（模式识别与智能系统专业论文）红外阵列区域防御系统的伺服控制设计.pdf

摘要 本文对红外阵列区域防御系统的伺服控制进行了一些探讨和研究。伺服控制 系统是红外阵列区域防御系统的一个重要组成部分，防御系统的一些主要性能指 标如定位精度、跟踪精度等都需要伺服控制系统来保证。 本文从整体的角度介绍了红外阵列区域防御系统，着重分析了红外阵列区域 防御系统在不同工作模式下的跟踪搜索原理。之后，对数字伺服控制系统的设计 方案进行了讨论，着重分析了数字控制器的硬件设计和软件设计。 数字伺服控制系统采用了直流力矩电机以及p w m 直流伺服电机驱动装置。 控制方法采用了带前馈补偿的多环路的复合控制方法，提高了系统的精度和可靠 性。 关键字：红外防御系统红外搜索跟踪原理数字伺服系统直流p w m 伺服控 制驱动 a b s t r a c t as t u d yo fs e r v o c o n t r o lo ft h er e g i o n a ld e f e n s es y s t e mb yt h ei n f r a r e dd e t e c t o r a r r a yi sd i s c u s s e di nt h i sp a p e r s e r v o c o n t r o ls y s t e mi sa ni m p o r t a n tp a r to ft h e r e g i o n a ld e f e n s es y s t e mb yi n f r a r e dd e t e c t or al o to fp r i m a r yp e r f o r m a n c e s ，f o r e x a m p l eo r i e n t i n gp r e c i s i o na n dt r a c k i n gp r e c i s i o n ，a r ea s s u r e db yt h es e r v o c o n t r o l s y s t e m t h e r e g i o n a ld e f e n s es y s t e mb yt h ei n f r a r e dd e t e c t o ra r r a yi si n t r o d u c e di nw h o l e p o i n to fv i e w a n dt h et h e o r yo ft r a c k i n ga n ds e a r c h i n gi nt h ed i f f e r e n tm o d eo ft h e d e f e n s es y s t e mi se m p h a s i z e d t h e r e a f t e r , t h es c h e m eo ft h ed i g i t a ls e r v o c o n t r o l s y s t e mi sd i s c u s s e d t h ed e s i g no ft h eh a r d w a r ea n dt h es o r w a r et ot h ed i g i t a l c o n t r o l l e ri sa l s oe m p h a s i z e d t h ed cm o m e n te l e c t r o m o t o ra n dt h ed cp w ms e r v od r i v e ri su s e di nt h ed i g i t a l s e r v o c o n t r o ls y s t e m t h ec o m p o u n dc o n t r o lm e t h o do ft h em u l t i d o s e d 1 0 0 pw i t h f e e d f o r w a r dc o m p e n s a t i o ni su s e dt oi m p r o v et h ep r e c i s i o na n dt h er e l i a b i l i t y k e yw o r d s ：i n f r a r e dd e f e n s es y s t e m i r s t d i g i t a ls e r v os y s t e m d cp w ms e r v o c o n t r o ld r i v e 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处 本人签名：鲎整垒 本人承担一切相关责任。 f f 期塑童：! ! ：! ! 关于沦文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕业 离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电予科技大学。