为了解决大视场红外告警系统中目标定位精度较差的问题, 采用一种基于主动标志物的多项式拟合法, 对大视场红外告警系统中目标方位提取进行了理论研究和实验验证。利用高温陶瓷加热片模拟红外目标, 通过高精度2维转台获得相机姿态角与目标中心坐标的对应数据点集, 采用二元高阶多项式对目标方位信息进行拟合, 实现了大视场红外告警系统中目标高精度方位提取。结果表明, 该拟合方法的角度误差在±0.1°以内, 目标定位精度较高。这一结果有助于大视场红外成像中目标方位的提取。

为了验证近红外激光在水面大气传输时的热晕效应, 采用缩比实验方法, 克服了大口径和高功率系统复杂、实验成本高等实际问题, 以理论分析为基础设计了高效的实验方案, 对1000nm左右的激光水面大气传输热晕效应进行了实验研究, 取得了重要的外场实验数据。结果表明, 在选择合适的功率和发射口径情况下, 1000nm左右的高能激光水面传输热晕效应可忽略。这一结果对大口径和高功率激光系统设计是有帮助的。

为了研究多光谱CCD相机的干扰效果, 分别采用氙灯(白光)、671nm激光、473nm激光和532nm激光对多光谱CCD相机进行干扰实验, 提取了红、绿、蓝三通道下的干扰图, 并对干扰效果进行了分析, 最后利用光生载流子的扩散模型对白光辐照多光谱CCD进行仿真。结果表明,白光辐照多光谱CCD相机时, 红、绿、蓝三通道会同时被干扰, 干扰效果明显优于单波长的干扰效果; 当白光的入射功率为10.5μW时, 白光辐照多光谱CCD的饱和像元数为2382pixel, 随着入射功率的增大, 多光谱CCD的饱和像元数也逐渐增加, 当白光的入射功率为980μW时, 白光辐照多光谱CCD的饱和像元数稳定在320078pixel; 多光谱CCD对各个波长连续激光干扰响应程度从大到小依次为白光、532nm、473nm、671nm; 仿真所得干扰图以及饱和像元数随激光功率的变化关系曲线与实验结果基本相符。该结果有助于多光谱CCD相机干扰机理的深入研究。

为了解决激光干扰电荷耦合光电探测器时饱和面积与激光功率关系曲线不符合传统“水桶”模型预测规律的问题, 利用激光干扰电荷耦合光电探测器饱和面积随激光功率增加的非线性模型, 提出非线性主要产生于两方面: 由光注入产生的光生载流子由于电子空穴对的复合导致载流子浓度呈非线性增长; 电荷耦合光电探测器的沟道结构导致一些高于势阱存储容量的电子未被势阱吸收而被泄露, 从而造成干扰的非线性。取得了连续激光辐照电荷耦合器件干扰实验数据, 并利用非线性模型对实验数据进行了拟合。结果表明, 473nm,532nm,632.8nm和1064nm激光干扰电荷耦合器件实验数据与拟合数据平均相对误差分别为7%,5%,5%和7%, 说明了所提出的非线性模型在描述激光辐照电荷耦合器件干扰规律时是有效的。该研究有助于为激光干扰电荷耦合器件实验提供理论指导和预测。

为了提取目标回波信号的特征信息、提高回波信号仿真精确度, 采用地面验证实验时将回波数据记录下来对其数字仿真的方法, 将二次曲面单元作为几何建模的基础单元来建立目标几何模型, 基于目标表面的材料及双向反射分布函数实测数据, 结合遗传优化算法对不同波长的样品从不同角度来进行五参量建模。采用回波包络上升速率的区域联合判别方式, 对不同环境下目标的点回波幅值进行了实验验证。结果表明, 电压在云烟环境与理想环境下的偏差约为65.3％, 包络走势满足对目标识别的判定准则, 且在云烟环境中实现了抗干扰, 能够修正改善目标在云烟环境下回波信号的仿真模型, 提升仿真精确度。

