tty6光电测试技术课件六：红外遥感、红外跟踪制导、光纤传感

光电测试技术课件之六,光电子技术应用实例,7.4红外遥感,遥感技术是20世纪60年代发展起来的一门新兴科学技术。它是用飞机、卫星等运载工具把传感器带到空中以至太空去接收和记录各种物体发射和反射的电磁辐射信号并对这些信号进行图像处理和分析判断达到探测地球资源与环境的目的。,遥感技术使用的电磁辐射主要有以下三个波段：可见光（0.4um0.75um）和近红外（0.75um2.5um）波段：地物对太阳辐射的反射波段。中红外（3um5um）和热红外（8um14um）波段：地物接收地物自身的热辐射，能获得较多的地面目标信息，而且昼夜都能接收红外辐射。微波（1mm1m）波段：能穿透云雾，故利用微波遥感技术，不仅昼夜都能工作，而且还能探测云雾覆盖下的地面情况。,7.4.1红外遥感技术的发展及特点,20世纪50年代美国的航空红外遥感已能获得地形的热图像。1959年美国利用先锋号人造卫星拍摄了地球上空云层的照片并测量了地球辐射。红外遥感技术应用于农牧业、森林资源的调查、开发和管理及森林火灾的探测，在地热分布、地震、火山活动等的研究中也都取得了良好的效果。目前，红外遥感技术已达到很高的水平，如在人群和汽车走过数小时之后的地方，从侦察卫星上仍然可以发现其红外辐射的痕迹。,地下导弹发射场，虽经伪装，但因其表面存在红外辐射反常，仍逃脱不了高空的红外遥感装置的监视。利用卫星上的红外装置探测海水温度可精确到0.01，从而可侦察到水下潜艇的行迹。在海湾战争中，遥感技术充分显示了它在现代战争中的重要作用。多国部队使用了二十多颗军事遥感卫星。工作在可见光、红外和微波的多种星载遥感器相互配合，实现了全天候、全天时侦察。,现代遥感技术的优点：信息丰富，真实客观；视野辽阔；具有时间和空间的连续性；不受国界和地理条件限制，可以遥感地面任何角落；效率高，速度快，精度高，成本低。,7.4.2红外遥感仪,红外遥感仪按技术可分为红外扫描成像遥感仪和红外光谱遥感仪两大类，在航空或航天应用中互有交叉。1.红外扫描成像遥感仪红外扫描成像遥感仪是一种摄取远距离目标图像的仪器，分为光机扫描仪和推帚式扫描仪。,光机扫描仪在飞机或卫星上摄取地面辐射图像，常采用行扫描原理，摄取一幅平面图像，需要完成两个垂直方向上的扫描运动。由于飞机或卫星相对地面的运动，它实现了飞行方向的一维扫描，仪器内设置的机械运动反射镜可完成垂直于飞行方向的另一维扫描。,控制扫描镜的转速，在扫完一行地面时，平台正好向前运动了像元所对应的地面距离，并使下一行很好邻接，这样探测器不断输出的电信号就反映出地面的图像数据。这种光电式行扫描仪不受辐射波段的限制可摄取各个波长的辐射图像，而且可直接产生图像数据，不论是远距离传送或用计算机进行图像处理都十分方便。,推帚式扫描仪地面上扫描线对应的辐射信息经光学系统收集，聚焦在线阵CCD上，CCD的输出端以一路时序视频信号输出，在瞬间能同时得到垂直于航线的一条影像线。随着平台的向前移动，以“推帚”方式获取沿轨道的连续影像条带。,2.红外光谱遥感仪光谱遥感仪以获得目标的光谱辐射特性为目的，用以判断物质的存在及种类。光谱遥感仪的基本组成部分包括辐射接收器、中继光学系统、探测器及数据记录等。工作原理目标辐射波会聚后进入中继光学系统，它从时间上或空间上将辐射按波长分开，各波长幅射分别进入光电探测器，光电探测器输出的光谱信息由记录仪和处理电路进行记录和处理。