导弹制导系统原理3

导弹制导控制系统原理第三章基于红外线象的制导系统第三章

基于红外线象的制导系统§3.1引言§3.2光机扫描摄象头§3.3红外CCD摄象头§3.4信息处理与显示§3.5成象跟踪原理§3.1引言

红外线象又称热成象。热成象系统摄取目标和物景发射出的红外辐射，并将其转换成图象。早在四十年代就已开始了热成象的研究工作，但直到1952的才制成第一台热象记录仪。红外成象在摄像机上的应用热像仪红外成像制导导弹

“贾斯姆”(JASSM)联合防区外空对地导弹

“响尾蛇”AIM-9系列空空导弹

红外成象在医学上的应用疼痛诊断疾病的诊断一、热象仪的组成

景物经热象仪的光学系统成象在接受面上：热象仪能显示出景物热图的关键是要先将景物按一定规律进行分割：即将所观察的整个景物空间按水平及垂直两方向分割成若干个小的空间单元；接受系统依次扫过各空间单元并将各空间单元的信号再组合而成为整个景物空间的图象。热象仪景物辐射光学系统探测器放大处理电路显示扫描机构同步机构热象仪的组成框图二、热成象系统的特点1．目标

热成象系统所敏感的是景物各部分的温差及发射率、反射率的差异，而不是单纯的目标辐射强度的强弱。

美国AN/PVS-5A微光夜视眼镜

镜中目标医用热成象诊断器

热成象系统要求在较宽的视场范围内成象，象质清晰，否则热图会模糊不清，因此热成象系统的光学系统象质要求较一般的探测系统高。

2、成象4．信息处理

除了低噪声放大以外，还有很多关于悬物视频信号处理的特殊问题。由于成象系统的景物信息量较非成象系统的景物信息量主富得多，所以可以利用信号处理电路尽可能的检出景物的固有信息，以完成多种跟踪任务。

3、探测器

热象仪的工作5、显示

显示器应与人眼的视觉特性相适应，且能方便地显示景物的各种特征。近年来又将显示与观代图象识别技术相结合进一步提高了热象仪的效能与应用范围。

在叙述红外信息检测的多元检测及扫描搜索跟踪系统时提到过有关的技术参数。这些技术参数完全适用于成象系统。现在为了便于了解热象仪的各部分具体结构及设计原则，将热象仪的基本技术参数重新分述于下：6、热象仪的基本技术参数(2)、瞬时视场(1)、光学系统通光口径Do和焦距f

瞬时视场由单元探测器尺寸a、b及光学系统焦距f决定，它的大小通常表示热象仪的空间分辨率的高低。（3）观察视场

观察视场由所需观察的景物空间的大小和光学系统焦距决定。（4）帧时Tf和帧速F

在扫描速度受到限制的情况下，为了提高扫过每一场画面的时间，有时将画面分成两场或若干场。下图为隔行扫描的情况第一场第二场全帧

扫过完整的一帧所需的时间称为帧时Tf，以秒为单位。完成一帧图象的速度称为帧速F。显然下面关系式成立：5．扫描效率

扫描机构对景物扫描时，扫描机构实际扫过的空间范围往往比景物所张的空间角要大。

电子束扫描过程示意图6．滞留时间§3.2光机扫描摄象头

目前正在使用及正在研制中的热象仪绝大多数均属于光机扫描类型。光机扫描摄象头是光机扫描热象仪的关键部分，它由光学接受系统和扫描机构两大部分组成。采用光机扫描“幼畜-65D“空对空导弹光机扫描原理图高精度制冷式热像光机扫描仪

扫描机构有两种扫描方式，即平行光束扫描器和会聚光束扫描器。入射光束扫描光束反射镜

入射的平行光束直接经可摆动的平面反射镜扫描后再进入探测器聚焦系统。这种扫描机构是直接对由物方来的光线进行扫描的，所以又称作物扫描系统。

光机扫描机构中的扫描部件有下面几种：1．摆动平面镜；2．旋转多面镜；

3．旋转折射棱镜；4．旋转光楔；

5．摆动透镜，6．旋转V型反射镜；

hn+nn-nn+nn-nxy多级棱镜扫描器多级棱镜扫描器楔形棱镜扫描器dzEyx入射光双KDP楔形棱镜扫描器目前，扫描系统已广泛应用在很多方面，其中扫描器是光学扫描仪的关键部分。下面就列举了一些常见的扫描器。摆动平面镜光轴扫描轨迹一、摆动平面反射镜