学 校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文：学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文在 解密后遵守此规定) 本人签名：鲎鳘盏 导师签名：喜砻雾 日期竺! ：! ! ：! 当 同期幽：z ：乙r 第一章绪论 第一章绪论 1 1 雷达红外阵列区域防御系统 1 1 1 问题的提出及研究意义 鉴于海湾和科索沃战争中美军和北约部队的反辐射导弹对伊、南两国的炮瞄 雷达呈现出的巨大威胁研究者在两年前提出：在战时一旦防空火炮阵地上的炮 瞄雷达完全不能开机，将用什么装备代替炮瞄雷达对火炮来进行有效引导昵? 当 时提出了利用两台以上的红外热成像仪构成红外探测阵列，实现火炮引导的设想。 经过两年的研究，研究者对这一设想的可行性作出了肯定的回答。 现行防空火炮是依靠炮瞄雷达与指挥仪协同工作获得目标的战术数据的：在 炮瞄雷达发现目标后，必须对目标进行一段时间的连续测量( 通常把这段测量过 程称为跟踪) ，获得目标的一系列的方位角、俯仰角和距离值，然后由指挥仪依据 这些数据计算出目标的航迹、速度并估出a t ( 火炮自接收点火命令点火到击中目 标的时间) 秒后目标的位置，从而实现对火炮的引导。图1 1 为现行防空火炮引 导系统的组成原理框图。 图1 1 现行防空火炮引导系统的组成原理框图 由于炮瞄雷达是通过向目标发射电磁波进行测量的，而跟踪时一般需要数秒 钟的时间。现代的反辐射导弹，在技术上已做到在一秒钟之内即可确定辐射源的 位置，并发射出攻击导弹。雷达又是难于在数秒钟内移动位置的，所以常规炮瞄 雷达在现代战争环境下很容易受到攻击，一且受到攻击，防空火炮将因失去引导 系统无法发挥威力。 避免炮瞄雷达遭受反辐射导弹攻击的首选方法是用红外探测装置代替炮膳雷 达完成对目标的发现和跟踪。由于红外探测装置可以采用被动式工作，因此具有 较强的抗低空和超低空突防、抗反辐射导弹、抗电磁干扰和反隐身的能力。但其 主要缺点是作用距离较小( 2 0 公里) ，且单探测装置无法获得目标的精确定位信 息，因此限制了防空警戒的空域范围和对武器系统的导引能力。然而，通过多红 外探测装置的空间合理布阵，利用多站( - - 站或三站) 被动定位方法，既可以在 红外阵列区域防御系统的伺服控制设计 定程度上扩大探测范围，又可以为武器系统提供足够精确的目标定位信息，从 而，在炮瞄雷达无法给出目标定位数据的情况下，构成全被动式防空系统。 红外阵列区域防御系统与雷达防御系统相比具有许多优点，特别是采用雷达 红外阵列区域防御系统，将警戒雷达作用距离远、警戒范围大的优点与红外探测 装置具有的高分辨率、无源探测、被动接收、工作隐蔽、不易受电子干扰和可探 测低空目标等优点相结合，使雷达红外阵列区域防御系统具有更强的生存和有效 的反击能力，这对增加国防实力、提高国防水平具有重要意义。 1 1 2 雷达红外阵列区域防御系统 图1 2 为雷达一红外阵列区域防御系统示意图。在一个防区里设置个红外探 测装置阵列( 以三站为例) ，与现役的警戒雷达群和武器系统组网，构成雷达一红 外阵列一武器系统区域防御系统。雷达位于防区的后方，以避免a r m 的攻击，前 方由若干红外探测装置构成红外探测装置阵列，雷达与各红外探测装置之间通过 各自设置的计算机组成一个数据网系统，并与武器系统和信息处理和控制中心相 连接。该系统中雷达负责对防区的远距离早期警戒，一旦发现来袭目标，测定目 标的空间位置( 方位、高度、距离) 和速度等信息，并将这些信息数据播发给各 信息处理和 控制中心 图1 2 雷达一红外阵列区域防御系统示意图 个红外探测装置。阵列中的红外探测装置通过各自的计算机完成目标坐标的变换， 并在各自的搜索区域对预报目标进行搜索和捕获，捕获到目标的红外探测装置不 断获得目标的方向信息，并发送到数据通信网上，信息处理和控制中心的主控计 算机依据各个探测装置发来的这些信息和已知的探测装置之间的距离，可计算出 目标的方位、距离、速度等。引导该系统继续对目标进行跟踪和识别分类，进而 判断目标的威胁程度，给指挥和武器系统提供目标的空间坐标、运动轨迹等信息， 保证它们对目标精确定位，实施有效的反击。 远程警戒雷达 第一章绪论 1 1 3 雷达一红外阵列区域防御系统的功能设置 1 1 3 1 雷达红外阵列组合工作模式 远程警戒雷达负责对空中目标进行搜索，一旦发现目标进入红外探测装置作 用范围，按照指控命令将发现目标的坐标数据传递给红外探测装置，完成目标指 示功能。红外探测装置阵列依据警戒雷达送来的目标坐标信息，在自身覆盖区域 内进行目标捕获、跟踪。 1 1 3 2 红外探测装置阵列自主工作模式 在警戒雷达不能指示目标的情况下( 如雷达被干扰无法送出数据) ，信息处理 和控制中心启动红外阵列自主工作模式，完成预定空域的目标搜索和截获并对 指定目标进行跟踪，以便为武器系统提供所需的目标定位信息，保证武器系统的 可靠工作，从而构成个完全被动的防御系统。 1 1 4 红外阵列区域防御系统的设计要求 1 1 4 1 战术指标 1 ) 就目前国内外红外器件的发展水平而言，单个红外探测装景的作用距离为2 0 公里，但是通过空间合理布阵，红外探测装置阵列的作用距离可以做到不小 于5 0 公里。并且能够提供满足武器系统要求的目标定位精度。