红外跟踪系统

第五章红外跟踪系统
1．红外跟踪系统的基本原理：
如图5-1所示，由无穷远目标辐射来的红外辐射能量透过整流罩照射到主反射镜上，经聚焦并反射到次反射镜子上，由次反射镜反射后，再经校正透镜进一步聚焦，最后成像于调制盘上，红外福射经调制盘调制后成为调制信号，目标像点在调制盘上所处的位置与目标在空间相对光轴的位置是一一对应的，因此，通过光学系统聚焦以及调制盘制后的信号，可以确定目标偏离光轴的大小和方位。

非制冷红外焦平面
VO X（如VO2等）
图5-1 光学系统结构示意图
2．红外跟踪系统的组成
如图5-1所示，红外跟踪系统由整流罩，主反射镜，次反射镜，校正透镜，调制盘，浸没透镜，光敏电阻和伞型光栏等元件组成，其各元件的主要功能如下：
1）、整流罩：是一个半球形同心透镜，作为导弹头部的外壳。

它是一块负透镜，其作用为校正主反射镜的球差及作导引头的密封。

整流罩在导引头工件波段内有高的透过性能，亦即吸收、反射作用很小。

这种导弹的整流罩采用氟化镁多晶制成。

耐高温、机械强度高。

2）、主反射镜：起聚焦作用，它给整个光学系统带来正球差。

焦距f＇=41.18mm，直径47.2mm，材料为K8玻璃，凹面上真空镀铝以减少入射辐射能损失。

3）次反射镜：用来折叠光路，同样为K8玻璃，表面镀铝。

4）校正透镜：用来把伞形光阑、平面反射镜等零件与镜筒连接在一起，起支撑作用。

另一方面因消除像差的需要而在次镜之后加入这样一个凸透镜，可以进一步消除剩余像差。

支撑透镜材料为氟化镁多晶。

5）伞形光阑：限制目标以外的杂散光线直射入系统光敏元件上的辅助光阑。

为了更有效地消除杂散光，伞形光阑上设有消光槽，各元件不通光部分都进行黑化处理。

6）场镜：可把通过调制盘的辐射能会聚到探测器光敏层上；另一方面，加入场镜后原来经物镜聚焦的照度不均匀的目标像斑，经焦面后发散的光线折向光轴，使光能均匀地分布在探测器的光敏层上。

场镜采用平凸透镜。

场镜材料为氟化镁单晶，在工作波段内有良好的透过率（一般紧贴调制盘后面）。

7）滤光镜：从目标和背景辐射光谱中过滤出所需要的辐射波段。

采用氟化镁单晶作为基片，作成 2.5μm为起始波长的干涉滤光片（图中未画出）。

8）浸没透镜：使探测器光敏层和超半球透镜的底面形成光学接触，会聚光束，提高光敏元件的接收立体角，减少光敏元件的面积从而降低噪声。

这种导弹采用钛酸锶单晶作为浸没透镜材料。

9）调制盘：把经过光学系统聚焦后的目标红外辐射能量汇聚成一个足够小的像点，落在光学系统的焦平面上，即调制盘上。

通过调制盘的旋转，将连续的红外辐射调制成一组一组的光脉冲，以其幅值和相位提供目标偏离导弹光轴的大小和方位信息，并抑制由背景来的干扰信号。

3．红外跟踪原理：
调制盘被安装在光学系统的焦平面上，因此目标的红外辐射能量被聚焦成像于调制盘上，由于调制盘随同转子一同旋转，于是连续的红外辐射就被调制成断续的一组一组的光脉冲。

下面就通过目标像点落在调制盘的不同位置来说明其工作原理。

调制盘是利用光刻技术在直径为1毫米的玻璃片上加工出如图5-2a所示的图案。

调制盘的上半圆为调制区，用阿基米德螺旋线间隔成黑白相间的各6条区域，白色区域红外线能全部通过，黑色区域红外线不能透过。

调制盘的下半圆由很多条密集的等宽的等间距的白色和黑色的同心半圆组成，红外线只能透过一半，称作半透明区。

在下半圆中，有两个小半圆仍为黑白相间的阿基米德螺旋线间隔开来的区域，用来改善调制特性，小半圆的直径为调制盘半径的三分之二。

为了便于分析，把调制盘简化成如图5-2b所示的形式，实际上与图5-2a 的原理是一样的。

图5-2 调制盘示意图
（1）当目标的像点正好落在调制盘中心附近，也就是陀螺光轴正好与视线重合时，如图5-2b的0点，目标像点占据透明区与不透明区的面积都相同，透过的红外辐射能量占全部能量的一半，调制盘旋转与否都是如此，因此，调制盘对像点不起调制作用。

照射到光敏电阻上的红外福射能量是不变的，光敏
电阻上的电压也是不变的，设其值为V0，光敏电阻的交流输出为0，放大器的输出电压也为0。

如图5-3、a、a1、a2所示。

因此，调制盘中心附近的一个小范围内对像点不起调制作用，把这一区域称之为盲区。

（2）当目标像点落在调制盘“1”的位置时，目标对光轴的偏角Δq i，像点通过透明区、不透明区、半透明区、相应的光敏电阻阻值就要减小、增大、和保持一个常值，相对应的光敏电阻两端电压就分别小于V0、大于V0和保持一常值V0，如图5-3b所示。

光敏电阻两端的交流输出如图5-3b1所示。

晶体管放大器输出如图5-3b2所示。

图5-3 调制信号波形图
（3）当目标像点落在调制盘“2”点的位置上，和像点“1”的位置同样
道理，可分别得到光敏电阻上的电压如图5-3c所示，光敏电阻两端交流输出如图5-3c1所示，晶体管放大器输出如图5-3c2所示。

通过比较图b、b1、b2与图c、c1、c2可以看出，由于目标像点“2”比像点“1”偏离调制盘中心更远，因而目标像点在“2”位置时，光敏电阻交流输出幅值和晶体管放大器输出电压幅值都比在像点“1”的位置时要大，因此，通过目标像点偏离调制盘中心距离的大小（即Δq的大小）就能够反应出目标偏离光轴的大小。

（4）当目标像点落在调制盘上“3”的位置时，如图5-2a所示。

目标像点“3”和像点“2”偏离调制盘中心的距离大小是一样的，但是，像点“3”和像点“2”比较，在方位上相差一个θ角度，根据上面分析像点“2”的道理一样，可以分别得到像点在“3”位置时光敏电阻两端电压、光敏电阻交流输出电压、晶体管放大器输出电压，如图5-3d、d1、d2所示。

与图5-3c、c1、c2比较，输出信号幅值都是一样的，只是在相位上相差θ角，因此，输出误差信号的相位能够反应出目标偏离的方位。

从以上分析可以做出调制盘的特性曲线，如图5-4所示。

当目标像点偏离调制的中心后，光敏电阻的输出电压，随着偏离调制盘中心距离的增大而增大。

当失调角Δq＞Δq max时像点越出调制盘的边缘，因而光敏电阻输出电压为0。

通过比较像点“3”与“2”如图5-2所示，虽然像点偏离中心距离一样，但由于偏离的方位不同，因而晶体管放大器输出电压波形在相位上相差一定的角度，从而反应出目标偏离光轴的方位。

图5-4 调制盘特性曲线。