軍用紫外探測(cè)技術(shù)及應(yīng)用

前言

　　20年前，作者有幸在國(guó)內(nèi)開(kāi)始從事紫外探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域的工作，白手起家。時(shí)至今日，軍用紫外探測(cè)技術(shù)及應(yīng)用已經(jīng)歷了從概念到理論、從理論到實(shí)踐、從成果到裝備等一個(gè)較完整的歷程，積累了較為豐富的理論知識(shí)和工程經(jīng)驗(yàn)。恰逢“十一五國(guó)防專(zhuān)著”良機(jī)，作者再次有幸能把軍用紫外探測(cè)設(shè)計(jì)理論和工程實(shí)踐的所學(xué)所研加以總結(jié)提煉，力圖構(gòu)建一個(gè)盡可能完整的體系，以與廣大的新老同仁共學(xué)、共勉?！　】紤]到本書(shū)的工程性較強(qiáng)，作者從軍事應(yīng)用需求出發(fā)，以理論聯(lián)系實(shí)際的方式，盡量多地結(jié)合一些實(shí)例和圖示來(lái)介紹相關(guān)的基礎(chǔ)和應(yīng)用技術(shù)，以加深對(duì)紫外探測(cè)基本理論和設(shè)計(jì)方法的理解。紫外探測(cè)包含內(nèi)容較廣，本書(shū)主要集中在近年來(lái)研究應(yīng)用較為活躍的一些軍事領(lǐng)域。由于紫外告警目前應(yīng)用最成功，研究成果較多，因此成為本書(shū)論述的主要內(nèi)容?！　∪珪?shū)共分8章，各章內(nèi)容安排如下：　　緒論。主要闡述了軍用紫外探測(cè)的基本概念、定義以及應(yīng)用狀況。　　第1章“輻射源”。主要介紹人工輻射源和自然輻射源等紫外目標(biāo)的輻射特性，這些目標(biāo)環(huán)境特性的測(cè)試與應(yīng)用是軍事紫外探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和應(yīng)用的基礎(chǔ)，包括目標(biāo)及背景特性的理論研究、威脅環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用技術(shù)，尤其是導(dǎo)彈固體推進(jìn)劑紫外輻射特性等是紫外探測(cè)系統(tǒng)的典型對(duì)象?！　〉?章“輻射傳輸及測(cè)量”。紫外輻射傳輸及測(cè)量的技術(shù)理論是紫外探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析的重要支撐。主要介紹紫外大氣結(jié)構(gòu)、傳輸特性原理及測(cè)量分析技術(shù)，包括實(shí)測(cè)、仿真和理論計(jì)算等方法；還對(duì)輻射測(cè)量的有關(guān)儀器（輻射計(jì)、光譜輻射計(jì)及成像儀）的原理和應(yīng)用進(jìn)行了介紹?！　〉?章“紫外光學(xué)”。介紹紫外光學(xué)的基本要素和概念、紫外光學(xué)特殊材料及典型光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并對(duì)關(guān)鍵元件（濾光片、窗口、整流罩）進(jìn)行專(zhuān)門(mén)介紹，包括特定波長(zhǎng)紫外濾光片的設(shè)計(jì)及折射／反射式光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等。紫外探測(cè)通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)收集輻射能量，其性能主要反映于會(huì)聚能力和光學(xué)像質(zhì)，其設(shè)計(jì)對(duì)軍用紫外光學(xué)研究的全面開(kāi)展具有重要意義。　　第4章“紫外探測(cè)器”。

內(nèi)容概要

本書(shū)闡述了軍用紫外探測(cè)及應(yīng)用的基本概念、基本理論和工程設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)方法，內(nèi)容包括紫外輻射源、輻射的傳輸及測(cè)量、紫外光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、各類(lèi)紫外探測(cè)器及應(yīng)用、光子計(jì)數(shù)和光子成像計(jì)數(shù)等檢測(cè)和處理、典型紫外探測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)例分析以及系統(tǒng)的測(cè)試仿真與試驗(yàn)評(píng)估?！?   本書(shū)適合軍用紫外探測(cè)領(lǐng)域工程技術(shù)人員和相關(guān)專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員參考，也可作為光學(xué)工程專(zhuān)業(yè)研究生、本科生的輔助教材。

