红外探测系统的概念

红外探测系统

一、概论

1、基本功能

探测系统是通过接收目标红外辐射，并把辐射能量转换电信号，经放大处理，从而实现对目标特征量测量以及对目标方位探测的一类系统。

●根据功用及使用的要求，分类：

辐射计：用来测量目标的辐射量，如辐射通量、辐射强度、辐射亮度等；

光谱辐射计：用来测量目标辐射量的光谱分布；

红外测温仪，测量辐射体的温度；

方位仪：测量目标在空间的方位；

报警器：警戒一定的空间范围。

2、基本组成

红外探测系统是利用目标自身发射出的辐射能对目标进行探测的。

●光学系统、探测器和信号放大器是探测系统最基本的组成部

分。

●图中的位置编码器可以是调制盘系统、十字叉或L形系统或

扫描系统。

3、基本要求

从功用考虑，有以下两点要求：

●有良好的检测性能和高的灵敏度

所谓系统的灵敏度，是指系统检测到目标时所得要的最小入射辐射能，它可以用最低的入射辐射通量(W)或最低的辐照度(W/cm2)等来表示。

对点目标而言，系统所接收到的辐射能与距离平方成反比，因此系统的灵敏度实际上就决定了系统的最大作用距离。

方位仪或报警器通常是在距目标较远的地方工作，对这类仪器的作用距离是有一定要求的，也就是对于它们的灵敏度有一定要求。

对测温仪一类的探测系统则要求一定的温度灵敏度。

探测总是在噪声干扰下进行的，噪声干扰包括系统外部的来自背景的干扰和系统内部探测器本身的噪声干扰，为了能从噪声干扰中更多地提取有用信息，为了把噪声干扰造成的系统误动作的可能性降到最小，因此探测系统的虚警概率要低，发现概率耍高。对报警器来说．这方面的指标要求应更高些。

●测量精度要高

对于辐射计、测温仪一类的探测系统，要求对辐射量或温度的测量有一定的准确度，即有一定的精度要求，通常用相对误差来表示。

对于方位仪来说，则要求一定的位置测量精度。根据方位仪使用的场合不同，对精度的要求也不同，如果用于测角系统，测角精度一般为秒级。

要满足上述一些基本的技术指标要求，需要通过合理的设计方案的选择、优良的元器件的选用以及严格的加工制作、装调工艺过程来保证。

4、设计要求

●根据总体提出的任务要求，分析与掌握目标、背景和各种干扰的红外辐射特性以及大气传输特性，选定系统的工作波段。

●分析比较各类光机信息处理的体制，如调制盘式、多元脉位式等，选择最适合完成总体任务的体制，这是红外探测系统设计的核心任务，是确定探测器要求、光学系统结构的前提条件。

●选择探测器和确定它的技术条件，提出预处理电路的技术要求。

●确定光学系统的主要技术参数，包括光学系统的基本形式、接收面积、视场、像质要求、光学效率等。

●计算探测距离，给出探测距离相对目标的空间分布，给出典型背景的辐射特性。

●制定探测系统技术条件，包括灵敏阔、捕获场等。

二、调制盘式探测系统

调制盘式探测系统技术成熟，结构相对简单，适用于背景单纯，目标对比度大的情况，如探测天空背景中的飞机或导弹等，不适用于对地面桥梁、车站、码头等大型冷目标的探测。

下图是一种典型的调制盘式探测系统光学布局图,它是一个典型的折反式(卡塞格伦)光学系统，调制盘置于焦平面上。

1、基本概念

1.1调制盘

调制盘是在能透过红外辐射的基板上，覆盖上一层涂层，然后用光刻的方法把涂层做成许多透辐射和不透辐射的栅格，这些栅格构成了调制盘的花纹图案。

调制盘置于光学系统的焦平面上，当目标像点与调制盘之间有相对运动（通常也叫扫描）时，透辐射和不透辐射的栅格切割像点，由于这种切割作用，使得恒定辐射能在通过调制盘后，转换成随时间变化的断续形式。这样，调制盘就对目标像点的红外辐射能量进行了调制。

1.2调制盘的作用：

●

把恒定的辐射通量变化成为交变的辐射通量

为了避免使用直流放大器，应使落到探测器上的红外辐射随时间变化，探测器产生随时间变化的交流信号。 在光学系统焦平面附近加—调制盘，使红外辐射断断继续地落到探测器上，这样，探测器就产生随时间变化的交流信号。

这种将恒定的红外辐射变成随时间变化的交变辐射的调制盘也称为斩波器。

●

产生目标所在空间位量的信号编码

目标在物空间位置的变化与目标像点在像空间，即在调制盘上位置的变化相对应。

像点位置的变化，使调制盘输出的载波信号的某些参量，如幅度、频率或相位也随之变化。此时，由调制盘输出的辐射信号就包含了目标的方位信息。

由红外探测器把调制后的辐射通量转换成电信号，用信号处理电路检出载波的相应变化量，就得到了目标在空间的方位。

调制盘可看作是目标位置的信号编码器。

●

进行空间滤波以抑制背景干扰

利用目标和背景相对于系统张角大小的差异，调制盘可以抑制背景，突出目标，从而把目标从背景中分辨出来。 调制盘这种滤去背景干扰的作用叫空间滤波。

●

提高红外系统的检测性能

红外系统对目标的探测总是在噪声干扰下进行的，为能从噪声干扰中更多地提取有用的信息，红外系统必须根据合适的检测准则，确定系统的最佳检测方式及相应的具体系统结构。

一定的检测方式，要求与之相应的确定的信号形式，在设有调制盘的系统中，调制盘的型式决定了系统的信号形式。因此，通过调制盘图案的设计及扫描方式的选择，可以给出满足最佳检测方式所要求的信号形式，从而提高了系统的检测性能。

1.3目标与像点的位置关系

目标经光学系统成像，见图，物平面上的一点T 对应着象平面上一个确定点T '。

目标T 和像点T '在物平面和象平面上的位置，用极坐标表示，分别为),(T T θρ和),(θρ。望远光学系统的象平面位于焦平面上，则