连续激光辐照背照式CMOS图像传感器实验研究

背照式互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor,CMOS)图像传感器较前照式结构显著提高了低光照环境下的拍摄效果,激光对不同结构传感器有不同的干扰损伤机制。为了研究激光对背照式CMOS图像传感器的影响,利用1 064 nm连续激光,开展对背照式CMOS图像传感器的干扰和损伤实验研究。干扰实验观察到饱和与反饱和现象,激光功率密度大于1.39×10^(-2)W/cm^(2)时出现饱和现象,大于1.03×10~4W/cm^(2)时出现反饱和现象。损伤实验观察到点损伤、十字线损伤、面损伤和致盲现象,功率密度大于1.35×10^(6) W/cm^(2)出现点损伤,大于1.74×10^(6) W/cm^(2)出现十字线损伤,大于1.65×10^(7) W/cm^(2)时出现面损伤现象,进一步增加激光功率,探测器最终出现致盲现象。背照式结构电路较前照式结构的位置更深,干扰和损伤所需的激光功率更高,因此抗激光能力更强。

半主动激光制导能量传输与模拟技术

为模拟实战环境下半主动激光制导的目标回波能量,设计并研制了注入式激光能量模拟设备。对激光制导能量传递过程及模拟技术进行研究。首先,针对激光制导武器工作过程,建立了激光在大气中传输发生散射与衰减的模型,并针对实战中存在的各种烟雾、降雨、干扰烟剂等进行建模仿真。接着,设计了激光目标回波能量模拟器的总体方案,选用DPS-A激光器和布儒斯特角薄膜偏振器模拟激光衰减过程。设计了光纤耦合与匀光准直系统。最后,构建了激光制导半物理仿真系统,分别进行了激光回波能量模拟实验、激光导引头标定与激光末制导试验。实验结果表明:激光能量模拟误差小于3. 0%,导引头线性角度范围内残差小于0. 08°,测角精度小于0. 45 mrad,末制导过程体视线角跟踪误差小于0. 2°。该系统可模拟多种实战环境中激光能量传输情况,且精度高,能够满足激光制导半物理仿真要求。

连续波CO_2激光对多晶硅探测器干扰损伤实验研究

为进一步研究激光对光电探测器的干扰及损伤,利用10.6μm连续CO2激光辐照多晶硅光电探测器,进行了干扰与损伤阈值实验研究,得到了对多晶硅探测器的饱和干扰、损伤干扰阈值分别为5.55×10-4 W/cm2、0.48 W/cm2;分析了不同干扰功率、不同干扰时间的干扰效果,依据探测器受干扰程度提出了将干扰等级划分为点饱和、中度饱和、重度饱和与点损伤4个等级;通过干扰激光功率与干扰光斑面积的变化关系,得到两者按幂函数y=76.3×x0.29关系变化,并依据该变化关系探讨了10.6μm脉冲激光对红外成像系统的干扰效果。

MODTRAN5分子吸收模式的计算精度数值评估

大气辐射传输软件MODTRAN5较以前版本光谱分辨率从2 cm^(-1)提高到0.2 cm^(-1),为了检验MODTRAN5分子吸收的计算精度,用精确的逐线积分法LBLRTM做参考,模拟比较了MODTRAN5计算的大气光谱透过率。结果表明:MODTRAN5软件计算的大气透过率与LBLRTM计算结果的均方根误差总体上不超过0.02,但在有些波段最大误差可达0.03以上,如二氧化碳4.3μm吸收带,误差值为0.0377。

基于ESO的导引头稳定平台双积分滑模控制

为了提高导引头稳定平台抗扰性及速度稳态跟踪性能,提出了一种基于扩张状态观测器(Extended State Observer,ESO)的双积分滑模控制器(Double Integral Sliding Mode Controller,DISMC)。首先,采用二阶扩张状态观测器对系统的未知扰动进行估计;然后,采用了双积分滑模控制器实现了系统的低稳态误差跟踪,同时采用了改进的幂次趋近律来削弱控制系统的抖振影响;最后,采用导引头稳定平台进行目标跟踪实验和隔离度性能测试。实验结果表明,与传统基于扰动观测器(Disturbance Observer,DOB)的PI控制方法相比,跟踪3(°)/s的梯形波时,在提出的控制器作用下速度跟踪快速性提高了48 ms,跟踪误差标准差提高了0.0131(°)/s。同时用转台模拟弹体扰动分别为sin(πt)°、3sin(5πt)°、7sin(2πt)°时,系统的隔离度分别提高了2.91%、0.45%、0.7%,表明基于扩张状态观测器的双积分滑模控制器对导引头稳定平台具有较强的抗扰性和较好的跟踪性能。

