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1、导弹制导控制系统原理,第二章,基于点目标跟踪的红外导引 系统原理,第二章基于点目标跟踪的红外导引系统原理,2.1导弹自动导引系统的组成及工作原理 2.2红外导引头基本原理 2.3红外探测器极其制冷 2.4光学调制与调制盘 2.5误差信号处理电路图 2.6红外目标跟踪系统 2.7十字叉及L型系统,2.1 导弹自动导引系统的组成及工作原理,一、导弹自动导引的分类 自动导引方法精度比较高，因此在空空导弹和地空导弹的控制中得到广泛采用。 自动导引的导弹有三种方法。,自动导引的导弹的三种方法,1、跟踪法 2、平行接近法 3、比例导引法,导弹制导视频,二、自动导系统的组成 1、导引头,X-59导引头,雷达
2、导引头,2、 舵机,俄R-73空空导弹,前卫-3激光导引头与舵机,3、导弹外形及工作原理 （1）导弹外行图,导引头,舵机,发动机,尾翼,（2）红外导引头工作原理,测角系统,跟踪系统,u,q,q,qt,一、导引头结构组成方块图,2.2 红外导引头光学系统基本原理,导引头,方位探测系统,跟踪系统,光学系统,调制盘,探测器,信号处理电路,1、组成图,2、导引头工作原理,导引头的各部分相互协调工作，其关系如下图所示；,（1）结构组成,（2）工作原理,二、红外光学系统 红外光学系统是红外导引的一个重要组成部分。红外导引通过光学系统来收集目标辐射的红外线。红外光学系统是根据光的基本传播规律进行成象的。,右
3、图：采用红外光学系统的 天文望远镜,1、基本组成元件： 光学系统的基本组成元件是反射镜、棱镜、 及光栏。,尼科耳棱镜,2、红外成象技术的基本原理,3、光学系统的功能,（1）聚集光能以探测目标,（2）利用象点的位置反映目标偏离光轴的 大小和方位,光学系统等效的 凸透镜,4、光学系统几个主要的外形结构参数,（1）有效接收口径D 有效接收口径D决定了光学系统有效接收面积的大小。 （2） 焦距 光学系统的焦距是决定系统成象位置及大小的基本参量，焦距还影响系统视角的大小。,（3）视角 视角的大小决定了系统所能观察到的有效空间的大小。为了消除背景的干扰，系统的视角不能太大。 （4）相对孔径、f数 有效接收
4、口径与焦距的比值称为光学系统的相对孔径。,5、影响象质的因素,一个物点成象并不是一个几何点，而是一个亮的扩散圆斑，通常称为弥散圆。弥散圆的大小对信号有相当大的影响。,弥散圆,由于弥散圆的大小对信号有相当大的影响，因此需要了解影响弥散圆大小的影响因素。影响弥散圆大小的因素有两种，一是衍射，二是象差。,左图： 衍射及其强度分布,（1）、衍射对象质的影响 衍射是由光的波动性而引起的。即使是位于光轴上的几何点源，通过有光栏的光学系统后成的象也不是一个几何点，而是一个明亮的中心圆斑，中心圆斑一般称为艾利(Airy)圆。,艾利(Airy)圆,(2)、象差对象质的影响 象差是影响弥散圆大小的主要因素。象差可
5、分为色差和单色象差两类。色差是主于透镜的折射系数随波长而变化引起的，单色象差指光学系统对单色光产生的象差。,右图： 测量象差的原理图,2.3 红外探测器及其制冷,红外探测器实际上是一种红外线辐射能的转换器。它把辐射能转换成另一种便于测量的能量形式，多数情况下转换成电能，因为从近代的测量技术看，电量的测量最方便最精确。,庭院灯型红外探测器,吸顶式智能 红外探测器,无线被动式红外探测器,一、红外探测器的分类,对于探测和跟踪目标的探测器，按照探测过程的物理机理，可分为两类，即热探测器和光子探测器，热探测器是利用红外线的热效应而工作的。,1、热探测器,当红外线辐射到热探测器上后，探测器材料的温度会上升
