《红外系统》课件第6章 红外方位探测系统

6.1方位探测系统的基本组成6.2调制盘方位探测系统6.3十字叉探测系统6.4扫描探测系统6.5玫瑰扫描探测系统6.1方位探测系统的基本组成红外方位探测系统是利用目标自身发射的辐射对其进行方位探测的,其基本组成如图61所示。图61中的方位编码器可以是调制盘系统、十字叉系统、L型系统或扫描系统。另外,作为目标方位探测系统的输入信号,还要充分考虑目标、背景的辐射特性和大气传输特性。6.1.1性能要求从红外方位探测系统的功用来考虑,对系统的主要要求有以下两点:(1)良好的检测性能和高的灵敏度。(2)测量精度要高。6.1.2影响因素对红外方位探测系统而言,影响其性能的主要因素包括:(1)目标、背景和各种干扰的红外辐射特性以及大气传输特性、系统的工作波段。(2)信息处理体制。如调制盘式、扫描式等工作体制,是红外方位探测系统设计的核心任务,是确定探测器要求、光学系统结构的前提条件。(3)探测器及信息处理电路的技术参数。(4)光学系统技术参数,包括光学系统的基本形式、接收面积、视场、像质要求、光学效率等。(5)探测系统的技术条件,包括灵敏阈值、捕获视场等。6.2调制盘方位探测系统调制盘方位探测系统技术成熟,结构相对简单,适用于背景单纯、目标红外辐射对比度较大的场合,如探测天空背景中的飞机或导弹等,不适用于对地面桥梁、建筑物等大型红外目标的探测。调制盘方位探测系统组成如图62所示。6.2.1调制盘的基本概念1.调制盘的作用(1)把恒定的辐射通量变为交变的辐射通量。(2)产生目标所在空间方位的信号编码。(3)进行空间滤波,以抑制背景干扰。(4)提高红外系统的检测性能。2.调制盘的分类按照扫描方式不同,调制盘可分为旋转式、圆锥扫描式(也称为光点扫描式)和圆周平移式三类。(1)旋转式调制盘:调制盘本身以一定的角速度旋转运动。在这种系统中,当目标方位一定时,像点在调制盘上的位置就固定不动。若目标方位发生变化,则像点在调制盘上的位置亦发生相应的变化,且调制盘输出包含了目标方位信息并进行了空间滤波。(2)圆锥扫描式调制盘:调制盘不动,而光学系统的扫描机构运动,使得当目标在空间某一位置时,光点(即目标像点)在调制盘上以一定的频率作圆周运动,其轨迹为一中心在不同位置的圆,即扫描圆。(3)圆周平移式调制盘:调制盘工作时调制盘不旋转,而调制盘中心绕光学系统中心作同圆周平移运动。调制盘平移一周,光点在调制盘上扫出一个圆,该圆偏离调制盘中心的大小和方向,与目标偏离光轴的大小和方向相对应。如果按照调制方式来分,上述每一种类型的调制盘又可分为调幅式、调频式、调相式和脉冲编码式四种。前三种分别用调制信号的幅度、频率、相位来反映目标的方位,而脉冲编码式调制盘则由该调制盘的图案通过输出一组组脉冲的频率和相位的变化来反映目标的方位。3.目标与像点的位置关系图63为调制盘上目标像点位置与目标在物空间位置示意图。假设目标位于物空间xOy的T处,T的空间极坐标为(ρT,θT),其偏离光学系统光轴的角度Δq称为失调角。目标T经光学系统成像于像平面(即调制盘平面)上的T'处,T'的极坐标为(ρ,θ),其距光轴的偏离量ρ和方位角θ与失调角Δq和目标方位角θT之间的关系为6.2.2调制盘的工作原理1.旋转调幅式调制盘日出式调制盘是一种最简单的旋转调幅式调制盘,其图案形式如图64(a)所示。该调制盘由两个半圆部分组成,上半圆为目标调制区,由透辐射(透过率为1)与不透辐射(透过率为0)的扇形条交替呈辐射状;下半圆为半透区(透过率为0.5)将这一调制盘置于光学系统的焦平面处,使调制盘中心O位于光轴上,调制盘绕中心O转动。这时,假定像点位于图64(a)中的T'点不动,调制盘以角速度ω顺时针方向转动。当像点在调制区内相对于调制盘转动时,像点交替通过透辐射与不透辐射扇形,则透过调制盘的像点能量就在最大与最小之间交替变化;当像点在半透区内运动时,透过调制盘的像点能量为像点总能量的一半。这样,在调制盘一个转动周期内,透过调制盘的能量大小随着调制盘转角而变化,像点能量被调制成调幅波。若像点的大小比扇形条尺寸小得多,就形成了如图64(b)所示的脉冲信号波形,即脉冲“串”波形。1)调制信号与像点偏离量的关系假设不能忽略像点的大小,当像点由调制盘中心向外移动时,如图65所示,在位置A,像点可充满六个扇形,像点透过调制盘的辐射功率较少,探测器接收到的辐射功率也较少,产生的脉冲信号幅度较低;当像点移动到位置B时,像点充满两个扇形,探测器接收到的辐射功率增加,脉冲信号幅度增加;当像点移动到位置C时,像点充满一个扇形,探测器接收到的脉冲信号幅度达到极大值。由此看来,在这种调制盘中,当像点由中心向外作径向移动时,出现幅度调制。那么,根据调制盘输出辐射功率脉冲的大小,就可以确定像点的径向位置。2)调制信号与调制深度的关系如图66所示,像点M的偏离量为ρ,方位角为θ。假定像点为有限半径的圆形,像点上辐射照度均匀分布。设像点总面积为S,像点上一部分辐射功率P1透过调制盘,其面积为S1,像点上一部分辐射功率P2不能透过调制盘,其面积为S2。