机载全天时星敏感器参数设计及实验

为了提供机载全天时星敏感器参数设计方法,从光电探测信噪比公式出发,结合Modtran软件中天空亮度数据,推导了适用于星体目标探测的信噪比计算公式,并以探测3.5等、4等、4.5等星为例,重点研究了通光口径、系统F数、曝光时间与探测信噪比之间的变化规律,并给出机载全天时星敏感器相应参数的设计方法。为验证设计方法的正确性,设计了地面原理实验,选择以北极星（视星等2.02等）为探测目标,设计了通光口径83 mm、焦距1 500 mm的全天时星敏感器原理样机,通过地面观测实验,在天空辐射最强时刻对北极星的探测信噪比为6.84 dB,满足理论计算的6 dB指标需求,验证了设计方法的正确性。     

EMCCD相机在全天时星敏感器中的设计与应用

近地面用全天时星敏感器用于大型飞机、临界空间飞行器等航空器的导航。近年来,随着星惯组合导航技术的快速发展,国外开始重视该项技术的研究。主要研究近地面用全天时星敏感器中基于EMCCD的星相机的设计与应用。分析了星相机的全天时探测的原理,提出采用高灵敏度EMCCD成像技术解决白天强背景下的探测问题。在原理研究的基础上,完成了基于CCD201探测器的星相机及实时图像处理器的硬件设计和调试,采用硬件实时中值滤波的方法实现全天时星图的预处理。设计的星相机系统信噪比可达50dB左右。通过进行白天观星实验获得恒星图像,并成功进行了目标提取。实验说明所设计的EMCCD相机具备白天恒星探测能力。     

近红外白天测星时不同方位角的背景辐射修正

基于星敏感器的白天测星可探测到的星数目有限,严重限制了导航需求。利用红外波段可以探测到足够多的用以导航的星体。采用近红外多视场小口径探测器同时对不同天区进行恒星探测。各个探测器接收到的背景辐射不同,探测到的恒星视星等也不同。利用MODTRAN软件对白天不同探测器方位角时的背景辐射进行了分析。根据不同方位角时的辐射曲线,提出了背景修正方法倒影法并以6星等恒星对其进行了验证。     

导弹目标短波红外探测模型研究

随着红外技术的发展,导弹红外探测技术的研究及应用进度也在加快。基于导弹目标的辐射特性,对其短波红外探测技术进行了研究,给出了导弹目标在短波波段的辐射模型以及从信噪比出发的探测模型;针对某特定红外热成像系统进行了短波红外探测的计算机仿真,仿真结果验证了探测模型的正确性。     

短波红外吸收带林火与背景辐射亮度比较分析

对于短波红外吸收带图像高温目标特征的研究有利于提高红外目标的识别率。短波红外吸收通道可探测的地面高温目标辐射特征除了与目标温度有关,还受到大气参数状况、遥感器参数设置等影响。采用仿真分析方法,较为系统地获得了不同大气条件下林火目标与地面背景辐射数据,分析了二者的特征差异,并仿真分析了波段带宽设置对仪器接收到的辐射能量的影响。研究表明仪器带宽设置对高温目标的探测信噪比起决定作用,其次,大气模式设置不同,在短波红外水体吸收通道,林火与背景的辐射亮度特征差异显著不同。地面背景入瞳处总辐射在4.3 um附近吸收带主要受程辐射影响,在2.7 um附近吸收带主要受水汽含量影响。     

大气背景对红外目标探测的影响

针对大气背景是一个纵深背景而非一个平面,无法使用现有对比度计算公式计算的实际,基于红外焦平面探测器工作原理推导出了大气背景下探测器处辐射照度的对比度计算公式。通过对大气背景的红外辐射计算,并与报道的飞机红外辐射数据比较,应用对比度计算公式做分析可知:大气背景对探测的影响是必须考虑的;在3~5m大气窗口的大气背景辐射很小,选择3~5m大气窗口探测更容易发现目标;在8~12m大气窗口内10m附近的大气背景辐射较强,目标不易被探测。随着探测距离增加,探测器到无限远处的大气背景辐射亮度与探测器和目标之间的大气背景辐射亮度之差在减小,它会增大对比度,这是分析探测距离不可忽视的一个因素。     

