太赫兹技术的研究进展

 在波长范围跨越高达10个数量级的电磁波段中,波长介于30μm～1mm的太赫兹(Terahertz,THz)辐射,这一曾被称为“THz空白”的电磁波段领域,引起科学家越来越多的兴趣。太,是兆兆的英译音,所以太赫兹辐射又称为T射线,属于远红外、亚毫米波范畴。早在上个世纪初,科学家就对该波段产生了浓厚的兴趣,“Terahertz”一词首次由弗莱明(Fleming)于1974年提出,以用来描述迈克尔逊干涉仪的光谱线频率范围。但在过去相当长的时间里,由于缺乏有效的产生和检测方法,相对成熟的微波和光学技术,对该波段的研究进展相当缓慢。     

离轴三反红外双波段景象模拟器光学系统设计

 针对红外双波段成像系统性能测试与评估的应用需求,设计了3 μm～5 μm和8 μm～12 μm红外双波段视景仿真用离轴三反光学系统。在共轴三反光学系统成像理论基础上,分析了孔径光栏远离主镜的离轴三反系统像差特性,研究了大出瞳距、大相对孔径条件下离轴三反光学系统的结构设计和像差平衡方法。系统焦距为330 mm,F#为3,视场为6°×4.5°,出瞳距为750 mm,在空间频率10 lp/mm 处,中波红外MTF>0.65,长波红外MTF>0.4,接近衍射极限。具有大视场、大出瞳距、高分辨率、结构紧凑等特点。     

地面目标的中波红外高光谱成像特性测量

利用Telops公司设计的Hyper-Cam中波高光谱成像仪对水泥地上某坦克模型进行3～5μm波段的红外高光谱成像测量。对实验数据进行了逐像素点的大气校正。基于矫正后的实验数据,分析了仪器误差、随机误差、大气校正传递误差等对测试不确定度的影响。分析了该坦克模型在不同谱段上的亮度分布和模型上不同部位的光谱分布特性。结果表明：在波数为2 000～3 000 cm^-1波段,其相对不确定度一直稳定在10%以内,但是在大于3 000 cm^-1的波段,其误差迅速上升,主要因为常温物体的中波辐射低,在该波段目标辐射与大气路程辐射接近,而引起的噪声增大,造成的测试信噪比降低。该坦克模型光谱辐射亮度测试数据的平均相对不确定度在20%以内,整体误差较低。光谱分布上,坦克各部分特征点和水泥地表的光谱辐射亮度在波长为4.2～5μm波段时的差异性比波长为3.0～4.2μm波段时的差异性更大,且探测器接收到的4.2～5μm波段的光谱辐射亮度要大于3.0～4.2μm的光谱辐射亮度。由于4.3μm波段处于大气吸收带,大气透射率几乎为0,以至于无法获得目标的光谱辐射亮度的真实...     

红外线在夜视技术中的应用

 一、红外线及其物理特性红外线是一种电磁波,在电磁波谱中的位置是处于红外端,波长范围大致是0.76微米-1000微米。红外线与可见光、紫外线、Ｘ射线、γ射线及无线电波一起,构成了无限连续的电磁波。红外线除具有电磁波的一般性质外,还具有独特的性质。(1)红外辐射现象一切物体都会辐射红外线,物体的红外辐射与其本身的温度有着密切关系,物体的温度愈高,辐射电磁波的能量愈大。(2)红外线的热效应物体在辐射红外线的同时,还会吸收外界红外辐射的能量,当外界红外线辐射到物体上时,物体的温度就升高。(3)反射特性物体在不同波长红外线的照射下反射率各不相同。     

迅速发展的红外天文学

 1609年意大利天文学家伽利略发明了第一架天文望远镜,300多年来,人们一直用光学望远镜在可见光波段观测天体,认识宇宙,本世纪30年代,美国无线电工程师K.央斯基偶然发现了来自银河中心的宇宙射电波,开辟了大气的另一扇“窗口”,即射电窗口,迅速发展的射电天文学与光学天文学交相辉映,使古老的天文学大放异彩。60年代,天文学家又打开了可见光与无线电波之间的波长在0.7-1000微米的红外窗口,进一步拓宽了天文学的观测领域,推动了天文学的更快发展。     

