亮度增益是进行微光像增强器寿命预测时常用的一个重要参量, 高精确度的亮度增益测量可以提高微光像增强器寿命预测的准确性。本文基于亮度增益的测量原理, 通过分析测量装置的组成部分及相关误差特性, 给出了能有效降低亮度增益测量误差的处理方案, 该方案经试验证明像增强器寿命预测的准确度有所提高, 其与试验结果之间的相对偏差小于 4%, 为提高微光像增强器的工程研制效率提供一种有效检测手段。

单晶锗是典型的红外光学晶体材料, 其加工表面的评价方法大都局限于面形精度, 而加工过程所产生的位错及晶面间距变化也会影响单晶锗的使用性能。为了全面地评价单晶锗加工后的表面性能, 通过表面粗糙度轮廓仪、 X射线衍射仪等设备, 对超精密车削的单晶锗平面及曲面进行了表面粗糙度和 X射线检测, 获得了针对单晶锗平面的表面粗糙度与位错密度相结合的性能评价方法, 及针对单晶锗曲面的表面粗糙度与晶面间距变化程度相结合的性能评价方法。相关研究对单晶锗在红外光学及其它领域的加工应用有重要意义。

利用 ANSYS模拟建立二维、三维非金属材料非稳态导热模型, 采用红外热源作为激励, 非金属材料粘贴缺陷无损检测过程。在缺陷深度一定, 不同缺陷厚度和面积条件下, 二维模拟得到非金属材料表面温度, 并计算温度梯度。分析温度梯度与缺陷厚度和半径的关系, 提出确定缺陷边界和厚度的方法; 建立 3种不规则形状缺陷, 通过三维模拟结果, 验证二维模拟提出的确定缺陷边界和厚度方法的可行性。结果表明: 在缺陷半径一定时, 缺陷厚度与温度梯度峰值呈线性关系; 缺陷半径大于 10 mm, 缺陷厚度与温度梯度峰值线性度基本相同; 温度梯度峰值的位置与缺陷边界基本一致。

为了获取具有宽截止带的 1064 nm激光窄带滤光膜, 本文以含缺陷的一维光子晶体为基础设计了两种不同的结构。模拟分析了缺陷层引入方式、缺陷层光学厚度、缺陷层材料折射率、光子晶体周期数和缺陷层位置等因素对窄通带位置、宽度和强度的影响, 明确了其影响规律。通过优化光子晶体的结构参数优化滤光膜窄通带、拓宽截止带, 设计了截止范围在 200～1500 nm、1064 nm透过率大于 90%的多层结构滤光膜。

本文基于可燃气体吸收特定波段的红外光原理, 设计了一款红外双波段可燃气体探测器。通过分析碳氢类可燃气体分子吸收特性, 确定了可燃气体的吸收波长与参考波长, 并完成了探测器的光路部分和整体硬件电路设计。通过在高低温实验平台内某一恒定温度下, 配制 8组不同浓度的气体进行标定, 并记录下标定的数据, 生成了探测器的检测浓度计算曲线。同时, 通过对待测气体浓度为 0状态下的多组不同环境温度测试, 得出探测器受环境温度影响的特性, 引入吸收参数 H, 并建立吸收参数 H与温度的补偿表, 实现了对因温度变化所引起的检测偏差的合理补偿。实验结果表明, 该探测器的精度较好、响应快, 高低温性能稳定, 完全符合国家标准和设计要求。

黑体辐射源广泛用于红外成像系统的校正, 在实际应用中要求黑体空腔在整个腔面区域上具有稳定、均匀的温度场, 为了提高控温精度, 本文设计了一种基于自抗扰控制的黑体辐射源温度控制系统。首先, 基于黑体辐射源的数学模型, 在 MATLAB/Simulink环境下进行 ADRC控制算法的仿真, 并与传统的 PID和 Smith预估计控制算法进行比较。仿真结果表明自抗扰控制算法具有响应快、精度高以及良好的设定值跟踪能力; 其次, 利用 LabVIEW软件的图形化编程实现了离散 ADRC的编程; 最后, 在 Compact RIO实时控制器中实现黑体辐射源的温度控制和实验数据的采集。实验结果表明, 此温控系统提高了黑体控温的精度, 温度稳定性优于 0.03℃/10 min, 并且该算法有着更强的自抗扰能力。自抗扰控制算法通过对系统状态与未知扰动进行实时的观测和有效的补偿, 提高了黑体辐射源的控温品质。

在空间遥感领域, 波长在 3.m～5.m的中红外焦平面探测器大都工作在高背景环境下, 信号电流远小于背景电流。为解决当前信号淹没于背景这一突出问题, 设计了一种采用门控多周期积分结构实现的背景抑制功能的读出电路。该电路在抑制背景电流(包括暗电流)的同时能有效降低噪声, 提高有效积分时间, 增大输出信号动态范围。经 Spectre仿真软件验证了电路设计的正确性。背景电流输入范围为 0 nA～110 nA, 能够有效读出 2.5 nA～25 nA之间的信号电流, 电路输出摆幅大于 2V。该电路的设计不仅能解决当前工程中的关键问题, 还对今后高性能大面阵红外焦平面高背景弱信号探测具有重要的指导意义。

