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现代探测技术2120100190 付悦1 红外探测技术1.1 红外探测的基本工作原理 不同种类的物体发射出的红外光波段是有其特定波段的，该波段的红外光处在可见光波段之外。因此人们可以利用这种特定波段的红外光来实现对物体目标的探测与跟踪。将不可见的红外辐射光探测出并将其转换为可测量的信号的技术就是红外探测技术。红外接收光学系统的作用是把目标或目标区域的红外辐射聚焦在探测器上，其结构类似于通常的接收光学系统，但由于工作在红外波段，其光学材料和镀膜必须和其工作波长相适应。红外探测器将目标及背景的红外辐射转换成电信号，经过非均匀性修正和放大后以视频形式输出至信息处理器。信息处理器由硬件和软件组成，对视频进行快速处理后获得目标信息，通过数据接口输出。显示装置可以实时显示视频信号、状态信息。中心计算机的作用是对整个系统提供时序、状态、接口及对内、对外指令等控制。扫描和伺服控制器控制光学扫描镜或伺服平台的工作，并把光学扫描镜或伺服平台的角度位置信息反馈给中心计算机。从目前应用的情况来看，红外探测有如下几个优点：环境适应性优于可见光，尤其是在夜间和恶劣天候下的工作能力；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；由于是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，因而识别伪装目标的能力优于可见光；与雷达系统相比，红外系统的体积小，重量轻，功耗低；探测器的光谱响应从短波扩展到长波；探测器从单元发展到多元、从多元发展到焦平面；发展了种类繁多的探测器和系统；从单波段探测向多波段探测发展；从制冷型探测器发展到室温探测器；由于红外探测技术有其独特的优点从而使其在军事国防和民用领域得到了广泛的研究和应用，尤其是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探测技术在未来的应用将更加广泛，地位更加重要。1.2 红外探测技术的应用 红外探测具有环境适应性好、隐蔽性好、抗干扰能力强、能在一定程度上识别伪装目标，且设备体积小、重量轻、功耗低等特点，在军事上被广泛应用于搜索跟踪、火力控制、制导、监视等方面。 （1）搜索跟踪。搜索平台周围的广大区域出现的目标，跟踪并将信息传送给相应单位。IRST(红外搜索与跟踪)系统根据应用领域可以分成3种：机载、舰载以及地基。机载IRST除了以敌飞机和其发射的空空导弹为主要探测对象外，还包括以地面发射的地对空导弹为对象的MWS(导弹告警系统)或MAWS(导弹临近告警系统)；舰载IRST以反舰导弹为主要目标；而地面IRST则主要用于对临近攻击枷直升机进行早期预警。 （2）火力控制。把捕获、跟踪目标获取的信息直接用于平台的火力运用，攻击目标。例如，进行机控系统(FCS)；观测命中结果，并提供弹道信息的炮长瞄准装置等。 （3）制导。用于导弹寻的:便携式地对空导弹、近程地对空导弹、导弹防御用地对空导弹等；对付反舰导弹的舰载近程对空导弹、舰载BMD用对空导弹等:机载反舰导弹(ASM)、空空格斗导弹等。 （4）侦察、监视、预警和告警等。FLIR(前视红外装置)等警戒(预警)用IRDS(红外探测装置)、救援直升机装备的旋转头型FLIE等搜索/救难用IRDS、高速导弹艇搭载FLIR等监视可疑船只用IRDS、海峡警备所设置的FLIR监视整个海峡用的IRDS，将来还考虑像美国国防支援项目传感器那样的监视用星载IRDS。1.3 现存问题及改进意见目前的目标探测和识别系统采用了红外焦平面阵列，而红外焦平面阵列需要笨重和昂贵的低温冷却系统，才能保证系统有效运行；在高温环境中仍不能很好地运行红外传感器技术；探测器的面积还较大，需要进一步缩小。2 电容近感引信2.1 电容近感引信的工作原理电容近感引信是利用静电场工作的引信。其工作原理图如下图所示。图1 电容近感引信的工作原理示意图在图1中，目标可以是地面，也可以是坦克装甲等任何金属或者非金属目标。1、2为两个电极，其中电极2可以是战斗部（弹丸），电极1和电极2互相绝缘。C10、C20分别为两个电极与目标见的互电容，C12为两个电极间的互电容。那么，两个电极间的总电容为： （21）当弹丸远离目标时，可以认为均为零，那么两电极间的总电容。