燃烧喷焰的红外辐射特性分析

在探测燃烧形成的火焰目标时,由于不同红外波段辐射特性不同,不同波段下成像效果差异明显。以喷枪火焰为研究对象,用仿真与实验相结合分析了其在近红外(0.9～1.7 μm)、中红外(3.8～4.7 μm)、远红外(7.5～13 μm)三个波段下的红外辐射特性。从气体辐射理论出发,根据辐射传输方程对喷焰在0.9～1.7 μm、3.8～4.7 μm、7.5～13 μm三个波段下的红外辐射特性进行了计算和比较。通过辐射成像实验,对响应波段的辐射图像信息进行了采集,并与仿真计算结果进行了比对分析。结果表明:在640×512分辨率下火焰的中波红外成像目标像素约10 000个,包含了最多的信息量,其红外辐射强度最大,长波红外有效目标像素约7 000个,但其红外辐射分布最广且受环境影响最小,近红外成像像素约3 400个。为各类动力目标的探测和识别以及图像的融合、信息增强等提供了依据。     

复杂气象条件下机载中波红外系统对地目标探测识别仿真与运用研究

针对3～5μm机载中波红外系统复杂气象条件下对地目标探测识别问题,在理论研究的基础上,采用PcModWin大气仿真软件,进行了清洁大气、雾、云、雨等气象条件下的模拟仿真实验,分析了不同气象条件下不同距离范围内该波段红外辐射透过率分布曲线和峰值参数的变化规律,结合大气分子学理论,证明了探测角度、大气能见度、雾型、云层类型、降雨(雪)强度等,都是影响该波段机载红外系统对地目标探测识别效果的重要因素,提出了工程运用中应当采取的策略方法。研究结果对后续工程试验和运用实践具有指导作用,可提高该波段机载红外系统的应用效果。     

基于氧化物的0.8~1.7μm和3.7~4.8μm硬质宽带红外增透膜研制

从实际应用出发,在0°入射的条件下,在ZnS基底上针对0.8~1.7 μm和3.7~4.8 μm两个红外波段,设计并制备了双波段红外增透膜。论述了材料选择、膜系设计和制备方法,最终使用等离子辅助沉积技术在ZnS窗口上制备出双波段红外增透膜,透过率及环境测试结果表明：在0.8~1.7 μm波段双面平均透过率大于95%,在3.7~4.8 μm波段双面平均透过率大于96%。膜层结合牢固并有良好的耐摩擦性能。     

地球大气系统对红外目标探测影响的分析

利用SBDART软件包计算了不同地球大气系统下2．5～5μm波段范围内的大气透过率和地球大气背景红外辐射光谱。计算目标与地球大气背景之间的信噪比,并据此分析了地球大气系统对红外目标探测的影响。结果表明：当目标位于卷云之上时,在2．5～3μm波段与4～4．5μm波段信噪比较大,信噪比随着目标高度的升高而增大,易于探测;当目标处于卷云以下时,卷云对红外信号有较强的吸收作用,光学厚度对信噪比影响较大,粒子尺度对信噪比影响不大,卷云厚度越大,信噪比越小。     

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。     

基于非线性频率变换的长波红外激光器研究进展

8～12μm长波红外波段激光位于大气传输窗口并覆盖诸多气体分子的吸收带,在大气探测、光电对抗等领域具有重要的应用。目前,通过粒子数反转激光器直接辐射以及非线性频率变换间接辐射是实现8～12μm长波红外激光输出的主要方式。其中,基于非线性光学晶体频率转换的长波红外激光器具有结构紧凑、波长选择灵活、功率拓展性强等优势,近年来得到了快速发展和广泛应用。本文对二阶非线性频率变换的光学晶体、工作原理,以及获得长波红外激光的研究进展进行综述,并对基于受激拉曼散射的三阶非线性频率变换获得长波红外的方法进行了介绍和展望。     

压力作用下石英砂岩的热红外光谱变化与敏感响应波段

在实验室对石英砂岩进行单轴压缩加载,利用红外光谱辐射计(观测波段8～14μm)对加载过程中试样的红外光谱辐射变化特征进行观测,研究岩石红外辐射对应力响应的敏感波段。实验结果显示,当岩石被加载时,红外光谱随之发生变化,但不同波段变化特征不同,在8.0～11.5μm范围(尤其在8.6～9.1μm)石英砂岩的红外光谱辐射强度随载荷增加而增加,二者间近似呈两次曲线关系,且光谱辐射强度的"信噪比"较高;在其它波段光谱辐射强度与载荷的相关性差且"信噪比"较低。由此表明,8.0～11.5μm是石英砂岩红外辐射对应力响应的敏感波段,也是岩石应力与灾变红外遥感监测的优势波段,而最佳监测波段是8.6～9.1μm。     

