地基空间目标红外辐射特性测量技术

空间目标红外辐射特性测量试验是获取空间目标辐射特性的唯一直接手段。介绍了研制的地基空间目标红外辐射特性测量系统的组成及关键技术,分别利用红外单色照明光管和大面源黑体实现该地基测量系统的光谱定标和辐射定标,并通过大气参数测量设备实现目标和地基测量系统之间的大气传输修正。对该地基测量系统的辐射定标精度和目标辐射测量精度进行了深入分析,中波和长波红外测量系统的辐射定标精度分别为6.9%、4.8%,目标辐射测量精度分别为23.7%、23.2%。最后,利用该地基测量系统对国际空间站进行了辐射测量试验,并给出了空间站的中波红外和长波红外辐射测量结果。     

用于电光定标的高性能光谱辐射计

美国圣巴巴拉红外公司已研制出一种可对电光测试站、光源及光学表面进行高精确度辐射定标的双波段红外光谱辐射计。这台型号为RAD-9000的红外光谱辐射计覆盖3μm～5μm和8μm～12μm两个谱段，其热灵敏度好于40mK，支持278K～373K的目标温度，光谱分辨率(D1／1)优于2％。该红外光谱辐射计由计算机进行控制。除了能提供高性能的相对辐射测量以外，     

1m口径红外测量系统的辐射定标

为了测量空中目标的红外辐射特性,设计了一套1m口径红外测量系统的辐射定标装置。给出了红外测量系统辐射定标的数学模型,以腔型黑体和平行光管组合作为标准辐射源,建立了1m口径红外测量系统的辐射定标系统。考虑该红外测量系统的光谱响应具有选择性,若采用传统辐射定标方法易产生原理误差,故提出了一种基于光栅单色仪和标准辐射计的相对光谱标定方法。给出了该标定方法的数学模型并进行了相对光谱标定。最后,在外场以黑体作为模拟目标进行了辐射特性测量实验。结果表明,应用本文提出的辐射定标方法,1m口径红外测量系统的辐射特性测量误差最大值为9.5%,比传统方法平均减少了约8.7%,可满足实际项目指标要求,非常适合外场辐射定标的应用。     

3～5μm红外焦平面阵列的辐射定标

设计了一套红外焦平面阵列探测器的实验室辐射定标系统,以实现在对目标进行跟踪观测的同时得到目标的红外辐射特性.以高精度的面源黑体为标准辐射源,对在3～5 μm成像的中波红外相机进行了响应度标定.首先,建立定标数学模型,确定定标流程;然后,使用线性回归统计模型对响应度进行拟合和评估,并提出剔除局外点方法对拟合曲线进行优化;...     

空间碎片的红外探测研究

分析了空间碎片在轨运行时的空间辐射环境,通过分析空间碎片受到太阳、地球、月球等辐射的情况,计算其温度变化情况,并计算了8～12μm波段空间碎片的辐射情况。分析了红外探测器的噪声来源与类型,并计算了探测器接收的空间碎片红外辐射以及光学近场辐射所产生的电子数,然后分别计算了在目标温度不变与光学系统温度不变的情况下的信噪比(SNR)。结果显示,在以深空为探测背景的情况下,光学系统近场辐射是对系统探测距离影响最大的辐射。     

红外目标模拟器校准系统研究与分析

文章论述了红外目标模拟器校准系统在航天、航空、国防、军事及国民经济各领域中的重要作用和意义,综述了近年来测量技术的研究发展现状。红外目标模拟器广泛应用于红外技术上。从保证红外辐射量值的准确性和有效传递出发,有必要对红外目标模拟器的输出辐照度进行测量和验证。基于辐射量测量原理,目前红外目标模拟器其测量装置从测量原理上可分为辐射源为标准的测量和以探测器为标准的测量,本文介绍了这两种方法进行测量的原理和装置并简单介绍了作者基于绝对方法的测量系统。进而描述了红外目标模拟器校准系统的应用情况。展望了红外目标模拟器测量技术目前存在的问题及发展趋势。     

红外多目标复合仿真光学系统设计

基于透射式复合投影以及微透镜阵列扩束设计了适用于1~3 μm和3~5 μm波段的红外多目标复合模拟器的光学系统。该模拟器的干扰光路采用透射式复合投影并利用微透镜阵列完成扩束。此外,采用前无焦系统和后聚焦镜组结合的方式,通过在平行光路中引入平面耦合镜,实现了目标和干扰光路共用一套投影系统。设计过程对目标光学系统、干扰光学系统和主投影光学系统分开优化,之后对系统进行整体优化。该系统入瞳距为200 mm,视场为±4°,全视场调制传递函数（MTF）在20 lp/mm时大于0.6,接近衍射极限。文中分析了加工装调完成后光学系统的实测MTF数据,结果表明,MTF在20 lp/mm时大于0.3,完全满足应用技术指标。该系统已成功应用于新型红外目标模拟器,对未来红外仿真光学系统的设计有参考意义。     

