本文介绍了国外非制冷红外成像系统在**热瞄具(Thermal Weapon Sight, 简称 TWS)、手持热像仪、驾驶视觉增强(Driving Vision Enhancer, 简称 DVE)、轻型反坦克导弹、小型无人机等陆军装备中的应用现状; 分析了用于陆军装备的非制冷红外成像系统中探测器及成像机芯组件的技术特点; 提出了应用于陆军装备的非制冷红外成像系统的探测器及机芯组件的技术发展趋势。

为实现中、远红外大气窗口的双波段低红外透过率, 设计了由 2层不同尺寸圆环单元构成的双屏红外频率选择表面(FSS), 仿真结果表明该 FSS在 3～5 μm和 8～12 μm波段形成两个平均透过率低于 5%的阻带。对 FSS表面电流分析的结果说明, 谐振单元表面感应出的对称分布电流使散射总场增强, 形成增强型反射, 而不同尺寸的谐振单元具有不同的谐振波长, 两层谐振单元共同作用形成了两个阻带。研究了入射角以及介质层属性(厚度、介电常数和损耗角正切)对 FSS传输特性的影响, 结果表明 FSS在两个大气窗口内具有良好的角度稳定性, 介质层介电常数对 FSS的传输特性有较大影响。

为了实现对高速运动目标的快速识别, 设计了一种基于尾焰光谱分布特征分析的识别系统。系统由跟踪成像模块和光谱分析模块组成, 跟踪成像模块用于对准目标, 光谱分析模块用于目标识别。在此基础上, 研究了基于多特征波段峰均值与谷均值比例的区分因子识别算法。该算法设置了有效区分区间, 并通过区分因子比例关系实现高速目标的识别。分析了目标高速运动对光谱获取的影响, 给出了决定光谱偏移量大小的径向和切向速度的函数关系。实验采用少量火箭弹燃烧部作为被测目标, 在距探测系统 0.5 km、1.0 km、2.0 km以及 4.0 km处分别以 10.0 m/s～100.0 m/s的速度进行光谱探测实验。实验结果显示, 对于不同速度的被测目标而言, 在相等的采样周期内系统检测的光谱分布产生了明显的光谱偏移, 但其光谱分布形态基本一致; 对于不同测试距离而言, 距离越远能量衰减越强, 虽然光谱整体振幅差异很大, 但光谱形态无明显变化。通过计算相应波段上峰均值和谷均值的区分因子与区分区间的包含关系, 完成了对被测目标的有效识别。

针对红外辐射源辐射控制问题, 设计了一种均匀可调红外辐射源方案。分析了抛物柱面镜的光学特性, 给出了抛物柱面镜反射后的辐射模型, 并仿真模拟了抛物柱面镜的准直效果, 证明了抛物柱面镜具有很好的会聚作用; 对比了百叶窗和双向推拉窗的辐射调节效果, 推导了双向推拉窗透光面积的变化模型, 得到了推拉窗开口宽度与辐射功率之间的线性关系; 基于以上研究, 设计了均匀可调红外辐射源原理样机, 并进行了验证实验, 结果证明通过控制推拉窗开口宽度, 能够较好的实现对辐射量的均匀控制。

为了对多光谱成像系统性能进行测试评价, 本文搭建了多光谱成像系统性能测试平台, 并对平台的靶标辐亮度进行了标定测试, 计算分析了辐亮度传输效率。最后, 利用该测试平台对一组靶标进行了 MRC测试, 对该平台进行了测试验证。该测试平台搭建及分析思路对红外多光谱成像系统测试具有很强的指导与借鉴意义。

对具有不同尾缘形状的两种波瓣喷管红外抑制器的红外辐射特性进行数值研究。在流场计算结果的基础上, 计算了不同探测方位角下, 两种红外抑制器在 3～5 μm波段的红外辐射亮度和点源探测功率, 对两种红外抑制器的红外隐身性能进行评估。研究结果表明, 交变波瓣喷管的引射掺混性能较普通波瓣喷管好, 明显降低了混合管壁面和尾焰气体的温度; 在相同探测条件下, 交变波瓣喷管红外抑制器在 3～5 μm波段的红外抑制效果优于普通波瓣喷管红外抑制器, 前者比于后者, 最大可分别降低固体壁面和尾焰气体探测功率 15.7%和 13.3%, 整体探测功率降低 14.5%, 有利于红外隐身性能的提高。结果还显示, 固体壁面辐射约占红外抑制器整体辐射的 80%。因此, 对红外抑制器进行优化时, 应能有效降低固体壁面辐射。

由于工艺条件的限制, 红外焦平面探测器各像元的非均匀性严重影响了红外图像质量, 由红外焦平面非均匀性所导致的成像效果变差的问题已成为制约红外成像技术应用的瓶颈。基于 FPGA为数据处理核心的硬件平台, 采用领域平均算法结合加权滤波算法以及温度补偿算法依次实现了对红外图像的盲元校正与实时补偿处理。实验结果表明此算法能够实时处理图像补偿过程中产生的大量数据, 显著地提高了红外图像质量, 并且仅用 FPGA完成所有数据处理, 构成了精简的最小系统, 有效地降低了成本。

公共场所的人群密度信息在公共安全、交通管理、应急减灾等方面具有重要作用, 采用红外技术, 可以在拍摄人群图像时避免环境光照影响。为了实现室内场景下的红外图像人群密度分类, 提出一种融合灰度直方图高阶统计特征与灰度共生矩阵特征的人群密度分类方法。首先, 根据红外图像的特点, 分析并提取样本图像灰度直方图的高阶统计特征, 随后与提取的灰度共生矩阵特征串行融合, 最后作为多分类支持向量机的输入, 对不同人群密度等级进行分类。实验结果表明, 提出的方法对于不同密度人群图像的分类准确率可达 92.13%, 同时特征向量提取简洁、算法耗时短。

