第一章绪论
把电磁波按其波长顺序排列形成如图1-1所示的电磁波谱，光波波长范围为10nm～1mm。能为人眼所感知的电磁波称为可见光，波长在0.4～0.76μm。电磁波中，波长大于0.76μm的光称为红外光，而波长小于0.4μm的光称为紫外光[1]。光波在真空中的传播速度为c≈2.99792458×108m/s，在介质中的传播速度都小于c，且随波长的不同而不同。现代光学技术通过使用各种光电器件将X射线、紫外光、红外光和可见光转换成电信号，供人们观察、研究和分析，这就是光电探测技术。光电探测是光学测量加上光电传感器的测量，其基础是几何光学、光学仪器、光电子学。
光电探测技术是利用光电仪器探测远处物体的技术，随传感器、计算机的发展而发展。
1.1光电探测系统的发展
光电探测系统是指能独立完成一项或多项功能的设备或系统。以较为成熟的航天光电测量系统为例，这类光电系统主要用于测量空间飞行器的轨迹、姿态和辐射特性。航天光电测量设备较多，如弹道照相机、光电经纬仪、跟踪望远镜、激光雷达、红外跟踪仪、电视跟踪仪，以及相应的判读处理设备等。
1.1.1航空航天领域
航天光电探测的空间载体是人造卫星、空间站或航天飞机等，所用光电探测装备则是空间载体的有效载荷，多为借助可见光、紫外光、红外光进行探测的空间相机、扫描仪或成像光谱仪等。航天光电探测用光学系统来收集地面物体反射和发射到太空中的光信号，经光电探测器转换成电信号，再进行存储、数据分析等处理，从而获取地物的空间、时间和光谱信息，提供给用户进行分析、监测和识别。光电探测在光学遥感、光电对抗、空间探测、空间通信等领域应用广泛，且有着巨大的发展潜力。
激光空间通信技术采用光波进行空间卫星的通信，推动高码率通信技术发展，能够增强信息传输的实时性、安全性，对未来深空探测意义重大。激光空间通信技术具有以下优点：
（1）通信容量大；
（2）保密性强；
（3）结构轻便，设备经济。
激光空间通信技术具有上述诸多优势，但仍然会受到激光通信终端和探测器件性能、大气干扰、瞄准困难等影响。除了激光空间通信技术以外，光电技术也对深空探测的发展有促进作用。光电技术在深空探测这一背景下具有以下优点：
（1）无大气干扰与衰减，由于探测仪器位于大气层以外，不受大气影响；
（2）环境扰动小，处于大气层外的空间环境中，其环境相对稳定，扰动较小；
（3）分辨率高。但光电技术也存在研制难度大、成本高、周期长的缺点。以詹姆斯韦布空间望远镜为例，詹姆斯韦布空间望远镜是有史以来性能最强大、造价最高的太空望远镜之一。它重6.2吨，口径达6.5米，由18块六边形镀金镜片拼接而成；遮阳板展开后，面积相当于一个网球场的大小。相比之下，哈勃望远镜的口径仅为2.4米。望远镜的口径大，一方面能够收集更多的光子，看到更暗弱的天体；另一方面能够增加分辨率，看清更多的细节。詹姆斯韦布空间望远镜专注于四个主要领域：宇宙中的第一束光、早期宇宙中的星系组合、恒星和行星系统的诞生及类地行星（包括生命迹象）。
激光干涉空间天线（LaserInterferometer Space Antenna，LISA）是一项计划于21世纪30年代发射用于探测引力波的多航天器任务。在该任务的概念中，LISA由相距数百万公里、共同构成一个等边三角形的三个航天器组成。三角形每条边（干涉臂）将通过激光器连接起来，在三个航天器之间来回中继激光。通过激光干涉测量法检测其臂长的差异变化来探测引力波。
在航空领域，光电探测系统主要用于对空地目标进行搜索、探测、跟踪、态势感知、来袭预警等。光电探测系统在航空场景下一般被装载于对空作战的红外搜索系统和用于对地作战的机载瞄准吊舱等，其中装载于机载瞄准吊舱的光电探测系统是空对地作战的重要探测手段，尤其在复杂电磁环境和夜间作战中，能使作战飞机在广域地面背景下对目标进行探测，隐蔽性强。光电探测系统经过技术的不断发展，在日常生活、国家安全、科学研究等各个场景下发挥着不可替代的作用。
