短波红外可以提供可见光、微光夜视、中波、长波红外所不能提供的信息.实现短波红外成像,填补微光夜视和中波红外成像之间的光谱空缺,实现在三个大气红外透射窗口的"无缝隙探测",对在红外波段全面获取目标的信息具有重要意义,可应用于夜视、侦察与监视、遥感、遥感系统、红外成像制导、光电对抗等领域.

建立了基于美国海军红外传输模型的双波段单站被动测距算法.在若干相连观测时刻,远处目标被假定为具有恒定辐射强度的点源,结合美国海军模型在3.4～5 μm、8～12 μm波段上,得到了目标辐照度与探测距离的关系式.分析表明,在相邻两个探测距离上可得到四个形如lnx+bx+c=0的超越方程,通过求解即可获得相应的目标距离.给出了黄海、东中国海区的美国海军红外辐射传输模型的全部系数.最后,给出了文中算法的理论误差曲线,分析表明该测距误差小于辐照度的测量误差.

定标黑体是红外扫描仪的重要组成部分,其性能的好坏会影响到红外成像的质量.以某次遥感飞行获取的海表热红外图像中出现明暗条纹的现象为例,分析了定标黑体的温度不稳定性对热红外成像的影响,主要是由于扫描仪中用于箝位的低温黑体控温精度低.针对该明暗条纹消除方法,介绍了常规的基于图像处理的"Laplacian噪声消除法",并提出了一种新的解决方法"恒定参考源法",通过对比这两种方法,认为在难以保证黑体控温精度的情况下,关闭黑体的温控功能是一种更好的解决方法,对于红外扫描仪的遥感应用具有一定的指导意义.

针对红外焦平面阵列(IRFPA)实时图像处理系统中的重要环节--IRFPA的非均匀性校正和红外图像的增强,提出了以FPGA为核心的红外焦平面成像实时处理系统.该系统能够实时完成校正系数的计算、IRFPA非均匀性校正、红外图像的增强及视频合成等功能.在FPGA中采用了并行处理结构和流水线技术,使系统的处理速度高达50 M×12 bit/s,特别适用于大面阵、高帧频IRFPA实时图像处理.仅用一片FPGA完成所有的处理功能,使整个系统结构简单、体积小、功耗小,便于小型化.

成像器稳定跟踪平台的稳定回路设计是一种高精度、高动态响应的伺服回路设计,为实现较好的控制特性,提出了一种基于LMS算法的Adaline网络参数自适应控制方法,根据被控对象的参数变化,实时调整控制器的参数,由于算法相对简单,满足实际工程应用的要求.为了避免自适应算法运算对系统响应快速性的影响,设计了基于常规控制和自适应控制的双模态控制器结构,根据实际工作条件,进行控制策略的实时切换,既保证了系统响应的快速性,又保证了控制精度.实验结果表明,采用该方法实现的稳定回路具有良好的动态和静态特性.

介绍了电磁波与相对论电离波前相互作用的理论和实验进展情况.超短脉冲强激光可以使气体在极短时间内完全电离而形成相对论运动的电离波前,电磁波探针与该波前相互作用会导致频率上移,利用这种特性可能实现一种新的大范围激光调谐机制.

在激光汇聚原子束沉积纳米光栅的研究中,半经典理论是一种简单而有效的方法.利用半经典理论模型,对Cr原子在高斯型激光驻波场中的汇聚沉积进行了模拟分析和研究.通过龙格-库塔法数值模拟出在不同失谐量△、激光功率P、Cr原子束的横向纵向速度、基片摆放位置Zf和高斯光束束腰ω0条件下,Cr原子沉积光栅结构的变化,根据所得各光栅图形参数,分析了不同因素对0原子沉积的影响.

理论分析了被动调Q固体激光泵浦的光参量振荡器.利用激光二极管泵浦,Cr4+:YAG被动调Q Nd:YAG激光泵浦的内腔光学参量振荡器,磷酸氧钛钾(KTP)晶体作为非线性晶体,获得了高重复频率,高峰值功率的人眼安全激光输出,改变Cr4+:YAG被动调Q晶体的参数,可获得不同重频不同脉宽的调Q激光脉冲;当Cr4+:YAG晶体初始透过率为T0=80%时,获得了平均功率大于3.8 W,重频约80 kHz的1.572 μm波长信号光输出,脉宽30 ns,脉冲峰值功率达到1.58 kW.

