导弹制导控制系统原理

导弹制导控制系统原理整理课件第二章

基于点目标跟踪的红外导引系统原理整理课件第二章

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红外导引头根本原理§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型系统整理课件§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。整理课件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，装置简单整理课件导弹制导视频整理课件二、自动导系统的组成1、导引头

X-59导引头雷达导引头整理课件2、舵机俄R-73空空导弹前卫-3激光导引头与舵机整理课件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整理课件〔2〕红外导引头工作原理测角系统跟踪系统uq△qqt整理课件一、导引头结构组成方块图§2.2红外导引头光学系统根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、组成图整理课件2、导引头工作原理导引头的各局部相互协调工作，其关系如以下图所示；〔1〕结构组成整理课件目标辐射光学系统调制盘探测器电子线路陀螺跟踪系统〔2〕工作原理整理课件二、红外光学系统红外光学系统是红外导引的一个重要组成局部。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根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整理课件1、根本组成元件：光学系统的根本组成元件是反射镜、棱镜、及光栏。尼科耳棱镜

整理课件2、红外成象技术的根本原理整理课件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⊿q⊿qMy1x1yRO1OM’O’f光学系统等效的凸透镜整理课件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根本参量，焦距还影响系统视角的大小。整理课件〔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。整理课件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。

弥散圆整理课件

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：衍射及其强度分布整理课件〔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

整理课件(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：测量象差的原理图整理课件§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。整理课件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整理课件一、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。整理课件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。整理课件〔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，因而反响时间较长，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根本上都有相同的响应。右为电阻式热探测器

整理课件(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整理课件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，从而产生能逸出外表的自由电子，以此来探测红外线。四象限光电探测器

整理课件〔1〕光子探测器的特点光子探测器的反响时间短，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外表的自由电子。日本滨松光子--光电管探测器

整理课件热探测器和光子探测器优缺点的比较名称优点

缺点热探测器不需冷却，全波段有平坦响应灵敏度较低，反应较慢光子探测器灵敏度高，反应时间短只适用于一定的波长范围，需冷却整理课件在导弹的红外制导系统中，由于要求灵敏，反响快。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导弹整理课件二、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整理课件

1．光电探测器

当光照射到某些材料的外表上时，如果入射光子的能量足够大，就能够使电子逸出材料的外表，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。光电效应原理图整理课件

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整理课件

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整理课件当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电子。假设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外表。根据此原理爱因斯坦提出了光电发射公式：整理课件

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整理课件

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。整理课件在纯洁半导体中，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。这种在纯洁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。整理课件本征激发整理课件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。一般在纯洁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.整理课件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。整理课件++++++++++PNEU阻挡层内存在内电场E如图下所示

整理课件

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。

整理课件二、探测器的主要特性参数

导引头所用的探测器大局部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。整理课件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。整理课件矩形脉冲光照弛豫过程图正弦光照弛豫过程图整理课件4．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．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。整理课件三、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。整理课件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致冷器。(4)利用珀尔贴效应而致冷的半导体致冷器。(5)其他。整理课件

§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。整理课件

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

整理课件二、调制盘根本功用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

光的调制整理课件

调制盘按调制方式来分类，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整理课件

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。整理课件

§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以操纵导弹飞行。整理课件红外传感器工作原理红外线光电传感器整理课件

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

整理课件

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2—31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整理课件§2.6红外目标跟踪系统一、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。整理课件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.整理课件美国的AIM-9萨姆-7目前已出现了以美国的AIM－９L,法国的R550等为代表的典型搏斗导弹,红外地空导弹，如苏联的萨姆-7、美国的针刺型.整理课件美国导弹预警卫星

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。整理课件“幼畜〞(Maverick)AGM-65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。整理课件二、跟踪系统的组成及工作原理1．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局部。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局部组成.方位探测系统跟踪机构整理课件2、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.qmqtq位标器基准线整理课件三、对跟踪系统的根本要求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是指跟踪机构能够输出的最大角速度及角加速度。它说明了系统的跟踪能力。整理课件2．跟踪范围

3．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。整理课件红外自动跟踪系统同其他自动跟踪系统一样，是一个闭环负反响控制系统。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，那么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调制盘特性曲线整理课件四、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

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。整理课件2．陀螺跟踪

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。转子高速旋转，通过转子的进动运动跟踪目标。陀螺整理课件

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。整理课件二、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其工作原理。陀螺仪结构整理课件1．进动电流的形式2．在进行电流作用下，陀螺转子的受力分析

