航空光学工程

第1章绪论1
1.1航空飞行系统2
1.2航空火力控制系统4
1.2.1航空火力控制系统的主要任务和基本要求4
1.2.2航空火力控制系统的基本组成6
1.2.3航空火力控制系统的发展8
1.3航空光学工程17
1.3.1光电成像技术基本类型17
1.3.2光电成像技术的未来21
参考文献24
第2章光学成像基本理论27
2.1概述28
2.2几何光学成像的基本概念30
2.2.1光线的折射和反射31
2.2.2光学元件31
2.2.3光学系统的基点33
2.2.4几何作图法确定光学系统的理想像35
2.2.5理想光学系统的物像关系36
2.2.6无限远物体对应的像高38
2.2.7薄透镜和厚透镜38
2.2.8理想光学系统的组合39
2.3望远镜系统40
2.3.1基本结构41
2.3.2光学系统性能43
2.4望远物镜系统48
2.4.1反射式望远物镜48
2.4.1.1共轴反射式望远物镜48
2.4.1.2离轴反射式望远物镜51
2.4.1.3反射镜结构参数的考虑56
2.4.2折射反射式望远物镜56
2.4.2.1基本形式57
2.4.2.2设计实例59
2.4.3折射式望远物镜63
2.4.3.1库克望远物镜63
2.4.3.2天塞望远物镜和海利亚望远物镜64
2.4.3.3双高斯望远物镜65
2.4.3.4摄远物镜和反摄远物镜67
2.5变焦望远物镜光学系统68
2.5.1变焦望远物镜光学系统的发展68
2.5.2变焦望远物镜光学系统类型72
2.5.2.1径向变焦望远物镜光学系统74
2.5.2.2轴向变焦望远物镜光学系统76
2.5.3双视场柔性切换成像系统113
2.6目镜光学系统114
2.6.1目镜主要特点114
2.6.2目镜基本类型116
2.6.2.1冉斯登目镜和惠更斯目镜116
2.6.2.2凯尔纳目镜和对称目镜116
2.6.3目镜复杂化117
2.6.4一种特殊的类目镜系统——平视瞄准显示光学系统120
参考文献121
第3章现代光学设计技术125
3.1全息光学成像技术126
3.1.1基本概念127
3.1.2全息光学元件129
3.1.2.1点源全息技术130
3.1.2.2全息光学元件的基本性质133
3.1.3等效透镜设计模型139
3.1.4连续透镜记录技术141
3.1.5全息光学元件的记录技术143
3.2二元光学成像技术144
3.2.1普通型二元衍射透镜145
3.2.1.1二元光学元件的特性146
3.2.1.2典型的设计实例(折衍混合光学系统)149
3.2.2谐衍射型二元光学透镜159
3.2.2.1二元光学谐衍射单透镜159
3.2.2.2双层谐衍射透镜166
3.2.3二元光学元件的制造工艺172
3.3光学波导技术173
3.3.1全息光学波导技术的发展173
3.3.2全息光学波导技术的基本原理174
3.3.3耦合输入输出元件的类型175
3.3.3.1“半透射半反射”阵列式几何光学波导技术175
3.3.3.2“表面浮雕光栅”式二元光学波导技术177
3.3.3.3“体全息光栅”式衍射光学波导技术178
3.3.4双色波导显示技术179
3.3.5光波导式平视瞄准显示系统184
3.4微米和纳米光学技术185
3.4.1微机电系统186
3.4.2微光学系统188
3.4.2.1平面基底型微光学透镜阵列191
3.4.2.2曲面基底型微光学透镜阵列200
3.4.3微光机电系统206
3.4.4微米和纳米透镜制造技术208
3.5编码孔径成像技术209
3.5.1无透镜波前编码成像技术210
3.5.2透镜型混合编码成像技术213
3.6偏振成像技术219
3.6.1偏振成像的基本原理219
3.6.2偏振成像技术的发展221
3.6.2.1国外偏振成像技术的发展221
3.6.2.2国内偏振成像技术的发展225
3.6.3偏振光成像技术的主要类型225
3.6.3.1分时型偏振成像技术226
