红外调制与调制盘 原理课件

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1、第六章 红外调制与调制盘,主讲：信息科学与工程学院 冯传胜 Email: ,本章内容,6.1 红外调制的一般概念 6.1.1 对红外辐射进行调制的意义 6.1.2 调制盘的作用 6.1.3 关于调制波的一般概念 6.1.4 调制波的形式及主要特征 6.2 调制盘的类型及工作原理 6.2.1 概述 6.2.2 调幅式调制盘 6.2.3 调频式调制盘 6.2.4 脉冲编码式调制盘,6.1 红外调制的一般概念,6.1.1 对红外辐射进行调制的意义 在电学领域及通信系统中，广泛应用了调制与解调技术。 调制的概念： 对所需处理的信号或被传输的信息做某种形式上的变换，使之更便于处理或传输。 例直流信号放大

2、，直接放大零点漂移严重。可将直流 交流 交流放大 分离出直流信号。 解调： 从已调制过的信号中恢复原始信号的过程，解调即通常说的“信息检测”。,调制,红外系统的检测性能与调制波的形式和调制器、解调器的性能密切相关。 红外辐射调制的目的： 红外辐射调制使原本恒定的辐射通量转换成随时间断续的辐射通量，并使断续的辐射能的某些特征随着目标信息的变化而变化。 对辐射能调制的目的，主要是为了使断续的辐射能中包含目标信息，便于信号的放大、处理和检测。,包含目标信息的断续的辐射能。,包含目标信息的交变电信号。,辐射源按其对红外装置的张角大小可划分为两类： 点辐射源： (本书讨论) 点源 象点(=一个栅格) 面

3、辐射源(扩展源) 面源 象点(多个栅格) 调制盘是一种辐射调制器。 制作： 基板 涂层 光刻栅格 使用时将其置于光学系统的焦平面上 目标像点与调制盘相对运动时将目标像点的辐射能进行调制。,点辐射源,面辐射源,透辐射,不透辐射,调制后的辐射功率是时间的周期性函数，即调制波形。 调制波形由象点与调制盘孔径(指一个透辐射栅格或一个不透辐射栅格)之间的比例关系确定。,孔径,象点,信号相应,孔径象点,孔径 象点,孔径 =象点,孔径 象点,孔径象点,6.1.2 调制盘的作用 最基本的作用：将恒定的辐射通量转换为断续的辐射通量。 一、产生目标所在空间位置的信息编码 目标位置变化调制后辐射通量(A, F, P

4、)变化。 是目标位置的信号编码器。,二、用调制盘进行空间滤波以抑制背景干扰 探测目标(飞机、轮船、汽车等)总是处在背景(大气、云层、海水、地物等)中，背景也有红外辐射，起到了噪声的作用。 利用目标和背景相对于系统张角大小的不同，调制盘可以拟制背景，突出目标，从而将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。 调制盘空间滤波的原理： 点源目标的象点与调制盘孔径尺寸相当，调制盘对该目标象点进行调制，产生一个由调制盘转速和调制盘数目确定的有限载频信号。 背景相当于面源，覆盖了多个透辐射和不透辐射的栅格，透过调制盘的能量为某一定值，得到的调制信号为直流或远离载频的其他频率的调制信号

5、(即在载频附近背景感应的信号很小)。 通过电路的选频作用，使目标信号的频率通过，而背景(直流或其他频率)被阻止，实现探测目标抑制背景的作用。,从原理上看，调制盘的空间滤波作用有限。当背景或某些人为干扰象点与调制盘栅格尺寸相当时，就起不了抑制背景的作用。这时常采用其他方法进一步抑制背景干扰： 色谱滤波：带通滤光片(滤掉背景辐射) 双色调制盘：将普通调制盘中的透辐射和不透辐射部分用两种不同的带通滤光片(分别对应目标辐射波段和背景辐射波段)代替。,三、用调制盘提高红外系统的检测性能 红外系统探测目标时总有噪声的干扰。 为从干扰中更多地提取有用信息，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

6、式及相应的具体系统结构。 检测方式确定后，要求有与之相应的信号形式。 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，从而提高系统的检测性能。,*6.1.3 关于调制波的一般概念 设一高频信号，描述为 其中：ac是幅度； 是角频率； 是相位； 是t时刻信号的相角。 载波： 如果ac , , 是常数，上式表示未调制波，即载波。此时的= c为载频。 调制波： 如果ac 或发生变化，则信号a(t)就成了调制波。,调制： 使载波的某一参量(如幅度、频率、相位等)随时间按一定规律变化的过程，叫做调制。 按照调制参量的不同，分为 调幅：幅度调制，AM (Amplitude