采用平顶高斯光束模型来表示平顶光束,并定义平顶高斯光束的阶数N为平顶度.利用从激光器的四能级速率方程出发得到的交叠积分理论,通过计算,发现平顶的光束半径以及平顶度会严重影响到激光器的阈值泵浦功率和斜效率等参数,绘制了相应的变化曲线.在此基础上结合实际,讨论了单根光纤和多根光纤耦合LD的输出光束的光场分布,并利用已建立的平顶光束模型分析了它们的泵浦特性.

1.57 μm波长激光为人眼安全波长激光.将KTP晶体置于一个由LD端面泵浦、声光调Q的Nd:YVO4晶体双凹谐振腔内,利用KTP表面镀膜建立了内腔式OPO,实现了重复率在5～40 kHz范围内1.57 μm脉冲激光的稳定输出.实验结果表明,激光的阈值将随声光调Q器重复率的增加而升高,重复率为5 kHz时得到最低阈值1.52 W.重复率为15 kHz、泵浦功率为3.7 W时,输出光平均功率为305 mW,脉冲宽度50 ns,峰值功率400 W.

研制了1 064 nm直接探测多普勒测风激光雷达,采用Fabry-Perot标准具的双边缘技术,探测了对流层三维风场分布.介绍了多普勒测风激光雷达的总体结构和技术参数,较为详细地叙述了各部分的结构及其功能,并给出了合肥地区对流层径向风速的初步探测结果.结果表明,该激光雷达系统性能稳定,夜晚的探测高度可以达到9 km.

介绍了基于Fizeau干涉仪测风激光雷达的系统结构.在已有的系统参数下,对探测器测量的频率范围和Fizeau楔角作了优化,得出的系统误差在3 km处小于0.17 m/s.讨论了不同的数据反演方法.采用Voigt拟合法对用Monte-Carlo方法模拟的信号进行了多次处理,反演出的风速和实际值相差很小,标准偏差和用最小二乘拟合方法的系统误差公式值相符.表明用Voigt拟合方法反演风速是可行的,尤其在大风速情况下,其优势明显.在3 km处,当K=0.1时,探测器的盲区存在将产生约0.01 m/s的测量误差.

形心跟踪算法因为简单、执行速度快而得到广泛采用.然而常规形心跟踪算法因激光雷达图像受到散斑噪声影响而变得不适合.改进算法结合了图像的滤波处理,提高了适用范围.但是这种基于图像灰度均值分割的形心跟踪算法对于小目标图像都会跟踪失败.分析了大目标图像和小目标图像的直方图,指出其均由一个背景的尖峰和目标的拖尾组成,理想的分割阈值点应为尖峰和拖尾的临界点.据此提出了基于累积直方图的形心跟踪算法.此算法以图像的累积直方图拐点为分割阈值,不受目标区面积大小的影响.处理结果表明,对于大目标图像和小目标图像均有较好的效果,并且保持了常规形心跟踪算法执行速度快的特点.

从激光器和激光器驱动电路两方面对激光近距离动态探测系统发射电路进行了研究.对国内外脉冲半导体激光器状况进行了分析,对探测系统发射电路设计原理进行了论述,在不同的设计背景和要求下,讨论了发射电路对激光器和器件的选择.同时,对探测系统发射电路设计注意事项进行了总结,并指出电路板布局布线的关键所在.最后分析了激光近距离探测系统发射电路的现状和发展.

论述了一种红外图像高速采集系统的原理、结构和特点.针对红外成像探测系统的应用要求,基于Wishbone片上总线和PCI总线技术,应用Wishbone-PCI Bridge的IP核在单片FPGA上设计实现了红外图像高速采集系统,解决了系统调试中探测器红外图像高速传输、实时显示与处理的问题.实验表明:红外图像高速采集系统应用方便、工作可靠,满足了性能指标要求.

基于骨架对跑道区域进行表示,从骨架图中检测骨架分支基元,计算分支基元的显著性度量并建立分支基元之间的邻接关系.针对机场跑道区域具有的几何特征,采用脊柱基元表示条状区域,将脊柱基元的宽度、长度和方向信息作为脊柱基元的显著性度量,借助先验知识,检测得到主跑道的脊柱基元,识别主跑道.选取一幅某机场遥感图像作为实验分析,验证了算法的可行性.

