如何准确检测镜头的焦距是红外镜头参数检测的一项重要研究内容。本文提出了一种基于刀口靶图像的焦距快速检测方法。该方法先采集红外镜头聚焦状态下的刀口靶图像，再进行刀口靶图像的二值化处理；通过提取目标的边缘轮廓，获得最小外接矩形的顶点坐标信息，从而估算出红外镜头对应焦距。实验结果证实：该检测方法可快速、准确地测量出镜头的焦距，且测量的平均绝对误差百分比小于 1.48。该方法为红外镜头重要参数的快速检测奠定基础。

本文基于海天背景目标提取技术的研究，给出一种实用的海天线提取算法。首先，采用空域滤波消除弱小船只目标和近域海浪杂碎波的干扰，对降噪后的红外图像进行形态学梯度运算，采用 Ostu阈值分割方法，获取海天线边缘轮廓，然后利用 Hough直线检测算法，获取海天线待拟合点数组，最后利用最小二乘法拟合海天线。实验结果表明，本算法能够准确、快速地提取海天线，为海上目标的快速探测跟踪奠定基础，对红外搜救设备进行海上目标探测跟踪具有重要意义。

由于滑动导向机构与镜筒之间为间隙配合，在运动过程中会导致镜片发生不同程度偏移与偏转，因此基于柔体运动学分析理论，对不同运动姿态、不同长径比的滑动导向机构以及导向钉与镜片在导向机构中的排布位置进行运动仿真分析，得出运动姿态、长径比以及导向钉与镜片排布位置对镜片偏移与偏转的影响；结合实际变焦光学系统使用要求，设计嵌套式导向机构并进行仿真分析，验证可行性；根据以上分析结果对红外连续变焦镜头进行设计加工，镜头变焦过程成像清晰，表明此种仿真分析为红外变焦镜头结构设计研究提供一种有效方法。

采用自制的M′波段(4.605~4.755 μm)红外辐射测量系统对阿里观测站、德令哈观测基地和怀柔观测基地的大气辐射进行实地测量, 并对结果进行拟合和误差分析。首先, 基于黑体定标结果和辐射传输方程, 得到输出有效读数与平均大气透过率和天顶角的关系公式; 在三个站点对不同天顶角下的大气红外辐射进行扫描测量, 利用上述公式, 拟合出M′波段平均大气透过率。结果表明, 三地透过率的加权平均值分别为0.805、0.758、0.650, 透过率随时间的起伏分别为0.081、0.250、0.073, 高海拔的阿里观测站透过率最高。用MODTRAN软件模拟的平均透过率分别为0.851、0.805、0.615, 与实测结果接近; 误差分析表明: 有效读数越大, 传递误差越小, 此方法的理论误差优于10%。文中提供了一种不依赖气象数据, 实时获得大气透过率的方法。

为了得到不同海拔地区的大气透过率, 探索大气透过率随海拔高度的变化规律, 利用数值模拟、软件计算和实地测量方法分别对阿里(5 km)、德令哈(3 km)和怀柔(0 km)3个不同海拔地区在4605~4755 μm波段25 km以下的大气透过率进行了计算和测量。结果表明: 红外大气透过率随海拔高度增加而增加; 采用数值模拟计算得到3个地方的大气透过率分别为0709、0572和0555; 采用软件计算得到的透过率分别为0849、0766和0596; 采用实测方法得到的透过率分别为0805、0.766和0.673; 阿里地区海拔较高, 相对湿度较低, 能见度高, 大气透过率最好。该结论对国内天文红外观测及空间红外目标辐射特性测量具有重要的借鉴意义。

随着制造技术的发展, 机械补偿式变焦镜头的使用也越来越广泛。光学系统变焦的精确性、平滑性和驱动力均衡性主要取决于变焦凸轮, 而变焦凸轮的压力角与凸轮外径、凸轮转角范围以及变倍组的运动规律有关。本文以某款红外连续变焦镜头为例, 不改变凸轮外径和凸轮转角范围, 对变倍组的运动规律进行优化设计, 并通过 ADAMS对优化后的模型进行运动学仿真。仿真结果表明: 该优化方法可以降低变焦凸轮在短焦段和长焦段的压力角, 消除变倍组等速运动时的刚性冲击。

为降低严重的外杂散光对红外探测系统成像性能的影响，对系统的遮光罩、挡光环和镜筒的消光螺纹设计优化。通过 ProE软件和 TracePro软件建立红外镜头的光机模型，采用正向光线追迹法，进行杂散光仿真分析，计算不同的光源离轴角度下的点源透过率值（PST），结合 MATLAB软件绘制不同疏密程度的消光螺纹镜头消杂散光的 PST曲线，并进一步验证三角形消光螺纹的抑制效果。结果表明：设计的挡光环能抑制部分杂散光；添加合理的消光螺纹后能有效抑制红外镜头杂散光；适当增加消光螺纹的密度并采用三角形螺纹，相比无消光螺纹情况下 PST值下降 1～2个数量级。当杂散光入射角大于临界入射角 30.时，杂散光抑制能达到阈值指标，满足杂散光抑制工作需求。

由于红外镜片材料的温度特性, 环境温度的变化会对红外镜头的成像质量造成影响。为了研究不同温度场下镜片的应力状态以及镜面面形变化情况, 利用光机热集成分析方法, 运用有限元分析软件ANSYS WORKBENCH对设计的红外镜头进行了热结构耦合分析, 从分析结果中得到了镜片等效压应力的大小。利用Zernike多项式拟合了变形后的镜面面形, 将得到的Zernike系数导入到ZEMAX中建立了多重温度结构, 分析了不同温度下镜面变形前与变形后的光学系统离焦量的变化量。结果表明, 镜片在低温-40℃时受到较大的等效压应力, 最大等效应力81.118MPa, 小于材料的断裂强度345MPa; 不同温度下由于镜片面形发生变化, 导致红外光学系统成像质量以及离焦量发生改变。

对红外显微光学系统进行了研究。根据光学系统设计指标，应用无限远校正方法和反向追迹的方法设计两款不同放大倍率的红外显微物镜。并给出了两款工作波段在8～12 μm，放大倍率为1×和3×，工作距离均为25 mm，物方线视场为20 mm 的透射式红外显微物镜的设计结果和公差分析。关键词：红外显微物镜；无限远校正；反向追迹；光学设计