红外导引头定向扫描方式研究_杨乐
红外导引头定向扫描方式研究*
杨 乐1，陈少华1，卿建军2，杨玉贵1
(1.空军工程大学工程学院，陕西 西安 710038；2.95696部队，重庆 401329)
摘要：为了充分利用导引头的探测能力，根据搜索空域的几种指标，针对定向扫描方式，设计了三种
扫描方式，对捕获可行性问题进行了初步探讨，给出并分析了仿真结果。
关键词：搜索空域；瞬时视场；导引头；定向扫描
中图分类号：TJ765.3+33 文件标识码：A 文章编号：1001-8891-(2004)05-0072-03
引言
红外导弹导引头用于对目标进行搜索、截获和跟踪，具备一定的探测目标的能力。为充分利用导引头对目
标的搜索能力，扩大搜索捕获范围，截获跟踪目标，需要导引头光学系统进行空间扫描，实现用小的瞬时视场与空间扫描相结合的目标探测方法。另外，老式战机的目标指示精度低，不能使先进红外导弹导引头截获目标，这也要求导引头进行扫描，并在尽可能短的时间内扫描完给定搜索空域。
1 定向扫描问题分析
当目标指示设备给出目标的大致方向时，此时给定搜索空域相对于导引头的视场较小，目标在一定时间内
不易逃离此空域范围。当导引头对此空域进行扫描，瞬时视场内存在目标时，则产生相应的目标位置信号，该信号输入目标捕获系统，从而使红外系统的光轴锁定在目标上，实现对目标的截获和跟踪。
如图1，瞬时视场角为一圆锥形，在目标平面的投影为一圆形视场Q ，半径为r 2，张角为θ2；搜索空域?的投影为一半
径为r 1的圆，张角为θ1；作用距离为R 。由于导弹的瞬时视
场角通常较小，导引头的作用距离较大，所以进行扫描分析
时，不考虑扫描时距离R 的变化，认为探测器本身为理想探
测器，并在习惯上用平面角来表示空间立体角。
1.1 对定向扫描的基本要求 确定一个定向扫描系统是否满足基本要求，应考虑如下
几个方面： 1）目标指示误差空域
2）扫描周期 3）给定搜索空域 在选取给定搜索空域大小指标时，考虑到目标指示设备的指示误差，通常选取的空
域指标要大于这个误差范围。而且瞬时视场扫描的实际范围G 也必须等于或大于预定搜
索空域大小，否则将出现漏扫。即： G ≥? 考虑到目标的捕获问题，扫描方式的选择应尽可能在满足各种指标的情况下，选择扫描周期最短的扫描方式。 1.2 定向扫描可行性分析
导引头对准一个方向后，在一个扫描周期内，目标可能处于的极限情况如图2所示，
其中，α为目标在一个扫描周期内相对最初位置可能使目标视线转动的最大角度，ω1为目标视线转动角速
* 收稿日期：2004-07-12
图1 瞬时视场与搜索空域的关系 Fig.1 Connection between IFOV and field of search V 图2 极限逃逸分析 Fig.2 Escape analysis in utmost situation
2004年9月 Infrared Technology Sep. 2004 度，θ为目标指示误差空域相对导引头的视场角，V 为目标与载机相对速度，扫描周期为t s 。
假设目标初始位置在目标指示误差空域边缘，以极限方向逃离视场，因在一定速度的情况下，角速度与距
离成反比，所以由图2的关系有：
∫+=s t dt Vt R V 022)(α
如目标不能在一个扫描周期内使视线转动角度相对视场中心超出搜索空域，则目标不可逃逸，反之则可。
根据分析有如下判据：
1）当α＋θ＜?时，目标不能逃逸。
2）当α＋θ＝?时，目标处于逃逸临界状态。
3）当α＋θ＞?时，目标可能逃逸。 2 扫描方式设计
基于扫描问题分析，我们设计了三种扫描方式，即图3所示。考虑到满
足搜索空域要求，不出现漏扫，且时间短，故设计的扫描方式的最外圈与搜
索空域边沿相切。各圈圆心坐标位置的确定在半径方向上以等分重复扫描空
域为准。
对三种方式而言，扫描圈数确定的公式是相同的，推导结果如下：
扫描圈数：
)2(2
2θθ??=ceil n
其中：ceil 为进一取整符号。
根据设计的扫描方式，扫描周期的计算公式推导结果如下：
1）矩形扫描：
)()(22)(8122s n i t n i s θθ∑=??+??=
2）六边形扫描：
)(3)(34)(34122s n i t n i s ω
θθ∑=??+??= 3）圆形扫描： )()(2))(sin(360122s n
i t n i s ωθθ∑=??+??=o 其中：ω为目标指示工作角速度。
