红外经纬仪内部杂散辐射分析抑制与测量技术研究

发布时间：2020-09-11 19:28

　　随着测控技术和武器装备的不断发展,光电经纬仪对探测能力、成像质量和测量精度的要求不断提升。与可见光系统相比,红外系统采用被动成像的工作方式,其杂散辐射不仅来源于系统外部的杂散辐射源即外部杂散辐射,还要考虑系统自身的热辐射即内部杂散辐射。为实现对远距离、弱目标的有效探测,红外经纬仪一般采用高灵敏度制冷型红外探测器,对热源特别敏感。相比于外部杂散辐射,内部杂散辐射对于系统的影响更加突出,已经成为限制红外经纬仪性能提升的瓶颈。此外,靶场环境的复杂性对于红外经纬仪内部杂散辐射研究提出了更大的挑战。因此,对红外经纬仪内部杂散辐射进行相关研究对于提升系统的各项性能具有重要意义。本文在调研相关文献资料基础上,总结了国内外在红外系统内部杂散辐射研究方面的相关成果,梳理了红外经纬仪内部杂散辐射研究面临的难题,为后续研究指明方向。本论文以红外经纬仪内部杂散辐射为研究对象,从内部杂散辐射分析方法、抑制措施和测量方法三方面进行了深入研究,本论文主要研究成果如下:在内部杂散辐射分析方面,采用复合照度分布法,增加追迹光线数量,有效解决了分析结果精度受光线追迹数量限制的问题。将微元分割思想应用于内部杂散辐射分析过程,详细分析红外经纬仪不同位置微元对于内部杂散辐射的影响,为内部杂散辐射抑制提供可靠的分析依据。结合复合照度分布法,对某红外系统内部杂散辐射进行详细分析,并通过红外系统不同部位加热实验验证了分析结果的可信性。在内部杂散辐射抑制方面,从内部杂散辐射来源、传输路径和算法补偿三方面进行综合抑制,提出了一种温度漂移补偿方法,通过不同环境温度下温漂补偿实验验证了补偿方法的有效性。通过补偿红外经纬仪输出灰度,可以有效减弱内部杂散辐射漂移对于系统输出的影响,增强红外经纬仪的环境适应性。针对球面反射温阑抑制内部杂散辐射进行了详细分析,建立了球面反射温阑分析模型,基于外界热辐射无法直接到达探测器靶面的基本原理,推导了球面反射温阑设计理论。依据该理论设计了用于实现F/2探测器与F/4红外系统相匹配的球面反射温阑,仿真结果表明该球面反射温阑可以有效抑制杂散辐射。分别在常温环境和不同环境温度下对球面反射温阑和不同表面特性平面温阑进行辐射定标对比实验,实验结果表明球面反射温阑引起的探测器输出灰度仅为平面温阑的十分之一,说明球面反射温阑可以有效抑制杂散辐射,验证了所提出设计理论的正确性。在内部杂散辐射测量方面,建立了考虑积分时间和环境温度的辐射定标模型。在该定标模型基础上,提出了三种红外经纬仪内部杂散辐射测量方法,分别在不同环境温度下对三种测量方法进行了实验验证,结果表明三种方法均可实现对内部杂散辐射较高精度的测量。对于不同口径和不同形式红外系统可以选取相应测量方法。通过对内部杂散辐射进行测量,对于评价红外经纬仪内部杂散辐射抑制效果,评估系统动态范围和作用距离等具有重要意义。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：P213
【部分图文】：

杂散光,欧拉,插图,杂散辐射

射进行深入研究对于提升系统的性能具有重要意义。技术和武器装备的发展，国内外靶场对于高性能红外内部杂散辐射已经成为限制靶场红外经纬仪性能提升红外经纬内部杂散辐射作为研究对象，从分析方法、进行深入研究。本文研究成果对于提升红外经纬仪的测量精度等具有重要意义。内部杂散辐射研究现状，瑞士数学家欧拉受普鲁士国王邀请出版一本关于自中欧拉第一次提到光学成像系统的杂散光问题，并建漆的方法抑制杂散光，其书中插图如图 1.1 所示。这于光学系统的杂散光问题，但当时的光学系统均是可杂散光问题并未受到重视。

红外相机

图 1.2 VISTA 红外相机结构Figure 1.2 The configuration of VISTA infrared camera姆斯·韦伯太空望远镜(James Webb Space Telescope, JWST)004 年以来，作为替代哈勃太空望远镜(Hubble Space Telescope, HST太空望远镜，NASA 的 JWST 一直备受瞩目。JWST 主口径为 6.5m六边形子镜拼接而成，工作波段从0.6μm可见光延伸至29μm红外的杂散辐射不仅来源于黄道光背景、视轴线附近的亮物体、地球和等，望远镜的自身辐射也会对系统产生影响[11-13]。因此，科研人员件的温度及其表面发射率进行了详尽分析计算，以准确分析系统的时对于反射镜面在不同污染情况下引入的杂散辐射也进行了详细分WST 的内外部杂散辐射抑制效果均满足要求[14]。经过长时间设计分

太空望远镜,杂散辐射,自身辐射,哈勃

) 詹姆斯·韦伯太空望远镜(James Webb Space Telescope, JWST)2004 年以来，作为替代哈勃太空望远镜(Hubble Space Telescope, HST)的下新型太空望远镜，NASA 的 JWST 一直备受瞩目。JWST 主口径为 6.5m，主18片六边形子镜拼接而成，工作波段从0.6μm可见光延伸至29μm红外波段ST 的杂散辐射不仅来源于黄道光背景、视轴线附近的亮物体、地球和月亮射光等，望远镜的自身辐射也会对系统产生影响[11-13]。因此，科研人员对于各组件的温度及其表面发射率进行了详尽分析计算，以准确分析系统的自身。同时对于反射镜面在不同污染情况下引入的杂散辐射也进行了详细分析保 JWST 的内外部杂散辐射抑制效果均满足要求[14]。经过长时间设计分析测，JWST 预计于 2019 年发射升空。JWST 探测能力超过 HST 百倍，其超强测能力不仅与第二拉格朗日(L2)点的绝佳观测地点有关，还得益于优异的杂射抑制效果，JWST 的杂散辐射抑制设计如图 1.3 所示[15]。

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