红外制导原理

1、红外制导原理第一篇 红外制导系统原理 第一章 红外基础知识概述第一章 红外基础知识概述 §1红外技术的应用 自从1800年英国天文学家威·赫谢尔通过实验发现红外线以来，很长一段时间内，人们主要从事红外线的本质方面的研究以及红外光学材料研究，随着一些高灵敏度的探测器的出现， 红外技术开始走向实用阶段。 赫歇尔一、军事方面的应用 1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。直到本世纪六十年代初期，红外行扫描器出现之后，才获得了实用装备，早期美国在U2飞机上安装了红外照相机，美第代照相侦察卫星也装备了红外扫描相机。六十年代末，出现

2、了前视红外(热象仪)，使实时侦察能力大为增强。 红外探测器2在火力控制系统中的应用 火控系统中应用的红外系统，其作用是：将由目标与背景发射出的不可见热辐射转换成可 见的图象或适于火控的信号，对目标进行搜索、捕获和跟踪。目前国内外在飞机军舰、坦克、高炮火控系统中大都配备了红外搜索跟踪系统。火控系统中的红外搜索跟踪装置相当于一个参 数测量器，用以给火控计算机提供目标方位、速度等信息，以实现对目标的火力攻击。 3红外制导 在导弹的制导技术中，红外制导有着重要作用。在被动式自动导引的导弹中，广泛采用了 红外自动导引装置(又称为红外导引头)，红外导引头的作用是：利

3、用目标发射的红外辐射，对 目标进行探测、跟踪，并给出能满足导引规律所要求的控制导弹飞行的控制信号。红外制导与 主动或半主动式的雷达、激光制导相比，具有结构简单、工作可靠、价格低廉、不易受干扰等优点。自五十年代中期出现了以美国“响尾蛇“、英国“火光”为代表的红外制导导弹以来，世界各国普遍开展了对红外制导导弹的研究，红外制导已经用于空空、地空、空地、地地导弹中，近年来在反坦克弹中也开始采用红外制导，但其中以空空导弹采用红外制导为数最多。据不完全统计，世界各国研制的红外导弹有五十多种型号，现已装备部队的有三十多种，其中正在服役的红外空空导弹就有数十种。我国关于红外制导导弹的研究是

4、自1958年研制空空导弹开始的，虽起步较晚，但三十年来的发展是很快的，相应于国外的三代红外空空导弹(尾追攻击型、全向攻击型和近距格斗型导弹)，我国也都进行了研制工作。近年来全国许多厂所正在开展红外地空，空地、地地末制导、反坦克等导弹的研制工作，相信在不久的将来随着我国元器件生产的进展，红外制导导弹的发展和应用会取得更加可喜的成果。值得提出的是，由于红外热成象技术近年来迅速发展，给外侦察、火控、制导及夜视等方面的应用提供了更方便的条件，展示出更广阔的前景。 红外制导空空导弹二、国民经济各个领域中的应用 1温度检测 温度高于绝对零度的物体都要不断地发射红外辐射，红外辐

5、射的功率随物体温度的升高而增加，只要测出物体所发射的红外辐射，便可以计算出它的温度，这就是红外测温的依据。红外测温的优点：1)测量时不接触物体，不影响被测物体的温度分布，应用方便；2)测温速度快；3)温度灵敏度高，可分辨微小的温差，一种国产测温仪室温下能分辨0.1的温度变化。 红外测温在工业上被广泛用于安全监控、无损探伤、火车热轴探测、供电部门输电线路及电厂故障检测等；在医学上被用于无接触测量体温及人体靠近表面部位肿瘤的早期疹断。 2红外遥感 所谓红外遥感就是利用红外辐射传达环境信息的过程。红外遥感除了象可见光遥感那样，包括有大量利用反射辐射传达信息的过程外，更加普遍的是，

6、它还包含有大量利用物体自身发出的辐射来传达信息，因此不仅信息量丰富，而且更容易传达物体内部的详情。这是红外遥感所特有的优点。红外遥感仪器可以安装在飞机或人造卫星上，从而对大面积的地面或空间进行探测。红外遥感技术已广泛用于地球资源勘探、地质测绘、探矿、测地下水位、鉴别农作物长势、预防病虫害、气象预报、海洋考察、环境保护等方面。红外遥感仪3红外加热干燥技术应用 由于红外辐射有很明显的热效应，对物质有加热作用，故可以用来供加热烘干之用。近年来长波红外(远红外)加热干燥技术迅速发展， 并大力推广使用。 红外加热干燥具有设备简单、投资费用低、特别是加热效率高、节省电力等优点，因此目前广泛用于轻工业的油漆

7、涂层干燥；纺织工业的各种合成纤维的热定型和干燥；食品工业的加热和脱水；电子工业集成电路基板的干燥；农业中粮食、蔬菜、经济作物的脱水干燥等方面。§2红外辐射及基本性质 一、红外辐射 自然界的物质都在不停地发射和吸收电磁辐射。从经典电磁理论知道，物质内部带电粒子的变速运动都会发射或吸收振动电磁场，以振动电磁场的形式在空间传播的能量，称为电磁辐射能。人们在日常生活中受到各种辐射的照射，例如X射线、紫外线、阳光、热辐射、无线电波等。由于产生各种辐射的方法不同，或探测它们的方法不同，因此在历史上就被加上了上述各种不同的名称。其实它们在本质上都是电磁辐射，都具有波动性，所以又

