PPT制导控制系统原理[沐风书苑]

1、导弹制导控制系统原理 1参考幻灯 第二章 基于点目标跟踪的红外导引 系统原理 2参考幻灯 第二章第二章 基于点目标跟踪的红外导引系统原理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红外导引头基本原理 2.3红外探测器极其制冷红外探测器极其制冷 2.4光学调制与调制盘光学调制与调制盘 2.5误差信号处理电路图误差信号处理电路图 2.6红外目标跟踪系统红外目标跟踪系统 2.7十字叉及十字叉及L型系统型系统 3参考幻灯 2.1 2.1 导弹自动导引系统的组成导弹自动导引系统的组成 及工作原理及工作原理 一、导弹自动

2、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。 4参考幻灯 自动导引的导弹的三种方法自动导引的导弹的三种方法 1、跟踪法、跟踪法 2、平行接近法、平行接近法 3、比例导引法、比例导引法 跟踪法导弹的过载大 平行接近法过载小，实现困难 比例导引法过载小，装置简单 5参考幻灯 导弹制导视频 6参考幻灯 二、自动导系统的组成 1、导引头、导引头 X-59导引头 雷达导引头 7参考幻灯 2、 舵机舵机 俄俄R-73空空导弹空空导弹 前卫前卫-3激光导引头激光导引头 与舵机与舵机 8参考幻灯 3、导弹外形及工作原理、导弹外形及工作原理 （

3、1）导弹外行图）导弹外行图 导引头导引头舵机舵机发动机发动机 尾翼尾翼 9参考幻灯 （2）红外导引头工作原理）红外导引头工作原理 测角系统测角系统 跟踪系统跟踪系统 u q q qt 10参考幻灯 一、导引头结构组成方块图 2.2 2.2 红外导引头光学系统基本原理红外导引头光学系统基本原理 导引头导引头 方位探测系统方位探测系统 跟踪系统跟踪系统 光学系统光学系统 调制盘调制盘 探测器探测器 信号处理电路信号处理电路 1 1、组成图、组成图 11参考幻灯 2 2、导引头工作原理、导引头工作原理 导引头的各部分相互协调工作，其关系导引头的各部分相互协调工作，其关系 如下图所示如下图所示； （1

4、）结构组成）结构组成 12参考幻灯 目标辐射目标辐射 光学系统光学系统 调制盘调制盘探测器探测器电子线路电子线路 陀螺跟踪系统陀螺跟踪系统 （2）工作原理）工作原理 13参考幻灯 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。 右图：采用红外光学系统的 天文望远镜 14参考幻灯 1 1、基本组成元件：、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。 尼科耳棱镜棱镜 15参考幻灯 2 2、红外成象技术的基本原理、红外成象技术的基本原理 16参考幻灯 3 3、光学系统的功

5、能、光学系统的功能 （1）聚集光能以探测目标）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）利用象点的位置反映目标偏离光轴的 大小和方位大小和方位 q q M y1 x1 y R O1O M O f 光学系统等效的光学系统等效的 凸透镜凸透镜 17参考幻灯 4 4、光学系统几个主要的外形结构参数、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的基本参量，焦距还影响系统视角的 大小。大小。 18参考幻

6、灯 （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 有效接收口径与焦距的比值称为光学系统的相 对孔径。 19参考幻灯 5 5、影响象质的因素、影响象质的因素 一一个物点成象并不是一个几何点，而是一个个物点成象并不是一个几何点，而是一个 亮的扩散圆斑，通常称为亮的扩散圆斑，通常称为弥散圆弥散圆。弥散圆的大小。弥散圆的大小 对信号有相当大的影响。对信号有相当大的影响。 弥散圆弥散圆 20参考幻灯 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

7、象差。 左图：左图： 衍射及其强度分布衍射及其强度分布 21参考幻灯 （1）、衍射对象质的影响）、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，象也不是一个几何点，而是一个明亮的中心圆斑， 中心圆斑一般称为中心圆斑一般称为艾利艾利(Airy)(Airy)圆圆。 艾利艾利(Airy)圆圆 22参考幻灯 (2)、象差对象质的影响 象差象差是影响弥散圆大小的主要因素。是影响弥散圆大小的主要因素。象差可分象差可分 为色差

