基于光线追迹的红外探测光学系统杂散辐射研究

杂散辐射分析与抑制是红外探测光学系统设计的重要环节,杂散辐射增加了系统的噪声,降低了红外探测系统对目标的探测能力。首先对红外探测系统杂散辐射源进行了分析,对基于光线追迹的杂散辐射分析理论进行了介绍,并结合具体的红外探测光学系统实例,提出了反向光线追迹的思路,分析系统关键表面的特性,提出了给机械表面涂覆吸收膜的方法来抑制系统的杂散辐射,分析结果满足杂散辐射抑制的要求。     

红外成像光学系统近场辐射噪声建模与仿真分析

在红外探测系统中,当目标信号比较弱时,少量的杂散光引起的噪声就会大大降低系统的输出信噪比,从而降低系统的探测能力。对于高灵敏红外成像探测系统和低冷辐射环境模拟系统,系统自身热辐射将成为杂光的最大来源。文中分析说明了系统自身热辐射杂光的确定性和近场性,提出了一种新的基于光线光学的计算模型,讨论了计算模型中的一些关键问题和解决方法,并编程实现了对近场物体杂散辐射的精确数值模拟与仿真。得到了杂光在探测器上的辐照度分布图,并分析了温度、物距和辐射系数等参数对系统杂光水平的影响。对如何合理高效地降低系统自身热辐射噪声具有指导意义。     

平行光管杂散辐射对红外辐射定标影响的分析

利用黑体与平行光管组合是红外辐射定标的重要手段之一。然而,由于平行光管自身存在热辐射,会在系统探测器上形成杂散辐射噪声,如果不进行处理,将产生定标误差,影响定标精度。建立了平行光管杂散辐射理论模型,定量分析不同工作温度、不同表面发射率下镜面的杂散辐射,确定杂散辐射对红外辐射定标的影响。同时提出杂散辐射修正措施,消除平行光管杂散辐射对红外辐射定标的影响,提高红外辐射定标的精度。     

空间光学系统的红外杂散辐射抑制特性

空间光学系统自身的红外波段杂散辐射,是影响探测元面成像质量的一个重要因素.文章分析了导致探测元面上红外辐射能变化的相关因素.以柱状遮光筒为计算模型,引入了红外杂散辐射传递函数IRTF这一无量纲参数来表征、分析柱状遮光筒的红外杂散辐射抑制特性.采用蒙特卡罗法模拟遮光筒中红外波段杂散辐射传递过程,分析了长径比χ、壁面红外发射率εw、壁面相对黑体辐射参数γw对遮光筒IRTF的影响;讨论了遮光筒抑制能力对入射杂散辐射方向的选择性.     

中波红外和长波红外探测系统性能的比较与选择

针对常用的各种中波和长波红外探测系统,从探测器特性、目标辐射特性、背景辐射特性、大气传输特性和红外系统设计等方面,分析、计算和比较了中波红外和长波红外探测系统的有关性能,提供了有实用价值的数据。根据不同的探测目标和使用环境,为红外探测系统的设计提出了波段选择的建议。     

红外成像仿真系统目标/背景辐射能量计算

红外探测系统不仅能探测到的目标红外辐射,也探测到环境背景的辐射。红外制导半实物仿真系统在试验过程中,目标和部分环境背景辐射都进入参试探测器的视场内,而红外探测系统响应的是目标和背景的辐射通量差。根据红外辐射度学的基本理论,结合红外半实物仿真系统的光学系统结构和特性,计算了红外成像仿真目标与试验室环境背景在参试探测器像素的辐射通量差以及红外仿真小目标与环境背景在参试探测器入瞳处的辐射通量差,以便对仿真系统的能量进行定量地分析。     

环境温度对红外辐射测量精度的影响及修正

为了提高靶场红外系统的辐射特性测量精度,找出外场复杂环境温度变化对测量精度的影响并进行相应地修正。首先,建立了红外系统辐射定标的数学模型,模型中包含杂散辐射噪声影响和内部暗电流噪声的影响。接着,通过在高、低温箱内进行辐射定标实验,找出环境温度变化对辐射定标模型中各参数的影响。实验结果表明:环境温度改变引起的杂散辐射变化对辐射特性测量精度有较大影响。同时发现,环境温度变化时,杂散辐射引起的探测器像元灰度输出变化量近似等于实测的全系统像元灰度变化量,最后根据这一结论提出一种简易的适合外场应用的红外系统辐射定标数据修正方法,采用这种方法,以70℃黑体为目标,在0~50℃的温度范围内,黑体温度测量误差的均方根由0.8℃降低到0.095℃。在不增加操作难度的同时,大大地提高了外场红外辐射特性测量精度。     

影响红外目标探测亮度的因素

文中就红外目标探测实验中,目标辐射亮度随作用距离增加而增强的现象提出问题。以红外探测亮度方程为理论基础,利用大气辐射传输软件LOWTRAN,对目标与背景的红外辐射亮度、路径辐射亮度、路径透过率、距离和有效作用面积等影响红外目标探测亮度的各项因素进行了深入的分析。结果表明, 随着作用距离的增加, 背景辐射亮度增加在所有影响探测亮度的因素中占据主导地位,最终使得目标辐射亮度增加。通过文中的分析,合理解释了实验现象,对于设计红外探测系统、跟踪系统的目标提取算法具有十分重要的意义。     