8、称为电磁波。它们都遵守同样形式的反射、折射、衍射、干射和偏振的规律，在真空中的传播速度都相同，只不过振动频率不同而已。辟如太阳辐射的可见光，它仅是整个电磁辐射大家族中很小的一个成员，并且与其它辐射如红外辐射没有什么本质上的差异。只是由于它是能被人眼所能探测的唯一的一类辐射能，就被人们命名为可见光，成为也许是迄今为止被研究得最清楚的一种辐射。图1-1人们根据电磁波的波长，把已知的电磁波排列在一起，并称之为电磁波谱，如图11所示。红外辐射(亦称为红外线)是电磁波的一部份，其波长在0.76l000微米之间。再进一步又把红外辐射分为几个部分，但这种区分的界限并没有统一的规定，就是说，从红外辐射本身的物

9、理作用采说并没有特别明显的差异。红外热成像各种电磁波的振动频率(v)和波长()之间都遵守同样的关系式： （1-1）式中C为真空中电磁波传播的速度，它等于2.99792458×米秒。电磁波在其它介质中的传播速度会发生变化，而频率是不会改变的，因而其波长也会变化。 此外，考虑到辐射具有波动性的同时还兼有粒子性，其辐射能以个光量子的能量为单位：  （1-2）h为普朗克常数，h=6.626×瓦·由此得到 （1-3）若已知波长 ，就能算出能量。由上式可知红外辐射的波长愈长，则一个光子所具有的能量愈小。 二、红外线的基本性质 把红外线与我们熟悉的可见光相比

10、较，发现有以下共同点和不同点： 共同点：(1)红外线和可见光一样都是沿直线传播的，服从折射定律和反射定律，可见光的成象、干涉、绕射、偏振、光化学等理论都适用于红外线。因此就可以直接应用可见光的这些理论来研究红外仪器。(2)红外线和可见光都是电磁辐射，因此，红外线也具有波动性和微粒性的双重属性。 不同点：(1)红外线是不可见光，人眼对红外线不敏感，在军事上应用便于隐蔽。(2)红外线的波长比可见光长，在大气中传输时衰减比可见光小些，因此红外线的传播距离比较远。(3)红外线有明显的 热效应，因此可用于烘烤。 红外线也同其他事物一样，在一定的条件下可以互相转化，红外辐射可以是由热能

11、、电能和光能等激发而发的，在一定条件下红外辐射又可以转化成热能、电能等。能量转化原理是光电效应、热电效应等现象的基础。我们利用光电效应、热电效应就可以制成各种探测红外线的敏感元件。§3    红外辐射术语 一、基本辐射量和光谱辐射量 通常，把电磁波传播的能量称为辐射能，以Q表示，单位为焦耳。辐射能既可以表示在给定的时间间隔内由辐射源发射出去的全部电磁能量。也可表示被阻挡物体表面(如照相底片之类的积累型探测器)所接收到的能量。但是，在红外系统中使用的大多数探测器，都不是积累型 的。所以，它们响应的不是传递的总能量，而是辐射能传递的时间速

12、率，即辐射功率。因此，辐射功率以及由它派生出来的几个辐射度学的物理量，属于基本辐射量。它们都可以使用专门的红外辐射计在离开辐射源一定距离上进行测量。通常在进行辐射测量时，来自辐射源的辐射在到 达测量仪器的探测器时，受到插入媒质(如大气和测量仪器的光学系统)的衰减。为了首先弄清各辐射量的物理意义，在下面的讨论中，我们暂不考虑插入媒质造成的辐射衰减。 辐射度学中最基本的物理量就是辐射功率，其余的辐射量均可以由它加上适当的限定词而派生出来。它们的严格定义如下： 1辐射功率 辐射功率就是单位时间内发射(传输或接收)的辐射能。其单位就是通常的功率单位：瓦(焦尔秒)。根据这个描述，不难把辐射功率

13、P的定义表达式写成： （1-4）因为辐射能Q还可能受其它因素的影响，所以，为了严格起见，我们这里用辐射能对时间的偏微商来定义辐射功率。由于类似的原因，后面讨论的其它辐射量也将用偏微商定义。 在不少文献中，把辐射功率叫做辐射通量，用符号表示。其物理意义与辐射功率相同。 2辐射度 上面讨论的辐射功率是整个辐射源表面在单位时间内向整个半球空间发射的辐射能量。不难理解，辐射功率与源面积有关。在其它条件都相同的情况下，源的发射表面积越大，发射的辐射功率也应该越大。因此，要想进一步描述源的辐射特性，必须考查它在表面的单位面积上发射的辐射功率。表征辐射源这一特性的辐射量就是辐射度，用M表示。其定义为： 若源

14、表面上围绕某点x的一个小面积元，向半球空间发射的辐射功率为，则与之比的极限值，就是该辐射源在位置X的辐射度。 （1-5）由此定义不难看出：辐射度就是源的单位表面积向半球空间发射的辐射功率。或者说，它表征源表面所发射的辐射功率沿表面分布情况的度量。对于表面发射不均匀的辐射源，辐射度M 应该是源表面上位置x的函数。但是，辐射度对源表面积的积分，应该等于源发射的总辐射功率，即：                   