8、和单色象差两类。为色差和单色象差两类。色差是主于透镜的折射系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。对单色光产生的象差。 右图： 测量象差的原理图 23参考幻灯 2.3 2.3 红外探测器及其制冷红外探测器及其制冷 红外探测器红外探测器实际上是一种红外线辐射能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，电量的测量最方便为从近代的测量技术看，电量的测量最

9、方便 最精确。最精确。 24参考幻灯 庭院灯型红外探测器庭院灯型红外探测器 吸顶式智能吸顶式智能 红外探测器红外探测器 无线被动式无线被动式 红外探测器红外探测器 25参考幻灯 一、红外探测器的分类一、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。线的热效应而工作的。 26参考幻灯 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，温度的变化会引起某 些物理特性相应发生

10、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。 27参考幻灯 （1）热探测器的特点）热探测器的特点 热探测器要利用材料受到热辐射后温度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个特点是对全部波长的热辐射基本上都有相 同的响应。同的响应。 右为电阻式热探测器右为电阻式热探测器 28参考幻灯 (2)热探测器工作原理热探测器工作原理 热探测器是利用热探测器是利用 入射红外辐

11、射引起入射红外辐射引起 敏感元件的温度变敏感元件的温度变 化，进而使其有关化，进而使其有关 的物理参数发生相的物理参数发生相 应变化，通过测量应变化，通过测量 有关物理参数的变有关物理参数的变 化可确定探测器所化可确定探测器所 吸收的红外辐射。吸收的红外辐射。 一热释电型热探测器工一热释电型热探测器工 作原理图作原理图 29参考幻灯 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。 四象限四象限 光电探光电探 测器测器 30参考幻灯 （1）光子探测器的特点）光子探测器的特

12、点 光子探测器的反应时间短，但要使物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。能逸出材料表面的自由电子。 日本滨松 光子光子-光电管探测器光电管探测器 31参考幻灯 热探测器和光子探测器优缺点的比较热探测器和光子探测器优缺点的比较 名称优点优点 缺点缺点 热探测器热探测器 不需冷却， 全波段有平 坦响应 灵敏度较低， 反应较慢 光子探测器光子探测器 灵敏度高

13、， 反应时间短 只适用于一 定的波长范 围 ，需冷却 32参考幻灯 在导弹的红外制导系统中，由于要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。求灵敏，反应快。一般采用光子探测器。 PL-9C红外 红外 空空导弹空空导弹 挂装在武装直升机挂装在武装直升机 上的上的TY90导弹导弹 33参考幻灯 二、光子探测器分类及工作原理二、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。光电的电子作用而产生的光电子效应而工作的。光电 子效应有外光电效应和内光电效应两种。子效应有外光电效应和内光

14、电效应两种。 光电探测器光电探测器 光电导探测器光电导探测器 光生伏特探测器光生伏特探测器 光磁电探测器光磁电探测器 光子探测器光子探测器 外外 光光 电电 内内 光光 电电 34参考幻灯 1光电探测器光电探测器 当光照射到某些材料的表面上时，如果入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，这种现象称为的表面，这种现象称为外光电效应外光电效应。利用这种。利用这种 效应制成的探测器，称之为光电探测器。效应制成的探测器，称之为光电探测器。 光电效应原理图光电效应原理图 35参考幻灯 常用的光电探测器有光电二极管和

15、光电常用的光电探测器有光电二极管和光电 倍增管。倍增管。光电倍增管光电倍增管常用于激光制导系统常用于激光制导系统 中作为红外激光探测器。中作为红外激光探测器。 光电二极管光电二极管光电倍增管光电倍增管 36参考幻灯 光电探测器，存在一个长波限。长光电探测器，存在一个长波限。长 波限的存在可以从波限的存在可以从光量子理论光量子理论得到解释。得到解释。 根据光量子理论，认为辐射能量是以粒根据光量子理论，认为辐射能量是以粒 子形式存在的，这种粒子称为光子。其子形式存在的，这种粒子称为光子。其 公式为：公式为： 光电探测器的工作原理光电探测器的工作原理 37参考幻灯 当入射光子与材料中的电子相遇碰撞当