显然,P1与S1成正比,而P2与S2成正比。当调制盘旋转时,透过调制盘的辐射功率就在P1与P2之间周期性地变化。此时调制盘输出的有用的调制信号应为P1-P2,它与S1-S2成正比。为了表示像点辐射功率被调制的程度,特引入调制深度D的概念,表征目标辐射通量中被调制部分所占的比例,即式中,Pa为像点总功率,它与像点的总面积成正比。由此可见,像点的调制深度愈大,所得到的调制信号的幅值也愈大。假定目标像点的面积S不变,则随着像点偏离量ρ增大,调制深度D将逐渐增大,此时,调制信号的幅值也逐渐增大。反之,当ρ减少时,D值也将减少,调制信号的幅值也减少。因此,这种调制盘在像点面积一定时,所得调制信号的调制深度D是目标像点在调制盘上的偏离量ρ的函数,即D=f(ρ)。于是,我们可以用有用调制信号的幅值来表示像点偏移量的大小。若像点的面积为变值,则调制深度D将随着ρ及S两个参数变化,即像点面积实际上在整个视场范围内是变化的,如果能控制像点的面积S使其随偏离量按一定规律变化,如S=g(ρ),则3)调制信号与像点在调制盘上方位角之间的关系日出式调制盘图案有明显的分界线,令这一分界线Ox为起始坐标线,见图67。当目标像点偏离Ox不同方位角时,所得调制波包络的初相角不同,因此可以用包络的初相角来反映目标的方位。假定像点为一个几何点,这时所得载波为矩形脉冲。调制信号的相位角通常要同基准信号相比较,我们把基准信号的起始相位取Ox轴。由于调制盘转一周对应包络信号变化一个周期,因此包络的初相角就等于目标在空间的方位角,如图67(a)中目标分别处于A点和B点,方位角分别为θa和θb,所得调制波波形分别示于图67(b)和图67(c),此时调制信号(即包络)与基准信号的相位差角θ分别等于目标在空间的方位角θa、θb。为了确定脉冲序列的相位,调制盘的半透明区是必需的。有了半透明区,就使调制盘具有确定的起始坐标线。如果没有半透明区,下半圆也做成和上半圆一样的图案,那么,产生的矩形脉冲将一个接一个,没有间隔的直流信号,从而无法区别像点的方位。由上可见,调制信号的幅值的大小可反映目标偏离光轴的角度———失调角Δq的大小。调制信号的初始相位与目标偏离系统的方位有关,与一定的基准信号相配合,即可确定目标的方位角θ的大小。4)空间滤波作用由于红外系统要保证一定的视场,因此不可避免地会引入背景辐射干扰,如地物、云层的辐射和太阳反射散射等。系统中设置的调制盘可以大大地抑制这些背景干扰,提高系统的信噪比。若有面积比目标大得多的背景进入视场,则它在调制盘上所成的像会覆盖多个扇形,见图68。若有面积不甚大的背景出现在上述日出式调制盘边缘区域,见图69(a),则仍可产生调制信号,对目标信号形成干扰。为进一步抑制背景,人们把调制盘上离中心较远的区域再做径向划分形成沿径向相间分布的透光与不透光小区域,这就是棋盘格式调幅调制盘,见图69(b),该调制盘已在空空导弹导引头中所采用。5)调制特性分析红外系统在捕获目标、跟踪目标的过程中,目标像点通常具有一定的偏离量ρ,目标偏离量可用失调角Δq表示。失调角Δq与有用调制信号u之间的关系曲线称为调制曲线。在图610中,假定目标像点处于中央扇形区的点A处,当调制盘以一定的转速转动时,像点能量的调制波形如图66所示。将该信号波形按傅里叶级数展开,取载频及上、下旁频信号,则得到有用的辐射能量信号。这部分有用的辐射能经探测器转换成电信号,又经方位处理电路进行放大变换处理,因此通常用方位处理电路某一级的输出电压u来表示有用调制信号的大小。对于不同的失调角Δq,有不同的有用信号u值,画出u随Δq的变化曲线,就得到了调制曲线。假定目标像点大小为一确定不变的值,则当目标处于光轴上或处于光轴附近Δq很小的区域内时,由于像点透过面积和不透过面积几乎相等,调制深度很小,有用信号很小且小于噪声,此时系统输出电压大小取决于噪声值,因而调制曲线出现变化比较平缓的一个区域OE,见图611。当Δq继续增加时,调制深度也随之迅速增加,有用信号值也增加,调制曲线出现线性上升区EF。再继续增加,进入棋盘格区以后,若目标像点直径大于环带宽度,由于该区每一环带宽度随Δq增加逐渐变窄,则调制深度随Δq增加显著下降,即有用信号值下降,调制曲线出现下降区FG,整个调制曲线相对于光轴对称,见图611。当然,这一调制曲线是对图610所示的调制盘及一定大小的像点而言的。曲线的峰值位置由像点直径与调制盘角度分格及径向分格宽度的相对大小而定。像点在跨越径向环带的分界处时,有用信号值将显著下降,因此实际在调制曲线的下降段还会有许多很窄的凹陷区。从前面的分析可以看出,调制曲线的获得是由于调制盘本身的图案与像点相互作用的结果。因此,决定调制曲线形状的因素有以下几方面:(1)调制盘本身图案形式的影响。(2)像点大小及其变化规律的影响。(3)距离的影响。2.光点扫描式调幅调制盘光点扫描式调幅调制盘也称为圆锥扫描式调幅调制盘。