3.6.3.2同时型偏振成像技术226
3.6.3.3基于光谱调制的偏振成像技术228
3.7光谱成像技术231
3.7.1基本概念231
3.7.2光谱成像技术基本原理和类型235
3.7.2.1扫描式光谱成像技术235
3.7.2.2快照式光谱成像技术240
3.7.2.3计算光谱成像技术241
参考文献241
第4章光电探测器和图像源247
4.1眼睛248
4.1.1眼睛的基本结构和相关参数248
4.1.2简约眼模型250
4.1.3瞳孔直径与物体亮度254
4.1.4眼睛的视轴和视场254
4.1.5眼睛分辨本领256
4.1.6眼睛的视觉局限性257
4.2可见光图像接收器263
4.2.1航空照相胶片263
4.2.2光电成像器件265
4.2.2.1电真空成像器件265
4.2.2.2固体摄像器件266
4.3微光像增强器280
4.3.1微光像增强器的基本组成280
4.3.2微光像增强器的基本性能283
4.3.3微光像增强器的基本类型286
4.3.3.1主动式微光夜视像增强器286
4.3.3.2被动式微光夜视像增强器286
4.4红外探测器334
4.4.1红外探测器的发展335
4.4.2基本技术要求和性能参数338
4.4.2.1响应率339
4.4.2.2噪声等效功率340
4.4.2.3探测率341
4.4.2.4光谱响应344
4.4.2.5响应时间345
4.4.2.6分辨率346
4.4.2.7噪声等效温差346
4.4.2.8最小可分辨温差346
4.4.2.9背景辐射限性能347
4.4.3红外探测器类型347
4.4.3.1热敏红外探测器347
4.4.3.2光子红外探测器350
4.4.3.3双色多色红外焦平面阵列探测器368
4.5紫外探测器369
4.6平视（头盔）瞄准显示系统的图像源371
4.6.1阴极射线管374
4.6.2液晶显示图像源378
4.6.2.1有源矩阵液晶显示器379
4.6.2.2硅基液晶显示器381
4.6.2.3硅基铁电液晶显示器381
4.6.2.4有机发光二极管显示器382
4.6.3数字微镜装置384
4.6.4航电系统的全景投影显示器387
参考文献390
第5章平视瞄准显示技术393
5.1概述394
5.1.1平视瞄准显示技术的发展394
5.1.2军用平视瞄准显示技术398
5.1.3民用平视显示技术401
5.2光学瞄准具403
5.3平视瞄准显示系统408
5.3.1平视瞄准显示系统基本组成409
5.3.1.1驾驶员显示组件410
5.3.1.2电子组件413
5.3.1.3控制面板413
5.3.2平视瞄准显示系统的工作原理413
5.4平视瞄准显示系统技术要求416
5.4.1光学系统峰值波长416
5.4.2飞行员眼点位置416
5.4.3飞行员眼睛活动范围416
5.4.4显示视场417
5.4.4.1总视场418
5.4.4.2瞬时视场419
5.4.4.3安装方式对视场的影响425
5.4.5光学系统通光孔径和焦距426
5.4.6组合玻璃426
5.4.7显示精度428
5.4.8视差429
5.4.8.1光学像差造成的视差430
5.4.8.2图像源显示表面面形误差造成的视差431
5.4.8.3离焦造成的视差431
5.4.8.4综合视差432
5.4.9显示字符的基本要求433
5.4.9.1显示字符颜色433
5.4.9.2显示字符亮度433
5.4.9.3字符对比度对比率调制对比度436
5.4.9.4显示字符线宽439
5.4.9.5副像亮度439
5.4.10视频图像的质量要求440
5.4.11光学系统畸变440
5.4.12备用光学系统440
5.4.13舱盖风挡玻璃的影响442
5.4.13.1风挡玻璃的光学功能443
5.4.13.2风挡玻璃的材料和结构形状444
5.4.13.3风挡玻璃影响光学成像质量的主要因素446
5.5普通折射型平视瞄准显示系统447