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。     

地球临边大气红外辐射中太阳散射数值研究

为分析太阳散射辐射在地球临边大气红外辐射中的作用,基于地球与临边大气辐射传输与太阳散射模型,利用MODTRAN计算了中纬度冬夏两季在3~14μm红外波段的大气各组成辐射。针对3~5μm和8~14μm波段,计算了在不同的太阳角度下各大气模式下太阳散射辐射值及其所占总辐射的比例。结果表明在20°左右太阳角度下太阳散射辐射最强,且纬度越高、温度越低太阳散射辐射越强。在短红外波段太阳散射辐射为中长波段的30倍,短红外波段太阳散射辐射所占总辐射比例较高,最高可达80%,在中长波段比例低于0.1%,可忽略不计。     

云的红外辐射模型综述

介绍了云的分类和组成,以及云的红外辐射模型(包括二流近似、灰体近似和黑体近似模型),测量了云的红外光谱辐射。分析表明:二流近似模型可用于云层对太阳和大气中红外波段的反射、透射和云自身的辐射。黑体近似模型和灰体近似模型主要用于对云层较粗略的估算,灰体模型可近似描述8～12μm波段的辐射,且形式上比较简单,是一种常用的简化模型。     

太阳中微子失踪案和中微子振荡

 (续前)五、“中微子振荡”是物理学家的法宝按照粒子物理的标准模型,中微子质量为零,它们以光速运动。存在着3种不同类型(即3种“味”)的中微子:电子型中微子(记为νｅ),μ-中微子(记为νμ)和τ-中微子(记为ντ),它们之间彼此不相关,分别只同电子、μ轻子和τ轻子密切相关。不过,早在戴维斯等人公布首批氯探测器的探测结果的1968年,庞托科沃就提出了这3种“味”的中微子很有可能互相来回地转化,称为“中微子振荡”。在太阳内部的热核燃烧过程中产生的中微子都是νｅ。但它们在从太阳到地球的漫长行进过程中,νｅ不断地转化为νμ和ντ。     

多波长激光复合点目标运动模拟

 介绍了多光谱激光复合点目标运动模拟系统的构成和工作原理。该系统用于光电火控装备及成像导引头系统的研发及验证。3种激光波长（0.65 μm、0.808 μm、10.6 μm）可满足电视（0.4 μm～1.1 μm）和长波红外成像（8 μm～11.5 μm）光电跟踪系统的动态仿真测试。12 m半径1/4球幕在0.4 μm～12 μm宽波段漫反射率大于0.7,点目标运动范围:方位0°～ ±90°;俯仰0°～90°。该技术已用于车载防空光电火控系统半实物仿真试验评估中,跟踪精度从0.4 mrad 提高到0.2 mrad。     

基于气象卫星云图的红外吸收带火山特征分析

飞行目标在2.7和4.3 μm谱段附近具有较强的红外辐射，因此这两个波段是探测飞行目标的最佳波段, 但是由于这两个波段并非大气窗口，不被大多数遥感器包含。对这两个谱段的典型地物特性开展研究具有重要的价值，但由于缺乏必要的数据获取能力，经常面临数据缺乏的问题。世界范围内频频有各种程度的火山爆发，火山爆发时温度较高的火山口，是否对于天基红外探测系统典型目标探测有影响，其影响程度如何一直缺乏相关的分析和研究。基于大气辐射传输理论，利用多元统计分析得到波段转换模型，使用气象卫星已有波段获得红外吸收谱段数据。将火点像元视为明火和背景的混合像元，采用目标与背景分离的方式描述高温目标像元的热辐射。对高温目标辐射量，在气溶胶模式固定的情况下，选取观测天顶角、大气可降水量、大气廓线为自变量影响因子。对于背景辐射亮度关系，选取观测天顶角、大气可降水量、大气廓线、背景温度为自变量影响因子, 利用多元统计，建立相关模型。利用对地面热状态非常敏感的风云三号可见光红外扫描辐射计第3通道数据的统计特征探测火山口，获取高温目标在特定波段的表观多维特征并定量分析。火山的多维特征分析，主要从时间和空间两个维度展开。时间维度是对同一火山在不同时间的数据进行分析，空间维度上，主要统计火山口的辐射亮度和亮度温度的空间分布特征。一般气象卫星分辨率较低，单纯利用像元个数表示火山面积, 明显夸大了火山的实际面积，所以基于亚像元特性对火山进行分析，将混合像元火点视为明火和背景的组合，运用线性光谱混合模型，通过混合像元的辐射率精确计算火山高温点的面积和温度，提高定量分析精度。分析结果表明： 通过仿真手段结合多元统计分析方法建立高温目标的波段转换模型是一种可行的预研手段。在2.7~2.95 μm谱段，火山口在弱背景环境下可能会对高温目标造成干扰，而在4.2~4.45 μm谱段，火山口能量远高于一般地表类型，是不可忽视的干扰。     

