非致冷长波红外高光谱成像

8μm～14μm波段的高光谱成像无论对于军用遥感还是对于民用遥感都是很重要的．长波红外高光谱成像的昼夜观察能力加上它探测伪装目标、地雷和化学气体的能力,已使它成为了一种很有吸引力的军用侦察手段．此外,长波高光谱成像技术的化学分析能力还可以对可见光、近红外和短波红外高光谱方法进行补充。然而,长波高光谱成像技术所用的光子焦平面体积大、成本高,这就限制了它在许多平台上的使用。     

用于红外焦平面成像的变焦距光学系统

变焦距光学系统是指焦距可在一定的范围内变化、而在变焦过程中像面位置保持不动、相对孔径也基本保持不变的光学系统。变焦镜头在一定范围内可以改变焦距从而可以得到不同大小的视场角、不同大小的影像和不同景物范围,在民用和军用方面都有重要的应用价值。例如在数码相机中广泛使用变焦镜头来实现对景物的不同拍摄要求,而在军事上变焦镜头则可以用来对目标进行探测和跟踪。     

长波红外焦平面阵列的进展

本文着重介绍HgCdTe、IrSi、Ce_xSi_(1-x)/p-Si和GaAs/AlGaAs多重量子阱长波红外焦平面阵列的现状及发展趋势。     

长波红外碲镉汞探测器

1 引言 红外辐射最早是1800年英国的天文学家赫谢耳(W.Herschel)在研究太阳光谱的热效应时,用水银温度计测量各种颜色光的加热效果而发现的。1830年,L.Nobili利用塞贝克发现的温差电效应制成了“温差电型辐射探测器”;     

电可调非致冷红外探测原理

传统的红外光谱探测技术能够提供丰富的光谱信息,应用广泛,但该技术同时也存在一定局限性,如很难同步实现探测器小型化和探测波段实时调节等方面的要求.提出了一种基于电可调表面等离子体谐振吸收的新型FET红外探测器结构.基于电磁场理论分析了结构参数对红外光学吸收的影响,并通过结构参数的优化使吸收结构对特定红外波段的吸收率达到90%以上.栅压变化时VOx热敏层中载流子的浓度分布和折射率均发生变化,显示该器件具有明显的电可调光谱吸收特性.借助于这种FET结构,非制冷红外探测器将具有片上可调光谱探测能力,同时具有易于阵列化特点,为微小型可配置光谱成像探测器件提供了一条思路.     

5×光学补偿长波红外连续变焦物镜系统

介绍了一个变倍比5×的长波红外连续变焦物镜系统的设计结果,该系统采用光学补偿的变焦方式.光学系统的F#和探测器的相匹配,恒定为2,冷屏效率100%.对4个视场严格校正了像差,各个视场的MTF曲线均接近衍射限.采用二次成像方式对光学系统的横向尺寸进行了约束,通光孔径被约束在(0)134mm以内.为了进一步减小系统的轴向尺寸,对系统的光路进行了折转.光路折转两次后,系统的体积约为290mm×165mm×140rnm.     

宽幅长波红外高光谱扫描成像系统的设计

为了满足宽幅长波红外高光谱成像需求,基于光导型碲镉汞线列探测器和平面闪耀光栅,提出了一种在长波红外8~12.5 μm范围内具有150个连续波段、30°成像视场角、基于地面应用的低成本、轻小型高光谱扫描成像系统的设计方法。该系统由光栅扫描机构和视场扫描机构组成,两机构同步控制以实现精细分光和宽幅成像功能。推导了光栅扫描角度与探测器接收单色光的波长、视场扫描角度与成像视场角间的关系式。在分析扫描系统扫描定位精度的基础上,设计了一套以步进电机为运动核心,采用“摆扫定位+停止成像”工作模式的扫描系统。实验表明,该扫描系统可满足系统视场定位精度及分光精度的要求。获取的硅碳棒在长波红外波段的发射光谱曲线表明该系统的设计合理有效。该扫描系统的设计方法对长波红外高光谱系统的设计具有一定的指导意义。     

新型非致冷红外探测器

介绍了近年来出现的各种新型非致冷红外探测器,对不同探测器的基本工作原理、器件结构、制作工艺以及性能的优缺点进行了讨论和对比,并对非致冷红外探测器的改进方向进行了预测.     

变间隙法布里-珀罗干涉式长波红外光谱成像系统

干涉式长波红外光谱成像技术以其独特的工作原理和谱段特性,在众多领域具有广泛的应用前景。为解决仪器小型化、轻量化问题,研究了一种基于变间隙法布里-珀罗（F-P）干涉仪的新型长波红外光谱成像系统。在分析系统工作原理的基础上,研究了确定F-P干涉腔两反射面的反射率、变间隙干涉腔的楔角等主要参数的理论依据;搭建了实验系统,得到了整个装置对黑体宽波段热辐射的响应;通过将系统测得的聚丙烯薄膜的透过率曲线与高精度光谱辐射计测量结果进行比较,结果显示系统光谱分辨率满足理论设计要求。研究表明:该系统能够有效满足长波红外光谱成像系统的轻便化、小型化的需求。     

大相对孔径制冷型红外相机镜头的光学设计

介绍了一种大相对孔径红外成像镜头的设计。该镜头针对制冷型红外探测器,采用二次成像设计,保证100%冷光阑效率。在8～10mm波段,实现相对孔径（F数）为1.5、视场角2w为18.6°的设计,其成像质量优良,传函接近衍射极限,在常规加工装调公差下易于保证应用质量。     

