红外调制与调制盘 原理.ppt

第六章红外调制与调制盘 主讲 信息科学与工程学院冯传胜email fcs 本章内容 6 1红外调制的一般概念6 1 1对红外辐射进行调制的意义6 1 2调制盘的作用6 1 3关于调制波的一般概念6 1 4调制波的形式及主要特征6 2调制盘的类型及工作原理6 2 1概述6 2 2调幅式调制盘6 2 3调频式调制盘6 2 4脉冲编码式调制盘 6 1红外调制的一般概念 6 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 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 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 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 6 1 2调制盘的作用最基本的作用 将恒定的辐射通量转换为断续的辐射通量 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 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 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 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 6 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 是角频率 是相位 是t时刻信号的相角 载波 如果ac 是常数 上式表示未调制波 即载波 此时的 c为载频 调制波 如果ac或 发生变化 则信号a t 就成了调制波 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 c而言 调制信号频谱聚于较低的频率区域 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 6 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 amfmpm脉冲调制 脉冲调幅 pam 脉冲调宽 pwm 脉冲调位 ppm 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 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 二 调角调角波的一般表达式调相调相波瞬时频率调频瞬时频率调频波 可见调频与调相密切相关 两者虽然调制方式不同 但实质上有共同之处 下面分析调频的特点 调频的特点 1 载波信号幅度不变 但频率随调制信号的变化而变化 2 调制的结果使频谱展宽 3 调频波的能量集中于载频附近 能量的集中度与调制指数m有关 m值较小时 能量集中于载频附近 随着m的增大 有效频谱宽度增大 4 能量的利用效率高于调幅 5 抗干扰性能优于调幅 在输入噪声功率密度相同及载波幅值相同的情况下 调频系统的输出信噪比是是调幅系统输出信噪比的3m2倍 6 存在门限效应 m越大 门限越高 其中 f是最大频率偏移 f是调制信号的频率 二 脉冲调制用脉冲串作为载波的调制称为脉冲调制 一 脉冲调幅周期性脉冲的幅度 按调制信号规律而变化的过程叫做脉冲调幅 特点 脉冲调幅波的频谱中包含有调制频率分量 所以检波时用低通滤波器 0 f f调制信号频率 实现解调 脉冲调幅波的解调对信号和噪声的作用是相同的 所以这种检测系统的信噪比增益为0 而传输带宽为f 由于带宽只是连续波调幅系统的一半 所以在输入信号平均功率相同的条件下 脉冲调幅系统的输入信噪比是连续波调幅系统的2倍 加之连续波调幅系统的信噪比增益为2倍 故这两种调幅系统的输出信噪比相同 二 脉冲调宽 