光电检测技术-其他典型光电检测技术1

1,第十一章 其他典型光电检测系统,红外制导系统,2,1.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,3,(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U2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,4,2.红外技术在国民经济方面的应用,红外测温仪,红外遥感仪,5,2.红外线的基本性质,6,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。,7,1.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。,4架米格29战斗机,某喷气式飞机,8,(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,9,（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,10,（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射的热辐射。,一年的大气辐射图,11,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。,12,基于点目标跟踪的红外导引系统原理,13,.1 导弹自动导引系统的组成及工作原理,一、导弹自动导引的分类 自动导引方法精度比较高，因此在空空导弹和地空导弹的控制中得到广泛采用。 自动导引的导弹有三种方法。,14,自动导引的导弹的三种方法,1、跟踪法2、平行接近法3、比例导引法,15,二、自动导系统的组成 1、导引头,X-59导引头,雷达导引头,16,2、 舵机,俄R-73空空导弹,前卫-3激光导引头与舵机,17,3、导弹外形及工作原理（1）导弹外行图,导引头,舵机,发动机,尾翼,18,（2）红外导引头工作原理,测角系统,跟踪系统,u,q,q,qt,19,一、导引头结构组成方块图,.2 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,1、组成图,20,2、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；,（1）结构组成,21,（2）工作原理,22,二、红外光学系统 红外光学系统是红外导引的一个重要组成部分。红外导引通过光学系统来收集目标辐射的红外线。红外光学系统是根据光的基本传播规律进行成象的。,右图：采用红外光学系统的 天文望远镜,23,1、基本组成元件： 光学系统的基本组成元件是反射镜、棱镜、 及光栏。,尼科耳棱镜,24,2、红外成象技术的基本原理,25,3、光学系统的功能,（1）聚集光能以探测目标,（2）利用象点的位置反映目标偏离光轴的 大小和方位,光学系统等效的 凸透镜,26,4、光学系统几个主要的外形结构参数,（1）有效接收口径D 有效接收口径D决定了光学系统有效接收面积的大小。 （2） 焦距 光学系统的焦距是决定系统成象位置及大小的基本参量，焦距还影响系统视角的大小。,27,（3）视角 视角的大小决定了系统所能观察到的有效空间的大小。为了消除背景的干扰，系统的视角不能太大。（4）相对孔径、f数 有效接收口径与焦距的比值称为光学系统的相对孔径。,28,5、影响象质的因素,一个物点成象并不是一个几何点，而是一个亮的扩散圆斑，通常称为弥散圆。弥散圆的大小对信号有相当大的影响。,弥散圆,29,由于弥散圆的大小对信号有相当大的影响，因此需要了解影响弥散圆大小的影响因素。影响弥散圆大小的因素有两种，一是衍射，二是象差。,左图：衍射及其强度分布,30,（1）、衍射对象质的影响 衍射是由光的波动性而引起的。即使是位于光轴上的几何点源，通过有光栏的光学系统后成的象也不是一个几何点，而是一个明亮的中心圆斑，中心圆斑一般称为艾利(Airy)圆。,艾利(Airy)圆,31,(2)、象差对象质的影响 象差是影响弥散圆大小的主要因素。象差可分为色差和单色象差两类。色差是主于透镜的折射系数随波长而变化引起的，单色象差指光学系统对单色光产生的象差。