红外探测系统的概念.pdf
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1、红外探测系统 一、概论 1、基本功能 探测系统是通过接收目标红外辐射,并把辐射能量转换电信号,经放大处理,从而实现对目标特征量测量以及 对目标方位探测的一类系统。 根据功用及使用的要求,分类: 辐射计:用来测量目标的辐射量,如辐射通量、辐射强度、辐射亮度等; 光谱辐射计:用来测量目标辐射量的光谱分布; 红外测温仪,测量辐射体的温度; 方位仪:测量目标在空间的方位; 报警器:警戒一定的空间范围。 2、基本组成 红外探测系统是利用目标自身发射出的辐射能对目标进行探测的。 目标与背景辐射光学系统调制 /扫描器红外探测器预处理电路 制冷机 大气辐射 光学系统、探测器和信号放大器是探测系统最基本的组成部
2、 分。 图中的位置编码器可以是调制盘系统、十字叉或L 形系统或 扫描系统。 3、基本要求 从功用考虑,有以下两点要求: 有良好的检测性能和高的灵敏度 所谓系统的灵敏度,是指系统检测到目标时所得要的最小入射辐射能,它可以用最低的入射辐射通量(W)或最低 的辐照度 (W/cm 2) 等来表示。 对点目标而言,系统所接收到的辐射能与距离平方成反比,因此系统的灵敏度实际上就决定了系统的最大作用 距离。 方位仪或报警器通常是在距目标较远的地方工作,对这类仪器的作用距离是有一定要求的,也就是对于它们的 灵敏度有一定要求。 对测温仪一类的探测系统则要求一定的温度灵敏度。 探测总是在噪声干扰下进行的,噪声干扰
3、包括系统外部的来自背景的干扰和系统内部探测器本身的噪声干扰, 为了能从噪声干扰中更多地提取有用信息,为了把噪声干扰造成的系统误动作的可能性降到最小,因此探测系统的 虚警概率要低,发现概率耍高。对报警器来说这方面的指标要求应更高些。 测量精度要高 对于辐射计、测温仪一类的探测系统,要求对辐射量或温度的测量有一定的准确度,即有一定的精度要求,通 常用相对误差来表示。 对于方位仪来说,则要求一定的位置测量精度。根据方位仪使用的场合不同,对精度的要求也不同,如果用于 测角系统,测角精度一般为秒级。 要满足上述一些基本的技术指标要求,需要通过合理的设计方案的选择、优良的元器件的选用以及严格的加工 制作、
4、装调工艺过程来保证。 4、设计要求 根据总体提出的任务要求,分析与掌握目标、 背景和各种干扰的红外辐射特性以及大气传输特性,选定系 统的工作波段。 分析比较各类光机信息处理的体制,如调制盘式、多元脉位式等,选择最适合完成总体任务的体制,这是 红外探测系统设计的核心任务,是确定探测器要求、光学系统结构的前提条件。 选择探测器和确定它的技术条件,提出预处理电路的技术要求。 确定光学系统的主要技术参数,包括光学系统的基本形式、接收面积、视场、像质要求、光学效率等。 计算探测距离,给出探测距离相对目标的空间分布,给出典型背景的辐射特性。 制定探测系统技术条件,包括灵敏阔、捕获场等。 二、调制盘式探测系
5、统 调制盘式探测系统技术成熟,结构相对简单,适用于背景单纯,目标对比度大的情况,如探测天空背景中的飞 机或导弹等,不适用于对地面桥梁、车站、码头等大型冷目标的探测。 下图是一种典型的调制盘式探测系统光学布局图, 它是一个典型的折反式( 卡塞格伦 ) 光学系统, 调制盘置于焦平 面上。 1、基本概念 1.1 调制盘 调制盘是在能透过红外辐射的基板上,覆盖上一层涂层,然后用光刻的方法把涂层做成许多透辐射和不透辐射 的栅格,这些栅格构成了调制盘的花纹图案。 调制盘置于光学系统的焦平面上,当目标像点与调制盘之间有相对运动(通常也叫扫描)时,透辐射和不透辐 射的栅格切割像点,由于这种切割作用,使得恒定辐
