空中目标多波段红外辐射特性描述与仿真分析

针对空中目标在复杂背景下的探测需求,根据实际目标的运动特性,分析目标在飞行高度、飞行姿态角改变时的辐射特点,基于MODTRAN计算得到大气辐射和衰减数据,建立目标的三维模型、热辐射和反射模型,搭建空中目标的红外成像仿真系统.分析和仿真结果表明:在中波波段,目标尾焰的红外辐射比蒙皮强很多,在长波波段,蒙皮的红外辐射比较强,仿真图像的细节比较多,尾焰的红外辐射虽然有所减弱,红外成像效果依旧很好;相同探测条件下,由于位置越高大气越稀薄,探测器的可探测距离会变得比较远.目标红外辐射特性的分析和红外仿真系统的搭建对缩短红外探测器的研制周期和进一步确定探测器波段和系统分辨率等指标提供了参考依据.     

二元光学双波段红外成像光谱仪

根据红外辐射的大气窗口特性、二元光学元件特殊的色散特性和多级衍射特性,提出了利用二元光学透镜的新型中波和长波红外双波段成像光谱技术,从理论上阐述了二元光学双波段红外成像光谱仪的基本原理和设计方法,实际例子证明了设计的可行性,利用此方法可研制轻型、价格低廉的双波段红外成像光谱仪.     

基于光学厚度的云红外辐射计算

 为了研究不同物理厚度和不同波段下云的红外辐射特性,提出了基于光学厚度的云红外辐射计算方法。综合考虑云的红外辐射的各个因素,建立了较为完善的云的红外辐射模型,引入光学厚度经验计算公式,并根据光学厚度针对中波和长波红外分别计算了云的发射率、反射率和透过率,进而得到云的红外辐射亮度分布。利用该计算方法,计算了中波和长波红外云的辐射亮度数值,计算结果表明：随着光学厚度增大,云的发射率和反射率增大,探测器接收到的云红外辐射增强。比较发现,该计算结果与实测数据有较好的一致性,该计算模型可以为云背景的红外特性分析、探测及仿真提供参考数据。     

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。     

红外滤光片截止波段等效发射率反演方法

为了实现对红外滤光片辐射特性的量化分析,研究了一种红外滤光片截止波段等效发射率反演方法,并建立了反演方法的基本数学模型。在有、无红外滤光片的情况下,分别对红外成像系统进行辐射定标,并基于定标结果计算红外滤光片截止波段的自身辐射;基于极坐标系下的有限面源至微面源辐射模型,反演红外滤光片截止波段的等效发射率。根据基本数学模型开展了反演实验,在积分时间为0.8ms与4.0ms两种实验条件下对中波红外滤光片进行反演,取两次实验结果的算术平均值(0.420)为等效发射率反演结果,则其等效反射率约为0.580;两次实验结果的相对差异较小,约为1.9%。开展了中波红外滤光片的反射成像实验,证明了其在截止波段具备较强的反射辐射特性,定性地验证了反演实验的结果。     

双材料微梁阵列室温物体红外成像

针对近年出现的新概念光学读出双材料微梁阵列红外成像技术，提出了具有热变形放大效果的无硅基底回折腿间隔镀金的微梁单元结构,并建立了其热机械模型，在模型分析基础上，成功的设计制作了100×100像素的焦平面阵列(focal plane array,FPA).在构建的红外成像系统中，实现了对室温物体——人体的热成像，噪声等效温度差约为200mK.实验结果与热机械模型的分析一致. 关键词： 非制冷红外成像 光学读出 双材料微梁阵列     

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。     

基于哈特曼波前传感器的非制冷红外成像光学读出系统

提出了一种新的基于哈特曼波前传感器(SHWS)的光学读出系统.该系统利用SHWS探测焦平面阵列(FPA)单元在受热前后反射波前斜率的变化量重构被探测物体的红外辐射图像.在理论上详细讨论其成像性能后,实验获得了单元尺寸为60 μm×60 μm,阵列大小为34 pixel×38 pixel的高温物体红外图像,其噪声等效温度差(NETD)约为3.8 K.优化系统参数设计,可以提高哈特曼波前传感器对到达角的测量精度进而获得更小的噪声等效温度差.     

