光电成像与探测-习题及答案

《光电成像与探测》习题参考答案

第一章

1、为什么雷达系统很难部署于天基平台，而红外成像系统可以？

答：

雷达是主动发射大功率电磁波的有源系统，大基部署难以支撑其功率

消耗；而红外成像是被动接收热辐射的无源系统，功耗低，更适于部

署于天基平台。

2、相比于地基雷达预警，光学预警探测的优势有哪些？

答：

地基雷达预警是主动探测，易被发现，且开机时间受到限制，探测范

围受功率、地球曲率的影响。光学预警是被动探测，不易被发现，能

够全天时工作，覆盖范围广。

3、美国典型的天基红外预警系统有哪些？各有哪些技术特点？

答：

DSP系统：部署于地球同步轨道，采用双波段探测；

SBIRS系统：部署于地球同步轨道（覆盖中低纬度地区）和大椭圆轨

道（覆盖高纬度地区），采用双波段探测，主动段预警；

OPIR系统：是大面阵凝视成像；

STSS系统：部署于中低轨道，采用多波段融合探测，用于中段冷弹头

跟踪。

第二章

1、点目标经过光学系统后，形态会产生哪些变化？

答：形态由点扩散为斑，其主瓣宽度与光学系统孔径大小相关，有旁

瓣拖尾。

2、光学口径衍射极限分辨率如何计算？探测器决定的分辨率如何计

算？实际成像系统分辨率由什么决定？

答：光学口径衍射极限分辨率=1.22人/D,探测器决定的分辨率二d/f,

实际成像系统分辨率由光学口径衍射极限分辨率和探测器决定的分

辨率中的最大值决定。

3、如何提升理想光学成像系统分辨率？

答：增大光学口径、缩小探测器尺寸、增大焦距。

第三章

1、辐射源包括那几类？其度量是什么？度量单位是什么？

答:辐射源包括点辐射源和面辐射源，其度量为辐射强度和辐射亮度,

度量单位是W/sr.W/sr/m2o

2、已知黑体的温度300K,求其峰值波长，并在波长为2~4nm的辐射

出射度为多少？

答：利用维恩位移定律，峰值波长4皿=9.66〃〃，根据普朗克定律，波

长为2~4所的辐射出射度为0.98W/m2。

3、简述辐射强度定义、辐射亮度定义。点源产生的辐照度如何计算、

面源产生的辐照度如何计算？

答：

辐射强度定义：点辐射源在某一方向上在单位立体角内所发出的辐射

通量。

辐射亮度定义：辐射源在给定方向上的辐射亮度，是源在该方向上的

单位投影面积上、单位立体角内发出的辐射功率。

点源产生的辐照度其中/是点源辐射强度，R是点源与

R-

被照面上X点面源dA的距离，。是dA的法线与R的夹角，r“是大气

透过率。

面源产生的辐照度：H=raLM,絮,其中L是面源辐射亮度，是

面源面积。

4、假定弹道导弹弹体辐射温度为300K。在观测方向，其投影面积约

为1m?。在远距离观测情况下，其辐射强度为多少？求距离3000km

处导弹尾焰在波长5Um的辐照度。

答：利用波尔兹曼定律，辐射强度为146.2W/sr,辐照度为2.89X

1013W/m2o

第四章

1、弹道导弹目标有哪些特点？从红外辐射和运动两方面阐述。

答：弹道导弹目标飞行弹道分为主动段、中段和再入段。主动段尾焰

强烈，持续时间短。中段辐射微弱，持续时间长。

2、弹道导弹中段突防有些措施？

答：多弹头（集束式、分导式）、中段机动、诱饵和干扰。

3、临空高超声速导弹有哪些类型？各有什么特点？

答：

高超声速巡航类目标：飞行过程分为助推段和巡航段。助推段与弹道

导弹主动段特性类似，巡航段发动机吸气燃烧，具有尾焰辐射。

高超声速滑翔类目标：飞行过程分为助推段、下压段和滑翔段。助推

段与弹道导弹主动段特性类似，下压段为在外太空自由下落，与弹道

导弹中段目标特性类似，滑翔段弹头与大气高速摩擦，产生高温等离

子体等辐射特性。

4、空中目标辐射主要由哪几部分组成？

答：尾焰和机体外壳两部分。

5、地物背景的辐射由哪些部分构成？

答：包括对太阳光辐射的反射（植被、土壤、雪和高岭石等的反射）

和地物自身的热辐射。

6、导弹预警传感器波段选择原则有哪些？

答：1）目标有较大的辐射强度；2）目标与背景应有较大的对比度;