,7.5红外跟踪制导,红外线自动寻的制导系统的导引头所利用的红外线来自目标的发热部分，如飞机的发动机、机头和翼前沿等，是一种被动式自动寻的制导系统。红外导引头主要由红外探测系统和电子线路两部分组成。红外探测系统是一个使光学系统跟踪目标的机电装置，它的作用是接收目标辐射的红外线，探测目标和导弹的相对位置，并将红外线信号转变为电信号。,电子线路主要是由误差信号放大电路和一些辅助电路组成，它的作用是将红外探测系统输出的电信号（误差信号）进行放大和变换，形成控制指令。红外导引头可分为点源式和成像式两种。点源式是把目标作为一个点来取信号，成像式则把目标作为一个面源。,7.5.1红外点源制导系统,1.红外探测系统红外探测系统一般称为红外目标位标器，它由光学系统、调制盘、光敏元件和陀螺系统组成。探测系统上一般装有致冷器，以提高探测灵敏度和探测范围。,（1）光学系统作用：接收和汇集目标辐射的红外线能量，并把它聚焦在调制盘上。为了缩短导引头的长度，一般都采用反射式光学系统。光学系统由整流罩、主反射镜、次反射镜、校正透镜和伞形光阑等组成。来自目标辐射的红外线，透过球形整流罩射到主反射镜上，再经主反射镜反射到次反射镜上，然后通过校正透镜在调制盘上聚焦成像，像点红外线最后照射到光敏元件上，光敏元件就将红外信号转变为电信号。伞形光阑用来遮盖校正透镜，防止目标以外的光线直接照射到调制盘上形成干扰信号。,（2）调制盘调制盘的作用是用来确定目标相对于导弹的位置和抑制背景的干扰。它是一个用透红外材料（如熔石英玻璃）作底板，表面按一定图案镀银的圆片。它被安置在陀螺转子上，随着转子一起转动，把目标连续辐射来的红外线切割成按一定规律变化的脉冲能流。脉冲能流频率的变化取决于调制盘图案和调制盘速度。这样，选择调制盘的图案和旋转速度，便可得到所需要的调频信号。,（3）光敏元件目前主要使用的光敏元件是锑化铟探测器。（4）陀螺系统它是一个三自由度随动陀螺，其作用是使对准目标的光学系统、调制盘、光敏元件等，不受导弹在飞行过程中摆动的影响而偏离目标，实现对目标的跟踪。,2.电子线路由光敏元件输出的误差信号经前置放大器放大和变换后，分成两路输出，一路经再推挽放大，使其成为陀螺的进动信号输入进动线圈；另一路再经磁放大器放大，使极坐标信号通过坐标变换器变换成为控制舵机动作及操纵舵面偏转的直流坐标信号。这样便能控制导弹跟踪和飞向目标。,7.5.2红外成像制导系统,1.红外成像制导技术的特点（1）灵敏度高。其噪声等效温差NETD（0.050.1），很适合探测远程小目标的需要。（2）抗干扰能力强。有目标识别能力，可在复杂干扰背景下探测、识别目标。（3）具有“智能”可实现“发射后不管”。具有在各种复杂战术环境下自主搜索、捕获、识别和跟踪目标的能力，并且能按威胁程度自动选择目标和目标薄弱部位进行命中点选择，可以实现“发射后不管”。,（4）具备准全天候功能。主要工作在8um14um远红外波段，该波段具有穿透烟雾能力，并可昼夜工作，是一种能在恶劣气候条件下工作的准全天候探测系统。（5）具有很强的适应性。红外成像制导系统可以装在各种型号的导弹上使用，只是识别、跟踪的软件不同。,2.红外成像制导系统的组成及工作原理组成：主要由实时红外成像器和视频信号处理器两部分组成。实时红外成像器用来获取和输出目标与背景的红外图像信息。视频信号处理器用来对视频信号进行处理，对背景中可能存在的目标，完成探测、识别和定位，并将目标位置信息输送到目标位置处理器，求解出弹体的导航和寻的矢量。