第九章红外调制与调制盘1

1第九章红外调制与调制盘2本章内容•9.1红外调制的一般概念–9.1.1对红外辐射进行调制的意义–9.1.2调制盘的作用–9.1.3关于调制波的一般概念–9.1.4调制波的形式及主要特征•9.2调制盘的类型及工作原理–9.2.1概述–9.2.2调幅式调制盘–9.2.3调频式调制盘–9.2.4脉冲编码式调制盘3红外技术在军事方面的应用热成象红外制导导弹短程红外制导空空导弹(1)红外制导4红外成像制导导弹“贾斯姆”(JASSM)联合防区外空对地导弹“响尾蛇”AIM-9系列空空导弹5光机扫描摄象头目前正在使用及正在研制中的热象仪绝大多数均属于光机扫描类型。光机扫描摄象头是光机扫描热象仪的关键部分，它由光学接受系统和扫描机构两大部分组成。采用光机扫描“幼畜-65D“空对空导弹6“响尾蛇”AIM-9系列空空导弹返回40年代末期，人们研制出一种响尾蛇“空对空导弹”，其功能与响尾蛇相同。它是利用硫化铅作红外敏感元件，接收喷气式飞机机尾喷管发出的波长为1—3微米的红外辐射流，引导导弹从飞机尾部进行攻击，它只需接收到热源的存在和方位，并不要形成目标的热象图。7空对空导弹空对空导弹是由飞机发射并攻击空中目标的制导武器，是当前世界各国的主要空中格斗武器。自1944年德国首先研制了X-4有线制导空对空导弹以来，各国研制的型号已达70种左右，已经历了三代的演变。它们是：1956年前出现的第一代近距导弹;1966年前出现的第二代中距拦截导弹；1967年后出现的近距格斗、中距拦截和远距拦截的第三代导弹。目前研制和开始列装的是能攻击多个目标、打了不用管，既能超视距拦截、又能近距格斗的第四代导弹。如英国研制的ASRAAM“先进近距空对空导弹”和美国研制的AMRAAM“先进中程空对空导弹”是第四代空对空导弹的代表。法国“超530”空对空导弹返回8“幼畜-65D“空对空导弹现役使用是红外成像型AGM-65D/F/G，飞行员操纵飞机使导引头瞄准目标区，在较远的距离上发现并锁定目标，在座舱内的电视监视器上显示该目标图像，使瞄准方框套住目标，即可发射导弹，导引头采用定心跟踪原理，控制导弹飞向目标为中心的区域，而无需载机控制，导弹可改变航向，跟踪攻击活动目标，必要时可连续发射攻击目标。返回9美国的AIM-9萨姆-7目前已出现了以美国的AIM－９L,法国的R550等为代表的典型格斗导弹,红外地空导弹，如苏联的萨姆-7、美国的针刺型.10“幼畜”(Maverick)AGM-65空地导弹以美国幼畜型为代表的空地导弹采用了红外成象制导，它可在一定恶劣气候下昼夜使用。11基于红外线象的制导系统红外线象又称热成象。热成象系统摄取目标和物景发射出的红外辐射，并将其转换成图象。早在四十年代就已开始了热成象的研究工作，但直到1952的才制成第一台热象记录仪。红外成象在摄像机上的应用热像仪12(2)军事侦察二次大战以来，就对被动红外侦察进行着持续不断的研究。早期美国在U——2飞机上安装了红外照相机六十年代末，出现了前视红外(热象仪)，使实时侦察能力大为增强。U2-2飞机`13美国导弹预警卫星红外跟踪还可用于预警探测装置中，如七十年代后开始出现的预警卫星。预警装置中的红外跟踪系统，可对入侵的飞机和弹道导弹进行捕获和跟踪，对其他测量系统和测距系统实施引导，从而测量飞行目标的相对位置和飞行轨迹。14红外技术在国民经济方面的应用红外测温仪红外遥感仪15红外成象在医学上的应用疼痛诊断疾病的诊断16红外线的基本性质红外光可见光相同点(1)都是电磁波,具有波动性和粒子性。(2)直线传播,服从折射和反射定理,具有干涉、衍射、绕射偏振不同点不可见可见波长较长波长较短有明显的热效应热效应不很明显17目标辐射和背景辐射背景辐射航空目标辐射目标和背景都有一定的温度，都能辐射红外线，它们又都有着本身的特殊点。我们分别来介绍目标和背景辐射的一些情形，从中了解它们的特殊点。18航空目标辐射我们以喷气式发动机的飞机辐射特性及飞机气动加热的辐射特性为例，来介绍航空目标辐射。