空间目标地基观测红外辐射特性研究

构建空间目标辐射特性对于发展空间态势感知技术具有重要意义。本文针对空间目标红外辐射特性,基于有限元方法,采用非结构四面体网格研制了仿真程序,通过矢量坐标变换,计算得到了目标各表面受到的轨道外热流,并结合表面材料和双向反射分布函数（BRDF）对目标各表面温度和红外辐射特性进行了仿真,并与文献结果进行了对比。进而考虑大气衰减和背景辐射的影响,对地基探测条件下升轨和降轨弧段的目标光谱辐射强度进行了分析。结果显示：对于三轴稳定太阳同步轨道沿飞行方向固定式帆板卫星,各表面在阳照区和地影区内温度变化范围较小;使用8～14μm长波波段对目标进行观测的效果比3～5μm中波波段好;辐射强度最大值在770 W/sr左右;地基红外光谱探测受大气影响较大,需要对探测波段进行优选。     

一种“冻地”鸡血石相似玉石的宝石学及谱学研究

研究对象是一种与“冻地”鸡血石外观高度相似的玉石,该种玉石半透明“地”中含有橙红色矿物。利用X射线粉晶衍射仪、扫描电子显微镜、红外光谱仪、拉曼光谱仪对该玉石的宝石学及谱学特征进行研究。结果表明：该玉石“地”的主要组成矿物为有序度较高的地开石、橙红色矿物为雄黄;地开石晶体为自形假六边形片状,约15～20 μm,厚2～4 μm,粒径均一且形态一致,集合体在三维空间无序排列;部分样品“地”中含有少量黄铁矿、萤石、石英、方解石等矿物。“地”的红外光谱指纹区具有高岭石族矿物的主要特征峰,分别位于430,470,540,698,755,795,913,937,1 002,1 034和1 118 cm-1;官能团区以3 622,3 653和3 706 cm-1处的吸收峰为特征,3 622 cm-1吸收峰由内羟基OH1的面内伸缩振动引起,3 653 cm-1归属于内表面羟基OH2和OH4的同相伸缩振动;从高频峰到低频峰强度依次增大,且内表面羟基OH3伸缩振动引起的吸收峰位于3 706 cm-1,表明“地”为有序地开石;拉曼光谱测试表明“血”为雄黄,具有186,222,235,273,346和355 cm-1的特征拉曼位移,其中186和222 cm-1归属于S-As-S的弯曲振动,346和355 cm-1由As-S的伸缩振动引起;拉曼光谱同样可用于“地”的矿物组成研究,低频区具有133,241,266,336,436,463,747,792和914 cm-1的高岭石族矿物的特征位移,高频区可见三个与红外光谱相似的阶梯状谱峰,3 624 cm-1强度最大,归属于OH1的伸缩振动,次强峰3 646 cm-1由OH2和OH4的同相伸缩振动引起,归属于OH3的伸缩振动峰强度最小且位于3 706 cm-1,高频区拉曼位移特点指示“地”为地开石,且有序度较高,与红外光谱测试结论一致。尽管研究样品的“地”与“冻地”鸡血石的主要组成矿物相同,为地开石,且具有外观细腻、温润等特点,但其“血”并非辰砂而是雄黄,所以不应与鸡血石混淆,其正确的珠宝玉石名称应为“粘土矿物质玉”。