15、;              （1-6） 由于辐射功率的单位是瓦，所以由定义式（1-5)不难得到辐射度的单位是瓦，一般用瓦厘表示。 3辐射强度 有了前面讨论的两上辐射量，我们就知道了一个源发射的总辐射功率及其在发射表面上的分布情况。但是，我们有时还需要知道源发射的辐射功率在空间不同方向的分布情况。表征辐射源这种特性的辐射量是辐射强度和辐亮度。前者用于点辐射源(简称点源)，后者适用于扩展源(或称面源)。 红外光谱透过率测量系统在讨沦辐射强度和辐亮度之前，我们首先说明什

16、么是点源和扩展源。顾名思义，所谓点源似乎应该是尺寸很小，甚至成为一个点的辐射源；而扩展源是尺寸很大的辐射源。其实，真正的点源在物理上是不可能实现的。但是，距离地面遥远的一颗星。真实的物理尺寸可能很大，而我们看起来却好象是一个“点”。在这里，首要的不是辐射源的真实物理尺寸，而是它相对于观测者(或探测器)所张的角度。这样来说，同一个辐射源，在不同的场合，既可能是点源，也可能是扩展源，这取决于辐射源相对于观测者的距离或张角。例如，喷气飞机的尾喷管，在一公里以上的距离上测量，是一个有效的点源，而在3米的距离上观测，则表现为一个扩展源了。一股讲，只要在比辐射源本身的最大尺寸大10倍的距离上观测，当观测装

17、置是不带光学系统的简单探测器时，就可以把该辐射源做为点源来处理。如果观测装置使用了光学系统，则简单的判断标准是由探测器的尺寸和辐射源在探测器表面上成的象尺寸来决定：如果象比探测器小，可看作点源；如果象比探测器大，则看作是扩展源。换言之，充满光学系统视场的可看作扩展源，未充满视场的则是点源。现在我们回过来讨论辐射强度。如前所述，它是描述点源特性的辐射量。图1-2如图12所示，若一个点源在围绕某指定方向的小立体角元内发射的辐射功率为，则与的比值的极限值，就定义为辐射源在该方向上的辐射的强度l：（1-7）立体角是指顶点在球心的一个锥体所包围的那部分空间的大小，用球面度来度量。球面度为被锥体所截的球面

18、面积A和球半径R平方之比，即： （1-8） 如图13所示，当时对应的立体角为一个球面度。 图1-3由于球面总面积为，所以一个球面共围有个球面度。即整个空间对应个球面度。 由(17)式定义不难看出：辐射强度就是点源在某方向上单位立体角内发射的辐射功率。因此，其单位为瓦·球面。因为一个给定辐射源向空间不同方向的发射性能可以不同，所以，辐射强度的物理意义表明源发射的辐射功率在某方向上角密度的度量，或者说是源发射功率在空间分布特性的描述。如果对整个发射立体角积分，就应该得到源发射的总辐射功率： （1-9） （发射立体角） 4辐亮度 尽管辐射强度能够描述点源辐射在空间指定方向上的角密

19、度，但是这个量不适用于扩展源。因为对于扩展源(比如天空)，无法确定探测器对辐射源所张的立体角。而且，即使在给定某个立体角时，扩展源的辐射功率不仅与立体角的大小有关，而且还与源的发射表面积和观测方向有关。所以此时必须按下列方式定义一个新的辐射量来描述扩展源的辐射功率在空间或源表面上的分布特性。这就是辐亮度。图1-4如图14所示，若在扩展源表面上某点x附近取一个小面积元，该面积元向半球空间发射的辐射功率为。如果进一步考虑：在与面积元的法线夹角为的方向取一个小立体角元，则从面积元向立体角元内发射的辐射功率是二级小量。由于从向方向发射的辐射就是在方向观测到的来自的辐射，而在方向上看到的源面积是的投影面

20、积，如图15所示。所以，在方向的立体角元内发射的辐射，就相当于从源的投影面积上发射的辐射。因此，在方向上观测到的源面上x点的辐亮度L，就定为与及之比的极限值： （1-10） 图1-5由此定义看出，辐亮度与光度学中的亮度是两个相互对应的量，这也是它得名的由来。另外， 这个定义表明，在某方向的辐亮度，就是扩展源在该方向上单位投影面积向单位立体角发射的辐射功率。因此其单位为瓦·米·球面度。 为了测量辐亮度，必须用遮光板或光学装置将测量限制在扩展源的一个小面积上，在这样的条件下测量辐射功率，再除以被测量的辐射源的小面积和探测器对该面积张的立体角。 因此，实际上测量的是扩展源上给定的

21、一小部分的辐射强度。这样一来，我们可以说辐亮度就是辐射源每单位面积上的辐射强度。换言之，它是辐射源在给定方向辐射强度沿表面分布情况。 上面讨论的辐射度、辐射强度和辐亮度都是针对辐射源来考虑的。或者说是源的辐射性能的度量。然而，无论从辐射与物质相互作用和辐射交换的理论研究角度，还是从实验测量与工程设计角度，都需要有一个能够表征被照表面上单位面积接收到的辐射功率的物理量。在辐射度学中，这个物理量就是辐照度。 5辐照度 设想某被照表面上位置x附近的小面积元接收的辐射功率为。则与之比的极限值，就定义为被照表面x点处的辐照度E：      以(1-11)由上述定义

