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瞄准镜多环境试验及红外光学材料热性能理论前言军工产品的环境试验与研究是在20世纪30年代末和第二次世界大战期间发展起来的。那时，在热带和亚热带地区使用的光电产品遇到了所谓的气候劣化问题，特别是第二次世界大战战场上使用的产品，在各种恶劣的环境条件下出现了许多问题。据当时美国空军调查，产品的损坏有52%是由环境所引起的，其中温度占21%，振动占14%，潮湿占10%，沙尘烟雾占7%。这些环境条件造成了许多产品的失灵、误动作、失效，从而贻误了战机，也造成了很大的经济损失。这就迫使各个先进的工业国家不得不在一连串的战争失利中，开始着重解决产品的环境适应性问题。
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本书是作者在博士及博士后期间所承担的国家科研课题项目的总结，是论述瞄准镜多环境试验及红外光学材料热性能理论的专著。全书共有10章，分三大部分：微光瞄准镜多环境实验与模态分析；红外瞄准镜控制电路有限元分析与红外光学材料热性能；微光瞄准镜多环境实验测试系统设计。本书适于光学、电子和环境试验工程测试领域研究生和工程技术人员使用，并可作为学习掌握ANSYS软件和MATLAB信号处理的参考材料。
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目录
瞄准镜多环境试验及红外光学材料热性能理论目录1绪论1.1环境试验对瞄准镜（微光和红外）性能的影响1.1.1瞄准镜（微光和红外）及光学材料的环境条件1.1.2瞄准镜环境试验分类1.1.3环境试验对瞄准镜的影响1.1.4环境试验对红外光学材料的影响1.2瞄准镜及光学材料多环境试验的必要性1.3国内、外多环境试验技术发展对比与分析1.3.1国外瞄准镜及光学材料多环境试验1.3.2国内瞄准镜及光学材料多环境试验2微光瞄准镜振动（和射击）试验模型研究2.1微光瞄准镜振动试验方法2.1.1振动试验目的2.1.2振动试验装置的选择2.1.3试验样品的安装2.1.4振动试验方法2.2微光瞄准镜振动试验零位移机理分析2.2.1瞄准镜分划板调节结构2.2.2瞄准镜零位移机理分析2.2.3振动试验环境下检测系统算法实现2.3微光瞄准镜振动试验模型建立2.3.1微光瞄准镜振动试验模型建立2.3.2微光瞄准镜振动试验模态识别2.4微光瞄准镜物镜紧固圆环振动试验模型建立2.4.1微光瞄准镜紧固圆环面内振动2.4.2微光瞄准镜紧固圆环面外振动2.5微光瞄准镜壳体振动试验模型建立2.5.1一般壳体的振动模型2.5.2瞄准镜圆柱壳体振动试验模型3微光瞄准镜冲击（和跌落）试验模型研究3.1微光瞄准镜冲击试验方法3.1.1冲击试验目的3.1.2冲击试验装置的选择3.1.3试验样品的安装3.1.4冲击振动试验方法3.2微光瞄准镜冲击试验模型建立3.2.1微光瞄准镜冲击试验描述方法3.2.2微光瞄准镜冲击试验模型建立3.3微光瞄准镜冲击试验模态识别与图像处理3.3.1冲击试验模态识别的特点3.3.2瞄准镜冲击试验模态识别方法3.3.3冲击试验环境下图像处理4微光瞄准镜温度冲击试验模型研究4.1微光瞄准镜温度冲击试验方法4.1.1温度冲击试验目的4.1.2温度冲击试验装置的选择4.1.3温度冲击试验方法4.2微光瞄准镜温度冲击试验模型建立4.2.1瞄准镜圆柱壳体温度冲击试验模型4.2.2瞄准镜主物镜温度冲击试验模型4.2.3热冲击瞄准镜微通道板电子发射性能研究4.3温度冲击试验环境下图像处理5红外瞄准镜控制电路温度冲击试验模态研究5.1红外瞄准镜电路系统5.1.1系统硬件电路结构5.1.2系统信号处理电路（DSP FPGA 视频解码）5.1.3扩展接口电路（电源 复位 时钟 