简易主动式红外跟踪器毕业设计(共32页)

1、第 PAGE 38 页 共 NUMPAGES 38 页当前电子技术(jsh)的新领域是空间电子技术、固体电子技术、自由电子激光技术和光电子技术。电子技术在这些新领域的发展，将会对它本身带来一场深刻的变革，而红外、激光和光纤通讯是光电子技术的重要内容。最近30年来，红外技术已成为一门迅速发展的新兴技术，广泛应用于军事、工业、农业、医疗和科学研究等各个领域。红外技术是发展遥感技术和空间科学的重要手段。红外辐射又称为红外线或红外光，红外光是人眼看不见的光，是一种电磁波。鉴于其灵敏度高工作效率高，近年来利用红外作为探测、遥控、跟踪系统(xtng)的光源越来越受到广大设计人员的青睐，红外跟踪器是广泛应用

2、于军事、工业、医疗、环境等诸多领域的一类器件。根据红外跟踪器的探测原理的不同可分为主动式和被动式两种。主动式是基于光电效应，优点是对波长的探测选择性强，信噪比高，响应速度快，因而已深入应用于航空航天、导弹寻目的、红外夜视等军事领域，但其缺点(qudin)是需要低温工作，必须配置昂贵且笨重的制冷设备，高成本和难以小型化的缺点制约着其向民用领域应用的扩展；被动式是基于热敏材料吸收红外辐射产生的热效应，根据热效应的机制不同还可进行细分，它们的最大优点是可在室温工作，从而大大减少了器件的体积和成本。虽和在某一波长敏感的主动式的相比，其灵敏度较低，响应时间也较长，但20世纪90年代以来，随着焦平面阵列、

3、超大规模集成电路和微机电控系统以及信息处理等技术的发展，使得这种非制冷热红外跟踪器的探测率得到了极大的提高，响应时间同时也满足了成像要求，为其在军用和民用两大领域开拓了更广阔的应用前景。以军事领域的应用为例：侦查，搜索和预警；探测和跟踪；全天侯前视和夜视；武器瞄准；红外制导导弹；红外成像相机；水下探潜、探雷技术。为了满足红外信息获取技术发展需求，随着多波段红外探测、数据融合、各种高新科技的不断发展，红外预警探测系统的灵敏度、效能、定位精度会更高，探测距离会更远，而且虚警率也会更低。因此，红外探测技术在未来军事领域中的战略地位是显而易见的。红外探测技术在天文上用于天文望远镜来观察天体运行，安装在

4、卫星上红外探测技术可以让人看到遥远的星球间发生的奇观。此外还可以用于气象观测天气。九十年代以来,红外测温技术的飞速发展和它在国防、航空、航天等领域的潜在应用价值,使它成为当今高科技发展的又一热点。因此红外技术具有广泛的用途。1 红外跟踪器红外跟踪(gnzng)探测器按其工作方式可分为被动跟踪探测方式和主动红外跟踪探测方式。1.1 被动跟踪探测(tnc)方式被动式：热释电红外跟踪探测器是利用红外光敏器件将活动(hu dng)生物体发出的微量红外线转换成相应的电信号，并进行放大、处理，对被监测的对象实施控制。它不需配置红外发生源，而是利用红外光敏器件来接收移动的人辐射出的红外线，将其转换为电信号，

5、并作为控制信号对被控装置（用电器、保安、防盗、自动门启闭等装置）进行自动控制。换而言之，热释电红外跟踪探测器件不需要附加红外光源，而是利用热释电红外器件直接探测来自移动的生物体的红外辐射，因此出现了被动式跟踪探测方式。它是当前非常热门的热释电红外跟踪探测方式，热释电红外线传感技术是在红外探测、夜视装置、仿入侵、安全防范、自动门控制、自动灯控制、交通管制、温度检测以及光电玩具等方面有着广泛的应用。它具有二维探测、识别特性。因为满足这种红外探测报警的工作条件有两个：一是存在具有一定体温的生物体；二是必须有一定的移动速度。它对人体有很高的灵敏度。热释电红外跟踪探测器既可以进行直线型探测，也可以进行空

6、间探测，常用于室内和空间的立体防范，其隐蔽性更优于主动式红外跟踪探测器。所以它能可靠地将运动着的生物体和飘落的物体加以区别。同时，它还具有监控范围大、隐蔽性好、抗干扰性强和误报率低等特点。因而，被动跟踪探测方式技术在自动控制、自动门启闭、接近开关、自动照明、遥控遥测等方面，特别是在保安、防火、报警方面越来越受到重视和得到应用。检测物体红外辐射的敏感器件可分为热释电红外光敏器件和量子型红外光敏器件。热释电红外传感技术是20世纪80年代迅速发展起来的一门(y mn)新型学科。热释电红外传感原理是基于：任何高于绝对温度的物体都会发出电磁辐射红外线，但各种不同温度(wnd)的物体所辐射的电磁能及能量随