6、射能在通过调制盘后,转换成随时间变化的断续形式。这样, 调制盘就对目标像点的红外辐射能量进行了调制。 1.2 调制盘的作用: 把恒定的辐射通量变化成为交变的辐射通量 为了避免使用直流放大器,应使落到探测器上的红外辐射随时间变化,探测器产生随时间变化的交流信号。 在光学系统焦平面附近加调制盘,使红外辐射断断继续地落到探测器上,这样,探测器就产生随时间变化的 交流信号。 这种将恒定的红外辐射变成随时间变化的交变辐射的调制盘也称为斩波器。 产生目标所在空间位量的信号编码 目标在物空间位置的变化与目标像点在像空间,即在调制盘上位置的变化相对应。 像点位置的变化,使调制盘输出的载波信号的某些参量,如幅度
7、、频率或相位也随之变化。此时,由调制盘输 出的辐射信号就包含了目标的方位信息。 由红外探测器把调制后的辐射通量转换成电信号,用信号处理电路检出载波的相应变化量,就得到了目标在空 间的方位。 调制盘可看作是目标位置的信号编码器。 进行空间滤波以抑制背景干扰 利用目标和背景相对于系统张角大小的差异,调制盘可以抑制背景,突出目标,从而把目标从背景中分辨出来。 调制盘这种滤去背景干扰的作用叫空间滤波。 提高红外系统的检测性能 红外系统对目标的探测总是在噪声干扰下进行的,为能从噪声干扰中更多地提取有用的信息,红外系统必须根 据合适的检测准则,确定系统的最佳检测方式及相应的具体系统结构。 一定的检测方式,
8、要求与之相应的确定的信号形式,在设有调制盘的系统中,调制盘的型式决定了系统的信号 形式。因此,通过调制盘图案的设计及扫描方式的选择,可以给出满足最佳检测方式所要求的信号形式,从而提高 了系统的检测性能。 1.3 目标与像点的位置关系 目标经光学系统成像,见图,物平面上的一点 T 对应着象平面上一个确定点 T 。 目标T和像点T在物平面和象平面上的位置,用极坐标表示,分别为),( TT 和),(。望远光学系统的 象平面位于焦平面上,则 T qtgf 41 f为光学系统的像方焦距; 为 yox 平面内像点T 至o点距离,称为像点偏离量; 为像点方位角; q为失调角,它是视线 oT 与光轴 oo 的
9、夹角,它的大小反映了目标偏离光轴的大小。 像点的位置),(反映了目标偏离光轴的大小和方位。 1.4 调制盘的分类 按照扫描方式可分为旋转式、圆锥扫描式和圆周平移式三类。 旋转式调制盘 调制盘本身以一定的角速度旋转运动。当目标位置定时,像点在调制盘上的位置就固定不动。目标位置变化, 像点在调制盘上的位置亦发生相应的变化,调制盘输出包含了目标方位信息并进行了空间滤波。 圆锥扫描调制盘 调制盘不动,光学系统的扫描机构运动,使得当目标在空间某位置时,光点(即日标像点)在调制盘上以定 的频率做圆周运动,其轨迹为一中心在不同位置的圆,即扫描圆。 圆周平移调制盘 调制盘不旋转,调制盘中心绕光学系统中心做同圆
10、周平移。调制盘平移周,光点在调制盘上扫出一个圆,该 圆偏离调制盘中心的大小和方向,与目标偏离光轴的大小和方向相对应。 调制盘按照调制方式来分,上述每一类又可分为调幅式、调频式、调相式和脉冲编码式四种。 2、结构组成 采用调制盘作为位置编码器的方位探测系统,其结构组成原理如图所示: 这种方位深测系统各部分的结构型式,都与调制盘的类型有关。 3、调幅式调制盘系统 3.1 日出式调制盘 日出式调制盘是调幅调制盘中较简单的一种,其图案形式如图所示。上半圆为目标调制区,下半圆为半透区。 调制盘置于光学系统的焦平面上,调制盘中心O位于光轴上,调制盘绕中心O转动。 假定像点位于图(a)中的 M点不动,若像点