AD）5.1.4TEC温控电路5.2红外瞄准镜信号处理电路温度冲击性能研究5.2.1信号处理电路温度冲击试验5.2.2信号处理电路热应力及有限元模型5.2.3BGA封装电路热冲击试验分析5.3红外瞄准镜TEC温度控制电路温度冲击性能研究5.3.1TEC温度控制热应力及有限元模型5.3.2温度冲击试验有限元分析6红外光学材料抗热冲击品质因子与强度6.1红外光学材料抗热冲击品质因子6.1.1压力诱导应力6.1.2热诱导热应力6.1.3抗热冲击品质因子6.1.4红外光学材料抗热冲击品质因子6.2红外光学材料断裂强度及其影响因素6.2.1红外光学材料的断裂韧性6.2.2红外材料强度的影响因素6.2.3温度对蓝宝石强度的影响6.2.4蓝宝石高温强度的改善方法7红外光学材料热性能研究7.1红外光学材料的热性能参数7.1.1弹性模量和泊松比7.1.2红外材料热导率7.1.3热膨胀系数7.2红外光学材料的硬度分析7.2.1硬度的表示方法7.2.2环境温度与硬度7.2.3化学结构与硬度7.2.4热压力与硬度7.2.5弹性模量与硬度8微光像增强器的性能参数8.1微光像增强器的种类、原理和特性8.1.1一代像增强器8.1.2二代像增强器8.1.3超二代像增强器8.1.4三代和四代像增强器8.2微光像增强器的性能参数测试8.2.1积分灵敏度8.2.2光谱响应8.2.3信噪比8.2.4鉴别率8.2.5亮度增益8.2.6等效背景照度8.3微光像增强器荧光屏参数测试8.3.1荧光屏发光效率8.3.2荧光屏发光亮度8.3.3均匀性8.3.4余辉时间9微光瞄准镜多环境试验检测系统设计9.1微光瞄准镜多环境试验检测系统原理设计9.1.1微光瞄准镜多环境试验检测系统组成9.1.2微光瞄准镜多环境试验系统工作原理9.2微光瞄准镜多环境试验检测系统主要部件的选择9.3微光瞄准镜多环境试验检测系统光路设计9.3.1微光夜视瞄准镜检测系统技术要求9.3.2微光夜视瞄准镜系统成像光路计算9.3.3多环境检测系统平行光管焦距计算9.3.4CCD镜头焦距计算9.4微光瞄准镜多环境试验检测系统目标检测9.4.1微光图像零位移目标阈值分割9.4.2滤波函数的选择与滤波阈值的确定9.4.3微光图像的零位移目标检测算法9.5检测系统的操作与使用附录一国内标准附录二国外标准参考文献后记
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续表1绪论瞄准镜多环境试验及红外光学材料热性能理论1绪论本章讨论如何在特定的环境中对瞄准镜（微光和红外）和红外光学材料性能进行环境试验，检验和测量瞄准镜工作性能和物理特性的变化，分析红外光学材料性能，确定瞄准镜和光学材料对各种环境的适应能力，以使其在恶劣的作战环境中具有良好的战术技术性能\[1\]。保障设备在使用环境中正常工作与运行，完成预定的作战任务\[2\]。1.1环境试验对瞄准镜（微光和红外）性能的影响〖*1〗1.1.1瞄准镜（微光和红外）及光学材料的环境条件瞄准镜（微光和红外）及光学材料的可靠性与其工作状态、使用、运输和保管等环境条件有很大的关系，因此在产品的研制和生产过程中必须对产品进行环境试验\[3\]。产品在不同使用环境条件下将承受不同的外界载荷，产生不同的应力特性。当这些应力大于产品所能承受的强度极限或长期积累时，可能导致瞄准镜不能正常工作\[4\]。环境条件按其对产品作用的方式，大致可分为使用环境条件和周围环境条件两大类\[5\]。使用环境条件指的是产品内部而起作用的物理应力条件等。具体说来包括以下几种状态及应力现象\[6\]：热状态产品内部的温度分布及热对流状态；化学状态在产品中引起的化学变化状态；电磁状态产品在恒定或交变的电磁场条件下工作时所产生的影响；构造状态结构零件在加工或装配后内部存在的内应力；疲劳状态因内应力而产生的变形。周围环境条件指的是在产品外部起作用的应力条件，这些条件包括振动、射击、冲击、温度、跌落等。周围环境条件对产品的可靠性有很大的影响\[7\]。例如，由于振动、冲击、跌落等环境的作用，可能导致微光瞄准镜的某些性能失调如视轴走动，温度冲击环境会使瞄准镜部件材料热胀冷缩，产生热应力。湿度可使产品的外露表面锈蚀，如果产品密封不好会使微光瞄准镜的内部光学玻璃表面产生霜雾，影响使用和观察\[8\]。瞄准镜一般都是密封的，密封前注入干燥空气或氮气。产品内部气压和外部气压一般相同，但有些产品内部气压高于外部的气压。