6、，温度的变化会引起某些物理特性相应发生改变，利用测量这些物理特性的改变程度来确定红外辐射的强弱，这样的探测器称为热探测器。,（1）热探测器的特点,热探测器要利用材料受到热辐射后温度的上升来测量的，因而反应时间较长，时间常数一般在毫秒级以上，这类探测器的另一个特点是对全部波长的热辐射基本上都有相同的响应。,右为电阻式热探测器,(2)热探测器工作原理,热探测器是利用入射红外辐射引起敏感元件的温度变化，进而使其有关的物理参数发生相应变化，通过测量有关物理参数的变化可确定探测器所吸收的红外辐射。,一热释电型热探测器工作原理图,2、光子探测器,光子探测器是利用红外线中的光子流射到探测器上后，和探测器材料
7、中的束缚态电子作用后，引起电子状态的变化，从而产生能逸出表面的自由电子，以此来探测红外线。,四象限光电探测器,（1）光子探测器的特点,光子探测器的反应时间短，但要使物体内部的电子改变运动动态，入射的光子能量必须足够大。当光子能量小于某一值时，就不能使束缚状态电子变成载流子或能逸出材料表面的自由电子。,日本滨松 光子-光电管探测器,热探测器和光子探测器优缺点的比较,在导弹的红外制导系统中，由于要求灵敏，反应快。一般采用光子探测器。,PL-9C红外空空导弹,挂装在武装直升机上的TY90导弹,二、光子探测器分类及工作原理,光子探测器是基于入射光子对探测器材料内的电子作用而产生的光电子效应而工作的。光
8、电子效应有外光电效应和内光电效应两种。,光电探测器,光电导探测器,光生伏特探测器,光磁电探测器,光子探测器,外光电,内光电,1光电探测器,当光照射到某些材料的表面上时，如果入射光子的能量足够大，就能够使电子逸出材料的表面，这种现象称为外光电效应。利用这种效应制成的探测器，称之为光电探测器。,光电效应原理图,常用的光电探测器有光电二极管和光电倍增管。光电倍增管常用于激光制导系统中作为红外激光探测器。,光电二极管,光电倍增管,光电探测器，存在一个长波限。长波限的存在可以从光量子理论得到解释。根据光量子理论，认为辐射能量是以粒子形式存在的，这种粒子称为光子。其公式为：,光电探测器的工作原理,当入射光
9、子与材料中的电子相遇碰撞时，光子就消失而将其全部能量转给了电子。若光子的能量大于探测器材料的电子逸功率，电子就可逸出材料的表面 。根据此原理爱因斯坦提出了光电发射公式：,当光照射到某些半导体材料上后，光子与半导体内的电子作用后，会形成载流子，载流子会使半导体的电导率增加，这种现象称为光电导现象。,2、光电导探测器,半导体材料,利用光电导现象制成的 探测器叫光电导探测器。常见的 光电导器件由硫化铅、硒化铅、锑化铟等材料制成。这是红外技术中应用最广泛的一类探测器。,在纯净半导体中，当价电子受到热或光子的 激发而跳到导带后，在价带中就留下了一个空穴，电子和空穴对材料导电率都有提高作用。 这种在纯净半
10、导体中一个电子被激发而在导带和价带分别发生电子的过程叫本征激发。,本征激发,为了使探测器能在较长的波段工作，需要增大探测器的截止波长。一般在纯净半导体中掺入少量其他杂质，根据掺入的杂质不同，可以做成P型半导体和N型半导体.,3光生伏特探测器,在P型，N型半导体接触面处会形成一个阻挡层。在阻挡层内存在内电场E，如果光照射在结附近，由光子激发而形成光生载流子，由于内电场的作用，光生载流子的电子就会跑到N区，而空穴就跑到P区，这时在P-N结两侧就会出现附加电位差，这一现象称为“光生伏特”效应。,阻挡层内存在内电场E如图下所示,4光磁电探测器,光磁电探测器由一薄片本征导体材料和一块磁铁组成。当入射光子
11、产生电子空穴对时，它们被外加磁场分开形成电动势。 这类探测器不需要致冷，可响应到7微米，时间常数也小。但由于其灵敏度较前两种低，故目前应用较少。,二、探测器的主要特性参数,导引头所用的探测器大部分都是光电导探测器和光生伏特探测器，由于它们都是光子探测器，所以又都称为光敏元件。光敏元件有一系列根据实际应用需要而制定的特性参数。用这些参数可以区别一个光敏元件在应用中的优劣。,1电压灵敏度 电压灵敏度反映了光敏元件对入射辐射能的转换能力。,2驰豫时间 驰豫时间是表征光敏元件对光照反映 快慢的物理量，是进行系统设计选用元件 时必须考虑的重要参数。,矩形脉冲光照弛豫过程图,正弦光照弛豫过程图,4噪声：