22、不难看出：辐照度表征被照表面单位面积上接收的辐射功率。或者说是入射 辐射功率在被照表面上面密度的度量。所以辐照度的单位应该是瓦·米。必须强调指出，虽然辐射度的定义式(15)和辐照度的定义式(111)相同，二者的单位也一样，但它们却有完全不同的物理意义。辐射度是离开辐射源表面的辐射功率的分布情况，它包括了源向整个半球空间发射的辐射。而辐照度则是入射到被照表面上的辐射功率的面分布情况，它可以包括一个或几个源投射来的辐射，也可以是来自指定方向上一个立体角中投射来的辐射。 图1-6此外，辐照厦E的大小，与在被照面上的位置有关，而且还与辐射源的特性及被照面与源的相对位置有关。例如，如图16所示

23、，有两个辐射强度I完全相同的点源和，其中在被照面的法线方向，在与法线夹角为的方向，二者距观测点X的距离均为l,那么,当不考虑辐射在传输过程中的衰减时，二者在被照面x位置的辐照度分别为： （1-12） （1-13） 式(1-13)中最后等式是考虑到从看时张的立体角： 。 式(1-12)和(1-13)表明：点源在被照面上产生的辐照度，与源到被照面的距离平方成反比(即所谓的反平方定律)，并与源相对于被照面法线方向的夹角有关。 前面讨沦的几个基本辐射量，全部只考虑了辐射功率的空间分布特征，如在表面上的面密度和空间的角密度等。并且默认为这些辐射量包含了波长从0到的全部辐射，因此也常把它们叫做全辐射量。然

24、而，任何一个辐射源发出的辐射，或投射到一个表面上的辐射功率，均有一定的光谱(或波长)分布特征。因此，已经讨论过的各个基本辐射量，均应有相应的光谱辐射量，而且，在红外物理学的研究和红外系统工程中，往往要考虑这些光谱特性的度量。 如果我们关心的是在某特定波长附近的辐射特性，那么，就可以在指定波长处取一个小的波长间隔，设在此小波长间隔内的辐射量X(它可以泛指P、M、I、L和E)的增量为，则与之比的极限值就定义为相应的光谱辐射量，并记为。例如： 光谱辐射功率： （1-14） 它表征在波长处单位波长间隔内的辐射功率。仿此，还可以定义其它各光谱辐射量及其单位： 光谱辐射度： （1-15） 光谱辐射强度：&

25、#160;   （1-16） 光谱辐亮度： （1-17） 光谱辐照度：            （1-18） 太阳极紫外辐射图象在上述光谱辐射量的定义表达式中，我们均用脚标表示该光谱辐射量是属于在指定波长处的辐射量，并且是对波长求导数来定义的，与此相反，如果某一物理量X仅仅是波长的函数，并无导数定义关系，则在本书中一律用符号X()表示，而不写作。 从式(1-14)看出，在波长处的小波长间隔内的辐射功率为： （1-19） 只要足够小，则该式中的就可以称作在波长处的单色辐

26、射功率。把式(1-19)从到积分，就得到在光谱带内的辐射功率为 （1-20） 如果=0和=，则上式的积分结果就是全辐射功率： （1-21） 必须强调指出：这里叙述的几个术语包含的物理意义是有差别的，不能混淆。按定义，其中光谱辐射功率是单位波长间隔的辐射功率，单位是瓦·微米。因此，它是表征辐射功率随波长的分布特性的物理量，并非真正的辐射功率的度量，而单色辐射功率=，到波段的辐射功率和全辐射功率P才是真正的辐射功率的度量，单位也都是瓦。不同之处，只是它们各自所占的波长范围不同而已。仿此，读者自己可以讨论其它各光谱辐射量、单色辐射量、某波段或全辐量的意义、单位和彼此的区别。 通常，光谱辐射

27、量都是用光谱辐射计测量，某一波段的辐射量，使用装有相应带通滤光片的辐射计测量，如果所用的滤光片通带足够窄，而且可以连续变化，则也可以用采作光谱辐射量或单色辐射量的粗糙测量。 二、基尔霍夫定律 基尔霍夫定律是辐射传输理论的基础之一，它把物体的发射和吸收联系在一起。 基尔霍夫定律表明：在任一给定的温度下，物体的辐射度与其吸收率的比值，和物体的性质无关，并等于同温度下黑体的辐射度，即 （1-22） 上式表明吸收率值越大的物体，其辐射度值越大，所以好的吸收体也必然是好的辐射体。同理有： （1-23） 即在一定温度下，物体对某一波长的吸收率越大，则物体在该波长上的辐射度也越大。 §4

28、 目标辐射和背景辐射目标和背景辐射的共同点，就是目标和背景都是热辐射体，都能向外辐射红外线。对我们来说重要的是要了解目标和背景辐射的不同点，以便区别它们。下面，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。 一、航空目标辐射飞机发动机工作时产生高温，排出的废气也具有很高的温度，这些都是很好的红外辐射源。此外，当飞机在空气中作高速飞行时，由于空气制动及蒙皮空气摩擦也产生温升而辐射红外线。下面，我们介绍采用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，并介绍些已知的实测数据。 目标辐射特性通常是指以下几点： (1)辐射强度及其空间分布规律； (2)辐射光谱组成情况； (3)辐

29、射面积大小。 前两点特性与红外系统所接收到的有用能量大小有关，第三点与目标在红外装置中成像面积大小有关。由热辐射的讨论可知：热辐射的最基本问题是辐射体温度及辐射能的分布情况。因此，在分析目标辐射特性时要紧紧围绕这两方面来分析。 下面我们就来分析用喷气发动机的飞机辐射特性。 喷气式飞机的辐射由下列三部分构成： 1喷气发动机尾喷管加热部分的辐射： 喷气式飞机的辐射，主要是由尾喷管内腔的加热部分发出的。 实际的喷管内腔各点的温度是不相同的，但在计算中，可以认为喷管内腔各点的温度是均匀的，且呈漫射特性，因此我们直接给出尾喷管的总辐射功率P： （1-24）上式中，D为喷管的直径，厘米； 喷管的