,右图：测量象差的原理图,32,3 红外探测器及其制冷,红外探测器实际上是一种红外线辐射能的转换器。它把辐射能转换成另一种便于测量的能量形式，多数情况下转换成电能，因为从近代的测量技术看，电量的测量最方便最精确。,33,热探测器和光子探测器优缺点的比较,34,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,35,三、红外探测器的致冷,1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 。,36,2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。,37,4 光学调制与调制盘,一、对辐射能进行调制的意义,来自目标的红外辐射能，一般是不能直接利用的因此就需要对光能进行某种形式的调制，这种调制的类型要适合信号处理的有利型式。,38,连续激光束需要斩光才能变成脉冲激光束，高温物体的红外辐射也需要调制成脉冲光才便于测量。为此，设计出了如图3所示的调制盘，该调制盘的旋转速度为2400转/分，同时具有激光束斩光、红外辐射调制这两种功能。,调制盘结简图构,39,二、调制盘基本功用,1使恒稳的光能转变成交变的光能2产生目标所在空间位置的信号编码3空间滤波抑制背景的干扰,光的调制,40,调制盘按调制方式来分类，可以分为调幅、调频和脉冲编码式调制盘。前两种与电学上的调幅和调频是一致的，即它们分别用调制信号幅度、频率的变化来反映目标的位置。脉冲编码式调制盘是用一组组脉冲的频率和相位来反映目标的方位。,三、调幅调制盘的工作原理及特性分析,41,由于调幅式调制盘的信号处理系统较简单、可靠，其性能可以满足导引系统的要求，因此在一些小型空空弹和地空弹上都采用了调幅式调制盘。,42,5 误差信号处理电路框图,红外探测器输出的电信号包含了目标的位置信息，通常称之为误差信号。此误差信号极其微弱，且为调制信号，因此必须经过误差信号处理电路进行放大、解调等处理以后，方可形成控制陀螺跟踪目标的进动电流及输给自动驾驶仪的控制信号以操纵导弹飞行。,43,红外传感器工作原理,红外线光电传感器,44,1对目标误差信号进行电压放大和电流放大； 2对误差信号作解调变换； 3使导引头跟踪系统的工作不受导弹与目标间 距离变 化的影响； 4. 导引头捕获目标时，给射手或载机飞行员提供音响信号； 5. 使导弹在未发射前陀螺转子轴与弹轴相重合。,一、误差值号处理电路的功用,45,某型地空导弹红外导引头，调制盘为调幅式调制盘，其图案如图231所示，调制盘 随陀螺转子以100转/秒的转速转动，因此调幅信号载波频率为： f=12fT=1200Hz 式中为调制盘转动频率fT，即为调制信号包络频率。,二、误差信号处理电路工作原理,46,6 红外目标跟踪系统,一、跟踪系统的功用,跟踪系统用来对运动目标进行跟踪。 当目标运动时，便出现了目标相对于系统测量基准的偏离量，系统测量元件测量出目标的 相对偏离量，并输出相应的误差信号送入跟踪机构，跟踪机构便驱动系统的测量元件向目标方 向运动，消除其相对偏离量，使测量基准对准目标，从而实现对目标的跟踪。,47,红外跟踪系统可以对点源目标和扩展源目标进行跟踪。红外跟踪系统与测角机构组合在 一起，便组成红外方位仪。红外跟踪系统在导弹的制导系统中应用越来越广泛。 红外跟踪系统在导弹的制导系统中应用越来越广泛。红外制导最早应用于空空导弹，近三十年来在技术上不断改进.,48,美国的AIM-9,萨姆-7,目前已出现了以美国的AIML,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.,49,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。,50,“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。,51,二、跟踪系统的组成及工作原理,1跟踪系统的组成,红外跟踪系统包括方位探测系统和跟踪机构两大部分。方位探测系统由光学系统、调制盘、探测器和信号处理电路四部分组成.,52,2、跟踪系统工作原理,当目标位于光轴上时，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，系统便输出与失调角相对应的方位误差信号。