海上目标红外辐射特性测量数据处理系统设计

针对海上动态目标红外辐射测量精度评估问题,分析了影响红外辐射测量误差的主要因素,重点研究了针对试验海域系统外场定标方法、大气辐射传输修正方法、背景杂散辐射模型,提出了海上动态目标红外辐射测量数据分析处理系统的设计方法,为海上飞行目标红外辐射特性测量系统建设有一定的指导意义。     

基于NETD的红外探测系统作用距离分析

由于红外焦平面阵列(Infrared Focal Plane Array, IRFPA)已成为红外探测器发展的主流,用IRFPA的参数来评价红外探测系统的综合性能变得至关重要。推导了以噪声等效温差(Noise Equivalent Temperature Difference, NETD)参数表示的红外探测系统的作用距离方程,考虑了背景辐射和目标成像弥散效应对探测的影响,计算了不同能见度条件下系统对点源目标的作用距离。结果表明,大气能见度越好,红外探测系统的作用距离就越远。分析了红外探测系统的探测能力随NETD值的变化。随着NETD值的增大,红外探测系统对目标的作用距离显著减小。研究结果能为红外探测系统的设计和性能指标评价提供参考。     

大视场红外折反光学系统杂散光分析

杂散光分析是保证光学系统成像质量的关键技术之一,根据红外光学系统杂散光的定义,指出大视场红外光学系统的杂光来源,以及杂光对系统的影响,并且建立了消杂光结构。在消杂结构中,为了减少内部辐射,遮光罩内部使用反射式挡光环。采用TracePro软件对系统进行建模、仿真分析,结果表明此红外光学系统的杂散光得到很好的抑制:太阳杂光抑制水平PST可以达到10-5～10-8,内部辐射到达像面杂散光能量量级为10-10 Ｗ,系统可以实现清晰成像。     

空间光学系统中红外杂散辐射的抑制方法

根据红外系统中的不同杂散辐射源,分析了杂散辐射的内因和外因.列举了从机械面和光学面上抑制红外杂散辐射的具体措施,提出了选择红外涂层的方法.对一台空间红外仪器设置了里奥光阑,并通过地面试验和在轨测试评价了其抑制红外杂散辐射的有效性.     

不同结构地基光电探测系统的杂散光抑制

分析了不同结构形式的地基折反式光电探测系统的杂散光特性,讨论了相应的杂散光抑制方法.针对有无中间像面的光学系统,分别给出了两种不同的杂散光抑制方案,并对其中的长波红外系统进行了自身辐射分析.结果表明:对于无中间像面的折反系统,外遮光罩可以更好地抑制大离轴角度的杂散光;对于有中间像面的折反系统,采取光阑组合和设置主镜内遮光罩的方式就可以很好地抑制外部杂散光,在满足自身辐射要求的前提下,有效减少因设置外遮光罩而增加的长度和质量,有利于小型化和轻量化.     

红外热成像系统低温极限成像探测分析

从普朗克黑体辐射定律出发,通过计算,得到不同温度下景物的辐射出射度,推导出真空低温密闭环境中景物辐射通过光学系统进入红外探测器的辐射通量的计算公式,得到了探测器接收到的辐射通量,研究了影响探测器性能的主要噪声,并且计算了系列红外探测器的最小可探测功率,进而分析得到了影响红外热成像系统可探测最低温度的影响因素,通过计算得到了系列探测器的低温探测极限。该工作可为用于低温环境和目标探测成像的红外成像测温系统设计提供依据。     

远程运动点目标探测影响因素分析

红外系统实现远程探测,其影响因素很多,如运动点目标的特性,背景辐射,近场光学辐射,探测器的性能特性。本文从点源目标探测基本原理出发,以深空背景条件下探测大气层外的目标物为例,建立远程目标红外探测距离估算模型,分析了影响探测距离的相关因素,为远程红外系统的指标设计提供理论参考。     

红外系统自身热辐射导致的分布式探测距离变化分析

探测距离是红外系统应用的重要评价指标,随着制冷型红外探测器的发展,红外系统自身热辐射已成为探测距离提升的重要限制性因素,冷光学设计是抑制自身热辐射的必然选择,因此对冷光学制冷温度指标进行评估和优化成为红外系统设计分析的新问题。文中从红外系统自身热辐射和经典探测距离理论出发,推导了包含系统噪声项的红外系统探测距离计算公式,提出了分布式探测距离的分析方法。以透射式光学系统为例,进行了影响因素灵敏度分析。通过对探测器焦平面进行分区域数据处理,得到了对应探测距离的主要影响表面。在此基础上,分析了在对主要影响表面进行低温处理前后(293.15 K制冷到173.15 K)探测距离的变化。结果表明,探测距离最大提升量达到43.32%,提升效果显著。该方法可为红外系统冷光学设计和评估提供参考。     

地基红外探测系统的作用距离研究

从红外辐射学原理出发,根据空间目标的特征和环境,首先计算了空间目标在中波段和长波段的辐射强度;然后分析了大气透过率对目标作用距离的影响,并估算出地基红外探测系统对空间目标进行探测的作用距离;最后通过与外场实验数据结果的对比,视距大约为757km的卫星,其表面温度为290K左右,这证明了针对空间目标红外辐射的分析方法是正确的,因此也证明了地基红外探测系统具备探测中低轨道空间目标的能力.