pwm 是指脉冲串载波的幅度与频率均无变化 而只有脉冲宽度按调制信号规律变化 特点 脉冲调宽频谱图与脉冲调幅频谱图基本相同 只是组合频率更加复杂 频谱中包含直流分量 调制频率分量 载波及其高次谐波 解调时仍可用低通滤波器分离出低频调制信号 三 脉冲调位 ppm 是指用脉冲串载波中脉冲的位置参量来传输信息 也叫脉位调制 特点 脉冲调位波的频谱中 仍有直流分量与调制频率分量 并有无穷多个未调载波的谐波与以各谐波频率为中收的无穷多个组合频率 且各组合频率是不相等的 在未调制脉冲相同和调制信号相同的情况下 调位脉冲频谱中的调制频率分量幅值比调幅或调宽的调制频率分量幅值小得多 且有失真 所以不能简单地用低通滤波器直接分离出低频调制信号 往往先转换成调幅或调宽脉冲后再进行解调 在这三种脉冲调制方式中 脉冲调幅的抗干扰性差一些 不能使用限幅器消除噪声干扰 当象点较调制盘分格小时 红外信号的调制属于脉冲调制 而象点超出调制盘分格时 属于连续波调制 对于连续波调制 调频系统的抗干扰性能强于调幅系统 无论大信噪比输入还是小信噪比输入 调频系统的输出信噪比高于调幅系统 大信噪比输入情况下 宽带调频信噪比增益更高 调频系统的能量利用效率高于调幅系统 调幅系统的信号处理系统比调频系统结构简单 工作可靠 对于脉冲调制 抗干扰性 pwm ppm优于pam解调方式 ppm的解调比pwm和pam复杂 pam和am相比 am的信噪比增益略高 6 2调制盘的类型及工作原理 6 2 1概述红外系统中调制盘类型多 图案各异 象点与调制盘间相对运动的方式也各有不同 从位置编码的基本原理 即调制方式 来分 调幅式 am 调频式 fm 调相式 pm 调宽式 wm 脉冲编码式 目标点m 在物平面 经光学系统成象在象平面上 象点为m 对于望远系统 象平面在焦平面上 则有式中 f为光学系统焦距 为xoy平面内象点m到o的距离 为象点方位角 q为失调角 反映目标偏离光轴大小 象点位置反映了目标偏离光轴大小 本节分析调制盘如何将目标象点位置转化为可用信号 及如何进行空间滤波 6 2 2调幅式调制盘一 初升太阳式调制盘 旭日式 一 工作原理1 调制盘图案及调幅波的产生调制盘放在焦平面上 中心位于光轴 象点不动 调制盘转动 象点交替通过透过和不透过栅 从而使象点能量在最大值与最小值之间交替变化 调制盘转动角频率 转动一圈为一个周期t 2 半透 不透 全透 上半圆 目标调制区 透辐射与不透辐射扇形条呈辐射状 下半圆 半透区 2 调幅波包络的幅值与象点偏离量 和象点大小的关系象点 位置 偏离量 方位角 象点为有限半径圆形 如图 象点面积s s1 s2s1为透辐射区面积s2为不透辐射区面积象点上辐照度均匀分布总能量f f1 f2透过能量f1 s1不透过能量f2 s2调制盘转动时 透过调制盘的能量 上半圆 在f1和f2之间变化下半圆 f 2 调制度d d越大 调制信号的幅度越大 s一定 增大 d增大 减小 d减少 趋于0 这时可将d看成是的 函数 即d f 所以可用调制信号的幅值表示偏移量 的大小 如果s的值也是变化的 则d f s 如果控制s随 按一定规律变化 则d f s f g 可见 通过调制盘图案形式和目标象点大小变化相配合 可满足有用信号与目标偏移量呈某一特定关系 3 包络相位与目标方位角的关系旭日型调制盘 图案有明显的分界线 ox 可用其产生基准信号以检测包络的相位 初相角 通过前面的分析可以看出 目标象点信息与调幅波的关系 偏离量 调幅波的幅度方位角 调幅波包络的初相位 4 关于半透区的设置与径向分格问题对于大面积的象点 由于跨越调制盘多个透辐射和不透辐射栅格 所以透过的和不透过的辐射能基本相等 调制度d约为0 即如果象点总能量为f0 则 上半圆透过辐射能 f0 2下半圆透过辐射能 f0 2这样调制盘转动时 基本没有有用信号输出 从而实现空间滤波 可见 对大面积的背景辐射 在整个周期内保持调制盘的透过系数为某一恒定值 是空间滤波的一条重要原则 一个周期t内输出基本恒定f0 2 