红外制导原理

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U——2飞机上安装了红外照相机，美第Ⅲ代照相侦察卫星也装备了红外扫描相机。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。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，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1—1所示。红外辐射(亦称为红外线)是电磁波的一部份，其波长在0.76～l000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(λ)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、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P的定义表达式写成：PMdA（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φ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：PMdA（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1—2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面积A和球半径R平方之比，即：（1-8）如图1—3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(1—7)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