目标探测方位 为敌方可能攻击方向4 5 0 范围，高度探测范围为1 0 公里。 2 ) 目标监视数据率为红外探测装置的帧速率：5 0 帧秒( 2 0 m s ) 或1 0 0 帧秒 ( 1 0 m s ) 。 3 )目标距离、方位和仰角分辨率与测量精度取决于红外探测装置视场大小、红 外探测装置之间的距离、目标与红外探测装置阵列的距离、多站定位精度和 平台角误差等。 4 )系统生存能力；由于红外探测装置是全被动工作，隐蔽性好，因此该系统具 有较强的抗电磁干扰、抗电磁隐身、抗反辐射导弹和低空目标探测的能力。 对于红外热辐射隐身，通过探测装置的多波段分布，其探测能力将有所改善。 5 ) 具有多目标截获、定位和对某一指定目标或待攻击目标进行跟踪以及威胁判 断的能力。 6 )在复杂环境下，具有抗有意和无意红外干扰的能力。 1 1 4 2 技术指标 1 ) 警戒雷达的目标定位误差与具体使用的雷达有关，以r 一5 1 雷达配8 4 3 甲测高 雷达为例，其距离误差小于1 5 0 米、方位误差小于0 2 5 0 、高度误差小于3 0 0 米( 1 5 0 公里内) 。在1 0 0 公里处，指示目标坐标落入大小6 0 0 4 3 6 1 5 0 米。 ( 高度方位距离) 误差立方体中。要求红外探测装置阵列能在该误差立方 体中捕获目标，并进行定位。 红外阵列区域防御系统的伺服控制设计 2 ) 红外探测装置成像为2 8 8 2 8 8 ，瞬时视场角( 角分辨率) 为0 5 m r a d 。 3 ) 红外探测装置选用8 1 2 z m 红外波段的线阵或全凝视面阵，提高环境温度条 件下的目标探测能力以及目标成像速度和分辨率。 4 )为适应火控系统的要求，系统对目标的最小跟踪距离：对小高炮为8 公里， 对导弹为1 5 公里。红外探测装鼍阵列提供的目标定位精度不低于： 距离x r = 1 0 米，方位0 = 1 密位，俯仰q b = l 密位。 1 2 国内外的现状及未来发展 1 2 1 国内外的现状 从军事应用的角度看，红外技术的发展有着革命性的变化。其一：红外技术 已从过去的战术地位发展到今天的战略地位；其二：红外技术已经从过去局部的、 少数的应用发展到今天全面的、大规模的应用。现在，发达国家的陆、海、空三 军中的各类武器系统中，红外系统已经是不可缺少的，甚至是主要的传感器。 以多元红外探测器为核心的热成像系统称为第一代热成像系统。在西方发达 国家，以第一代热成像系统为代表的红外技术已广泛运用于陆、海、空三军，并 多次在实战中使用，获得很好的战果。陆军将红外系统作为对地面和低空目标进 行侦察、搜索、跟踪和测距的技术手段之一，在雷达受到严重干扰时则作为主要 的探测设备使用。已经报道使用红外探测技术的陆军地面防空系统约有1 8 种，都 可3 6 0 。旋转，俯仰角一般为1 0 。+ 5 0 。，探测距离为7 2 0 k m 。由于红外探 测系统相对简单，体积小，抗干扰能力强，有比较好的气候适应性，因此大部分 用空空格斗导弹和便携式地空导弹组成的机动野战防空武器采用红外探测系统。 具有代表性的系统有美国、瑞士联合研制的a d a t s ，美国的“小槲树”，英、法 联合研制的a r i s e ，瑞典的i r b 7 0 0 等。“小槲树”被台湾陆军和海军选作近程 低空防空武器用，装备约4 0 套。该系统将a i m 9 d 空空格斗导弹作为地对空导弹， 采用1 8 0 元长波h g c d t e 光导探测器组成的红外装置作为搜索跟踪系统l l j 。 以红外焦平面阵列器件( 小型) 为核心的热成像系统称为第二代热成像系统。 先进国家的军队要求获得更先进、性能更好、更便于使用的热成像系统，这新一 代系统比第一代系统作用距离远、具有更高的温度和空间分辨率，能够获得更多 的热信息，在恶劣作战环境下工作时可靠性更高，能够与自动目标显示屏实现最 佳连接等。英国t h o me m i 公司已经为英陆军研制出防空警戒设备( a d a d ) 。可 作为早期预警装置，还可配合短程空防武器使用。此a d a d 设备以英国通用热成 像组件垂直扫描阵列为基础，工作波段为8 1 4l am ，它实质上是通过探测飞机 蒙皮和直升机旋翼发出的空气动力热来搜索目标的。英国陆军现己装备a d a d s 系统。美陆军的c c n v e o ( c e c o m 的夜视和电光学中心) 也在发展作为地基空 第一章绪论 防设备的i r s t 系统( a a d e o s ) 。这是按陆军与g ea e r o s p a c e 公司签订的合同 研制的双波段( 3 5t lm 和8 1 41 tm ) 系统。它采用环形扫描方式，以7 0 。视 场和3 6 0 。s 的速度扫描【2 】。 虽然军用热成像技术处于第一代到第二代转变时期，但受经济、技术和其它 方面因素的限制，将出现一代和二代军用系统长期共存的局面。从装备的使用角 度看，对系统的战术技术指标要敢于有舍有取，突出重点，只要达到使用要求， 所用技术应是越简单越好。 在国内，对防空热成像系统的研究已有多年，但具体的装备应用到目前为止 还没有。而现代战争中，谁拥有了最先进的武器装备，谁就拥有了战争的主动。 