1.1.2武器系统领域
1.电视制导
电视寻的制导利用装在精确制导武器头部的电视摄像机获取目标信息，是一种被动式的制导方式[2]。由于电视的分辨率高，可提供清晰的目标景象，不仅制导精度很高，而且便于鉴别真假目标，同时不受电磁干扰。电视自动跟踪包括电视对比度跟踪和电视图像相关跟踪这两种跟踪方式。电视对比度跟踪是利用目标与背景的信号幅度之差（对比度），识别目标并确定目标偏离视场中心的误差的。电视图像相关跟踪通过识别目标与背景的图像特征，然后根据图像相关技术计算目标位置与视场中心的偏差。电视对比度跟踪对电路要求较低，技术上简单易行，但难以在低对比度条件下跟踪目标。电视图像相关跟踪则能在复杂背景下实现目标跟踪。电视自动跟踪在空-地、地-空激光制导武器系统中得到广泛应用，其电视制导的自动跟踪精度可达0.1mrad。但电视寻的制导受气象影响大，在能见度低的情况下无法跟踪，不具备全天候跟踪能力，因此不如红外制导应用广泛。
2.红外制导
红外自动寻的制导系统是一种被动的制导系统。利用红外探测器能够捕获、识别和跟踪目标发出的红外能量，实现寻的制导。红外制导一般根据其是否成像分为红外非成像制导和红外成像制导两大类[2]。
红外非成像制导系统早在20世纪50年代就已投入使用。同一般的雷达导引头一样，目标信号只是一个位置信号，不能反映目标的形状，但它的制导精度比较高，可昼夜作战使用，攻击隐蔽性好。它的缺点是受云、雾和烟尘的影响大，并且会被曳光弹、红外诱饵、阻光和其他热源干扰。
红外成像制导系统采用面阵红外探测器来探测目标的红外辐射，获得目标红外图像，与电视成像利用的光电探测器类似。由于红外成像仅与红外辐射有关，不受可见光影响，因此可以在低能见度下工作。与红外非成像制导系统相比，红外成像制导系统有更好的目标识别能力和更高的精度，它甚至可以攻击目标中的最薄弱部位，且全天候作战能力和抗干扰能力也有较大提高。
3.激光制导
激光制导是以激光作为信息载体的一类制导方式。常用的激光制导方式包括激光寻的制导和激光驾束制导。
激光寻的制导通过主动在目标上照射激光光束，然后利用弹上激光导引头接收目标反射的激光，实现对目标的跟踪及设定制导方案，直到导弹命中目标[2]。激光寻的制导是一种半主动制导方式，即导引头位于弹上，激光照射器位于另一弹上或者位于地面。激光主动寻的制导是激光照射器和导引头都装在同一弹上的制导方式，这种制导方式要求目标与周围背景的反射率相差很大，在实际的工况中这一条件很难满足，因此激光主动寻的制导的实际应用较少。
此外，在激光半主动寻的制导中，当制导武器的跟踪装置与激光目标指示器分在两处时，需要一种激光光斑跟踪器来确定激光目标指示器所指示的目标位置，从而为武器跟踪寻的装置提供目标信息。例如，用地面激光目标指示器配合机上空投激光制导航弹时，投弹飞机上须装有激光光斑跟踪器。
1.1.3靶场测试领域
光电经纬仪（或光雷达）是典型的光、机、电和计算机控制的一体化光电系统。光电经纬仪是由光学摄影测量经纬仪发展起来的，它是经纬仪与电影摄影机相结合的产物。这种光电系统只能给出飞行目标方位、俯仰两个方向的角度数据，一般要完成飞行目标的测量，需要运用两台以上的同类设备对同一目标跟踪测量，并经交会处理才能完成对飞行目标轨迹的测量。但它配置激光测距系统后，就成了脉冲测距雷达。
光电经纬仪，从电路的集成度方面历经了电子管→晶体管中小规模集成电路→晶体管中大规模集成电路→微机控制；从设备整体方面历经了大→中→小；从适应目标方面历经了单一目标→多目标的发展。光电系统的功能越来越强，体积越来越小，自动化程度越来越高。大多数光电系统装备有红外跟踪、激光跟踪、激光测距、电视跟踪、数码相机及相应的光电装置。
