星载多波段红外光学系统的杂散辐射分析

引入反向蒙特卡罗法与双向蒙特卡罗法对红外光学系统的杂散辐射进行分析,基于光谱辐射传递因子导出了焦平面辐射能流计算式.以某星载多波段红外光学系统为例,在检验计算可靠性的基础上,模拟了各波段辐射能从地球背景和光机内壁面到焦平面的传播过程,分析了壁面吸收率与温度的影响.结果表明,采用双向蒙特卡罗法可有效地模拟辐射能从地球向星载光学系统焦平面的传播过程,采用反向蒙特卡罗法可容易地分析光机内部热辐射的影响;光机内壁面吸收率对视场外杂散辐射的传播有很大影响,温度高于250 K的光机内壁面热辐射成为主要的杂散光源.     

一种双波段成像系统的红外通道杂散光分析

为全面分析杂散光对红外系统成像质量的影响,设计了可见波段0.4 μm~0.7 μm、红外波段3 μm~5 μm,视场角均为2.27°×2.27°的共孔径成像光学系统。分析了杂散光来源,分别研究了带内与带外杂散光对其红外通道成像质量的影响。对于带内杂散光,设计了消杂光结构,采用FRED软件模拟分析了带内杂光抑制能力,结果表明:带内杂散光得到较好抑制,其鬼像影响可忽略不计,太阳杂散光抑制水平PST达到设定的10-8阈值量级。对于带外杂散光,主要研究了1.064 μm和2.6 μm两个波长带外激光对红外成像系统的影响,并利用有限元仿真计算,结果表明:系统反射镜温升达到703 K时,向外发出较强带内红外辐射,到达像面的辐射功率为0.195 mW,可对红外成像面造成强烈噪声干扰。     

利用蒙特卡洛法分析红外光学系统的杂散辐射

介绍了杂散辐射的概念及其对光学系统成像质量的影响。以一透视式红外系统为例,通过对系统的光机结构的合理简化,利用杂散辐射分析软件Light tools中已有的蒙特卡洛分析方法,对已建立的红外系统光机结构的三维模型进行光线追迹分析,得到了系统像面的照度分布结果。同时,基于辐射度学相关理论对该系统中各结构表面的热辐射进行了定量计算,分析了结构中不同组成部分对系统像面的杂散辐射影响,提出本文系统中前镜框内表面为主要杂散辐射源。针对分析结果,探讨了红外系统的杂散辐射抑制方法,提出的方法可为后续设计提供参考。     

制冷型红外光学系统温栏杂散辐射分析及消除方法

在致冷型红外光学系统中加入温栏会引入杂散辐射。杂散辐射包括温栏自身的辐射及对外部热光的反射。这两种辐射进入探测器后,会降低系统的信噪比和动态范围,影响成像质量。基于辐射及传热理论,提出温栏杂散辐射所引起噪声等效温差的计算模型,并研究了消除温栏杂散辐射的方法。用LIGHT TOOLS进行了光线追迹,对比分析了传统平面环状温栏和球面反射镜型温栏的杂散辐射,验证了理论推导的正确性和消除方法的可行性。结果表明,采用半径为30.3 mm的高反射率球型温栏代替原设计中的粗糙平面型温栏,控制其曲率半径和位置,可使由温栏引入的杂散辐射降低99%以上。     

非制冷型长波红外光谱仪的辐射定标方法

提出一种根据环境温度变化量补偿红外光谱仪系统输出灰度值的辐射定标方法。首先分析了在辐射定标和测量过程中红外光谱仪系统输出灰度值漂移的原因,推导出漂移变化量和环境温度辐射度变化量的函数关系;然后利用自主研发的非制冷型长波红外光栅光谱仪进行辐射定标实验,确定了实验室辐射定标方程和环境温度改变后通过补偿得到的辐射定标方程;最后通过实验验证了在不同环境温度下利用补偿后的辐射定标方程进行辐射测量的准确性。结果表明:在不同的环境温度下,通过漂移补偿可使光谱仪系统输出灰度值误差明显减小,其误差不超过2.4%,显著提高了非制冷型长波红外光谱仪对红外辐射的测量精度。     