7、波长的分布式不同的，物体表面的温度越高，它辐射的能量就越强。根据不同物体及不同温度体发出的红外光谱的不同，可对不同目标进行红外检测和判别，如温度的测定、火灾的预警、不同物体的识别、活动目标（人）的保安和防火防盗等。常在热释电红外传感探测元件前加一红外滤光片，以抑制人体以外的红外辐射干扰。利用这种传感器件，就可以非接触式对物体对物体辐射出的红外线进行检测，察觉红外线能量的变化，将其转换成相应的电信号，并以该信号作为控制信号，对电气设备或保安防盗装置进行控制。热释电红外探测(tnc)报警的原理框图如图1.1所示。它主要由光学透镜系统、热释电红外传感器、放大器、信号处理器、报警控制器和声光报叫电路等

8、组成。由图可见，热释电红外跟踪探测报警的核心部件是热释电红外传感器。通过光学透镜系统的配合和红外光能的集聚，它可以探测一个立体防范空间内的热辐射的能量的变化。光学透镜系统热释电红外传感器件放大器信号处理器报警控制器声光报叫电路图1.1热释电红外探测防盗报警器的原理图 热释电红外跟踪探测报警传感原理是基于：任何高于绝对温度零点的物体都会辐射出红外线，辐射能量的大小与该物体的表面温度有关。不同温度的物体辐射的能量随波长的分布有相关资料可循，在此不累赘了。在静止状态下，即无移动体入侵的情况下，热释电探测器周边的物体，如树木、建筑物、家具等不动物体，虽然也会发出热红外辐射，但这些辐射是稳定不变的，并被

9、称为背景辐射。当入侵的活动体进入被监测的防范区域后，稳定不变的热辐射被破坏，产生一个变化的热红外辐射。热释电红外传感器能接收到这变化的辐射能，并将其转换成相应的电信号，经放大、处理后去控制报警器发出声光报警信号。但本设计(shj)以主动式红外跟踪探测器为主旨，所以在此不对热释电红外跟踪探测器再作详细说明。1.2 主动红外跟踪探测(tnc)方式主动式：主动式红外跟踪探测器属于直线型探测报警器，红外跟踪器发出的红外光束是一道人眼看不见的警戒线，当有人穿越或阻挡这条光束时，其警戒状态被破坏。红外接收器输出的电信号强度就会发生变化，经信号处理后启动报警控制器发出警报信号。它是需要依靠被控对象（电气设备

10、、活动体等）对红外光源的光束的照射或遮蔽进行控制的，这种方式常称为主动式红外传感、控制技术。主动式红外方式需要红外发射源和相对应的接收、检测设备，红外线的发、收光路，或对准，或依靠发射式进行。为了加大监控距离、要求发射功率较大。接受灵敏度较高。主动式红外方式的最大缺点(qudin)是不能把运动的生物体和运动着的非生物体区别开来，只要将红外光束或红外光路遮挡，就会触发误报。如果有物体坠落或纸张、树叶等因风飘落，也会导致误报。但本设计考虑到这一点，特做相关特殊处理，以减少误报的情况。详情见下。2 主动式红外跟踪器2.1 组成部分(z chn b fn)本设计(shj)的红外跟踪器是由发射端、接收端

11、和控制端三大部分组成，主动式红外探测报警器的组成(z chn)框图如图2.2所示。发射端接收端 控制端有损耗图2.1 主动式红外探测报警器的组成框图2.2 主动式红外跟踪器的特点本设计将红外线发射电路，接收电路，控制电路装配在同一基座内，当红外光束覆盖的区域内有人走动时，发射电路发出的红外调制信号有部分被反射回来。经接收电路接收后做相应处理，从而发出相应的控制信号，使得控制电路作出相应的应答。脉冲发生器载波调制红外发射输出级前置放大器脉冲解调器选通门输出驱动级报警控制器报警电路图2.2 主动式红外跟踪探测(tnc)报警系统的原理框图它由红外发射机、红外接收机和报警(bo jng)控制器等组成。

12、图1.2所示原理框图，实际上是载波调制式的红外跟踪探测报警系统，由于要进行载波调制，红外发射端包括一个低频的脉冲发生器、载波发生器和红外输出级。低频脉冲发生器产生的低频脉冲方波对高频的载波进行调制，使之产生相应的调制波，然后驱动红外发射输出级发出红外光束。传播过程：红外辐射在传播过程中，与空气浮尘发生碰撞的散射和吸收过程具有随机性，一部分辐射与空气浮尘碰撞，被碰撞的辐射一部分被空气浮尘吸收，另一部分被散射。被散射的辐射改变原来(yunli)的方向继续向前传播，重复以上的传播过程，直到被被红外探测器接收。这样红外探测器所接收到的来自目标的辐射，由两部分组成：一部分来自目标经过大气直接到达红外接收