当平面反射镜用作平行光束扫描时，扫描机构转角与物空间转角的关系，显然为线性关系。在这种情况下，平面反射镜只将入射的平行光束转折一个方向，对系统象差没有任何影响。二、旋转多面镜

反射镜鼓是由n个矩形面镜组成的棱柱，它绕棱柱轴转动。摆镜摆动时镜面只能转动不发生位移；转鼓转时，镜面除转动外还有位移。若入射光束宽度为定值，则当镜鼓转动时因镜面唯一可能会使扫描区边缘部分的入射光束不能全部进入视场而产生渐晕现象。三、旋转折射棱镜

旋转折射棱镜为正n面棱柱，绕棱柱中心轴转动。入射光线透过棱柱后出射。棱柱为正n面体，若入射光束为平行光束，则出射光束仍为平行光束且方向与入射光束方向相同。六面棱柱§3.3红外CCD摄象头

电荷耦合器件CCD是同MOS电容器集戒的移位寄存器。将红外探测器阵列和电荷藕合器件组成在一起，可以用来接收景物红外辐射，并将所得的多路信号依次传输出去，这种器件称为红外电荷耦合器件(IRCCD)。

CCD芯片

IRCCD为多元阵列，有线阵的和面阵的两类。IRCCD摄象头的扫描方式有串联扫描、并联扫描、串并联扫描及凝视等几种，线阵的IRCCD用于串联扫描及并联扫描，面阵的IRCCD则用于串并扫描及凝视。线阵的CCD一、CCD的工作原理

CCD是由若干个MOS电容器阵列组成的集成器件。它是N型或P型硅衬底上生长成一层很薄的二氧化硅层，然后再在二氧化硅层上蒸发多个间距很小的并排铝电极，这样便形成了由金属电极、氧化层和半导体衬底组成的多个MOS电容器阵列结构。面阵CCD成像仪光学系统原理图CCD结构及工作原理图一面阵型CCD1．电荷贮存能贮存少数载流子的区域称为势阱。外加电压越高，势阱深度也越大，因而贮存电荷的容量也越大。势阱内存入少数载流子后，表面势要有所下降。2．电荷耦合

3．信号电荷的输入和输出

电荷贮存和电荷耦合二、CCD的结构

面在叙述CCD的工作原理时都是以三相分离电极为例来说明的。实际上使用的CCD结构有三相、二相和四相多种结构形式，电极式样也发展有多种式样；驱动时钟脉冲波形除上面所述的不对称结构式样外，也有直接采用方波形式的。CCD（ChargeCoupledDevice，电荷耦合组件）的应用－－可拍照手机三、CCD的应用资源一号卫星的红外相机和CCD相机于1999年10月14日首次发射并成功入轨的、中国和巴西联合研制的资源一号卫星携带了3台遥感器：中国研制的可见光-红外线多光谱扫描仪（简称“红外相机”）和CCD（电荷耦合器件）相机及巴西研制的宽视场成像仪。本文简要介绍红外相机和CCD相机的具体组成和主要性能。四、CCD的主要特性

当CCD电极上加上电压后便建立起一定深度的势阱，电荷可以贮存于势阱中，电荷存于势阱后，该势阱单元表面势变低。当电荷存入量达到使得该势阱单元的表面势和相邻势阱单元的表面势相等时，便不能再存入电荷了。势阱从空阱到填满电荷的总存入电荷量称为电荷负载能力，它决定CCD的动态范围。

1．电荷负载能力

如图所示为势阱的电荷存储和转移的过程。即当电荷存入量达到使得该势阱单元的表面势和相邻势阱单元的表面势相等时，便不能再存入电荷了。势阱从空阱到填满电荷的总存入电荷量称为电荷负载能力。2．存贮时间与暗电流设最初CCD势阱为空阱，在没有外界电荷注入的情况下，暗电流也将慢慢地将势阱填满。由暗电流贡献少数载流子使MOS器件达到稳态所需的时间称为贮存时间。

信号电荷包从一个势阱转移到另一个势阱时，由于界面态的俘获以及转移速度的限制致使部分信号电荷不能全部转移。设势阱中的信号电荷为Q，转移到下一势阱的信号电荷为Q’，则转移效率:

