红外辐射变化更加显著,与应力之间的相关程度更高,优势波段区间更宽,更加有利于岩石应力的热红外探测。8.0~11.8 μm波段是利用热红外遥感监测地表花岗岩应力变化的优势波段。     

飞艇红外探测系统探测高超声速目标性能研究

以X-51A为例,研究了飞艇红外探测系统对临近空间高超声速目标的探测性能。首先,根据飞行器的飞行状态和飞行高度建立了临近空间高超声速目标不同波段的红外辐射特性模型,以及随高度变化的目标背景红外辐射强度模型;其次,综合考虑飞行器与飞艇高度、地球曲率及红外辐射在大气中传播的波段选择性等因素,建立了红外辐射在临近空间大气中传播的透过率模型;在此基础上,建立了飞艇红外探测系统对高超声速目标的探测距离模型。通过仿真得到了临近空间高超声速目标在不同飞行状态下3个波段的红外辐射强度随目标飞行高度变化的曲线,以及飞艇红外探测系统对飞行器在不同飞行状态下3个红外辐射波段的探测能力。研究结果表明:飞艇红外探测系统对高超声速目标的有效探测距离可以达到百公里量级;当飞行器飞行状态一定时,随着飞行器飞行高度的增加,系统对目标的探测距离先增大后减小;与长波波段相比,中短波波段的探测距离更大,并给出了临近空间飞艇应尽量布置在海拔高度大于18 km的高空中的部署建议。     

Infrared imaging characteristics of space-based targets based on bidirectional reflection distribution function

A modeling method of infrared imaging characteristics of a space-based target was presented. Background radiation environment of a space-based target was analyzed and the background radiation mainly consists of direct radiation of the sun, thermal radiation and reflected radiation of the earth. The target surface was divided into regions based on geometrical shape and surface material characteristics and a surface equation of each region was built based on its body coordinate system. Each region was divided into meshes supposing that each mesh is a micro-plane. A bidirectional reflection distribution function (BRDF) model considering the characteristics of surface Gauss statistics and self-shadow was introduced to describe reflected infrared of each mesh of the target surface. The emitted infrared radiation of each mesh of the target surface was described according to its thermal equilibrium temperature. Then a mathematical model on infrared radiation imaging characteristics of the space-based target was built in terms of the given infrared detector. The relative positions of the space-based target, the background radiation sources and the detector are determined by orbital parameters based on coordinate conversion. Visual surfaces of the target to observation system were determined by vector coordinate method. Simulation of optical imaging characteristics of the target in orbit was achieved according to its given geometrical dimensions and physical parameters. The results show the method is feasible and robust for infrared characteristics of the space-based target when single reflection is considered and its surface is regular and can be described in a surface equation. It can provide a facility to real-time analysis of infrared imaging characteristics of the space-based targets.     

Boson peak, flickering noise, backscattering processes and radiative transfer in random media

The method of matrix Green’s functions in the classical theory of electromagnetic waves is stated. This method allows to obtain a closed equation system in the presence of the random media for the calculation both coherent, and incoherent (fluctuating) components of radiation. The density and heterogeneity of scattering media can be arbitrary. The coherent channel is calculated independently. The fluctuating radiation distribution in the medium is developed initially by an interference pattern generated by the coherent channel. The limitations of the processes speed are absent. The theory embraces such phenomena as the boson peak, flickering noise, memory effect, backscattering processes and also conventional radiative transfer equation and Fresnel’s formulae.     

A calibrator for low background infrared bolometers

A calibration system is described which is suitable for measuring, under laboratory conditions, the optical responsivity of infrared cryogenic bolometers developed for low background purposes, such as infrared astronomy from balloon or satellite platforms. The system consists of a series of diaphrams which reduce the optical throughput of the instrument by a known amount. In this way both a background simulating the inflight conditions and a calibration signal are generated using the ambient temperature blackbody radiation. The design, practical realization, and application of a calibrator of this kind are described.     

一种应用距离选通成像技术的微光望远镜

利用红外波长的激光对微光系统进行辅助照明,改善目标区域的环境照度和对比度,使目标从视场中凸显出来,提高微光系统的探测距离,改善观察效果。采用距离选通技术,合理匹配激光脉冲与选通像增强器的工作时序,屏蔽目标前后非目标反射光以及来自大气中悬浮微粒产生的杂散光干扰,解决同轴照明后向散射问题,达到只观察选定距离内目标的目的。通过微光选通望远镜的工程实践,将激光距离选通技术成功地运用于微光探测领域中,在无月星光,照度为110-3lx,大气能见度为10 km条件下,对中型坦克或卡车侧面目标的识别距离可达到1 400 m。     

Infrared emission spectroscopy of CO on Ni

We report the first observation of thermally emitted infrared radiation from vibrational modes of molecules adsorbed on clean, single crystal metal surfaces. The observation of emission from CO adsorbed on Ni demonstrates the surface sensitivity of a novel apparatus for infrared vibrational spectroscopy, with a resolution of 1 to 15 cm^?1 over the frequency range from 330 to 3000 cm^?1. A liquid helium cooled grating spectrometer measures the thermal radiation from a room temperature, single crystal sample, which is mounted in an ultrahigh vacuum system. Measurements of frequencies and linewidths of CO on a single crystal Ni sample, as a function of coverage, are discussed.     

目标探测的信噪比分析

从黑体辐射理论出发，分析空间目标超光谱探测时的影响因素。计算太阳对目标的表面辐射,利用大气传输模型分析软件——MODTRAN分析计算在可见光到近红外范围的天空漫反射辐射，给出了成像光谱仪接收到的目标辐射能量和背景辐射能量的计算方法，同时考虑探测器得到噪声的种类,给出主要噪声源的计算方法,从而推导出光谱仪接收到的以电子数为基本单位的信噪比一般表达式。通过分析表达式中的各种因素对信噪比的影响，提出得到较高信噪比的可行方法,从而更清楚地分辨物体。