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中波红外目标探测装置关键技术研究.caj
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上传时间: 2019-05-31
详细说明： I 中波红外目标探测装置关键技术研究 李航（光学工程） 导师：颜昌翔 研究员 摘 要 随着红外技术在军事领域的广泛应用，红外成像制导技术已经成为了世界 各国竞相研究的热点。红外成像制导技术具有全天候全天时的制导能力、较高 的探测灵敏度和空间分辨率、较强的抗干扰能力等优点，并可以在复杂的背景 下完成对目标的自主捕获、识别与跟踪，已经成为世界各国发展精确制导武器 的重要技术手段。本文以具体的国防项目为依托，针对应用于红外成像制导的 中波红外目标探测装置展开了相应的研制工作，主要进行了红外光学系统无热 化设计、冷反射效应定量分析与抑制、系统像质检测与评价等关键技术的研究。 为了保证红外光学系统在-30℃~70℃的工作温度范围内成像性能具有良好 的热稳定性，分析了温度 变化对光学系统结构参数及性能的影响，阐述了利用 无热图实现密接型红外光学系统无热化设计的方法。在此基础之上，重点研究 了非密接型红外光学系统的无热化设计方法，使用无热图完成了 Petzval 和 Cooke 结构及其复杂化结构的无热化分析，并提出了求解相应复杂化光学系统 初始结构参数的数学模型，同时，也提出了基于光阑二次成像的光学系统结构 计算方法。根据以上提出的方法，完成了中波红外目标探测装置内两套红外二 次成像光学系统的设计工作，两系统的 F 数均为 2，视场角分别为 10°×8°和 5°×4°，均达到了 100%冷光阑效率，在-30℃~70℃的温度范围内，两系统在各 自奈奎斯特频率处的 MTF 值均大于 0.6，实现了良好的无热化性能。 针对制冷型红外成像系统的冷反射效应会引起系统成像性能退化的问题， 本文研究了冷反射效应的定量评价与抑制方法。通过使用冷反射引入温差 （NITD）作为冷反射效应的定量评价标准，并结合非序列模式光线追迹的方法中国科学院大学博士学位论文：中波红外目标探测装置关键技术研究 II 完成了红外成像系统冷反射效应的定量评价；提出了一种具体的冷反射效应抑 制流程，并通过该方法实现了红外成像系统冷反射效应的抑制。评价结果表明： 在冷反射效应抑制前后，中波红外 1 成像系统在最高工作温度时轴上点的 NITD 由 0.863K降低到 0.114K，最高温与基准温度之间轴上点 NITD 的差值由 0.751K 降低到0.096K；中波红外2成像系统在最高工作温度时轴上点的NITD由1.894K 降低到 0.121K，最高温与基准温度之间轴上点 NITD 的差值由 1.394K 降低到 0.089K。此外，两套红外成像系统的 MTF 值仍都大于 0.6。 为了实现红外成像系统 MTF 的高精度检测，本文提出了一种改进的倾斜刃 边法。针对传统方法中刃边倾角提取和 ESF 构建易受噪声影响的问题，利用梯 度算子和区域截取相结合的方法提高了刃边倾角的提取精度，并给出了倾斜刃 边图像中像素的投影方程，通过多重去噪处理的方法提高了 ESF 的构建精度。 给出了仿真实验的详细设计过程，利用仿真实验证明了本文改进方法的有效性， 并分析了刃边倾角、噪声变化对本文改进方法 MTF 测试精度的影响。仿真实验 结果表明：本文改进方法的 MTF 测试精度达到 0.0052，测试重复精度达到 0.0036，皆优于传统方法，此外，本文改进方法具有较强的抗噪性，基本不受 刃边倾角变化的影响。 将本文改进倾斜刃边法应用于实际红外成像系统整机的定焦工作中，并利 用两点校正的方法完成了红外成像系统的非均匀性校正。根据对实际红外成像 系统的 MTF 测试实验，进一步验证了改进倾斜刃边法的高精度，也说明了使用 该方法定焦的正确性。通过红外成像系统的高低温测试实验验证了系统的无热 化性能和冷反射效应的抑制情况，说明了本文提出的无热化设计方法、冷反射 效应抑制方法的有效性。最后，完成了实际红外成像系统 MRTD 和畸变的测试。 关键词：红外成像制导；无热化设计；冷反射效应；倾斜刃边法；调制传 递函数
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