从上面分析可见 当辐射面积较小的背景成像于调制盘的边缘时 仍可产生调制信号 这时采用在调制盘边缘径向分格的方法抑制背景干扰 注意各格点面积应尽可能相等 空间滤波中 为了进行步消除背景干扰而进行径向分格的另一个原则 等面积原则 响尾蛇空 空导弹导引头中实际采用的调制盘 实物直径为6 3mm 上半圆为调制区 分成12个等分扇形区 中心扇形区的半径为1 1mm 边缘各环带分成三组 从内层环带算起 1 4环带 每环带间距为0 2mm 5 9环带 每环带间距为0 15mm 10 14环带 每环带间距为0 1mm 图中只画出12个环带 下半圆为半透明区 由62条宽为0 025mm 25 间距也为0 025mm的不透明同心半圆黑线组成的 因为目标象点线度通常讲远较0 025mm为大 所以可认为这个区域的透过系数无论对目标或对背景都是50 二 调制特性分析1 调制曲线的形状目标象点的偏离量 f q 可用失调角 q来表示 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 oe段 对应象点离光轴很近 u很小 小于噪声 表现为调制曲线比较平缓 该区称为调制盘的盲区 ef段 随 q的增加 调制深度增加 有用信号也增加 调制曲线表现为上升区 fg段 当 q继续增大 目标象点进入棋盘格区域 由于棋盘格区域每一环带宽度随 q增加逐渐变窄 则调制深度明显下降 有用信号也下降 调制曲线表现为下降区 整个调制曲线相对于光轴对称 注意 调制盘的径向分格 一方面是从消除背景干扰着想 另一方面又对调制曲线的形状有所影响 在设计时两者应兼顾 2 影响调制曲线形状的因素 1 调制盘本身图案形式的影响图案影响调制深度d 从而影响调制曲线 2 象点大小及其变化规律的影响 3 距离的影响距离变化 象点大小和能量变化象点大小与能量是一对矛盾 距离减小 象点面积增加 调制深度减小 有用信号减少距离减小 同时能量增加 有用信号增加距离较远时 能量的影响较大距离较近时 象点面积的影响较大例如响尾蛇空 空导弹 在最后接近目标的50 100米内 由于象点面积急剧增加 有用信号也急剧减小 信号小到比噪声还小 系统失去控制 靠惯性飞向目标 所以最后的50 100米为失控距离 二 光点扫描式调制盘也称为圆锥扫描式调制盘 一 工作原理1 调制盘图案及光点扫描圆的形成最外围 三角形 调制区 用于产生调制曲线的上升段 三角形的数目根据选择的载波频率和光点扫描频率确定 内层 扇形分带棋盘格式图案 根据空间滤波的考虑设计 所以各环带上的黑白面积应尽量相等 调制盘置于光学系统的焦平面上 图案中心与光学系统主光轴重合 调制盘本身不转 目标象点相对于调制盘作圆运动 光点扫描圆的形成 目标象点在调制盘上的运动轨迹称为光点扫描圆 折反式光学系统 次反射镜旋转形成扫描圆通过改变倾角可以改变扫描圆的大小 透射式光学系统 光楔旋转形成扫描圆通过改变光楔的楔角及光楔在光轴上的位置可以改变扫描圆的大小 目标位于光轴上时 光点扫描圆是一个与调制盘同心的圆 目标偏离光轴 扫描圆中心偏离调制盘中心 目标偏离光轴的偏离量大小和偏离方位决定了扫描圆中心偏离调制盘中心的偏离量大小和偏离方位 2 误差信号的产生误差信号的来源 象点调制深度的变化载波波形的变化载波频率的变化 目标在光轴上 扫描圆扫过三角形腰部 目标偏离光轴 扫描圆扫过三角形不同部位 目标偏离光轴过大 部分扫描圆扫过三角形不同部位 载波频率fc n n是三角形数目 是扫描圆旋转速度 r s 1 象点调制深度的影响 设象点大小不变 象点从三角形不同部位扫过时的调制深度不同 2 载波波形的影响 设调制深度相同 象点从三角形不同部位扫过时的产生的调制波形不同 载波幅值增加 付里叶变换后比较基频 3 载波频率变化的影响扫描圆的线速度是固定的 弧长 扫过弧长所用时间相应扫过三个不同部位的载波频率 频率对载波信号幅值的影响 取决于滤波器的频率特性 如果滤波器的频率特性如右图 则无论频率升高或降低 都会导致载波信号电压幅值减小 