工作时,光点扫描式调幅调制盘本身不动,由光学系统的专用机构(偏轴次镜或光楔)旋转作圆锥扫描,使目标像点在调制盘上作圆周运动,得到一光点扫描圆,被调制盘所斩割,输出调制信号,如图612所示。图613为光点扫描式调幅调制盘的一种图案,最外圈为三角形图案,里面为扇形分带棋盘格式图案。1)误差信号的产生当目标位于光轴上时,扫描圆与调制盘同心,光点扫在外圈三角形的中部,见图613中扫描圆A,这时由于在整个扫描圆上像点所扫过的三角形宽度全部相等,所以由调制盘出射的是等幅光脉冲,这样的光脉冲经探测器转换为电信号,并经过滤波后得到如图614(a)所示的等幅波,此时包络信号为零,没有交流部分,即无有用信号输出。当目标偏离光轴时,扫描圆偏离三角形腰部,见图613中扫描圆B,此时光点转动一周扫过三角形的不同部位,调制盘输出的便是调制光脉冲,经光电转换及滤波后得到图614(b)所示的调幅波。当目标更偏离光轴时,像点一边扫出调制盘,见图613中扫描圆C,这时出现图614(c)所示断开的调幅波。可见,当目标偏离光轴时,由调制盘出射的光脉冲包络信号不为零,即产生了误差信号。误差信号的来源主要有:像点调制深度的变化;载波波形的变化;载波频率的变化。这三种因素综合作用的结果,决定了误差信号的形式及其变化规律,也就决定了调制曲线的形状。(1)像点调制深度的影响。假定像点大小不变,像点上能量均匀分布,像点沿三角形的不同部位扫描时,所得调制深度是不相同的。如图615(a)所示,像点扫过A、B、C不同部位时,辐射能调制波形分别如图615(b)、(c)、(d)所示。可见,当像点从三角形中部移向三角形根部时,调制深度增加,载波信号电压幅值增加;当像点从三角形中部移向三角形尖部时,调制深度减小,载波信号电压幅值减小。(2)载波波形的影响。为了只考虑波形的影响,我们假定各点的调制深度D都相同,取D均为100%来分析其波形。为此,使像点与三角形两腰内切,像点能量保持不变。这使得A、B、C各点对应的像斑能量密度不同———由A至C逐渐减小。设三角形高为H,则H/4、H/2、3H/4处的载波波形如图616所示。(3)载波频率的影响。所谓载波频率,即载波每秒钟变化的次数。如果载波变化一次所用的时间变短,则载波的频率就要升高;反之亦然。光点扫描的角速度是一定的,而扫描圆的大小又不变,因为扫描圆的线速度也是一定的。因而,当光点移向三角形根部时,载波频率升高;当光点移向三角形尖部时,载波频率降低,如图617所示。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曲线为图618所示的对称形式,则无论频率升高或降低都会导致载波信号电压幅值减小。2)调制信号与目标像点位置之间的关系(1)偏离量ρ与调制信号。目标偏离光轴一失调角Δq以后,扫描圆中心相应地偏离调制盘中心,光点也就偏离了三角形中部,如图613中扫描圆偏到B,由于调制深度、载波波形及载波频率三种因素的综合影响,使之在90°方向上载波幅值增加,在270°方向上载波幅值减小,光点扫一圈,在三角形的不同部位上载波幅值不等,即产生了调幅波,其包络频率为光点沿扫描圆转动频率,如图615(c)所示。当扫描圆在三角形区域内移动时,包络的幅值随偏离量增大而增大,所以三角形区域对应于调制曲线的上升段。当目标的偏离量Δq再继续增大时,扫描回到了图613中C的位置,则90°方向上已扫到三角形根部以内的区域,270°方向上已扫出了调制盘。这样光点转动一周时间内,有时有光脉冲输出(上半圆),有时无光脉冲输出(下半圆),这种情况称为单边调制。单边调制情况下,随着偏离量的增大,调制光脉冲数目减少。单边调制的波形见图615(d)。单边调制时的包络幅值较三角形区域调制的包络幅值有所下降,随着偏离量Δq的继续增大,包络幅值下降得更严重,所以三角形以内的区域对应了调制曲线的下降段。(2)方位角θ与调制信号。当目标偏离的方位角为任意角θ时,扫描圆中心偏离调制盘中心的方位角亦为θ,这时载波的包络信号也具有初相角θ。将包络信号检出,与基准信号相比较,所得的相位差即为目标在空间的方位角θ。这种调制盘同前述日出式调制盘一样,也是用包络的幅值来反映目标的偏离量,用包络的初相角来反映目标的方位角。这种调制盘的空间滤波性能较前述日出式调制盘差些,因为在外圈三角形区域,透辐射和不透辐射的分格面积相差很大,在三角形内部有些地方透辐射和不透辐射分格连在一起,造成分格不均匀,这就使大面积像点在一个旋转周期内的透射比不均匀,因而空间滤波性能下降。(3)调制曲线及其影响因素。光点扫描式调幅调制盘的调制曲线如图619所示,r为上升区宽度,a-r为下降区宽度。上升区宽度比较窄,主要由外圈三角形高度和光学系统焦距确定;下降段斜率较大。3)主要特点这种光点扫描式调制盘与旋转式调制盘相比较,其优点有两个:一是调制曲线无盲区,斜率大,线性区窄,系统的灵敏度高,因此多用于跟踪精度要求较高的系统;二是实际工作的有效视场大,它比由调制盘图案决定的视场扩大了近一倍。