5.5.1常规型平视瞄准显示系统448
5.5.2光栅式平视瞄准显示系统453
5.6衍射光学平视瞄准显示系统456
5.6.1单片型衍射光学平视瞄准显示系统459
5.6.2双片型衍射光学平视瞄准显示系统460
5.6.3低畸变衍射光学平视瞄准显示系统463
5.6.3.1混合记录方式制造全息组合玻璃464
5.6.3.2双全息元件型低畸变衍射光学系统466
5.6.4三元件组合型衍射光学平视瞄准显示系统467
5.6.5皱褶负滤光片组合玻璃型平视瞄准显示系统469
5.7光波导平视瞄准显示系统472
5.7.1衍射光波导瞄准显示光学系统475
5.7.2阵列光波导瞄准显示系统477
5.8民用航空平视显示器480
5.8.1概述480
5.8.2全息平视显示器485
5.8.2.1基本组成485
5.8.2.2基本性能488
5.9与平视显示装置相组合的视景系统490
5.9.1视景增强系统（EVS）和平视显示装置（HUD）的组合491
5.9.1.1视景增强系统(EVS)492
5.9.1.2增强飞行视景系统(EFVS)496
5.9.2增强飞行视景系统（EFVS）与合成视景系统（SVS）的组合502
5.9.2.1合成视景系统(SVS)503
5.9.2.2组合视景系统(CVS)506
5.10平视瞄准显示系统的发展509
参考文献510
第6章头盔瞄准显示技术515
6.1概述516
6.1.1机载头盔瞄准具520
6.1.2机载头盔显示器524
6.1.3机载头盔综合瞄准显示系统530
6.1.3.1普通型头盔综合瞄准显示系统531
6.1.3.2光学波导式综合头盔瞄准显示系统538
6.1.3.3高级头盔视觉系统540
6.1.3.4彩色头盔指引系统544
6.1.3.5立体式头盔瞄准显示系统547
6.2机载头盔瞄准显示系统的基本组成548
6.2.1头盔显示组件549
6.2.2头盔定位组件551
6.2.2.1机电式跟踪定位技术552
6.2.2.2超声波跟踪定位技术552
6.2.2.3电磁式跟踪定位技术554
6.2.2.4光电式跟踪定位技术556
6.2.2.5光学-惯性跟踪定位技术567
6.2.2.6眼动跟踪定位技术569
6.2.3头盔壳体组件573
6.2.4电子组件和控制组件579
6.3头盔瞄准显示系统的技术要求579
6.3.1小型化图像源581
6.3.2头盔瞄准显示系统的视场582
6.3.3头部活动范围583
6.3.4头盔瞄准显示系统的分辨率584
6.3.4.1光学系统的分辨率定义与判断准则584
6.3.4.2光学系统的分辨率与像差的关系585
6.3.5光学传递函数587
6.3.6出瞳直径和出瞳距离589
6.3.7显示亮度对比率亮度均匀性590
6.3.8光学系统透射率591
6.3.9瞄准线测量精度592
6.3.10畸变593
6.3.11视差593
6.3.12对显示符号和信息的基本要求594
6.3.13重量595
6.3.14其它要求596
6.4光学系统597
6.4.1单目头盔瞄准显示系统598
6.4.2双目头盔瞄准显示系统603
6.4.3光学系统设计技术608
6.4.3.1透射式光学系统609
6.4.3.2反射式光学系统610
6.4.3.3折射反射式光学系统610
6.4.3.4护目镜组合玻璃式光学系统612
6.4.4自由曲面组合玻璃型光学系统615
6.4.5光学全息头盔瞄准显示系统624
6.4.5.1平面光学全息型头盔瞄准显示光学系统624
6.4.5.2平板光学波导式头盔瞄准显示系统626
6.4.6视网膜式头盔瞄准显示系统639
6.5未来的头盔瞄准显示技术641
参考文献642
第7章电视摄像技术647
7.1概述648
7.1.1机载侦察监视系统基本类型649
7.1.1.1有人无人驾驶侦察机监视系统649
7.1.1.2微波雷达电子光学侦察监视设备650
7.1.1.3低空中空高空光学侦察设备650
