軍用紫外探測技術及應用

前言

　　20年前，作者有幸在國內(nèi)開始從事紫外探測技術領域的工作，白手起家。時至今日，軍用紫外探測技術及應用已經(jīng)歷了從概念到理論、從理論到實踐、從成果到裝備等一個較完整的歷程，積累了較為豐富的理論知識和工程經(jīng)驗。恰逢“十一五國防專著”良機，作者再次有幸能把軍用紫外探測設計理論和工程實踐的所學所研加以總結提煉，力圖構建一個盡可能完整的體系，以與廣大的新老同仁共學、共勉?！　】紤]到本書的工程性較強，作者從軍事應用需求出發(fā)，以理論聯(lián)系實際的方式，盡量多地結合一些實例和圖示來介紹相關的基礎和應用技術，以加深對紫外探測基本理論和設計方法的理解。紫外探測包含內(nèi)容較廣，本書主要集中在近年來研究應用較為活躍的一些軍事領域。由于紫外告警目前應用最成功，研究成果較多，因此成為本書論述的主要內(nèi)容?！　∪珪卜?章，各章內(nèi)容安排如下：　　緒論。主要闡述了軍用紫外探測的基本概念、定義以及應用狀況?！　〉?章“輻射源”。主要介紹人工輻射源和自然輻射源等紫外目標的輻射特性，這些目標環(huán)境特性的測試與應用是軍事紫外探測系統(tǒng)設計、試驗和應用的基礎，包括目標及背景特性的理論研究、威脅環(huán)境數(shù)據(jù)庫設計與應用技術，尤其是導彈固體推進劑紫外輻射特性等是紫外探測系統(tǒng)的典型對象。　　第2章“輻射傳輸及測量”。紫外輻射傳輸及測量的技術理論是紫外探測系統(tǒng)設計分析的重要支撐。主要介紹紫外大氣結構、傳輸特性原理及測量分析技術，包括實測、仿真和理論計算等方法；還對輻射測量的有關儀器（輻射計、光譜輻射計及成像儀）的原理和應用進行了介紹?！　〉?章“紫外光學”。介紹紫外光學的基本要素和概念、紫外光學特殊材料及典型光學系統(tǒng)的設計，并對關鍵元件（濾光片、窗口、整流罩）進行專門介紹，包括特定波長紫外濾光片的設計及折射／反射式光學系統(tǒng)的設計等。紫外探測通過光學系統(tǒng)收集輻射能量，其性能主要反映于會聚能力和光學像質(zhì)，其設計對軍用紫外光學研究的全面開展具有重要意義?！　〉?章“紫外探測器”。

內(nèi)容概要

本書闡述了軍用紫外探測及應用的基本概念、基本理論和工程設計開發(fā)方法，內(nèi)容包括紫外輻射源、輻射的傳輸及測量、紫外光學系統(tǒng)設計、各類紫外探測器及應用、光子計數(shù)和光子成像計數(shù)等檢測和處理、典型紫外探測系統(tǒng)的設計實例分析以及系統(tǒng)的測試仿真與試驗評估?！?   本書適合軍用紫外探測領域工程技術人員和相關專業(yè)技術人員參考，也可作為光學工程專業(yè)研究生、本科生的輔助教材。