从20世纪70年代开始，纯光学系统的历史就结束了。因为在光电经纬仪设备上装备有红外跟踪器、激光跟踪器、激光测距仪、电视跟踪器和高速摄影机等功能性技术单元，于是形成了复合型光电系统，其智能化是随计算机技术的发展逐步实现的。光电系统的跟踪、信息处理、故障诊断、记录、显示和存储等都采用了大量的自动化新技术，如新型的复合型光电系统已经采用了计算机管理、控制、记录等。跟踪系统从人眼半自动跟踪发展到全自动化的人机结合跟踪、全自动跟踪、双轴跟踪、自适应跟踪等。记录系统历来是光电跟踪测量系统中较复杂的部分，往往是光电跟踪测量正常，而胶片记录不正常或失误，使得整个跟踪测量工作以失败而告终。然而计算机硬盘的介入，结束了繁琐且不可靠的胶片记录过程，使光电系统的性能得到了大幅度提高，即静态精度由18''（''表示角秒）提高到1''～2''。系统的部分单元已经实现了固态化的配置，其可靠性、稳定性显著提高。不仅如此，由于上述变化及轻量化材料技术的发展，光电跟踪测量系统的分布机动灵活，为光电跟踪测量系统的空间分布奠定了基础。为解决多弹头和高精度测量的问题，美国的Photo-Sonics研制了专用于再入段轨道测量系统和事件记录的通用高质量系统，这是一种利用恒星校准原理，实现实时校准的高精度、远距离、商用自动化靶场光测设备，它的作用距离达到1000km，测角精度达到1''～2''。它配有激光测距装置，测距精度达0.5m，是由计算机及所带的专用软件控制操作的光电系统。
先进的计算机技术给研制和应用新型光电装备带来了前所未有的机遇，使光电系统发生了质的变化，主要表现在提高光电装备的作用距离和测量精度、输出实时或准实时数据、判读自动化、操作检测跟踪自动化、提高仪器的机动性和环境适应性等方面。计算机应用于军用光电系统的图像处理（包括先进的数据处理机进入光电系统）、识别和跟踪技术正在快速发展。
有迹象表明，新一代光电探测系统将是固态化、技术复合、功能齐全、体积微小、质量轻和完全智能化的光电系统，同时还是一个多传感器、多目标跟踪测量系统。因此，光电探测系统将更为精良。也只有这样，光电探测系统才有可能从地面“飞向”太空，参与开发空间前所未有的光电世界。
1.2光电探测系统的分类
光电探测系统可以根据不同的划分方法分成许多种类。根据光源的不同，可分为点光源探测系统和面光源探测系统。根据探测后得到信息的处理方式不同，可分为非成像光电系统和成像光电系统。非成像光电系统主要有调制盘红外系统、十字叉红外系统、四象限光电系统和激光测距系统等。成像光电系统按波长来分，有可见光成像系统（含微光成像系统）、紫外光成像系统和红外光成像系统；按成像的光电转换器件来分，有电荷耦合器件（CCD）成像系统、混合型（CCD+红外器件）红外光电转换成像系统、混合型（CCD+像增强器件）微光成像系统和合成孔径成像系统；按使用的新技术来分，有激光、红外、电视和光谱技术四大技术系统；按辐射来源的不同来分，有被动式光电探测系统和主动式光电探测系统。
1.被动式光电探测系统
图1-2是被动式光电探测系统方框图，其中信息源是自然辐射源。例如，所需探测的飞机、舰船、地形、火焰、人体等物体，本身都辐射红外或可见光，由于它们的辐射性质与周围环境有差别，光电系统就能获取它们辐射的有关信息。
自然辐射源通过大气传播，到达接收光学系统。接收光学系统将获得的光信号通过光电探测器转变为电信号。在有的情况下会加入信号调制，使光电探测器的输出信号是调制信号，经过信号处理后，检出高质量的目标信号。
2.主动式光电探测系统
图1-3为主动式光电探测系统方框图。其采用人造光源，如日光灯、激光、白炽灯等，发出光辐射去主动照射目标物，使所需信息能通过辐射传递到光电探测系统。
根据工作波段，可将光电探测系统分成紫外光光电系统、可见光光电系统和红外光光电系统等几类。
1）可见光探测技术
可见光探测技术是利用自然光的照明条件，通过光电器件，对目标图像实施光电转换、图像处理，变成人眼可以观察的景象或数据。
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