真空低温高灵敏度中红外辐射计

为精确地评估真空低温状态下大面积黑体辐射源的均匀性,设计了高灵敏度中波红外辐射计。给出了辐射校准的物理模型,详细分析了目标温度200 K和213 K的信噪比,得到真空低温下200 K和213 K目标信噪比分别为460倍和1 492倍。设计了高信噪比测量200 K目标的总体方案,研制了高灵敏度真空低温环境下使用的中红外辐射计。采用透射式光学系统及温度系数匹配稳定的高刚性光机支撑结构,满足真空低温的环境条件。采用外置黑体标定中红外辐射计的温度/辐射响应度,创新性采用调制器兼顾内置定标辐射源,采用四级TE制冷中红外探测单元,配合高性能探测单元及80倍动态范围的同步积分锁相放大器,获取大占空比的高质量方波信号用于辐射计算。实验结果表明：在温度77 K、真空度1×10^-5 Pa真空低温环境下,测试213 K目标黑体辐射源,1 h内的信号不稳定度为0.24%;噪声等效温差(NETD)值为0.034 K;测量精度优于2%。中红外辐射计满足真空低温环境下高精度测试微弱目标的要求。     

双色低温红外光学系统设计EI北大核心CSCD

针对当前空间环境单一、红外波段探测目标虚警率高、灵敏度低等难题,提出了一种基于低温冷光学技术的双色红外光学系统设计方法。光学系统前置光路采用共口径式结构,通过分光平板进行谱段分光,然后采用中继镜组二次成像的方式实现冷阑匹配,保证系统的轻小型化。另外,为了提升长波系统的探测灵敏度,对其进行了低温冷光学设计,减小系统自身辐射对探测性能的影响。系统的工作波长为3.7~4.8μm和7.9~9.3μm,F数为1.2,光学结构三维总尺寸为260 mm×150 mm×80 mm,中波系统畸变小于2.8%,约有82%的能量集中在探测器的一个像元内,长波系统畸变小于0.33%,约有70%的能量集中在探测器的一个像元内。该系统可对空间弱目标进行远距离探测,具有虚警率低、灵敏度高、结构紧凑等优点。     

甚高分辨率扫描辐射计的红外辐射定标

介绍了扫描辐射计地面红外辐射定标的原理,定标设备,定标的精度与测量的结果。     

红外探测器高精度低温钎焊引线环设计北大核心CSCD

针对制冷型红外探测器引线环高精度定位的需求,本文设计了一种低温钎焊引线环,研究了引线环的制备工艺。选取具有高强度、低熔点的金锡钎料,在350℃以下焊接引线环的金属件与陶瓷件。通过研究钎焊温度和保温时间对焊缝质量与漏率的影响,成功制备了具有高气密性的高精度引线环。     

基于低温辐射计的红外辐射定标方法

在比较国际上基于低温辐射计的红外辐射定标技术的基础上,提出了以红外光源结合单色仪为辐射源,及以腔式热电堆探测器和低温辐射计为标准探测器的红外辐射定标方案.介绍了其结构和工作原理并给出了初步的定标结果.     

大规模电阻阵红外景象产生器件的像素设计研究EI北大核心CSCD

电阻阵作为一种动态红外景象产生器件,在红外半实物仿真领域有着重要的应用。电阻阵可实现的规模与性能与红外微辐射像素列阵的设计有着密切的关系。文中从应用系统对大规模电阻阵器件的要求出发,结合电阻阵的工作原理,提出了像素驱动电路与MEMS结构一体化的设计方案,设计了规模可拓展的高占空比像素结构。通过采用高消光系数材料以及光学谐振腔结构,微辐射元的中波红外和长波红外的表面发射率达0.7。热力学仿真表明,通过合理的薄膜厚度和结构设计,微辐射元阵列的占空比达到51%,升、降温的热响应时间均小于5 ms,0.6 mW功率驱动下应力翘曲小于300 nm,长波红外表观温度可达582 K,中波红外表观温度可达658 K。结合设计方案提出了工艺制备方案,并通过小阵列流片初步验证了设计方案的可行性。该设计研究为国产大规模、高占空比电阻阵的研制指明了方向。     