書籍目錄

緒論1  0.1  概念定義1  0.2  系統(tǒng)應用4    0.2.1  概述4    0.2.2  典型應用5第1章  輻射源11  1.1  導彈11    1.1.1  火箭發(fā)動機工作機制12    1.1.2  輻射機理14  1.2  飛機19  1.3  人工輻射源21    1.3.1  氣體放電光源21    1.3.2  發(fā)光二極管26    1.3.3  超高溫黑體29    1.3.4  紫外激光器29  1.4  自然輻射源32    1.4.1  太陽32    1.4.2  大氣36    1.4.3  氣輝37    1.4.4  閃電37  1.5  背景雜波環(huán)境38第2章  輻射傳輸及測量40  2.1  中紫外輻射的大氣傳輸40    2.1.1  大氣40    2.1.2  紫外輻射衰減機理43    2.1.3  輻射傳輸?shù)腖OWTRAN計算49  2.2  紫外輻射的測量55    2.2.1  紫外輻射傳輸?shù)臏y量55    2.2.2  輻射源的測量計算57  2.3  紫外輻射的測量儀器58    2.3.1  輻射計60    2.3.2  光譜輻射計65    2.3.3  成像光譜輻射計66    2.3.4  紫外成像儀67第3章  紫外光學69  3.1  光學系統(tǒng)設計69    3.1.1  關鍵設計參量69    3.1.2  光學性能及像質(zhì)72    3.1.3  設計過程及分析77  3.2  紫外光學材料79    3.2.1  一般描述79    3.2.2  玻璃80    3.2.3  晶體85    3.2.4  其他透紫外材料87  3.3  濾光器88    3.3.1  一般描述88    3.3.2  干涉濾光器89    3.3.3  吸收型濾光器93    3.3.4  聲光濾光器94    3.3.5  組合型96  3.4  窗口/整流罩96    3.4.1  窗口96    3.4.2  整流罩98  3.5  典型光學系統(tǒng)設計99    3.5.1  反射式紫外光學系統(tǒng)99    3.5.2  折反式紫外光學系統(tǒng)101    3.5.3  折射式紫外光學系統(tǒng)102    3.5.4  光學機械設計110第4章  紫外探測器112  4.1  光電真空紫外探測器112    4.1.1  主要組成單元112    4.1.2  典型器件123  4.2  固體紫外探測器130    4.2.1  光電二極管130    4.2.2  光敏電阻133    4.2.3  紫外擴譜CCD134    4.2.4  寬禁帶探測器143  4.3  混合組件148    4.3.1  ICCD組件148    4.3.2  電子轟擊CCD154    4.3.3  組件的性能評估比較155  4.4  小結164第5章  信號檢測與處理166  5.1  光子信號的統(tǒng)計特性166    5.1.1  光子速率166    5.1.2  輻射源發(fā)射光子的泊松分布167  5.2  光子計數(shù)169    5.2.1  基本原理169    5.2.2  光電子脈沖的輸出特性170    5.2.3  檢測電路172    5.2.4  光子計數(shù)方法的優(yōu)點177  5.3  光子計數(shù)成像177    5.3.1  光子計數(shù)成像器件的讀出方式178    5.3.2  檢測原理及解算方法179    5.3.3  檢測電路185  5.4  模擬圖像的采集與處理190    5.4.1  采集190    5.4.2  處理193  5.5  數(shù)字圖像的處理及目標檢測196    5.5.1  圖像的預處理196    5.5.2  點源目標的檢測200第6章  系統(tǒng)設計209  6.1  基本設計理論209    6.1.1  基礎物理知識209    6.1.2  系統(tǒng)設計的若干理論問題214    6.1.3  系統(tǒng)輸出SNR及探測距離218  6.2  成像型紫外告警系統(tǒng)220    6.2.1  概述220    6.2.2  紫外成像傳感器222    6.2.3  信號處理226  6.3  概略型紫外告警系統(tǒng)231    6.3.1  概述231    6.3.2  紫外概略傳感器232    6.3.3  信號處理233    6.3.4  應用方式235  6.4  天基紫外預警系統(tǒng)236    6.4.1  工作原理236    6.4.2  主要性能分析237  6.5  紫外超光譜成像探測系統(tǒng)239    6.5.1  概述239    6.5.2  工作原理240    6.5.3  系統(tǒng)模型及內(nèi)涵240  6.6  紫外通信系統(tǒng)248    6.6.1  工作原理及特點248    6.6.2  系統(tǒng)組成250    6.6.3  紫外通信的應用256  6.7  紫外制導系統(tǒng)257    6.7.1  工作原理257    6.7.2  尋的器261第7章  仿真測試與試驗評估263  7.1  數(shù)字仿真評估263    7.1.1  探測系統(tǒng)仿真模型263    7.1.2  傳感器性能模型264    7.1.3  系統(tǒng)性能評估模型266    7.1.4  仿真評估途徑267  7.2  半實物仿真測試269    7.2.1  紫外場景仿真的要求269    7.2.2  半實物仿真體系結構270    7.2.3  半實物仿真的基本組成272    7.2.4  仿真測試的應用273  7.3  內(nèi)場性能測試274    7.3.1  成像品質(zhì)275    7.3.2  靈敏度及視場276    7.3.3  空間分辨力277    7.3.4  反應時間/探測概率278  7.4  外場試驗評估279    7.4.1  地面靜態(tài)外場試驗279    7.4.2  地面動態(tài)外場試驗285    7.4.3  飛行試驗287  7.5  紫外目標模擬器288    7.5.1  設計要求288    7.5.2  紫外輻射源的模擬289    7.5.3  遠場紫外模擬器291    7.5.4  近場紫外模擬器293    7.5.5  性能測試295參考文獻296