因为当扫描圆偏离到只能扫到两个三角形时,理论上认为系统仍可以检测到目标,此时扫描圆中心所决定的一个圆为实际的有效视场,如图620所示。也就是说,要求有效视场相同的情况下,采用此种调制盘时,调制盘尺寸可以比采用日出式调制盘小得多。3.旋转式调频调制盘旋转式调频调制盘是以基频信号进行频率调制为基础的。对基频信号进行频率调制同样可以获得目标的方位及偏差信号,并起到空间滤波的作用。图621为一种旋转式调频调制盘。这种调频调制盘的特点(与调幅式比较)如下:(1)调制效率高,在考虑最佳信噪比情况下,这种调制盘的调制效率最高可达0.822,这较之调幅式系统高得多。(2)抗干扰能力强,这是由于调频信号的处理线路能较好地抑制噪声。(3)各环带角度分格不均匀,使得这种调制盘的空间滤波性能不够理想。此外,和其他调频调制盘一样,这种调制盘系统的电子处理线路较复杂。4.圆锥扫描式调频调制盘前述的两种旋转式调频调制盘,当目标处于同一环带内不同径向位置时,输出信号的幅值相同(因为同一环带内的ωo(ρ)、M(ρ)值都相同),所以它们不能反映目标偏离量的连续变化情况。对于图623(a)所示的扇形辐条式调制盘,则可以连续地反映目标的偏离量。调制盘置于光学系统焦平面上,且不运动,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。当目标位于光轴上时,光点扫描圆A的圆心与调制盘中心重合,信号波形如图623(b)所示,载波频率为一常值,无误差信号输出,如图623(c)所示。当目标偏离光轴时,扫描圆中心偏离调制盘中心,如图623(a)中扫描圆B,此时,光点扫描一周扫过扇形辐条的不同部位,扫描轨迹靠近调制盘中心部分,载波信号频率升高,扫描轨迹远离调制盘中心部分,载波信号频率降低,光点扫描一个周期内,载波频率不等,便产生了调频信号,如图623(d)所示,其瞬时频率的变化情况如图623(e)所示。调频信号通过鉴频后与基准信号相比较,便可以确定目标的偏离量和方位角。5.圆周平移扫描式调频调制盘采用调制盘绕光轴作圆周平移的扫描方式,则可以在光学系统共轴的情况下,产生与上述圆锥扫描式调频调制盘相同的扫描效果。因此,圆周平移扫描与次镜偏轴旋转的圆锥扫描式调频调制盘,只是扫描方式不同,误差信号产生的原理及解调方式均相同。圆周平移扫描调频调制盘的图案形式仍采用图64所示的扇形辐条式,设其有n对黑白扇形辐条,调制盘中心为O',光学系统视场中心为O,如图624所示(图中只画出了一个扇形辐条)。调制盘绕光轴圆周平移的效果和圆锥扫描有着同样的效果。它除了圆锥扫描所具有的无盲区、跟踪精度高等优点外,突出的优点是:(1)次镜不偏轴,整个光学系统为共轴系统,且无运动部件,因此成像质量好。(2)所采用的探测器小得多。6.脉冲编码式调制盘从运动方式来看,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;从调制的波形来看,基本上属于脉冲调制。脉冲编码式调制盘对像点的辐射能进行调制时,所产生的脉冲幅度不变,而脉冲包络的宽度、相位及脉冲重复频率随像点位置而变化。由于利用脉冲包络宽度、相位以及载频脉冲重复频率的变化分别反映像点的方位、俯仰方向的偏离量大小,因此称之为脉冲编码式调制盘。1)调制盘图案图626为一种脉冲编码式调制盘图案,在半径r1与r2之间有s组相同的辐条式透辐射(白色)和不透辐射(斜线)相间的辐条。2)基本工作原理在图626中,B'OC'表示空间的方位方向,EOF表示俯仰方向。设计时,取辐条的宽度d大于像点弥散圆的直径,因此当调制盘转动时,所得脉冲的幅度不变,但当像点位置在方位方向或俯仰方向发生变化时,就会使脉冲载波包络的相位、宽度以及载波频率随之变化。在方位方向上,我们取B'、O、C'三点为代表,讨论其信号波形。当目标位于光轴上时,像点位于O点,调制盘转动所得到的信号波形如图627(a)所示;当目标偏离光轴时,如像点位于B'或C'点,则信号波形分别如图627(b)、(c)所示。从图中可以看出,当像点位置不同时,载波包络的相位是不同的。如果把不同像点位置所得到的包络信号与基准信号(见图627(d))相比较,则所得到的相位差值是不相同的,该相位差即反映了目标在方位方向偏离光轴的距离和方向。为说明当像点在俯仰方向位置发生变化时,载波包络的宽度和载波频率随像点位置变化的原理,我们画出一个辐条组的示意图,如图628所示。E、O、F分别为俯仰位置不同的三个点。如果像点位于E点,当调制盘转动时,像点E相对于调制盘的扫描轨迹即为以r1为半径的圆。同理,像点位于O点或F点时,扫描轨迹是以r2或r3为半径的圆。以r1、r2为半径的圆,切割辐条组宽度所得弧长对应的圆心角分别为θ1、θ0和θ2。显然由于辐条组的宽度相同,这些圆心角是不相等的,θ1<θ0<θ2,调制盘转动的角速度一定,即像点扫描的角速度一定,则扫过不同的圆心角θ1、θ0和θ2所用的时间τ1、τ0和τ2不等,τ1<τ0<τ2,τ1、τ0和τ2即为E、O、F三点载波包络的宽度,由此可得E、O、F三点包络信号波形,如图629所示。