12、由以上的讨论，我们知道，光照射到光敏元件上后，就会有一个有用的信号产生，但光敏元件工作时除了有用信号之外，还有噪声存在。,5噪声等效功率于探测度： 光敏元件存在着噪声，噪声限制了光敏元件对微弱信号的探测能力。,三、红外探测器的致冷,1致冷的必要性 目前性能较好的探测器均需要冷却，致冷可以降低热激发产生的载流子，从而降低探测器的噪声；致冷在一定程度上也可减少禁带宽度，从而加大载止波长 。,2致冷的方法 目前对红外探测器的致冷有多种方法，按照换 热方式，可大体分为: (1)利用低温液体或气体进行对流换热而致冷探测器。 (2)利用固体传导换热而致冷探测器的固体致冷器。 (3)利用辐射散热而致冷的辐射
13、致冷器。 (4)利用珀尔贴效应而致冷的半导体致冷器。 (5)其他。,2.4 光学调制与调制盘,一、对辐射能进行调制的意义,来自目标的红外辐射能，一般是不能直接利用的因此就需要对光能进行某种形式的调制，这种调制的类型要适合信号处理的有利型式。,连续激光束需要斩光才能变成脉冲激光束，高温物体的红外辐射也需要调制成脉冲光才便于测量。为此，设计出了如图3所示的调制盘，该调制盘的旋转速度为2400转/分，同时具有激光束斩光、红外辐射调制这两种功能。,调制盘结简图构,二、调制盘基本功用,1使恒稳的光能转变成交变的光能 2产生目标所在空间位置的信号编码3空间滤波抑制背景的干扰,光的调制,调制盘按调制方式来分
14、类，可以分为调幅、调频和脉冲编码式调制盘。前两种与电学上的调幅和调频是一致的，即它们分别用调制信号幅度、频率的变化来反映目标的位置。脉冲编码式调制盘是用一组组脉冲的频率和相位来反映目标的方位。,三、调幅调制盘的工作原理及特性分析,由于调幅式调制盘的信号处理系统较简单、可靠，其性能可以满足导引系统的要求，因此在一些小型空空弹和地空弹上都采用了调幅式调制盘。,2.5 误差信号处理电路框图,红外探测器输出的电信号包含了目标的位置信息，通常称之为误差信号。此误差信号极其微弱，且为调制信号，因此必须经过误差信号处理电路进行放大、解调等处理以后，方可形成控制陀螺跟踪目标的进动电流及输给自动驾驶仪的控制信号
15、以操纵导弹飞行。,红外传感器工作原理,红外线光电传感器,1对目标误差信号进行电压放大和电流放大； 2对误差信号作解调变换； 3使导引头跟踪系统的工作不受导弹与目标间 距离变 化的影响； 4. 导引头捕获目标时，给射手或载机飞行员提供音响信号； 5. 使导弹在未发射前陀螺转子轴与弹轴相重合。,一、误差值号处理电路的功用,某型地空导弹红外导引头，调制盘为调幅式调制盘，其图案如图231所示，调制盘 随陀螺转子以100转/秒的转速转动，因此调幅信号载波频率为： f=12fT=1200Hz 式中为调制盘转动频率fT，即为调制信号包络频率。,二、误差信号处理电路工作原理,2.6 红外目标跟踪系统,一、跟踪
16、系统的功用,跟踪系统用来对运动目标进行跟踪。 当目标运动时，便出现了目标相对于系统测量基准的偏离量，系统测量元件测量出目标的 相对偏离量，并输出相应的误差信号送入跟踪机构，跟踪机构便驱动系统的测量元件向目标方 向运动，消除其相对偏离量，使测量基准对准目标，从而实现对目标的跟踪。,红外跟踪系统可以对点源目标和扩展源目标进行跟踪。红外跟踪系统与测角机构组合在 一起，便组成红外方位仪。红外跟踪系统在导弹的制导系统中应用越来越广泛。 红外跟踪系统在导弹的制导系统中应用越来越广泛。红外制导最早应用于空空导弹，近三十年来在技术上不断改进.,美国的AIM-9,萨姆-7,目前已出现了以美国的AIML,法国的R550等为代表的典型格斗导弹,红外地空导弹，如苏联的萨姆-7、美国的针刺型.,美国导弹预警卫星,红外跟踪还可用于预警探测装置中，如七十年代后开始出现的预警卫星。预警装置中的红外跟踪系统，可对入侵的飞机和弹道导弹进行捕获和跟踪，对其他测量系统和测距系统实施引导，从而测量
