空间目标的地基红外辐射特性测量技术研究

提出了一种基于望远镜内部定标黑体与大气层外已知光谱特性的红外自然星体作为参照基准的地基大口径望远镜联合定标方法,在此基础上建立了相应的辐射度测量数学模型,以实现对空间目标的高精度红外辐射特性测量。内部定标黑体用于得到大口径望远镜后半光路系统对应探测器的各个像元响应度,外部标准红外自然星体用于估算大气层外目标附近大气与望远镜前半光路系统的等效透射率。在地基1.2m口径望远镜上对大量特性已知的红外自然星体辐射强度测量实验表明,当目标附近具有较强能量红外参考星情况下,如红外参考星在3~5μm波段大气层外辐照度高于1×1016 W/cm2量级,目标红外辐射强度测量不确定度能够优于15%。该方法能够克服大气程辐射、消光及高质量大口径辐射定标源对大气层外目标红外辐射强度测量不确定度的影响,适合于地基大口径望远镜红外光电测量系统的辐射定标与大气层外空间目标红外辐射特性高精度测量。     

红外恒星辐射在标校中的应用研究

地基测量设备在出厂前通常进行精确的实验室标定,但是实际使用过程中,测量环境、使用时间,以及器件本身老化等因素使得设备输出响应发生变化,影响测量精度,因此需要定期对设备进行现场标校。提出了一种利用红外标准恒星辐射光谱对地基测量设备（主要是光谱仪）进行辐射标校的新方法,以校准因时间、环境等因素导致的系统输出响应偏差。     

地基红外辐射测量系统联合辐射定标法

基于红外标准星和内部黑体标定源的联合辐射定标法可提高空间目标的红外辐射测量精度。黑体标定源位于红外辐射测量系统内部,用于定标光学系统响应率。依据大气消光模型,采用天文孔径测光法,通过观测不同仰角处的多颗具有较高光谱分辨率的红外标准星得到大气消光和系统透过率系数。700mm口径地基中波红外辐射测量系统验证性实验的结果表明,在恒星图像曝光充分的情况下,联合辐射定标法的恒星辐照度反演误差优于11%。联合辐射定标法操作简单、成本低,可随时对测量设备进行现场标校。     

采用低温面源黑体实现红外系统宽动态范围定标

针对大口径地基红外辐射测量系统在辐射定标时存在定标时间长、成本高和设备机动性差等缺点,提出一种仅采用低温面源黑体实现红外系统宽动态范围定标的方法.首先对红外系统中的衰减片进行标校,测量其实际透过率并计算其辐射量;然后采用低温面源黑体在两个积分时间下分别进行辐射定标,根据定标结果解算系统响应率、杂散辐射和探测器自身偏置;结合标校获得的衰减片特性对低温定标结果进行外推,即可获得宽动态范围定标结果.为验证该定标方法有效性,分别采用该方法和通用的高温黑体加大口径平行光管定标法,对Φ600mm红外系统进行宽动态范围辐射定标实验.实验结果表明:本文方法的宽动态范围定标误差小于10.25%,能够满足该系统的辐射定标精度要求.该方法只需要一个低温黑体即可实现红外系统的外场宽动态范围辐射定标,操作简单、实时性强,具有一定的应用价值.     

大气红外辐射及消光特性实测研究

应大口径红外望远镜选址需求,研制了一台红外辐射测量设备,对丽江天文观测站及澄江M′波段(4.605~4.755μm)大气红外辐射与消光特性进行了实测。用Allan方差法和大气辐射传输方程分别对大气辐射的时间和空间变化数据进行了分析,讨论了辐射时空变化对红外天文观测的影响。结果表明,低频区的辐射涨落较大,Allan方差随积分时间呈指数增加,丽江和澄江的Allan方差拟合参数分别为0.794和1.238。从天顶到60°天顶角,丽江和澄江站的辐射亮度分别增大了68%和72%,透过率分别降至0.46和0.52;红外天文观测需斩波,在丽江站,探测器单像元、2×2Binning、4×4Binning最佳斩波频率分别为0.030,0.070,0.144 Hz。实测所得Allan方差、大气消光、最佳斩波频率可用于指导大口径红外望远镜的选址及设计。     

地基大口径红外光电设备快速辐射定标EI北大核心CSCD

在地基大口径红外光电设备的多目标分时观测中,为了消除环境因素对系统绝对辐射响应度的影响,在观测间歇快速地完成红外光电设备的辐射定标,研究了快速辐射定标方法。建立了定标实验的数学模型,确定了实验流程;以标准红外自然星为辐射定标源对红外光电设备的绝对辐射响应度进行了定标,并测量了大气透射率;对已知辐射照度的自然星进行观测,并通过定标实验得到的参数进行反演计算。数据表明,基于快速辐射定标方法的目标辐射照度反演最大相对误差为18.93%,定标实验占用时间约为4 min。作为对比,基于面源黑体定标光学系统并应用Modtran软件计算大气透射率的传统方法,反演最大相对误差为28.74%,定标实验占用时间约为17 min。结果表明,与传统方法相比,快速辐射定标方法的实验占用时间显著缩短,目标反演误差明显降低;系统不需要匹配面源黑体,大幅降低了成本。     