用于计算成像系统的基于信噪比自适应估计的图像去模糊研究

实现有效的图像去模糊对提高基于球面光学的计算成像系统性能具有极为重要的意义。分析了球面光学系统中的成像模糊模型,并介绍了基于维纳去卷积的图像去模糊算法。针对基于维纳去卷积的图像去模糊需要准确地估计模糊图像信噪比的问题,提出了一种新的基于图像去噪的图像信噪比自适应估计算法。分别使用Zemax光学仿真软件获得的图像和研制的基于球面光学的计算成像系统原理样机获得的图像开展实验研究,结果表明提出的算法能准确地估计出模糊图像的噪声方差和信噪比,利用估计得到的信噪比,使用维纳去卷积能得到比较理想的图像去模糊结果。因此,结合提出的方法,基于球面光学的计算成像系统能得到清晰的高分辨率图像。     

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.     

A real-time infrared radiation imaging simulation method of aircraft skin with aerodynamic heating effect

Real-time infrared radiation simulation technology can provide effective support for rapid design and evaluation of a system which integrates infrared imaging technology. Considering the aerodynamic heating effect, this paper presents a real-time infrared radiation characteristic simulation method of aircraft skin based on the panel element method, which can help to assess the infrared radiation impacts of different environment factors and materials. A 3-D model of an aircraft was established and its surface was divided into different parts and panel element meshes to attach material properties. For each mesh, its heat exchange equation is solved so as to obtain the whole skin’s temperature and infrared radiation distribution. The simulation results reveal the influence of different factors on the skin surface radiation, including environmental radiation, aerodynamic heating and material properties. And the credibility and efficiency of the proposed aerodynamic heating simulation method were confirmed by comparing to the CFD simulation results.     

An Optical Readout Method Based Uncooled Infrared Imaging System

This paper presents an optical readout method based uncooled infrared imaging system that contains an optical read-out section and a bi-material micro-cantilever arrays (BMCA) detector. The optical read-out section is based on incoherent light spatial filter technique. The read-out section converts the deflection angles of BMCA caused by absorption of infrared (IR) radiation to a visible image through optical filtering operation of the BMCA with a knife-edge filter. A spatial mathematical model is presented to describe the read-out method and its validity is proved. The IR image of a person’s hand obtained through the using of the 100 × 100 BMCA and the 12-bit A/D quantizer demonstrates the ability of the system to create image. The performance test shows that the average Noise-equivalent temperature difference (NETD) of the imaging system can arrive at about 183mK with some areas having a NETD as low as 78mK. Project supported by Natural Science Foundation of China (No.60576053), National Technology Research and Development Program of China (No.2007AA03Z333).     

弹道导弹再入段地面红外探测仿真分析

为改善弹道导弹再入段地面红外探测效果,考虑导弹再入过程中气动加热、红外辐射的大气衰减以及背景辐射等因素,建立起弹道导弹再入段地面红外探测仿真分析模型,并估算分析了探测系统在不同状况下信噪比.分析结果表明：优选工作波段、增加系统口径及曝光时间、改善光学设计、选择晴朗无云天气观测等均有利于改进地面红外观测效果.     

100 GPa以上冲击压力区蓝宝石的近红外发光

采用三层夹心靶结构,利用铜箔与抛光蓝宝石之间良好的接触条件,使用辐射式高温计观测到c取向蓝宝石在130～172 GPa冲击高压下的红外辐射。实验信号显示,位于近红外波段的蓝宝石冲击辐射随着压力的增加而变强;强度对比显示,蓝宝石的近红外发射强于界面发射。基于冲击作用下滑移带的温度高于冲击平衡温度的概念,将蓝宝石体内滑移带温度作为蓝宝石发射温度代入线性吸收公式,从而将蓝宝石发光强度的增加和界面冷却引起的发光强度下降相结合;将得到的界面一蓝宝石发射强度数值模拟结果与实验结果相比较,发现二者能够重合。由实验信号的上升趋势得到三个压力下0.85μm近红外波长处蓝宝石的冲击吸收系数数值。     