1 2 2 未来发展 从技术角度讲，红外技术有4 大优点：1 ) 环境适应性优于可见光，尤其是在 空间和恶劣天候下的工作能力；2 ) 隐蔽性好，一般都是被动接收目标的信号，比 雷达和激光探测安全且保密性强，不易被干扰；3 ) 由于是靠目标和背景之间的温 差和发射率差形成的红外辐射特性进行探测，因而判别伪装目标的能力优于可见 光；4 ) 红外系统的体积小，重量轻，功耗低。因此，未来的红外技术仍将朝着保 持其优点的方向发展。从国际的大环境看，冷战结束后，美国进行了全球战略的 调整，美军为未来作战提出的7 种作战能力中，头两种都与红外技术密切相关， 即能将全球监视系统和通信系统以及有关数据的合成与处理集中用于某一战区， 形成信息优势，在全天候、昼夜条件下能伪装和突破防线，识别和打击重要的固 定和机动目标。 在军事需求的牵引和相关技术发展的推动下，作为高新技术的红外技术，在未 来军事技术中的作用将更加广泛和重要，其战略地位表现在3 个方面。 1 ) 红外技术是国家安全依赖的主要探测技术手段 弹道导弹和远程巡航导弹的早期预警、跟踪、识别和拦截对国家战略目标的 安全至关重要。在两伊战争中、海湾战争和最近北约对南联盟的空袭中，远程巡 航导弹和弹道导弹已作为有效突击和反击武器得到使用。红外探测器是侦察卫星、 资源遥感卫星、气象卫星必备的传感器，对国家安全和经济利益有重大影响。因 此可以毫不夸张地说，红外技术已经成为国家安全依赖的主要探测技术手段。 2 ) 红外技术应用更加广泛 红外技术在未来军事技术中的战略地位也是由其使用的广泛性和重要性决定 的。今后，红外技术的局限性将随技术的发展进一步得到克服，并继续运用于相 关领域外。相对而言，雷达隐身技术要成熟得多，这样红外探测技术将成为探测 隐身目标的重要手段。当雷达被电子干扰不能使用后，红外探测技术将成为主要 的防空探测手段。 3 ) 红外技术是未来高技术局部战争使用的主要技术之一 红外阵列区域防御系统的伺服控制设计 未来高技术局部战争必然是在高强度电子对抗条件下进行的，很可能多数的 战斗都是在夜间或恶劣的天气情况下进行。此时，红外系统被动工作的优越性将 更加充分的显示出来。获得战场上的单向透明性( 实际上是获得战场信息优势) ， 对夺取战斗的胜利和减少损失具有决定性的作用。 1 3 论文的主要工作及内容安排 毕设论文的工作，就是经过分析红外阵列区域防御系统，包括其探测器原理 及其扫描和系统搜索跟踪原理，结合数字伺服系统的基本原理，进行红外阵列区 域防御系统的伺服控制设计。包括数字伺服系统的总体设计和数字控制器的硬件 设计和软件设计。 论文共分六章，其结构安排如下： 在第一章里首先介绍了雷达一红外阵列区域防御系统的提出及其基本原理，然 后介绍了红外系统国内外的现状和未来发展，最后说明了论文的主要工作及其内 容安排。 在第二章里介绍了红外探测系统基本技术参数、系统的性能指标、红外探测 器件的基本原理及其扫描原理和红外探测系统的基本结构。 在第三章里讨论了红外阵列区域防御系统在雷达红外阵列组合工作、红外阵 列自主工作和多站区域分管工作三种工作模式下的跟踪、搜索原理。 在第四章里讨论了数字伺服系统的基本原理、伺服电动机的选取、轴角编码 器以及直流p w m 伺服驱动技术。 在第五章里讨论了数字控制器的硬件组成、d a 变换电路、作为a d 使用的 跟踪式r d c 、位置环、速度环、电流环以及数字控制器与上位机的通信。 在第六章里讨论了数字控制器软件的实现。它包括系统主程序和中断服务程 序。中断服务程序包括0 0 ，3 6 0 。跳变处理程序、最小转角控制算法和数字控制器 控制算法。 第二章红外探测器件原理及探测系统结构! 第二章：红外探测器件原理及探测系统结构 2 1 基本技术参数介绍 l 、瞬时视场 瞬时视场指的是探测器线性尺寸对系统物空间的两维张角。它由探测器的形 状和尺寸以及光学系统的焦距决定。若探测器为矩形，尺寸为a x b ，则瞬时视场的 平面角a 、1 3 为 a = 导，b = 尝 式( 2 1 ) |j 其中：厂一一为光学系统的焦距 一般情况下，瞬时视场表示了系统的空间分辨力。 2 、总视场 总视场指的是光学系统所观察到的物空间的两维视场角。总视场由系统所观 察的景物空间的大小和光学系统的焦距决定。假如，总视场在水平方向和垂直方 向分别为w 。和w ，则系统的一帧图像中所包含的像元数的最大值为 m 。_ w a 而, w r p 该式表明，探测器的尺寸越小，系统的分辨力越高。 3 、帧周期和帧频 系统扫过一幅完整画面所需的时间称为帧周期，或帧时，记为t ，( 单位为s ) 。 系统1 s 内扫过画面的帧数称为帧频，或帧速，记为昂。 4 、扫描效率n 。 热成像系统对景物扫描时，由于同步扫描、回扫、直流恢复等要占时间，这 个时间内不产生视频信号，称为空载时间。帧周期与空载时间之差称为有效扫描 时间。有效扫描时间与帧周期之比，就是系统的扫描效率。 5 、驻留时间t 。 探测器驻留时间是扫过一个探测器张角所需的时间。当扫描速度为常数，系 统的空载时间为零时，单元探测器的驻留时间t 一为 h 2 等= 孚= 器 式c z - 。