30、发射率。 对于漫射体而言，空间各方向上的辐射强度按余弦规律分布，即： （1-25） 上式中：偏离喷管轴线的方向角； 尾喷管轴向的辐射强度。 对于漫射体而言，面辐射源法线方向上的辐射强度为： （1-26） (1-26)式的推导从略。 已知后，则根据(1-25)式即可以作出尾喷管的辐射强度的空间分布图。可知，喷气式飞机的辐射是向着后半球的，这样就限制了一些红外装置的作用范围只能在飞机的后半球。 辐射计和光谱辐射计2废气的辐射： 喷气发动机工作时，自尾喷口排出大量的废气。废气由碳微粒、二氧化碳及水蒸汽等组成。废气自喷口以300400米秒的速度排后迅速扩散，温度也迅速降低。图17为废气流在喷口后方的温

31、度分布图。 图1-7废气辐射呈分子辐射特性。在与水蒸汽及二氧化碳共振频率相应的波长附近呈较强的选择辐射。图18为一个实际的喷气发动机废气辐射的光谱分布曲线。图1-83.飞机因气动加热而产生的辐射 任何一个在大气中高速运动的物体都会发热。当速度在马赫数2以上时，引起的高温，将产生红外系统设计者感兴趣的足够的辐射。 图1-9当空气流过物体时，有一部分贴近于表面，称为附面层。在这层内，由于紧贴着表面，流动受到了影响。附面层内的流动，既可以是层流，也可以是紊流。在层流中，空气平滑地横切过表面。在紊流中，气流受到剧烈地扰动，或者是离表面不同距离的各层之间受到混杂。一般说来，在物体前部的气流是层流，但在物

32、体后部常常变成紊流。在飞机前面，空气气流变到完全静止的任意点，称为驻点(见图19)。在这一点，运动着的空气气流的动能，以高温和高压的形式变成了势能。这一温度，称为驻点温度，由下式给出： （1-27） 式中：驻点温度，K； 周围大气的温度，K； r恢复系数，对于层流r值取为082，对于紊流r值取087； 1.4，空气的定压热容量和定容热容量之比； 马赫数。 直到马赫数10，上式都是正确的。 对于层流和在同温层飞行(高度在1124公里)，气动加热引起的蒙皮温度为： （1-28） 当飞行高度不同时系数会不同。可以作出蒙皮温度与马赫数的关系曲线(见图110)。当飞行速度相同时，飞机蒙皮的加热温度还取决

33、于飞行高度，当飞行高度越高时，空气密度降低。因此蒙皮摩擦加热的温度也降低。图1-10示出了两种不同高度下，飞行速度 (以马赫数表示)与蒙皮温度的计算值的关系曲线。 图1-10由曲线可以看出：低速飞行时，蒙皮温度是不高的，但当M=4时，蒙皮温度可达600以上。飞机因气动加热而产生的辐射是向空间所有立体角发射的，因此对高速飞行蒙皮温度很高的这种目标进行攻击时，就没有任何方向性的限制，可以实现全球攻击。各方向的辐射强度大小视温度分布情况及蒙皮在该方向上的有效投影面积而定。 喷气式飞机的总辐射是由尾喷管辐射、废气辐射及蒙皮辐射三部分辐射组成的，其中以尾喷管的辐射为最强。所以，喷气式飞机的辐射主要是由喷

34、管辐射所决定的。辐射探测器 前面我们讨论喷管辐射时，忽略了一些影响因素，或把有些条件理想化后(如把喷管内腔温度看成是均匀的，喷管的辐射呈漫射特性等)进行分析研究的。实际上，影响目标辐射特性的因素是多方面的，例如发动机的结构型式及工作状态的不同都会对辐射特性有很大影响，这就使得实际的目标辐射特性与理论分析的结果有较大的差异。理论分析的目的在于掌握一般分析、计算目标特性的方法，解释一般的实际现象。更重要的是还要注意实际测试到的目标辐射特性。图1-11近年来由于红外线在军事上的广泛应用，我们的科研人员作了许多目标辐射的实际测试工作。图111给出了米格-17和米格-21飞机的实际辐射强度分布

35、曲线(曲线在地面测的，大气吸收的影响已扣除)。横坐标表示喷管轴线方向。由图111可见，米格-17和米格-21的辐射强度在与喷管轴线成10°方向上取得最大值，并且0°40°范围内曲线的变化比理想的余弦变化规律要激烈得多。从这实际曲线上也可以看出，目标的辐射确实是集中在后半 球一定的空间范围内。图1-12是米格-15M在地面条件下实测的喷口辐射光谱分布曲线(米格-17和米格-21的辐射光谱分布曲线与米格-15M基本类似)喷管内腔 的温度为500。曲线在3.6处出现峰值，图中曲线的凹线处是由于地面大气的选择性吸收所造成。由 该曲线可见：辐射能量主要集中在25.4微米区域