3）对各型导弹目标具有普遍适应性；4）考虑大气吸收特性，尽可能

提前发现目标；5）有足够灵敏度的红外探测器和简单可靠的制冷方

法。

7、弹道导弹主动段预警的典型波段有哪些？其工作原理是什么？

答：2.7nm和4.3用日弹道导弹主动段的辐射能量主要产生自强烈的

尾焰，尾焰的光谱特性由喷射气体的成分决定，大部分导弹尾焰气体

主要成分是水汽、二氧化碳和一氧化碳，其在2.7所和4.3pm附近

具有辐射峰值。同时，在2.7河和4.3|im也是大气吸收峰值。因此，

选择2.7町和4.3即，目标辐射强、背景辐射因被吸收而弱，目标与

背景对比度强，有利于探测。

第五章

1、红外光电成像系统一般由哪些主要部件组成，各部件的作用是什

么？

答：由光学系统、探测器、预处理器、辅助设备组成。光学系统起到

收集目标信号光能量、选择波段能量和抑制杂光等作用；探测器用于

将接收到的红外辐射转换为电信号形式；预处理器对探测器的响应进

行比例化、校准、滤波和拼接；辅助设备用于保证相机在运载平台中

能够工作在合适温度范围，降低相机热噪声和机械形变。

2、光学系统主光路有哪些典型的结构类型，各结构类型有哪些优缺

点？

答：

1）反射式系统：大孔径、窄视场、长焦距、短镜筒、无色差；

2）折射式系统：小孔径，宽视场，有色差；

3）折反射系统：反射式和折射式的结合。

3、三反光路系统有哪些类型，各有什么优缺点？

答：

1）同轴三反系统离，光路有遮挡，装调较简单。

2）离轴三反系统，光路无遮挡，装调难度大。

4、影响光学像质的因素有哪些？会造成哪些现象？

答：

1）衍射:形成衍射斑。

2）像差：球差、慧差、像散、场曲和畸变等。

5、红外分光技术有哪些类型，各有什么特点？

答：

1）滤光片：高通、低通、带通，红外分光常用。

2）棱镜：有损耗，并且损耗不一致，红外分光应用较少。

3）光栅：光谱范围宽、角色散率大且色散线性、光谱分辨率高等

特点，光栅分光是红外波段最常用的分光手段。

6、成像扫描系统有哪些种类，各有什么特点？

答：

1）光机扫描：机械扫描机构驱动光学部件，驱动方式有摆动、旋

转或振荡等。

2）传感器整体扫描：可以改变传感组件视轴的共同指向，实现大

空域范围二维搜索，对系统光学像质的影响小，但其伺服驱动的机械

惯量大、功耗高、位置控制精度低。

3）指向镜扫描：即可获得较大搜索视场，又可对捕获到的目标进

行详查或精确跟踪、瞄准。

7、扫描技术可用较少的探测器形成较大的视场覆盖，其缺点是什么？

答：牺牲时间换空间，扫描精度要求高，成像帧频低，积分时间受限，

灵敏度低，信噪比低，弱目标探测能力弱，或目标探测距离短。

8、根据探测原理的不同，红外探测器有哪些类型？红外探测器阵列

有哪些形式？

答：红外探测器类型：热探测器、光子探测器；

红外探测器阵列形式：线阵探测器、面阵探测器。

9、为什么部分红外成像系统需要制冷？制冷的方式有哪些？

答：为抑制系统光路的热变形和背景热噪声，需要机械结构温控、探

测器制冷等。

制冷方式：辐射制冷、热电制冷、储存式制冷、低温机械制冷。

第八草

1、相机成像过程中，辐射畸变的主要来源，主要表现是什么？

答：