， m 一一整个景物画面的像元数 若探测器为n 元并联线列探测器时，则驻留时间ta 为 红外阵列区域防御系统的伺服控制设计 t 一，= 器 式( 2 - 4 ) 实际上，系统的空载时间不为零，设计时应乘以扫描效率，并注意探测器驻 留时间应大于探测器的时间常数。 6 、跟踪角速度及角加速度 跟踪角速度及角加速度是指跟踪机构能够输出的最大角速度及角加速度。它 表明了系统的跟踪能力，它们由系统所攻击的目标相对系统的最大运动角速度及 角加速度决定。 7 、跟踪精度 跟踪精度是指系统稳定跟踪目标时，系统光轴与目标视线之间的角度误差。 系统的跟踪误差包括失调角、随机误差和加工装配误差。 8 、搜索视场 搜索视场是指搜索一帧的时间内，光学系统瞬时视场所能覆盖的空域范围。 这个范围通常用方位和俯仰的角度来表示。 9 、搜索角速度 搜索角速度是指在搜索过程中，光轴在方位方向上每秒中转过的角度。 2 2 系统性能指标 参考北约国家军队红外跟踪系统的技术参数，考察了我国相关研究单位 的技术水平，对红外探测装置提出如下性能指标： 1 、有效作用距离2 0 k m 左右 2 、可实现的方向搜索3 6 0 。 3 、俯仰搜索+ 4 0 0 一1 5 0 4 、红外探测器波段 8 1 21 tm 5 、红外探测装置成像为2 8 8 2 8 8 像素，瞬时视场角( 角分辨率) 为0 5m r a d ； 6 、作用距离误差r 1 0 米 7 、方位0 1 密位 8 、仰角a 审1 密位 2 3 红外探测器件原理 2 3 1 基本红外探测器原理及其分类 简单说，用来检测红外辐射存在的器件称为红外探测器，它能把接收到的红 外辐射转变成体积、压力、电流等容易测量的物理量。现代探测器大都以电信号 第二章红外捃测器件原理及探测系统结构! 的形式输出，所以我们也可以说，红外探测器的作用就是把接收到的红外辐射转 换成电信号输出，是实现光电转换功能的灵敏器件。 从工作原理上，红外探测器可以分为两大类，一类是热探测器，另一类是光 子探测器( 也称光电探测器) 。 热探测器接收红外辐射以后，先引起温度变化，温度变化引起电信号输出。 输出的电信号与温度的变化成正比例。而温度变化是因为吸收热辐射能量引起的， 与吸收红外辐射的波长没有关系，即热探测器没有波长选择性。如：气动探测器、 温差电偶、温差电堆、热电探测器和测辐射热计都是热探测器。 红外光子探测器接收红外辐射以后，由于红外光予直接把材料的束缚态电子 激发成传导电子，所以引起电信号输出，信号大小与吸收的光子数成正比例。这 些红外光子能量的大小，必须能达到足以激发束缚态电子才能起这种激发作用。 所以光子探测器吸收的红外光予必须满足一定的能量要求，即有一定波长限制， 超过能量限制的波长不能吸收，对红外辐射的吸收有波长选择性。如：光导型红 外探测器、光伏型红外探测器和光磁电型红外探测器都是红外光子探测器。 2 3 2 第一代红外探测器扫描原理 在第一代红外系统中，红外探测器通常位于系统的光学焦平面上。现代高性 能的红外探测器一般为内光电效应的半导体光电探测器，它需要封装在真空杜瓦 瓶中并在低温下工作，而信息处理电路位于焦平面外不放在杜瓦瓶内，于室温下 工作。这样，在焦平面上仅仅完成探测功能。在杜瓦瓶中的每一个探测器单元都 有一根独立的传导信号引线通过杜瓦瓶壁引出。因此探测器元数越多，功耗也就 越大。在第一代的红外系统中应用的探测器元数被限制在2 0 0 元以下。国外7 0 年代末发展的6 0 、1 2 0 ：1 8 0 元光导型碲镉汞通用组件是第一代红外探测器的典型 例子。如图2 1 所示。 分立探测器和前置放大器结构 国霾 圈2 1 第一代红外探测器 第一代红外探测器；每个探测器将光信号转换成电信号( 电压或电流) ， 并有一根独立的引线和一个前置放大器输出： 2 3 2 1 单元红外探测器扫描原理 单元红外探测器的系统为了获得一定的视场，必须靠行、场光机扫描机构来 完成。其原理如图2 2 所示。单元探测器与物空间单元相对应。当光学系统作方 竺红外阵列区域防御系统的伺服控制设计 位偏转及俯仰偏转时，单元探测器所对应的物空间单元也在方位及俯仰方向上作 相应移动。光学系统偏转角的大小决定了热成象系统的观测范围，即视场。光机 图2 2 单元探测器光机扫描原理结构图 扫描的特点是探测器相对总视场只有较小的接收范围，而由光学部件作机械运动 来实现对景物空间的分解。这样，为了达到系统所要求的帧速，光机扫描机构必 须以很高的角速度和角加速度运动；才能满足系统性能。这就要求光机扫描机构 转动惯量小，否则，系统滞后严重，将无法进行实时跟踪。 2 3 2 2 多元红外探测器扫描原理 多元探测器的扫描方式因元件的排列和扫描方向的不同而分为串联扫描、并 联扫描和串并联扫描。见图2 3 。对单元红外探测器而言，是靠行、场光机扫描 ( b )( c ) 探测器扫描排列方式 ( a ) 并扫方式( b ) 串扫方式( c ) 串并扫方式 机构去摄取景物的( 假设景物由m 个面元组成) 。一帧周期昂内，探测器摄取 丁。 其中一个面元的驻留时间乃只有r 尸告2 赤秒，这里昂和五分别是帧周期 和帧频，如果由n 个单元器件所组成的n 元线阵列红外探测器去执行对同一场 景的扫描任务，则同一个景物面元在阵列探测器上的驻留时间力= l 。