现代探测技术

《现代探测技术》

2120100190 付悦

1 红外探测技术

1.1 红外探测的基本工作原理

不同种类的物体发射出的红外光波段是有其特定波段的，该波段的红外光处在可见光波段之外。因此人们可以利用这种特定波段的红外光来实现对物体目标的探测与跟踪。将不可见的红外辐射光探测出并将其转换为可测量的信号的技术就是红外探测技术。

红外接收光学系统的作用是把目标或目标区域的红外辐射聚焦在探测器上，其结构类似于通常的接收光学系统，但由于工作在红外波段，其光学材料和镀膜必须和其工作波长相适应。红外探测器将目标及背景的红外辐射转换成电信号，经过非均匀性修正和放大后以视频形式输出至信息处理器。信息处理器由硬件和软件组成，对视频进行快速处理后获得目标信息，通过数据接口输出。显示装置可以实时显示视频信号、状态信息。中心计算机的作用是对整个系统提供时序、状态、接口及对内、对外指令等控制。扫描和伺服控制器控制光学扫描镜或伺服平台的工作，并把光学扫描镜或伺服平台的角度位置信息反馈给中心计算机。

从目前应用的情况来看，红外探测有如下几个优点：环境适应性优于可见光，尤其是在夜间和恶劣天候下的工作能力；隐蔽性好，一般都是被动接收目标的信号，比雷达和激光探测安全且保密性强，不易被干扰；由于是目标和背景之间的温差和发射率差形成的红外辐射特性进行探测，因而识别伪装目标的能力优于可见光；与雷达系统相比，红外系统的体积小，重量轻，功耗低；探测器的光谱响应从短波扩展到长波；探测器从单元发展到多元、从多元发展到焦平面；发展了种类繁多的探测器和系统；从单波段探测向多波段探测发展；从制冷型探测器发展到室温探测器；由于红外探测技术有其独特的优点从而使其在军事国防和民用领域得到了广泛的研究和应用，尤其是在军事需求的牵引和相关技术发展的推动下，作为高新技术的红外探测技术在未来的应用将更加广泛，地位更加重要。

1.2 红外探测技术的应用

红外探测具有环境适应性好、隐蔽性好、抗干扰能力强、能在一定程度上识别伪装目标，且设备体积小、重量轻、功耗低等特点，在军事上被广泛应用于搜索跟踪、火力控制、制导、监视等方面。

（1）搜索跟踪。搜索平台周围的广大区域出现的目标，跟踪并将信息传送给相应单位。IRST(红外搜索与跟踪)系统根据应用领域可以分成3种：机载、舰载以及地基。机载IRST除了以敌飞机和其发射的空空导弹为主要探测对象外，还包括以地面发射的地对空导弹为对象的MWS(导弹告警系统)或MAWS(导弹临近告警系统)；舰载IRST以反舰导弹为主要目标；而地面IRST则主要用于对临近攻击枷直升机进行早期预警。

（2）火力控制。把捕获、跟踪目标获取的信息直接用于平台的火力运用，攻击目标。例如，进行机控系统(FCS)；观测命中结果，并提供弹道信息的炮长瞄准装置等。

（3）制导。用于导弹寻的:便携式地对空导弹、近程地对空导弹、导弹防御用地对空导弹等；对付反舰导弹的舰载近程对空导弹、舰载BMD用对空导弹等:机载反舰导弹(ASM)、空空格斗导弹等。

（4）侦察、监视、预警和告警等。FLIR (前视红外装置)等警戒(预警)用IRDS (红外探测装置)、救援直升机装备的旋转头型FLIE 等搜索/救难用IRDS 、高速导弹艇搭载FLIR 等监视可疑船只用IRDS 、海峡警备所设置的FLIR 监视整个海峡用的IRDS ，将来还考虑像美国国防支援项目传感器那样的监视用星载IRDS 。

1.3 现存问题及改进意见

目前的目标探测和识别系统采用了红外焦平面阵列，而红外焦平面阵列需要笨重和昂贵的低温冷却系统，才能保证系统有效运行；在高温环境中仍不能很好地运行红外传感器技术；探测器的面积还较大，需要进一步缩小。

2 电容近感引信

2.1 电容近感引信的工作原理

电容近感引信是利用静电场工作的引信。其工作原理图如下图所示。

图1 电容近感引信的工作原理示意图

在图1中，目标可以是地面，也可以是坦克装甲等任何金属或者非金属目标。1、2为两个电极，其中电极2可以是战斗部（弹丸），电极1和电极2互相绝缘。C 10、C 20分别为两个电极与目标见的互电容，C12为两个电极间的互电容。那么，两个电极间的总电容为：

1020121020

C C C C C C =++ （2—1） 当弹丸远离目标时，可以认为1020C C 、均为零，那么两电极间的总电容12C C =。随着弹与目标的不断接近，1020C C 、逐渐增加，式（2—1）中的第二项不断变大。如果把第二项用C ∆表示，那么式（2—1）变为

12C C C =+∆ （2—2）

即随着弹目接近C ∆变大。如果把增量C ∆或者C ∆的增加速率检测出来作为弹目距离信息加以利用，则可实现对目标的定距作用。根据对C ∆的检测方法不同，产生了电容近感引信的不同探测方式。

2.2 针对某一典型的电容近感引信的信号处理电路的分析

其电路如图2所示。

图2 模拟电路信号处理电路

接下来我们分析一下信号处理电路的工作原理：运算放大器A1构成反向放大器，对探测器的输出信号加以放大。A1的特点是设计成零偏置，使负信号被抑制，并且可以根据弹目相对速度调整其通频带。BG1构成削波限幅器，其作用是把幅值较大的信号变成窄脉冲信号，以便利用窄脉冲抑制电路排除这些干扰信号。如图3所示，目标信号和干扰信号经过削波限幅电路后，大于ＵＷ的部分被抑制掉。目标信号小于限幅电平的部分能通过此电路而传递到下一级电路；而干扰大信号则变为幅值小于限幅电平持续时间比较短的两个尖脉冲信号传递到下一级电路中去。如果下一级电路具有这样的功能：从信号电平达到0.3v开始计时，信号幅值不断增加且持续时间大于Ｔ才能通过。那么目标信号可以通过，而窄脉冲信号被抑制。

图3 削波限幅电路响应波形

A2构成微分比较器和窄脉冲抑制电路，本部分电路首先对削波限幅后的信号进行微分，经微分电路后，凡是线性﹑上凸﹑下降形式的信号都不可能达到比较器的比较电平，因此这样的信号将被抑制。当微分信号超过比较电平后，比较器输出近似电源的正信号，并且由R12﹑R13和C4构成的时间电路开始计时。

A3构成第二个微分比较器，对削波限幅信号进行第二次微分。当微分信号超过比较电平时，A3输出幅值近似电源的正信号。

A4构成与电路，当比较器A3和时间电路都达到比较门限时，A4输出启动信号。如果从计时开始到时间T1这一时间段A3输出正信号，则窄脉冲信号不可能与A3输出正信号的时间重叠，因此A4不会输出启动信号。只有在正常目标信号的条件下，A3与时间电路同时存在大于比较电平的正信号输出，A4才输出启动。