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。     

红外探测技术的进展、应用及发展趋势

简要介绍了红外技术的发展历史、成像原理及红外器件,并对制冷技术、红外光学系统、前视红外(FLIR)及红外搜索跟踪系统(IRST)、红外隐身与对抗技术和数据融合技术做了概述,对红外器件、IRST及其未来发展趋势进行了综述.     

多波段冷光学红外成像终端研制

针对目前地基空间探测红外成像系统对高灵敏度、高探测能力及信噪比的要求,对地基冷光学红外成像技术进行了研究,包括红外杜瓦冷却系统内部辐射抑制、系统终端快速制冷、低温红外探测器的研制、低温冷光学系统设计装调等关键技术。在各项系统技术突破的基础上,研制出一套相对孔径1:10、分辨率320256、兼容中波3~5 m和长波8~10 m波段的冷光学红外成像终端。系统终端实现制冷温度最低至42 K,真空度10-5 Pa量级。将终端与1.23 m口径地基望远镜对接,对月亮和红外标准星观测具有良好的成像效果。该系统的研究为地基大口径冷光学红外探测技术提供参考。     

可变冷光阑红外探测器研究进展和关键技术分析

为了进一步提高红外变焦光学系统的性能,兼顾其空间分辨率和灵敏度的要求,基于可变冷光阑技术的制冷型变F数红外探测器需求迫切。相较于传统的红外变焦光学系统,变F数红外变焦光学系统可在大视场和小视场切换时保持分辨率和灵敏度的平衡,提高光学系统的孔径利用率,进而缩小光学系统的径向尺寸,有利于红外光学系统成像质量的提升和小型化设计。本文对变F数与变焦之间的关系进行研究,概述了国内外在可变冷光阑红外探测器技术领域的研究进展,并对主流技术路线的关键技术难点进行了分析。     

制冷型中波红外偏振成像光学系统设计

除了具备作用距离远、可全天候工作、隐蔽性好等传统红外强度成像的优点外，基于目标与背景偏振特性差异的红外偏振成像技术能够有效减小背景干扰、抑制背景杂波、增强图像对比度、提高信噪比，应用前景广阔。为了有效抑制空中和海面目标探测过程的背景杂波干扰，增强雾、霾和烟尘以及小温差、低照度和复杂背景环境下的目标探测能力，采用分孔径同时偏振成像方式，完成了焦距为240 mm的四通道制冷型分孔径中波红外偏振成像光学系统的设计。利用蒙特卡洛法进行了公差分析，保证了光学系统加工和装调精度的合理性。像质分析结果表明，光学系统的MTF接近衍射极限，各类像差得到了有效校正，成像质量良好。通过冷反射分析验证了冷像对所设计制冷型红外光学系统成像质量的影响程度。此外，最终完成的光学系统结构紧凑，透过率高，避免了非球面的使用，具有良好的加工和装配工艺性。     

实现高精度红外探测的冷光学技术

高灵敏度、低噪声是红外探测技术的必然要求,实现这一目标的有效手段之一就是冷光学技术。冷光学技术的成熟又进一步促进了红外探测的快速发展。通过查阅相关文献资料,对国外典型地基大口径望远镜制冷红外设备的冷光学部分作了简要介绍,从工程应用的角度阐述了红外光学技术的各要素,如低温恒温器制作、光学和机械结构设计、探测器安装等在冷光学处理中的设计要点和注意事项。     

非制冷红外焦平面非均匀性测试技术研究

非制冷焦平面的非均匀性和噪声是限制非制冷红外热成像系统性能的主要因素.研制了非制冷红外焦平面的非均匀性测试系统,系统由黑体、红外光学系统、焦平面驱动电路、热电温控电路、信号处理系统、计算机和测试软件等构成,利用该系统可以将微测辐射热计非制冷红外焦平面各像元的输出信号数字化后传输给计算机,实现对焦平面的非均匀性测试和盲元统计,并给出了实验结果.     

低温光学系统辐射特性研究

文章从空间探测所广泛采用的三反光学系统入手,建立了一个研究光学系统玻璃自身辐射特性的模型,通过它计算得到低温光学系统的背景辐射量与温度之间的关系,并结合计算结果分析了典型红外空间望远镜的探测能力。     

制冷红外光学系统中冷反射的非序列仿真分析

在制冷红外光学系统中，制冷探测器通过前面的光学表面反射，使得探测器探测到自身的像，形成边缘亮而中心暗的黑斑现象被称为“冷反射”现象。冷反射严重影响制冷红外光学系统的像面非均匀性，在进行光学设计时需对其严格控制。本文以某中波制冷红外光学系统为例，提出了能有效解决或降低冷反射效应的技术途径，对原设计改进优化，利用ZEMAX光学设计软件建立非序列数学模型，进行仿真分析，经分析改进后光学系统冷反射由40%下降到13%，并开展了工程样机成像实验，实验现象与仿真结果基本一致，表明该分析方法能准确地反映红外光学系统中的冷反射实际情况，可作为制冷红外光学系统研制生产前的判定依据。     

非制冷焦平面红外热像仪光机热分析

非制冷红外热像仪在军事和民用领域具有广阔的应用前景.在空间或军事应用中,环境温度变化对系统成像质量影响很大.红外光学系统对温度变化非常敏感,温度的变化引起镜片间距的改变等,使系统产生离焦等热像差,从而使系统成像质量下降.利用光学设计软件Zemax的多重结构功能分析了红外光学系统在-20～60℃温度范围内的光学传递函数变化情况,结果表明系统的传递函数下降很小,满足设计指标的要求.     