書(shū)籍目錄

緒論1  0.1  概念定義1  0.2  系統(tǒng)應(yīng)用4    0.2.1  概述4    0.2.2  典型應(yīng)用5第1章  輻射源11  1.1  導(dǎo)彈11    1.1.1  火箭發(fā)動(dòng)機(jī)工作機(jī)制12    1.1.2  輻射機(jī)理14  1.2  飛機(jī)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(yáng)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(cè)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(jī)理43    2.1.3  輻射傳輸?shù)腖OWTRAN計(jì)算49  2.2  紫外輻射的測(cè)量55    2.2.1  紫外輻射傳輸?shù)臏y(cè)量55    2.2.2  輻射源的測(cè)量計(jì)算57  2.3  紫外輻射的測(cè)量?jī)x器58    2.3.1  輻射計(jì)60    2.3.2  光譜輻射計(jì)65    2.3.3  成像光譜輻射計(jì)66    2.3.4  紫外成像儀67第3章  紫外光學(xué)69  3.1  光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)69    3.1.1  關(guān)鍵設(shè)計(jì)參量69    3.1.2  光學(xué)性能及像質(zhì)72    3.1.3  設(shè)計(jì)過(guò)程及分析77  3.2  紫外光學(xué)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(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)99    3.5.1  反射式紫外光學(xué)系統(tǒng)99    3.5.2  折反式紫外光學(xué)系統(tǒng)101    3.5.3  折射式紫外光學(xué)系統(tǒng)102    3.5.4  光學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)110第4章  紫外探測(cè)器112  4.1  光電真空紫外探測(cè)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(cè)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(kuò)譜CCD134    4.2.4  寬禁帶探測(cè)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(píng)估比較155  4.4  小結(jié)164第5章  信號(hào)檢測(cè)與處理166  5.1  光子信號(hào)的統(tǒng)計(jì)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(jì)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(cè)電路172    5.2.4  光子計(jì)數(shù)方法的優(yōu)點(diǎn)177  5.3  光子計(jì)數(shù)成像177    5.3.1  光子計(jì)數(shù)成像器件的讀出方式178    5.3.2  檢測(cè)原理及解算方法179    5.3.3  檢測(cè)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(biāo)檢測(cè)196    5.5.1  圖像的預(yù)處理196    5.5.2  點(diǎn)源目標(biāo)的檢測(cè)200第6章  系統(tǒng)設(shè)計(jì)209  6.1  基本設(shè)計(jì)理論209    6.1.1  基礎(chǔ)物理知識(shí)209    6.1.2  系統(tǒng)設(shè)計(jì)的若干理論問(wèn)題214    6.1.3  系統(tǒng)輸出SNR及探測(cè)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(hào)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(hào)處理233    6.3.4  應(yīng)用方式235  6.4  天基紫外預(yù)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(cè)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(diǎn)248    6.6.2  系統(tǒng)組成250    6.6.3  紫外通信的應(yīng)用256  6.7  紫外制導(dǎo)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(cè)試與試驗(yàn)評(píng)估263  7.1  數(shù)字仿真評(píng)估263    7.1.1  探測(cè)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(píng)估模型266    7.1.4  仿真評(píng)估途徑267  7.2  半實(shí)物仿真測(cè)試269    7.2.1  紫外場(chǎng)景仿真的要求269    7.2.2  半實(shí)物仿真體系結(jié)構(gòu)270    7.2.3  半實(shí)物仿真的基本組成272    7.2.4  仿真測(cè)試的應(yīng)用273  7.3  內(nèi)場(chǎng)性能測(cè)試274    7.3.1  成像品質(zhì)275    7.3.2  靈敏度及視場(chǎng)276    7.3.3  空間分辨力277    7.3.4  反應(yīng)時(shí)間/探測(cè)概率278  7.4  外場(chǎng)試驗(yàn)評(píng)估279    7.4.1  地面靜態(tài)外場(chǎng)試驗(yàn)279    7.4.2  地面動(dòng)態(tài)外場(chǎng)試驗(yàn)285    7.4.3  飛行試驗(yàn)287  7.5  紫外目標(biāo)模擬器288    7.5.1  設(shè)計(jì)要求288    7.5.2  紫外輻射源的模擬289    7.5.3  遠(yuǎn)場(chǎng)紫外模擬器291    7.5.4  近場(chǎng)紫外模擬器293    7.5.5  性能測(cè)試295參考文獻(xiàn)296