13、探测端，另一部分为邻近目标的辐射经过大气散射后到达红外探测器的那部分辐射。接收端包括一个与发射端相配的前置放大器、解调器和输出驱动器等。解调器将已调载波的包络解调出来，经积累或处理后对后级的触发电路进行触发或进行继电器控制。本设计将红外线发射电路，接收电路，控制电路装配在同一基座内，当红外光束覆盖的区域内有人走动时，发射电路发出的红外调制信号有部分被反射回来。这种依靠人体反射对返回信号进行检测、报警就是本设计采用的方案。要达到5到10米的探测距离，因为有效距离取决于发射二极管辐射的峰值功率，而峰值功率由馈给发光二极管的电流峰值功率所决定。峰值功率越大，驱动电流的平均值越小，则发光效率就越高。为

14、了提高红外跟踪器的作用距离，而又不使红外发光管过载，采用(ciyng)脉冲发射方式。调制载波发射方式可使红外发射管的平均功率减少，提高系统的有效距离且大大提高了红外跟踪探测系统的抗干扰能力。 3 发射(fsh)部分3.1 发射(fsh)部分的特点 使用红外发光二极管获得近红外光，是相当方便的。红外发光二极管是一种由PN结构成的注入电流型发光器件，在加上合适的正向偏置电压(diny)后，就可以发射出一定波长的近红外光。对红外二极管采用脉动电流驱动方式，为了提高红外跟踪系统的作用距离，而又不使红外发射管过载，采用调制载波发射方式。它的有效距离取决于发射二极管辐射的峰值功率，而峰值功率由馈送给发光二

15、极管的电流峰值功率所决定的。峰值功率越大，驱动电流的平均值就越小，则发光效率就越高。调制载波发射方式可使红外发射管的平均功率减少，提高系统的有效作用距离，且大大提高了红外跟踪器系统的抗干扰能力。因为要根据活动目标物体的不同特性，对于入侵者的防范和探测，可以选择不同的检测方式，3.1.1 载波调制本设计将目标回波信号与相干用的基准信号进行比较所以发射装置采用脉冲调制，工作在脉冲状态，故不能直接用发射机的高频振荡信号作为基准信号，只能采用辅助的基准信号源作为基准信号。图2.2.1是红外发射电路的电路框图，编码波形发生器产生一定占空比的脉冲信号，经驱动级放大后驱动红外发光二极管，使其发射出一系列等幅

16、的红外光脉冲信号。发射脉冲编码信号可降低功耗，提高发射频率。脉冲发生器 驱动级红外发射图3.1.1 红外发射电路(dinl)的电路框图这是最简单的红外线遥控方式，是一种单光束、单通道的控制方式。采用脉冲编码方式，可以大大提高红外发光管的发射效率，降低对发射管功率的要求。对于红外光束编码探测系统来说，红外光的有效探测距离是极其重要的参数。而对于红外光通信来说，调制频率、调制带宽是光通信发光二极管的重要参数。调制频率关系到红外发光二极管在光通信中的传输速度的高低，红外发光二极管因受到注入PN结有源区内少数载流子寿命的限制(xinzh)，其调制的最高频率会受限制，从而限制了红外发光二极管在高比特速率

17、系统中的应用。通过合理的脉冲编码和优化驱动电路，可使红外发光二极管有可能用于高速光通信系统。光输出OI时间t光输出波形图3.1.2 发光(f un)二极管的数字调制示意图为增加红外光系统的探测距离，应提高发射发光二极管的瞬时功率，降低其平均功率。它的有效距离取决于发射二极管辐射的峰值功率，而峰值功率由馈送给发光二极管的电流峰值功率所决定的。峰值功率越大，驱动电流的平均值就越小，则发光效率就越高。对于防盗报警系统来说，一个以正常速度行走的人在通过的人在通过任何一个给定的场地时，需要200ms，但这并不意味着要求红外发光二极管一直处于发射状态，而只需以远少于200ms的周期重复。持续1ms的20k

18、hz脉冲串50msI图3.1.3 载波调制(tiozh)方式的编码波形对于红外光束跟踪器探测系统，选取合适的遮光时间至管重要。若遮光时间选得过短，某些外界干扰会引起误报；若遮光时间选得过长，则可能导致漏报。若来犯者以10m/s的速度通过镜头的遮光区域，人体最小粗度为20cm,光束被遮挡超过(chogu)20ms时，探测报警系统就会报警，而少于20ms时不会报警。这样，较小的活动体，如动物、昆虫等不会导致误报。而红外发光(f un)二极管的脉冲峰值电流I1与该管的所能承受的平均工作电流I2之间存在如下关系 I1=I2*exp(T/t)式中：I2为红外二极管的平均工作电流，即手册上给出的工作电流；