光学-近红外相机CASCAM机械设计

光学-近红外相机CASCAM(Chinese Academy of Science,CAMera)采用光学CCD和近红外列阵HAWAII-1探测器,配备兴隆2．16望远镜可同时进行光学和近红外成像和偏振观测。CASCAM机械系统主要包括光学箱和真空箱以及致冷设计,光学箱是相机光学系统和探测器的载体,同时防止来自光学箱外部的红外热辐射;光学箱外部是真空箱,是整个系统的机械支撑,保证良好的真空密封性能,和真空泵、冷冻机一起构成了相机的致冷系统。     

用于红外探测的新型冷却器—脉冲管制冷机

脉冲管制冷技术近年来的突破性进展,使其可在相当多的领域得到应用。本文通过分析和比较,结合作者等人近几年来的研究结果,给出脉冲管制冷机应用于红外探测器件冷却的可行性。     

反斯托克斯荧光制冷及其在空间遥感领域的应用

激光诱导反斯托克斯荧光制冷，是近年来刚刚起步的一个全新的制冷概念．它在体积、重量、振动、电磁、寿命等方面都具有其他制冷方式所无法比拟的优点，针对空间红外探测器致冷苛刻的空间环境具有良好的适应性．详细介绍了反斯托克斯荧光制冷目前发展的状况，展望了它在空间遥感领域的应用前景．     

美国导弹防御系统全域红外探测装备的发展、体系分析和能力预测

红外探测与跟踪系统在美国目前部署的弹道导弹防御体系中(尤其是在弹道导弹发射早期预警和动能拦截弹高精度制导等方面)起着关键作用。为了进一步改进和完善其弹道导弹防御体系,近年来美国正在进一步发展新一代弹道导弹防御红外系统及技术,包括天基高轨道红外预警系统、空间监视与跟踪系统、机载红外探测系统以及动能拦截弹红外成像导引头,以构建涵盖天基高轨早期预警、天基低轨全弹道跟踪、机载助推段及上升段跟踪和弹载跟踪导引的全域红外探测武器装备体系。概述了近年来美国弹道导弹防御系统中红外系统及技术的新进展,分析了其全域红外探测武器装备的体系构成,预测了美国未来弹道导弹防御系统红外探测装备的能力水平。     

天基激光器的排热方案研究

天基激光器运行过程中产生的大量废热需要排散,采用传统的热泵、单相或两相流体排热回路以及消耗性冷却剂等热控技术会使整个热管理系统质量、体积或功耗过大。以系统的轻量化和紧凑性为指标,对辐射冷却-冰蓄冷组合排热方案用于天基激光器的可行性进行了研究,结果表明,该方案能满足激光器废热排放要求,可大大减轻热控系统的质量和体积,说明它在未来天基激光器热管理中具有相当的应用潜力。     

满足双视场需求的红外模拟光学系统的设计

简述了红外场景产生的技术背景以及基于液晶光阀实现可见光到红外视频图像转换的模拟器的总体结构。重点介绍了一种适用于两种不同视场的红外光电系统测试与评估的动态红外场景模拟器光学系统的设计,其中包括变倍透镜的选择和准直投射光学系统的设计。从理论上分析了利用变倍透镜的变化写入不同放大倍率的可见光图像,来满足视场变化需要的方法;从光学指标的确定,结构、材料的选取到最终光学性能,阐述了准直投射光学系统的设计。此投射光学系统工作在8～ 12 μm , 焦距271.69 mm,视场为±4°,入瞳距150 mm,后工作距离139.2 mm,点列图和传递函数曲线表明此投射光学系统像质达到理想状态。最后分析了光学系统性能参数与指标要求的符合。在满足设计指标的前提下,和变焦系统相比,该光学系统结构简单、成本低、可行性高。     

Li4Ti5O12: A Visible‐to‐Infrared Broadband Electrochromic Material for Optical and Thermal Management

Broadband electrochromism from visible to infrared wavelengths is attractive for applications like smart windows, thermal camouflage, and temperature control. In this work, the broadband electrochromic properties of Li₄Ti₅O₁₂ (LTO) and its suitability for infrared camouflage and thermoregulation are investigated. Upon Li⁺ intercalation, LTO changes from a wide bandgap semiconductor to a metal, causing LTO nanoparticles on metal to transition from a super‐broadband optical reflector to a solar absorber and thermal emitter. Large tunabilities of 0.74, 0.68, and 0.30 are observed for the solar reflectance, mid‐wave infrared (MWIR) emittance, and long‐wave infrared (LWIR) emittance, respectively, with a tunability of 0.43 observed for a wavelength of 10 µm. The values exceed, or are comparable to notable performances in the literature. A promising cycling stability is also observed. MWIR and LWIR thermography reveal that the emittance of LTO‐based electrodes can be electrochemically tuned to conceal them amidst their environment. Moreover, under different sky conditions, LTO shows promising solar heating and subambient radiative cooling capabilities depending on the degree of lithiation and device design. The demonstrated capabilities of LTO make electrochromic devices based on LTO highly promising for infrared‐camouflage applications in the defense sector, and for thermoregulation in space and terrestrial environments.     

浅谈直接蒸发冷却通风降温术语及其应用

通过诠释直接蒸发冷却通风降温术语,进而对两种系统形式术语的正确表达及其定义进行了探讨,并简单阐述了直接蒸发冷却通风降温的重要性以及单元式直接蒸发冷却设备相关标准,认为在以显热散热量为主的大空间工业厂房、高温车间等产生工艺余热的场所采用蒸发冷却技术是非常经济合理的。