在低气压的大气环境中，产品周围气压降低，由压力差而产生的力由产品内部指向产品外部。在该力的作用下，有可能引起密封件的变形、破裂、密封失效等\[9\]。振动使材料疲劳，冲击使材料屈服，降低其机械性能。如果结构不合理或装配不恰当，振动和冲击可能使微光瞄准镜的瞄准线走动，严重时能损坏光学零件。1.1.2瞄准镜环境试验分类（1） 自然暴露试验：将产品放在自然环境条件下进行暴露和测试，评价其环境适应性。这种试验周期长，通常要两年以上。自然暴露试验可分为无气候防护和有气候防护两种。无气候防护是指在室外暴露，产品直接受气候影响。有气候防护又可分为完全气候防护和部分气候防护两种。前者是指在空调或半空调室内暴露，能保护产品免受直接气候影响，后者是指产品在棚下、掩蔽所中的暴露，仅能部分保护产品免受直接气候影响\[10，11\]。通过自然暴露试验，可以获得产品在自然环境条件下的参数变化规律、失效情况、失效程度和失效原因，可以了解产品制造过程中材料、工艺、涂敷料等性能的稳定性和防护能力。自然暴露试验可以为研究人工模拟试验方法及其转换关系提供数据资料，还可以用来验证和比较加速试验的有效性\[12\]。自然暴露试验也存在着一定的不足，例如试验条件不能控制，每年同一季节的气候以及其他因素不可能固定不变，因此在一定程度上影响了试验的再现性。其次是试验周期长，有时会跟不上产品的发展。所以，自然暴露试验有其本身的局限性\[13\]。（2） 现场使用试验：现场使用试验是将产品放在实际使用条件下，用以评价其环境适应性的试验。产品在现场使用期间，将受到各种环境因素的综合作用，它比单一或组合试验更能暴露产品存在的问题，所以，现场使用试验的结果是最真实的，也是最权威的\[14\]。（3） 人工模拟试验：人工模拟试验就是用人为的办法模拟出产品在运输、储存和使用过程中可能经受的多种多样的、错综复杂的环境条件。按影响产品的因素来分，有下面几种环境因素\[15\]。气候条件：高低温、湿度、气压、风雨、冰霜等。机械条件：冲击、振动、摇摆、噪声、恒加速度等。生物条件：霉菌、有害动物、海洋生物等。辐射条件：太阳辐射、电磁辐射、核辐射等。化学物质：硫化氢、二氧化硫、盐雾等。机械物质：砂粒、尘等。为了提高产品的环境适应性和可靠性，一些先进国家率先开展环境试验。早期的环境试验是在天然环境条件下进行的。这种试验虽然直观、可靠、无需特殊的试验设备，但受到地区性环境条件的限制，试验时间长，重现性差。为了加快产品的更新换代，开拓市场，很多国家纷纷投入可观的人力和财力，研制和生产出能模拟天然环境条件的试验设备，于是一门新兴的技术：环境试验技术研究设备制造业，也就应运而生\[16\]。1914年，J.A.Capp制成一台能模拟盐雾环境的简易试验设备。1921年，德国西门子公司研制出世界上第一台湿热试验箱。1929年，世界上首家环境试验设备厂商在德国开业。而后，英、美、日等国也先后开始研制和生产环境试验设备\[17\]。回顾历史，环境试验设备制造业经历了三个发展阶段，如表1.1所示。瞄准镜器的环境试验目前普遍采用人工模拟试验\[18\]。包括振动试验、射击试验、冲击试验、跌落试验、高温试验又分高温储存试验相高温工作试验、低温试验又分低温储存试验和低温工作试验、温度冲击试验、浸渍试验、低气压试验、湿热试验等。如是鉴定试验，则在上述试验的基础上还需另加砂尘、盐雾试验。霉菌试验由于目前国内在菌种培养、运输等条件的限制，多数厂家都没有条件进行\[19\]。1.1.3环境试验对瞄准镜的影响微光和红外瞄准镜研制、生产和检验等工序过程中一个必不可少的重要环节是环境试验，对提高瞄准镜（微光和红外）的可靠性有重要作用。一件兵器无论采用多么先进的技术，设计和制造得多么精巧，最终都要适应其使用的环境，能在该环境的实战中稳定地发挥作用，取得比其他兵器更大的歼敌效果。瞄准镜的对环境的适应性最终必须靠环境试验来检验，这是关系到士兵生命的重要问题，对这一点不能有丝毫的含糊。例如，有的在平原地区使用得非常好，但不能想当然地认为它在高原地区使用时会表现得同样好\[20\]。
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