4架米格29战斗机某喷气式飞机19(1)航空目标辐射我们以喷气式发动机的飞机辐射特性及飞机气动加热的辐射特性为例，来介绍航空目标辐射。喷气式飞机辐射飞机因气动加热而产生的辐射废气辐射尾喷管加热部分的辐射20（2）背景辐射太阳及月亮辐射：太阳是距我们最近的一颗恒星，它本身是一个巨大的炽热气体球，通常可以把太阳看作是温度为6000K的绝对黑体。月亮主要靠反射太阳辐射而产生辐射。太阳辐射夜天辐射21（3)大气辐射大气所含气体分子、水蒸汽、二氧化碳等微粒都对太阳及月亮辐射产生散射及吸收等现象，因而产生大气的散射辐射及本身的热辐射。一年的大气辐射图22黑体：很多物体在加热时产生的光谱辐射具有特定的分布，这种光谱辐射特性只取决于温度，我们就称它们为黑体。黑体可以把入射到它上面的所有辐射全部吸收。当加热到足够高的温度时，诸如电炉元件以及灯泡灯丝等物体能够产生足够多的可见光以使得它们能够被看见或者甚至照亮整个房间。图显示了黑体在几种温度下的归一化的光谱密度曲线。23自动制导系统的组成导引头X-59导引头雷达导引头24舵机俄R-73空空导弹前卫-3激光导引头与舵机25导弹外形及工作原理导弹外形图导引头舵机发动机尾翼26红外导引头工作原理目标辐射光学系统调制盘探测器电子线路陀螺跟踪系统27红外导引头光学系统基本原理导引头方位探测系统跟踪系统光学系统调制盘探测器信号处理电路28导引头工作原理导引头的各部分相互协调工作，其关系如下图所示；29在导弹的红外制导系统中，由于要求灵敏，反应快。一般采用光子探测器。PL-9C红外空空导弹挂装在武装直升机上的TY90导弹30红外探测器的致冷致冷的必要性目前性能较好的探测器均需要冷却，致冷可以降低热激发产生的载流子，从而降低探测器的噪声；致冷在一定程度上也可减少禁带宽度，从而加大载止波长。31致冷的方法目前对红外探测器的致冷有多种方法，按照换热方式，可大体分为:(1)利用低温液体或气体进行对流换热而致冷探测器。(2)利用固体传导换热而致冷探测器的固体致冷器。(3)利用辐射散热而致冷的辐射致冷器。(4)利用珀尔贴效应而致冷的半导体致冷器。(5)其他。329.1红外调制的一般概念•9.1.1对红外辐射进行调制的意义–在电学领域及通信系统中，广泛应用了调制与解调技术。–调制的概念：•对所需处理的信号或被传输的信息做某种形式上的变换，使之更便于处理或传输。•例直流信号放大，直接放大零点漂移严重。可将直流交流交流放大分离出直流信号。–解调：•从已调制过的信号中恢复原始信号的过程，解调即通常说的“信息检测”。调制33–红外系统的检测性能与调制波的形式和调制器、解调器的性能密切相关。–红外辐射调制的目的：•红外辐射调制使原本恒定的辐射通量转换成随时间断续的辐射通量，并使断续的辐射能的某些特征随着目标信息的变化而变化。•对辐射能调制的目的，主要是为了使断续的辐射能中包含目标信息，便于信号的放大、处理和检测。包含目标信息的断续的辐射能。包含目标信息的交变电信号。34–辐射源按其对红外装置的张角大小可划分为两类：•点辐射源：(本书讨论)–点源象点(=一个栅格)•面辐射源(扩展源)–面源象点(多个栅格)–调制盘是一种辐射调制器。•制作：–基板涂层光刻栅格•使用时将其置于光学系统的焦平面上–目标像点与调制盘相对运动时将目标像点的辐射能进行调制。点辐射源面辐射源透辐射不透辐射35–调制后的辐射功率是时间的周期性函数，即调制波形。•调制波形由象点与调制盘孔径(指一个透辐射栅格或一个不透辐射栅格)之间的比例关系确定。孔径象点信号相应孔径象点孔径象点孔径=象点孔径象点孔径象点36•9.1.2调制盘的作用•使恒稳的光能转变成交变的光能•产生目标所在空间位置的信号编码空间滤波——抑制背景的干扰一、产生目标所在空间位置的信息编码•目标位置变化调制后辐射通量(A,F,P)变化。•是目标位置的信号编码器。37–二、用调制盘进行空间滤波以抑制背景干扰•探测目标(飞机、轮船、汽车等)总是处在背景(大气、云层、海水、地物等)中，背景也有红外辐射，起到了噪声的作用。