基于PWC方法的折衍混合红外物镜设计

折衍混合设计为选用廉价材料设计像质优良的红外物镜提供了新的途径.基于衍射结构的高折射率模型和传统的PWC方法,分析了折衍混合红外单透镜的光焦度分配和二级光谱;在8~12μm波段,采用GASIR2和AMTIR1红外玻璃,分别设计了可模压生产的折衍混合单片型和Petzval型红外物镜.结果表明:采用新型红外玻璃的折衍混合设计可以代替锗材料设计出具有大相对孔径,且像质优良而廉价的红外物镜.     

可见近红外宽波段复消色差高光谱物镜设计

为满足高光谱成像仪在365~1000 nm波段范围的成像需求,设计了一款中等视场角、大相对孔径的复消色差物镜。从初级色差理论出发,分析了可见近红外波段的玻璃材料的色散特性,为光学设计选择玻璃材料提供了理论依据。设计结果表明:通过对低色散氟冕玻璃的合理使用,物镜在宽波段内的色差得到了良好校正,二级光谱仅为0.014 mm。物镜焦距18 mm,相对孔径1∶2.4,视场角30°,成像质量接近衍射极限,满足高光谱成像仪的设计要求。     

光谱共焦位移传感器线性色散物镜设计

根据光谱共焦位移传感器的工作原理及线性轴向色散条件,选择3种色散物镜用玻璃材料N-KZFS11、N-SF66和N-PK52A,并结合像差理论设计了由3个单透镜和2个双胶合透镜组合成的线性色散物镜初始结构。利用Zemax光学设计软件对色散物镜的初始结构进行优化和公差分析。结果表明:在450～650 nm波长范围内,各波长弥散斑均远小于艾里斑,色散物镜测量范围可达1.05 mm,轴向色散与波长之间的线性判定系数R~2达0.997,理论分辨率可达105 nm。     

推帚式超光谱成像仪光学系统的选择

能量利用率和宽视场是目前空间光学系统设计研究的热点之一。着重从能量、视场两方面分析了短波红外推帚式色散型超光谱成像仪望远系统和光谱仪系统的结构特点和光学性能。结果表明：采用离轴三反结构的望远系统＋棱镜色散型光谱仪系统是比较好的方案。     

可见近红外、短波红外超光谱成像仪在轨数据处理技术研究

分析了天基可见近红外、短波红外超光谱成像仪的数据特征,提出了一种用于可见近红外、短波红外超光谱成像仪的在轨数据处理系统.重点介绍了星上定标及非均匀性校正、星上数据压缩等算法.超光谱成像仪在地面定标的基础上进行星上辐射和光谱定标,用基于定标和基于场景两种方法对图像数据做非均匀性校正.星上数据去噪及压缩采用基于小波变换的方法,去噪后的数据用3D-Tarp算法压缩.该系统设计既考虑了算法的有效性,又考虑了恶劣的星上环境对时间、功耗等指标的限制,在尽量少损失信息的情况下,能有效去除噪声,提高信噪比,减少星上存储和下传的数据,提高图像质量.     

星载遥感短波红外高速高光谱成像仪坏像元识别

为改善干涉成像短波红外高速高光谱成像仪的坏像元对复原光谱的影响,利用高光谱成像仪测试流程建立了坏像元识别模板,以提高坏像元识别效率。首先,按照高光谱成像仪测试流程设置增益模板和帧频模板并采集图像数据,依据正常像元增益响应设定合理判定阈值Th₁,识别不同增益下异常像元并记录对应坐标值;再依据正常像元帧频响应灰度值设定合理判定阈值Th₂,识别不同帧频下异常像元并记录坐标值。最后,对比增益模板和帧频模板判定的异常像元,融合确定坏像元。实验结果表明基于增益模板和帧频模板的识别方法在不增加设备研制测试成本的同时有效识别出短波红外高光谱成像仪探测器的坏像元,为可靠识别短波红外高光谱成像仪坏像元提供了一种低成本、高效可靠的新方法,提高了干涉成像高光谱成像仪光谱反演准确性。     

大相对口径长焦距折射式光学系统设计

分析了大相对孔径、长焦距折射式光学系统的像差特点,针对一款口径300mm,焦距540mm,波段范围500~850 nm,视场角2的折射式成像物镜进行了设计。首先根据系统的像差特点,针对二级光谱,选择了Petzval 型作为初始结构,并进行了复杂化,形成大空气间隔的三组元形式,利于像差的校正和后组元件尺寸的减小;而后针对使用波段对玻璃材料的部分色散P 和阿贝数V 值进行了修正,并绘制了P-V 图,从中选择了具有一定二级光谱校正能力并性能优良的玻璃材料。最终系统的二级光谱达到了0.06 mm,表明具有较好的复消色差性能。设计结果系统在相机Nyquist 频率(39 lp/mm)处各视场MTF 大于0.8,80%能量集中在直径为8 m 的圆内,小于一个象元尺寸,最大畸变小于0.1%,各项指标均满足设计要求。     

短波红外高光谱成像仪背景辐射特征研究

文章指出背景辐射对短波红外高光谱成像仪辐射精度、信噪比是有影响的.给出了色散型短波红外光谱仪的背景辐射定量计算模型,分析了温度及温度变化与辐射精度的关系,并通过实验数据进行了验证.在背景辐射特征分析的基础上,分析总结了小相对孔径冷屏、高精度温控、冷光学、经常性标定等几种减小背景辐射影响的措施.本文的研究工作对于提高高光...     