7.1.1.4可见光航空侦察相机652
7.1.2机载侦察监视系统的技术要求654
7.2机载电视摄像系统655
7.2.1胶片型机载电视摄像系统655
7.2.2CCDCMOS型电视摄像系统658
7.2.2.1CCD相机和胶片型相机兼容技术659
7.2.2.2线阵CCD探测器和扫描成像技术660
7.2.2.3面阵CCD分幅式航空侦察技术661
7.2.2.4双波段航空侦察技术667
7.3光学系统672
7.3.1折射式光学系统673
7.3.2折反式光学系统674
7.3.3双波段光学系统675
7.4振动控制技术676
7.5像移补偿技术677
7.6自动调焦技术681
7.7CCD航空侦察系统的最小焦距682
7.8光能量控制技术683
7.9图像拼接技术684
7.10机载摄录像系统686
7.10.1航空照相枪687
7.10.2机载视频摄录像系统689
参考文献695
第8章夜视技术699
8.1概述700
8.1.1夜视技术类型701
8.1.2夜视技术的典型应用703
8.2微光夜视技术704
8.2.1概述704
8.2.2微光夜视技术的发展707
8.2.3微光夜视仪的基本类型713
8.2.3.1直视型微光夜视系统713
8.2.3.2电视型微光夜视系统715
8.2.4微光夜视仪的基本性能716
8.2.4.1技术性能717
8.2.4.2人的因素718
8.2.4.3适用性720
8.2.4.4总成本720
8.2.5直视型微光夜视仪光学系统720
8.2.5.1一体式机载微光夜视仪722
8.2.5.2分体式机载微光夜视仪728
8.2.5.3直视式机载微光夜视镜的改进729
8.2.5.4微光物镜730
8.2.5.5典型案例733
8.2.6机载微光电视系统734
8.3红外夜视技术739
8.3.1红外主动夜视成像技术739
8.3.2短波红外被动夜视成像技术741
8.3.3红外昼夜成像技术743
8.4夜视集成技术745
8.4.1微光与CRT显示集成技术745
8.4.2微光红外集成技术750
8.4.3综合集成夜视技术751
参考文献752
第9章激光技术755
9.1概述756
9.2激光器758
9.2.1红宝石脉冲激光器759
9.2.2Nd：YAG脉冲激光器760
9.2.3CO2脉冲激光器763
9.2.41.5μm波段人眼安全脉冲激光器763
9.2.5光参量振荡激光器766
9.2.6半导体激光器769
9.2.7光纤激光器775
9.2.8自由电子激光器777
9.2.9中波红外激光器778
9.3激光光束的基本性质780
9.3.1基模激光束束腰光斑半径781
9.3.2等相位面曲率中心和曲率半径781
9.3.3高斯光束的远场发散角782
9.4机载激光测距技术782
9.4.1概述782
9.4.2激光测距技术的发展784
9.4.3激光测距机的基本结构788
9.4.3.1激光测距机发射分系统789
9.4.3.2激光测距机接收分系统793
9.4.4机载脉冲激光测距机的典型案例799
9.4.5机载脉冲激光测距机的基本原理和性能801
9.4.5.1工作原理802
9.4.5.2到达目标表面的总光功率806
9.4.5.3被测目标表面的辐照度807
9.4.5.4测距系统接收到的回波光功率807
9.4.5.5最大可探测距离807
9.4.5.6机载激光测距机的典型技术性能809
9.4.6激光雷达技术810
9.4.6.1激光成像雷达的结构和工作原理811
9.4.6.2激光成像雷达的类型811
9.4.6.3机载激光成像雷达的应用818
9.4.7单光子激光测距机819
9.5机载水下目标探测技术825
9.5.1概述825
9.5.2水下目标探测技术分类826
9.5.3光束在海水中的传输特性830
9.5.4水下目标激光直接探测技术831
9.5.4.1水下目标激光直接探测技术的发展831