机载FTIR地球大气红外背景辐射光谱特征研究

介绍了机载傅里叶变换红外(FTIR)光谱仪测量地球大气红外背景辐射的实验过程,对地球/大气的红外背景辐射进行了详细的分析,给出了描述这一辐射过程的理论表达式,证明红外背景辐射主要取决于地表温度、地表发射率、大气透过率和大气温度这四个参数。在理论分析的基础上,对不同观测高度、不同地物背景的实测光谱进行了对比和分析,得到了红外背景辐射的光谱特征。     

南极红外巡天望远镜红外背景辐射抑制方法

南极Dome A被认为是地球上最为优秀的天文测光、观测台址,尤其在红外波段。为了充分利用Dome A的独特天文观测优势条件以及满足系外行星观测需求和为我国未来南极更大口径望远镜的研制提供经验,提出建造1m可见/红外巡天望远镜。通过掩星法探测系外行星,至少需要万分之五的测光精度,必须很好地抑制或降低系统光机结构的自身辐射。以南极1m可见/红外巡天望远镜为例,进行南极红外望远镜杂散光抑制方法方面的探讨。由于该望远镜采用一次直接成像光学系统,光学结构简单,但无法设置冷光阑,红外背景辐射抑制效率较低。在光学系统设计上把次镜设置为孔径光阑进行优化设计,再详细介绍主镜遮光罩,次镜遮光罩,以及杜瓦瓶内冷光栏的独特设计,通过模拟仿真,自身辐射在像面上的辐照度为6.8×10-10 W/m2,为天空背景辐射在像面上的照度五分之一以下,满足天文观测三分之一要求。     

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%。     

基于低空成像信息的热红外成像仿真研究

提出了一种由低空飞行获取的以红外图像为数据源的中远红外仿真方法。首先通过大气辐射传输模型计算出测量条件下的程辐射和大气透过率,反演出地面温度,然后再由大气传输模型计算出仿真条件下的程辐射和大气透过率,并仿真卫星高度下的红外图像。以飞艇为平台,并搭载中远红外成像系统进行飞行,对获取的数据进行仿真模拟。试验结果表明,这种利用大气辐射传输模型和基于低空成像信息的遥感图像仿真方法可以用于模拟相同地区相同波段范围的卫星图像。     

大气传输特性对目标与背景红外辐射特性的影响

本文对影响大气红外辐射透过率和大气自身的红外辐射因素及计算方法进行了讨论，利用大气传输特性分析软件－LOWTRAN7分析计算了大气红外辐射的透过率和大气自身的红外辐射，并讨论了大气辐射与吸收对目标与背景红外辐射特性的影响，对利用理论模型得到的目标与背景红外辐射图像进行了修正，获得了比较接近实际的红外模拟热图像。     

环境对中波红外探测器测温精度的影响

为了分析环境辐射和大气吸收对红外辐射特性测量精度的影响,对基于中波红外探测器的红外测温进行了研究。首先,介绍了影响中波红外探测器测温精度的几种辐射能,根据测温模型得出了红外探测器像元灰度值和辐射照度之间的关系公式,并进一步推导出辐射测温的修正公式。以高精度面黑体为目标进行了测温实验,对红外探测器像元的灰度值进行修正并计算测温误差。结果显示,修正前、后测温误差的均方根分别为3.56℃和0.27℃,测温精度得到了显著的提高,表明该修正公式可准确地修正环境和大气吸收对中波红外探测器测温精度的影响。     

一种2～14μm红外光谱辐射计的辐射定标方法

提出了一种分区多点标定的辐射定标方法。定标原理如下:将测量目标的温度区间分为n个子区间,测量并记录目标温度区间内n+1个不同温度黑体对应的红外光谱辐射计输出数据,并分别计算各个子区间的定标系数;进行红外光谱辐射测量时,比对红外光谱辐射计输出数据和记录数据,确定待测目标所属温度子区间;使用对应子区间的定标系数进行辐射定标,以提高测量精度。使用该方法对研制的渐变滤光片型红外光谱辐射计进行辐射定标,并根据定标结果反演测量黑体的等效亮温温差。实验结果表明,该方法的辐射定标精度优于1.5 K,可应用于红外光谱辐射计的辐射定标。     

中红外大气背景辐射测量系统及误差分析

为研究大气背景辐射和仪器辐射规律、控制仪器热辐射和仪器精度,设计了一套大气背景辐射测量系统。分析了测量系统各组件和辐射定标等各类误差源对总测量误差的影响,还分析了定标精度的影响因素,确定了测量工作的改进方向。结果表明:该系统在定标区间内的测量误差主要是定标误差和随机误差,两者分别为2.4719%和0.0790%;合成误差为2.4732%。当用该系统测量大气背景辐射时,对大多数优良的天文台站而言,大气辐射强度远低于定标时的辐射强度,因此需进行外推测量。对外推测量误差的估计结果表明,外推测量可能导致较大的测量误差。为提高大气背景辐射测量精度,更低辐射强度的标准辐射源不可或缺。研制了大气背景辐射测量系统,并进行了野外实测等工作,这为大口径红外天文望远镜系统的研制并将其实际应用于红外天文观测提供了基础。     