章節(jié)摘錄

　　軍用紫外探測技術大多基于近地大氣中“日盲區(qū)”和大氣層中“紫外窗口”的基礎上，其中中紫外波段由于處在日盲區(qū)而具有更獨特的應用，可用于紫外告警、紫外預警、紫外通信及紫外成像輔助導航、偵察等。利用導彈尾焰在日盲紫外波段的輻射可對其進行告警探測；利用高空大氣層在中紫外區(qū)背景的均勻、簡單特性，可進行天基紫外預警；利用中紫外輻射易被氧吸收及其在大氣中的強烈散射特性可進行紫外保密通信。在近紫外區(qū)，地面或近地面的飛機等空中目標擋住了大氣散射的太陽紫外輻射，因而在均勻的紫外背景上形成一個“暗點”，可藉此進行探測或制導。在諸多的軍事紫外探測應用中，基于日盲紫外光譜區(qū)的導彈告警發(fā)展最迅猛、應用最成功?！　≡缭?0世紀六七十年代，美國就已經(jīng)開始了在紫外波段探測洲際導彈發(fā)射的研究工作。早期的研究工作主要集中在對導彈羽煙紫外輻射的精確測量。其間，為人們所感興趣的首要是中紫外區(qū)，然后是真空紫外區(qū)。在這些譜區(qū)，地球造成的紫外背景輻射很小，信號探測看起來很有希望。但是，由于難以確定信號強度是否大于地球輻射，再加上紫外輻射特有的非熱態(tài)，不易建立模型和理論，紫外探測難以付諸實施，研究工作再一次轉(zhuǎn)向了亮度較高且易建立模型的羽煙紅外特征。進入20世紀80年代，美國戰(zhàn)略防務部門開始重新考慮利用導彈羽煙紫外輻射來探測導彈發(fā)射的可行性。相關基礎研究工作的進展也提供了良好的技術支撐。進展之一是通過地球軌道觀測衛(wèi)星獲得了背景紫外輻射的數(shù)據(jù)，進展之二是紫外傳感器技術獲得重大進展，特別是高紫外靈敏度陰極、電荷耦合器件（CCD）和高增益微通道板的研究取得了突破。目前，美國航空航天局研究的EBCCD紫外成像系統(tǒng)已經(jīng)應用于探測火箭，此外帶有紫外探測陣列的MX衛(wèi)星和Clmentine任務衛(wèi)星也應用于天基預警?！　≤娪米贤馓綔y技術從20世紀90年代起進入實質(zhì)性研究和應用開發(fā)，并在多個領域取得重大突破。被譽為21世紀最具影響力高技術之一的紫外告警技術異軍突起，在短短的十幾年間，發(fā)展成為迄今世界上型號最多、裝備量最大的導彈告警裝備，并已逐漸成為一種標準配置而越來越多地出現(xiàn)在各類高價值（包括民用）平臺上；美國已率先研制出低功率紫外通信系統(tǒng)，并成功地將其應用于空間飛行器與衛(wèi)星間、海軍艦船間以及艦船與艦載機間的秘密通信。2000年，美國GTE公司為美國海軍研制并裝備了紫外通信系統(tǒng)；同年前后，美軍空軍SR71黑鳥高空偵察機首次安裝了紫外成像偵察設備；此外，紫外制導方面，美國的“毒刺”導彈等采用紅外紫外雙色導引，大大增強了抗干擾性能。

編輯推薦

　　《軍用紫外探測技術及應用》為國防特色學術專著·電子科學與技術。作者從軍事應用需求出發(fā)，以理論聯(lián)系實際的方式，盡量多地結合一些實例和圖示來介紹相關的基礎和應用技術，以加深對紫外探測基本理論和設計方法的理解。紫外探測包含內(nèi)容較廣，《軍用紫外探測技術及應用》主要集中在近年來研究應用較為活躍的一些軍事領域。

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