9.5.4.2水下目标激光直接探测系统的工作原理与系统组成834
9.5.5航空尾迹探潜技术836
9.6激光选通成像技术837
9.6.1概述837
9.6.2激光选通成像系统基本组成和工作原理838
9.6.2.1距离选通激光成像系统基本组成839
9.6.2.2工作原理839
9.6.3激光选通主动成像技术840
9.7多光谱激光照明成像技术843
9.8机载激光通信技术844
9.8.1机载激光通信技术的研制历程845
9.8.2机载激光通信系统的组成847
9.8.2.1基本组成847
9.8.2.2工作原理847
9.8.3机载激光通信光学系统849
9.9机载激光武器系统855
9.9.1机载激光武器的发展855
9.9.2机载激光武器的组成和工作原理856
9.9.3激光武器的类型857
9.9.3.1战略型机载激光武器技术858
9.9.3.2战术型机载激光武器技术863
9.9.4高能机载激光器867
9.9.5机载激光武器的特点分析869
9.10机载被动式激光防护技术871
9.10.1问题的提出871
9.10.2被动式机载激光防护技术的类型872
参考文献874
第10章红外搜索跟踪技术879
10.1概述880
10.1.1红外成像技术类型880
10.1.2机载红外搜索跟踪技术881
10.1.3机载红外搜索跟踪技术的特点883
10.2机载红外搜索跟踪系统的发展过程884
10.2.1单元PbS红外探测技术885
10.2.2多元线阵列红外探测技术885
10.2.3凝视制冷型焦平面阵列红外探测技术890
10.2.4国内机载红外搜索跟踪技术的发展900
10.3红外搜索跟踪系统的基本技术要求903
10.3.1基本组成和工作原理903
10.3.2基本技术要求906
10.3.2.1静态性能906
10.3.2.2动态性能908
10.4目标辐射特性913
10.4.1空中目标913
10.4.2舰船目标916
10.5整流罩918
10.5.1整流罩的保护作用919
10.5.2整流罩的形状920
10.5.3整流罩的隐身技术926
10.5.4光学性能方面的考虑926
10.5.5整流罩的热性能927
10.5.5.1气动效应类型927
10.5.5.2热障效应抑制技术930
10.6红外光学系统932
10.6.1一次成像系统933
10.6.1.1单波段红外光学系统935
10.6.1.2双波段红外光学系统940
10.6.2二次成像系统947
10.6.3需要注意的具体问题948
10.7消热差技术951
10.7.1环境温度的影响952
10.7.2消热差技术类型954
10.7.2.1机械被动式消热差技术955
10.7.2.2机电主动式消热差技术956
10.7.2.3光学被动式消热差技术957
10.7.2.4波前编码消热差技术968
10.8红外探测器971
10.9光电分布式孔径系统972
10.10基于同心多尺度成像技术的机载光电探测系统978
10.10.1多尺度成像技术979
10.10.2同心多尺度成像技术980
10.10.3中波红外机载同心多尺度光学成像系统981
10.11IRST的未来发展982
参考文献983
第11章综合跟踪瞄准技术989
11.1概述990
11.1.1机载导航吊舱992
11.1.2机载侦察吊舱995
11.1.2.1机载侦察吊舱分类995
11.1.2.2机载侦察吊舱的代表性产品997
11.1.2.3机载侦察吊舱的未来发展1006
11.1.3机载光电瞄准吊舱1007
11.2光电瞄准吊舱类型1008
11.2.1固定翼作战飞机的光电瞄准吊舱1009
11.2.1.1自动跟踪激光测照集成吊舱1009
11.2.1.2红外低空导航和瞄准吊舱1012
11.2.1.3激光红外瞄准与导航吊舱1016
11.2.1.4红外成像激光照射吊舱1017
11.2.1.5先进瞄准前视红外吊舱1018
11.2.1.6Sniper-XR型先进瞄准吊舱1019