随着弹与目标的不断接近，逐渐增加，式（21）中的第二项不断变大。如果把第二项用表示，那么式（21）变为 （22）即随着弹目接近变大。如果把增量或者的增加速率检测出来作为弹目距离信息加以利用，则可实现对目标的定距作用。根据对的检测方法不同，产生了电容近感引信的不同探测方式。2.2 针对某一典型的电容近感引信的信号处理电路的分析其电路如图2所示。图2 模拟电路信号处理电路接下来我们分析一下信号处理电路的工作原理：运算放大器A1构成反向放大器，对探测器的输出信号加以放大。A1的特点是设计成零偏置，使负信号被抑制，并且可以根据弹目相对速度调整其通频带。BG1构成削波限幅器，其作用是把幅值较大的信号变成窄脉冲信号，以便利用窄脉冲抑制电路排除这些干扰信号。如图3所示，目标信号和干扰信号经过削波限幅电路后，大于的部分被抑制掉。目标信号小于限幅电平的部分能通过此电路而传递到下一级电路；而干扰大信号则变为幅值小于限幅电平持续时间比较短的两个尖脉冲信号传递到下一级电路中去。如果下一级电路具有这样的功能：从信号电平达到0.3v开始计时，信号幅值不断增加且持续时间大于才能通过。那么目标信号可以通过，而窄脉冲信号被抑制。图3 削波限幅电路响应波形A2构成微分比较器和窄脉冲抑制电路，本部分电路首先对削波限幅后的信号进行微分，经微分电路后，凡是线性上凸下降形式的信号都不可能达到比较器的比较电平，因此这样的信号将被抑制。当微分信号超过比较电平后，比较器输出近似电源的正信号，并且由R12R13和C4构成的时间电路开始计时。 A3构成第二个微分比较器，对削波限幅信号进行第二次微分。当微分信号超过比较电平时，A3输出幅值近似电源的正信号。 A4构成与电路，当比较器A3和时间电路都达到比较门限时，A4输出启动信号。如果从计时开始到时间T1这一时间段A3输出正信号，则窄脉冲信号不可能与A3输出正信号的时间重叠，因此A4不会输出启动信号。只有在正常目标信号的条件下，A3与时间电路同时存在大于比较电平的正信号输出，A4才输出启动。由上述分析，可以总结出此信号处理电路的优点：对大信号和窄脉冲信号有很好的抑制作用，并可以抑制三角波正弦波等杂散脉冲，这使得引信具有很强的抗干扰能力，可以精确地控制弹药炸点。3 激光声纳探测技术3.1 激光声纳探测技术的工作原理激光声纳探测技术可远距离、非接触地在空中平台上测量水表面的振动速度，进而获得水下声场振动频率。其工作原理是由空中平台垂直发射一束相干激光到空气水界面上测量水表面的振动速度，进而获得水下声场振动频率的技术。由于空气、水的声特性阻抗失配严重，压力释放表面（水表面）将随入射声场而振动，振动频率等于入射声场的频率。水表面的振动导致激光束传输的路径长度不同于水面静止时传输的长度，进而这种振动所导致的激光束传输长度的改变具体反映为光束的多普勒频移。因此，通过获取水表面法向分量的速度信息就可进一步获取水下声场信息，实现声纳探测。图4为探测装置的示意图。图4 差分外差探测装置3.2 影响其灵敏度的主要因素及改进方法探测光束在水面处的光斑面积通常远小于声波长，因此声场对探测光束的时间与空间调制作用与水表面位移的垂直分量、水表面抖动的倾斜角度和曲率有关。在对入射光束进行幅度调制的同时，声场引起的水面振动还对入射光束进行相位调制，通过相位解调也可获得水下声场信息。R. I. Whitman等早在1969年就比较了利用相干法测量声波引起的表面振动位移及相位的四种方法，为后期基于相位调制原理实现高灵敏度声场探测提供了参考。实现激光声纳探测的激光多普勒系统可分为零差和外差两种工作方式，该观点由S. Hanish 于1983年提出。此外，他还从理论上描述了探测系统实际实现时需要考虑的直接关系到系统灵敏度等性能的因素，如信噪比、探测极限、噪声限制等，为该技术的后期发展提供了理论框架。1993年Richard H. Belansky等提出利用相干激光干涉法测量镜面运动产生的多普勒频移信号，即采用单模HeNe激光器和迈克耳逊干涉仪对镜面运动进行频域分析提取频移分量，此外，对实验装置的噪声也进行了全面比较和分析。所设计的实验装置最小可测量能量反射率为10-7的信号，测量值与理论值误差在1以内，但没有确定多普勒频移的方向。