19、T为编码脉冲的周期；t为发射的光脉冲宽度。t/T为脉冲电流的占空比。因此，在I2为定值的情况下，占空比越小，则峰值电流I1越大，发射的红外光峰值功率越大，红外光的作用距离就越远。3.1.2相位法测距红外发射系统在设计时，为了达到5-10米的探测距离的要求，相位法测距发射装置主要包括：红外发光器件、调制频率发生芯片和发射光学系统三部分。根据相位法测距原理给出方案，设计出调制电路图，根据电路图连接元器件发出调制红外光，并对调制光进行准确的发射。用PIN管探测器件对调制光进行接收放大分析，该系统对红外进行了较好的调制准直发射。相位法测距就是利用发射的调制光和被测目标反射的接收光之间光强的相位差包含的

20、距离信息来实现对被测目标距离的测量。相位法激光测距无论在军事应用，还是在科学技术、生产建设方面都起着重要的作用。原理(yunl) ：相位法测距是将一调制(tiozh)信号对发射光波的光强进行调制，利用测定“调制(tiozh)光波”往返于被测距离的相位差，间接求得待测距离D，如下图所示。ADDA图3.1.4 测距的原理图在图中，A 表示调制光波的发射点，A表示安置反射器的地点。AA两点间的距离即是待测距离的2 倍。相位式激光测距仪有着测距快、精度高的特点。相位式激光测距是通过间接测定调制光波信号在被测距离上往返一次所需要的时间来计算距离D，即2D=C式中：D为红外跟踪器所能探测的距离，C为光速，

21、为在载波频率。但由于发射机采用脉冲调制，工作在脉冲状态，故不能直接用发射机的高频振荡信号作为基准信号，只能采用辅助的基准信号作为基准信号。脉冲调制器高频振荡器 功 放收/发开关接 收 机相位检波器滤波放大器相干振荡器Uco(t)Ui(t)Ua(t)侵入者图3.1.5 用相干脉冲检测(jin c)法检测活动目标的装置的功能框图用相干脉冲检测法检测活动目标的装置的功能框图如上所示。图中的接受机包括(boku)混频器、本振源和中频放大器。加至相位检波器的信号有两个，一个是探测信号Ui(t),另一个是作为基准信号(xnho)的相干振荡信号Uco(t)。Ui(t)= Ui(t)cosw0(t-td)+a

22、1+a2 Uco(t)= Uco(t)cos(w0cot+a3)在相位检波器的一端接输入信号Ui（t），另一端接比较信号UD（t）。相位检波器可对这两种信号进行相位比较，产生一个两信号差成正比的电压信号Uo（t），即Uo（t）=（i-D）Oui图3.1.6 PD的鉴相特性由上图可知，两信号的相位差不同，其对应的输出电压值就不同。从而5-10米的距离就可以得到对应的输出电压值。atTU0 cosaU0U01U01uo0(a) 只有(zhyu)静态物体回波时的差拍矢量图和相位检波器的输出tTToU1Uo1U1AUo1WdTU01 （b）有动目标回波(hu b)时相位检波器上的差拍信号矢量图和随时间

23、变化的波形图图3.1.7 差拍信号(xnho)矢量图的波形图特性3.2发射部分(b fen)的电路图及分析图3.2.1 红外发射(fsh)电路的电路图发射器部分电路如图3.2.1所示，它由编码脉冲发生器、驱动级和红外发光二极管等组成。编码脉冲发生器输出(shch)的波形是调制信号1.92KhZ，编码信号经R1加至VT1的基级。当编码脉冲信号波形为高电平时，VT1饱和导通，VT2也导通，驱动红外发光二极管VD1发出红外光；当编码脉冲信号波形呈低电平时，VT1、VT2均不导通，VD1不发光。这样就可实现红外光脉冲的发射。VT1上端的LED为普通发光二极管。当VT1导通时，LED发出绿光，以示发射电

24、路正在工作，红外发光二极管VD1发出的是人眼不可见的近红外光束。三极管VT1使用的S8050,VT2采用S9012，红外发光二极管VD1用是TSHG6200。红外发光二极管的脉冲峰值电流Ipk与该管所能承受的平均工作电流If间的关系：Ipk=Ifexp(T0t) T0为编码脉冲周期，t为发射脉冲的宽度。tT为脉冲电流的占空比，而Ipk越大，发射的红外光峰值功率越大，红外光的作用距离就越远，红外系统的有效作用距离取决于发光二极管的驱动峰值功率，而峰值功率是由馈送给发射发光二极管的电流峰值所决定的，电流平均值越小，其效率越高。TSHG6200的手册上给出的工作电流If=100mA，UR=5V，P=