导引头稳定平台的扰动补偿及改进滑模控制

为提高导引头稳定平台抗扰性,提出了一种导引头稳定平台的扰动补偿及改进滑模控制策略。首先根据扰动特点将扰动分为摩擦力矩和"剩余扰动"两部分,基于Stribeck摩擦模型辨识摩擦参数,并进行摩擦力矩补偿;采用扩张高增益观测器对"剩余扰动"进行估计,并给出了扩张高增益观测器的收敛条件。然后设计了改进滑模控制器作为稳定回路的控制器实现伺服控制,采用Lyapunov函数证明其稳定性。最后,搭建测试系统分别进行了稳定平台性能测试和导引头性能测试,用于验证跟踪和抗扰效果。实验结果表明,跟踪1(°)/s的梯形波时,提出的控制器有效地补偿了摩擦,同时稳态精度提高了0.032 8(°)/s;给定三轴转台典型幅值和频率扰动下,采用提出的控制器时系统隔离度至少提高了0.57%。表明提出的控制器改善了系统抗扰性。

直写式激光导引头标定系统误差分析

为提高激光导引头测角精度,研究了激光导引头测角误差的来源,并分析了直写式激光导引头标定系统误差。首先,分析了激光导引头内光学系统和探测器安装误差对导引头测角的影响;其次,介绍直写式激光导引头标定系统的工作原理,给出理想条件下转台转角和导引头测角关系;再次,为了提高标定后导引头测角精度,分析了标定系统存在的安装误差;最后,针对一次实际的标定过程,结合文中分析方法对标定系统误差进行了校正,导引头零位误差由校正前的2.5 mrad降低到了1 mrad以内。文中结论为直写式激光导引头标定系统中的结构安装精度要求提供了分析方法,进而提高了标定后激光导引头的测角精度。

折射率和粒子尺度对大气气溶胶光散射特性的影响

采用Mie散射方法计算了小尺度范围内,0.65μm波长大气气溶胶粒子光学特性与折射率、粒子尺度参数的关系,并分析了折射率虚部对气溶胶粒子散射相函数的影响。结果表明:在小尺度范围内,气溶胶粒子散射特性受折射率、尺度参数影响较大,折射率实部和尺度参数对消光效率因子等非散射角散射参量的影响存在一定程度的对称性。同时还发现,在特殊散射角位置,无论对于单粒子还是对于多分散粒子群系统,气溶胶粒子(群)的散射相函数与折射率虚部基本无关,不同折射率虚部的散射相函数在前向散射方向存在交点,交点位置随粒子尺度参数的变化基本为高斯分布。随着粒子尺度参数的增大,交点位置向前向小角方向移动,并逐步趋于离散。这一结论对了解大气气溶胶粒子的散射效应具有一定的参考意义。

引入样本删除机制的TLD粒子群目标跟踪

为提高TLD算法在广泛场景下跟踪鲁棒性和实时性的问题,本文从跟踪模块和学习模块两个方面对TLD算法进行了改进,提出引入样本删除机制的TLD粒子群目标跟踪算法。首先,用基于颜色特征的粒子群目标跟踪算法替代TLD算法中原来的跟踪模块,增强TLD算法在应对目标出现非刚性形变、尺度变化、旋转、遮挡等情况下的跟踪鲁棒性。接着,针对TLD算法的学习模块引入样本删除机制,在跟踪过程中为样本库中正负样本数量分别设定一个阈值,当正负样本数都达到各自阈值时,便会启动样本删除机制。然后,对待分类进入样本库的图像块进行等级评价,删除对正负样本表征能力都较弱图像块。最后,将样本库中的正负样本与当前目标进行相似度匹配,删除对当前目标表征能力低的样本。通过对OTB2013和OTB2015数据集中相关视频序列的实验结果证明,本文算法的OPE精确度达到0.687,算法的OPE成功率为0.488,算法运算效率平均提高了25.71%。基本满足广泛场景下目标跟踪的鲁棒性,并显著了提高算法运算效率。

基于小波包方法的超声速气膜气动光学效应相干结构

当高速成像制导导弹在大气中飞行时,其光学窗口承受着严重的气动加热。超声速气膜冷却方法可以有效地隔离外部加热,但是超声速气膜流动会引起光束退化,降低图像质量。为了研究超声速气膜气动光学效应,本文构建了主流马赫数为3.4,设计喷流马赫数为2.5,实际测得喷流马赫数为2.45的超声速气膜实验装置。利用基于纳米粒子的平面激光散射技术获得了高时空分辨率流场图像,并对气膜冷却流动的密度场进行重构,利用光线追迹法获取了对应密度场的光程差。通过将光程差分布和K-H涡对比后发现,光程差的波谷位置对应于涡卷的中心,而光程差的波峰对应于涡卷中心之间的连接部分。但是,随着涡结构的发展破碎,对应关系不再成立。根据超声速气膜NPLS流场图像结果,利用分形原理获取的分形维数结果,将其沿流向划分为三个区域,其对应平坦度分别为3.4,2.9,3.6,验证了区域2更适合进行相干结构提取。