36、内。因此红外装置的工作波段选在这个范围内比较有利。图1-12二、背景辐射空中目标的背景是指空中能辐射红外线的自然辐射源。如：太阳、月亮、大气、云团等等。对于地面目标来说，背景是指大地、草地、森林等等。背景的辐射进入红外装置后会产生背景干扰，使红外装置不能正常工作。因此，设计红外装置时总设法去除背景干扰。为了研究背景辐射对目标探测和跟踪的影响，需要对背景的辐射特性进行分析。把背景辐射特性与目标辐射特性进行比较，找出去除背景干扰的有效措施。下面介绍几种影响较大的空中目标的自然背景辐射特性：1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，通常来讲可以把太阳看作是温度为6

37、000K的绝对黑体。可见，太阳辐射和目标辐射的不同点在于太阳的温度比目标的温度高得多，因此太阳辐射的最大值对应的波长是在0.45微米处，显然比目标辐射最大值对应的波长要短。太阳的辐射能绝大部分都集中在0.154微米范围内。太阳垂直入射到地表面上约能量约为88瓦米，而在大于3以上波长的红外辐射为1.96瓦米。太阳的直径为1.39×公里，太阳与地球之间的距离为1.495×公里，因而视角为3159”，据此可以计算 出太阳在红外装置中成像面积的大小。实际测得的结果告诉我们，太阳对红外导引及跟踪装置的影响是比较大的。尤其在与太阳垂直入射方向0°50°范围内影响更大

38、些。因此红外仪器不能正对着太阳工作。 月亮主要靠反射太阳辐射而产生辐射。部分辐射光谱与太阳相同。此外，月亮表面温度在370K12CK之间变化，因而也产生一定的自身热辐射，其辐射光谱最大值对应之波长约为126微米。2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。图113给出了晴朗的白天及夜晚天空辐射光谱分离地面高度和地区条件等不同，水气、二氧比碳、臭氧等含量有很大差异，所以这类辐射有着很明显的随机性。就某一空间区域面言，天空中大气辐射可以认为是均匀的面辐射源。图1-13 夜晚天空只有水汽、等分子辐射，因夜

39、晚天空温度较白天为低，所以其辐射强度也较低，其辐射最大值波长为10.5。3云团辐射： 云团表面能反射大阳辐射，因而云团成为较强的辐射源，这部分辐射主要在3以下；云团本身也产生热辐射，其辐射光谱分布情况和晴朗天空的热辐射相似，但强度较大。云团本身的辐射主要集中在615区域内，在这个区域内平均辐射亮度约为500微瓦厘米·球面度·微米。云团的有效面积、反射系数及发射率等特性随气象条件、高度及地区等差异很大。所以，云团辐射的随机性十分显著。小块的云团边缘和目标辐射面积可以相比拟，因此云团辐射带来的干扰比起大气辐射要严重得多，是红外装置中应予特别注意的问题。 由以上的分析中可以明显地

40、看出，目标和背景都有一定的温度，都能辐射红外线，这是它们的共同点。但是，它们又都有着本身的特殊点。注意它们的特殊点、不同点就使我们有可能去除背景的干扰。例如，利用目标和背景最大辐射对应的波长不同、辐射能集中的波段范围不同，适当选择红外装置的工作波段，使之只对目标辐射敏感，而对背景辐射不敏感，就可以达到去除背景干扰的目的，这种方法通常叫做色谱滤波。又如，利用目标和背景有辐射面积大小不同而采用适当的空间滤波措施，也可以达到去除背景干扰的目的。 任何事物都不是绝对的，尽管采用了类似上述消除背景干扰的一些措施，但还不能完全消除背景干扰，只是减少一些背景干扰，不致于影响红外装置的正常工作而已。 

41、7;5 红外线在大气中的传输 一、大气的组成情况及对红外线的衰减作用大气的基本成份是氮和氧以及少量的稀有气体，此外大气中还含有水蒸汽、二氧化碳、臭氧等气体以及灰尘、水滴等固态、滚态悬浮物。其中氧、氮及稀有气体都按一定的体积比组成，水蒸汽的含量不稳定，它与地理位置、温度、大气压力有关，温度不同水汽可凝结成大小不同的液态、固态悬浮物，如雾、雨、雪等。灰尘多数分布在低空及工业区的上空。 研究大气衰减就是研究上述物质对红外线的衰减作用。考虑到大气衰减作用后，红外辐射通过大气的透过率可以表示如下： （1-29） 其中：大气透过率；衰减系数； L传播路程长度。 一般情况下，衰减作用主要由以下两种因素造成：

42、吸收；散射(包括大气分子散射及悬浮物的散射)，因此： （1-30） 其中：吸收系数； 散射系数。和均随波长而变化。大气衰减是一个很复杂的过程，它既有不同物质(大气分子、水蒸汽、二氧化碳及悬浮物)的衰减，又有不同的衰减作用(吸收及散射等)，显然影响衰减的因素是多方面的。 大气的分子及悬浮在大气中的微粒对辐射具有散射作用，因而使辐射在传播过程中发生衰减。在不存在辐射吸收的过程中，出现纯散射。在光谱的可见区和波长接近可见光的部分紫外光及部分红外光，由于大气对它们没有强烈的吸收，因此在这些区辐射衰减的原因主要是散射造成的。在红外区中，随着波长的增加，散射衰减所占的比例逐渐减少。但是，在吸收很少的大气窗

