针对目前地基空间探测红外成像系统对高灵敏度、高探测能力及信噪比的要求, 对地基冷光学红外成像技术进行了研究, 包括红外杜瓦冷却系统内部辐射抑制、系统终端快速制冷、低温红外探测器的研制、低温冷光学系统设计装调等关键技术。在各项系统技术突破的基础上, 研制出一套相对孔径1:10、分辨率320×256、兼容中波3~5 μm和长波8~10 μm波段的冷光学红外成像终端。系统终端实现制冷温度最低至42 K, 真空度10-5 Pa量级。将终端与1.23 m口径地基望远镜对接, 对月亮和红外标准星观测具有良好的成像效果。该系统的研究为地基大口径冷光学红外探测技术提供参考。

对空间目标白天探测的关键技术, 包括大气透过率分析、天空背景辐射分布、探测能力计算等进行了研究。在此基础上选取K波段光谱在1.23 m口径地基光电望远镜上进行白天观测实验, 对关键技术进行验证。实验数据表明, 经过优化设计此系统在30°俯仰角时白天极限探测10.38等星, 较未优化前白天探测能力提高24.9%, 为中高轨卫星的全天时观测提供重要依据。

为了实现对红外滤光片辐射特性的量化分析,研究了一种红外滤光片截止波段等效发射率反演方法,并建立了反演方法的基本数学模型。在有、无红外滤光片的情况下,分别对红外成像系统进行辐射定标,并基于定标结果计算红外滤光片截止波段的自身辐射;基于极坐标系下的有限面源至微面源辐射模型,反演红外滤光片截止波段的等效发射率。根据基本数学模型开展了反演实验,在积分时间为0.8 ms与4.0 ms两种实验条件下对中波红外滤光片进行反演,取两次实验结果的算术平均值(0.420)为等效发射率反演结果,则其等效反射率约为0.580;两次实验结果的相对差异较小,约为1.9%。开展了中波红外滤光片的反射成像实验,证明了其在截止波段具备较强的反射辐射特性,定性地验证了反演实验的结果。

基于红外标准星和内部黑体标定源的联合辐射定标法可提高空间目标的红外辐射测量精度。黑体标定源位于红外辐射测量系统内部,用于定标光学系统响应率。依据大气消光模型,采用天文孔径测光法,通过观测不同仰角处的多颗具有较高光谱分辨率的红外标准星得到大气消光和系统透过率系数。700 mm口径地基中波红外辐射测量系统验证性实验的结果表明,在恒星图像曝光充分的情况下,联合辐射定标法的恒星辐照度反演误差优于11%。联合辐射定标法操作简单、成本低,可随时对测量设备进行现场标校。

考虑标准红外星定标方法无法测定地基大口径红外光电系统像元级的辐射响应度, 进而导致对系统存在的非均匀性现象适应能力差的问题, 提出了基于标准红外星与小口径黑体的联合辐射定标方法。该方法以标准红外星为外定标参考源, 测定全光路系统的辐射响应度; 以小口径黑体为内定标参考源, 测定半光路系统像元级的辐射响应度; 最后, 结合内、外定标结果推算前端光学系统透过率, 进而实现系统的全光路像元级辐射响应度定标。开展了自然星红外辐射特性测量实验, 并与标准红外星定标方法进行了对比。结果显示: 提出方法获得的目标最大反演误差为15.89%, 而标准红外星定标方法在最理想情况下获得的最大反演误差为15.92%, 表明提出方法的定标精度高于标准红外星定标方法。另外, 提出方法能够测定全光路系统像元级的辐射响应度, 克服了系统响应非均匀性的影响, 进而提高了红外探测器的焦平面利用率, 弥补了标准红外星定标方法的应用缺陷。

采用一种新的结构形式对口径1.2 m、焦距2~6 m、相对孔径1/1.67~1/5的可见/近红外波段连续变焦距望远镜进行了设计。为适应目前地基大口径望远镜总体结构形式的需要，前端主系统采用Cassegrain反射式结构，后端采用三组元机械补偿变倍形式，使结构更加简洁。在高斯光学计算、像差分析基础上对各组元初始结构选择，并进行整体优化。设计结果各项性能指标均满足要求，且结构紧凑、补偿曲线平滑，表明这种结构形式是大口径连续变焦距望远镜一种较好的光学解决方案。

为实现中波红外整层大气透过率的现场测量, 提高空间目标红外辐射特性测量精度, 研究了基于标准红外自然星的大气透过率测量方法。建立了基于Beer定律和Langley-Plot定标原理的测量实验数学模型, 搭建了基于1.2 m口径地基光电望远镜的测量实验系统。采用了“准实时单点校正”“窗口提取”和“信噪比特性曲线”等方法有效降低了红外探测器非均匀性和自然星弥散成像等问题给测量精度带来的影响。最后, 分析了测量实验的理论误差。实验数据显示: 空间目标大气层外红外辐射照度测量的最大实际误差为16.28%, 中波红外整层大气透过率测量的理论误差为1175%。结果表明: 基于标准红外自然星的大气透过率测量方法测量误差小, 实验系统对外场观测任务适应性强, 为空间目标红外辐射特性的地基测量提供了新的解决方案。

在地基大口径红外光电设备的多目标分时观测中，为了消除环境因素对系统绝对辐射响应度的影响，在观测间歇快速地完成红外光电设备的辐射定标，研究了快速辐射定标方法。建立了定标实验的数学模型，确定了实验流程；以标准红外自然星为辐射定标源对红外光电设备的绝对辐射响应度进行了定标，并测量了大气透射率；对已知辐射照度的自然星进行观测，并通过定标实验得到的参数进行反演计算。数据表明,基于快速辐射定标方法的目标辐射照度反演最大相对误差为18.93%，定标实验占用时间约为4 min。作为对比，基于面源黑体定标光学系统并应用Modtran软件计算大气透射率的传统方法，反演最大相对误差为28.74%，定标实验占用时间约为17 min。结果表明，与传统方法相比，快速辐射定标方法的实验占用时间显著缩短，目标反演误差明显降低；系统不需要匹配面源黑体，大幅降低了成本。

为了提高空间目标的红外辐射测量准确度, 提出了基于精确校准的红外标准星的红外辐射标校方法.测量不同大气质量处多颗具有较高光谱分辨率的红外标准星, 采用天文孔径测光法对望远镜拍星数据进行处理, 依据大气消光模型进行最小二乘线性拟合, 获得了测量系统的红外辐射响应率和大气消光.1.2 m望远镜上中波红外成像终端验证性实验结果表明, 该方法的恒星辐照度反演误差最大为16.28%.且该方法无需增加额外设备, 操作简单, 易于实现, 可随时对测量设备进行实时标校.对地基大口径望远镜的红外辐射测量具有一定的应用价值.

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。