低背景辐射校准装置的光机特性

低背景辐射校准装置由多个舱室和黑体组成,其突出特点是模块式的结构和辐射的光学偏转.模块式结构使得校准装置可以工作于多种方式,如辐射源的校准、辐射探测设备的校准和辐射度的溯源.校准装置内的标准辐射,参考辐射和待测辐射由光学偏转方式进行同轴,使装置避免了大型导轨平台的使用.工作时,校准装置可以抽真空到1.33×10^-2 Pa.充液氮后,校准装置的背景温度低于80 K.这些特点使校准装置具有足够的能力进行-60～+80℃温度区间目标的光谱辐射度校准.     

基于全天空红外测云系统的云辐射强迫研究方法

利用全天空红外测云系统(WSICMS)获得的全天空红外辐射图像,研究了云量和云的地面辐射强迫的计算方法。将全天空红外辐射图像中的辐射值和天顶角绘制散点图,从各天顶角的最小辐射值中提取晴空辐射,计算云量和云的辐射强迫,分析云的地面辐射强迫和云量的关系。结果表明:所获得的云分布图像与实际天空相吻合,准确性比较高;8～14μm波段云的地面辐射强迫与云量呈非线性关系,与其它资料的研究结果具有很好的一致性,证明了利用全天空红外测云系统进行云辐射强迫研究的可行性和准确性。     

采用杂波模型进行天基目标红外探测波段的选择

为了及时发现导弹目标,美国国防支援计划(DSP)系统采用了大气吸收波段进行探测。本文对该系统的波段设置及其选择方法进行了探索性研究,提出了一种基于背景杂波模型的波段选择方法。推导了简化的场景辐射参数表达形式,建立了场景空间杂波辐射模型,分析了中短波红外吸收波段内背景杂波辐射的主要影响因素,给出了综合信噪比解析式。然后,在可能的目标辐射特性与背景杂波水平内选择出最佳工作波段,使得探测系统对辐射特性相似的一类目标的综合探测性能达到最佳。最后,通过算例说明了该方法的有效性。计算分析表明,系统最佳探测波段与场景的杂波辐射水平以及目标的辐射特征密切相关。在不同的杂波水平下,对两种发动机喷焰的目标探测时,DSP的最佳工作波段为2.73～2.85μm与4.2～4.43μm。     

高速再入体热辐射模型的分析与修正

通过对现有高速再入体热辐射模型的分析计算,确立了目标的本体辐射、激波层辐射和尾流辐射之间的定量关系,从而建立了其修正的热辐射模型.将修正模型的理论计算结果、外场实测结果与实验室缩比模型仿真结果进行分析与比较,得出结论:高速再入体再入大气层时的热辐射模型采用本体辐射、激波层辐射和尾流辐射的修正模型,能更好地反映目标再入时的实际辐射,可以为目标热设计提供更准确的依据.     

结构振动模态耦合对辐射声功率的影响

定量研究了结构振动模态耦合对辐射声功率的影响。首先利用结构振动模态的叠加性,基于辐射声功率的二次型表达式,将总的声功率分解为各个模态自身辐射的声功率和模态间的耦合对声功率的贡献两部分;然后引入声辐射模态,得到一般结构模态间的耦合对声功率贡献的通用数学表达式。研究结果表明:在中低频范围内,振动模态间的耦合对辐射声功率的影响由振动模态的幅度大小、振动模态间的相位差以及振动模态与低阶辐射模态向量的内积等因素决定;以矩形平板为例进行了分析,并讨论了模态耦合问题在结构声辐射有源控制中的应用,最后进行了计算机仿真实例分析和验证。     

空间低红外辐射液氮冷屏低温特性研究

应用低温冷屏蔽方法可以降低空间飞行器表面红外辐射强度。建立分层贮液及气流分离空间冷屏蔽系统模型,应用流场数值模拟参数计算对流换热经验关联式并获得不同边界对流换热系数,将对流边界条件代入稳态传热数值模拟过程并得到液相区及气相区表面温度分布规律。建立单元传热试验模型,应用当量分析法对试验模型天地一致性进行分析,结果表明:极端状态下分层贮液高度小于100mm时传热模拟表面最大温度92.9K,流场最大温度107K,试验最大温度180K,受当量辐射影响,试验温度梯度与模拟梯度外形相似但大于模拟温度梯度;试验当量辐射接近1592.6W/m2,地面液氮维持时间15min,空间维持时间大于30min;分层贮液模型能够使空间飞行器在特定时间段内表面温度低于100K,红外辐射强度低于0.5W/m2。     