25、250mW。从而算得R4=1000，此时Ipk=141.4mA。4 传输(chun sh)过程4.1 传输过程(guchng)的介绍红外辐射在传播过程中，与空气浮尘发生碰撞的散射和吸收过程具有随机性，一部分辐射与空气浮尘碰撞，被碰撞的辐射一部分被空气浮尘吸收，另一部分被散射。被散射的辐射改变原来的方向继续向前传播，重复以上的传播过程，直到被被红外探测器接收。这样红外探测器所接收到的来自目标的辐射，由两部分组成：一部分来自目标经过大气直接到达红外接收探测端，另一部分为邻近目标的辐射经过大气散射后到达红外探测器的那部分辐射。所以发射端的峰值功率要足够，能够满足(mnz)损耗及驱动接收端的那部分功率

26、。4.2 大气的传输对红外的作用分析目标表面温度、表面的红外特性以及表面形状决定了目标所产生红外辐射的大小。其中，目标表面温度随外界天气变化，目标表面的红外特性包括目标的红外发射率、目标材料的对流导热系数、目标材料的比热容等。在不同情况下，对于目标的红外辐射模型，需要建立目标与周边环境的数学模型，确定目标温度及目标表面红外特性与大气参数之间的数学模型。在研究大气对测温的影响时，也需要建立红外辐射衰减等大气传输作用的数学模型。本章将对以上影响因素逐一进行研究。大气分子和气溶胶粒子对红外辐射的吸收、散射，大气湍流的散射和折射都将导致红外辐射在传播方向上的衰减。红外辐射的这种大气衰减将降低目标灰度，

27、导致红外能量下降。大气分子和气溶胶对红外辐射的散射、大气湍流引起的路径变化使红外光线偏离光路，对周边光程较长时，大气湍流会引起相位变化和辐射强度起伏，使红外信号变形、闪烁。通常一般从以下几个方面(fngmin)对红外传输过程中的大气效应进行研究：（1） 大气组成(z chn)和红外光学特性分析。主要介绍大气主要成分，对红外辐射(fsh)传输影响较大的大气吸收、大气的瑞利散射和 Mie 散射、大气湍流等。（2） 红外传输过程大气效果模型研究。从红外传输机理出发，研究红外辐射在大气中的传播机制、大气对红外传输的影响以及红外接受大气效应的模型研究方法。（3） 大气衰减的经验估计。讨论利用一般气象参数

28、计算红外大气透过率。4.2.1 大气的组成及光学特性大气由多种不同气体混合组成，主要成份有氮气，氧气，二氧化碳和水蒸气。除了这些气体成份之外，大气中还含有大量固态和液态悬浮粒子。这些粒子构成了气溶胶分散系统，称之为“大气气溶胶”粒子。红外辐射衰减与以下三种现象有关：（1）大气中气体分子的吸收（2）大气中分子、气溶胶、微粒的散射（3）因气象条件 (云、雾、雨、雪 )而产生的衰减在进行红外传输过程研究时，必须考虑上述三种不同现象。大气由不同的气体分子和气溶胶粒子组成，成分不同其具有的光学性质也不相同。对红外辐射而言，红外辐射在大气中的衰减主要是由于大气各种组成粒子的吸收和散射。大气对红外辐射的吸收

29、主要来自大气分子的吸收、大气的分子转动和振动所形成吸收谱线。而这种对红外辐射的吸收有很强的谱线选择性。大气对红外辐射吸收占主导地位的分子有水蒸气分子、CO 分子，臭氧分子、甲烷分子等。对红外辐射散射占主导地位的是气溶胶粒子的散射，由大气中散射质点半径与浓度的表格可见，大气分子的尺度参数小于0.1，因而大气分子的散射一般用瑞利散射理论来处理，气溶胶粒子的尺度参数大多大于0.1，因而气溶胶粒子的散射一般用Mie 散射理论来处理。红外辐射在湍流大气中的传输也是红外辐射与大气作用(zuyng)的一个重要方面。湍流不仅引起红外辐射能量损耗，而且辐射的强度、相位、传播方向也随湍流起伏。大气湍流对光束特性的