3．转移效率五、红外电荷藕合器件(IRCCD)

电荷耦合器件可用于信号处理，数据贮存及摄象等方面。CCD用于信号处理、数据贮存时，输入信号电荷是电注入的；用于摄象时，输入信号电荷则是用光载流子注入的。对红外敏感的常用材料有PbS、InSb、HgCdTe等光敏材料以及TGS等热电材料。

红外探测器有单元、线列、面阵等种类。对于扫描成像系统，整帧图象的获取可以用单元探测器二维扫描。如用线列器件，只需一维扫描即可获取二维图像，帧频较单元扫描高。面阵器件主要用于凝视成像系统。线列或面阵都是通过透明衬底背面光照的，其焦平面结构有：（a）图直接混成（b）图间接混成（c）图单片结构（d）图Z技术（e）图环孔技术§3.4信息处理与显示

摄象头对景物摄象时，首先将景物进行空间分割，然后依次将这个单元空间的景物温度转换成相应的电信号，最后输出的是与整个空间景物温度分布相应的连续的时序视频信号。无论是光机扫描类型的摄象头，热释电类型的摄象头或者是固体自扫描类型的摄象头所得出的视频信号都具有相同的性质，只是因空间分割的方法不同，时序视频信号也有不同的形式。下图为一摄象头的工作原理图

视频信号所反应的是景物的空间温度分布信息，所以信息的处理与显示的基本任务就是要根据景物的视频信号标示出景物各部分的温度，并显示出景物的热图象，这属于图象信号的读出与显示问题。在实际应用中还有将图象信号加以进一步处理的。景物摄象头温度信号电信号视频信号如图象增强、图象修复、图象相关、运动景物的示迹等则属于图象处理范畴，我们不再加以介绍。本节主要叙述温度标示和热图象显示两个基本问题。

信息处理在红外成象中的作用一、温度信号的处理

从摄象头输出的信号往往须要经过预处理、放大和线性化后才能读出与景物温度相应的温度值。现将这些方面的问题分述于下。

红外夜视仪

1．信号的预处理

从摄象头输出的信号有些是单一的景物图象视频信号，有些从摄象器件中输出的信号却须要经过再处理才能成为景物的视频信号。2.通频带

从摄象器件输出的信号往往是相当微弱的，因此需要放大。关于放大倍数的要求涉及成象系统的动态范围，留待系统设计中去讨论。这里只叙述放大器的通频带问题。摄象器输出的信号是一系列脉冲。放大器的通频带应使输入的脉冲信号经放大后基本上不失真。3．信号的耦合方式

在探测器与前放之间若采用直流藕合方式，信号固然可以不失真，但基于下列三方面考虑，通常都采用交流耦合方式。这三个方面是： ①抑制大面积的背景干扰； ②消除探测器上直流偏置电位的影响； ③削弱噪声的影响。采用交流耦合时也存在两个较大的问题，即一方面信号直流分量被滤去了，因而通过的信号便不再具有温度绝对值的意义；另一方面由RC组成的高通交流耦合电路在对目标进行扫描时会产生一些图象缺陷。

4．温度信号的线性化

由探测器输出的信号电平是目标温度的函数。这个函数由目标辐射特性、热象仪的光谱透过特性、敏感元件的光谱响应特性等决定。显然，这个函数是非线性的。但是为了热图象显示判读方便以及直接进行温度的数值显示，要求将送到显示端的温度信号与目标温度成线性关系。二、热图象显示经过放大、处理及线性化后的视频信号可以线性地反应景物各部分的温度值，但视频信号是个时序信号。要将时序视频信号转换成二维空间的景物图象还要经过同步复扫描过程。同步复扫描有两种方式，即光学复扫描方式和阴极射线管(CRT)方式。惠普桌面级专业照片扫描仪Scanjet4890采用扫描元件：CCD

CRT显示器简易结构图电视摄像管的组成阴极射线管(CRT)方式在电视摄像管中的应用

1．发光二极管显示彩色发光二极

入射辐射经光学扫描器和聚焦系统成象在探测器上，探测器产生的景物视频信号送到发光二极管处。发光二极管由探测器送来的视频信号激励而发光。发光二极管发出的光束经过原光学扫描器进行复扫描后传到目镜处。在目镜处所观察到的发光二极管的图象便是一幅扫描图象，是一幅与景物完全相当的图象。§3.5成象跟踪原理