为了研究近红外激光对图像传感器的干扰机理，利用波长为1064nm的连续激光辐照黑白电荷耦合器件相机，观察激光对黑白相机的干扰现象,将实验中采集到的数字图像进行处理，提取了黑白相机在不同激光功率下的干扰程度曲线，并进行了分析。结果表明,图像传感器相机干扰包括干扰光斑和串音线，激光功率越高，干扰光斑半径越大，串音线缓慢变宽，相应干扰区域中饱和像元数越多，干扰程度越严重；对于1064nm激光对黑白相机的干扰过程，饱和像元数量正比于激光功率基本呈线性增长；对实验现象中出现的规律性点阵光斑和旁支串音线的新现象解释为与光学镜头的傅里叶频谱性质有关；利用相关公式推导得出一般干扰过程的拟合曲线，并根据图像传感器基本像元结构的电容势阱特点和载流子溢出方式来对干扰过程进行仿真模拟，仿真结果与实验数据基本相符。该结果有助于近红外激光对CCD的干扰研究。

为了研究非制冷微测辐射热计的激光损伤阈值，根据非制冷微测辐射热计的构造和成像原理，分析了像元温度响应机制，推导出了零偏置下和单次偏置时间内像元受到激光辐照的温度增量计算公式；建立了激光辐照非制冷微测辐射热计的有限元分析模型，结合实际工作条件加载热源载荷进行仿真，模拟了激光造成软损伤的过程。结果表明，激光软损伤阈值可按照零偏置条件下像元温度响应的公式近似计算，其对应的温度偏差不大于3%。该研究为激光压制干扰红外成像系统的损伤阈值计算提供了参考。

为了研究光纤激光的非相干合成特性, 建立了圆环状排布的光纤激光阵列光束合成模型, 模拟分析了单元光束束腰半径w0、波前畸变和光束间距对非相干及相干合成远场光束质量的影响。讨论了多路激光平行性对非相干合成效果的影响, 并进行了相关实验验证。结果表明,单元光束无波前畸变时, 当光束间距为d0=2.8w0时, 非相干与相干合成光束质量相等; 单元光束存在波前畸变时, 光束间距有所减小, 这是因为波前畸变对非相干合成影响更小; 对于非相干合成, 随着多路激光之间不平行度的增大, 非相干合成光束质量逐渐变差, 并且单元光束质量越好, 对多路激光平行性要求越高。该研究可为实际光纤激光合成系统设计分析提供参考。

为了研究雪崩光电二极管(APD)对大气传输后的激光进行探测时, 所受大气湍流效应及APD噪声的影响, 分析了激光在湍流大气中传输、APD对激光探测两个过程, 结合APD的探测原理, 建立了指数威布尔-高斯双重随机过程模型。通过实验测量了不同信噪比、不同大气湍流下APD输出电流的概率密度, 对探测距离不同、接收口径不同的情况进行了仿真。结果表明, 接收信噪比为2,5,10时, 光强分布方差分别为0.5354,0.3565,0.2781, 偏移量分别为0.05,0.0109,0.0029; 大气折射率结构常数为2.5×10-15,3×10-14,4.9×10-14时, 方差分别为0.1198,0.2781,0.4035, 偏移量分别为0.0002,0.0029,0.0039; 双重随机过程模型可准确描述经过大气传输的激光被APD探测的过程; 探测器口径的变化对APD输出电流的概率密度影响不大, 而接收信噪比、探测距离、大气折射率结构常数的增大会使APD输出电流平均值较信号电流产生较大偏移、且离散程度加剧。该模型的建立对激光探测技术研究具有一定的参考价值。

为了选择设计红外预警卫星的最优探测谱段范围, 采用一种基于目标与背景对比度确定探测谱段的方法, 在综合考虑目标、背景及探测方向等因素、结合探测器参量的前提下, 分别对类HTV-2飞行器在不同工况、不同观测角度和不同波长范围内的辐射强度、多种地球/大气背景辐射及不同情况下的目标背景对比度进行了理论分析和仿真。结果表明, 针对类HTV-2飞行器, 正俯视观测时, 在30km高度、马赫数Ma=7和50km高度、马赫数Ma=17两种工况下, 任一背景下, 目标与背景对比度在2.65μm～2.85μm谱段处都较大。该结果对探测这一类目标时的谱段选取具有重要参考价值。