空中目标具有高速机动、战略突防和远程精确打击等特点, 针对这类目标构建广域、高效、精准探测、连续监视技术已成为空中目标探测体系面临的新挑战。基于空中目标的天基光学探测需求, 建立了复杂环境要素综合作用飞机尾焰的光学辐射特征模型, 形成飞机尾焰-海面/云层背景-环境大气-光学系统-成像探测器等要素耦合的全数字化链路光谱辐射成像特征精确预测模型。基于实测数据推演了飞机尾焰红外多光谱本征辐射。同时, 利用FY-2G遥感数据, 反演了中国南海某海域海面温度及云顶温度分布, 建立了海云背景光谱辐射模型。在此基础上综合考虑了背景辐射、大气路径辐射和大气衰减对飞机尾焰光谱辐射的影响, 建立了在光学系统入瞳前目标上行光谱辐射特性模型, 结合光学成像系统的衍射效应, 探讨了不同谱段、云类型下地球同步轨道红外成像系统对目标的可探测性。研究表明: 大气屏蔽波段对目标的探测效能优于宽波段; 针对不同的背景选择合理的探测波段有利于目标的高效探测。

研究了载体平台振动条件下红外系统成像模糊效应模型, 实现了系统成像模糊效应动态仿真。依据红外系统成像原理及平台振动规律, 建立载体平台振动下红外系统成像模糊效应模型; 通过研究模糊效应纹理预生成及实时采样方法, 实现载体平台振动下系统成像模糊效应实时计算; 基于仿真结果定量分析了载体平台不同振动条件下, 红外系统成像质量退化程度。结果表明: 载体平台振动时, 振动振幅或振动频率增大都会导致红外系统成像质量严重退化; 而且观测距离越远, 载体平台振动对系统成像质量影响越明显。

精确的光机分析是实现系统优化设计的前提。针对耦合场作用导致光机系统中光学元件面形发生非回转对称的变化, 提出了Zernike拟合的三维接口模型, 以提高光机分析数据转换精度, 实现耦合场作用下光机系统的高精密分析。对某光机系统进行重力和温度场耦合集成分析, 提取各光学面形变化的非对称分布, 并借助该三维接口模型在光学设计平台中对系统成像质量进行分析, 用于后期系统优化设计。结果表明该接口模型可应用于实际多场作用下的光机系统分析。

同心多尺度成像技术为突破传统光学成像中分辨率与视场之间的矛盾提供了一条有效的途径。将同心多尺度成像模式应用于机载光电探测系统,实现机载广域宽视场高分辨目标探测。综合分析了目标辐射空间分布、目标辐射传输和光学系统成像等特性,建立了表征同心多尺度成像系统的探测能力理论模型,得到了系统探测能力与组成单元透镜的口径、焦距、间距等参数之间的变化关系。并用光学设计软件Zemax设计了实际光学系统,数值模拟了空中来袭运动目标的光谱信号信噪比(SNR)响应特征。结果表明合理增加同心多尺度成像系统中的物镜焦距、减小目镜焦距、增大系统口径和降低探测信噪比阈值等能够有效提高成像系统的探测能力。

结合超连续谱激光器光谱辐射特性及多色CCD信号传递转换机理, 建立了激光干扰多色CCD成像仿真模型。依据多色CCD工作原理, 理论分析了饱和串扰信号转移规律; 根据多色CCD结构, 借助光学专业设计软件实现CCD像面激光能量空间分布特性研究; 综合考虑饱和串扰信号转移规律及CCD像面激光能量空间分布, 建立了超连续谱激光干扰单色CCD饱和串扰效应仿真模型, 在此基础上结合多色CCD成像多色可视化原理, 实现超连续激光干扰多色CCD输出图像仿真。最后, 引入图像质量评价因子, 研究了不同激光能量对多色CCD输出图像质量的影响。实验结果表明: 激光功率密度是激光干扰效果的重要影响因子, 随着激光能量增大, 多色CCD输出图像质量下降。

研究了微光夜视系统输出图像中光晕尺寸和灰度分布与系统参数之间的关系, 建立了系统光晕效应的定量化表征模型。首先分析了系统输出图像中光晕的产生机理; 其次依据微光夜视系统成像原理, 通过分析光电阴极产生的光电子数及初角度分布、光电子在光电阴极与微通道板之间的运动、光电子与微通道板非开口壁碰撞后的运动规律及微光成像系统各环节对能量的逐级传递, 研究了光晕的定量化表征方法; 结合上述理论研究, 建立了光晕的数字仿真模型。结果表明: 所提出的光晕效应表征模型能够与实验结果中光晕的灰度分布及尺寸较好地吻合; 随着强光源能量增大, 系统光晕效应越明显, 光晕效应对系统成像质量影响越大。

基于红外成像导引头信号传递和转换机理，分析了影响导引头输出图像特征的主要因素，并在此基础上分析了红外诱饵弹作用导引头成像特征的机理；借助端到端成像建模思想，综合考虑诱饵弹对目标表面辐射特性及导引头增益特性的影响，建立了诱饵弹作用后导引头成像特征量化模型；以理论模型为基础，借助计算机三维场景仿真技术，实现了诱饵弹作用后导引头成像及跟踪特性实时仿真，并基于仿真结果分析了不同发射方向诱饵弹对导引头跟踪性能的影响。结果表明：诱饵弹发射方向不同，诱饵弹对导引头跟踪性能的影响程度不同；当诱饵弹相对目标运动方向的发射角为75°~95°、190°~215°和250°~280°时，诱饵弹对导引头跟踪性能的影响程度最大；当诱饵弹相对目标运动方向的发射角为10°~40°、150°~170°和315°~325°时，诱饵弹对导引头跟踪性能的影响程度最小。

以强光源作用微光电视成像机理为基础, 借助端到端成像建模思想, 综合考虑强光源作用目标表面辐射特性及系统自动亮度控制特性, 建立了不同位置强光作用后系统成像特征量化模型.以模型为基础, 利用三维场景仿真平台实时计算强光源作用后地物成像灰度, 实现了不同位置微光系统成像数字仿真.结合外场实验数据, 通过对比实验结果与仿真结果中目标和背景灰度及目标成像对比度, 对仿真模型进行了验证, 结果表明：该模型与外场实验数据有较好的一致性, 模型可靠性较高.最后探讨了强光作用后不同干扰因素对系统成像质量的影响, 当强光源位于系统视场外时, 其对目标表面辐射特性的作用是影响系统输出图像质量的主要因素;当强光源位于系统视场内时, 其对系统增益的作用则成为主要因素.

针对航天图像舰船目标快速检测和船速估算的问题，本文首先对海陆背景图像特征进行了分析，以像素点梯度提取和边缘检测技术为基础，提出了一种基于梯度图三次滤波的目标提取算法，实现了海面区域和舰船目标的分割与提取。然后利用傅里叶拟合模型，提出了开尔文尾迹横波周期估算的方法，进而实现了舰船尾迹的快速提取和舰船速度估计。最后，定量分析了该计算方法的误差范围，讨论了误差来源。