16、入射光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。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电子逸功率，电子就可逸出材料的表面 。 根据此原理根据此原理爱因斯坦爱因斯坦提出了光电发射公提出了光电发射公 式：式： hc hvmv 2 2 1 38参考幻灯 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、光电导探测器 半导体材料半导体材料 39参考幻灯 利用光电导现象制成的利用光电导

17、现象制成的 探测器叫探测器叫 光电导探测器。常见的光电导探测器。常见的 光电导器件光电导器件 由硫化铅、硒化铅、锑化铟等材料由硫化铅、硒化铅、锑化铟等材料 制成。这是红外技术中应用最广泛制成。这是红外技术中应用最广泛 的一类探测器。的一类探测器。 40参考幻灯 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。 41参考幻灯 本征激发本征激发 42参考幻灯 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

18、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. 43参考幻灯 3 3光生伏特探测器光生伏特探测器 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。 44参考幻灯 + + + + + + + + + + PN E U 阻挡层内存在内电场阻挡层内存在内电场E如图下所示如图下所示 45参考幻灯 4 4光磁电探测器光磁电探测器 光磁电探测器由一薄片本征导体材料和一 块

19、磁铁组成。当入射光子产生电子空穴对时， 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。 46参考幻灯 二、探测器的主要特性参数二、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。 47参考幻灯 1 1电压灵敏度电压灵敏度 电压灵敏度反映了光敏元件对入射辐 射能的转换能力。 2 2驰豫时间驰豫时间 驰豫时间是表征光敏元件对光照反映

20、 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。 48参考幻灯 矩形脉冲光照弛豫过程图矩形脉冲光照弛豫过程图正弦光照弛豫过程图正弦光照弛豫过程图 49参考幻灯 4 4噪声：噪声： 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 5噪声等效功率于探测度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。 50参考幻灯 三、红外探测器的致冷三、红外探测器的致冷 1致冷的必要性致冷的必要性 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

21、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 。 51参考幻灯 2 2致冷的方法致冷的方法 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致冷器。 (4)利用珀尔贴效应而致冷的半导体致冷器。 (5)其他。 52参考幻灯 2.4 2.4 光学调制与调制盘光学调制与调制盘 一、对辐射能进行调制的意义一、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

22、号处 理的有利型式。 53参考幻灯 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。 调制盘结简图构调制盘结简图构 54参考幻灯 二、调制盘基本功用二、调制盘基本功用 1使恒稳的光能转变成交变的光能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产生目标所在空间位置的信号编码 3空间滤波空间滤波抑制背景的干扰抑制背景的干扰 光的调制光的调制 55参考幻灯 调制盘按调制方式来分类，可以分为调幅、调制盘按调制方式来分类

23、，可以分为调幅、 调频和脉冲编码式调制盘。前两种与电学上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。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。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三、调幅调制盘的工作原理及特性分析 56参考幻灯 由于调幅式调制盘的信号处理系统较简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单、可靠，其性能可以满足导引系统的

24、要 求，因此在一些小型空空弹和地空弹上都求，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。采用了调幅式调制盘。 57参考幻灯 2.5 2.5 误差信号处理电路框图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

25、以操纵导弹飞及输给自动驾驶仪的控制信号以操纵导弹飞 行。行。 58参考幻灯 红外传感器工作原理红外传感器工作原理红外线光电传感器红外线光电传感器 59参考幻灯 1对目标误差信号进行电压放大和电流放大；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；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使导引头跟踪系统的工作不受导弹与目标间 距离变距离变 化的影响；化的影响； 4. 导引头捕获目标时，给射手或载机飞行员提导引头捕获目标时，给射手或载机飞行员提 供音响信号；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。使导弹在未发射前陀螺转子轴与弹轴相重合。

