L型光电雷达常见故障及排除方法

长沙航空职业技术学院毕业设计（论文）L型光电雷达常见故障分析及排除二〇一一年四月长沙航空职业技术学院系别航空装备维修工程系专业航空计算机技术与应用姓名周志祥班级航计0801指导教师于坤林毕业论文设计学生姓名周志祥学号200800081027系别航空系班级航计0801指导教师于坤林论文题目：L型光电雷达常见故障分析及排除1、总体设计提纲：（1）光电雷达基本原理（2）光电雷达故障及简单排除方法（3）L型光电雷达常见故障分析及排除2、阶段设计任务：2010.11选定课题2010.11～2011.01：查找资料2011.01～2011.05：论文实际编写3、技术和量化要求：中心突出，语言易懂，层次清晰，论据充分4、参考文献：《雷达原理》，《机载激光雷达测量技术及工程应用实践》，《光控相控阵雷达》摘要光电雷达准确地说是用光电技术实现雷达效果的一种装备，里面一般是用红外和可见光探测装置来被动地发现目标，来实现雷达的部分功能，但雷达可以测距，光电雷达无法测距，只能测角，那东西从原理上来说就不是雷达，因为不发射电磁波，只是用途上和雷达部分重叠，所以叫做光电雷达。本文主要概述光电雷达的基本工作原理以及成像原理及类型，针对基本无线电探测器的主体部件进行概要性介绍，简介光电雷达硬件及软件故障和L波段雷达故障的分析方法和解决方案.关键词:光电雷达;故障树;性能检测;故障诊断目录摘要...............................................................................................3一、雷达的基本原理......................................................................5二、光电雷达的基本工作依据........................................................6三、光电雷达成像原理基本介绍....................................................8四、飞机光电雷达的工作部件......................................................15五、光电雷达故障举例分析及注意防护........................................16六、L型雷达故障以及解决方法...................................................19七、参考文献...............................................................................20一、雷达的基本原理雷达(radar)原是“无线电探测与定位”的英文缩写。雷达的基本任务是探测感兴趣的目标，测定有关目标的距离、方问、速度等状态参数。雷达主要由天线、发射机、接收机（包括信号处理机）和显示器等部分组成。雷达发射机产生足够的电磁能量，经过收发转换开关传送给天线。天线将这些电磁能量辐射至大气中，集中在某一个很窄的方向上形成波束，向前传播。电磁波遇到波束内的目标后，将沿着各个方向产生反射，其中的一部分电磁能量反射回雷达的方向，被雷达天线获取。天线获取的能量经过收发转换开关送到接收机，形成雷达的回波信号。由于在传播过程中电磁波会随着传播距离而衰减，雷达回波信号非常微弱，几乎被噪声所淹没。接收机放大微弱的回波信号，经过信号处理机处理，提取出包含在回波中的信息，送到显示器，显示出目标的距离、方向、速度等。为了测定目标的距离，雷达准确测量从电磁波发射时刻到接收到回波时刻的延迟时间，这个延迟时间是电磁波从发射机到目标，再由目标返回雷达接收机的传播时间。根据电磁波的传播速度，可以确定目标的距离为：S=CT/2即目标距离=电磁波从雷达到目标的往返传播时间*光速数值的一半。