30、影响程度和形式与光束的直径d 和湍流(tunli)尺度l 的相对(xingdu)大小有关。当d/11 时，光束截面内包含许多湍涡，从而使光束的强度和相位在空间和时间上出现随机分布。4.2.2红外传输过程大气效应模型的建立红外辐射在到达红外探测器成为电信号之前，必须经过大气的吸收和散射，我们称之为大气效应，大气效应是红外探测需要解决的重要课题之一。红外探测器所接收到的辐射亮度由三部分组成：H = H0 + H j + Hs （3.1）式中H o为来自目标经大气衰减而达到红外探测器的直接辐射项； Hj 为相邻像元的辐射经过大气的散射后到达红外探测器的那部分辐射； Hs 为空间杂散光的辐射。空间杂散

31、光的分布在探测器表面是均匀的，其强度和红外摄像系统的光学系统有关。因此，在考虑红外成像的大气效应时，我们可以忽略空间杂散光的影响。在大气状况已知的情况下，大气的衰减和相邻像素之间的影响可以采用辐射传输方程计算。需要针对不同应用采用不同的近似解法。大气点扩展函数（Atmospheric point spread function）是一种在空间域描述大气对相邻像素之间辐射影响的函数。它包括该像素元对应目标点的辐射直接达到该像元的能量以及散射到周边像元上的能量。因此，大气点扩展函数的物理意义是描述了相邻像元之间总辐射亮度贡献率的空间分布。大气对红外图像的作用可以看作是目标和背景辐射场与大气点扩展函数

32、的卷积。红外辐射在大气中的能量损失主要体现在大气的吸收，而散射的作用使辐射能量分布在其相邻像元上。 大气(dq)调制传递函数（Atmospheric modulation transfer function）是近年来发展起来的一种精确、有效的像质评价方法。大气调制传递函数是大气点扩展函数傅立叶变换的模，它从频域空间表达了大气对红外成像的影响。大气调制传递函数包括(boku)气溶胶调制传递函数、湍流调制传递函数。大气湍流的调制传递函数又包括短曝光调制传递函数和长曝光调制传递函数。计算特定天气下的大气调制传递函数，就可得到大气的点扩展函数。4.2.3 大气衰减(shui jin)经验计算光谱透过率

33、可用布盖尔-朗伯定律表示，即a = exp ( ( )l )其中 ( )为衰减系数，l 为目标与红外跟踪器之间的距离。辐射在某一波段(1 ,2 )以下分别就与大气有关的几种衰减进行说明。一大气分子的吸收衰减用理论方法只能求出近似的大气衰减和透过率，而在一定的天气条件和高度下，可用经验公式求出较精确的近似值。在离地20 公里高度以下的红外系统， 臭氧 、一氧化氮、CO 的衰减作用可以忽略不计。水汽、二氧化碳分子产生最强的选择性红外辐射吸收。二大气分子和微粒的散射衰减微粒散射为仅存在于大气中的地球表面灰尘、烟雾、水滴、盐粒等不同粒子的散射。采用标准气象能见度Dv 确定的试验数据，可用来计算光谱透过

34、率。气象能见度Dv 表征大气的模糊度，是白天目视能看见天空背景下水平方向上角尺度大于 30模糊物体的最大距离。它代表了大气的透射性能。在可见光区的指定波长0在这些波长处，大气的吸收为零，因而影响透射的原因将只是散射这一种因素。三与气象有关(yugun)的衰减因为(yn wi)气象 (雾、雨、雪 )粒子尺寸通常比红外辐射波长大得多，所以根据米氏理论，这些粒子产生非选择的辐射散射。雾粒的尺寸各有不同，对于小粒状（辐射的）雾，在可见光和红外光谱区，雨和雪的辐射衰减(shui jin)与雾的衰减不同，是非选择性的。因此，对于雨、雪的衰减系数可采用在850nm波长能得到经验公式。在此不作详细推敲。4.3

35、 模型中背景环境对红外测温精度的影响红外跟踪器接收到的辐射有一部分来自于大气路径上所处环境和背景反射的辐射。被测目标表面温度随时都会发生变化，它与所处的地理位置、季节、太阳辐射、天空辐射、气候变化、空气流动和有无热源等因素有关。同时目标表面不断的以辐射、对流和传导等形式和外界介质进行热交换。对目标温度的外界影响基本上可以归于环境因素和背景因素两方面来考虑。环境因素主要是自然环境对目标的影响，在地理纬度、目标的朝向及地形条件确定的条件下，主要影响因素是目标环境对比度。而背景因素主要集中在背景温度的影响上。当然还有其它很多因素，比如太阳辐射和风速变化等等 。此简易设计仅做了解，不予考虑。5接收(j