然而， ，口m 在其他条件相同的情况下，输出信噪比正比于景物面元图像在探测器上的驻留时 间的平方根。所以，红外探测器由单元改进到n 元并扫线阵，系统输出信噪比提 高至原值的”倍，即 ( 舅) 井扫= 石( s ) 单元 第二章红外探测器件原理及探测系统结构旦 1 并联扫描摄像方式 r 1 个单元探测器平行扫过景物像，每个单元只扫过一行，每个输出信号经多 路传输和扫描转换后送出视频信号。 探测器前置放大器 图2 4 并联扫描摄像方式 2 串联扫描摄像方式 n 个单元的线阵探测器沿物空间水平方向排列成一行，行扫描方向与探测器 排列方向一致。扫描时景物上点依次扫过各探测器，行扫速度和帧扫速度都与 单元探测器相同串联扫描的每个探测元件都要扫过景物的网一个点，因此多元 串扫实质上与单元探测器扫描是一样工作的，只是串扫增强了景物的信号。仍需 通过两维光机扫描，使每个单元都扫过系统的总视场：每个探测器都连接一个前 置放大器，经过相应的延迟后，形成单一通道视频信号输至显示器。 图2 5 串联扫描摄像方式 对串扫摄像方式景物面元在探测器单元上的驻留时间、带宽与单元探测器 的相同，但其输出视频信号的信噪比却同样提高为原值的盯倍。串扫摄像方式 的另一大优点是它消除了探测器性能不均匀性造成的图像缺陷，因为r 1 个单元串 扫过景物同一面元，不存在它们之间性能的不一致性带来的图像不均匀响应问题。 3 串并扫描摄像方式 这种扫描摄像方式综合了上述两种方式的优点，尤其是当并扫探测器单元 数不足以覆盖整个景物区域时，为褥到一幅完整的图像，必须采用串并扫方式。 串并扫 瓜了 j 图2 6 串并扫摄像方式 里红外阵歹 区域防御系统的伺服控制设计 2 3 3 红外焦平面阵列( i r f p a i n f r a - r e df o c u sp l a n ea r r a y ) i r f p a 是新一代红外探测器，它建立在材料、探测器阵列、微电子、互连、 封装等多项技术基础上。硅c c d ( 电荷耦合器件c h a r g e c o u p l e d e v i c e ) 的发明 使得在焦平面上完成探测功能同时又完成信号处理功能成为可能。c c d 的基本思 想是在m i s ( 金属绝缘体半导体m e t a l i s o l a t o r - s e m i c o n d u c t o r ) 阵列中存储和转 移电荷包。在红外探测器材料与器件和微电子技术的长足进展的前体下，促进了 用集成电路技术制造具有模拟信号读出电路的高密度探测器阵列，产生了i r f p a 。 图2 7 为第二代红外探测器的几种情况。 嬲黝糊 图2 7 第二代红外探测器 第二玳红外探测器i r f p a ：探测器将光信号转换成电子， 由电荷注入至多路传输器后输出。 i r f p a 的基本功能是在焦平面上完成光信号探测。并在积分时间内将光信号 转换为电信号和多路传输，即把各个探测器的信号多路传输至一条或几条输出线 路而读出。这样大大减少了从杜瓦瓶中引出的线数，因而可将探测器的元数比第 一代提高了几个量级。探测器元数的增加，使红外系统可获得较高的图像分辨率 和灵敏度，从而提高系统对目标的识别能力，提高远距离探测和跟踪多目标的能 力，在提高性能的同时又缩小了系统的体积与重量，最终可省去笨重的机械扫描， 并向电子扫描过渡，使整个系统设计变得简单，做到小型化。 2 3 3 1 扫描型i r f p a 它是一种具有一维光机扫描，并在焦平面上带有信号处理及读出功能的器 件。通常由1 至4 排线列组成，是当前发展最为迅速并已得到应用得种i r f p a 。 以法国与美国推出得h g c d t e 4 n 系列( 4 2 8 8 ，4 4 8 0 ，4 x 9 6 0 ) 为典型例子，在 焦平面上由4 排2 8 8 个( 或4 8 8 ，9 6 0 ) 的光伏型碲镉汞探测器线列和带有t d i ( 时 间延迟和积分) 功能的硅c c d 信号处理电路通过铟柱互连而成。2 8 8 行产生一个 视频场，采用一维的光机扫描。要求扫描速度与电荷转移速度同步，扫描方向有 四个探测器，每个探测器顺次扫过同视场元，依次从同一像点取样。这样在探 测器增益相同情况下，最后线性相加，为单个探测器的4 倍，而噪声是非相关的 为4 “2 倍，因此总的信噪比为原来的2 倍。 2 。3 3 2 凝视型i r i ? p a 凝视型i r f p a 是一种无需光机扫描的二维探测器阵列，覆盖了整个视场，一 第二章红外探钡4 器件原理及探测系统结构 个探测元对应景物的一个点，在每一时间周期内对全视场积分，信号由信号处理 装置依次读出该视场后再对第二个视场进行积分。采用凝视型i r f p a 的红外系统 可大大简化设计，达到小型化。凝视型i r f p a 为了达到最佳的性能与最大的信噪 比需要尽可能长的有效积分时间。增加积分时间，就可以增加系统的灵敏度。 近代，正在大力发展不用光机扫描，即用红外焦平面阵列器件来成像的热像 仪。由于去掉了光机扫描，这种用大规模焦平面阵列成像的传感器被称为凝视传 感器。它不仅减少了体积重量，还提高了可靠性。 