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。     

发动机热喷流红外辐射计算与仿真

利用求每个小视场视线方向辐射亮度的方法计算喷流红外辐射的光谱分布。以辐射传递方程数值和形式为基础,采用Malkmus统计窄谱带模型和Curtis-Godson(CG)近似求视线方向的辐射强度。采用CFD分析软件FLUENT模拟流场和组分摩尔分数分布。建立喷流红外成像仿真模型,仿真生成了液体火箭发动机热喷流红外图像。结果表明,该方法可以很好地分辨出流场的细微结构。该模型也适用于航空发动机喷流红外辐射计算与仿真。     

Analysis and modeling of aerothermal radiation based on experimental data

The effect of aerothermal radiation on the performance of an airborne infrared imaging system is becoming a crucial issue in the development of electro-optic systems. In this paper the high-temperature radiation characteristics of infrared window are studied in depth, and a multi-scale analysis model of aerothermal radiation degraded images is presented. The presented model adopted a least-squares fitting method to simulate the salient characteristics of the aerothermal radiation degraded images. The aerothermal radiation degradation characteristic database containing characterizing parameters of degraded images was created. Through optimization selection, the characterizing parameters were used to correct the degraded images in the real aerothermal environment. The experimental results show that the model is effective in the aerothermal radiation degraded image correction, and improves the quality of the aerothermal radiation degraded image.     

星载可见光相机成像仿真建模研究

针对星载可见光相机成像模拟在逼真度和灵活性方面的综合仿真应用需求,研究并提出了一种以三维场景为基础,以光线追踪技术为主要渲染核心,综合考虑卫星轨道和姿态、光照条件、物体光谱特性和周边环境、大气传输、遥感器成像性能等影响因素的全光路成像模拟技术的仿真模型.文中首先从完备性及可扩展性的角度尝试建立了成像仿真系统的综合模型框架,对整个成像链中的各个重要环节进行分层及模块化,并结合目前现有三维技术、光线追踪技术、传感器仿真技术的特点设计各模块之间的调用及接口关系,使其能在较好利用现有计算模型的同时能够对新的算法模型实现有效兼容.随后讨论了模型目前使用的镜头前辐亮度计算模块、光线路径计算模块和传感器效果仿真模块,并针对简单空间探测场景用C++编程语言实现了系统框架和关键模型,生成模拟图像,结果证明该模型在深空光照及大气效果方面有较好的表现,具备较高的仿真度和良好的适应性、扩展性,能够有效支撑卫星光学成像系统的指标论证、算法评估以及效能预估等应用.     

多谱段短波红外小鼠静脉荧光观测成像研究

短波红外(short-wave infrared,SWIR)一般指900～1700 nm的光波段,是肉眼不可见的光波段,这种波段目前主流的探测器以InGaAs为主,主要用于军事、生物以及材料光谱分析等领域.短波红外荧光成像以其对生物组织光学损伤小、成像深度大、成像信噪比高、空间和时间成像分辨率高等特点,使得基于InGa...     

A novel accurate and expandable infrared radiation transmission effect computing service

In infrared imaging simulation system, the infrared radiation transmission is significantly affected by natural environment. Attenuation and blurring are introduced by atmospheric environment impacts on the transmission process from zero sight infrared radiation to the detector. The classic IR transmission calculation methods have been intensively studied and many applicable approaches are proposed. The novel IR transmission effect computing service introduced in this paper could render accurate and expandable IR simulation result based on synthetic natural environment, especially concerning the atmosphere effects imposed on the IR transmission process. A simulation architecture is constructed and supports an infrared imaging simulation system for the IR transmission process calculation. The environment representation approach and the transmission effect calculation method were elaborated. Simulation experiment was carried out and the result was shown to be more accurate than that of conventional MODTRAN based atmosphere transmission simulation results. The two results are both compared with the physically captured image. The comprehensive simulation experiment results are implied to be competent and offered an applicable solution for the infrared imaging simulation system. Furthermore, this interdisciplinary simulation method can be extended to other synthetic natural environment supported military simulation and further serve the large-scale distributed collaborative combat simulation.