7、Modulation) 调角：角度调制。调角又分两种 调频：FM (Frequency Modulation) 调相：PM (Phase Modulation) 调制信号： 所要传送的信息称为调制信号。 调制信号与载波信号相比，通常可看作是慢变化的时间函数，即相对于载波频率c而言，调制信号频谱聚于较低的频率区域。,调制波具有频谱。 调制波可以看作由若干个不同频率的正弦型信号组合而成的信号。 调制波的频谱结构与调制信号的性质以及调制的类型有关。 混合调制： 调制过程中常产生混合调制，如AM-FM或AM-PM。 混合调制中有益的调制为工作调制，另一种附加在主要调制上的是寄生调制。 寄生调制产生原因

8、： 实现调制的方法产生 调制波通过电路时产生,6.1.4 调制波的形式及*主要特征 按载波类型的不同，分为： 连续波调制： AM FM PM 脉冲调制： 脉冲调幅(PAM) 脉冲调宽(PWM) 脉冲调位(PPM),一、连续波调制 (一)调幅 调幅波 其中k为比例系数， g(t)为调制信号， fc为载频。 定义调制指数(调制度系数) M=k/ac 调幅波可以写成 gmax(t)和M应满足 如不满足，则可能产生过调制现象。,调幅的特点： 载波信号的包络线按被传送信号的规律变化。提出有用信号时，可采用包络检波的解调方法。 不产生新的频谱，只是将调制信号的频谱从原点附近移到了载频谱线附近。 能量利用效

9、率较低：总功率中只有1/3用来传输有用信号。 在大信噪比条件下，调幅系统的输出噪声平均功率等于输入噪声平均功率。输出信噪比是输入信噪比的两倍。即调幅系统具有3dB的信噪比增益。 小信噪比下有门限效应。即当输入信噪比低于某个值时，信号淹没在噪声中。,(二)调角 调角波的一般表达式 调相 调相波 瞬时频率 调频 瞬时频率 调频波,可见调频与调相密切相关，两者虽然调制方式不同，但实质上有共同之处。下面分析调频的特点。,调频的特点： (1)载波信号幅度不变，但频率随调制信号的变化而变化。 (2)调制的结果使频谱展宽。 (3)调频波的能量集中于载频附近。能量的集中度与调制指数M有关，M值较小时，能量集中

10、于载频附近，随着M的增大，有效频谱宽度增大。 (4)能量的利用效率高于调幅。 (5)抗干扰性能优于调幅。在输入噪声功率密度相同及载波幅值相同的情况下，调频系统的输出信噪比是是调幅系统输出信噪比的3M2倍。 (6)存在门限效应。M越大，门限越高。,其中：f是最大频率偏移； F是调制信号的频率。,二、脉冲调制 用脉冲串作为载波的调制称为脉冲调制。 (一)脉冲调幅 周期性脉冲的幅度，按调制信号规律而变化的过程叫做脉冲调幅。 特点： 脉冲调幅波的频谱中包含有调制频率分量。所以检波时用低通滤波器(0-F，F调制信号频率)实现解调。 脉冲调幅波的解调对信号和噪声的作用是相同的，所以这种检测系统的信噪比增益

11、为0，而传输带宽为F。由于带宽只是连续波调幅系统的一半，所以在输入信号平均功率相同的条件下，脉冲调幅系统的输入信噪比是连续波调幅系统的2倍，加之连续波调幅系统的信噪比增益为2倍，故这两种调幅系统的输出信噪比相同。,(二) 脉冲调宽(PWM) 是指脉冲串载波的幅度与频率均无变化，而只有脉冲宽度按调制信号规律变化。 特点： 脉冲调宽频谱图与脉冲调幅频谱图基本相同，只是组合频率更加复杂。频谱中包含直流分量、调制频率分量、载波及其高次谐波。解调时仍可用低通滤波器分离出低频调制信号。,(三) 脉冲调位(PPM) 是指用脉冲串载波中脉冲的位置参量来传输信息，也叫脉位调制。 特点： 脉冲调位波的频谱中，仍有