26、 一、误差值号处理电路的功用一、误差值号处理电路的功用 60参考幻灯 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二、误差信号处理电路工作原理 61参考幻灯 2.6 2.6 红外目标跟踪系统红外目标跟踪系统 一、跟踪系统的功用一、跟踪系统的功用 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

27、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。 62参考幻灯 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. 63参考幻灯 美国的美国的AIM-9 萨姆萨姆-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. 64参考幻灯 美国导

28、弹预警卫星美国导弹预警卫星 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，从而测量飞行目标的相对 位置和飞行轨迹。 65参考幻灯 “幼畜幼畜”(Maverick)AGM- 65空地导弹空地导弹 以美国幼畜型为代表的空地导弹采用了红 外成象制导，它可在一定恶劣气候下昼夜使 用。 66参考幻灯 二、跟踪系统的组成及工作原理 1跟踪系统的组成跟踪系统的组成 红外跟踪系统包括方位探测系统和跟踪 机构两大部分。方位探测系统由光学系统、 调制盘、探测器和信号处理电路四部分组成. 方

29、位探测系统 跟踪机构 67参考幻灯 2、跟踪系统工作原理、跟踪系统工作原理 当目标位于光轴上时，方位探测系统无误 差信号输出。由于目标的运动，使目标偏离光 轴，系统便输出与失调角相对应的方位误差信 号。该误差信号送入跟踪机构，跟踪机构便驱 动位标器向着减小失调角的方向运动. qm qt q 位标器位标器 基准线基准线 68参考幻灯 三、对跟踪系统的基本要求三、对跟踪系统的基本要求 对跟踪系统的主要要求有以下四点：对跟踪系统的主要要求有以下四点： 1跟踪角速度及角加速度跟踪角速度及角加速度 跟踪角速度及角加速度是指跟踪机构能 够输出的最大角速度及角加速度。它表明 了系统 的跟踪能力。 69参考幻

30、灯 2跟踪范围跟踪范围 3跟踪精度跟踪精度 跟踪范围是指在跟踪过程中，位标器光 轴相对跟踪系统纵轴的最大可能偏转范围。 它由 系统使用要求提出，由系统本身结构 进行限制。一般可达+30，有些竟达 +65左右。 系统的跟踪精度即指系统稳定跟踪目 标时，系统光轴与目标视线之间的角度误 差。 70参考幻灯 红外自动跟踪系统同其他自动跟踪系统一样， 是一个闭环负反馈控制系统。为使整个系统稳定， 动态性能好及稳态误差小，同时为了满足前述跟 踪角速度及精度要求，则对方位探测系统的输出 误差特性曲线应有一定要求。这些要求是 对盲区、 线性区、捕获区的要求 4对系统误差特性的要求对系统误差特性的要求 调制盘特

31、性曲线调制盘特性曲线 71参考幻灯 四、调制盘跟踪装置结构 调制盘跟踪装置的测量元件为采用 调制盘的方位探测系统。由跟踪机构驱 动位标器跟踪 目标。下面介绍几种结构 型式。 1电机跟踪电机跟踪 这种型式的跟踪装置用电动机或力矩电机 作跟踪机构。光学系统、调制盘、探测器、 次镜旋轨电机一起组成镜筒组合件。 72参考幻灯 2陀螺跟踪陀螺跟踪 采用三自由度陀螺作为跟踪机构，光学采用三自由度陀螺作为跟踪机构，光学 系统装于陀螺转子上，光轴与转子轴重合。系统装于陀螺转子上，光轴与转子轴重合。 转子高速旋转，通过转子的进动运动跟踪转子高速旋转，通过转子的进动运动跟踪 目标。目标。 陀螺陀螺 73参考幻灯