43、中，散射仍是相当重要的衰减原因。 大气中的散射元包括大气的分子(主要是氮、氧及少量稀有气体)的密度涨落，大气中悬浮的微小水滴(形成雾、雨及云)，以及悬浮的固体微粒(尘埃、碳粒烟、盐粒子和微小的生物体)。散射的强弱与大气中散射元的浓度及散射元的大小有密切关系。 大气中悬浮的一些固体微粒(如尘埃、烟、盐粒子等)通常称为霾，霾是由半径为0.03至0.2微米的粒子组成的。在湿度比较大的地方，湿气凝聚在上述粒子周围，可以使它们变大，形成细小的水滴，这就形成了雾和云。形成雾和云的水滴半径在0.5到80微米之间，其中半径在5到15微米之间的水滴数目较多。由此看到雾和云中的粒子半径多数同我们所应用的红外辐射的

44、波长差不多，而霾中所含粒子的半径要小得多。 根据散射理论可知：当辐射的波长比粒子半径大得多时，这时所产生的散射称为瑞利散射。其散射系数为： （1-31） 式中K为与散射元浓度，散射元尺寸有关的常数；为辐射的波长。大气分子及霾的散射都属于瑞利散射。 由(1-31)式看出，瑞利散射的散射系数与波长的四次方成反比，因此大气分子及霾对于波长较长的红外线来说散射作用很小。 当粒子的大小和辐射波长差不多时，这时所产生的散射称散射，其散射强度除与波长有关外，还与粒子的半径有关，散射的散射系数为： （1-32） 其中k为与粒子数目及波长有关的系数，r为散粒子的半径。雾和云的散射是散射。 由(1-32)式可见散

45、射系数与粒子半径的平方成正比，因此在薄雾中（雾粒较小)红外线有较好的透过性。而在浓雾中(雾粒较大)红外线和可见光一样透过性都很差。因此红外装置的使用不是全天候的，在浓雾中几乎不能使用。由于水汽的浓度和大气中所含灰尘、烟等微粒数目随高度的增加剧烈减少，所以雾和烟在低空常见，高空雾和烟的影响较小。因此对于2以上的红外线在3000米以上的高空，大气分子散射及悬浮物的散射都不是影响大气衰减的主要因素。 由吸收理论及实验可知：大气的吸收作用主要由大气中三原子分子的吸收所决定的。水蒸汽()、二氧化碳()及臭氧()都对红外线起选择吸收的作用，选择性吸收是影响大气透过的主要因素。 二、大气的透过窗从前面的分析

46、已经知道：对于红外辐射，大气的衰减作用主要是大气中三原子分子(水蒸汽、二氧化碳、臭氧)的吸收所造成的，这三种物质对红外线的吸收都呈选择性吸收，即在某些波段内对红外线的吸收很强烈(常常称为强吸收带)，某些波段内吸收很弱。这样一来，大气透过率曲线就被强吸收带分割成许多区域。 根据大气透过区的边界来划分大气窗的上下波长限，通常可以划分为以下几个窗口：0.700.92 、0.921.1、1.11.4、1.92.7、2.74.3、4.35.9、814.0，在15微米以上没有大气窗。大气窗的划分对于红外装置的设计和使用是有重要意义的，红外装置的工作波段范围必须选在15以下，并选在某一大气窗口内，才可以减小

47、大气衰减的影响，从而提高系统的作用距离。 第二章 基于点目标跟踪的红外导引系统原理第二章 基于点目标跟踪的红外导引系统原理    §1 导弹自动导引系统的组成及工作原理自动导引方法的导引精度比较高，因此在空空和地空导弹的控制中广泛采用自动导引方法。由飞行力学的学习，我们已经知道，自动导引的导弹有三种导引方法，即追踪法、平行接近法和比例导引法。用追踪法导引时，导弹的过载较大，因此这种方法在自动导引的导弹中不采用。平行接近法是比较理想的导引方法，导弹的过载较小，但是实现起来比较困难，需要陀螺稳定平台，因此至今未见到平行接近法导引的导弹。比例导引法具有平行接近

48、法的优点，即导弹过载较小，实现比例导引法的装置比较简单，因此这种导引方法得到了广泛的应用。 比例导引法即为导弹速度向量旋转角速度正比于目标视线旋转角速度的导引规律。 导弹上的自动导引系统用来对目标进行探测、跟踪，并控制导弹按照一定的导引规率飞向目标。自动导引系统通常由导引头和舵机两个部分组成，他们也统称为导弹的控制系统。 导弹自动导引系统的主要部件之一是导弹上的导引装置，即导引头。按照信息能源不同，导引头可分为无线电导引头、红外线导引头和激光导引头三大类。红外线导引头以目标辐射的红外线作为目标的信息能源，其功能是：利用目标辐射的红外线，发现目标，跟踪目标，并给出能满足导引规律所要求的导弹控制信

49、号。 图2-1图2-1为某型空空导弹的外形图，全弹共分五舱，第一舱为红外线导引头，第二舱为舵机，一舱和二舱组成控制系统舱，三舱为战斗部，四舱为引信，五舱为发动机。尾翼上装有横滚陀螺稳定器(又叫陀螺舵)，用来限制导弹的横滚角速度。有两对舵面来控制导弹的飞行方向，这两对舵面分别安装在两个互幅垂直的XOZ和XOY平面内。有两个燃气舵机分别控制这两对舵面。导引头接收来自目标的红外辐射，并把它转换成电信号，用这一信号控制舵面偏转，使导弹按比例导引规律飞行。图2-2如果导弹和目标在同一平面内飞行，如图22所示，则这一控制过程可简述如下：红外线导引头1测出目标视线与光学系统轴之间的夹角，称为失调角，导引头输