调制盘如何反映目标的偏离量 和方位角 1 目标偏离一失调角 q后 扫描圆中心偏离调制盘中心 如b 90方位调制深度增加 270方位调制深度减小 扫描一周 在调制盘不同位置上载波幅值不同 产生调幅波 对应于调制曲线上升段 2 失调角 q进一步增加 如c 90方位进入三角形根部以内 270方位扫出了调制盘 出现单边调制 单边调制包络幅值下降 随着 q的增加包络下降更严重 进入调制曲线的下降段 3 方位角 的确定 目标方位角体现在扫描圆中心相对于调制盘中心的方位角上 这时载波包络信号也具有初相位角 将包络检出后 通过与基准信号相比较 可得目标方位角 与初升太阳式调制盘 旭日式 的比较 调制方式相同 都是用包络的幅值来反映目标的偏离角用包络的初相位来反映目标的方位角与旭日式调制盘相比 光点扫描式调制盘的空间滤波能力较差 外围三角形区 分格面积相差大内部 透过 或不透过 面积不均匀 二 调制曲线及其影响因素调制曲线如图 只有上升段和下降段r为上升区宽度 a r 为下降区宽度 上升区宽度的影响因素外圈三角形的高度光学系统的焦距其中h为三角形高度 f为光学系统焦距 影响上升区斜率的因素是三角形的形状 细长三角形 斜率小 但r大粗而短的三角形 斜率大 包络幅值变化大 但r小 调制盘的特点 调制曲线无盲区 跟踪精度高有效视场大 比调制盘决定的瞬时视场大近一倍 6 2 3调频式调制盘一 旋转调频调制盘图案1 如图 径向分成四个环带每个环带分成若干个黑白格子 同一环带中的格子的对应的扇形角度相等 每一环带内的扇形格子数目随径向距离而变化 由内向外每增加一个环带 黑白格子的数目增加一倍 根据载波频率判断象点位置 如a点的频率是b点频率的一半 缺点 无法判断目标的方位角 处于同一环带内的象点无法区分 图案2 如图 径向分三个环带各环带中黑白扇形分格从内向外逐渐增加每一环带的分格大小不均匀 其角度分格自oo 线起按正弦规律变化 如果目标的方位角为 0 形成的调频波近似为 其中f0是目标象点辐射能 象点偏离量 是载波的频率 是调制盘旋转角频率 m 是调制指数 0是目标象点的方位角 对于象点 调制盘旋转一周形成的矩形脉冲的频率呈正弦规律变化 象点偏离量 和m 调频波的频率 鉴频和滤波 正弦电压信号幅值 正弦电压信号与基准信号比较相位 初相位角 方位角 0 通过分析可见 以上两种图案的调制盘都无法判断目标偏离量的连续变化 二 圆锥扫描调频调制盘如图为扇形辐条式调制盘 使用时置于光学系统的焦平面上 光学系统通过次镜偏轴旋转作圆锥扫描 在调制盘上得到一个光点扫描圆 优点 调制特性曲线无盲区 测角精度与跟踪精度高 缺点 光学系统工作在偏轴状态下 成象质量差 三 圆周平移扫描调频调制盘光学系统共轴 调制盘绕光轴作圆周平移 误差信号产生的原理和解调方式与圆锥扫描调频调制盘相同 优点 无盲区 跟踪精度高成象质量好 所用探测器小 与视场大小相同 而圆锥扫描的探测器与调制盘大小相同 探测器面积小则噪声小 灵敏度高 作用距离大 缺点 圆周平移扫描运动实现方法复杂 象点a 象点b 象点c 调频与调幅调制盘的比较 调频调制盘的目标能量利用率高 抗干扰能力强 因而探测距离较远 调频调制盘的信号带宽较宽 信号处理系统较复杂 应采用鉴频器 调幅调制盘目标能量利用率低 抗干扰能力弱 但信号处理电路简单 工作稳定 可靠 6 2 4 脉冲编码式调制盘属于光学系统不动 而调制盘转动的调制盘 属于脉冲调制 对象点进行调制时 脉冲幅度不变 而脉冲包络的宽度 相位及脉冲重复频率随象点位置而变化 用脉冲包络宽度 相位及载频脉冲重复频率的变化分别反映象点的方位 俯仰方向的偏离量大小 因而得名脉冲编码式调制盘 一 调制盘图案 半径r1 r2之间有s组相同的辐条式透与不透相间的辐条 每组辐条由n对透与不透的辐条组成 图中s 5 n 6 辐条宽度为d 每组辐条中心线的延长线通过调制盘中心 各辐条平行 视场截面w b c ef w中心即为光轴 调制盘以o 为中心转动时 视场中心在调制盘上的轨迹圆称为节圆 辐条组之间为透过率为50