章節(jié)摘錄

　　軍用紫外探測(cè)技術(shù)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(chǔ)上，其中中紫外波段由于處在日盲區(qū)而具有更獨(dú)特的應(yīng)用，可用于紫外告警、紫外預(yù)警、紫外通信及紫外成像輔助導(dǎo)航、偵察等。利用導(dǎo)彈尾焰在日盲紫外波段的輻射可對(duì)其進(jìn)行告警探測(cè)；利用高空大氣層在中紫外區(qū)背景的均勻、簡(jiǎn)單特性，可進(jìn)行天基紫外預(yù)警；利用中紫外輻射易被氧吸收及其在大氣中的強(qiáng)烈散射特性可進(jìn)行紫外保密通信。在近紫外區(qū)，地面或近地面的飛機(jī)等空中目標(biāo)擋住了大氣散射的太陽(yáng)紫外輻射，因而在均勻的紫外背景上形成一個(gè)“暗點(diǎn)”，可藉此進(jìn)行探測(cè)或制導(dǎo)。在諸多的軍事紫外探測(cè)應(yīng)用中，基于日盲紫外光譜區(qū)的導(dǎo)彈告警發(fā)展最迅猛、應(yīng)用最成功?！　≡缭?0世紀(jì)六七十年代，美國(guó)就已經(jīng)開(kāi)始了在紫外波段探測(cè)洲際導(dǎo)彈發(fā)射的研究工作。早期的研究工作主要集中在對(duì)導(dǎo)彈羽煙紫外輻射的精確測(cè)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(hào)探測(cè)看起來(lái)很有希望。但是，由于難以確定信號(hào)強(qiáng)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(cè)難以付諸實(shí)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(jìn)入20世紀(jì)80年代，美國(guó)戰(zhàn)略防務(wù)部門(mén)開(kāi)始重新考慮利用導(dǎo)彈羽煙紫外輻射來(lái)探測(cè)導(dǎo)彈發(fā)射的可行性。相關(guān)基礎(chǔ)研究工作的進(jìn)展也提供了良好的技術(shù)支撐。進(jìn)展之一是通過(guò)地球軌道觀(guān)測(cè)衛(wèi)星獲得了背景紫外輻射的數(shù)據(jù)，進(jìn)展之二是紫外傳感器技術(shù)獲得重大進(jìn)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(guó)航空航天局研究的EBCCD紫外成像系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于探測(cè)火箭，此外帶有紫外探測(cè)陣列的MX衛(wèi)星和Clmentine任務(wù)衛(wèi)星也應(yīng)用于天基預(yù)警?！　≤娪米贤馓綔y(cè)技術(shù)從20世紀(jì)90年代起進(jìn)入實(shí)質(zhì)性研究和應(yīng)用開(kāi)發(fā)，并在多個(gè)領(lǐng)域取得重大突破。被譽(yù)為21世紀(jì)最具影響力高技術(shù)之一的紫外告警技術(shù)異軍突起，在短短的十幾年間，發(fā)展成為迄今世界上型號(hào)最多、裝備量最大的導(dǎo)彈告警裝備，并已逐漸成為一種標(biāo)準(zhǔn)配置而越來(lái)越多地出現(xiàn)在各類(lèi)高價(jià)值（包括民用）平臺(tái)上；美國(guó)已率先研制出低功率紫外通信系統(tǒng)，并成功地將其應(yīng)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(jī)間的秘密通信。2000年，美國(guó)GTE公司為美國(guó)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(niǎo)高空偵察機(jī)首次安裝了紫外成像偵察設(shè)備；此外，紫外制導(dǎo)方面，美國(guó)的“毒刺”導(dǎo)彈等采用紅外紫外雙色導(dǎo)引，大大增強(qiáng)了抗干擾性能。

編輯推薦

　　《軍用紫外探測(cè)技術(shù)及應(yīng)用》為國(guó)防特色學(xué)術(shù)專(zhuān)著·電子科學(xué)與技術(shù)。作者從軍事應(yīng)用需求出發(fā)，以理論聯(lián)系實(shí)際的方式，盡量多地結(jié)合一些實(shí)例和圖示來(lái)介紹相關(guān)的基礎(chǔ)和應(yīng)用技術(shù)，以加深對(duì)紫外探測(cè)基本理論和設(shè)計(jì)方法的理解。紫外探測(cè)包含內(nèi)容較廣，《軍用紫外探測(cè)技術(shù)及應(yīng)用》主要集中在近年來(lái)研究應(yīng)用較為活躍的一些軍事領(lǐng)域。

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