2 3 3 _ 3i r f p ：a 系统扫描原理 如果在竖直方向有n v 个单元探测器排列，在水平方向也有n h 个单元的探测 器来覆盖所要求的空间范围，以取代低帧速扫描，则探测器变为r l v n h 个单元的 焦平面阵列，此时景物面元在探测器上的响应( 驻留) 时间增加到原值的( n v n h ) 倍，带宽减少到原值的l 。输出信噪比提高到原值的玎，n 。倍。显然，当 ”h 焦平面阵列探测器个数n v n h 足够多时，景物面远在探测器上的响应时间会远远 长于后续信号处理器的采样时间，此时，视觉神经好像是在固定注视景物一样， 故称为红外焦平面“凝视”器件。红外焦平面阵列包括光敏元件和信号处理部分， 可采用不同的红外光子探测器、信号电荷读出器和多路传输方式。 圈2 8 面阵列凝视红外探测器系统扫描原理 如图2 8 所示，面阵探测器中的每个单元对应于景物空间的一个相应的小区 域，整个面阵探测器对应于所观察的景物空间。通过采样换接技术，将面阵探测 器各单元产生的信号依次送出。系统的扫描特点是对整个视场内的景物辐射同时 接收，而通过对阵列中各单元器件的信号顺序采样来实现对景物图象的分解。 采用面阵红外探测器阵列，系统不再需要光机扫描，这样大大简化了系统设 计。如果面阵红外探测器阵列的探测元个数不足够对应于系统分析所要求的视场 时，整个系统可通过特殊的慢速扫描，来实现系统要求的视场。 在本项目研究系统中，如果面阵探测器采用2 8 8 2 8 8 ，则它不能完全对应于 系统所要求的视场，所以还必须有特殊的扫描，使它实现系统所要求的视场指标。 竺 红外阵列区域防御系统的伺服控制设计 2 3 4 红外阵列区域防御系统探测器分析 在红外阵列区域防御系统中，红外探测装置成像为2 8 8 2 8 8 像素，目标监视 数据率为红外探测装置的帧速率5 0 帧秒，即每帧的时间为2 0 m s ( 或帧速率为1 0 0 帧秒，即每帧的时间为l o m s ) 。如果采用隔行扫描，每场有1 4 4 2 8 8 = 4 1 4 7 2 个 像素，场频是l o o h z ，即每场的时间是l o m s 。如果由单元探测器用光机扫描来获 取这场图像，暂不考虑光机扫描的效率，将2 0 m s 全部用来扫描这场图像对应的景 物，在每个像素对应的景物点上扫描驻留时间t 。或称能量积分的时间仅仅有 t d = l o m s 4 1 4 7 2 = o 2 4 11us 如此短的驻留时间内在每一景物点拾取的能量是十分微弱的，因而要提高灵敏度 就必须增大扫描每景物点的驻留时间即能量积分时间，这就要求扫的慢点；但 同时要满足在规定时间内扫完一场的景物，因此就不能由一个探测器一行一行地 扫，要尽可能一次扫多行，那就是用俯仰方向排列的多元探测器，最好是1 4 4 元 的探测器线列在l o m s 内一下就扫完一场，这样每个探测器扫描该行每一像素对应 景物点的驻留时间就增大到 t d = l o m s 2 8 8 = 3 4 7 耻s 探测器灵敏度的基本定义是探测器的噪声等效功率n e p ，n e p 越小探测器灵敏 度也越高。n e p 与电子带宽，的平方根成正比，而，与t 。成反比。即 n e p o c 厂式( 2 6 ) 户丝 式( 2 7 ) 0 n e p 。v - l d 式中，k d 是比例常数。因而t 。越大n e p 越小。红外系统的灵敏度增大倍数达 厮锄 如果每一行是用多元比如4 元串扫，每一元将先后扫过景物中的同一点。将先 扫过该点产生的3 个探测器的光电信号分别延迟不同的时间，使4 个探测器的信 号在时间上准确叠加在一起，信号就增大4 倍。而探测器的随机噪声在叠加中仅 增大2 倍，因而按随机噪声的叠加的性质，其增大倍数是叠加次数的平方根值。 最后信噪比的增益是2 倍。可见对灵敏度而言，串扫元数增加的效果与并扫元数 增加的效果是致的。 如果是大规模焦平面阵列探测器，不用光机扫描，每场一周期的时间中，扣除 将探测器上获得的光电信号转移读出所需时间外，都被用来对景物的辐射能量进 行积分。这样积分时间就大大地增加了。当焦平面阵列探测器的灵敏度高时，可 以缩短场周期，即提高场频，也能满足系统灵敏度需要。这种高场频的系统对探 第二章红外探测器件原理及探测系统结构 测跟踪高速运动的目标是特别有好处的。焦平面阵列探测器的集成规模大，在同 样的探测视场内可分辨的点数就更多，就是说分辨率越高；从另一角度看，在保 持分辨率的情况下，可探测视场就越大。当集成规模足够大时，可以同时满足系 统对大视场高分辨率的要求，这正是发展大规模焦平面阵列器件的目的。 2 4 单站红外探测系统的结构原理 典型的红外探测监视系统的结构图如图2 9 所示。它由扫描装置、信号处理 单元、显示单元、电源供给单元和伺服控制单元组成。 信号处理单元是整个系统的核心单元，它完成警戒雷达指示目标坐标与本站 坐标的换算、红外探测装置相互之间的数据通信、红外探测装置与信控中心的数 据通信；完成本站工作模式之间的转换、搜索与跟踪控制、作为伺服控制系统的 信息显示广1 广_ 1 、忙虽i 髓懂二 l 武器系统 兀 图2 g 单站红外探测系统组成简图 上位机控制数字控制器以及本站的信息显示：当红外探测装置用于为武器系统指 示目标信息时，要将目标精确位置的坐标数据以及特征信息等及时送给武器系统。 