红外经纬仪结构设计及提高其辐射测量精度的关键技术研究

发布时间：2017-08-16 04:10

  本文关键词：红外经纬仪结构设计及提高其辐射测量精度的关键技术研究

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【摘要】：红外辐射特性测量是获取目标表面辐射温度分布、探测识别红外目标和评价目标红外隐身效果的基础技术之一。随着红外探测器和测控技术的发展,越来越多的高精度地基红外成像系统(例如红外经纬仪)广泛应用于军事目标的辐射特性测量。红外成像系统与可见光电视相比,受环境因素尤其是温度影响更为显著。由于外场测量试验条件的复杂性和目标的多样性,提高红外经纬仪辐射测量精度历来是一大难题。本论文深入地研究了辐射定标、测量模型,在现有可见光电视经纬仪的基础上进行了红外经纬仪的基本结构设计。综合考虑成像系统、大气、背景辐射和目标辐射特性等因素,详细分析了红经纬仪辐射测量误差来源。并在此基础上提出了提高其红外辐射特性测量精度的方法,对本文辐射测量系统进行结构设计、定标方法和辐射反演算法方面的改进。本论文主要完成了五个方面的工作:(1)深入研究国内外现有的目标红外辐射特性测量技术,并在此基础上提出了系统输出灰度与目标辐射亮度、积分时间及环境温度的关系模型。研究宽动态范围辐射定标和非均匀性校正方法,建立了完整的定标、测量模型。为以后的辐射定标研究及测量误差分析提供可靠的理论支持。(2)设计了红外经纬仪的基本结构,包括跟踪架、桁架结构四通、主次镜系统、自动调焦系统和自动切换反射镜等。(3)根据本文建立的辐射定标和测量模型,分析了红外经纬仪辐射测量误差的主要来源。红外系统由光学系统、机械结构和探测器组成,本文研究了环境温度和杂散辐射对红外系统响应的影响机理。此外定标误差、大气传输影响和目标本身因素等也是重要的误差源。(4)根据理论分析,提出了多种提高红外经纬仪辐射测量精度的关键技术,涵盖结构设计改进、输出灰度漂移补偿、新型定标方法和大气传输修正等方面。重点研究了系统内、外部杂散辐射的软件计算与测量方法,从结构改进的角度设计了杂散辐射抑制方案。提出大口径红外经纬仪宽动态范围定标方案以避免外推误差,以平行光管和面源黑体结合作为定标源,采用多档中性衰减片和多个积分时间实现宽动态范围定标和测量。(5)对目标特性进行研究,以满足多种红外目标的测量需求。提出了两种小目标辐射测量方法,以提高测量精度并拓展红外测量系统的适用范围。最后采用外场目标红外辐射特性测量实验对本文的红外经纬仪进行了精度检测。本论文对红外经纬仪的结构设计、工作原理和测量误差来源进行了系统的研究,提出了多种提高红外经纬仪辐射测量精度的方案,进行系统光机结构设计和测量方法方面的改进。本文的研究成果对进一步开展目标辐射特性测量研究和红外成像系统设计具有重要的理论意义和实践参考价值。
【关键词】：红外辐射特性测量 经纬仪 红外成像系统 辐射定标 环境温度 杂散辐射
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH761.1
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-8
• 目录8-11
• 第1章 绪论11-23
• 1.1 论文研究背景及意义11-12
• 1.2 红外成像技术研究现状12-16
• 1.2.1 红外探测器的发展历程12-14
• 1.2.2 红外成像技术的广泛应用14-16
• 1.3 红外辐射特性测量系统研究现状16-21
• 1.3.1 国外辐射特性测量系统研究现状17-20
• 1.3.2 国内辐射特性测量系统研究现状20-21
• 1.4 论文的主要内容与结构安排21-22
• 1.5 本章小结22-23
• 第2章 目标红外辐射特性测量技术原理23-64
• 2.1 红外辐射的基本理论23-27
• 2.1.1 辐射测量常用术语及定义23-25
• 2.1.2 红外辐射的基本定律25-27
• 2.2 红外辐射定标技术27-36
• 2.2.1 几种常见的定标方法28-33
• 2.2.2 建立考虑积分时间的定标模型33-35
• 2.2.3 宽动态范围定标的实现35-36
• 2.3 非均匀性校正技术36-41
• 2.3.1 非均匀性的来源36-37
• 2.3.2 非均匀性校正方法37-39
• 2.3.3 无效像元的判别与剔除39-41
• 2.4 目标红外辐射特性测量原理41-45
• 2.4.1 目标本身特性41-42
• 2.4.2 大气传输特性42-43
• 2.4.3 红外成像系统响应特性43
• 2.4.4 辐射测量基本理论43-45
• 2.5 本章小结45-46
• 2.6 设备概况46-47
• 2.7 红外经纬仪跟踪架及四通设计47-52
• 2.8 主望远镜系统结构设计52-61
• 2.9 光学系统其它重要结构设计61-63
• 2.10 本章小结63-64
• 第3章 红外经纬仪辐射测量误差的主要来源64-70
• 3.1 红外系统自身因素64-66
• 3.2 辐射定标误差的影响66-67
• 3.2.1 定标区间不足时的外推误差66
• 3.2.2 定标过程中的环境温度变化66-67
• 3.2.3 定标与测量环境温度不一致67
• 3.3 大气对辐射特性测量的影响67-68
• 3.4 目标自身因素的影响68-69
• 3.5 本章小结69-70
• 第4章 提高红外经纬仪测量精度的方法及相关实验70-145
• 4.1 降低环境温度变化对系统影响70-80
• 4.1.1 提高红外经纬仪整机散热和隔热性能70-71
• 4.1.2 补偿温度变化引起的红外系统输出灰度漂移71-80
• 4.2 系统内、外部杂散辐射的抑制80-94
• 4.2.1 制冷型红外成像系统内部杂散辐射测量方法81-91
• 4.2.2 设计遮光系统抑制杂散辐射91-94
• 4.3 降低辐射定标误差的方法94-118
• 4.3.1 采用定标简化算法降低定标时间94-98
• 4.3.2 设计宽动态范围定标方案避免外推误差98-115
• 4.3.3 修正定标、测量时环境温度差对系统响应的影响115-118
• 4.4 大气红外辐射传输修正118-120
• 4.5 本章小结120-121
• 4.6 面源目标辐射特性反演公式121-122
• 4.7 小目标红外辐射特性测量方法122-140
• 4.8 红外经纬仪辐射特性测量精度检测实验140-144
• 4.9 本章小结144-145
• 第5章 总结与展望145-148
• 5.1 论文工作总结145-146
• 5.2 研究展望146-148
• 参考文献148-155
• 在学期间学术成果情况155-157
• 指导教师及作者简介157-158
• 致谢158

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本文编号：681355