针对海空复杂背景下红外小目标识别的需要,对海空背景及其小目标的红外图像特性进行了统计分析.具体分析了在有目标和无目标两种情况下3～5 μm和8～12 μm两个波段图像的均值、方差和协方差等统计特性以及图像的局部对比度、信杂比和阈值随探测距离变化的规律;同时对生成的红外热像进行了直方图分析.结果表明:随着探测距离的减小,导弹的辐射逐渐增大,到达一定探测距离时(大约8 200 m)可以从热像图中区分导弹的蒙皮辐射和羽流辐射.根据有目标和无目标两种情况下图像特性的差异,可以判断图像中是否存在目标,从而为目标识别提供了关于目标和背景的先验知识,研究结果可用于海空背景下红外小目标的检测.

针对空中机动目标的被动定位跟踪问题,提出了一种先用静态估计理论对空中目标进行最小二乘估计,再采用基于"当前"统计模型的自适应滤波算法进行滤波处理的方法,取得了比最小二乘估计与卡尔曼滤波相结合的算法更好的效果.仿真结果表明,在跟踪非机动目标时,该算法和最小二乘估计与卡尔曼滤波结合的办法相当;在跟踪机动目标时,该算法的误差明显小于原算法.

针对图像灰度变化和遮挡问题,提出一种增量符号相关的景象匹配方法.介绍了增量符号相关算法的理论基础,基本原理为将二维图像变换为一维向量,再将一维向量按照某种编码规律进行编码,得到由0、1组成的特征字符串,对由实时图和基准图上同样大小的基准子图变换而来的特征字符串求相关,相关系数最大者即为最佳匹配区.将此算法与绝对差算法和归一化积相关算法进行实验对比,在对算法进行定量分析的基础上,证明增量符号算法对灰度变化和遮挡有较好的鲁棒性,为图像匹配导航与制导提供了新的思路.

景象匹配适应性分析可以推进景象匹配相关技术的研究,文中构建的基于数据库的景象匹配适应性分析平台通过选取匹配对、计算图像参数、大规模匹配实验、匹配概率相关定义及数据库管理分析等技术手段可以快速、有效地对匹配算法、适配区选取准则的适应性给出科学的结论,是促进景象匹配技术研究的一种有效手段.实验结果表明,该平台对于景象匹配导航系统从理论到仿真的研究,以及算法的适应性分析等方面具有重要应用价值.

为了解决存在旋转的异类图匹配问题,在互信息(MMI,Maximum of Mutual Information)匹配方法的基础上,利用穷举法在参考图中找出实时图的对应匹配位置,并作为控制点,利用模型以及最小二乘方法找出两幅图像的对应关系.利用参考图的旋转变换较好地解决了存在旋转的异类图匹配问题;把控制点理论应用于灰度匹配得到的匹配点;把景象匹配的新成果(MMI)用于解决旋转异类图匹配.仿真实验表明此方法可较好地解决存在旋转的异类图匹配问题.

根据多波束声纳地形匹配导航中不同阶段对匹配性能的不同要求,提出了基于径向投影变换的快速地形匹配方法.基于径向投影变换的快速地形匹配方法利用图像径向投影变换将图像变成一维曲线,然后采用相位相关法搜索图像的匹配位置和旋转角度,由于径向投影变换将二维图像变换为一维曲线进行匹配,因此大大提高了匹配速度.

为了解决光谱恢复对图像匹配高精度的问题,提出了一种高精度图像匹配算法--利用光流确定图像的运动场对图像进行匹配.该算法克服了传统的基于灰度匹配方法受图像插值精度影响的缺陷以及运算速度和精度的局限性.与基于MAD块匹配算法和归一化相关系数块匹配算法进行比较,该算法实现了图像序列高精度匹配,而且硬件实现简单,计算复杂度较低.

GaAs/AlGaAs量子阱红外探测器由于其所依据的GaAs基材料较为成熟的材料生长和器件制备工艺,使其特别适合于高均匀性、大面积红外焦平面的应用.报道了甚长波256×1元GaAs/A1GaAs多量子阱红外焦平面器件的研制成果,探测器的峰值波长为15 μm,响应带宽大于1.5 μm.在40 K工作温度下,器件的平均黑体响应率Rp=3.96×106 V/W,平均黑体探测率为D*b=1.37×109 cm·Hz1/2/W,不均匀性为11.3%,并应用研制的器件获得了物体的热像图.