11、的大小比扇形条尺寸小得多,就形成了如图(b)所示的脉冲信号 波形。 (1)调制信号与像点偏离量的关系 如果不能忽略像点的大小,像点由调制盘中心向外移动时,如图所示,在位置A、B、C时,得到不同脉冲信号。 像点由中心向外作径向移动时,出现幅度调制。根据调制盘输出辐射功率脉冲的大小,就可以确定像点的径向 位置。 调制深度 D 如图所示,像点 M 的偏离量为,方位角为。像点上辐射照度均匀分布,像点总面积为 S,像点上一部分 辐射功率 1 F透过调制盘,其面积为 1 S;像点上一部分辐射功率 2 F不能透过调制盘,其面积为 2 S。 1 F与 1 S成 正比,而 2 F 与 2 S 成正比。 当调制盘
12、旋转时,透过调制盘的辐射功率就在 1 F与 2 F之间周期性地变化。此时调制盘输出的有用的调制信号 应为 21 FF,它与 21 SS成正比。 为了表示像点辐射功率被调制的程度,特引入调制深度 D的概念,表征目标辐射通量中被调制部分所占的比例, 表示为 F FF D 21 式中,F为像点总功率,它与像点的总面积成正比。 说明: 假定目标像点的面积 S不变,则随着像点偏离量 增大,调制深度 D 将逐渐增大,此时,调制信号的幅值也 逐渐增大。反之,当减少时, D值也将减少,调制信号的幅值也减少。即)(fD 。可以用有用调制信号的 幅值来表示像点偏移量的大小。 若像点的面积为变值,则调制深度 D将随
13、着 及S两个参数变化,即 ),(SfD 像点面积实际上在整个视场范围内是变化的,如果能控制像点的面积 S使其随偏离量按一定规律变化,如 )(gS ,则 )(,gfD (2)调制信号与像点在调制盘上的方位角之间的关系。 日出式调制盘,图案有明显的分界线,令这一分界线Ox为起始坐标线,见图所示。 当日标像点偏离Ox不同方位角时, 所得调制波包络的初相角不同,因此可以用包络的初相角来反映目标的方位。 基准信号的产生有多种方法。 (3)空间滤波 由于红外系统要保证一定的视场,就不可避免地引入背景辐射干扰,如地物、云层的辐射和太阳反射散射等。 系统中设置的调制盘可以大大地抑制这些背景干扰,提高系统的信噪
14、比。 若有面积比目标大得多的背景进入视场,则它在调制盘上所成的像会覆盖多个扇形( 如图 )。 背景不会造成有用信号输出。这就是调制盘的空间滤波作用抑制大面积背景。 若有面积不甚大的背景出现在上述调制盘边缘区域,如图, “响尾蛇” AIM9B导弹所用 则仍可产生调制信号,对目标信号形成干扰。为进一步抑制背景,改进为“棋盘格”式调制盘。 为提高抗干扰能力,从中心到边缘,“棋盘格”的径向宽度逐渐减小,但各“格”的面积相同。 (4)调制特性分析 红外系统在捕获目标、 跟踪目标的过程中, 目标像点通常具有一定的偏离量, 目标的偏离量常常以失调角q 表示。失调角q与有用调制信号u之间的关系曲线称为调制曲线