32、转子可绕自身轴 转动，又可与内框架 一起绕水平轴转过一 个角度，也可以与外 框架一起绕垂直轴转 过一个角度，这样转 子就有三个自由度， 可向空间任意方向运 动。 74参考幻灯 二、陀螺跟踪系统工作原理二、陀螺跟踪系统工作原理 陀螺跟踪原理即为它的进动原理，关键是进动力陀螺跟踪原理即为它的进动原理，关键是进动力 矩是如何产生的，以及进动力矩的大小和方向是怎样矩是如何产生的，以及进动力矩的大小和方向是怎样 确定的。根据陀螺仪的结构，现就下面几个问题讨论确定的。根据陀螺仪的结构，现就下面几个问题讨论 其工作原理。其工作原理。 陀螺仪结构陀螺仪结构 75参考幻灯 1 1进动电流的形式进动电流的形式 2

33、 2在进行电流作用下，陀螺转子的受力分在进行电流作用下，陀螺转子的受力分 析析 反馈式速率陀螺仪工作原理示意图反馈式速率陀螺仪工作原理示意图 76参考幻灯 5陀螺转子在电磁力矩作用下的运动陀螺转子在电磁力矩作用下的运动 分析分析 陀螺仪原理图陀螺仪原理图 77参考幻灯 3求转子转动一个周期内转子受到的平均求转子转动一个周期内转子受到的平均 电磁力矩电磁力矩 4在平均力矩作用下转子的运动在平均力矩作用下转子的运动 陀螺的进动陀螺的进动 78参考幻灯 .7 .7 十字叉及十字叉及L L型系统型系统 十字叉及L型系统，是指探测器排列成十字 叉型或L型的方位探测系统。而十字叉系统与L 型系统工作原理基

34、本相同。因此以下着重叙述 十字叉系统的基本工作原理，对L型系统只指 出其与十字叉系统的不同特点。 十字叉跟踪目标图十字叉跟踪目标图 79参考幻灯 一、结构组成情况一、结构组成情况 十字叉系统由光学系统，探测器及信号十字叉系统由光学系统，探测器及信号 处理电路三大部分组成。光学系统可为反射处理电路三大部分组成。光学系统可为反射 式、折射式或折反式，其工作方式为圆锥扫式、折射式或折反式，其工作方式为圆锥扫 描式，在象平面上产生象点扫描圆。象平面描式，在象平面上产生象点扫描圆。象平面 上放置十字型探测器阵列，目标象点以圆的上放置十字型探测器阵列，目标象点以圆的 轨迹扫过十字形探测器列阵。轨迹扫过十字

35、形探测器列阵。 80参考幻灯 二、目标位置信号的形式二、目标位置信号的形式 当目标位于光轴上时，扫描圆中心与当目标位于光轴上时，扫描圆中心与 十字叉探测器阵列中心重合，各通道信号脉十字叉探测器阵列中心重合，各通道信号脉 冲等间隔。当目标不在光轴上，产生的信号冲等间隔。当目标不在光轴上，产生的信号 脉冲不等间隔出现。随着目标偏离光轴的大脉冲不等间隔出现。随着目标偏离光轴的大 小和方向不同，信号脉冲出现的时间先后及小和方向不同，信号脉冲出现的时间先后及 脉冲间隔都不相同。显然十字叉探测系统的脉冲间隔都不相同。显然十字叉探测系统的 位置信号为脉冲位置调制信号，简称脉位调位置信号为脉冲位置调制信号，简

36、称脉位调 制信号。制信号。 81参考幻灯 三、基准信号形式三、基准信号形式 次反射镜转动电次反射镜转动电 机驱动次镜旋转的同机驱动次镜旋转的同 时，带动基准信号发时，带动基准信号发 生器转动，基准信号生器转动，基准信号 发生器为两个发生器为两个 旋转旋转 变压器，分别产生相变压器，分别产生相 位相差的两个基准电位相差的两个基准电 压。压。 主镜主镜 基准信号产生器基准信号产生器 探测器探测器 驱动电机驱动电机 次镜次镜 82参考幻灯 四、影响测角精度的因素 1光学系统的影响光学系统的影响 光学系统的分辨率，即弥散圆的大小，直光学系统的分辨率，即弥散圆的大小，直 接影响信号脉冲的宽度和形状，它将

