小圆盘的大作用

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 小圆盘的大作用 红外线的发现与红外制导 中国论文网 /8/view-12885450.htm 1800 年 4 月 24 日，曾经用自制 望远镜发现了天王星的威廉赫歇尔在 重复 1666 年的牛顿棱镜分光实验。不 同的是，他比牛顿多了一个实验项目， 那就是用温度计来测量不同颜色光线的 温度。当他把温度计从紫光到红光移动 时，温度计上的示数逐渐增加，可是当 温度计放到红光以外的部分时，温度却 仍在上升。于是，这种光谱在红光之外 的光线便为人所知了。 说起红外制导，可能大家马上就 会联想到在空对空作战过程中的导弹战。 的确，红外制导以其高精度、小尺寸、 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 低重量和低成本等优势，使其在很多导 弹上都得到了成功地应用。自上世纪 70 年代以来的空战当中，有将近 80%的飞 机是被采用红外制导技术的导弹击落的。 最早的红外制导技术采用的是一 种叫做红外点源被动式寻的方式。导弹 利用弹上的探测设备来被动接收目标向 外辐射的红外能量。这种制导技术的研 究始于 1948 年，并最终以一种名为“响 尾蛇”的系列空对空导弹而闻名世界。 对于采用红外制导技术的导弹， 如果要想打中目标，那么有两个能力是 必须具备的：空间滤波能力和空间定位 能力。稍微形象一点儿地描述这两个能 力，便是：第一，导弹是如何分辨敌方 飞机和一朵云的？第二，导弹是如何计 算目标的相对位置的？ 这两个能力都与红外制导导弹中 的一个很不起眼的小圆盘有关，这就 是调制盘。调制盘是电源红外制导 导弹上的一个关键部件，看起来像是一 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 个画着国际象棋的黑白棋盘格一般的小 圆盘（不同的调制盘有着不同的图案样 式） ，黑色的部分不透光，白色的部分 则有着良好的透光性。调制盘往往很小， 以前文提到的“ 响尾蛇” 导弹为例，在 AIM-9B“响尾蛇 ”导弹上的调制盘的直 径为 6.3 毫米。新版人民币一角硬币的 直径为 19 毫米，在这样一枚硬币的一 条直径上可以并排放置三个调制盘。而 这样的尺寸在调制盘当中应当算是比较 大的了，某些便携式地空导弹的调制盘 直径只有 1 毫米。调制盘的尺寸虽小， 但是它在红外制导的过程中却起着关键 性的作用。所有的光线经过红外导引系 统的镜头后都要通过这个小小的调制盘 进行调制才可以产生能够被导弹的制导 系统所识别的目标信息。在调制盘之前， 导弹看到的只不过是个光斑，在调制盘 之后，这些光斑才真正变成了能够被导 弹理解的导引信号。在这里，调制盘起 到了沟通现实物理世界和内部制导算法 之间的桥梁作用。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 如何分辨飞机和云朵 “我是天空里的一片云，偶尔投 影在你的波心。 ”诗人描述的浪漫场景在 制导领域却是个要尽量避开的干扰来源。 如果没有分辨云朵和飞机的能力，那么 在空战中，发射出去的导弹就会真的向 漂浮的云朵飞去了。没有空间滤波能力 的导弹或许也不会以“ 响尾蛇 ”这个名字 命名了，而那位分不清风车与魔鬼的 “堂吉诃德”先生将会成为其更贴切的名 字了。幸好在调制盘的作用下，朵朵白 云没能扰乱红外制导导弹的视线。那么， 小小的调制盘又是如何使导弹具有分辨 飞机和云朵（或分辨舰船和海浪、车辆 和山峦）的能力的呢？ 飞机和云朵，在尺寸上有较大差 别。以水蒸气等气体和尘埃组成的云朵 的尺寸往往在数千米以上，而飞机的尺 寸则在百米以下。于是，如果导弹有了 分辨大小的能力，那么也就基本上拥有 分辨飞机和云朵的能力。可是，在上世 纪 50 年代，怎样能够把这样抽象的比 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 较概念交给由很简单的几个电路构成的 导引系统呢？ 调制盘给我们的解答是：旋转。 通常调制盘会放置在光学敏感元件的像 平面上，其圆心与光轴重合。在制导过 程中，整个圆盘会绕着光轴旋转，AIM- 9B“响尾蛇” 导弹的调制盘的旋转速度为 每秒 72 转。对于飞机这样的小尺寸目 标，其在调制盘的影像也会比较小，往 往不能够占满调制区的棋盘格当中的一 格。这样，当调制盘旋转起来的时候， 飞机的小影像要么会处在透明格子里， 要么就会在不透明的格子上。在透明格 子里时，影像透过调制盘在导弹的光敏 感元器件上引起一个电信号，我们不妨 将这个信号定义为 1。随着调制盘的旋 转，这个影像马上又会处在不透明的格 子里，这时光敏感元器件上便不再有信 号，我们将其定义为 0。当飞机的影像 转到半透明区的时候，影像给敏感元件 的信号介于 1 和 0 之间，我们将其定义 为 0.5。这样，在导弹的制导系统看来， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 一架飞机产生的信号是这个样子的：一 半时间是 1 和 0 的交替出现形成的方波 信号，一半时间是维持在 0.5 左右的恒 定信号。 （严格说来，这个信号是梯形 波，只有当影像足够小的时候，才更接 近于方波，本文在一定程度上进行了简 化。 ） 而此时闯入导弹视野内的如果是 一朵云的话，情况则会有所不同。云的 尺寸较大，其影像在调制盘上会同时占 据好几个棋盘格的位置，在同一时刻既 有被不透明的格子挡住的部分又有被透 明的格子放行的部分，这样平均下来大 概是有一半的信号通过了调制区。在半 透区，同样也是通过了一半的信号。这 样，在导弹的制导系统看来，一朵云产 生的信号是这个样子的：始终有一个介 于 0 和 1 之间的起伏变化不明显的一个 信号。 通过调制盘上面透光和不透光的 图案设计和其旋转运动，导弹便具有了 分辨飞机和云朵的能力。读者可以把透 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 过调制盘后的信号以声音的形式进行理 解。如果在导弹面前是一架飞机的话， 通过调制盘后的信号产生的声音类似于 警车，高低音交替，充满动感。而如果 前面是一朵云，则听起来就像是一艘轮 船上传来的汽笛声，音节单调，绵长悠 远。 如何计算目标的位置 仅仅能够感知目标是否存在以及 目标是飞机一类的小物体还是云朵一般 的大物体还是不够的，要想使制导系统 发挥作用，调制盘还得告诉导弹，目标 到底在哪里。从调制盘上来看，目标相 对于导弹的位置信息体现在两个方面： 一是目标的影像相对于调制盘上的某条 基准半径来说，相差的角度是多少。二 是目标的影像距离调制盘的圆心有多远。 有了这两个信息，我们便得到了以极坐 标的形式给出的目标相对位置，前两个 信息分别对应着极坐标的极角和极径数 据（这两个数据分别对应着导弹制导理 论中的方位角和失调角） 。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 我们仍然以响尾蛇导弹为例，分 别说明这两个数据是如何得到的。目标 的影像在调制盘上的位置影响着光敏感 器件上的方波信号的起始时间。根据这 个起始时间的不同，便能判定目标的方 位角。细心的读者也许早已发现，响尾 蛇的调制盘只有半个圆是调制区，而另 半个圆是半透明区域。按理说，如果要 想滤掉云朵的信息，只需要有调制区便 可以了，那么为什么要设置一个半透明 区域呢？其实，如果整个圆盘都是调制 区，那么由目标产生的方波信号（或者 说是敏感器件听到的警笛声）就会没有 中断地不停出现，会导致敏感器不知道 这个信号到底是从什么位置开始的，这 就会使导弹失去了判断目标位置的能力。 半透明区域的出现，使信号有了休止的 周期，这种“ 劳逸结合” 的方式能够使导 弹快速判定信号起始的时刻，而这个时 刻与目标的方位角则是一一对应的。本 文给出了三种不同方位角情况下的方波 信号，试着蒙住左侧的调制盘图像，仅 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 仅通过方波信息，像导弹的制导系统那 样来判断目标的位置吧。 得到 了方位角信息，接下来便是失调角信息 了，也就是目标影像到调制盘圆心的距 离。调制图案在调制盘上呈中心辐射状， 离圆心越近，透明区域的张角越小，影 像能够透过的部分也就越少。因此，实 际上光敏感器件感受到的目标信息方波 的幅值并不是个恒定值，而是随着失调 角的变化而变化的。本文给出了目标影 像的三个不同位置和相应的输出方波。 我们可以发现，对于处在相同方位角上 的三个目标影像而言，离调制盘的圆心 越近，其方波的幅值越小。 结束语 实际上，调制盘的图案样式和旋 转方式并非只有“ 响尾蛇”导弹中使用的 那一种。 “响尾蛇 ”是最早把红外制导技 术应用于实战的导弹，随着人们对调制 技术的认识的进一步深入，各种各样的 调制盘开始出现。早期“ 响尾蛇 ”导弹的 调制盘上的图案属于旋转调幅式。这种 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 调制图案有一个中心盲区，不易实现高 精度制导。之后出现了调频调制盘、阿 基米德螺旋线调制盘、有脉宽变换功能 的调制盘等多种样式，逐步增加了制导 的精度。但是，作为上世纪 50 年代兴 起的一门技术，调制盘在现代面临着越 来越大的挑战。调制盘具有能够帮助导 弹分辨目标和云朵的能力，但却不具备 分辨小而亮的干扰物体与目标的能力。 针对调制盘的特性，人们已经开发出了 多种干扰方式，较为常用的便是投掷式 燃烧干扰弹。喷气式发动机燃气的辐射 波长大多在 3.5 到 4 微米之间，而干扰 弹通过点燃镁粉、硝化棉和聚四氟乙稀 的混合物，能够以 1 000 摄氏度以上的 高温产生 3 到 5 微米的辐射波长，使得 调制盘很难分清干扰弹和真正的目标。 上世纪 70 年代起，红外热成像 技术逐渐发展成熟并很快应用在了军事 领域。很多导弹（如美国的“幼畜” 空对 地导弹、新型的 AIM-9X“超级响尾蛇” 等）都改用了红外成像导引技术来替代 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 11 早期的红外点源制导技术。这使导弹的 导引头成了名副其实的眼睛。导弹已经 能够在其成像平面上分辨出目标的轮廓 来了，虽然目前的分辨率不足以形成十 分清晰的画面，但是对于分辨目标和云 朵、分辨干扰弹和目标以及判断目标位 置已经足够。小小的调制盘在把红外技 术引入