最后将声波信号加载到该实验系统中作为信号源，经过频谱分析即可直接获得声波信号的频率，这一实验的报道奠定了目前激光探声声纳技术的发展基础，描述了一种新的探测方法。20世纪90年代末至今，美国海军水下对抗中心(NUWC)的Kenneth M. Walsh等在激光探声声纳技术的实用性能方面展开了广泛的研究，分析了实际应用条件下信号探测面临的问题，如实现水下信号探测、动态水域环境下的信号探测、反射光信号强度增加和探测灵敏度提高等，对于开展该方面的应用研究具有指导性的作用。通过水池试验系统以及商用激光多普勒测振计对激光声纳探声技术可行性的测试，说明了动态的测试环境直接影响到探测的可靠性和有效性。为了克服环境干扰并实现高效、高灵敏度的激光探声，探测光束的垂直入射和反射、反射信号光的捕获和补偿是急需解决的问题。此外，探测系统自身属于振动敏感性装置，为了避免虚假信号污染真实测量信号，系统本身的避振设计在实际应用中也是需要考虑的环节。进入本世纪，激光声纳技术主要着眼于动态测试环境对信号的影响以及如何对回波光信号进行补偿方面的研究，以使通过几方面的研究达到更高的系统灵敏度。对基于该技术发展而来的上、下行通信的可行性也展开了初步的研究。2000年，Anthony Matthews等使用声光混合传感器系统(如图5)按照网格点结构进行回波信号测量，采用光束合成及数据处理技术，获得了待测目标的三维成像，从而有力证明了该方法的有效性。在使用波长780 nm激光作为光源的前提下对激光探声技术的可行性进行了测试，平静的水面条件下，表面激励声压级为168195 dB时对应的输出信噪比为6.747 dB，重力波、毛细波和声信号不连续导致的水表面附加位移都会引起信噪比下降。图5 声光混合传感器系统20022005年，Antonelli Lynn T. 等使用光声发射一声光探测试验系统(如图6)对激光探声技术在主动探测和水下目标定位方面进行了测试，测试表明在静态水面环境下4060kHz范围内激光所能测得的最大表面声压级为156 dB/Pa。针对声光探测提出：将一个面积为13716 mm13716 mm(54英寸54英寸)、间隔为1524 mm(06英寸)的平板网络细分为1010个测量点，通过机械控制系统使探测系统在平板网络上顺次移动，根据分时、逐格、同步、延时触发的办法获得不同测量点上的探测信号序列，再执行频域窄带时延波束合成算法即可实现水下目标的定位，弥补了单点探测对光信号的丢失，有效补偿了反射光信号的丢失。图6 Antonelli Lynn T.使用的光声发射一声光探测试验系统3.3 激光声纳探测技术的应用3.3.1 20世纪以来，其研究成果主要体现为：一是对激光探声技术的执行过程进行了全面分析，提出在探测时采用红外激光器作为光源更具有优势。由于目前商用激光多普勒测振计在动态水面情况下的探测性能不够理想，因此有必要使用信噪比高、线性度好的探测器。其次，在后期的信号处理过程中可以通过算法在一定程度上改善系统的信噪比，提高系统灵敏度。二是通过安装反射光跟踪系统使探测系统在静态水面和动态水面环境下，零误差接收的速率分别为6000 bit/s和900 bit/s，并根据回波信号的特点提出了适于离散采样信号重建的自适应算法，利用该方法对声源定位进行了模拟，误差在7以内，验证了算法的有效性及准确性。这一结果证明了反射光跟踪系统的有效性以及实现下行通信的可行性，从而为下一阶段的声光一光声双向通信奠定了基础。3.2.2光声声光双向通信是在激光声纳探测技术的基础上从单一的上行或下行通信机制逐步发展而来的，成为激光声纳探测技术的又一发展趋势。20052006年，有研究人员利用基于激光声纳技术的光声声光双向通信进行了具体研究，他们的研究工作将激光声纳技术的应用推广到了一个新的发展阶段。下行通信，使用高能量脉冲激光遥感的方法通过光声转换产生水下声信号，其中线性光声转换的覆盖范围受介质参数(环境噪声、声吸收、接收信噪比)、信号频率以及每波长光吸收系数的影响，非线性光声转换部分可以实现小于178 dB的声压级；上行通信，探测振动水面的多普勒频率进而推导获得水下声压级；通信过程中，在静态水面环境下，光声一声光双向通信系统的无误码数据传输率为6000 bit/s。动态水面环境下，即模拟产生的03 m/s水流速度和2.58 m/s的空气流，光声一声光双向通信系统的无误码数据传输率为900 bit/s。3.3 激光声纳探测技术存在的不足与发展趋势