雷达所起的作用和眼睛和耳朵相似，当然，它不再是大自然的杰作，同时，它的信息载体是无线电波。事实上，不论是可见光或是无线电波，在本质上是同一种东西，都是电磁波，传播的速度都是光速C,差别在于它们各自占据的频率和波长不同。其原理是雷达设备的发射机通过天线把电磁波能量射向空间某一方向，处在此方向上的物体反射碰到的电磁波；雷达天线接收此反射波，送至接收设备进行处理，提取有关该物体的某些信息(目标物体至雷达的距离，距离变化率或径向速度、方位、高度等)。测量距离实际是测量发射脉冲与回波脉冲之间的时间差，因电磁波以光速传播，据此就能换算成目标的精确距离。测量目标方位是利用天线的尖锐方位波束测量。测量仰角靠窄的仰角波束测量。根据仰角和距离就能计算出目标高度。测量速度是雷达根据自身和目标之间有相对运动产生的频率多普勒效应原理。雷达接收到的目标回波频率与雷达发射频率不同，两者的差值称为多普勒频率。从多普勒频率中可提取的主要信息之一是雷达与目标之间的距离变化率。当目标与干扰杂波同时存在于雷达的同一空间分辨单元内时，雷达利用它们之间多普勒频率的不同能从干扰杂波中检测和跟踪目标。二、光电雷达的基本工作依据光电雷达即光电探测器是利用半导体材料的光电导效应制成的一种光探测器件。所谓光电导效应，是指由辐射引起被照射材料电导率改变的一种物理现象。光电雷达在军事和国民经济的各个领域有广泛用途。在可见光或近红外波段主要用于射线测量和探测、工业自动控制、光度计量等；在红外波段主要用于导弹制导、红外热成像、红外遥感等方面。光电导体的另一应用是用它做摄像管靶面。为了避免光生载流子扩散引起图像模糊，连续薄膜靶面都用高阻多晶材料,如PbS-PbO、Sb2S3等。其他材料可采取镶嵌靶面的方法，整个靶面由约10万个单独探测器组成。1873年，英国W.史密斯发现硒的光电导效应，但是这种效应长期处于探索研究阶段，未获实际应用。第二次世界大战以后，随着半导体的发展，各种新的光电导材料不断出现。在可见光波段方面，到50年代中期，性能良好的硫化镉、硒化镉光敏电阻和红外波段的硫化铅光电探测器都已投入使用。60年代初，中远红外波段灵敏的Ge、Si掺杂光电导探测器研制成功，典型的例子是工作在3～5微米和8～14微米波段的Ge:Au（锗掺金）和Ge:Hg光电导探测器。60年代末以后,HgCdTe、PbSnTe等可变禁带宽度的三元系材料的研究取得进展。其工作原理和特性是内光电效应的一种。光电探测器的工作原理是基于光电效应，热探测器基于材料吸收了光辐射能量后温度升高，从而改变了它的电学性能，它区别于光子探测器的最大特点是对光辐射的波长无选择性。1．光电子发射器件光电管与光电倍增管是典型的光电子发射型（外光电效应）探测器件。其主要特点是灵敏度高，稳定性好，响应速度快和噪声小，是一种电流放大器件。尤其是光电倍增管具有很高的电流增益，特别适于探测微弱光信号；但它结构复杂，工作电压高，体积较大。光电倍增管一般用于测弱辐射而且响应速度要求较高的场合，如人造卫星的激光测距仪、光雷达等。2.光电导器件利用具有光电导效应的半导体材料做成的光电探测器称为光电导器件，通常叫做光敏电阻。在可见光波段和大气透过的几个窗口，即近红外、中红外和远红外波段，都有适用的光敏电阻。光敏电阻被广泛地用于光电自动探测系统、光电跟踪系统、导弹制导、红外光谱系统等。硫化镉CdS和硒化镉CdSe光敏电阻是可见光波段用得最多的两种光敏电阻；硫化铅PbS光敏电阻是工作于大气第一个红外透过窗口的主要光敏电阻，室温工作的PbS光敏电阻响应波长范围1.0～3.5μm，峰值响应波长2.4μm左右；锑化铟InSb光敏电阻主要用于探测大气第二个红外透过窗口，其响应波长3～5μm；碲镉汞器件的光谱响应在8～14μm，其峰值波长为10.6μm，与CO2激光器的激光波长相匹配，用于探测大气第三个窗口（8～14μm）。三、光电雷达成像原理基本介绍光电雷达于上世纪60年代问世，在20多年后，世界上出现了激光成像雷达的实验模型。