11.2.1.7F-35JSF型光电瞄准系统1021
11.2.1.8国产机载光电瞄准吊舱1024
11.2.2直升机光电瞄准吊舱1026
11.2.2.1国外武装直升机光电吊舱1027
11.2.2.2国外警用直升机光电吊舱1039
11.2.2.3国内武装直升机光电吊舱1041
11.2.2.4国内警用直升机光电吊舱1043
11.2.3无人机光电吊舱1044
11.2.3.1“全球鹰”无人机的EOIR侦察吊舱1045
11.2.3.2多光谱光电吊舱1046
11.2.3.3轻型无人机的红外光学系统1049
11.3光电瞄准吊舱的基本组成1052
11.3.1基本结构1052
11.3.2工作原理1054
11.4光电瞄准吊舱的技术要求1055
11.4.1基本要求1055
11.4.2影响光电吊舱性能的主要因素1056
11.5光电瞄准吊舱的光学系统1059
11.5.1前视红外光学系统1061
11.5.1.1概述1062
11.5.1.2有效光谱范围的合理选择1064
11.5.1.3变F数技术1067
11.5.1.4二次成像技术1077
11.5.1.5内部校靶技术1099
11.5.2可见光电视激光接收成像分系统1099
11.5.3未来的发展1100
参考文献1101
第12章光电告警与对抗技术1105
12.1机载光电对抗技术的发展1106
12.2机载光电告警技术1109
12.2.1机载紫外告警技术1110
12.2.1.1概略型紫外告警系统1112
12.2.1.2成像型紫外告警系统1113
12.2.1.3紫外告警光学系统1117
12.2.2机载红外告警技术1121
12.2.3机载激光告警技术1127
12.2.3.1机载激光告警系统技术要求1128
12.2.3.2机载激光告警系统的组成和分类1131
12.3机载跟踪瞄准技术1135
12.4机载干扰技术1136
12.4.1机外干扰技术1137
12.4.2机上干扰技术1139
12.5机载红外定向对抗技术1141
12.5.1红外定向对抗系统的基本组成1142
12.5.2红外定向对抗系统的工作模式1143
12.5.2.1开环模式机载定向红外对抗系统1143
12.5.2.2闭环模式机载定向红外对抗系统1146
12.5.3机载对抗技术中的红外激光器1148
12.5.4机载红外定向对抗系统的典型实例1150
12.6机载综合对抗技术1154
参考文献1155
第13章武器光学制导技术1159
13.1概述1160
13.1.1雷达波制导技术1160
13.1.2光学制导技术1162
13.2单模制导技术1162
13.2.1可见光电视制导技术1162
13.2.2激光制导技术1163
13.2.2.1激光驾束制导技术1164
13.2.2.2激光寻的制导技术1165
13.2.2.3激光制导光学系统设计实例1170
13.2.3红外制导技术1172
13.2.3.1基本组成1174
13.2.3.2红外制导探测技术的类型1176
13.2.3.3红外制导空空导弹技术的发展1177
13.2.3.4红外制导关键技术1181
13.2.3.5红外制导光学系统1183
13.2.4紫外制导技术1190
13.3复合制导技术1190
13.3.1双模式制导技术1191
13.3.1.1激光红外双模制导技术1191
13.3.1.2可见近红外光长波红外光双模制导技术1195
13.3.1.3毫米波红外成像双模制导技术1196
13.3.1.4GPS红外成像复合制导技术1197
13.3.2三模光学制导技术1198
13.3.2.1复合主镜型三模制导技术1198
13.3.2.2三模光学波导型制导技术1200
13.3.2.3综合型三模制导技术1202
13.4机载制导技术的未来发展1204
参考文献1206
附录A红外辐射在大气中的传输特性1209
参考文献1215
附录B红外光学材料1217