37、直接影接影响信号脉冲的宽度和形状，它将直接影 响采样输出波形相对于基准信号的位置，因响采样输出波形相对于基准信号的位置，因 而也就影响最后输出的直流误差电压的大小。而也就影响最后输出的直流误差电压的大小。 为保证一定的测角精度，通常取元件的宽度为保证一定的测角精度，通常取元件的宽度 为光学系统弥散圆直径的为光学系统弥散圆直径的1 13 3倍。倍。 弥散圆弥散圆 83参考幻灯 2扫描电机稳定性的影响扫描电机稳定性的影响 次镜旋转电机转速的稳定性以及它本身次镜旋转电机转速的稳定性以及它本身 的晃动，都影响测角误差。因此对电机的转的晃动，都影响测角误差。因此对电机的转 速稳定性有一定要求，对轴向串动

38、、径向跳速稳定性有一定要求，对轴向串动、径向跳 动误差都有一定的限制。动误差都有一定的限制。 轴承对称安装行扫描电机示意图 1. 多面体棱； 2. 定子； 3. 轴； 4. 轴承。 84参考幻灯 3红外探测器制做误差的影响红外探测器制做误差的影响 红外探测器阵列每一臂窄边(即长边)互 相不平行或每一窄边呈锯齿状，以及同一 通道两探测器不在一条直线上或两通道探 测器互相不垂直等，也都直接影响测量精 度。 4基准信号的影响基准信号的影响 基准信号本身波形失真，两通道基准信 号相位差偏离的误差也影响测角精度。 85参考幻灯 五、L型系统的特点 L L型方位探测系统，是指探测器阵列型方位探测系统，是指

39、探测器阵列 排列成排列成L L型，型，L L型系统的目标信号形式、基型系统的目标信号形式、基 准信号形式以及方位误差信号提取的原理准信号形式以及方位误差信号提取的原理 都与十字叉系统都与十字叉系统 相同，区别仅在于，光点相同，区别仅在于，光点 转动一周一个通道内只产生一个脉位调制转动一周一个通道内只产生一个脉位调制 脉冲，因此对基准信号一个周期内只采样脉冲，因此对基准信号一个周期内只采样 一次。一次。 86参考幻灯 哈特曼（Hartman）光栏 哈特曼哈特曼 （Hartmann,Johannes Hartmann,Johannes FranzFranz） 德国天文学家。德国天文学家。 1904

40、1904年，他研究了猎户座年，他研究了猎户座星星 的光谱，哈特曼得出了这样的结的光谱，哈特曼得出了这样的结 论：存在着以尘埃或气体形式出论：存在着以尘埃或气体形式出 现的星际物质，其中包含着钙；现的星际物质，其中包含着钙； 在恒星与地球之间的遥远距离上，在恒星与地球之间的遥远距离上， 这种气体和尘埃吸收的光多得足这种气体和尘埃吸收的光多得足 以产生可探测的暗光谱线。这是以产生可探测的暗光谱线。这是 存在着星际物质的第一个征兆存在着星际物质的第一个征兆。 返回返回 87参考幻灯 红外光学系统 1.26米红外望远镜。米红外望远镜。 R-C光学系统，口径为光学系统，口径为1.26 米，焦比米，焦比f

41、/30。利用副镜摆动技。利用副镜摆动技 术可以从很强的天空背景光中探术可以从很强的天空背景光中探 测出微弱的红外天体辐射，于测出微弱的红外天体辐射，于 1986年在北京天文台投入观测。年在北京天文台投入观测。 1989年获中科院科技进步一年获中科院科技进步一 等奖等奖,1991年获国家科技进步二年获国家科技进步二 等奖。等奖。 返回返回 88参考幻灯 棱镜 棱镜是透明材料（如玻璃、水晶等）做成的多面体。在光学仪器棱镜是透明材料（如玻璃、水晶等）做成的多面体。在光学仪器 中应用很广。棱镜按其性质和用途可分为若干种。中应用很广。棱镜按其性质和用途可分为若干种。 例如，在光谱仪器中把复合光分解为光谱