防辐射长波红外连续变焦光学系统设计

为解决在强辐射环境中使用红外热像仪时由辐射导致其性能退化迅速的技术问题,基于机械正组补偿式连续变焦结构形式,通过在后固定组中引入反射镜来形成折转式光学系统,避免后端探测器直面前方辐射射线。设计了一种工作波段为8～12 μm、F数为1.2、焦距为25～90 mm的非制冷红外连续变焦光学系统。结果表明,该系统结构合理、成像良好,在探测器对应的特征频率42 1p/mm处的调制传递函数(Modulation Transfer Function, MTF)值大于0.2,满足应用需求。加工装调后,经实际成像测试,验证了设计的准确性。     

制冷型中波红外变焦镜头

在分析中波红外变焦镜头的基础上,分别就初始结构选取、冷反射、变焦等方面对中波红外变焦镜头的光学设计进行探讨,设计出实用、能够加工生产装调出来、成像质量优异的制冷型凝视中波红外连续变焦镜头.     

坦克目标探测跟踪红外变焦光学系统设计

针对联合变换相关器对坦克目标进行实时探测跟踪的需求,设计了一种红外变焦光学系统。该系统采用320×240元非致冷焦平面阵列探测器,在8～12μm波段,系统变焦范围为60～240mm,F数为2。通过对系统的优化设计,当最大截止频率为17lp/mm的时候,各视场的MTF调制传递函数均接近衍射极限,成像质量良好,并且系统具有大相对孔径以及结构紧凑等优点,满足了坦克目标跟踪识别的实际应用需求。     

中波红外连续变焦光学系统设计

针对中波红外制冷式凝视焦平面阵列探测器,探讨了红外连续变焦系统的设计方法,并在考虑红外吊舱使用要求的基础上,设计了结构紧凑、质量轻便的机械补偿5~×连续变焦光学系统.该系统工作波段3～5μm,F~#为2.0,变焦范围30～150mm,变焦轨迹短而平滑,且在全焦距范围内成像质量良好.系统由7片透镜组成,采用二次成像结构,在实现冷光阑效率100%的同时缩小了系统径向尺寸.     

红外连续变焦镜头凸轮曲线优化及运动学仿真

随着制造技术的发展, 机械补偿式变焦镜头的使用也越来越广泛.光学系统变焦的精确性、平滑性和驱动力均衡性主要取决于变焦凸轮, 而变焦凸轮的压力角与凸轮外径、凸轮转角范围以及变倍组的运动规律有关.本文以某款红外连续变焦镜头为例, 不改变凸轮外径和凸轮转角范围, 对变倍组的运动规律进行优化设计, 并通过ADAMS对优化后的模型进行运动学仿真.仿真结果表明:该优化方法可以降低变焦凸轮在短焦段和长焦段的压力角, 消除变倍组等速运动时的刚性冲击.     

微型无人机变倍同步聚焦镜头控制系统设计

根据微型无人机系统机载摄像机需求,设计了一种用步迸电机控制的摄像机镜头快速变倍同步聚焦控制电路.利用无人机飞控系统内置ARM处理器的富余I/O资源,结合MD127步进电机驱动器,完成了对两相步进电机的驱动,实现了高速飞行状态下平稳快速的变焦与聚焦功能.经过飞行测试,该系统能够安全可靠、精确稳定地工作.     

一种红外变焦距像面变化量的测量方法

大变倍比连续变焦红外成像系统能够同时应用于大视场下的目标搜索和小视场下的高精度跟踪测量。由于变倍比很大,在整个变焦范围内均保持良好的成像质量就成了其设计验证的难点。为了解决这一问题,本文利用调制传递函数对变焦距像面的变化量进行测量和验证。红外成像系统整机调制传递函数的主要测试方法有斜狭缝法和斜刃边法。在对两者的测试特点和影响要素进行分析比较后,选取斜刃边法作为红外成像系统整机调制传递函数的测试手段。通过用调制传递函数对现有的大变倍比测试样品在各特征焦距下的离焦曲线进行标定,得到了最优像面位置。与理论设计值相比较,最大偏差为36μm。依据该数据对调焦补偿进行了修正。复测后,该偏差的最大值降至5μm。     

中长波红外偏振成像对比试验研究

基于高灵敏度的中波和长波制冷焦平面探测器, 搭建了红外偏振成像系统, 针对特定场景中的典型目标, 开展了红外偏振试验,获得了有效的试验数据, 并对图像进行了定性分析和定量评价。对比研究表明: 长波红外偏振成像易受水汽干扰, 但图像的平均灰度和平均梯度指标高; 中波红外偏振成像抗云干扰和观测人工防伪网能力强, 图像标准方差比较高。根据中长波红外偏振成像的特性, 在实际应用中可以按需要进行波段选择。     

制冷型红外探测器高精度制冷控温系统

致冷型红外探测器温度的稳定性直接决定了红外系统的性能.设计了针对致冷型红外探测器的高精度温度控制系统,该系统利用MCU进行PID闭环自动控制,温度恒定范围在77~80 K,实现了温度稳定度±0.05 K的性能指标.该系统具有精度高、抗干扰能力强、噪声低、快速稳定等优点,并且工作可靠,应用方便,具有很高的实用价值.