由图可见,俯仰角的变化对应着包络脉冲宽度τ的变化,由于包络信号的周期T是不变化的,因此包络脉冲的占空比τ/T随俯仰角的变化而变化。由于辐条组有n对透辐射、不透辐射辐条,因此像点在任何俯仰位置扫过辐条组,都产生n个载波脉冲。若包络脉冲宽度为τ,则载波周期为τ/n。设载波频率为f,则f=n/τ。令E、O、F三点载波频率分别为f1、f0、f2,因为τ1<τ0<τ2,所以f1>f0>f2,即俯仰角的变化对应着载波频率的变化。因此,包络脉冲宽度的变化、载波频率的变化都可以反映像点在俯仰方向的位置变化。从以上对脉冲编码调制盘图案形式、扫描方式及基本工作原理的叙述中,可以初步分析归纳出它的优缺点:(1)由于调制盘转动中心与光轴不相重合,因此理论上没有盲区;与旋转中心在光轴上的日出式调制盘相比,精度较高,可用于精跟踪系统或测角系统。(2)方位和俯仰误差特性曲线(调制曲线)在整个视场内单调上升,线性区宽。(3)空间滤波性能较好。(4)当像点在俯仰方向的变化范围较大时,载波频率的变化范围也较大,因此系统的带宽较大,使探测器噪声的影响较大。(5)对调制盘图案精度、图案中心与转动中心的同心度、带动调制盘的马达的转速和稳定性等要求都较高,给制作和调校工作带来一定困难。(6)方位、俯仰通道之间有交叉干扰(即方位通道与俯仰通道的误差信号相互影响)。7.调相式调制盘图630(a)所示的是一种简单的调相式调制盘。目标像点聚焦在旋转着的调制盘上,用透过辐射脉冲串的相位信息去标示目标的径向位置。这种调制盘只能给出目标沿径向处于“界外”、“压线”、“界内”的信息,而无法表示偏离量的具体大小,也不能反映目标偏离的方位角。因此,调相体制很少单独使用。8.脉冲调宽式调制盘图631表示的是一种脉冲调宽式调制盘,白色为全透射区,黑色为不透射区。调制盘绕中心旋转,目标像点不动。在脉冲占空比的变化中,包含了目标沿径向偏离光轴的位置信息。对于图631所示的调制盘形式,脉冲宽度的变化只能反映目标像点径向偏离量的大小,而不能反映目标的方位。因此,脉冲调宽体制往往与其他调制形式综合起来反映目标的位置。6.2.3方位信号处理方位信号处理电路的具体形式也随调制方式不同而异。调幅调制盘系统的方位信号处理电路如图633所示,调频调制盘系统的方位信号处理电路如图634所示。采用脉冲编码式调制盘的系统,其方位信号处理电路的结构形式又与调幅、调频系统的不同。1.目标位置信号的形式方位探测系统最终要求是能给出反映目标方位信息的误差信号。调幅调制盘对目标光辐射进行幅度调制,所得调幅通量经探测器转换,并由电路进一步放大后,再由检波器取出包络信号,其信号表示为包络信号的幅值及相位反映了目标在空间的位置,式(67)即为目标误差信号的基本形式。对调频系统来说,瞬时频率相对于中心频率的变化量(频偏)反映了目标的失调角Δq,而频率变化的相位角θ反映了目标的方位角。调频信号经鉴频器处理,并由低通滤波器输出的信号电压形式上与式(67)一致。因此可以说,调幅调制盘系统和调频调制盘系统,最终都用幅度和相位随Δq和θ变化的正弦电压信号来反映目标在空间的位置。式(67)表示的是目标的极坐标位置(Δq,θ)。一般所说的目标在空间的方位,是指目标在方位方向(即水平方向)和俯仰方向(即高低方向)偏离光轴的距离和方向,即用直角坐标来表示目标在空间的位置。为此用坐标变换器把极坐标信号转换成直角坐标信号。2.基准信号的产生要提取目标的方位信息(θ角),通常是要把位置信号u(t)=kdΔqsin(ωt+θ)与一个基准信号相比较,因此在方位信号处理电路中必须设有基准信号发生器。通常基准信号可用光电法、磁电法和电路法产生。1)光电法产生基准信号图635为一种光电式基准信号发生器原理图。基准信号发生器由四个光敏电阻(GR2、GR3、GR4、GR5)、四个小灯泡和略大于180°角的扇形斩光器组成。2)磁电法产生基准信号利用在固定的线圈中通入周期性变化的磁通,线圈中便产生周期性变化的感应电势的方法,也可以得到基准信号电压。如图637(a)所示,一块永久磁铁与调制盘同轴旋转,调制盘图案的分界线与永久磁铁的极轴一致。永久磁铁周围互成90°放置四个基准线圈JZQ1、JZQ2、JZQ3、JZQ4,相对的两个连接成一组。当永久磁铁以角速度ω旋转时,就在这两对线圈中产生感应电势,即基准信号电压,分别用uJx和uJy表示。电压uJx和uJy与永久磁铁转角的关系如图637(b)所示,两个电压的相位相差90°,可分别作为方位通道和俯仰通道的基准电压。3)电路法产生基准信号利用晶体管开关特性,或者用运算放大器构成的电路,都可以作为方波、三角波、锯齿波、阶梯波产生器,它们分别产生方波、三角波、锯齿波和阶梯波电压波形。为使电路产生的上述基准信号与调制盘或扫描机构的运动同步,要给电路一个外加的触发信号,这个触发信号由调制盘或扫描机构给出,通常是在调制盘或扫描机构相应的起始位置处,用光电或温电(磁敏感元件)的方法产生一个脉冲,这个脉冲就作为电路的触发信号,即基准电压的时间基准。