空间遥感短波红外成像光谱仪的光学系统设计

设计了一种短波红外成像光谱仪的光学系统.它采用离轴透镜来校正大视场像差,避免了采用大口径同心透镜,降低了大口径透镜获取难度和加工要求,同时校正了狭缝弯曲和畸变;采用两个离轴非球面反射镜作为准直和会聚光学元件,补偿了与波长相关的狭缝弯曲,并减小了残余像差;采用一个色散棱镜来修正非线性色散,满足了光谱分辨率要求,在棱镜背面镀反射膜,简化了结构,减轻了重量.最后给出了各个通道的光谱非线性和光谱弯曲结果.     

宽谱段成像光谱仪前置物镜的设计

为满足高光谱成像光谱仪的要求,研究了可见光-短波红外宽谱段的消色差像方远心前置物镜的设计问题。针对0.5～2.5μm谱段、焦距750 mm、F/#为5和视场角±0.8°的设计要求,进行了设计方案分析,提出了R-C折反式光学系统的设计方法;透镜校正组的设计中分析了可见光、短波红外波段的材料特性,并选择了适合该系统的材料F_Silica。最终设计的系统结构简单,很好地校正了色差以及单色像差,还实现了像方远心光路。设计结果满足光谱仪的要求,在整个谱段和全视场范围内,系统成像质量接近衍射极限。     

Radiometric performance evaluation of ASTER VNIR, SWIR, and TIR

Radiometric performance of the Advanced Spectrometer for Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER) is characterized by using acquired imagery data. Noise-equivalent reflectance and temperature, sensitivity (gain), bias (offset), and modulation transfer function (MTF) are determined for the visible and near-infrared (VNIR), the shortwave infrared (SWIR), and the thermal infrared (TIR) radiometers that constitute ASTER. The responsivity evaluated from onboard calibration (OBC) and from instrumented scenes show similar trends for the VNIR: the OBC data yield 2.7% to 5.5% a year for the VNIR. The SWIR response changed less than 2% in the 3.5 years following launch. The zero-radiance offsets of most VNIR and SWIR bands have increased about 1/2 digital number per year. The in-orbit noise levels, calculated by the standard deviation of dark (VNIR and SWIR) or ocean (TIR) scenes, show that all bands are within specification. The MTF at Nyquist and 1/2 Nyquist frequencies was determined for all bands using the Moon (VNIR and SWIR) or terrestrial scenes with lines of sharp thermal contrast. In-orbit performance along-track and cross-track is better than prelaunch for the VNIR and SWIR bands in nearly all cases; the TIR effectively meets specification in-orbit.     

基于小波变换与像元对目标的短波红外图像增强算法

弱光夜视是短波红外成像的重要应用领域之一。针对短波红外弱光图像对比度低,增强后噪声也被放大的特点,提出了一种基于小波变换与像元对目标的短波红外图像增强算法。首先通过小波变换获得不同频率成分的子带图像;然后对低频子带图像进行基于像元对目标的灰度变换处理,对高频子带图像进行可变阈值降噪处理;最后通过小波反变换将处理后的子带重构得到增强结果。将该算法与基于直方图的增强算法,全局优化线性窗口色调映射算法和自然保持增强算法进行比较,采用图像的信息熵和基于Michelson法则的对比度增强度量作为客观评价指标,结果表明本文算法更为有效地提高了短波红外弱光图像的对比度,抑制了噪声的增强,提升了图像的视觉效果。     

InGaAs短波红外探测器研究进展

InxGa1-xAs材料属于Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体合金材料,随In组分含量的不同,其光谱响应的截止波长可在0.87～3.5μm范围内变化,并具有高量子效率,加之成熟的MBE和MOVCD材料生长方式,很容易获得大面积高质量的外延材料,InGaAs材料因此成为一种重要的短波红外探测材料。InGaAs探测器可以在室温或近室温下工作,且具有较高的灵敏度和探测率,是小型化、低成本和高可靠性的短波红外探测系统的最佳选择,因此InGaAs短波红外探测器获得了飞速的发展和广泛的应用。同时对国内外InGaAs焦平面探测器发展状况和趋势进行了介绍。     