短波红外探测器的发展与应用（特邀）

短波红外波段作为“大气透过窗口”之一,探测器工作在该波段能获得目标更多的辐射能量。另外,短波红外对近室温目标的探测成像类似于可见光的反射式成像,一方面拥有中长波红外探测缺少的细节分辨能力,另一方面具有穿透烟雾进行成像等可见光探测不具备的能力。随着短波红外探测器在军事、民用领域的广泛应用,对短波红外探测器的性能、成本提出了更高的要求,InGaAs探测器由于高达约70%~90%的量子效率、室温下约8000 cm2/(V·s)的高迁移率,以及高灵敏度、高速响应、低成本的应用优势,是目前短波红外探测器的最佳选择。为了进一步扩展波长、提高分辨率、降低成本,发展了基于II类超晶格、胶体量子点、硅基材料等新材料和新工艺的短波红外探测器。文中对美国、法国、以色列、中国等国内外短波红外探测器的发展现状进行了归纳整理,对有关短波红外探测器的新材料和新工艺进行了报道,最后探讨分析了短波红外探测器的未来发展趋势。     

临近空间飞行器红外探测距离估算

传统的红外探测距离模型主要用于地面目标的检测, 载机飞行高度也比较低。在凝视型红外热探测器的基础上, 对临近空间的大气环境进行了详细分析, 建立了背景辐射模型。在此基础上提出了临近空间飞行器的红外探测距离模型, 对红外波段适用范围进行了讨论。计算结果表明, 在临近空间环境下, 红外波段都有较好的探测结果, 在短波下探测时, 背景辐射对其探测结果影响很大。     

地基红外系统探测空间目标红外星等的分析

地基红外系统探测空间目标的能力与目标辐射特性、背景辐射特性、大气条件、红外光学系统性能、探测器特性等因素密切相关。分析了空间目标在外太空背景下的红外辐射特性,基于满足红外焦平面探测器的最低可探测信噪比,综合考虑空间点目标成像的弥散斑、背景辐射和大气衰减的影响,推导了地基红外探测系统对空间点目标的作用距离估算方程。红外星等用来计算星体在红外波段的亮度,讨论了用红外星等划分空间目标的方法和原理。根据中波和长波计算红外星等的公式,给出了不同温度的空间目标与对应的红外星等的关系。为地基红外探测系统的设计和应用以及探测不同红外星等空间目标的综合性能评价提供了理论依据。     

短波InGaAs红外面阵视频成像系统技术研究

短波红外是红外探测领域的重要应用波段。针对短波红外在薄雾、阴霾、夜晚等条件下的视频成像应用背景,提出了完整的面阵凝视视频成像系统方案,基于320×256短波红外InGaAs面阵探测器完成了成像系统原理样机的设计和性能测试,且为满足视频级数据流的实时性要求,基于FPGA实现了硬件上的非均匀性校正。实验结果表明:成像系统电路设计合理有效,噪声低、体积小,满足系统指标和探测器工作要求,探测器在视频工作条件下性能良好,获取了有效的高质量短波红外视频图像。     

大视场全天时星敏感器光学系统设计

全天时星敏感器作为星敏感器的一个发展分支,在飞机、热气球等近空间载体定姿定位方面有较好的应用前景,是GPS拒止条件下的可用导航手段。大视场全天时星敏感器相较于小视场全天时星敏感器在高精度轻小型化定姿定位方面具有较大的优势,针对近空间高度大视场全天时测星对光学系统的需求,对光学系统工作波长的选取进行了分析,利用消色差和消热差设计,实现了一种能够适应高低温环境的大视场、大相对孔径的透射式光学系统,并对像质进行了分析评价。系统工作波长为0.9～1.7μm, F/#为1.4,焦距为70 mm,视场为18°,结构总长为105 mm。试验结果表明,该光学系统具有良好的像质,能够满足大视场星敏感器白天测星要求。     