激光成像雷达(ImagingLightDetectionAndRanging)是激光雷达和光电成像系统相结合的产物，是光电雷达发展的第四个阶段的重要成就之一。自80年代至今，激光成像雷达得到了发展迅速，现今的激光成像雷达可以较高精度的给出目标含有距离信息的三维图像(4D图像)，甚至可以同时给出目标的姿态和滚动速度等信息，因此在军事、航空、航天、测绘等领域得到了广泛的应用。激光成像雷达所采用的波长主要有0.9μm,1.06μm,3.8μ，10.6μm，这个波段的频率比微波高几个数量级，因此激光成像雷达的速度分辨率，测量精度、抗干扰性能是微波雷达无法比拟的。激光成像雷达在其作用范围内，绝大多数目标均成为可分辨目标，这是激光成像雷达最显著的一个特点。1激光成像雷达的工作原理1.1从光电雷达到激光成像雷达前已述及，激光成像雷达是激光雷达和光电成像技术相结合的产物，因此激光雷达技术是激光成像雷达技术的重要部分。如下图是激光成像雷达原理图：该光电雷达是由参考振荡器，激光器，强度调制器，发射装置，接收装置，CCD阵列和视频处理7个部分组成，这些部分可以分为三个系统：发射系统，接收系统和信息处理系统。激光器产生的激光，并经过强度调制后由发射系发出，照射需要探测的目标，经过目标反射回来的激光含有目标信息(速度，位置，表面状况等)，接收光学系统接收这部分激光信号，经过信息处理，获取信息，这就是光电雷达的原理。1.2目标特性和大气衰减为了能使激光成像雷达成像质量满足一定的要求，要求目标对激光具有良好的反射性质，这就是目标特性，目标和背景是相对的概念，研究目标特性必然要研究背景特性。描述目标特性的主要物理量是反射比ρ0和光谱反射比ρλ，反射比是表征目标对全谱段的反射能力，光谱反射比是表征目标对某一波长激光的反射能力。下表列出了在波长λ=900nm时不同物体的光谱反射比：物体光谱反射比λ（nm）干燥、清洁的松木(堆积)0.94雪0.8~0.9白色转石建筑0.85激光成像雷达激光信号的传输往往需要经过大气，大气会与激光信号相互作用，从而导致信号的畸变，此外，大气中的烟、雾、尘埃、雨点及湍流对激光信号的影响更大，因此有必要研究大气对激光信号的衰减。对大气衰减的讨论比较复杂，依不同情况下大气的成分不同有不同的结果。2激光成像雷达的系统方案参照不同的标准激光成像雷达有多种分类方法，如相干探测与非相干探测激光成像雷达；可见光，短波红外，中长波红外及长波红外激光成像雷达；单元探测器激光扫描成像雷达与阵列非探测扫描凝视成像雷达等。这里的系统方案，是指扫描激光像雷达和非扫描激光成像雷达这两种主要的类型。2.1扫描激光成像雷达扫描激光成像雷达是以激光束快速扫描目标，通过单元探测器接收各部分的回波信息，从而获取目标三维图像。下图为一扫描激光成像雷达原理框图：石灰石、粘土0.75平滑混凝土0.24黑橡胶(合成橡胶)0.05所示的扫描激光成像雷达中，扫描-探测单元是核心的组成部分。该系统对x,y两个方向发出扫描信号，通过探测扫描信号的回波信号，经过处理器处理，最后形成图像。将成像系统和测距、测速系统结合，就可以获得更精确的目标特性。2.2非扫描激光成像雷达非扫描激光成像雷达是20世纪90年代出现的，通常采用焦平面阵列器件作为光电探测器,相对于扫描激光成像雷达而言，它不需要复杂的扫描装置，其获取图像的速度、视场、可靠性均有了相当大的提高。目前，非扫描激光成像雷达有3种不同的技术方案，分别是连续波相位法，调频连续波4D成像系统和基于焦平面阵列脉冲激光成像雷达，其中调频连续波4D成像系统又有不同的实现途径。下面对连续波相位法进行简单介绍。一个连续相位法非扫描激光成像雷达的组成原理图如下图：一个连续相位法非扫描激光成像雷达的系统框图振荡器产生的信号，分别整形成正弦波和方波，正弦波对半导体激光器进行强度调制，方波对像增强器进行调制，CCD阵列上接收到的回波信号的平均值，即可获得目标的强度信息，通过检测回波信