根据环境温度测量制冷型红外成像系统内部杂散辐射

内部杂散辐射抑制水平是评价红外成像系统的一项重要指标。由于内部杂散辐射与环境温度有关,其测量过程必须在多个环境温度下进行,存在成本高、时间长且实验设备要求高等缺点。针对上述问题,通过建立多积分时间定标模型,研究环境温度对内部杂散辐射的影响,提出一种采用环境温度测量制冷型红外成像系统内部杂散辐射的方法。该方法通过对制冷型红外探测器定标,获取探测器内部因素对系统输出的影响,结合系统在某一环境温度下的定标结果解算系统内部杂散辐射与环境温度的定量关系,进而计算系统在任意环境温度和积分时间下的内部杂散辐射。通过辐射定标实验验证该方法的有效性,实验结果表明该方法可以实现对制冷型红外成像系统内部杂散辐射的高精度测量。     

光学读出非制冷红外成像技术的光学灵敏度分析

不同于传统的非制冷红外成像技术,提出了基于微电子机械系统(MEMS)的新概念光学读出非制冷红外成像技术。它的光学读出系统基于空间刀口滤波原理,具有高灵敏度、高分辨率和高抗震性等优点,但同时也受到了反光板的弯曲变形、粗糙度等复杂因素的影响。在大量实验数据的基础上,利用夫琅禾费近场衍射理论,建立了复杂因素下光学灵敏度的理论分析模型,详细分析了刀口滤波位置、反光板的长度、曲率半径、粗糙度、LED光源的强度以及扩展宽度等对光学灵敏度的影响,并提出了通过极限操作使系统的光学灵敏度最大化的光学优化方法。     

大型军用红外成像模拟器辐射校准方法研究

在采用红外辐射计开展大型军用红外成像模拟器视场光阑变化时的辐射校准时,需要采用像斑未充满探测器的测量模式.然而,现有研究未考虑该测量模式下标定和测量成像不一致对测量结果的不利影响,导致大型军用红外成像模拟器视场光阑变化时的辐射校准引入较大测量误差.针对上述问题,首先理论研究不同成像状态下探测面响应非均匀性问题对响应电压...     

基于球面反射温阑的红外探测器变f数设计

制冷型红外探测器f数由冷阑尺寸和位置决定,在冷阑附近加温阑可以改变探测器f数,但是会引入大量杂散辐射.为解决这一问题,提出一种基于球面反射温阑的红外探测器变f数设计方法.建立了温阑红外辐射模型,分析普通平面温阑引入的杂散辐射及其对探测器性能的影响.在此基础上提出球面反射温阑的设计方法,通过改变表面形状和发射特性,降低温阑引入的杂散辐射,以保证探测器变f数后的性能.为验证本文方法,设计球面反射温阑和普通平面温阑改变某制冷型探测器f数,在高低温试验箱内进行辐射定标实验测量两种温阑引入的杂散辐射,比较二者对探测器的影响.分析和实验结果表明,球面反射温阑引入的杂散辐射远小于普通平面温阑,引入的噪声等效温差也较小,能够更好地保证红外系统的成像性能.     

根据环境温度进行红外成像系统漂移补偿

采用红外成像系统进行目标辐射特性测量时,环境温度变化引起的输出灰度漂移是一项重要的误差来源。通过研究环境温度对制冷型红外成像系统输出灰度的影响机理,提出了一种直接根据环境温度对输出灰度漂移进行补偿的方法。分析了红外成像系统灰度漂移来源,推导了漂移量与环境温度的函数关系,建立了理论模型,并在此基础上提出一种简便的漂移修正方法。通过辐射定标实验对该方法的有效性进行验证,结果表明,提出的方法不仅保证了红外系统测量精度,而且在系统线性响应范围内可以直接通过计算实现任意积分时间下的漂移补偿,提高了辐射定标和测量效率。     

近红外高精度光辐射标准探测器的实验研究

在594nm和785nm两个波长上,用以低温辐射计标定过的陷阱探测器作为基准,对两个响应未知的陷阱探测器进行了绝对标准的传递。为此建立了一种辐射定标的新型测量光路,估算和分析了在光路调整时影响测量精度的关键环节,其中包括光功率传输效率以及光路色散效应的影响。分析了在传递过程中各主要环节的不确定度,总传递不确定度小于0 045%。     

