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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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。
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