热像仪主要依据红外辐射定律对物体由于温度产生的红外辐射进行测量, 是非接触式测温方式的一种方法。在保持其它影响测温精度因素不变的条件下, 通过保持热像仪稳定输出来提高精准度。实验采用黑体作为目标辐射源, 并将温度设定后保持不变。保持热像仪与辐射源的位置固定不变, 只调节聚焦程度来采集数据。分析热像仪聚焦程度对其输出值的影响, 通过分析可以看出对于均匀的辐射目标源, 当热像仪离焦时各个随机点输出的值不一致。只有当其在聚焦的状态下, 随机点及区域输出的值才趋于稳定。并计算各点的在不同聚焦程度下的变异系数及区域内方差, 进一步确定热像仪输出值的稳定性。实验表明: 热像仪聚焦程度对其输出值有较大影响, 利用文中聚焦程度与变异系数、区域内方差的计算对于判别热像仪输出值的稳定性具有一定的作用。

基于场景的非均匀校正依然是红外领域的一个研究热门。神经网络算法是一种较为典型的场景校正算法。本文主要针对神经网络算法本身不能校正光学引入的非均匀性问题, 提出了新的改进算法, 通过对神经网络输入层的预处理, 消除图像的低频噪声, 此外, 为了消除预处理对图像对比度的影响, 本文增加了神经网络的层数, 使用双层神经网络对算法进行更新, 从而消除了图像对比度下降的现象。实验结果表明, 改进的神经网络算法能够有效的改善图像质量, 消除图像中光学引入的非均匀性。

针对混合高斯模型(Gaussian Mixture Model, GMM)无法检测到完整的运动目标, 三帧差法检测目标时对物体速度的敏感, 检测到的物体会出现空洞等缺点, 提出了一种混合高斯融合三帧差法的运动目标检测改进算法。首先, 在运动目标提取过程中, 改进的三帧差法采用动态分割阈值和边缘检测技术, 解决光线突变和边缘不连续问题; 然后引入新的高斯分布自适应选择策略, 以减少处理时间, 提高检测准确性; 最后, 利用改进 HSV(Hue-Saturation-Value)颜色空间来消除阴影区域, 得到一个完整的运动目标。数据实验表明, 该算法在不同场景具有较好的检测能力。

针对传统直方图均衡算法存在过增强、图像细节表现不稳定等现象, 提出了一种基于变异系数反馈调整控制的自适应双平台直方图均衡化算法。该算法在反馈控制原理的基础上, 引入了一个直方图归一化变异系数作为反馈参数, 用来不断修正平台阈值与期望值之间的偏差, 从而自适应地获得最优双平台阈值。定性定量实验结果表明, 本文所提出的红外图像均衡化算法在不同场景的增强效果中表现良好且稳定。

红外热成像图像具有分辨率较低, 细节模糊, 对于快速运动目标适应性较差的特点。本文提出了一种结合目标检测算法, 目标跟踪算法的红外图像中快速运动目标的检测与跟踪方法。该方法根据红外图像特点, 使用 ViBE算法检测运动目标, 检测出图像中显著运动目标后, 触发跟踪器, 使用 fDSST目标跟踪算法对显著运动目标进行跟踪。测试结果表明, 该方法对于快速运动的红外图像目标能够高效检测、快速跟踪。检测与跟踪效果相对传统方法具有检测率更高、鲁棒性更好、实时性更强的优势, 对于红外图像中目标检测与跟踪具有很强应用价值。

作为一种新型的非接触式检测方法, 基于红外热成像技术的机载电路板故障模式诊断方法受到越来越多的关注。本文针对传统基于红外热图的电路板故障检测算法中存在的缺陷, 提出一种结合红外图像分割、热阻网络、支持向量机 SVM(Support Vector Machine)与 D-S证据理论的故障检测算法。首先, 通过红外图像分割完成目标芯片区域温度提取, 应用热阻网络模型对目标区域温度信息进行优化; 其次, 提取温度信息特征向量分别输入对应的初级 SVM诊断模块, 输出各故障模式的加权基本概率分配值 BPA(Basic Probability Assignment); 最后, 应用 D-S证据理论对各证据体加权 BPA进行数据融合, 输出融合后的故障诊断结果。实验结果表明, 本文算法加强了有效证据体对诊断结果的正面影响, 削弱了无效证据体的负面影响, 大幅度提高了机载电路板故障模式诊断准确度。

针对多目标红外被动探测定位技术应用的需要, 提出了一种基于红外被动探测的多目标定位方法。研究了三站联合定位算法, 解决了多目标情况下虚假目标干扰、数据匹配难度大的问题, 开展了定位精度、虚假目标剔除效果数学仿真。仿真分析和实验表明, 该方法能够有效剔除虚假目标, 实现多目标红外被动探测定位功能, 定位精度满足应用需要。

基于电磁屏蔽理论及相关影响因素, 针对某型旋转式微型斯特林制冷机在正常工作状态中产生的电磁干扰影响成像效果的问题, 提出了缝隙改进和屏蔽体良好接地的解决办法, 并通过试验验证可行性。然后结合实际情况, 将该解决办法推广至其他型号制冷机, 系统提出缝隙、过孔、线缆和连接器的相关改进措施, 并进行电磁兼容测试, 最后在工程实践中推广应用。

环形高次非球面在航天遥感器的光学系统中应用越来越广泛, 为了精确测量其非球面参数和矢高, 在探讨三坐标测量机非球面检测扫描路径的基础上, 分析了测试数据与理论数据之间的内在数学关系, 提出了一种基于坐标变换规范测试数据, 通过空间数据转换将测试数据降维, 数据处理由三维空间转换到二维平面, 进而在平面内做多项式拟合求解非球面母线的检测方案。通过泰勒级数展开, 对比分析了母线多项式拟合方程和标准非球面方程之间的系数对应关系, 并对某高次非球面进行实物检测。检测结果表明矢高拟合精度达 0.001 mm, 非球面系数拟合精度达到与设计值数量级一致, 检测方案合理可行, 为类似高次非球面的检测提供了一条有效可行的检测途径。