太阳辐射对直升机整机红外辐射特性影响的数值研究EI北大核心CSCD

太阳辐射对飞行中的直升机局部蒙皮有加热作用,从而改变整机红外辐射的分布特征。构建了包含直升机机身蒙皮、主旋翼、发动机机匣以及排气系统的物理模型,综合考虑发动机机匣、排气系统与发动机舱蒙皮的换热,耦合直升机前飞来流、旋翼下洗气流、尾桨气流,以时刻、季节、直升机朝向为变量,计算分析太阳辐射对直升机8~14μm波段红外辐射特性的作用规律。计算结果表明:夏季正午太阳直射可使机身向阳面整体升温20 K以上,局部最高可达25 K。直升机向阳面机身蒙皮8~14μm波段红外辐射强度在全天变化趋势呈山峰状,其峰值出现在12点前后。越靠近机身顶部向阳面,太阳辐射对8~14μm波段红外辐射强度增强作用越显著,最高可达25%。以冬季为基准,秋分、春分、夏至时的整机红外辐射分别增加7%、11%、21%左右。除夏季外,其他季节的机身两侧8~14μm波段红外辐射强度分布都呈现不对称性,春、秋两季两侧相差在5%左右,冬季在6.5%左右。整体上,夏季上午10点的太阳辐射对不同飞行方向的直升机8~14μm波段红外辐射强度分布影响较小。     

直接激射中红外固体激光器研究进展北大核心CSCD

3~5μm波段中红外激光在遥感、通讯、气体检测、医疗等领域有着广泛的应用前景。直接激射固体激光器具有原理简单、结构轻巧等优势,是3~5μm波段中红外激光产生的重要手段。目前,这类激光器按照增益介质分类可划分为基于Er^(3+)、Ho^(3+)、Dy^(3+)、Pr^(3+)等稀土离子掺杂的固体激光器以及以Fe∶ZnSe为代表的过渡金属离子掺杂的固体激光器。本文分别介绍这两类直接激射固体激光器近些年来的研究进展,并对它们的技术路线以及发展前景进行总结。     

上升段气动加热对飞行中段高速飞行器红外辐射特性影响分析EI北大核心CSCD

飞行中段高速飞行器红外辐射特性是对其进行红外探测、识别及跟踪的基础。飞行中段高速飞行器红外辐射与表面温度密切相关,而飞行器表面温度又与上升段气动加热、空间环境热辐射、防热材料结构等有关,特别是上升段气动加热对飞行中段飞行器红外辐射的影响不容忽视。为获得复杂环境背景下高速飞行器在飞行中段的红外辐射,综合考虑上升段气动加热、环境辐射加热、表面辐射散热和结构热传导等主要因素影响,采用气动热工程计算模型、空间辐射加热、一维多层热传导计算方法,建立了高速飞行器红外辐射分析技术,实现了气动加热、环境辐射加热、自身辐射散热、结构热传导等多种主要因素影响下的高速飞行器飞行中段温度场和红外辐射分析。结果表明:上升段的气动加热会对飞行中段的高速飞行器红外辐射产生较大影响;在飞行中段,飞行器在长波8~12μm波段的红外辐射强度明显大于在中波3~5μm波段的红外辐射强度,选择8~12μm波段更有利于对飞行中段高速飞行器的探测。     

类B-2型飞行器红外辐射特性数值模拟EI北大核心CSCD

类B-2型飞行器因其独特的气动布局和较强的隐身能力,成为攻防对抗和预警探测识别工作中重点关注的目标之一。通过构建类B-2型飞行器的气动外形,基于真实可压缩气体模型和辐射平衡壁面边界条件预测典型飞行工况(12 km@0.8 Ma)下的绕流场、尾喷焰和壁面温度,结合窄谱带高温气体辐射物性数据库,采用视在光线法求解辐射传输方程,获得不同观测角度、不同波段条件下目标本体和尾喷焰的红外辐射特性。结果表明:类B-2型飞行器在俯视观测角度下辐射强度最强,本体在长波波段内的辐射强度较中波波段高出近两个量级。中波波段内目标辐射强度主要来自尾喷焰,长波波段内主要来自本体。研究可为类B-2型飞行器的目标特性识别提供理论参考。     