42、的例如，在光谱仪器中把复合光分解为光谱的“色散棱镜色散棱镜”，较常，较常 用的是等边三棱镜；在潜望镜、双目望远镜等仪器中改变光的进行方用的是等边三棱镜；在潜望镜、双目望远镜等仪器中改变光的进行方 向，从而调整其成像位置的称向，从而调整其成像位置的称“全反射棱镜全反射棱镜”，一般都采用直角棱镜。，一般都采用直角棱镜。 返回返回 89参考幻灯 象差象差（aberration） 象差指透镜或反射镜所呈的像与原物面貌并非象差指透镜或反射镜所呈的像与原物面貌并非 完全相同的现象。造成球面象差的原因是由于一完全相同的现象。造成球面象差的原因是由于一 点光源发散的光线被分聚在不同的点上的缘故。点光源发散的光

43、线被分聚在不同的点上的缘故。 色彩象差的原因是透镜的折光指数随光波的长短色彩象差的原因是透镜的折光指数随光波的长短 而变化，从而引起象的边缘呈现色彩。而变化，从而引起象的边缘呈现色彩。 返回返回 90参考幻灯 弥散圆弥散圆 Circle of Confusion Circle of Confusion 又译为弥散圈、弥散环、散光圈又译为弥散圈、弥散环、散光圈, 模糊模糊 圈圈; 散射圆盘散射圆盘 物点成像时，由于像差，其成像光物点成像时，由于像差，其成像光 束不能会聚于一点，在像平面上形成一束不能会聚于一点，在像平面上形成一 个扩散的圆形投影，成为弥散圆。个扩散的圆形投影，成为弥散圆。 如果此

44、圆形足够小，肉眼依然可被视如果此圆形足够小，肉眼依然可被视 为点的合焦成像。这个可以被接受的最为点的合焦成像。这个可以被接受的最 大直径被称为容许弥散圆直径。大直径被称为容许弥散圆直径。 返回返回 91参考幻灯 Airy (1801-1892) Airy was Lucasian professor at Cambridge and Astronomer Royal. He made many major contributions to mathematics and astronomy BACK 92参考幻灯 外光电效应效应外光电效应效应 金属或半导体 受光照时，如果入射 的光子能量h足够

45、大， 它和物质中的电子相 互作用，使电子从材 料表面逸出的现象。 它是真空光电器件光 电阴极的物理基础。 93参考幻灯 光电效应光电效应 在光的照射下，在光的照射下， 使物体中的电子脱出使物体中的电子脱出 的现象叫做光电效应的现象叫做光电效应 (Photoelectric effect)。 下页外光电效应的两个定律下页外光电效应的两个定律 94参考幻灯 外光电效应的两个基本定律外光电效应的两个基本定律 1光电发射第一定律光电发射第一定律斯托列托夫定律：斯托列托夫定律： 当照射到光阴极上的入射光频率或频谱成分不变时，当照射到光阴极上的入射光频率或频谱成分不变时， 饱和光电流（即单位时间内发射的光

46、电子数目）与入射饱和光电流（即单位时间内发射的光电子数目）与入射 光强度成正比：光强度成正比： Ik=SkF0 Ik：光电流：光电流 Sk：光强：光强 F0：该阴极对入射光线的灵敏度：该阴极对入射光线的灵敏度 返回返回下一页下一页 95参考幻灯 2光电发射第二定律光电发射第二定律爱因斯坦定律爱因斯坦定律 光电子的最大动能与入射光的频率成正比，光电子的最大动能与入射光的频率成正比， 而与入射光强度无关：而与入射光强度无关： Emax=(1/2)m2max=h- h0=h- A Emax：光电子的最大初动能。：光电子的最大初动能。 h：普朗克常数。：普朗克常数。 0：产生光电发射的极限频率，频率阈

