对于远距离、大视场、多个运动目标的光电跟踪,现有光学系统形式难以同时兼顾大口径、大视场与高角分辨率的要求。通过模仿人眼小凹转动视觉生理机制,设计了一种轻型物方扫描校正镜组,具有中红外成像与激光测距的共口径同轴五反式新型光学系统。该光学系统主镜口径为1000 mm,瞬时扫描有效口径为600 mm,最大视场角达到20.7°,中波红外成像传感器像元角分辨率优于13 mrad,激光测距单元作用距离达到20 km。该新型光学系统具有大视场范围,可同时对6个以上远距离高速运动目标进行跟踪。
几何光学 反射式光学系统设计 同轴五反 小凹转动 三维成像 大视场 多目标
1 山东大学 信息科学与工程学院, 山东 济南 250100
2 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
3 北京联合大学 自动化学院, 北京 100095
在利用单幅影像的明暗恢复形状(Shape From Shading, SFS)三维重构算法的基础上, 提出同时考虑外界辐射源和目标自身红外辐射的IR-SFS(infrared-SFS)算法。首先通过分析SFS算法原理和空间目标的红外成像特性, 建立IR-SFS辐射方程并进行了仿真研究, 然后利用温度场估计获得红外差值图, 在人工合成的理想半球体、半圆柱体卫星红外影像上进行算法测试, 并以美国STS107真实红外影像作为实验目标进行三维重建。实验结果表明, 所提出IR-SFS算法经过参数优化后, 与原SFS算法相比, 重建模型的峰值信噪比更高, 对STS107顶部舱门、尾翼、机舱、机舱内方形部件具有更佳显示度, 整体效果得到明显改善。
红外影像 明暗恢复形状 三维重建 空间目标 infrared images Shape From Shading(SFS) 3D reconstruction space object
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
提出了一种基于望远镜内部定标黑体与大气层外已知光谱特性的红外自然星体作为参照基准的地基大口径望远镜联合定标方法，在此基础上建立了相应的辐射度测量数学模型，以实现对空间目标的高精度红外辐射特性测量。内部定标黑体用于得到大口径望远镜后半光路系统对应探测器的各个像元响应度，外部标准红外自然星体用于估算大气层外目标附近大气与望远镜前半光路系统的等效透射率。在地基1.2 m口径望远镜上对大量特性已知的红外自然星体辐射强度测量实验表明，当目标附近具有较强能量红外参考星情况下，如红外参考星在3~5 μm波段大气层外辐照度高于1×1016 W/cm2量级，目标红外辐射强度测量不确定度能够优于15%。该方法能够克服大气程辐射、消光及高质量大口径辐射定标源对大气层外目标红外辐射强度测量不确定度的影响，适合于地基大口径望远镜红外光电测量系统的辐射定标与大气层外空间目标红外辐射特性高精度测量。
测量 红外辐射 辐射定标 红外星 大气修正
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
2 中国科学院 研究生院，北京 100039
针对空间目标与地基望远镜红外成像传感器终端之间的不确知参量将降低双波段比色测温法求解精度，且精度影响程度未知，假设目标为灰体，对包含不确知参量的最大似然估计函数关于发射率求偏导，建立基于红外探测器测量电子数的双波段比色测温数学模型，并进行双波段比色测温法的蒙特卡洛仿真实验与精度分析。对于大气透过率的估算，提出应用红外自然星体的大气透过率现场标校方法。空间目标温度反演精度与成像探测器的信噪比、大气透过率、地球热辐射以及波段之间的发射率差异等未知参量的估算精度有关。结果表明：信噪比高于20，波段之间发射率差异小于0.03，地球热辐射预测精度优于50%，大气透过率预测精度优于10%时，比色测温法优于40 K的温度估计精度。
地基望远镜 红外成像 温度分布 比色测温 蒙特卡洛 ground-based telescope infrared imaging temperature distribution colorimetric pyrometry Monte Carlo
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
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。
冷光学 低温恒温器 红外 制冷 杜瓦 cold optics cryostat infrared refrigeration dewar
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所， 长春 130033
2 中国科学院大学，北京 100049
作为空间目标与地基望远镜红外成像终端间不确知参量之一的地球热辐射，会降低传统双波段比色测温法正向求解准确度.为了提高目标温度估计的准确度，建立了基于红外探测器测量电子数的评价函数，得到了求解最大似然函数的温度反向求解模型；推导了双波段比色测温法的温度正向求解模型，进行了两种测温方法的仿真实验与比较分析.结果表明: 目标温度反演准确度与成像探测器信噪比、地球热辐射估算准确度以及波段之间的发射率差异有着紧密的关系；当信噪比较低时，双波段比色测温法会陷入无解区域；当信噪比较高时，双波段比色测温法与最大似然函数法反演温度准确度相当；最大似然函数法采用有约束与有限内存的拟牛顿优化算法可有效避免目标函数陷入局部最小值；最大似然函数法具有很强的抗噪音干扰能力，能扩大目标温度求解的范围，并具有较高的准确度；在保证信噪比的情况下，增加成像波段数目可以提高温度反演准确度.
红外测温 比色测温 极大似然估计 蒙特卡罗仿真 比色测温 Infrared temperature Color pyrometry Maximum likelihood estimate Monte carlo simulation Color pyrometry
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 长春 130033
2 中国科学院 研究生院, 北京 100039
设计了一套能实现机动式布站的大口径车载可见光、红外、激光光电跟踪测量光学系统。其主光学系统采用共口径光谱分光方式工作, 系统有效口径1.2m, 各成像通道成像质量均达到衍射极限; 捕获电视系统采用连续变焦距光学系统, 视场范围0.31°～4.57°; 激光测距通道设计作用距离达20km。光学设计结果表明, 此套光学系统能够用于空中和空间目标的运动轨迹、成像测量和实况景象记录。
大口径望远镜 多光合一光学系统 光电跟测 光学设计 large aperture telescope multi-channel optical system E-O tracking optical design