多层ITO椭圆柱中红外手性超材料的多波段圆二向色性北大核心CSCD

中红外手性超材料具有体积小、易集成等优点,在中红外激光偏振态调控方面具有潜在的应用。本文提出了一种多层ITO椭圆柱中红外手性超材料。该结构的每个单元由三层相同的氧化铟锡(ITO)椭圆柱组成。模拟结果表明,椭圆柱之间的距离、椭圆柱的厚度、椭圆柱的短长轴之比、椭圆柱中心的相对位置、椭圆柱的数量和椭圆柱材料对结构的圆二向色性(CD)均产生了影响。结构在三个不同的波段均展示CD特性,在波长为3.52μm、4.12μm和5.28μm附近处展现出三个不同强度的CD极大值。模拟结果也表明,与贵金属金、银椭圆柱构成的结构相比,由ITO椭圆柱构成的结构展现出更宽带和多带的圆二向色性。后者结构在中红外波段的CD主要有一个带,在0.39μm附近带宽为0.5μm,而前者在4.12μm和5.28μm附近处的半高宽分别为0.6μm和1.6μm,这在中红外宽带和多带偏振态调控方面具有潜在的应用。     

红外低温光学关键技术研究综述

随着红外探测技术的日趋成熟,以降低背景辐射为目的的低温光学技术已成为提高红外探测技术发展的主要途径。本文从工程应用的角度阐述了红外低温光学技术的各个要素,如低温光学系统构型选择、光学和机械结构设计、光学系统材料选择以及光学系统制冷方案设计等在低温光学处理中的设计要点。介绍了红外遥感相机和红外空间望远镜这两个红外低温光学的应用实例。最后对机载红外系统低温光学的应用提出了建议。     

中段目标平动及微动的红外辐射特性分析北大核心CSCD

红外辐射特性是对弹道目标进行探测和识别的主要依据之一,而目标结构、材料、空间位置、运动形式都会对其辐射特性造成影响。论文针对天基红外探测场景下中段目标平动及微动的辐射特性分析开展研究。首先构建天基红外探测场景模型,通过轨道仿真计算不同时刻中段目标的空间位置、相对探测器的空间姿态等参数;其次基于中段目标红外辐射模型,综合考虑不同位置及姿态参数下太阳辐射、地球背景辐射等参数,计算相应的目标温度与辐亮度等;最后综合考虑目标相对探测器的空间距离及姿态,仿真不同波段下红外探测器获得的中段目标辐照度,以及不同运动形式对辐照度的影响。仿真结果表明,目标微动对辐射特性的影响不可忽视,可作为目标识别的一个特征,为后续目标探测与识别提供数据支撑与指导。     

高转换效率的中红外BaGa_(4)Se_(7)光参量振荡器(特邀)EI北大核心CSCD

为抑制光参量振荡器(Optical Parametric Oscillator,OPO)振荡过程中信号光和闲频光向泵浦光的逆转换,首次采用在L型OPO腔的支路中插入信号光倍频晶体LiB_(3)O_(5)的(简称LBO)的方式,实现了BaGa_(4)Se_(7)(BGSe)OPO闲频光的高转换效率输出,当泵浦激光(1.06μm)能量为115 mJ时,闲频光(3.5μm)能量为16.18 mJ,光光转换效率为14.06%,斜效率为18.4%,这是目前已知1.06μm激光泵浦BGSe OPO最高的转换效率。模拟了不同泵浦能量下L型腔中有无LBO晶体时BGSe OPO腔内的三波波形,并给出了闲频光在实验中的输出波形。与传统OPO腔相比,所提出的L型OPO腔(含倍频晶体)在大能量泵浦条件下抑制了逆转换,可获得更高的闲频光转换效率。     