运输机迎头飞行状态红外辐射特性测量及分析

为分析研究运输类飞机的红外辐射特性及辐射亮度分布,用3.7～4.8μm中波、7.7～10.3μm长波红外热像仪对空客A320飞机迎头飞行状态的红外辐射亮度进行了测量,并用相对对比度对红外辐射进行描述。结果表明,该状态下飞机红外辐射主要来源为气动加热造成的蒙皮辐射。涡轮风扇高速旋转状态下的中波、长波辐射亮度对比度分别达到了0.61、0.37,高于机身其他部位的蒙皮辐射亮度;机翼和尾翼中波、长波辐射亮度对比度分别在0.04～0.05、0.02～0.10,为该飞机蒙皮辐射亮度最低的部位;机腹、机头部位中波辐射亮度对比度高于长波辐射亮度对比度,对比度分别在0.30～0.33、0.16～0.18。研究结果对目标特性研究、红外侦察探测、红外侦察设备研制及检测等工作具有一定的参考价值。     

卷云短波红外辐射特性

 采用离散纵标法耦合大气分子吸收,模拟计算了卷云大气的反射特性。研究了在短波波段卷云辐射性质随波长、卷云光学厚度、卷云有效尺度、云高和卷云中冰晶粒子形状等的变化关系,分析了卷云对大气红外背景辐射的影响。结果表明：在2.7 μm的水汽强吸收带上,卷云的出现明显增强了该波段的大气背景辐射,反射率随光学厚度和云高增大而增大。     

短波红外用于白天卫星探测的研究

从白天天空背景、卫星光学特性及红外波段在大气中的传输特性三方面分析了白天卫星探测的可行性。在此基础上,采用光谱滤波的方法,利用红外焦平面阵列(IRFPA),在短波红外波段进行了卫星跟踪与测量。理论分析和白天的测星实验表明,用短波红外波段能够实现白天卫星的跟踪与测量;通过与已知星等的G型光谱类型恒星测量值的比对得到了目标卫星的星等为6.34,给出了探测系统的跟踪误差。     

基于相关性的中红外温度与发射率分离算法

温度和发射率是耦合在一起的.在精确获得大气参数的情况下,由传感器的辐射测量反演地表的温度与发射率,仍然是一个病态问题,必须采取一定的策略进行温度与发射率的分离.因此,温度与发射率的分离是红外遥感的核心问题.文章在分析无太阳直射光影响时大气下行辐射和含有大气残留的地表发射率之间关系的基础上,提出了一个针对野外测量中红外高光谱数据的温度与发射率分离算法.该算法利用大气下行辐射和含有大气残留的地表发射率之间的相关性作为判据来优化地表温度,进而获得地表发射率.基于模拟的中红外高光谱数据,对算法的精度进行评价.结果表明,该算法能够获得较高的地表温度和发射率反演精度;具有较广的适用范围,对测量过程中大气下行辐射变化不敏感;同时算法具有一定的抗噪性.     

高超声速飞行目标尾焰红外辐射测量

为了研究超高声速飞行器发动机尾焰喷射高温高速气流的辐射特性,对尾焰成分CO₂及H₂O分子在4.3和2.7 μm大气窗口红外辐射波段进行了测量.利用高温燃气激波风洞模拟产生超高声速飞行器尾焰喷流,喷流速度M=5.5.实验中选用单元型InSb红外探测器,并利用黑体进行原位定标.测量距离为0.7 m,采用单透镜成像加光阑的方法收集光信号.实验中分别沿喷流方向喷流垂直方向进行了多点测量,通过定标结果反演得到尾焰在4.3和2.7 μm分别沿喷流方向和喷流垂直方向的光谱辐亮度和波段辐亮度分布,测量结果表明4.3 μm辐射强度及稳定性均高于2.7 μm.      

制冷型红外成像系统内部杂散辐射测量方法

杂散辐射是红外光学系统设计和检测过程中涉及的一项重要指标.为了定量测量红外成像系统内部杂散辐射, 提出一种基于辐射定标的测量方法, 并通过理论推导和实验验证以说明该方法的合理性.首先, 建立了不带光学系统的辐射定标模型, 即探测器直接接收定标源辐射能, 获得探测器内部因素对系统输出的影响; 然后将其与带有光学系统的定标结果进行比较, 得到由光学系统自身辐射对系统输出的影响, 进而计算红外成像系统内部杂散辐射; 最后通过实验证明了本文理论的正确性.该方法操作简单, 对实验条件要求低, 并可以精确地测量红外成像系统内部杂散辐射.可用于指导红外系统设计中的杂散辐射抑制, 验证系统杂散辐射分析结果是否准确以及检测系统杂散辐射指标是否合格.