该误差信号送入跟踪机构，跟踪机构便驱动位标器向着减小失调角的方向运动.,53,三、对跟踪系统的基本要求,对跟踪系统的主要要求有以下四点：,1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。,54,2跟踪范围,3跟踪精度,跟踪范围是指在跟踪过程中，位标器光轴相对跟踪系统纵轴的最大可能偏转范围。它由 系统使用要求提出，由系统本身结构进行限制。一般可达+30，有些竟达+65左右。,系统的跟踪精度即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。,55,红外自动跟踪系统同其他自动跟踪系统一样，是一个闭环负反馈控制系统。为使整个系统稳定，动态性能好及稳态误差小，同时为了满足前述跟踪角速度及精度要求，则对方位探测系统的输出误差特性曲线应有一定要求。这些要求是 对盲区、线性区、捕获区的要求,4对系统误差特性的要求,调制盘特性曲线,56,四、调制盘跟踪装置结构,调制盘跟踪装置的测量元件为采用调制盘的方位探测系统。由跟踪机构驱动位标器跟踪 目标。下面介绍几种结构型式。,1电机跟踪 这种型式的跟踪装置用电动机或力矩电机作跟踪机构。光学系统、调制盘、探测器、次镜旋轨电机一起组成镜筒组合件。,57,2陀螺跟踪,采用三自由度陀螺作为跟踪机构，光学系统装于陀螺转子上，光轴与转子轴重合。转子高速旋转，通过转子的进动运动跟踪目标。,陀螺,58,转子可绕自身轴转动，又可与内框架一起绕水平轴转过一个角度，也可以与外框架一起绕垂直轴转过一个角度，这样转子就有三个自由度，可向空间任意方向运动。,59,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,60,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,61,红外成象在医学上的应用,疼痛诊断,疾病的诊断,62,一、热象仪的组成,景物经热象仪的光学系统成象在接受面上：热象仪能显示出景物热图的关键是要先将景 物按一定规律进行分割：即将所观察的整个景物空间按水平及垂直两方向分割成若干个小的 空间单元；接受系统依次扫过各空间单元并将各空间单元的信号再组合而成为整个景物空间的图象。,热象仪,63,景物辐射,光学系统探测器,放大处理电路,显示,扫描机构,同步机构,热象仪的组成框图,64,二、热成象系统的特点,1目标,热成象系统所敏感的是景物各部分的温差及发射率、反射率的差异，而不是单纯的目标辐射强度的强弱 。,美国AN/PVS-5A微光夜视眼镜,镜中目标,65,医用热成象诊断器,热成象系统要求在较宽的视场范围内成象，象质清晰，否则热图会模糊不清，因此热成象系统的光学系统象质要求较一般的探测系统高。,2、成象,66,4信息处理,除了低噪声放大以外，还有很多关于悬物视频信号处理的特殊问题。由于成象系统的景物信息量较非成象系统的景物信息量主富得多，所以可以利用信号处理电路尽可能的检出景物的固有信息，以完成多种跟踪任务。,3、探测器,67,热象仪的工作,68,5、显示,显示器应与人眼的视觉特性相适应，且能方便地显示景物的各种特征。近年来又将显示与观代图象识别技术相结合进一步提高了热象仪的效能与应用范围。,69,在叙述红外信息检测的多元检测及扫描搜索跟踪系统时提到过有关的技术参数。这些技术参数完全适用于成象系统。现在为了便于了解热象仪的各部分具体结构及设计原则，将热象仪的基本技术参数重新分述于下：,6、热象仪的基本技术参数,70,(2)、瞬时视场,(1)、光学系统通光口径Do和焦距f,瞬时视场由单元探测器尺寸a、b及光学系统焦距f决定，它的大小通常表示热象仪的空间分辨率的高低。,71,（3）观察视场,观察视场由所需观察的景物空间的大小和光学系统焦距决定。,（4）帧时Tf和帧速F,在扫描速度受到限制的情况下，为了提高扫过每一场画面的时间，有时将画面分成两场或若干场。,72,下图为隔行扫描的情况,第一场,第二场,全帧,73,扫过完整的一帧所需的时间称为帧时Tf，以秒为单位。完成一帧图象的速度称为帧速F。显然下面关系式成立 ：,74,5扫描效率 扫描机构对景物扫描时，扫描机构实际扫过的空间范围往往比景物所张的空间角要大。,电子束扫描过程示意图,6滞留时间,75,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