47、值。：产生光电发射的极限频率，频率阈值。 A：金属电子的逸出功：金属电子的逸出功 入射光子的能量入射光子的能量 至少要等于逸出功时，才能发生光电发射。至少要等于逸出功时，才能发生光电发射。 返回返回 96参考幻灯 阿尔伯特阿尔伯特爱因斯坦爱因斯坦 Albert Einstein 1879年年3月月14日出生于德国乌尔姆日出生于德国乌尔姆1955年年4月月 18日逝世于美国普林斯顿，著名理论物理学家，相日逝世于美国普林斯顿，著名理论物理学家，相 对论的创立者，对论的创立者，1921年诺贝尔物理学奖获得者。年诺贝尔物理学奖获得者。 1905年，爱因斯坦在科学史上创造了一个史年，爱因斯坦在科学史上创

48、造了一个史 无前例奇迹。这一年他写了六篇论文，在三个领域无前例奇迹。这一年他写了六篇论文，在三个领域 做出了四个有划时代意义的贡献，他发表了关于光做出了四个有划时代意义的贡献，他发表了关于光 量子说、分子大小测定法、布朗运动理论和狭义相量子说、分子大小测定法、布朗运动理论和狭义相 对论这四篇重要论文。对论这四篇重要论文。 爱因斯坦爱因斯坦 返回返回 97参考幻灯 光生伏特效应光生伏特效应 当用适当波长的光照射当用适当波长的光照射 光电半导体薄片上时，由于光电半导体薄片上时，由于 内建电场的作用（不外加电内建电场的作用（不外加电 场），半导体内部产生电动场），半导体内部产生电动 势（光生电压）；

49、如将势（光生电压）；如将p-n结结 短路，则会出现电流（光生短路，则会出现电流（光生 电流）。这种内建电场引起电流）。这种内建电场引起 的光电效应，称为光生伏特的光电效应，称为光生伏特 效应。效应。 98参考幻灯 PN结光生伏特结光生伏特 效应原理图效应原理图 返回返回 99参考幻灯 光电倍增管光电倍增管 photomultiplier 基于外光电效应和二次电子发射效应的电子真空器件。基于外光电效应和二次电子发射效应的电子真空器件。 它利用二次电子发射使逸出的光电子倍增，获得远高于光它利用二次电子发射使逸出的光电子倍增，获得远高于光 电管的灵敏度，能测量微弱的光信号。光电倍增管包括阴电管的灵敏

50、度，能测量微弱的光信号。光电倍增管包括阴 极室和由若干打拿极组成的二次发射倍增系统两部分（见极室和由若干打拿极组成的二次发射倍增系统两部分（见 图）。图）。 返回返回 100参考幻灯 红外探测器红外探测器 方向性幕帘红外探头方向性幕帘红外探头 返回返回 当红外线辐射到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上后，探测器材料的温度会上 升，温度的变化会引起某些物升，温度的变化会引起某些物 理特性相应发生改变，利用测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，这样的确定红外辐射的强弱，这样的 探测器称为热探测器。探测器称为

51、热探测器。 101参考幻灯 红外光的制冷红外光的制冷 红外光源冷红外光源冷 却室却室 返回返回 目前性能较好的探测目前性能较好的探测 器均需要冷却，致冷可器均需要冷却，致冷可 以降低热激发产生的载以降低热激发产生的载 流子，从而降低探测器流子，从而降低探测器 的噪声；致冷在一定程的噪声；致冷在一定程 度上也可减少禁带宽度，度上也可减少禁带宽度， 从而加大载止波长从而加大载止波长 102参考幻灯 光量子理论光量子理论 爱因斯坦在解释光电效应时提出爱因斯坦在解释光电效应时提出 了光量子理论。高能物理证实：当电了光量子理论。高能物理证实：当电 子与正电子（子与正电子（positivc electronpositivc electron）相）相 遇时，电子对将会湮没而转化为二个遇时，电子对将会湮没而转化为二个 光子。相反，能量超过光子。相反，能量超过1.021.02兆电子伏兆电子伏 特的光子在原子核场的作用下，可以特的光子在原子核场的作用下，可以 转化为一个电子和一个正电子转化为一个电子和一个正电子 返回返回 103参考幻灯 光电导现象