大面积、高质量碲锌镉单晶是制备碲镉汞红外焦平面器件的理想衬底材料,而腐蚀法是常用的揭示碲锌镉晶体缺陷和评价晶体质量的方法之一.对碲锌镉晶体常用的Nakagawa、Everson、EAg1和EAg2四种腐蚀剂在碲锌镉材料(111)晶面上的腐蚀坑坑形进行了研究,结果发现,EAg2腐蚀剂在(111)B面上的腐蚀坑为平底坑,Everson腐蚀剂在(111)B面上产生的腐蚀坑包括平底坑和带有不同倾斜方向坑底的三角锥形坑,进一步的研究还表明,三角锥形坑并未沿着坑底的倾斜方向向下延伸.实验中也首次观察到了EAg腐蚀剂的黑白平底坑.对常用腐蚀剂的坑形特性研究,将有助于更好地利用腐蚀剂开展碲锌镉材料缺陷研究和晶体质量评价工作.

对用作室温红外探测敏感单元的非晶硅薄膜晶体管进行了研究,提出了一种新型SiO2栅介质非晶硅薄膜晶体管室温红外探测器.该探测器的基本工作机理与传统的SiNx栅介质薄膜晶体管相类似,但在器件性能方面不仅具有较高的响应度,而且具有更好的温度稳定性;在制作工艺方面具有更高的工艺重复性和栅介质淀积的均匀性.

介绍了一种基于标准硅工艺的电容读出式微悬臂梁非制冷红外探测器的设计、制作以及集成读出电路的设计.该探测器用于探测室温下物体的红外辐射,其响应波长为8～12 μm.由于氮化硅和铝的热膨胀系数相差很大,用这两种材料的薄膜做成的双材料微悬臂梁在红外辐射下会发生弯曲,微悬臂梁和衬底形成一个可变电容,通过检测电容的变化来反映微悬臂梁的弯曲,从而可以探测红外辐射的情况.采用和探测器集成的CMOS读出电路对探测器信号进行读取,微悬臂梁的电容灵敏度可达2.5 fF/K,温度分辨率为0.1 K.

基于动态变温方法及间接热释电电流法的原理,设计并研制了一套已获专利授权的动态热释电系数测试系统.介绍了该系统的测量原理、设计方法及组成,用已知热释电系数值的锆钛酸铅(PZT)陶瓷及钽酸锂(LT)单晶作为参考样品对系统进行了调试,并对PZT、聚二氟乙烯(PVDF)及钛酸锶钡(BST)等几种常见的铁电薄膜材料的热释电系数进行了测试.结果表明,热释电系数测试值与参考值吻合很好,而且该系统具有控温精度高(±0.002℃)、噪声低(≤14 nV)、测试动态范围大(1×10-11～1×10-4 C·cm-2·K-1)等优点,它不仅能满足传统热释电模式工作的PZT系列材料热释电系数的测试需要,还可用于测量热释电-介电模式工作的BST系列材料的热释电系数.文中所开发的动态法热释电系数测试系统完全可满足未来铁电材料在红外探测应用领域的研究要求.

采用端部霍尔离子源在硅基底上制备了含氢非晶碳膜(a-C:H),并测量了4 000～1 500 cm-1的红外透射光谱.基于单层薄膜的透射关系,获得了仅有六个拟合参数的光学常数计算模型.利用该模型,可以同时获得薄膜在宽波段范围内的光学常数和厚度:折射率的最大值为1.94,消光系数的最大值为0.014 9,拟合薄膜厚度为617 nm.

波束合成技术是复合制导半实物仿真系统中的关键技术.利用薄膜干涉理论设计了多层结构的红外/微波波段波束合成器,实现了在二维平面大角度范围内对宽频段波束的合成,并对这种结构对红外的反射率和对微波的透射率进行了理论计算和分析.在红外波长为8.8～10.6 μm,入射角在0°～58°范围时,该结构的反射率达到98%;在2～12 GHz波段内,微波入射角在0°～55°时,透过率最高能达到98%,波束合成器的尺寸为1 200 mm×800 mm.