硅基光电子与CMOS工艺兼容，借助成熟的微电子加工工艺平台可以实现大规模批量生产，具有低成本、高集成度、高可靠性的优势。其中，硅基半导体探测器是目前应用最为广泛的可见光波段探测设备，将其工作频段拓展到近红外波段具有重要意义。由于硅的禁带宽度，硅基材料在近红外波段电磁波吸收存在明显限制，硅基探测器在近红外波段的应用受到挑战。根据纳米金属粒子发生局域表面等离子共振时产生的近场增强效应，提出了一种纳米金属粒子梯度掺杂的硅基结构。通过应用等效介质理论，模拟了复合硅基结构在可见光与近红外波段的吸收特性。结果表明：该结构在近红外波段具有电磁波吸收提升效果，并且当选择纳米金粒子梯度递增掺杂时，可以在610~1450 nm波段提升吸收性能，最高提升可达到10.7 dB。所提出的结构可以有效增强硅基材料在近红外波段的吸收效率，研究结果为硅基半导体探测器在近红外波段的应用提供了重要参考。

在模型实验验证的基础上，采用数值模拟的方法，对比分析了分流喷管出口构型对直升机红外抑制器气动性能、温度场和红外辐射强度的影响。研究结果表明：相比基准分流喷管模型(Origin)，分流喷管出口带一定外扩张角的波瓣出口结构(Lobe_1)的引射系数略微降低、总压恢复系数降低，中间混合管出口排气温度峰值却降低了65.1 K，同时降低了混合管上下方区域的壁面温度，但造成混合管中后段外侧壁面局部区域温度升高；外扩张角为0的波瓣出口结构(Lobe_2)增加引射系数3.8%，总压恢复系数与Lobe_1结构基本相当，中间混合管出口排气温度峰值也降低了62.8 K，尤其是其降低混合管壁面温度的效果最佳；分流喷管出口突片结构(Tab)增加引射系数10.6%，但总压恢复系数降低0.7%，同时，内侧混合管出口排气平均温度降低19.3 K，混合管壁面降温效果相对较差。总体来看，波瓣和突片结构都起到增强引射、强化混合的作用，尤其是波瓣出口结构(Lobe_2)对降低抑制器总体红外辐射效果最好，在3~5 μm波段的红外辐射强度最大可降低21%；在8~14 μm波段，其红外辐射强度最大可降低15%。

由于涡轮叶片所处的工作环境复杂，受到壁面及燃气辐射干扰，导致测温十分困难。为进一步分析涡轮叶片表面在端壁影响下的温度分布情况，采用数值模拟结合自定义编程的方式进行了含端壁涡轮导叶的温度误差验证计算。利用自定义编程对经典同心球模型进行了角系数，有效辐射等可靠性验证计算，验证方法可靠。基于该方法进行了端壁与涡轮导叶各网格单元的角系数，叶片表面间的辐射换热计算，输出涡轮导叶的表面辐射特性分布，运用玻耳兹曼定律反推导出该工况涡轮导叶所受到的辐射能流分布情况；计算分析了不同误差影响机理下，含端壁的涡轮导叶温度误差分布情况，探明了热辐射环境下对叶片表面辐射特性的影响。结果表明：当进口黑体辐射温度在1400~1800 K之间，进口辐射强度是对叶片换热影响最大的因素；利用有效辐射和所计算的误差分布可知，进口辐射温度影响区域主要是叶片前缘区域，最大计算误差不超过2.82%；通过有效辐射及误差分布可见，出口黑体辐射温度的变化对于涡轮导叶的影响较小，受温度影响区域也主要为叶片前缘区域，最大计算误差不超过2.35%；叶片表面发射率与温度成正相关，当叶片表面发射率增大时，叶片表面温度随之均匀升高，在真实工况下，叶片材料物性的改变较小，在发动机设计中可以近似忽略由于叶片温度变化导致物性参数改变带来的影响。

热成像仪由于工作环境较为恶劣，且自身发热量较大，容易导致热像仪光轴发生热偏移，严重影响其瞄准性能。为了提高红外热像仪的光轴热稳定性，以某型热像仪光轴敏感部件——折转镜为主要研究对象，研究其在不同环境温度条件下的光轴变化情况，并通过构建折转镜的有限元仿真模型以及试验测试系统，获得与试验数据一致性较好的有限元模型；以此为基础，采用基于变密度法的拓扑优化仿真技术，以刚度最大化为设计目标，以体积分数为约束，对折转镜座进行了拓扑优化设计。通过试验测试得出，优化设计的折转镜座的光轴高温偏移量由46.1″减小到25.5″，减小了44.7%，折转镜座的光轴低温偏移量由92.9″减小到51.0″，减小了45.1%，极大地提高了折转镜的光轴热稳定性。最后，将优化后的折转镜安装到某型热像仪中进行整机试验测试，热像仪整机的高温光轴偏移量由0.461 mrad减小到0.340 mrad，下降了26.2%，低温光轴偏移量由0.485 mrad减小到0.296 mrad，下降了39.0%，证明了仿真与拓扑优化模型的可行性与有效性，为后续红外热像仪整机的轻量化设计与性能提升奠定了基础。

临近空间飞行器侧喷射流干扰效应对目标红外辐射特性规律影响受到广泛关注。文中以典型锥柱裙飞行器为研究对象，预测飞行器典型飞行工况（20 km@5 Ma）不同攻角下的绕流场、侧喷流和壁面温度，结合窄谱带模型处理高温气体辐射物性参数，采用视在光线法求解辐射传输方程，分析攻角对侧喷流的复燃及目标在不同谱带和不同观测角度下红外辐射特性的影响。结果表明：随着攻角由负转正射流复燃程度降低，α=10°较α=－10°偏低176%；侧喷流在2.7 μm和4.3 μm两个特征峰值波段辐射显著，其他波段内目标辐射主要来源于本体；目标辐射强度在俯视观测角度下随攻角由负转正而减小，在侧视观测角度下攻角出现引起辐射强度降低，α=±10°较α=0°偏低6.8%。该研究可为临近空间飞行器侧喷射流相关的目标特性识别提供理论参考。

