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核爆炸光辐射特性及探测技术的理论与实验研究

吴健辉  
【摘要】: 核爆炸探测技术是随着核武器的出现而发展起来的,是实现全球“核均衡”的最有力保障。自核武器问世并首次出现在人类的战场上后,其毁灭性的打击效果和不可名状的威慑力让全世界为之震撼,各有核无核国家都相继进行了核爆炸探测技术的研究。在和平时期,核爆炸监测技术可以监视全球的核研究动向,使各种非法核试验无处遁形。一旦发生核战争,作为防守方,核爆炸监测系统可以探测核爆炸各种信息,预测和评估核袭击后果(毁伤效应),为领率机关和部队提供敌实施核袭击的各种信息,以便快速组织有效的核防护;作为攻击方,核爆炸监测系统可用于检验我方核打击的效果,为进一步实施更有力的打击提供保障。因此开展核爆炸探测系统的研究,提高监测能力,对维护国家的安全和世界的和平有重要的意义。 本论文研究的是核爆炸探测系统中的一个分系统,即基于光辐射的核爆炸参数探测系统。采用目前最新的光电器件和光电探测技术,从核爆炸光辐射特性出发,并考虑光辐射的大气传输性能,对核爆炸光辐射特性及其探测技术的理论与实验进行研究,全文的主要内容如下: (1)系统的研究了核爆炸的光辐射特性。对光辐射的辐射过程、一般特点、核爆火球的发展过程、光辐射与核爆火球的关系、核爆火球的辐射规律、光辐射与当量的关系、光冲量以及光冲量对物体(包括探测传感系统)的损害因素等进行了详细阐述。采用黑体辐射理论对核爆炸光辐射的特点进行了系统的研究和分析,得出了核爆炸各种待测参数和核爆火球及其光辐射的关系。并从核爆炸光辐射特性入手进行了核爆炸光辐射模拟器的实验研究,为后续系统设计和检验打下基础。 (2)对核爆光辐射的大气传输理论进行了研究。从大气的主要组成成分以及大气对光辐射的主要影响机理出发,结合大气光学的基础理论,重点论述了粒子的散射理论基础,得出了单粒子和气溶胶粒子的各种散射函数关系。并结合我国中纬度大气的特点推导出了更适合我国大气模式的0.2~1.2μm光辐射大气传输方程,计算机仿真的结果表明,本论文推导出的大气传输计算公式能更好的表达我国中纬度大气对可见光辐射的传输影响。 (3)在核爆炸光辐射特性的基础上,结合基于光辐射的核爆炸探测系统参数要求,提出了一种基于高速图像传感器和高速数字信号处理器的新型凝视型核爆炸光辐射成像探测系统模型,并充分论证了该模型的可行性,建立了以高速CMOS图像传感器和DSP处理芯片为核心的探测系统架构。分析研究了主要的图像处理算法,在普通算法的基础上,根据核爆火球图片的特点,提出或者改进了基于自适应技术的系列图像处理算法,即自适应动态更新背景差(ARBS)目标识别算法,模糊自适应中值滤波算法(FAMF)以及针对不同类型图像的自适应目标分割算法,使凝视型探测系统能实时、有效的完成目标图像的处理。同时详细讨论了凝视型核爆炸光辐射成像探测系统中核爆炸参数的测量方法。 (4)为了满足360°无缝探测的要求,提出了类似仿生的“复眼”凝视型探测系统,根据单个镜头的视场角,设计了由6组镜头组成的“复眼”图像传感器系统和DSP处理流程,部分参数测试实验表明复眼系统能满足核爆炸光辐射探测的性能要求。 (5)在凝视复眼型光辐射成像探测系统的基础上,充分利用鱼眼镜头超大视场角的优点,进一步提出了凝视型鱼眼核爆炸光辐射成像探测系统。研究了等距投影鱼眼镜头的成像原理及目标参数测量方法,并对实验用鱼眼镜头的性能进行了详细的分析,使镜头的参数能符合系统的要求。部分参数测试结果表明,凝视鱼眼型核爆炸光辐射成像探测系统能真正实现半球空间的超大范围无缝凝视测量,该方法也为其它大范围目标监控提供了参考解决方案。 综上所述,本论文研究的凝视型核爆炸光辐射成像探测系统具有扎实的理论基础,充分运用了目前最新的光电器件和光电探测技术,引入和创新了一些设计方法,使探测系统具有更好的测量精度,能更好的为核爆炸监测作出应有的贡献。进一步研究后,凝视型鱼眼光辐射成像探测系统将成为大范围目标监测的最佳解决方法,其研究结果将在目标监控和测量领域产生重要的意义。


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