红外探测系统的概念

红外探测系统一、概论1、基本功能探测系统是通过接收目标红外辐射，并把辐射能量转换电信号，经放大处理，从而实现对目标特征量测量以及对目标方位探测的一类系统。根据功用及使用的要求，分类：辐射计：用来测量目标的辐射量，如辐射通量、辐射强度、辐射亮度等；光谱辐射计：用来测量目标辐射量的光谱分布；红外测温仪，测量辐射体的温度；方位仪：测量目标在空间的方位；报警器：警戒一定的空间范围。2、基本组成红外探测系统是利用目标自身发射出的辐射能对目标进行探测的。目标与背景辐射光学系统调制/扫描器红外探测器预处理电路制冷机大气辐射光学系统、探测器和信号放大器是探测系统最基本的组成部分。图中的位置编码器可以是调制盘系统、十字叉或L形系统或扫描系统。3、基本要求从功用考虑，有以下两点要求：有良好的检测性能和高的灵敏度所谓系统的灵敏度，是指系统检测到目标时所得要的最小入射辐射能，它可以用最低的入射辐射通量(W)或最低的辐照度(W/cm2)等来表示。对点目标而言，系统所接收到的辐射能与距离平方成反比，因此系统的灵敏度实际上就决定了系统的最大作用距离。方位仪或报警器通常是在距目标较远的地方工作，对这类仪器的作用距离是有一定要求的，也就是对于它们的灵敏度有一定要求。对测温仪一类的探测系统则要求一定的温度灵敏度。探测总是在噪声干扰下进行的，噪声干扰包括系统外部的来自背景的干扰和系统内部探测器本身的噪声干扰，为了能从噪声干扰中更多地提取有用信息，为了把噪声干扰造成的系统误动作的可能性降到最小，因此探测系统的虚警概率要低，发现概率耍高。对报警器来说．这方面的指标要求应更高些。测量精度要高对于辐射计、测温仪一类的探测系统，要求对辐射量或温度的测量有一定的准确度，即有一定的精度要求，通常用相对误差来表示。对于方位仪来说，则要求一定的位置测量精度。根据方位仪使用的场合不同，对精度的要求也不同，如果用于测角系统，测角精度一般为秒级。要满足上述一些基本的技术指标要求，需要通过合理的设计方案的选择、优良的元器件的选用以及严格的加工制作、装调工艺过程来保证。4、设计要求根据总体提出的任务要求，分析与掌握目标、背景和各种干扰的红外辐射特性以及大气传输特性，选定系统的工作波段。分析比较各类光机信息处理的体制，如调制盘式、多元脉位式等，选择最适合完成总体任务的体制，这是红外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。选择探测器和确定它的技术条件，提出预处理电路的技术要求。确定光学系统的主要技术参数，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。计算探测距离，给出探测距离相对目标的空间分布，给出典型背景的辐射特性。制定探测系统技术条件，包括灵敏阔、捕获场等。二、调制盘式探测系统调制盘式探测系统技术成熟，结构相对简单，适用于背景单纯，目标对比度大的情况，如探测天空背景中的飞机或导弹等，不适用于对地面桥梁、车站、码头等大型冷目标的探测。下图是一种典型的调制盘式探测系统光学布局图,它是一个典型的折反式(卡塞格伦)光学系统，调制盘置于焦平面上。1、基本概念1.1调制盘调制盘是在能透过红外辐射的基板上，覆盖上一层涂层，然后用光刻的方法把涂层做成许多透辐射和不透辐射的栅格，这些栅格构成了调制盘的花纹图案。调制盘置于光学系统的焦平面上，当目标像点与调制盘之间有相对运动（通常也叫扫描）时，透辐射和不透辐射的栅格切割像点，由于这种切割作用，使得恒定辐射能在通过调制盘后，转换成随时间变化的断续形式。这样，调制盘就对目标像点的红外辐射能量进行了调制。1.2调制盘的作用：把恒定的辐射通量变化成为交变的辐射通量为了避免使用直流放大器，应使落到探测器上的红外辐射随时间变化，探测器产生随时间变化的交流信号。在光学系统焦平面附近加—调制盘，使红外辐射断断继续地落到探测器上，这样，探测器就产生随时间变化的交流信号。这种将恒定的红外辐射变成随时间变化的交变辐射的调制盘也称为斩波器。产生目标所在空间位量的信号编码目标在物空间位置的变化与目标像点在像空间，即在调制盘上位置的变化相对应。像点位置的变化，使调制盘输出的载波信号的某些参量，如幅度、频率或相位也随之变化。此时，由调制盘输出的辐射信号就包含了目标的方位信息。由红外探测器把调制后的辐射通量转换成电信号，用信号处理电路检出载波的相应变化量，就得到了目标在空间的方位。调制盘可看作是目标位置的信号编码器。进行空间滤波以抑制背景干扰利用目标和背景相对于系统张角大小的差异，调制盘可以抑制背景，突出目标，从而把目标从背景中分辨出来。调制盘这种滤去背景干扰的作用叫空间滤波。提高红外系统的检测性能红外系统对目标的探测总是在噪声干扰下进行的，为能从噪声干扰中更多地提取有用的信息，红外系统必须根据合适的检测准则，确定系统的最佳检测方式及相应的具体系统结构。一定的检测方式，要求与之相应的确定的信号形式，在设有调制盘的系统中，调制盘的型式决定了系统的信号形式。因此，通过调制盘图案的设计及扫描方式的选择，可以给出满足最佳检测方式所要求的信号形式，从而提高了系统的检测性能。1.3目标与像点的位置关系目标经光学系统成像，见图，物平面上的一点T对应着象平面上一个确定点T。目标T和像点T在物平面和象平面上的位置，用极坐标表示，分别为),(TT和),(。望远光学系统的象平面位于焦平面上，则Tqtgf4－1f为光学系统的像方焦距；为yox平面内像点T至o点距离，称为像点偏离量；为像点方位角；q为失调角，它是视线oT与光轴oo的夹角，它的大小反映了目标偏离光轴的大小。像点的位置),(反映了目标偏离光轴的大小和方位。1.4调制盘的分类按照扫描方式可分为旋转式、圆锥扫描式和圆周平移式三类。旋转式调制盘调制盘本身以一定的角速度旋转运动。当目标位置—定时，像点在调制盘上的位置就固定不动。目标位置变化，像点在调制盘上的位置亦发生相应的变化，调制盘输出包含了目标方位信息并进行了空间滤波。圆锥扫描调制盘调制盘不动，光学系统的扫描机构运动，使得当目标在空间某位置时，光点（即日标像点）在调制盘上以—定的频率做圆周运动，其轨迹为一中心在不同位置的圆，即扫描圆。