•利用目标和背景相对于系统张角大小的不同，调制盘可以拟制背景，突出目标，从而将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。•调制盘空间滤波的原理：–点源目标的象点与调制盘孔径尺寸相当，调制盘对该目标象点进行调制，产生一个由调制盘转速和调制盘数目确定的有限载频信号。–背景相当于面源，覆盖了多个透辐射和不透辐射的栅格，透过调制盘的能量为某一定值，得到的调制信号为直流或远离载频的其他频率的调制信号(即在载频附近背景感应的信号很小)。–通过电路的选频作用，使目标信号的频率通过，而背景(直流或其他频率)被阻止，实现探测目标抑制背景的作用。38•从原理上看，调制盘的空间滤波作用有限。当背景或某些人为干扰象点与调制盘栅格尺寸相当时，就起不了抑制背景的作用。这时常采用其他方法进一步抑制背景干扰：–色谱滤波：带通滤光片(滤掉背景辐射)–双色调制盘：将普通调制盘中的透辐射和不透辐射部分用两种不同的带通滤光片(分别对应目标辐射波段和背景辐射波段)代替。39–三、用调制盘提高红外系统的检测性能•红外系统探测目标时总有噪声的干扰。•为从干扰中更多地提取有用信息，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。•检测方式确定后，要求有与之相应的信号形式。•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，从而提高系统的检测性能。40•9.1.3关于调制波的一般概念–设一高频信号，描述为–其中：ac是幅度；ω是角频率；φ是相位；Φ是t时刻信号的相角。–载波：•如果ac,ω,φ是常数，上式表示未调制波，即载波。此时的ω=ωc为载频。–调制波：•如果ac或Φ发生变化，则信号a(t)就成了调制波。()sin()sinccatata41–调制：•使载波的某一参量(如幅度、频率、相位等)随时间按一定规律变化的过程，叫做调制。•按照调制参量的不同，分为–调幅：幅度调制，AM(AmplitudeModulation)–调角：角度调制。调角又分两种»调频：FM(FrequencyModulation)»调相：PM(PhaseModulation)–调制信号：•所要传送的信息称为调制信号。•调制信号与载波信号相比，通常可看作是慢变化的时间函数，即相对于载波频率ωc而言，调制信号频谱聚于较低的频率区域。42–调制波具有频谱。•调制波可以看作由若干个不同频率的正弦型信号组合而成的信号。•调制波的频谱结构与调制信号的性质以及调制的类型有关。–混合调制：•调制过程中常产生混合调制，如AM-FM或AM-PM。•混合调制中有益的调制为工作调制，另一种附加在主要调制上的是寄生调制。•寄生调制产生原因：–实现调制的方法产生–调制波通过电路时产生43•9.1.4调制波的形式及主要特征•按载波类型的不同，分为：–连续波调制：»AM»FM»PM–脉冲调制：»脉冲调幅(PAM)»脉冲调宽(PWM)»脉冲调位(PPM)44–一、连续波调制•(一)调幅–调幅波–其中k为比例系数，g(t)为调制信号，fc为载频。–定义调制指数(调制度系数)M=k/ac–调幅波可以写成–gmax(t)和M应满足»如不满足，则可能产生过调制现象。[()]cos(2)AMcceakgtft[1()]cos(2)AMcceMgtaftmax|()|101gtM45–调幅的特点：»载波信号的包络线按被传送信号的规律变化。提出有用信号时，可采用包络检波的解调方法。»不产生新的频谱，只是将调制信号的频谱从原点附近移到了载频谱线附近。»能量利用效率较低：总功率中只有1/3用来传输有用信号。»在大信噪比条件下，调幅系统的输出噪声平均功率等于输入噪声平均功率。输出信噪比是输入信噪比的两倍。即调幅系统具有3dB的信噪比增益。»小信噪比下有门限效应。即当输入信噪比低于某个值时，信号淹没在噪声中