随着红外技术的发展, 探测器的尺寸、重量和功耗( SWaP)的减小已成为研究热点。像元尺寸的减小, 一方面可以提高器件的分辨率, 另一方面可以减小整个探测器系统的体积、重量和功耗, 进而大大节约成本。因此, 像元尺寸的减小成了研究的重点。本文介绍了小像元红外焦平面器件的技术难点, 分别从系统的调制传递函数(Modulation Transfer Function, MTF)、噪声等效温差(Noise Equivalent Temperature Difference, NETD)、像元结构和像元集成互连方面进行了讨论。此外, 介绍了国外像元中心距为 12 .m、10 .m、8 .m和 5 .m的 HgCdTe红外焦平面探测器的研究进展。

地基红外辐射测量设备往往被用来测量高速飞行目标的动态红外辐射特性。本文研究了计算飞行目标红外辐射特性的工程化算法。首先阐述了外场红外标定的意义, 指出了外场标定与室内标定的不同。给出了平行光管标定能量传递过程、外场标定试验过程、标定数据处理方法以及影响因素。然后分析了飞行面目标辐射亮度以及点目标辐射强度计算方法, 提出了适用于外场数据处理的工程化算法。最后根据实际工作经验总结分析了进行外场动态飞行目标红外辐射特性计算时存在的难点。

将图像融合运用于检测与跟踪领域需要融合图像显示清晰的目标, 传统的优化类融合算法存在目标信息不完整的问题, 对此本文提出一种基于改进灰狼优化( Gray Wolf Optimization, GWO)结合边缘特征的图像融合方法。将图像分解为细节层与粗糙层后, 对细节图像使用优化权重进行融合, 再融合细节层与粗糙层, 最后执行对比度有限自适应直方图均衡增强融合图像。其中优化权重通过改进的灰狼优化获得, 通过融合边缘信息获得权重取值范围, 并且对灰狼优化引入交叉操作改进优化效果。实验对比图像全局与目标局部的标准差、信息熵、平均梯度、空间频率, 本文方法的性能在目标局部熵、标准差上大大优于其他方法, 在全局指标上也有很好的表现。

提出了一种利用热尾迹区分水下航行器和水面航行器的手段。通过分析热尾迹红外图像, 借鉴等位面的概念, 提出了一种基于温度场剖面的航行器热尾迹识别算法。首先构建热尾迹红外图像的三维示意图, 然后在此基础上通过全局温度特征确定的等间隔温度剖面来对其进行分割, 最后将反映温度分布离散程度的自定义参数 sigma和反映温度分布离散程度变化情况的自定义参数 delta作为特征来判断热尾迹所属类别。结果表明本文所提出的识别算法能有效判断热尾迹所属类别。

针对红外图像背景复杂, 分辨率低、对比度差等问题, 本文基于 RGB、HSV颜色空间转换和 Seam Carving缩放处理, 提出一种改进卷积神经网络(Convolutional Neural Network, CNN)的电力设备红外图像智能分类模型。首先, 着眼于 CNN的结构特点, 以 AlexNet网络模型为原型, 建立 CNN-Alex模型; 然后, 提出一种基于 RGB和 HSV颜色空间转换和基于 Seam Carving算法的设备红外图像处理方法, 分离目标设备红外背景及调整图像至合适大小, 对 CNN-Alex模型加以改进, 提高算法训练速度和准确率; 最后将改进 CNN模型与传统 BP模型和 CNN-Alex模型对比, 其训练集、验证集准确率分别为 99.5%、97.7%, 远优于对比模型, 验证了本文改进 CNN红外图像分类模型的良好适用性。

热尾流的浮升规律及海面热特征是潜艇红外探测的基础。本文针对海水恒温, 且潜深和航速影响较大情况下, 排水法难以得到充分发展的海面热尾迹问题, 提出基于温度插值技术的潜艇热尾流浮升规律及海面热特征仿真方法。利用 FLUENT仿真软件的 k-ε流动传热模型和数据插值模块, 对比分析了不同航速、排水温度及排水量工况下, 排水法和温度插值法得到的海面热特征分布及热尾迹最大温差。结果表明: 温度插值法适应性强, 可捕捉不同阶段热尾流的瞬时变化, 仿真精度基本不受计算域范围的制约, 相对误差稳定在 19%～29%之间。该方法可为潜艇热尾流的高精度数值预报研究提供有力支撑, 为红外探测与反演定位提供参考与借鉴。

基于红外图像差分比对法可以高效地检测并发现电气部件老化、接线松动、绝缘失效等问题, 但由于红外热图像分辨率低、对比度差, 直接特征匹配误点率高、匹配成功率低, 提出一种基于可见光匹配矩阵的电气部件故障红外自动识别算法。首先通过固定区域截取法或手动提取特征点配准法处理可见光图像, 使处理后的可见光图像与红外图像完全匹配; 然后使用 SURF及 RANSAC算法将匹配好的待测及标准电气部件的可见光图像进行配准, 并使用最小二乘法获得最优仿射变换矩阵。最后使用该匹配矩阵将待测及标准电气部件的红外热像图进行配准, 进而进行差分故障判断。实验结果表明: 该检测算法相较于直接差分比对法, 匹配效果好、鲁棒性高, 且能够实现异常区域的准确定位。