悬空石墨烯/六方氮化硼异质结焦耳热红外辐射器件的可控制备与光电性能研究(特邀)EI北大核心CSCD

石墨烯具有优异的光、电、热以及力学性质,而悬空石墨烯避免了衬底带来的褶皱、载流子散射和掺杂等影响因素,可以充分展现石墨烯的本征物理特性,因此在高性能石墨烯微电子和光电子器件研究中具有重要意义。然而,目前悬空石墨烯器件还存在着制备方法复杂、成品率低、性能不稳定等挑战。文中提出了一种利用六方氮化硼吸附石墨烯,将其定点转移到金属电极,制备悬空石墨烯焦耳热红外辐射器件的新方法。六方氮化硼对悬空石墨烯具有良好的支撑悬挂作用,有效提高了悬空石墨烯的力学稳定性,避免了坍塌、断裂等失效情况。真空热退火处理后悬空石墨烯的电阻降低到退火处理前的约六分之一,载流子迁移率比退火前提高了约18倍。当偏置电压为8 V时,拉曼光谱测试发现石墨烯温度为836 K,器件在955 nm波长处表现出强烈的红外辐射信号。     

红外光纤用于低温辐射测温的研究

探讨了将红外光纤（束）直接与靶目标和探测器耦合，用于低温辐射测温的理论和技术．导出了光纤的有效临界角．证明了在直接耦合时，光纤（束）接收和传输的功率与光纤和靶目标表面耦合间距无关；当耦合准直角变化在±１５°范围时，与准直角无关     

海洋环境下低特征水面飞行器中长波探测研究EI北大核心CSCD

为了能有效评估中长波复合探测识别低特征水面飞行器目标的优势,通过建立某飞行器不同探测角度红外辐射模型,采用光线追迹结合反向蒙特卡洛法计算获得了其不同探测角度下中长波红外的辐射强度。同时基于侧迎头辐射强度计算结果,对海洋环境降雨、海雾等特殊条件下中长波探测差异进行了对比分析,并且通过实际外场复杂海背景下弱小目标探测试验等手段,获取了不同距离下中长波探测数据,统计分析了目标与海背景的等效温差变化。通过上述工作统计分析了中波和长波波段在不同气候海背景条件下的优势和劣势,充分验证了中长波复合探测技术的优势。     

基于微辐射阵列的红外动态场景模拟器EI北大核心CSCD

为满足红外成像器件对目标模拟的需求,同时避免在真实环境下进行系统测试受限于人力、物力、环境等因素,提出了一种基于微辐射阵列的红外动态场景模拟技术,通过传热方程建立了芯片理论模型,并进行了仿真实验。微辐射阵列芯片采用MEMS (Micro-Electro-Mechanical System)工艺加工,阵列分辨率为1 024×768,像素大小设计为60μm×60μm,以此为核心器件,构建了红外动态场景模拟系统样机,样机口径大于300 mm,光源使用半导体激光器替代传统的汞灯,提高了模拟器的性能。使用红外热像仪进行了测试实验,结果表明:样机可在中波红外和长波红外两个波段实现高质量的动态场景模拟,图像清晰无闪烁,其模拟温差大于50 K,对比度大于3∶1,帧频大于80 Hz。     

机载红外图像转换生成卫星仿真图像的大气修正方法研究北大核心CSCD

基于机载红外热像仪测量的8~12μm波段图像,根据大气的吸收和热辐射影响红外成像仿真的理论,结合MODTRAN软件,采用“机—地—星法”和“机—星法”两种方法进行飞机平台到卫星平台间的大气修正。通过仿真数据和仿真图像两个方面的比较得出:两种大气修正方法得到的仿真图像效果较好;“机—星法”运算量小便于实时操作、“机—地—星法”更接近真实情况可用性强。     

中红外AOTF成像仪光谱校准方法EI北大核心CSCD

针对基于中红外声光可调谐滤波器(Acousto-Optic Tunable Filter,AOTF)的光谱成像系统观测运动目标过程存在光谱数据漂移问题,提出了一种基于声光互作用的在线光谱校准方法。根据目标光谱成像位置与驱动频率,构建了逆向光线追迹模型,从而实现了光谱数据的在线校准,满足运动目标探测的实时性要求。该方法能为后续目标检测、识别与跟踪提供稳定且精确的光谱数据立方体。在实验验证方面,利用设计研制的平行光入射的中红外AOTF光谱探测系统,以黑体与中红外滤波片组合作为目标光源,对光谱校准模型开展实验验证。最终实验结果表明,针对位于不同视场处的模拟运动目标,校正后的光谱漂移相对误差均优于4.45%,有利于提升对运动目标光谱探测的应用能力。