经地面模型实验验证，数值仿真展示了一体化红外抑制器排气出流、模拟旋翼下洗气流和模拟前飞来流相互作用下的流动和换热特征，通过改变排气出流角度和模拟前飞来流速度，计算分析一体化红外抑制器引射、混合特性以及红外辐射强度空间分布的变化规律。仿真结果表明：模拟的前飞来流与排气出流相互作用后会造成局部排气不畅，前飞来流甚至倒灌入红外抑制器内，从而引起抑制器壁面局部高温，增加了抑制器整体红外辐射强度；改变排气角度可将之改善，且存在气动和红外辐射特性兼顾的最佳角度。前飞来流速度从15 m/s提高到55 m/s，抑制器内部高温壁面温度降低，抑制器红外辐射强度峰值在3~5 μm波段降低约50%，在8~14 μm波段降低约20%。红外抑制器的下洗气流进口加装弯曲导流片可以对内部混合管高温壁面进行遮挡，有效降低顶部视角的红外辐射强度。最佳排气角度下，利用排气下游隔板的遮挡，正对抑制器排气出口方向（底部视角）上的3~5 μm和8~14 μm波段红外辐射峰值分别降低约50%和33%。

成功设计了一款天文应用的640×512短波红外焦平面读出电路。由于红外天文观测具有极低背景辐射、光子通量低的特点，为了实现探测器的高信噪比，需要降低器件的暗电流和电路噪声。电路采用有效的功耗管理策略，在保证电路正常工作的前提下尽可能地降低电路功耗以减小电路辉光对器件暗电流的影响。同时，研究非破坏性读出的数字功能，实现了超长的积分时间和信号的多帧累积,并作为一种斜坡采样的策略有效地降低读出噪声。短波HgCdTe焦平面的测试结果符合理论设计预期，开启电路非破坏性读出功能，设置6000 s的积分时间，当电路功耗调低至14.04 mW时暗电流为0.9 e-·pixel⁻¹·s⁻¹。读出噪声在两档增益下分别为50 e-（10 fF）和27 e-（5 fF），非线性度低于0.1%。

针对当前空间环境单一、红外波段探测目标虚警率高、灵敏度低等难题，提出了一种基于低温冷光学技术的双色红外光学系统设计方法。光学系统前置光路采用共口径式结构，通过分光平板进行谱段分光，然后采用中继镜组二次成像的方式实现冷阑匹配，保证系统的轻小型化。另外，为了提升长波系统的探测灵敏度，对其进行了低温冷光学设计，减小系统自身辐射对探测性能的影响。系统的工作波长为3.7~4.8 μm和7.9~9.3 μm，F数为1.2，光学结构三维总尺寸为260 mm×150 mm×80 mm，中波系统畸变小于2.8%，约有82%的能量集中在探测器的一个像元内，长波系统畸变小于0.33%，约有70%的能量集中在探测器的一个像元内。该系统可对空间弱目标进行远距离探测，具有虚警率低、灵敏度高、结构紧凑等优点。

红外焦平面探测器正朝着更大规模、高帧频、高集成度的方向发展。在高速目标跟踪探测、感兴趣区域成像等应用场景，需要解决高速读出时面临的功耗较高的难点。文中提出了一种数字IC的可编程开窗IP核设计，并通过采用列级分时选通技术，实现对640×512读出电路列模块的超低功耗优化。像素单元电路包含CTIA输入级、双采样保持结构和跟随输出，折衷优化了面积、噪声和增益等因素。相较于传统用门级电路定制设计实现的开窗方式，可编程开窗数字IP核对于不同面阵规格具有良好的可扩展性，并且可以借助后端软件综合优化版图布局，从而缩短设计周期。实际研制中采用0.18 µm 标准CMOS工艺完成了中心距15 µm的640×512读出电路设计及流片验证，并与640×512元短波红外InGaAs探测器芯片进行了耦合测试，结果表明分时选通技术有效降低了列级电路功耗，电路读出总功耗小于80 mW，列级功耗仅为15 mW，读出速率达到15 MHz，可编程开窗IP核功能正常，可以实现指定区域的开窗功能。

飞行中段高速飞行器红外辐射特性是对其进行红外探测、识别及跟踪的基础。飞行中段高速飞行器红外辐射与表面温度密切相关，而飞行器表面温度又与上升段气动加热、空间环境热辐射、防热材料结构等有关，特别是上升段气动加热对飞行中段飞行器红外辐射的影响不容忽视。为获得复杂环境背景下高速飞行器在飞行中段的红外辐射，综合考虑上升段气动加热、环境辐射加热、表面辐射散热和结构热传导等主要因素影响，采用气动热工程计算模型、空间辐射加热、一维多层热传导计算方法，建立了高速飞行器红外辐射分析技术，实现了气动加热、环境辐射加热、自身辐射散热、结构热传导等多种主要因素影响下的高速飞行器飞行中段温度场和红外辐射分析。结果表明：上升段的气动加热会对飞行中段的高速飞行器红外辐射产生较大影响；在飞行中段，飞行器在长波8~12 μm波段的红外辐射强度明显大于在中波3~5 μm波段的红外辐射强度，选择8~12 μm波段更有利于对飞行中段高速飞行器的探测。