1）1/f噪声，半导体的表面电流引起，表现为信号的加性变化。

2）电荷传输效率，存在于焦平面阵列的移位读出机构，表现为图

像平面上的阴影。

3）放大电路非一致性，焦平面不同放大器放大倍数和带通特性不

同，表现为行间的明暗变化，信号的固定乘性变化。

4）红外光学系统的影响，受镜头的加工精度、镜头孔径等因素的

影响，表现为中间亮而四周暗，为固定乘性噪声°

5）焦平面阵列所处环境的温度变化，随机的温度变化影响阵列元

响应。

6）焦平面无效探测阵列元，少量阵元对红外辐射的响应很弱或几

乎不响应，表现为图像上的黑点。

2、相机辐射定标中，用于辐射标定的辐射源有哪些种类？

答：黑体、自然场地、恒星等。

3、相机成像辐射非均匀校正方法有哪两类，各有什么优缺点？

答：基于标定源的非均匀校正方法、基于场景的非均匀校正方法。

基于标定源的非均匀校正算法稳定可靠，但需要依赖于人工标定源,

且标定时一般需中断探测任务。基于场景的非均匀校正方法不需要专

门的标定源，但是其依赖于场景的分布和图像序列特性，精度受观测

场景影响较大，计算量较大。

4、红外探测器盲元有哪些种类，各类盲元的基本定义是什么？

答：过热盲元、死宣元。

过热盲元为噪声电压比探测器的平均噪声电压高出一定倍数的探测

元；死盲元为探测元的响应率与平均响应率相差一定比例的探测元。

5、在天基光学成像系统中，影响视线的误差有哪些？哪些是长周期

误差，哪些是短周期误差？两类误差的表现有什么差异？

答：

误差：光学畸变误差、热变形误差、安装误差、轨道测量误差、姿态

测量误差、姿态抖动误差、指向测量误差。

长周期误差：光学畸变误差、热变形误差、安装误差。

短周期误差：轨道测量误差、姿态测量误差、姿态抖动误差、指向测

量误差。

长周期误差一般固定不变或者变化缓慢、周期较长。短周期误差一般

是高斯随机噪声或者变化较快、周期较短。

6、在天基光学成像系统中，视线测量对标定物有哪些要求？在同样

数量和提取精度的情况下，标定物如何分布有利于提高视线测量精度。

答：数量、分布、提取精度。标定物应均匀分布在图像全视场，避免

局部集中分布。

第七章

1、简述常用目标检测方法分为几个步骤，每个步骤的意义与作用？

答：背景抑制、门限分割、多帧关联。

背景抑制旨在提取并剔除背景信息，从而获取目标图像。门限分割挑

选出可能的目标疑似点。多帧关联通过分析疑似目标在多帧图像中的

位置变化规律，进一步确认是否为真实目标。

2、背景抑制包括几类，其区别是什么？

答：时域与空域。时域滤波主要利用目标快速运动与背景基本保持静

态的显著差异来分离目标与背景。空域滤波侧重于利用背景信号通常

占据图像低频成分，而弱小目标信号则主要表现为高频分量这一特性

来分离目标与背景。

3、均值滤波与中值滤波背景抑制的原理是什么？举例说明均值滤波

与中值滤波背景抑制效果。

答：均值滤波：将窗口内所有像素的均值作为中心像素的预测值。

中值滤波：将滑动窗口内所有像素的中值代替中心像素值。

均值滤波适合抑制缓慢变化的背景、高斯噪声；中值滤波对椒盐噪声、

孤立杂波抑制较为明显。

4、目标检测性能的评价指标是什么，其代表的意义是什么？

答：检