36、ishu)部分 光电探测器用来将接收到的红外脉冲信号(xnho)转换成相应的电信号。接收光电管在没收到红外光信号时，光电管中流过的电流很少，即只有很少的“暗电流”，负载上无电脉冲信号输出；当有红外光脉冲信号照射时，光电管的内阻急剧减少，电流增大，并在负载上得到相应的电脉冲信号输出。由于检测出的信号微弱，需要(xyo)经高增益电压放大器放大，然后经整流滤波电路后输出正极性脉冲，加至触发电路，使触发器可靠翻转，并输出规范的控制信号，驱动执行机件动作。执行机件可以是继电器或音响电路等。前置放大电路脉冲编码解调器输出驱动器控制电路（报警）图5.1 红外接收端的基本组成(z chn)框图5.1光电探测器

37、（光敏三极管）在红外线检测和遥控系统中，与红外发射器配套的是红外光电检测、接收系统。在红外接收器中，红外光电二极管、光敏三极管将接收到的红外光指令信号转换成相应的电信号。为了实现对微弱的红外信号进行转换和检测，除了要求高性能(xngnng)的红外光电转换器件外，还应合理的选择并设计性能优良的电路形式。红外光电转换器件是红外接收系统中的传感器件，是红外接收前端的光电探测器件。红外接收前端的光电探测器件有光电二极管、光敏三极管和少量其他光电器件。根据任务书的要求，本设计采用的是光敏三极管。光电三极管是靠光的照射来控制电流的器件，它可以等效为一个光电三极管与一个晶体三极管的结合，具有放大的作用。光电

38、三极管的结构虽属三极管形式(xngsh)，但基极一般不外接。目前的光电三极管是采用硅材料制作而成的。这是由于硅元件较锗元件有小得多的暗电流和较小的温度系数。硅光电三极管是用N型硅单晶做成NPN结构的。管芯基区面积做得较大，发射区面积却做得较小，入射光线主要被基区吸收。与光电二极管一样，入射光在基区中激发出电子与空穴。在基区漂移场的作用下，电子被拉向集电区，而空穴被积聚在靠近发射区的一边。由于空穴的积累而引起发射区势垒的降低，其结果相当于在发射区两端加上一个正向电压，从而引起了倍率为+1(相当于三极管共发射极电路中的电流增益)的电子注入，这就是硅光电三极管的工作原理。光电三极管的集电极接正电位，

39、其发射极接负电位。当无光照射时，流过光电三极管的电流，就是(jish)正常情况下光敏三极管集电极与发射极之间的穿透电流Iceo 它也是光电三极管的暗电流，其大小为Iceo =(1 + hFE) I式中:Icbo集电极与基极(j j)间的饱和电流;hFE 共发射极直流放大系数。当有光照射在基区时，激发产生的电子-空穴对增加了少数载流子的浓度，使集电结反向饱和电流大大增加，这就是光电三极管集电结的光生电流。该电流注入发射结进行放大，成为光电三极管集电极与发射极间电流，它就是光电三极管的光电流。可以看出，光电三极管利用普通(ptng)半导体三极管的放大作用，将光电二极管的光电流放大了( 1 + hF

40、E) 倍。所以，光电三极管比光电二极管具有更高的灵敏度。由于光电三极管较光电二极管有放大作用，其响应时间更短，因而用途更多。而根据任务书的要求，本设计采用的是光敏三极管TBCB30三极管相关参考资料见附录。5.2前置放大电路在红外光接收电路中，红外光敏器件用于将收到的红外光指令信号转换为相应的电信号。通常，转换后的电信号十分微弱，必须通过前置放大电路放大到一定值后，才能送到信号处理电路或执行机件。红外光敏器件检测出的相应于红外光指令的电信号通常为微伏级，因此需要前置放大电路的电压增益不少于60DB，且要求有良好的稳定性能。通用型集成运算放大器具有较高的开环增益，且体积小、使用方便，价格便宜，性

41、价比高。使用它可以很方便的设计成红外接收小信号交流放大器。本设计采用是市场上常见且价廉的双电源运放A741（第一块集成运放电路是美国仙童（fairchild）公司发明的A741），A741是一种单片高性能内外补偿运放，具有较宽的共模和差模电压范围，一般不需要进行外部频率补偿，具有短路保护及失调电压调到零的能力，而且功耗低，是一种性价比较高的通用型运算放大器。使用运放作为交流放大器的电路也是一种比例放大电路。A741构成的反相交流放大器电路。该电路的输出电压与输入电压是反相的，即输入信号通过R1加至放大器的反相器的反相输入端。Rf和R1构成反馈网络。该电路的电压增益为Gf=-(Rf/R1)由此可

42、知，放大器的电压(diny)增益只与Rf和R1有关，式中的负号表示输出信号与输入(shr)信号的相位相反关系。Ci与Co分别为电路的输出端与输入端电容器，其值视工作频率范围而定。若工作在高频范围，可选2000pF-0.22F。其具体(jt)电路图，见附录（一）。要求接收到得红外信号应该放大60dB，所以，电压增益为1000.所以取得R1=910，Rf=910K。5.3解调电路5.3.1锁相环CD4046（一）CD4046的内部组成和引脚排列14PDPD162131VSS3VCO4671112源极跟随器5815910图 5.3.1 CD4046的内部组成(z chn)框图123456781615