3.方位信息的提取1)调幅和调频调制盘系统方位信息的提取设空间目标为T点,其失调角为Δq,方位角为θ,在对应的像平面xOy上。如图638所示,目标像T'点到O点的距离为ρ,方位角为θ,OT'在方位方向和俯仰方向的分量分别为Oa和Ob。当Δq很小时,偏离量ρ正比于失调角Δq,令其比例系数为kd,则ρ=kdΔq。由图638可得坐标变换器就是把T'点的极坐标信号u(ρ,θ)分解成方位通道及俯仰通道上的分量,输出与Oa、Ob成比例的直流信号。为此,要把极坐标信号分别与方位基准信号和俯仰基准信号相比较,通过相位比较便得到目标的方位误差和俯仰误差。在电路中用相位检波器进行两个信号相位间的比较,相位检波器又称为鉴相器或相位比较器。相位检波器的种类很多,如脉冲鉴相器、数字鉴相器等。这里利用第4章给出的正弦鉴相器,说明它们的一般工作原理。如图453所示,设输入频率相同但相位不同的两个信号分别为按乘法器关系,有等式右边第一项是高频成分,通过低通滤波器时将滤除,则鉴相器输出为输出电压uo随两个输入信号的相位差作正弦变化。当φ为定值时,uo为相应的直流电压。若把u2作为基准电压,使它的幅值um2和相位φ2不变,u1视为误差信号,则此时输出电压uo只与um1和φ1有关。红外探测系统中的坐标变换就是按上述原理进行的。采用两个相同的相位检波器,分别加入两个相位相差90°的基准信号,输入同一极坐标的误差信号,就构成了一个坐标变换器。当输入误差信号为uo=kdΔqsin(ωt+θ)时,鉴相器的输出为2)脉冲编码式调制盘系统方位信息的提取(1)方位鉴相、俯仰鉴宽体制。利用图626中r2与r3之间的图案,通过光电的方法,在调制盘旋转时产生一串方波脉冲,通常将这个脉冲作为方位方向的基准信号。①方位误差信号的产生。在方位方向上,我们取三个点B'、O、C'为代表,讨论其误差信号形式。根据图626和图627可知,当目标像点在B'OC'直线上运动时,误差信号与基准信号的相位差φ在0°~180°之间变化,B'O线上相位差在0°~90°之间变化,相位检波器直流输出Uo为正;而OC'线上相位差在90°~180°之间变化,相位检波器直流输出Uo为负。因此,就得到了如图639所示的方位输出特性。这样一来,由Uo的大小和极性就反映了像点在方位方向偏离光轴O的距离和方向。6.脉冲编码式调制盘根据相位检波器的工作原理以及调制盘图案的几何关系,可以推导出:由式(615)可以看出,方位直流输出在整个视场内部是单调上升的,其线性度可以近似看作余弦函数的变化速率,在目标偏离光轴比较小时,可以认为是直线性的。②俯仰误差信号的产生。当像点在俯仰方向位置发生变化时,所得到的载频脉冲包络的宽度就会随之变化,以下称这个包络信号为视频信号,即通过视频脉冲宽度的变化可以反映目标像点在俯仰方向的偏离量。在俯仰方向,取三个特殊点E、O、F(见图628),图629为这三点的视频信号波形。从图629中可以看出,俯仰角的变化对应着视频脉冲宽度τ的变化。对于图629所示的周期脉冲作傅里叶展开。设脉冲高度为A,宽度为τ,周期为T,则当目标像点位于光轴上O点时,τ/T=0.5,此时二次谐波的幅值A2=(A/π)sin(2πτ/T)=0。当目标在俯仰方向偏离光轴时,τ/T≠0.5,就出现二次谐波;如目标像点位于光轴上方的E点,由图629(a)可知τ/T<0.5,则A2=(A/π)sin(2πτ/T)>0;若像点下偏到F点,由图629(c)可知τ/T>0.5,此时A2<0,A2出现不同的符号,说明像点处于光轴上下不同方向时,二次谐波的相位相差180°,而且二次谐波的幅度大小又与像点偏离光轴的距离有关。因此,我们只要得到一个相位不变而频率与二次谐波频率相同的基准信号,并与不同俯仰角的二次谐波信号一同加入鉴相器,就可以得到俯仰直流误差信号A2。A2与τ/T的关系如图640所示。式(616)中,基波幅值A1为当τ/T在0~1之间变化时,A1的符号不变,这表明基波的相位不随τ/T而变化,而且A1的大小在τ/T=0.5附近变化也不大,因此只要将基波分量倍频,就可以作为上面所需的基准信号。把这一倍频的基波信号与二次谐波信号一同加入鉴相器,就可以输出俯仰直流误差信号。由图640可见,当τ/T=0.25时,A2出现正的极大值;当τ/T=0.75时,A2出现负的极大值。因此,设计时,如果把俯仰角的变化范围取在τ/T=0.25~0.75对应的范围内,则鉴相器的直流输出在整个俯仰视场内都是单调上升的,近似为线性,其线性度即为正弦函数sin(τ/T)的变化速率。根据以上分析,方位鉴相、俯仰鉴宽体制的电路组成方框图如图641所示。图中的F是指包络信号的频率。(2)方位鉴相、俯仰鉴频体制。①方位误差信号的产生。方位鉴相、俯仰鉴频体制的方位误差信号的产生方式与方位鉴相、俯仰鉴宽体制的相同。②俯仰误差信号的产生。