传统梯度类自动调焦评价函数对不同清晰度的序列图像不能兼顾灵敏度高和可调焦范围广两种特性, 因此提出了基于人类视觉系统(HVS)算子的自适应清晰度自动调焦评价函数。检测图像各方向上的边缘, 计算轻微离焦图像函数值; 当图像深度离焦时, 划分子区域降低采样率后进行清晰度评价。仿真实验表明本文提出的评价函数, 轻微离焦位置灵敏度高, 对深度离焦区域图像加均值为 0, 方差为 0.001,0.005,0.01的高斯噪声后函数曲线几乎不变, 深度离焦区域内可调焦范围大。该评价函数具有灵敏度高、可调焦范围大、抗噪性能良好等特性, 更适合粗精结合的搜索算法使用。

基于区域的跟踪方法, 其跟踪模板的大小和位置对跟踪结果的影响十分显著, 本文通过分析模板视觉显著性特征, 提出采用 AGAST快速角点检测方法, 计算角点间相对距离, 分析角点位置分布来自适应确定模板大小和位置, 从而提高相关匹配跟踪算法的适应能力。仿真试验结果表明, 该方法确定的模板能较好的包含目标显著性视觉特征, 并且具有计算速度快, 稳健性高, 能有效提高采用区域模板匹配方法的跟踪性能。

为了检验近红外制导炸弹的命中精度, 通常在实验室进行半实物仿真试验, 需要研究近红外目标仿真模型, 将其置入目标模拟器中, 由近红外导引头跟踪目标, 仿真制导炸弹识别、跟踪、击中目标的全过程。基于仿真建模原理、理论和方法, 研究了环境建模、地形地物建模、天空背景建模、海天背景建模、雨雪特效建模和近红外目标建模等技术, 建立了多种静态、动态仿真模型, 以及仿真模型的驱动程序, 实现动态、逼真地显示仿真模型, 用于近红外制导炸弹的半实物仿真试验。

通过改变外涵流量, 实验研究了涵道比 0.3和 1时, 相同结构的二元俯仰矢量排气系统几何偏转 0°、10°、20°三种模型下壁面温度与红外辐射特征分布。结果表明: 涵道比 1相对涵道比 0.3时, 排气系统火焰稳定器下游壁面温度具有较大降幅, 隔热屏、收敛段、侧壁、扩张段壁面温度分别降低 170 K、317 K、227 K和 153 K; 涵道比 0.3时, 随着几何偏角增大, 排气系统红外辐射强度增大, 最大增幅 70.2%; 但涵道比 1时, 正好相反, 随着几何偏角增大, 排气系统红外辐射强度下降, 最大降幅 65%。涵道比增大, 排气系统红外辐射特征下降, 几何偏转 0°、10°、20°时, 正尾向分别降低 33.3%、42.1%、60.9%。

详细分析计算了沙漠环境中, 能够对导弹红外辐射特性产生影响的太阳、云层、大气、沙漠地表以及沙尘等的辐射强度情况, 重点研究了沙漠地表沙物质组成及沙尘环境对地表辐射强度的影响, 并建立了导弹的蒙皮、尾喷口和尾焰的红外辐射强度计算模型, 分析了在不同探测距离下, 导弹在各红外波段的辐射强度随探测角度的变化情况, 对计算结果进行分析并得出结论, 尾焰是导弹最主要红外辐射源, 且辐射主要集中在 3～5 μm波段, 蒙皮辐射主要集中在 8～12 μm波段, 随着探测距离的增加, 到导弹的红外辐射特性衰减加剧。

研究了采用纯度为 99.9%的 In70Pb30合金作为焊料片的低温焊接技术, 分析了焊接时候的影响因素: 焊料片的影响、升温速率、焊接温度、真空度, 通过采用甲酸对焊料片预处理去除氧化层, 在 215℃、5×10-7 torr的真空环境下进行了焊接, 焊接后的样品采用 X-ray、拉力测试系统、检漏仪测试了样品的孔洞率、焊接强度、漏率, 结果表明: 焊接后焊接区域合金均匀、无缝隙、孔洞率少、剪切力高、气密性好, 能够满足非制冷焦平面的窗口封接的气密性要求。

针对 NEA GaN光电阴极结构设计和制备工艺需进一步优化的问题, 结合阴极量子效率表达式和影响量子效率的因素, 采用理论和实验相结合的方法, 分别研究了 GaN光电阴极材料的表面反射率、光学折射率、光谱吸收系数以及透射光谱等光学参数。结果表明在 250 nm到 365 nm的波长范围内, 表面反射率相对平稳, 是影响量子效率的直接因素, 而光学折射率则通过电子表面逸出几率间接影响着量子效率。给出了均匀掺杂 GaN光电阴极的光谱吸收系数的特点, 根据变掺杂 NEA GaN光电阴极的结构特点, 给出了光谱平均吸收系数的概念和等价计算公式, 并对均匀掺杂与变掺杂 NEA GaN光电阴极光谱吸收系数进行了对比。

为快速准确地测量热障涂层厚度, 采用基于热图序列特征时间的闪光灯激励红外热波测量方法, 通过建立半无限大和有限厚度两种平板传热模型, 提出根据热障涂层表面温度对数曲线线性回归时间选择二阶微分曲线负峰值时间的方法, 解决了采用普通帧频热像仪采集的涂层表面温度曲线二阶微分负峰较多, 无法确定特征峰值时间的困难, 热障涂层厚度测量相对误差小于 10%, 满足工程应用要求。