固定翼飞机地面红外辐射特征测量及分析

固定翼飞机的红外辐射特征研究具有重要意义。利用MODTRAN软件计算大气透过率和程辐射,用8~14？m长波红外测量设备对固定翼飞机进行了红外辐射测量。测量结果表明,地面滑跑阶段固定翼飞机机头、机身、尾翼部分辐射亮度基本接近,且各个方向辐射亮度基本一致;尾喷管附近蒙皮辐射亮度远高于机身辐射亮度;尾焰辐射亮度具有方向性,后向辐射最强。

天空背景红外辐射亮度测量及其对目标探测的影响分析

天空背景的红外辐射特征对目标侦察探测具有重要意义。利用3μm^5μm中波、8μm^12μm长波红外测量设备对天空背景红外辐射亮度进行了测量,长波波段辐射亮度在3.7~13.6 W?m-2?sr-1,中波波段辐射亮度在0.05~0.48 W?m-2?sr-1,相同条件长波辐射亮度高于中波辐射亮度1~2个数量级;随着观测角增大,天空背景辐射亮度显著降低,同时太阳辐射、大气温度等因素也对天空背景辐射有较大的影响。利用测量结果仿真分析了天空背景辐射对目标侦察探测距离的影响,结果表明当观测角由9.6°降低到1.9°时,红外搜索跟踪系统探测距离会减少41.5%~46.2%。

目标温度对中波红外定向干扰效果影响研究

除了干扰激光功率,合作目标温度也是影响定向干扰效果的重要因素之一。本文开展了中波激光对中波红外成像制导系统的干扰实验,获取了不同干扰强度下红外导引头对不同温度合作目标的跟踪情况,分析研究了合作目标温度、干扰激光功率等对红外定向干扰效果的影响。结果表明,导引头所攻击目标温度影响对导引头的红外定向干扰效果,合作目标温度越高,其中波红外辐射强度越高,需要的干扰激光强度越高,即需要更高的干扰压制比,才能达到一致的干扰效果;另外,目标温度影响导引头对图像灰度分割门限的计算,从而影响干扰激光对导引头图像的饱和与串扰现象,最终影响对目标的提取和跟踪。

基于RGB色彩模式的彩色烟幕遮蔽效果测量方法

介绍了烟幕的类型和使用方式,分析了喷射式彩色烟幕的遮蔽原理。根据三基色原理提出了采用RGB色彩模式测量评估彩色烟幕色度的方法。分析了目前普遍采用的衰减率数据矩阵插值法测量烟幕形成时间的方法以及该方法在使用中存在的误差因素,提出采用彩色烟幕RGB数据矩阵法测量评估彩色烟幕形成时间的新方法,该方法解决了由烟幕的形状及形成方式、目标的数量及布设方式等因素引起的系统误差,经分析该方法对喷射式烟幕形成时间的测量精度提高到90%以上,具有测量精度高、便于数据处理的优点,丰富了烟幕遮蔽效果测量的评估措施。

3.8μm激光对中波红外成像导引头的定向干扰性能研究

激光定向干扰是对抗红外成像导引头的最有效方式,因此开展对红外成像导引头的激光定向干扰研究具有重大意义。影响中波激光定向干扰效能的因素有很多,其中激光到靶功率密度是影响定向干扰效能的重要因素。从大气传输对中波激光的衰减、导引头光学系统对中波激光的光学增益、干扰激光光斑随干扰距离的变化等因素出发,研究了中波激光的大气传输透过率与大气能见度及传输距离的关系,分析了大气湍流强度对激光传输总发散角的影响。得到了3.8μm激光对红外成像导引头的定向干扰模型,绘出了激光到靶功率密度、大气能见度、大气湍流强度以及干扰距离之间的关系曲线,并通过外场实测对该模型进行了验证。结果表明,误差在一个数量级之内,主要来自于远场激光光斑和传输路径上大气透过率的计算误差。该研究对于激光定向干扰装备的论证和研制具有一定的参考价值。

固定翼飞机非加力状态尾焰红外辐射特性测量及分析

固定翼飞机尾焰的红外辐射特性研究对红外探测、跟踪、制导等具有重要意义。利用MODTRAN软件计算大气透过率和程辐射,用8-14μm长波红外测量设备对某型固定翼飞机非加力状态尾焰红外辐射亮度进行了测量。测量结果表明,非加力状态尾焰辐射亮度具有明显的方向性,迎头方向较弱,从50°到150°逐渐增强,150°方向平均辐射亮度为50°的5.2倍;90°方向尾焰辐射沿发动机喷管轴向呈对称性包络分布,随着与喷管轴向距离的增加逐渐减弱,辐射主要集中在发动机喷管出口附近的轴线两侧。150°方向尾焰辐射主要集中在发动机喷管出口附近,尾焰辐射亮度为喷管中心辐射亮度的15.4%。180°方向尾焰及喷管辐射亮度呈环形分布,从中心区域向外,尾焰辐射亮度分布的对称性和一致性逐渐下降。测量结果为尾焰红外辐射研究提供了重要的数据支持。