由于调制盘以角速度ω恒速转动,因此在俯仰方向上,处于不同半径上的点(例如图628中E、O、F点)所得调制信号的载波频率不同,通过载波频率的变化,可以取得目标的俯仰误差信息。要得到俯仰直流误差电压,通常使用鉴频器,鉴频器的直流输出正比于载波中心频率的变化。可以推导出像点处于任意半径r处的载波中心频率为如果取像点处于光轴上(r=r0)时的中心频率f0r0为基准,则处于不同r上的中心频率相对于f0r0就有不同的偏离f0r-f0r0。此时若将一个鉴频器调谐到f0r0,则目标从视场中心向上或向下移动时,该鉴频器就会产生正的或负的直流输出。直流误差信号与上述频偏成正比,也就是在一定范围内与俯仰误差角(由r折算)成正比。方位鉴相、俯仰鉴频体制的电路组成方框图如图642所示。6.3十字叉探测系统6.3.1十字叉探测系统的基本构成十字叉探测系统由光学系统、探测器及信号处理电路三大部分组成。光学系统可为反射式、透射式或折反式,其工作方式为圆锥扫描式,在像平面上产生光点扫描圆。十字叉探测器放置在像平面上,十字叉中心与光轴重合,目标像点以圆轨迹扫过十字叉探测器阵列。图643(a)、(b)给出了反射式光点扫描光学系统以及十字叉探测器阵列示意图,图644给出了探测器偏压馈电和元件连接方式。6.3.2十字叉探测系统的时域特征及方位信息提取1.时域特征分析根据图643(b)所给出的十字叉探测器阵列排布,可以画出光点扫描圆,见图645。,我们假设目标在焦平面上的像为一个理想的点。假设目标在焦平面上的辐照度E具有面密度分布函数E(x)。通常认为,在瞬时情况下,E(x)是面元上的点距弥散圆中心距离x的函数。由于圆锥扫描运动引起目标像点与各个探测元之间的相对运动,因此只有当弥散圆在探测器上有投影时,探测器才能接收到红外辐射能量而产生电压信号。根据探测器响应度的定义,探测器所输出的信号电压US可以写为图646弥散圆通过探测器示意图如图646所示,假设探测器宽度为d,ρ为探测器中心O到弥散圆轨迹中心O'的距离,θ为ρ与基准线之间的夹角。弥散圆绕其轨迹中心O'以角速度ω逆时针旋转,R为弥散圆的运动轨迹半径,r为弥散圆的半径,δ为弥散圆转过的角度(δ=ωt),ϕ为弥散圆通过探测器时的半圆心角。考虑到弥散圆直径与探测器宽度的关系:当d<2r时,弥散圆在探测器中始终只有部分投影;当d>2r时,弥散圆在一段时间里完全浸没于探测器中。为便于数学分析,将弥散圆进入探测器的过程作以下假设:圆O1、O2分别是进入探测器区域和越过探测器区域时的弥散圆,则当弥散圆在探测器上没有投影时ϕ=0,完全进入探测器时ϕ=π,且ϕ1、ϕ2分别是圆O1、O2对应的ϕ角。由图646的几何关系,可得弥散圆与探测器所满足的四个边界条件:令ϕ1=∠CO1B,ϕ2=∠C'O2B',由图646的几何关系,得到令S1(ϕ1)为圆O1通过探测器最右端的弓形面积SACB︵,S2(ϕ2)为圆O2通过探测器最左端的超弓形面积SA'C'B'︵,则弥散圆在探测器上的实际投影面积为从而可得探测器所接收的辐射功率P(ϕ)为又由式(623)知,弥散圆投射到探测器的辐射功率为假设入射辐照度E为常数,则利用式(626)可得探测器的输出信号归一化波形,如图647所示。可见,当弥散圆半径2r≪d,即弥散圆直径远小于探测器宽度时,输出波形近似于宽度固定的矩形脉冲;当弥散圆半径2r>d时,不同大小的弥散圆所产生的输出波形不同。2.基于脉冲基准信号的方位信息提取由光学系统原理知,当目标偏离光轴角度Δq时,像点轨迹圆的圆心O'与探测器中心O不重合,O'与O之间的偏离量ρ与失调角Δq的关系满足:由图645中的几何关系,可得将式(627)代入,可得脉冲信号位置信息:3.基于交流基准信号的方位信息提取如果基准信号发生器为两个旋转变压器,当次反射镜转动电机驱动次镜旋转时,带动基准信号发生器转动,则会分别产生相位相差90°的两个基准电压,这两个交流基准信号电压可表示为此时,十字叉探测器信号处理电路原理框图如图649所示。图650为处理电路各点波形示意图。4.抗背景干扰的措施采用波门选通电路,特别适合借助人工控制的系统,即先由人工捕获目标,再由系统自动地紧紧套住目标。它可以在多目标的情况下,始终套住所选定的目标。由于波门有一定的宽度,因此对那些紧靠目标的背景干扰则无法滤除。为进一步提高抗干扰能力,可减小选通器波门的宽度,但波门太窄又会降低系统的捕获能力,因此设计波门宽度时要综合考虑以上两种因素。利用目标和大面积背景所产生的脉位调制脉冲的宽度不同,采用脉冲宽度鉴别电路,也可以在一定程度上选取目标排除背景。有时从提高系统灵敏度的角度出发,为减小探测器单元面积,往往把十字叉探测器的每一臂做成多元的,以提高系统的信噪比S/N。此时可将多元探测器每两两相近元件做成正负相减元件,从而达到抑制大面积均匀背景干扰的目的,这种方法称为“面积相减技术”。5.影响测角精度的因素1)光学系统的影响光学系统的分辨率,即弥散圆的大小,直接影响信号脉冲的宽度和形状,它将直接影响采样输出波形相对于基准信号的位置,因而也就影响最后输出的直流误差电压的大小。