基于红外辐射特性系统实现对面目标测量

地基红外经纬仪是测量空间军事和科学目标红外数据的重要手段之一。随着现代武器技术在隐身上方面的快速发展,面源体测量越显重要,而辐射亮度是面源红外作战的关键性指标。因此研究可靠的面积分析方法和辐射亮度计算方法对测试航空目标的隐身性能以及研制面源红外假目标具有重要的意义。本文提出一种简单可靠的面目标的提取方法,并利用该面源提取方法在某600 mm口径的红外经纬仪上进行辐射测量,测量数据经大气修正后将与标准亮度值进行比较。实验结果表明,利用本文提出的方法反演的辐射亮度的最大误差为11.38%,均方根误差为7.36%。     

红外光学系统内部构件热辐射分析

红外光学系统的内部构件由于呈现于光路之中,其表面热辐射将会通过光学系统到达探测像面而引起背景辐射噪声。本文利用LightTools分析软件对一套折反式红外光学系统内部机械构件的主要表面的热辐射进行了分析,得到了探测像面接收到的热辐射的量级。分析了三种不同的表面反射率的情况,能够用于指导如何进行表面处理和结构设计的改善。     

Spherical warm shield design for infrared imaging systems

The F-number matching is the primary means to suppress stray radiation for infrared imaging systems. However, it is difficult to achieve exact F-number matching, owing to the restriction from detectors, or multiple F-number design. Hence, an additional shield is required to block the certain thermal radiation. Typical shield is called flat warm shield, which is flat and operates at room temperature. For flat warm shield, it cannot suppress stray radiation while achieving F-number matching. To overcome the restriction, a spherical reflective warm shield is required. First of all, the detailed theory of spherical warm shield design is developed on basis of the principle that stray radiation cannot directly reach the infrared focal plane array. According to the theory developed above, a polished spherical warm shield, whose radius is 18 mm, is designed to match an F/2 infrared detector with an F/4 infrared imaging system. Then, the performance and alignment errors of the designed spherical warm shield are analyzed by simulation. Finally, a contrast experiment between the designed spherical warm shield and two differently processed flat warm shields is performed in a chamber with controllable inside temperatures. The experimental results indicate that the designed spherical warm shield cannot only achieve F-number matching but suppress stray radiation sufficiently. Besides, it is demonstrated that the theory of spherical warm shield design developed in this paper is valid and can be employed by arbitrary infrared imaging systems.     

制冷型长波红外光学系统设计

针对640×512长波红外制冷型探测器,设计了一种制冷型长波红外光学系统,用于对目标的红外跟踪探测。该光学系统采用二次成像结构以达到100%冷光阑效率,采用锗和硫化锌玻璃材料相结合,实现了像差校正和消色差设计,通过引入高次非球面,很好地校正了系统的高级像差,简化了系统结构。光学系统由6个镜片构成,焦距为400 mm,工作波段为7.7～9.3μm,视场角为1.37°×1.10°,F数为2。设计结果表明：在空间频率33 lp/mm处,轴外视场MTF>0.24,接近衍射极限,具有较高的成像品质。在-35～+55℃工作温度范围内,通过内置调焦镜调焦来保证高温、低温环境下的成像质量,可用于宽温度范围内的红外跟踪探测。     

红外全景扫描跟踪成像系统设计与实现

针对红外搜索跟踪系统中全范围快速搜索和跟踪成像视场不同的问题,采用线列探测器配合高速转台和高均匀性扫描器,设计实现了一种360全方位搜索和跟踪的成像系统。实验结果表明,该系统成功实现了360全景扫描,在搜索到目标后可快速转入跟踪成像,由搜索转入跟踪成像状态的稳定时间小于1.94 s,系统性能指标达到实用要求。     

辐射测量中的成像效应

明确了辐射的非成像测量和成像测量之间的差异并给出数学表述, 才能够把已经成熟的非成像辐射测量方法推广至成像测量. 本文从辐射测量的基本公式以及成像下目标微元与传感阵列像素的对应关系出发, 分别建立了关于辐射的非成像和成像测量式.根据成像面的存在不会改变辐射传输的事实, 比较非成像测量式和成像测量式后, 可得到成像效应的数学表述. 把成像效应与针孔和透镜两种成像技术结合后的分析指出: 成像效应的主因是成像光轴角, 辅因是测量天顶角; 辅因作用的大小取决于测量天顶角与发射天顶角的差异度. 关键词： 辐射测量 辐射测温 成像效应