一、引言

对扩展源来说，应该用成象装置对其进行检测。所谓扩展源泛指所观察空间的一切景物。成象装置的摄象头摄取景物空间的图象，并测量出各个景物在视场中的位置。当其中的目标相对于摄象头作某种运动时，摄象头若能对作相对运动的目标进行跟踪，则这种具有跟踪能力的成象装置称为成象跟踪器。成象跟踪器的组成方框图

此方框图说明了摄象头对作相对运动的目标进行跟踪原理。Su-27SKM的红外成象跟踪传感器

成象跟踪器和红外夜视轻型反坦克导弹成象跟踪器在军事上的应用二、波门跟踪

当有目标信号出现时，处理电路输出相应的触发信号到波门形成电路而产生波门。伺服机构受误差信号控制，使摄象头的视场中心跟踪目标中心。

波门的产生还应和扫描机构同步，所以它还受同步机构控制。波门的大小可以是固定不变的，这种波门称为固定波门；波门的大小还可以是随目标图象的大小而自动变化的，这种波门称为自适应波门。主战坦克WZ123

跟踪目标自动跟踪器的核心是图像跟踪。在目标图像的跟踪技术中，波门跟踪与相关跟踪是最常见的跟踪技术。从目前国外的研究和试验情况来看，自动跟踪装置可以采用闭路电视和热成像仪，我国最新主战坦克WZ123车已经装备了热成像仪。

边缘跟踪器是一种简便的波门跟踪器。对边缘跟踪来说，就是要根据目标图象与背景图角亮度的差异，抽取目标图象边缘的信息，用这人边缘信息去控制波门的产生并同时目标位置误差信号。1．边缘跟踪器三、相关跟踪1．图象相关的概念

设成象系统在观察区域R的范围内摄取景物的实时图象，其亮度为r(u,v)；对同一景物在这之前已经预摄了它的图象，其观察区域为S，预摄而存储起来的图象亮度为S(u，v)。2.相关跟踪的基本算法

相关跟踪系统和其它形式的跟踪系统一样，首先要能检测到目标信息，然后再将目标视频信号经过相关处理以得到目标位置误差信息。关于图象相关的算法有下列几点原则考虑。应能有效地利用视频信号数噪声抑制算法简便三原则（１）应能有效地利用视频信号数据

如目标图象灰度的量化方法、图象特征的选取、图象灰度的均匀性处理等等在建立相关算法方程时都应予以妥善处理以尽可能地利用目标信息量；（２）噪声抑制

由于噪声干扰的影响，可能使在相关取最大值处不一定是配准点。在严重干扰下也可能使求取的相关值毫无意义。当云层等暂时遮住了目标时，又无法求取相关值。凡此种种在相关算式中应适当考虑；（3）算法简便

相关计算都是利用计算机进行计算的。对大型计算机来说，计算机的容量、速度用来作图象相关计算不存在什么问题。但红外跟踪装置的载体对体积、重量通常有严格限制，因此在红外跟踪装置中只适宜用微处理机。所以在保证适当精度的前提下应尽可能地简化计算方法。“响尾蛇”AIM-9系列空空导弹返回

40年代末期，人们研制出一种响尾蛇“空对空导弹”，其功能与响尾蛇相同。它是利用硫化铅作红外敏感元件，接收喷气式飞机机尾喷管发出的波长为1—3微米的红外辐射流，引导导弹从飞机尾部进行攻击，它只需接收到热源的存在和方位，并不要形成目标的热象图。空对空导弹

空对空导弹是由飞机发射并攻击空中目标的制导武器，是当前世界各国的主要空中格斗武器。自1944年德国首先研制了X-4有线制导空对空导弹以来，各国研制的型号已达70种左右，已经历了三代的演变。它们是：1956年前出现的第一代近距导弹;1966年前出现的第二代中距拦截导弹；1967年后出现的近距格斗、中距拦截和远距拦截的第三代导弹。目前研制和开始列装的是能攻击多个目标、打了不用管，既能超视距拦截、又能近距格斗的第四代导弹。如英国研制的ASRAAM“先进近距空对空导弹”和美国研制的AMRAAM“先进中程空对空导弹”是