由信息处理单元输出的视频信号传给信控中心和其它红外探测装置的信息处理单 元，以便精确确定目标信息。同时，信息处理单元又从信控中心和其它红外探测 装置接收视频信号。 显示单元主要完成目标航迹、简明地图背景、地面重要保卫目标和空中目 一1 6 红外阵列区域防御系统的伺服控制设计 标的有关参数的显示以及告警、干预、监视信息等的显示。 电源供给单元负责整个红外探测系统的配电。 红外扫描装置是整个系统的执行元件，它由光学系统、红外探测器、致冷器 及连接接口四个主要部分组成。其中红外探测器件是红外探测装置中最为关键和 昂贵的部件，它的不同选取将决定红外扫描装置以不同的扫描方式工作。 伺服控制单元的任务是使红外扫描装置的旋转头的被控对象( 角度、速度) 按指定的规律变化，实现高精度快速响应。 2 5 本章小结 本章介绍了红外探测系统的基本技术参数、系统的性能指标、红外探测器件 原理及其扫描原理以及红外探测系统的基本结构。红外探测器件的选用代表了红 外系统的先进程度。但红外探测器件的应用又落后与它的研究。所以实际应用系 统中必须慎重选择红外探测器。 第三章红外阵列区域防御系统的搜索跟踪原理 第三章红外阵列区域防御系统的搜索跟踪原理 3 1 雷达红外阵列组合工作模式下的跟踪原理 当警戒雷达发现一目标出现在某红外探测范围内时，警戒雷达指示该目标， 并由信控中心将目标的信息传送给该红外探测装置，该探测装置将缩小搜索范围， 直接在指定区域内搜索，待其发现目标后转入跟踪目标。红外跟踪系统是依靠接 收选定的运动目标的红外辐射，根据其红外辐射确定目标的位置信息，然后驱动 跟踪机构跟踪目标。 3 1 1 跟踪系统的组成及工作原理 3 1 1 1 跟踪系统的组成及其分类 跟踪系统由方位探测机构及跟踪伺服机构两大部分组成，见图3 i 。根据方位 探测机构的类型来划分，跟踪系统可分为调制盘跟踪系统、十字叉跟踪系统、扫 描跟踪系统和成像跟踪系统。有时把方位探测机构( 除信号处理电路外) 与跟踪 机构组成的测量跟踪系统称为位标器。 位标器 基准线 图3 1 跟踪系统结构圈图3 2 视线、光轴相对位置关系 3 1 1 2 跟踪系统的工作原理 设m 点表示目标的瞬时位置，目标与位标器的连线称为视线。图3 2 为同一 平面内的视线、光轴相对位置囝，当目标位于光轴上时( 0 。= 0 。) ，方位探测系统 无误差信号输出。由于目标的运动，使目标偏离光轴，即0 0 “。系统便输出 与失调角a0 = 0 一0 。相对应的方位误差信号。该误差信号经电子线路处理后送 入跟踪伺服机构，跟踪伺服机构便驱动位标器向着减小失调角a0 的方向运动。 当由于目标的运动，再次加大a0 时，位标器的运动又重复上述过程。这样，系 统便自动跟踪了目标。 当目标在视场中出现时，若成象点面积只有瞬时视场那么大( 即点源目标) ，由 于其携带的信息较简单，则其进行定位、跟踪就很简单。若成象点面积超过瞬时 市场( 即面源目标) ，则必须利用视场中的运动目标的图像特征提取目标运动信息 以跟踪目标。从目标的图像中可以提取图像边缘、形心( 矩心) 、面积、周长、狄 红外阵列区域防御系统的伺服控制设计 度及其分布等图像特征，以及由此而衍生的各种描述特征。目标的图像信息量非 常丰富。利用目标的图像特征作为跟踪目标的参量，不仅精确度有所提高，而且 可具有智能化的跟踪能力。 图33成象跟踪原理图 图3 3 为成象跟踪原理图，由摄像头输出的目标视频信号送到图象信号处理 器，经过处理后检出与目标位置相应的误差信号，误差信号控制伺服机构使摄像 头跟踪目标。对成象跟踪而言，关键在于图像信号处理器的设计问题。图像信号 处理器包括预处理器、跟踪处理器和控制处理器三个环节。预处理器将摄像头输 出的视频信号经过a d 变换成数字信号，然后再经图像检测、滤波或图像分割等 处理后变成可以用的图像信号。跟踪处理器是用来提取目标位置信息及作各种跟 踪处理用途的。控制处理器将跟踪处理器送来的目标位置误差信号转换成控制信 号，以此驱动跟踪伺服机构去跟踪目标。 31 2 跟踪系统的类型 3 1 2 1 扫描元件跟踪 扫描元件跟踪是由跟踪机构驱动光学系统中的扫描元件跟踪目标的。图3 4 为一个红外探测装置扫描头的原理图。红外扫描装置由光学扫描聚光系统、探测 器阵列、致冷器及连接接1 ：3 四个主要部分组成。扫描镜( 即活动反射镜) 是用来 进行跟踪的扫描元件，方位马达带动由活动反射镜、目镜及视窗组成的旋转头旋 转，以实现全方位扫描。活动反射镜在进行方位扫描的同时，又由其俯仰马达带 动其作俯仰扫描来实现俯仰视场。这样扫描机构就能完成空间方位和俯仰范围的 扫描。国外以4 n 系列i r f p a 为探测元件的系统大都采用扫描元件跟踪方式，这样 可以简化运动部件使系统小巧、轻便、灵活。 第三章红外阵列区域防御系统的搜索跟踪原理旦 图3 4 红外探测装置扫描头的原理图 3 1 2 2 整机扫描 整机扫描的结构图如图3 5 所示。对方位角的控制是通过电机带动方位轴的 旋转来跟踪方位角的变化；对俯仰角的控制是通过电机带动垂直轴的旋转来跟踪 俯仰角的变化。红外探测器件位于光学系统的焦平面上，探测元