短波红外相机的最小可分辨对比度测试

评估短波红外相机的综合性能对相机迭代和实际使用效果极为关键,本文提出了一种基于最小可分辨对比度（minimum resolvable contrast,MRC）测试的短波性能评估方法,由积分球辐射多个固定对比度的靶标,并对辐射源强度、目标混叠、观察模式等进行合理控制从而将噪声、目标背景对比度、观察者易变性等影响因子涵盖在评估模型中,综合评估短波相机性能。采用本方法对某型号短波相机进行了MRC测试和外场测试,取得了较为相符的测试结果,其测试不确定度仅为2.11%,可很好地对短波相机进行性能评估和预估。     

Short-Wave Infrared HgCdTe Electron Avalanche Photodiodes for Gated Viewing

Short-wave infrared (SWIR) HgCdTe electron avalanche photodiodes (eAPDs) with different doping profiles have been characterized for use in SWIR gated viewing systems. Gated viewing offers enhanced image contrast in scenes with clutter from the foreground or background. HgCdTe-based eAPDs show exponential gain–voltage characteristics and low excess noise and are, therefore, well suited for active imaging applications. The gain achievable at a fixed reverse voltage varies with the bandgap of the Hg_1?xCd_xTe detector material. We analyze current–voltage and gain–voltage plots measured on SWIR Hg_1?xCd_xTe eAPDs with x?=?0.45, corresponding to a cutoff wavelength of 2.55 μm at 150 K. The cutoff has been chosen as a trade-off between achievable APD gain and operating temperature for SWIR gated-viewing systems with target distances of about 1000 m. Focal plane arrays with a readout-integrated circuit featuring a fast internal clock have been built and their performance with respect to gated viewing applications has been evaluated on a laboratory demonstrator for short distances. Future plans for a field demonstrator for distances up to 1000 m are described briefly at the end.     

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。     

Computer Optimization of E-Plane Resonance Isolators

A method has been developed to optimize the geometry of the structure and the permittivity of the dielectric material used in E-plane isolators, for an arbitrary ferrite material. The structure is first computer analyzed, using an exact analytical approach. The minimum isolation and the maximum forward attenuation per unit length are calculated within a specified frequency band. The objective function, defined as the ratio minimum isolation per maximum forward losses, is then maximized. Several optimization procedures are compared and tested; the optimum gradient method was found to be well suited to this problem. Various optimized results are presented.     

全天时星敏感器的建模分析与实验验证

全天时星敏感器技术可以将星敏感器的应用推广到临近空间飞行器如平流层飞艇和高空气球等平台,是星敏感器未来发展的一个重要方向。由于白天受到强烈的大气背景辐射的影响,可见光波段星敏感器的探测能力显著受限。大气背景辐射在短波红外处的强度迅速降低,因此利用短波红外成像系统在0.9~1.7m波段下进行恒星探测成为研究全天时星敏感器技术的一种有效可行的方案。为了系统地分析并验证短波红外全天时星敏感器的可行性,文中在分析全天时星敏感器探测模型的基础上,重点讨论了短波红外探测器噪声对星敏感器探测能力的影响并基于探测模型确定了20 km高度处全天时星敏感器的光学参数。基于短波红外探测器研制了全天时星敏感器原理样机,结合地面处的观星实验,测试了原理样机的探测性能并验证了全天时星敏感器探测模型的正确性。     

Shortwave Infrared Polarization Imaging and Monolithic Integrated Polarization Amplification Systems Based on Aligned Carbon Nanotube Arrays

Next-generation shortwave infrared (SWIR) imaging systems generally require a multidimensional information sensing capability (including intensity, wavelength, polarization, phase, etc.), a highly integrated photodetector unit, and information processing, allowing for miniaturization and low-cost production. However, traditional polarized SWIR imaging systems with integrated polarizer arrays as supplementary filters and silicon-based amplifying circuits are complicated and very expensive. Here, a SWIR polarization-sensitive photodetector and a monolithic integrated polarization amplification system (MIPAS) based on well-aligned carbon nanotube (CNT) arrays are demonstrated. The polarization-sensitive CNT photodetector exhibits anisotropic ratios of ≈5.18 and ≈7.56 at 1800 and 2000 nm wavelengths, respectively, and high-resolution characteristics that can be utilized to image SWIR laser spots with a radius of less than 10 µm. Furthermore, MIPAS including a CNT field-effect transistor, a CNT loading resistor, and a polarization-sensitive CNT photodetector is used to increase the anisotropic ratio of the CNT photodetector. The amplified anisotropic ratio is improved up to 173 and 243 at 1800 and 2000 nm wavelengths, respectively, which is the maximum reported in the SWIR band.  Our work demonstrates that the CNT polarization-sensitive photodetector has the potential for SWIR polarization imaging with a monolithic integrated polarization amplification system.     

短波高光谱红外焦平面系统电路设计

分析了高光谱应用下的一种1024×256短波红外探测器组件读出电路设计。针对高光谱弱信号红外探测应用,该电路采用CTIA像元结构,达到72%的量子效率,并有效抑制了复位结构带来的漏电效应,使线性度和输出摆幅得到显著的提高。并通过列级和输出级的优化设计,得到了良好的噪声性能。