视频信号处理器还向红外成像器反馈信息，以控制它的增益（动态范围）和偏置。还可以结合放在红外成像器中的速率陀螺组合，完成对红外图像信息的捷联式稳定，达到稳定图像的目的。,7.6光纤传感,光纤传感器利用光纤将待测量对光纤内传输的光波参量进行调制，并对被调制过的光波信号进行解调检测，从而获得待测量值的一种装置。按照光纤在传感器中所起的作用，光纤传感器一般可分为两大类：（1）传感型光纤传感器利用光纤本身的特征把光纤直接作为敏感元件，既感知信息又传输信息（也称为功能型或全光纤传感器。（2）传光型光纤传感器利用其他敏感元件感知待测量的变化，光纤仅作为光的传输介质，传输来自远处或难以接近场所的光信号（也称非功能型或混合型传感器）。,光纤传感器的特色多样性（即采用一种光调制形式可以构成多种形式的传感器）环境适应性（不受电磁干扰、耐腐蚀、体积小、便于使用等）可靠性等。光纤传感器是以光学技术为基础的，因此，不但能构成纯电子技术不能实现的传感器，还能结合光、电技术各自的特长、构成新的传感器，扩大传感器的应用范围。20世纪70年代以来，光纤传感器技术已取得了飞速的进步，已有不少成果达到实用的商品化水平，其技术及经济效益十分明显。,7.6.1光纤温度传感器,1.传感型光纤温度传感器利用光的相位变化的光纤温度传感器，当温度变化时，单模光纤的纤维长度、折射率与芯径均跟着发生变化，传输光的相位也将发生变化。此时，可以利用法布里-珀罗型干涉仪将相位变化转换成振幅变化，当相位变化满足谐振条件时，输出光出现峰值。,2.传光型光纤温度传感器传光型光纤温度传感器的基本性能取决于所用的温度传感元件。因为采用光纤来作传输线，所以不仅能发挥常规温度传感器的特长，而且可在其他传输线不能适用的环境下进行检测。,7.6.2光纤位移传感器,1.传感型光纤位移传感器将位移变换成光纤弯曲畸变的一种传感型光纤位移传感器，弯曲使弯曲损耗增加，从而使输出光的强度发生变化。2.传光型光纤位移传感器利用光栅移动的传光型光纤位移传感器，由于光纤端面间的距离较大，需要在光纤端头加透镜以提高光传输效率。,7.6.3光纤陀螺精确测量转动,在过去的几十年中，最常用的转动传感器是机械的惯性陀螺。1960年激光问世后，人们重新燃起了利用Sagnac效应来作光学陀螺的兴趣，因为它没有转动部件，启动时间短，成本低。环形激光陀螺经过二十多年的研究，已达到了惯性陀螺的性能指标要求，并在飞机导航系统中采用。激光陀螺的主要问题是在低速测量时会出现频率锁定现象，失去灵敏度，为此要采用机械颤抖的复杂技术来加以克服，这不仅增加了重量，而且成本增加，可靠性下降。20世纪70年代以后，随着低损耗单模光纤的出现，光纤陀螺的研究受到了人们的极大关注，因为这种陀螺虽然也是基于Sagnac效应，但没有锁定现象，而且增加光纤环路长度，可大大提高测量灵敏度，体积小，重量轻，安全可靠，成本低。,Sagnac效应：在一闭合回路中，沿顺时针方向和逆时针方向传播的两束光光程差与闭合回路的旋转角速度及回路面积成正比，与真空中的光速成反比。,全光纤型光纤陀螺构成：光源、光电探测器、光纤耦合器、光纤环、光纤相位调制器及相应的电子信号处理电路。由光源发出的光经光纤耦合器分成两路进入光纤环，一路顺时针传输，另一路逆时针传输。两路光分别又回到耦合器2，再经过耦合器1到光电探测器转换成电信号。,当陀螺处于静止状态时，角速度为0，两路光不产生光程差，从