12、直流分量与调制频率分量，并有无穷多个未调载波的谐波与以各谐波频率为中收的无穷多个组合频率，且各组合频率是不相等的。在未调制脉冲相同和调制信号相同的情况下，调位脉冲频谱中的调制频率分量幅值比调幅或调宽的调制频率分量幅值小得多，且有失真。所以不能简单地用低通滤波器直接分离出低频调制信号。往往先转换成调幅或调宽脉冲后再进行解调。 在这三种脉冲调制方式中，脉冲调幅的抗干扰性差一些(不能使用限幅器消除噪声干扰)。,当象点较调制盘分格小时，红外信号的调制属于脉冲调制；而象点超出调制盘分格时，属于连续波调制。 对于连续波调制： 调频系统的抗干扰性能强于调幅系统。 无论大信噪比输入还是小信噪比输入，调频系统的

13、输出信噪比高于调幅系统。 大信噪比输入情况下，宽带调频信噪比增益更高。 调频系统的能量利用效率高于调幅系统。 调幅系统的信号处理系统比调频系统结构简单、工作可靠。 对于脉冲调制： 抗干扰性：PWM，PPM优于PAM 解调方式：PPM的解调比PWM和PAM复杂。 PAM和AM相比，AM的信噪比增益略高。,6.2 调制盘的类型及工作原理,6.2.1 概述 红外系统中调制盘类型多，图案各异，象点与调制盘间相对运动的方式也各有不同。 从位置编码的基本原理(即调制方式)来分： 调幅式(AM) 调频式(FM) 调相式(PM) 调宽式(WM) 脉冲编码式,目标点M (, )在物平面，经光学系统成象在象平面上

14、，象点为M (, ) 。对于望远系统，象平面在焦平面上，则有 式中，f为光学系统焦距； 为xoy平面内象点M到o的距离；为象点方位角；q为失调角，反映目标偏离光轴大小。 象点位置反映了目标偏离光轴大小。 本节分析调制盘如何将目标象点位置转化为可用信号，及如何进行空间滤波。,6.2.2 调幅式调制盘 一、初升太阳式调制盘(旭日式) (一) 工作原理 1、调制盘图案及调幅波的产生 调制盘放在焦平面上，中心位于光轴。象点不动，调制盘转动，象点交替通过透过和不透过栅，从而使象点能量在最大值与最小值之间交替变化。 调制盘转动角频率，转动一圈为一个周期T(=2/ ),半透,不透,全透,上半圆：目标调制区，

15、透辐射与不透辐射扇形条呈辐射状。 下半圆：半透区。,2、调幅波包络的幅值与象点偏离量和象点大小的关系 象点： 位置：偏离量；方位角。 象点为有限半径圆形。 如图：象点面积S=S1+S2 S1为透辐射区面积 S2为不透辐射区面积 象点上辐照度均匀分布 总能量F=F1+F2 透过能量F1 S1 不透过能量 F2 S2 调制盘转动时，透过调制盘的能量： 上半圆：在F1和F2之间变化 下半圆：F/2,调制度D： D越大，调制信号的幅度越大。 S一定 增大，D增大； 减小，D减少(趋于0) 这时可将D看成是的函数，即 D=f() 所以可用调制信号的幅值表示偏移量的大小。 如果S的值也是变化的，则 D=f

16、(, S) 如果控制S随按一定规律变化，则 D=f(, S)=f(, g() 可见，通过调制盘图案形式和目标象点大小变化相配合，可满足有用信号与目标偏移量呈某一特定关系。,3、包络相位与目标方位角的关系 旭日型调制盘，图案有明显的分界线(ox)，可用其产生基准信号以检测包络的相位(初相角)。 通过前面的分析可以看出，目标象点信息与调幅波的关系： 偏离量 ：调幅波的幅度 方位角 ：调幅波包络的初相位,4、关于半透区的设置与径向分格问题 对于大面积的象点，由于跨越调制盘多个透辐射和不透辐射栅格，所以透过的和不透过的辐射能基本相等(调制度D约为0)，即如果象点总能量为F0，则： 上半圆透过辐射能F0/2 下半圆透过辐射能=F0/2 这样调制盘转动时，基本没有有用信号输出。从而实现空间滤波。,可见：“对大面积的背景辐射，在整个周期内保持调制盘的透过系数为某一恒定值”是空间滤波的一条重要原则。,一个周期T内输出基本恒定F0/2,从上面分析可见，当辐射面积较小的背景成像于调制盘的边缘时，仍可产生调制信号。 这时采用在调制盘边缘径向分格的方法抑制背景干扰。