圆周平移调制盘调制盘不旋转，调制盘中心绕光学系统中心做同圆周平移。调制盘平移—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。调制盘按照调制方式来分，上述每一类又可分为调幅式、调频式、调相式和脉冲编码式四种。2、结构组成采用调制盘作为位置编码器的方位探测系统，其结构组成原理如图所示：这种方位深测系统各部分的结构型式，都与调制盘的类型有关。3、调幅式调制盘系统3.1日出式调制盘日出式调制盘是调幅调制盘中较简单的一种，其图案形式如图所示。上半圆为目标调制区，下半圆为半透区。调制盘置于光学系统的焦平面上，调制盘中心O位于光轴上，调制盘绕中心O转动。假定像点位于图（a）中的M点不动，若像点的大小比扇形条尺寸小得多，就形成了如图（b）所示的脉冲信号波形。（1）调制信号与像点偏离量的关系如果不能忽略像点的大小，像点由调制盘中心向外移动时，如图所示，在位置A、B、C时，得到不同脉冲信号。像点由中心向外作径向移动时，出现幅度调制。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。调制深度D如图所示，像点M的偏离量为，方位角为。像点上辐射照度均匀分布，像点总面积为S，像点上一部分辐射功率1F透过调制盘，其面积为1S；像点上一部分辐射功率2F不能透过调制盘，其面积为2S。1F与1S成正比，而2F与2S成正比。当调制盘旋转时，透过调制盘的辐射功率就在1F与2F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21FF，它与21SS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，表示为FFFD21式中，F为像点总功率，它与像点的总面积成正比。说明：假定目标像点的面积S不变，则随着像点偏离量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减少时，D值也将减少，调制信号的幅值也减少。即)(fD。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及S两个参数变化，即),(SfD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)(gS，则)](,[gfD（2）调制信号与像点在调制盘上的方位角之间的关系。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，见图所示。当日标像点偏离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。基准信号的产生有多种方法。（3）空间滤波由于红外系统要保证一定的视场，就不可避免地引入背景辐射干扰，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(如图)。背景不会造成有用信号输出。这就是调制盘的空间滤波作用——抑制大面积背景。若有面积不甚大的背景出现在上述调制盘边缘区域，如图，“响尾蛇”AIM－9B导弹所用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，改进为“棋盘格”式调制盘。为提高抗干扰能力，从中心到边缘，“棋盘格”的径向宽度逐渐减小，但各“格”的面积相同。（4）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，目标的偏离量常常以失调角q表示。失调角q与有用调制信号u之间的关系曲线称为调制曲线。OE区域：目标处于光轴上或处于光轴附近q很小的区域时，像点透过的面积和不透过的面积几乎相等，调制深度很小，有用信号很小，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。EF区域：q继续增加，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。FG区域：q继续增加，进入棋盘格区。由于该区每一环带宽度随q增加逐渐变窄，则调制深度随q增加显著下降，即有用信号值下降，调制曲线出现下降区。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。决定调制曲线形状的因素1）调制盘本身图案形式的影响同样的像点，同样的偏离量，调制图案不同时，像点透辐射面积和不透辐射面积也不相同，因而调制深度不相同。调制曲线形状，即盲区大小、线性上升区的宽度和斜率、以及下降区的宽度和斜率等都会发生变化。2）像点大小及其变化规律的影响任何一个光学系统，在整个视场内像点的大小和形状都是变化的，它按一定的象差规律变化。因此，当调制盘图案不变，而像点大小随视场角的变化规律不同时，调制曲线形状也不相同。3）距离的影响对于给定目标，当目标与系统之间的距离变化时，使得像点大小和像点能量同时发生变化。在距离较远时，能量变化因素的影响较强，像点面积影响较弱，因而随着距离减小，有用信号值的增加是主要的，则调制曲线的斜率增大。当距离很近时，像点面积变大而起的作用占主导地位，使调制深度降低，有用信号减小，调制曲线斜率降低。3.2光点扫描式调制盘也称圆锥扫描式调制盘。工作时，光点扫描式调制盘本身不动，由光学系统的专用机构（偏轴次镜或光楔）旋转做圆锥扫描，使目标像点在调制盘上做圆周运动，得到一光点扫描圆，被调制盘所斩割，输出调制信号,如图所示。下图为光点扫描式调幅调制盘的一种图案。里面的图案是根据空间滤波的考虑设计的，故各环带上的黑白面积应尽量相等；外圈三角形的数目根据所选择的载波频率和光点扫描频率来确定。“尾刺”地空导弹所用（1）误差信号的产生如上图，当目标位于A、B、C时，经过滤波后得到如下图的波形：目标在光轴时，输出为等幅波，此时包络信号为零，没有交流部分，即无有用信号输出。目标偏离光轴时，由调制盘出射的光脉冲包络信号不为