50、出电信号与成正比。这个电信号同时也与目标视线旋转角速度成正比(见陀螺跟踪系统中的分析)，令这个电信号u=K。信号u经放大器2放大后输至舵机3，舵机操纵舵面偏转一角度，使与成正比，舵面偏转后，由于空气动力的作用，使导弹产生迎角，与成正比。对应于迎角，产生一定的法向升力y。法向升力y使导弹产生法向加速度W， 其中为导弹的速度，为速度向量的旋转角速度。法向加速度W与升力y、迎角、舵偏角及目标视线旋转角速度都是成正比的。因此，导弹速度向量的旋转角速度正比于目标视线旋转角速度，即： 式中N为比例系数。上式即为比例导引的控制规律。 红外定向系统由上述的分析可以看出，为使导弹按比例导引规律飞行，要求导引头能

51、够测量目标视线的旋转角速度。为测量，导引头必须跟踪目标。当目标视线与导引头光学系统光轴不相重合时，即有了失调角，则导引头产生的电压u正比于，这个电压u送给导引头本身的跟踪机构，驱动光轴向减小的方向运动，这样导引头就不断地跟踪目标，此时光学系统光轴的旋转角速度正比于导引头输出的电压u。在稳定跟踪的情况下，光轴的旋转角速度等于目标视线的旋转角速度，则此时导引头输出的信号电压u也就正 比于目标视线的旋转角速度。所以红外导引头由测角系统和跟踪系统两大部份组成，如图23所示。 图2-3§2 红外导引头光学系统基本原理 一、导引头结构组成方块图 由上节叙述可知：导引头的基本任务是跟踪目标和测量目

52、标视线的旋转角速度。为使 导引头跟踪目标，首先要求导引头能够探测目标在空间的方位，使导引头输出的电信号u中包含目标的方位信息，然后这一电信号送给跟踪系统，跟踪系统才能驱动导引头光轴向目标方向运动，即跟踪目标。为此导引头由方位探测系统和跟踪系统两大部分组成。导引头的目标方位探测系统，即为§1中所述的测角系统，它由光学系统、调制盘、探测器和信号处理电路四大部分组成。对于空空导弹和一些小型地空导弹来说，跟踪系统通常是采用三自由度陀螺作为跟踪系统的执行机构，这类跟踪系统称为陀螺跟踪系统。因此导引头的结构组成方块如图24所示。通常把由光学系统、调制盘、探测器和陀螺跟踪系统四部分组成的光电机械装

53、置称为位标器(或红外接收器)。这样一来，也可以说导引头是由位标器和电子线路两大部分组成的。 图2-4  本章讲述导引头目标方位探测系统各个组成部分的结构组成，工作原理及性能要求。下一章讲述陀螺跟踪系统的结构组成和工作原理。 日本空空红外制导导弹二、红外光学系统 红外光学系统是红外导引头的一个重要组成部分。红外导引头通过光学系统来收集目标 辐射的红外线。红外光学系统成象的基本原理与可见光光学系统相同，它们都是根据光的基 本传播规律(即光的直线传播性、独立传播性。反射定律、折射定律、全反射定律等)进行成象的。光学系统的基本光学元件是反射镜、透镜、棱镜及光栏等。任何光学系统都是由

54、这些基本光学元件组合而成的。关于光的传播规律及基本光学元件的工作原理都在普通物理等课程中讨论过了，此处不再重述这些基本问题。本节着重讲述导引头光学系统的结构组成、工作原理及基本性能参数等问题。     1导引头光学系统的结构组成 图2-5图25为某型空空导弹导引头光学系统的结构原理图。其中，1为导弹的整流罩，由两个同心球面组成，为一块负透镜，它既是导弹的整流罩又是光学系统的一部分，与导弹的壳体固联在一起，其作用是保护内部光学机械元件和改善空气动力性能；2为球面反射镜(也称为主反射镜)，它是用光学玻璃制成，外表面镀铝的凹面反射镜，相当于一块正透镜， 它主要起汇聚光能

55、的作用；3为次反射镜，是一块平面反射镜，起折转光线的作用；4为伞形光栏，是一个表面涂黑的金属罩，它的作用是限制目标以外的杂散光线进入系统象平面并射向探测器上；5为支撑透镜(也称为校正透镜)，为一块凸透镜， 它用来校正系统的象差，并把伞形光栏、平面反射镜等零件与镜筒连接在一起，起支撑作用；6为光栏，用来限制杂光和提高象平面上的成象质量；7为调制盘，位于系统的象平面上，对象点辐射能起调制作用；8为探测器(光敏电阻)和滤光片，探测器是系统的光电转换元件，滤光片位于光敏电阻之前，只能允许一定波长范围的光通过，起着光谱过滤的作用。 光学系统的安装：球面整流罩固定于导弹壳体上，不运动。其余元件由镜筒把它们连接在一起构成镜筒组合件，镜筒组合件安装于陀螺转子上，这样它们就可以随转子一起转动和进动，即光轴可以在空间任意方向运动。 红外光学系统光学材料的选择：能在一定的波段上透过红外辐射的材料称为红外光学材 料。在选用红外透射物质作为光学材料时，不仅要选用透过率较高的物质，还要求它的透射波段与目标辐射的红外线波谱相适应。另外也要求材料的折射率高，均匀性好，机械强度高，化学稳定性好，并能制作大口径的零件等。天然材料不易满足上述要求，一般用人工制造的