15、。 OE区域: 目标处于光轴上或处于光轴附近 q很小的区域时,像点透过的面积和不透过的面积几乎相等, 调制深度很小, 有用信号很小,小于噪声,此时系统输出电压大小取决于噪声值,因而调制曲线出现变化比较平缓的一个区域。 EF区域: q继续增加,调制深度也随之迅速增加,有用信号值也增加,调制曲线出现线性上升区。 FG区域: q继续增加,进入棋盘格区。由于该区每一环带宽度随q增加逐渐变窄,则调制深度随q增加显著下降, 即有用信号值下降,调制曲线出现下降区。 像点在跨越径向环带的分界处时,有用信号值将显著下降,因此实际在调制曲线的下降段还会有许多很窄的凹 陷区。 决定调制曲线形状的因素 1)调制盘本身
16、图案形式的影响 同样的像点,同样的偏离量,调制图案不同时,像点透辐射面积和不透辐射面积也不相同,因而调制深度不相 同。调制曲线形状,即盲区大小、线性上升区的宽度和斜率、以及下降区的宽度和斜率等都会发生变化。 2)像点大小及其变化规律的影响 任何一个光学系统,在整个视场内像点的大小和形状都是变化的,它按一定的象差规律变化。因此,当调制盘 图案不变,而像点大小随视场角的变化规律不同时,调制曲线形状也不相同。 3)距离的影响 对于给定目标,当目标与系统之间的距离变化时,使得像点大小和像点能量同时发生变化。在距离较远时,能 量变化因素的影响较强,像点面积影响较弱,因而随着距离减小,有用信号值的增加是主
17、要的,则调制曲线的斜率 增大。当距离很近时,像点面积变大而起的作用占主导地位,使调制深度降低,有用信号减小,调制曲线斜率降低。 3.2 光点扫描式调制盘 也称圆锥扫描式调制盘。工作时,光点扫描式调制盘本身不动,由光学系统的专用机构(偏轴次镜或光楔)旋 转做圆锥扫描, 使目标像点在调制盘上做圆周运动,得到一光点扫描圆,被调制盘所斩割, 输出调制信号 , 如图所示。 下图为光点扫描式调幅调制盘的一种图案。里面的图案是根据空间滤波的考虑设计的,故各环带上的黑白面积 应尽量相等;外圈三角形的数目根据所选择的载波频率和光点扫描频率来确定。 “尾刺”地空导弹所用 (1)误差信号的产生 如上图,当目标位于A
18、、B、C时,经过滤波后得到如下图的波形: 目标在光轴时,输出为等幅波,此时包络信号为零,没有交流部分,即无有用信号输出。 目标偏离光轴时,由调制盘出射的光脉冲包络信号不为零,即产生了误差信号。 误差信号来源 a. 像点调制深度的影响 假定像点大小不变,像点上能量均匀分布。如图,当像点从三角形中部移向根部时,调制深度增加,则载波信 号电压幅值增加;移向尖部时,调制深度减小,载波信号电压幅值减小。 b. 载波波形的影响 假定各点的调制深度D都相同, A 、 B 、C各点对应的像斑能量密度不同由A 至 C逐渐减小 , 如图所示。 由此可见,各点的波形不同。由于波形不同,其载波基波分量的幅值也不相同,
19、经滤波后,载波的幅值就不相 同。显然,像点从三角形中部移向根部时,波形从梯形波变成三角波,载波电压幅值增加;像点移向三角形尖部时, 从梯形波变成间隔更小的梯形波,载波电压幅值下降。 c. 载波频率变化的影响 所谓载波频率,即载波每秒钟变化的次数。 光点扫描的角速度是一定的,而扫描圆的大小又不变,因为扫描圆的线速度也是一定的。因而,当光点移向三 角形根部时,载波频率升高,光点移向三角形尖部时,载波频率降低。 (2)调制信号与目标像点位置之间的关系 偏离量与调制信号 目标偏离光轴一失调角q以后,扫描圆中心相应地偏离调制盘中心,光点也就偏离了三角形中部。当扫描圆 在三角形区域内移动时,包络的幅值随偏