黑体与恒星相结合的短波红外遥感器在轨辐射定标简析

为满足气象水文、天文观测等领域对短波红外遥感器高精度探测需求,近年来对短波红外探测定量化应用的需求越来越高。本文针对高轨面阵短波红外遥感器在轨各种因素引起的非均匀性变化情况,基于面源黑体定标结合恒星定标的在轨绝对辐射定标设计方案,结合某遥感器任务研制过程的具体实际,分析了定标精度主要影响因素及优化措施,包括星上定标方案优化、星上黑体温度控制优化、恒星提取算法优化等。通过实验室测试对在轨辐射定标方法进行了验证,并对在轨绝对辐射定标不确定度进行预估,评估结果表明定标不确定度能够满足应用要求。     

临近空间对地探测目标与背景红外特性研究

红外辐射特性是红外探测系统进行目标识别的主要依据。基于辐射传输原理,面向临近空间对地探测目标与背景的红外特性进行研究。利用全球大气廓线反映全球大气状况先验知识,设计了一套临近空间对地探测红外特性研究的辐射传输仿真方案。利用MODTRAN模型进行仿真,量化临近空间对地探测目标与背景的红外特性差异,分析传感器最优透过率波段以及红外辐射特性的影响因素。结果表明,大气透过率以及目标与背景的红外辐射差异随着临近空间传感器高度的增加而减小,且与大气状况密切相关;得出了传感器在3~14 μm范围内的最优透过率波段;季节、大气能见度与传感器观测角度对目标与背景的亮温差异造成的影响不可忽略。     

近红外星图全天时定位技术导航应用的可行性研究

随着红外探测器和拍星技术的迅速发展,利用近红外进行全天时星光目标探测已经成为可能。对近红外全天时星光图像进行了特性分析。近红外星光目标提取、星光目标定位误差修正方法的研究与改进将会给导航系统带来新的革命,使得全天时导航的稳定性与可靠性变得更佳。根据近红外星图技术及其发展状况,结合目前典型导航平台的需求,分析了基于近红外星图全天时定位技术在导航平台上应用的可行性。对其中的典型关键技术进行了论述,为该领域的研究与应用提供了相应的依据。     

天基平台海云背景下飞机全链路成像特征建模及分析

空中目标具有高速机动、战略突防和远程精确打击等特点,针对这类目标构建广域、高效、精准探测、连续监视技术已成为空中目标探测体系面临的新挑战。基于空中目标的天基光学探测需求,建立了复杂环境要素综合作用飞机尾焰的光学辐射特征模型,形成飞机尾焰-海面/云层背景-环境大气-光学系统-成像探测器等要素耦合的全数字化链路光谱辐射成像特征精确预测模型。基于实测数据推演了飞机尾焰红外多光谱本征辐射。同时,利用FY-2G遥感数据,反演了中国南海某海域海面温度及云顶温度分布,建立了海云背景光谱辐射模型。在此基础上综合考虑了背景辐射、大气路径辐射和大气衰减对飞机尾焰光谱辐射的影响,建立了在光学系统入瞳前目标上行光谱辐射特性模型,结合光学成像系统的衍射效应,探讨了不同谱段、云类型下地球同步轨道红外成像系统对目标的可探测性。研究表明:大气屏蔽波段对目标的探测效能优于宽波段;针对不同的背景选择合理的探测波段有利于目标的高效探测。     

星用短波红外成像仪的设计与实现

针对低轨卫星激光通信和大气层短波红外光谱分析的应用需求,设计并研制了一种星用短波红外成像仪。由于低轨卫星系统的抗总剂量辐射能力要求为20kRad(Si)以上,因此,该成像仪选用抗总剂量辐射能力达到20kRad(Si)的InGaAs焦平面探测器;采用宇航级元器件设计相应的时序驱动、温度控制、模数转换、图像传输、遥控遥测等硬件电路模块,组成成像仪硬件部分;应用PID温控算法实现成像仪精准控温,采用非均匀性校正算法和图像增强算法提升成像仪图像质量。经试验验证,研制的短波红外成像仪抗总剂量辐射能力达到25kRad(Si),动态范围大于等于61dB,非均匀性小于等于1.9%,满足低轨卫星短波红外光谱探测的要求。