X射线辐射测量

在过去的几年里,人们使用同步辐射技术在X射线波段实现了基于辐射源和基于探测器的辐射测量,电子储存环被用作主辐射源标准,而低温辐射计(ESR)被用作主探测器标准。因为低温辐射计需要强的单色辐射,所以,这种方式也必须使用同步辐射。文中对能量色散探测器和硅光电二极管的探测效率和响应度做了校准,其相对不确定度约1%,所得结果与模型计算值做了比较。     

高精度太阳辐射测量系统台站试验与初步资料分析

在原高精度太阳辐射测量系统研究的基础上,改进太阳跟踪装置,提高其运行稳定性与可靠性,使其达到业务运行的要求.将总辐射表、散射辐射表和大气长波辐射表放在跟踪太阳的装置上,利用太阳自动跟踪和遮光装置,可准确地测量太阳散射辐射.采用两短、两长波辐射测量方法,获得净全辐射测量值,改变净全辐射测量方法,提高了净全辐射测量的准确度.通过丽江和漠河气象站的比对观测,对试验资料进行了初步分析和比较,验证了高精度太阳辐射测量系统辐射测量方法的正确性.     

基于大气实时修正的飞机辐射特性测量

研究了飞机飞行时的动态辐射特性测量方法。针对利用软件计算大气透过率进行目标辐射修正精度较低的问题,提出了通过机上标校黑体进行实时大气修正的新辐射测量方法。该方法通过目标飞机上挂载的标校黑体实现大气透过率的实时测量,并利用实测大气透过率对目标飞机辐射进行大气修正来提高修正精度。借助中波和长波红外相机、两个标准面源黑体及一块硒化锌平板,开展了飞机目标辐射特性测量的地面模拟实验。利用MODTRAN和CART计算以及实测大气透过率分别对黑体目标红外测量值进行辐射反演。与MODTRAN和CART计算大气透过率的传统方法相比,文中提出的实测大气透过率方法可将目标辐射反演精度提高一倍以上。     

激光等离子体软X线光源的研究

本文设计了一种高精度旋转靶系统的激光等离子体软X线光源,亮度高,强度大,光斑尺寸(100～200)μm,脉冲时间几十纳秒,可以辐射出直至软X线的连续光谱及迭加在连续光谱之上的线光谱,峰值波长位于(13～17)nm。在多次测量取平均的方式下,其稳定性和重复性优于±4.5%。     

基于大气透过率比例校正的目标辐射测量

大气透过率是影响目标辐射测量精度的重要因素,而常规通过MODTRAN等模式计算软件,由大气参数计算大气透过率的误差一般在15％以上,极大地限制了目标辐射测量精度.为此,本文提出利用某一距离的实测大气透过率和模式计算大气透过率之比得到大气过率校正系数来对其它距离的模式计算大气透过率进行比例校正.实验显示,校正后大气透过率的精度优于8.1％,大大提高了目标辐射测量精度.利用中波红外相机和面源黑体开展了目标辐射特性测量实验,结果表明,采用MODTRAN计算大气透过率的辐射测量方法得到的目标辐射反演精度约为20％,而采用本文方法对大气透过率校正后可将反演精度提高到10％以内.     

计量线高次谐波的定量研究

采用自制的840/mm金膜自支撑透射光栅和美国IRD公司的AXUV100G光电二极管探测器,定量研究了光谱辐射标准和计量光束线在5~140 nm波段的高次谐波。研究了Al、Si₃N₄和Zr滤片在不同能量范围对高次谐波的抑制作用,给出了实验数据和曲线。实验结果显示:在5~15 nm波段,不用任何滤片高次谐波的信号强度＜7％;在5~34 nm波段,适当的选用Al、Si₃N₄和Zr滤片可有效地抑制高次谐波,将高次谐波占基波的积分信号强度比例控制在＜14％,经探测器的量子效率修正后高次谐波的百分比在6.5％以内。在经过MgF₂窗滤波的115~140 nm波段,高次谐波的衍射峰几乎完全被抑制。这一研究为软X射线和极紫外的光谱计量、探测器定标和光学元件性能测试奠定了基础。