反响式速率陀螺仪工作原理示意图整理课件5．陀螺转子在电磁力矩作用下的运动分析陀螺仪原理图整理课件3．求转子转动一个周期内转子受到的平均电磁力矩4．在平均力矩作用下转子的运动

陀螺的进动整理课件§２.7十字叉及L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型系统工作原理根本相同。因此以下着重表达十字叉系统的根本工作原理，对L型系统只指出其与十字叉系统的不同特点。十字叉跟踪目标图整理课件一、结构组成情况十字叉系统由光学系统，探测器及信号处理电路三大局部组成。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，目标象点以圆的轨迹扫过十字形探测器列阵。整理课件二、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，简称脉位调制信号。整理课件三、基准信号形式

次反射镜转动电机驱动次镜旋转的同时，带动基准信号发生器转动，基准信号发生器为两个旋转变压器，分别产生相位相差的两个基准电压。主镜基准信号产生器探测器驱动电机次镜整理课件四、影响测角精度的因素1．光学系统的影响

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，它将直接影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。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1～3倍。弥散圆整理课件2．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、径向跳动误差都有一定的限制。轴承对称安装行扫描电机示意图多面体棱；

定子；轴；4.轴承。整理课件3．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。整理课件五、L型系统的特点

L型方位探测系统，是指探测器阵列排列成L型，L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都与十字叉系统相同，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脉冲，因此对基准信号一个周期内只采样一次。整理课件哈特曼〔Hartman〕光栏哈特曼〔Hartmann,JohannesFranz〕德国天文学家。1904年，他研究了猎户座δ星的光谱，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，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。这是存在着星际物质的第一个征兆。返回整理课件红外光学系统1.26米红外望远镜。R-C光学系统，口径为1.26米，焦比f/30。利用副镜摆动技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1986年在北京天文台投入观测。

1989年获中科院科技进步一等奖,1991年获国家科技进步二等奖。返回整理课件

棱镜

棱镜是透明材料〔如玻璃、水晶等〕做成的多面体。在光学仪器中应用很广。棱镜按其性质和用途可分为假设干种。例如，在光谱仪器中把复合光分解为光谱的“色散棱镜〞，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向，从而调整其成像位置的称“全反射棱镜〞，一般都采用直角棱镜。返回整理课件象差〔aberration〕

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点光源发散的光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而变化，从而引起象的边缘呈现色彩。返回整理课件弥散圆CircleofConfusion

CircleofConfusion

又译为弥散圈、弥散环、散光圈,模糊圈;散射圆盘

物点成像时，由于像差，其成像光束不能会聚于一点，在像平面上形成一个扩散的圆形投影，成为弥散圆。

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大直径被称为容许弥散圆直径。返回整理课件Airy

(1801-1892)

AirywasLucasianprofessoratCambridgeandAstronomerRoyal.HemademanymajorcontributionstomathematicsandastronomyBACK整理课件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hν足够大，它和物质中的电子相互作用，使电子从材料外表逸出的现象。它是真空光电器件光电阴极的物理根底。整理课件光电效应在光的照射下，使物体中的电子脱出的现象叫做光电效应(Photoelectriceffect)。下页外光电效应的两个定律整理课件外光电效应的两个根本定律1．光电发射第一定律——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，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：

Ik=SkF0Ik：光电流Sk：光强F0：该阴极对入射光线的灵敏度返回下一页整理课件2．光电发射第二定律——爱因斯坦定律

光电子的最大动能与入射光的频率成正比，而与入射光强度无关：Emax=(1/2)mυ2max=hν-hν0=hν-AEmax：光电子的最大初动能。h：普朗克常数。ν0：产生光电发射的极限频率，频率阈值。A：金属电子的逸出功

入射光子的能量至少要等于逸出功时，才能发生光电发射。返回整理课件阿尔伯特·爱因斯坦AlbertEinstein1879年3月14日出生于德国乌尔姆－1955年4月18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，1921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奉献，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对论这四篇重要论文。爱因斯坦返回整理课件光生伏特效应当用适当波长的光照射光电半导体薄片上时，由于内建电场的作用〔不外加电场〕，半导体内部产生电动势〔光生电压〕；如将p-n结短路，那么会出现电流〔光生电流〕。这种内建电场引起的光电效应，称为光生伏特效应。整理课件PN结光生伏特效应原理图返回整理课件光电倍增管

photomultiplier

基于外光电效应和二次电子发射效应的电子真空器件。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。光电倍增管包括阴极室和由假设干打拿极组成的二次发射倍增系统两局部〔见图〕。返回整理课件红外探测器方向性幕帘红外探头返回

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。整理课件红外光的制冷

红外光源冷却室返回