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浙江大学
硕士学位论文
红外光学系统无热设计
姓名:奚晓
申请学位级别:硕士
专业:光学工程
指导教师:岑兆丰;李晓彤
20050101
浙江大学硕士学位论文
————一一一一,
摘要
近年来,随着科学技术的迅猛发展,特别是红外探测器技术及加工工艺的日
益完善,红外系统越来越多地应用于各个领域,特别是在军事领域,红外寻的制
导已经成为世界各国军事应用中重点研究和发展的精确制导项目之一。同时,随
着使用环境越来越复杂,因此对红外系统性能的要求也越来越高。
红外光学系统是整个红外系统中一个非常重要的组成部分,它能直接影响到
整个系统的性能,而热效应又是影响红外光学系统性能的重要因素。因此对于无
热效应红外光学系统的设计方法进行研究是非常有必要的。
本文从两个方面分析了红外光学系统的热效应。首先,分析了温度变化对光
学系统成像质量的影响,详细讨论了材料折射率、光学元件的曲率半径和厚度以
及光学元件之间的空气间隔等三个方面的因素以及它们与温度的关系,并介绍了
无热设计技术以消除其影响。然后,分析了光学表面发出的热辐射对系统灵敏度
的影响,给出了能合理描述表面热辐射的数学模型与计算方法,编制了相应的软
件,以光线光学的方法计算系统中光学表面热辐射在探测器接收面上的能量分
布。最后,以两个红外光学系统为例,具体分析了温度对红外光学系统的影响,
同时比较了两种得到冷阑效率的方法的优劣性。
关键字红外光学系统无热设计热效应表面热辐射冷阑效率
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第一章概述
互课题背景
红外寻的制导是当代红外技术的重要军事应用之一。在过去二三十年间,红
外寻的制导技术有了重大发展。伴随着红外探测器技术的发展,特别是红外焦平
面探测器的工程应用、计算机信息处理以及超大规模集成电路技术的飞速发展,
使红外寻的制导技术由点源发展到成像制导,目前红外成像寻的制导已广泛应用
于精确制导武器系统。川
红外成像寻的制导与电视、雷达和激光等制导方式相比具有许多显著的优
点,它能提供二维图像信息,采用计算机图像信息处理实现制导智能化,具有高
灵敏度、高空间分辨率、大动态范围,尤其适合探测较弱的目标信号和鉴别多目
标的需要制导精度高、抗干扰能力强、作用距离大、全天候工作能力强,具有
在复杂背景条件下捕获、识别、锁定和跟踪目标的自动决策能力等。因此,在高
技术兵器迅速发展的当今世界,已成为世界各国军事应用中重点研究和发展的精
确制导项目之一。
年的海湾战争是一场高技术对抗的导弹攻防战,红外成像寻的制导武
器在这场战争中所显示的威力令世人瞩目。这场高技术战争带给人们的启示,包
括美国在内的各国军方深深感到红外寻的导弹和配有热成像系统武器的严重威
胁。因此,再一次唤醒了世界各国对发展和装备智能化精确制导武器的重视,其
研究、发展和应用的竞争更加激烈。川
当前总的形势是在核威胁力量平衡的条件下打常规战争,从战术使用观点出
发,要以先进的技术基础改进常规力量,精确制导武器在今后一个相当长的时期
内,在军事上的地位将越来越显得重要,寻的制导技术是精确打击的关键。对下
一代精确制导武器、对寻的制导的要求是能在复杂的地理环境、复杂的气象环境、
复杂的电磁环境下有效作战。红外成像寻的制导仍被认为是当今和未来一段相当
长时间内比较理想的寻的手段。大力加快其研制步伐,无疑对改进现代制导武器
的性能将起到重大的作用。
浙江大学硕十学位论文
互红外热成像的发展
红外热成像系统是指接收面辐射源发出的红外辐射,并将其转换成可见光图
像的装置。热成像技术的发展综合了红外探测器、光学设计、扫描技术、信息处
理等学科的进步成果。
热成像作为红外技术的一个新领域,出现于世纪年代末,其开拓性的
工作是等人在年的研究成果—蒸发式热象仪当红外热图像投
射到涂有挥发性液体的薄膜上时,液体产生正比于吸收能量的挥发。在日光照射
下则可看到干涉条纹。这种热象仪由于对比度、灵敏度及响应速度都很低,没有
打的实用价值。年代初,出现了采用银一氧一艳光发射表面的红外变象管。
这种变象管在一端接收红外热图像,在另一端显示可见光图像。随后的年间,
改进后的这种成像仪用作夜视镜及夜间瞄准具在美国普遍装备了军队。在此同
时,研制出一种磷光表面的红外显示器。该装置是根据红外辐射投射到磷光表面
时,该表面受激产生可见光的机理。但这种装置的灵敏度和分辨率较差。这一时
期的红外成像装置均是直接显示方式,在应用上受到限制。
年代,热成像的研究出现了两种不