20、离量增大而增大,所以三角形区对应于调制曲线的上升段。 当目标的偏离量q再继续增大,这样光点转动一周时间内,有时有光脉冲输出(上半圆),有时无光脉冲输出 (下半圆),这种情况称为单边调制。单边调制情况下,随着偏离量增大,调制光脉冲数目减少。单边调制时的包络 幅值较三角形区调制的包络幅值有所下降,随着偏离量q的继续增大,包络幅值下降得更严重,所以三角形以内 的区域对应了调制曲线的下降段。 方位角与调制信号 当目标偏离的方位角为任意角时,则扫描圆中心偏离调制盘中心的方位角亦为角,这时载波的包络信号也 具有初相角。将包络信号检出,与基准信号相比较,所得的相位差即为目标在空间的方位角。 (3)调制曲线及
21、其影响因素 光点扫描式调制盘的调制曲线形状通常如图所示,它只包含上升段及下降段,r 为上升区宽度, (a-r)为下降区 宽度,上升区宽度比较窄,下降段斜率较大。 决定上升区宽度的因素是外圈三角形的高度和光学系统的焦距,设三角形高为 H ,光学系统焦距为 f ,则上 升区宽度r为 f H arctgr 2 影响上升段斜率的因素是三角形的形状,短粗三角形对应的调制曲线上升段的斜率大;细长的三角形,虽然可 以得到较宽的上升区,但上升段的斜率却不大。 下降段对应了三角形以内的区域,光点扫到此区域时载波波形及载波频率都相对三角形区变化较大,因此包 络幅值下降很快。 (3)特色 优点: 一是调制曲线无盲区
22、,斜率大,线性区窄,使系统的灵敏度高,因此多用于跟踪精度要求较高的系统; 二是实际工作的有效现场大,比由调制盘图案决定的视场扩大了近一倍。如图所示。也就是说,要求有 效视场相同的情况下,采用此种调制盘时,调制盘尺寸可以比采用日出式调制盘小得多。 缺点 : 空间滤波特性比日出式调制盘要差,因为在圈三角形区,透明和不透明栅格面积相差很大,在三角形内 部有些地方透明和个透明分格连在一起,造成分格不均匀,这就便大面积像点在一个旋转周期内的透射 比不均匀,因而空间滤波性能大降。 当目标偏离时,载波频率变化较大,信号频谱变宽,给电子线路设计带来了麻烦。 4、调频式调制盘系统 4.1 旋转调频式调制盘 对基
23、频信号进行频率调制同样可以获得目标的方位及偏差信号,并起到空间滤波的作用。 (1)图案及调制波形 如图所示为一种旋转调频调制盘。整个调制盘划分为三层环带,各层环带中黑白相间的扇形分格从内向外为8、 16、32。每层环带扇形角度分格大小也是不均匀的,系沿圆周基线OO 起按正弦规律变化。 英国早期“天空闪光”空空导弹所用 目标像点与盘心距离增大时,经调制后输出辐射脉冲的平均宽度就变窄。如目标像点位于图(a) 中外层 P处,方 位角为,则经调制后辐射脉冲波形如图(b) 所示。 (2)方位提取 图中矩形脉冲频率在调制盘的一个旋转周期内呈正弦规律变化,用公式表示为 )sin(cos)( oo tMtFt
24、F 式中, 0 F为目标像点辐射功率;为像点所处环带内黑白扇形分格完全均匀的,所对应的载波角频率;为调制 盘的旋转角频率; M 为与像点所处环带扇形角度分格大小的变化范围相应的调制系数, /M (即像点所 处环带内最大偏频与调制盘频率之比); 0 为目标像点的方位角。 由于各环带内黑白扇形分格数目不等,因而不相同; 同时不同环带内的最大频偏不同,所以不同环带内 的调制系数 M 也不相同,即与M都是像点偏离量的函数。 对任一环带,上式又可写成下列一般表达式 )sin()()(cos)( oo tMtFtF 式中)(、)(M分别为与偏离量相对应的角频率、调制系数。 这种调制辐射功率经探测器转换成脉
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