为保证一定的测角精度,通常取元件的宽度为光学系统弥散圆直径的1~3倍。2)扫描电机稳定性的影响次镜旋转电机的转速稳定性以及它本身的晃动,都会影响测角精度,因此对电机的转速稳定性有一定要求,即对轴向窜动、径向跳动误差有一定的限制。3)红外探测器制作误差的影响红外探测器阵列每一臂窄边(即长方形的长边)互相不平行或每一窄边呈锯齿状,以及同一通道两个探测器不在同一直线上或两个通道探测器互相不垂直等,都会影响测角精度。4)基准信号的影响基准信号本身波形失真,两个通道基准信号相位差偏离90°的误差,都会影响测角精度。5)电路相移的影响目标信号脉冲或基准信号通过电路时所产生的相移,直接影响目标脉冲与基准信号的相对位置误差,故也影响测角精度。6.3.3四元红外探测系统视场分析由于许多导引头都采用了四元红外探测系统结合圆锥扫描的工作模式,在该模式下,只要光学系统确定,四元红外探测系统的视场就决定了整个导引头的视场。按照导引头跟踪信号的精准程度,这一类导引头的视场通常被分为线性区和非线性区两部分。所谓线性区,就是在该区域内探测系统可以得到准确的目标位置信息,并根据该信息准确地输出跟踪信号,迅速驱动传动机构消除目标相对于中心的误差;而非线性区是指在该区域内,虽然不能准确地得到目标的位置信息,但可以大致知道其位置,经过估计输出信号驱动传动装置,直到目标进入线性区,再进行精确控制。目前定义该类视场通用的方法是目标和探测系统中心所张开的圆锥角,一般将线性区定义为可以准确计算目标位置的区域,通常用圆锥角α表示,而将非线性区定义为仅可以大概知道目标的位置信息,通常用β=2α表示,这样做有效地解决了视场的定义和分区问题。6.3.4L型方位探测系统L型方位探测系统是指探测器阵列排列成L型,如图656(a)所示。L型系统的目标信号形式、基准信号形式以及方位误差信号提取的原理都与十字叉系统相同,区别仅在于:光点转动一周时,一个通道内只产生一个脉位调制脉冲,因此对基准信号一个周期内只采样一次。6.4扫描探测系统6.4.1扫描系统结构简介扫描系统的基本结构组成包括光学系统、探测器、信号处理电路、扫描驱动机构和扫描信号发生器。扫描驱动机构使光学系统在某一空间范围按一定规律进行扫描,扫描运动的规律(即扫描图形)由扫描信号发生器产生的扫描信号来控制。扫描图形有多种形式,例如可进行一线扫描、三线或四线扫描,其扫描图形如图657所示。1.扫描视场扫描视场是指在扫描一帧的时间内,光学系统瞬时视场所能覆盖的空域范围。这个范围通常用方位和俯仰的角度(或弧度)来表示,如图658(a)中的A×B,其中A为方位扫描视场,B为俯仰扫描视场。扫描视场通常由系统使用的总体要求给定。扫描视场A×B等于光轴的扫描范围C×D与光学系统瞬时视场α×β之和,即由式(631)并参照图658(a)、(b),扫描视场可按下列方法进行计算。对于圆形瞬时视场,有对于矩形瞬时视场,有对于矩形瞬时视场,还可以表示为2.重叠系数重叠系数是指在扫描时,相邻两行光学系统瞬时视场的重叠部分(δ)与光学系统瞬时视场(2r)之比,如图658(c)所示,即3.扫描角速度扫描角速度是指在扫描过程中,光轴在方位方向上每秒钟转过的角度。6.4.2扫描信号的形式扫描信号的形式取决于光轴扫描图形的形式。根据已经确定的扫描视场,又考虑到光学系统的瞬时视场大小和重叠系数,就可确定光轴应扫几行。原则是在一个扫描周期内,整个扫描视场中不出现漏扫区域。当扫描视场大小要求一定时,如果瞬时视场较大,则扫描行数可以少些,见图659(a)。如果瞬时视场较小,则要增加扫描行数,见图659(b),此时若不增加扫描行数,就会出现漏扫的空域,见图659(c)。1.连续N行扫描图形连续N行扫描的扫描信号形式如图661所示。2.8字扫描图形图662所示为8字形扫描信号。3.凹字扫描图形图663为凹字扫描信号。6.4.3目标信号的形式在图664中,若在扫描空域范围内,空间某一位置有一个点目标,则瞬时视场扫过这一点时,便产生一个视频脉冲。6.4.4基准信号的形式基准信号分为方位基准信号和俯仰基准信号,它们分别加入方位和俯仰采样保持电路,如图664(b)所示。方位基准信号为三角波,其周期为Tx。俯仰基准信号为阶梯波,其周期为Ty。基准信号的周期Tx、Ty值及基准信号的形式,与探测器数目n及扫描图形有关。若观察视场为A×B,探测器单元瞬时视场为α×β,如图665所示,则A×B内共包含M×N个瞬时视场,其中M=A/α为扫描列的数目,N=B/β为扫描行的数目。单元扫描系统的方位、俯仰基准信号波形如图666所示,若扫一行所用的时间为Tl,帧时间为Tf,则基准信号的周期为Tx=2Tl,Ty=Tf。对于n元探测器并联扫描的系统,若扫描图形为一线(见图657(a)),即n=N,则基准信号波形如图667所示,其方位基准信号与单元扫描系统的相同,而俯仰基准信号的周期Tx=Tc,Tc为电子开关采样周期。若扫描图形为三线(见图657(b)),即3n=N,则基准信号波形如图668所示,其方位基准信号与前两种的