由于国内对紫外的视景仿真研究较少, 本文提出了一种基于日盲紫外波段的电晕成像仿真方法。该方法研究了试验电压和探测距离对绝缘子缺陷电晕放电的紫外光子计数的影响, 提出了改进的经验公式。提出了利用像素点对应紫外光子仿真电晕放电的算法, 得到了电晕放电的紫外仿真图像。通过在 vieWTerra视景仿真平台中建立绝缘子模型, 获得了可见光图像。将可见光图像和紫外图像通过加权平均图像融合方法进行融合, 得到日盲紫外波段的电晕成像仿真图, 为研究日盲紫外视景仿真提供了参考。

线性压缩机目前是长寿命斯特林制冷机和高温斯特林制冷机常用的压缩机。本文首先分析了阻尼系数在压缩机运行过程中对压缩机的影响, 然后对线性压缩机阻尼系数测试方法进行了理论分析, 最后对昆明物理研究所线性压缩机的阻尼系数进行了测试分析。通过理论分析给出了线性压缩机的阻尼计算方法, 并搭建真空实验平台测试出压缩机的阻尼系数。对昆明物理研究所 SCI09H制冷机的线性压缩机和 SCI15H制冷机的线性压缩机进行了阻尼测试, 测试结果表明不同线性压缩机的阻尼系数并不完全相同。

氧化还原法制备了石墨烯, 用透射电镜、扫描电镜、原子力显微镜、拉曼光谱、红外光谱等对石墨烯进行了表征, 并在烟箱中对石墨烯烟幕的红外干扰性能进行了测试。结果表明, 石墨烯烟幕对 1.6～14 .m红外连续光谱均表现出优异的消光能力, 对 3～5 .m和 8～14 .m红外的质量消光系数最高达 5.49 m2/g和 4.78 m2/g, 平均质量消光系数分别为 3.91 m2/g和 3.25 m2/g, 干扰性能明显优于现有红外干扰烟幕材料。此外, 石墨烯气溶胶悬浮性能良好, 烟幕沉降速度不高于 1.63×10－3 m/s。

红外热波检测技术被应用于零部件或设备内部缺陷及故障的检测与定量识别。本文建立了半无限材料中圆柱绝热缺陷在超短激光脉冲辐照下的非傅里叶热传导波动模型, 在采用波函数展开法和镜像法研究热波散射正问题的基础上, 运用遗传算法对亚表面缺陷深度进行反演, 实际测量温度取热波散射正问题计算得到的材料表面温度, 并且分析讨论了测温点数目、入射频率等因素对反演结果的影响。数值实验结果证明了该方法的有效性。与 L-M法和共轭梯度法相比, 该方法在反演的精度及速度上都有较为良好的表现。

为了促进红外检测技术在材料导热系数检测上的研究, 提出了依据相位为识别条件的共轭梯度反演算法。针对研究问题, 建立了二维导热问题下的材料等效导热系数分布的红外检测模型, 应用有限体积法计算出检测表面的温度分布, 经 FFT(Fast Fourier Transform)变换, 得到检测表面的相位分布, 以此相位为识别条件, 采用共轭梯度算法实现了对材料等效导热系数分布的定量检测, 并采用数值实验验证了检测方法的有效性。

研制出一种全画幅 QXGA(Quad Extend Graphic Array)非制冷氧化钒红外焦平面探测器。探测器阵列规模达到 2048×1536, 像元尺寸为 17 .m×17 .m, 有效光敏面积约为 35 mm×26 mm。读出电路面积达到 41.34 mm×39.37 mm, 采用 8英寸 0.18 .m 1P6M一版多曝的缝合拼接曝光工艺设计及加工, 电路奇偶行同时积分、读出, 有效提高像元积分时间。探测像元采用成熟的 17 .m氧化钒微桥结构, 超大面积 MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)结构采用“多版一曝”、“一版多曝”的组合拼接曝光设计及加工技术。探测器采用高可靠性的标准金属真空封装。测试结果表明, 器件的噪声等效温差( NETD)小于 45 mK, 热响应时间小于 7 ms, 响应率非均匀性小于 8%, 器件帧频大于 60 Hz。

为了提升量子点光学器件使用性能, 本文提出采用点胶法制备量子点阵列并通过选择组分配比控制量子点胶点形貌。实验使用甲苯和 UV胶混合制成量子点胶水溶液, 研究了甲苯和 UV胶在不同配比下制作的量子点胶点的形貌特征, 实验证明当甲苯与 UV胶配比合适时, 点胶机打印阵列具有形貌良好、发光均匀、无咖啡环效应、打印精度高、阵列整齐等优点, 随着组分配比中甲苯含量的增加, 量子点胶点圆度、发光均匀性、一致性及排列整齐度均降低。因此通过改变组分配比, 可有效控制及优化胶点形貌, 提高量子点阵列的一致性与发光均匀性, 对提高量子点器件的灵敏度及分辨率等具有重要意义。