43D4046图5.3.2 CD4046的引脚图符号引脚号名 称 功 能PH1114相位比较器输入端（基准信号输入 ），相位比较器输入信号，输入允许将0.1V左右的小信号或方波信号在内部放大并再经过整形电路后，输出至相位比较器。PH123相位比较器输入端（比较信号输入） 通常PD来自VCO的参考信号。PH012PD输出端 相位比较器1输出的相位差信号，它采用异或门结构，即鉴相特性为 。PH0213PD输出端 相位比较器的输出端，它采用，上升沿控制逻辑。PH031输出端（相位脉冲输出） 相位比较器2输出的相位差信号，为上升沿控制逻辑。环路人锁时为高电平，环路失锁时为低电平VC

44、019压控振荡器的控制端。VC004压控振荡器输出端INH5VCO禁止端，有效控制信号输入，高电平时禁止，低电平时允许压控振荡器工作。R111VCO外接电阻R1R212VCO外接电阻R2C16 7并接振荡电容C1，以控制VCO的振荡频率。DEM010解调信号输出端15内部独立的齐纳稳压二极管负极。表5.3.3 CD4046引脚功能(gngnng)CD4046引脚功能描述(mio sh)如下：16和8脚分别(fnbi)为供电电压的正端和负端；14脚是信号输入端，一般要求其输入信号不宜小于100mV；2和13脚分别是相位比较器PC和PC的输出端，通过它们的外接电阻R3、C2组成的低通滤波器送入VC

45、O的控制端9脚；6和7脚外接电容C1，11脚外接电阻R1，C1和R1决定VCO的振荡频率；12脚外接R2，R2决定VCO的最低振荡频率，R2阻值减少时，最小频率增大，频率范围会缩小；15脚是VCO的禁止端，当5脚置于高电平时VCO便停止工作，而置于低电平时，VCO才开始工作；4脚是VCO的输出端；3脚是比较输入端；10脚是低通滤波后源跟随器的输出端；15脚为内部稳压二极管VDW的正电压输出端，在电路中需外接限流电阻Rs；1脚是相位比较器PC的锁定指示输出端，当电路进入锁定状态时，1脚输出高电平，而在失锁时1脚输出低电平。（二）工作(gngzu)原理：锁相环CD4046为数字(shz)锁相环(P

46、LL)芯片(xn pin)，内有两个PD、VCO、缓冲放大器、输入信号放大与整形电路、内部稳压器等。它具有电源电压范围宽、功耗低、输入阻抗高等优点，其工作频率达1MHz，内部VCO 产生50% 占空比的方波，输出电平可与TTL电平或CMOS 电平兼容。同时，它还具有相位锁定状态指示功能。R1 、R2、C确定VCO 频率范围。R1控制最高频率，R2控制最低频率。 R2=时，最低频率为零。无输入信号时， PD 将VCO调整到最低频率。锁相环CD4046的一个重要功能是：内部压迫、控振荡器的输出信号从第4脚输出后引至第3脚输入，与从第14脚输入的外部基准频率信号和相位的比较。当两者频率相同时同，压控

47、振荡器的频率能自动调整，直到与基准频率相同。PD为异或门鉴相器，PD为具有鉴频功能的数字鉴频器。由于PD具有鉴频功能，由它组成的环路具有很好的捕捉性能且线性范围大。而PD无鉴频功能，由它组成的环路捕捉范围小，工作不稳定。所以人们几乎普遍采用PD，有时还把PD组成的环路作为低频增益环路来处理。锁相环的基本工作原理如下：输入信号UI从14脚输入后，经过A1进行放大和整形，加至相位比较器和的输入端。图中将开关S拨到第2脚，相位比较器就把从第3脚输入的比较信号与输入信号UI进行相位比较，由第2脚输出的误差电压U即反映出二者的相位差。U经过由R3、R4、C2组成的低通滤波器滤除高频之后，就获得控制电压Ud，加至VCO的输入端来调整其振荡频率，使f2迅速逼近于f1。（三）CD4046的主要电性能参数及设计参考表主要讲CD4046的特性与外围电路参数设计。上面提到的CD4046的参数大多为器件本身的固有参数，但其动态参数与外界元件参数的选择有关，而外部使用功能和参数是电路设计者可以根据VCO在不同外部参数下的特性曲线能查得到的。其他(qt)的主要电气参数可参考见附表。5.3.2基于(jy)CD4046的解调(ji dio)电路利用CD4046内置的VCO和相位比较器PC可对中心频率为 的调频信号进