相对于其它形状的搜索视场，圆形搜索视场的各向同性较好，在各个方
向上的探测概率相同，是一种较好的扫描形状。一个装在焦平面上的圆形探测元件它能感受的瞬时视场是个圆锥形，对于此锥形空间的目标，经光学系统成像后均能被该圆形探测元件感知，所以瞬时视场也为圆形，故设计时选择的扫描空域形状也为圆形。
3空间扫描仿真及结果分析
通常当导弹确定后，瞬时视场角的大小是一定的，于是我们给定瞬时视场角的值，针对三种扫描方式，借
助于仿真平台，研究了不同扫描方式搜索空域和目标指示工作角速度对扫描周期的影响。在θ1＝1°时，其仿真
Fig.3 Scanning figure by means of
rectangle hexagon and rotundity
2004年9月 杨 乐等：红外导引头定向扫描方式研究 Sep. 2004 结果如图4所示：
(1)搜索空域的影响（ω＝20°/s ） (2)目标指示角速度的影响（?＝4°）
图4 搜索空域和目标指示角速度对扫描周期的影响 Fig.4 Influence of field of search and angular velocity on scanning periods
由仿真结果可以看出，圆形扫描在同等条件下，扫描周期最短，以下依次是六边形和矩形。图4(1)中在相关区域出现了扫描周期的向上跳变，原因在于在这些位置上扫描圈数开始增加，这对扫描周期有较为剧烈的影响。圆形扫描在等多边形扫描中是为一种极限情况，周期是最短的，相对较为优越，是一种较好的扫描方式。
考虑到扫描方式的可行性时，由于当导引头、搜索空域、扫
描方式确定后，扫描周期亦随之确定，此时目标视线最大转角α
只与目标距离R 、目标和载机的相对速度V 有关。仿真结果如图
5所示。
根据扫描可行性判据：当α＋θ＜?时：目标不能逃逸，则有：
α＜?－θ。
由于目标指示误差空域θ随目标指示设备的不同而取值的大
小不同，当设备和搜索空域确定后，则目标视线最大转角被限定
在一定的范围内。根据图5的仿真结果可以看出，可行性判据也
限定了导弹的发射距离和目标相对速度的大小。实际上即使目标
在搜索空域中，目标的捕获可行性还与目标所作的机动、扫描方式、扫描周期有关，这些都会影响捕获目标的概率。 4 结束语 定向扫描方式特别适用于为老式战机挂装新型红外导弹，从而达到为飞机武器升级换代的目的，对提高载机的综合作战效能具有重要的意义。本文结论对合理的选择扫描方式、搜索空域大小和减小扫描周期具有一定的借鉴作用，对研究捕获目标的可行性有一定的参考意义。
参 考 文 献
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[3] 张德欣. 红外搜索方式与捕获技术[J]，激光与红外,1989.19(4)： 4～7.
[4] 杨宜禾. 红外系统[M], 国防工业出版社, 1995（10）：265～278.
作者简介:杨乐，1980年生，男，硕士研究生，陕西西安人，从事机载导弹武器系统控制与检测研究。研究方向：机载导弹武
器系统控制与检测，现为空军工程大学工程学院硕士研究生。
（下转第79页）
图5 目标距离和目标相对速度对目标视线 最大转角的影响（t s ＝3）
Fig.5 Influence of distance and relative velocity
on angle on line of sigh
2004年9月 Infrared Technology Sep. 2004 有重要的意义，这对后面的热图像非均匀性校正也有一定的指导作用[5]。
5 结束语
经过实验测试和分析，本测试平台可对红外焦平面阵列器件的各主要参数进行较为准确的测试。要想进一步提高测试的精确度，就必须从红外焦平面阵列特性参数的深入探讨，实验仪器装备的精密化，实验方法的严谨性，实验中干扰的进一步减少和排除等多方面进行改进。
参考文献
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simulation testing. IEEE, 1995: 2.1～2.10.
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296.
[4] 徐隆, 刘会通, 刘靖, 易新建. 128×128红外焦平面阵列驱动和信号后处理电路的设计[J]. 红外技术, 2002, 24(5): 25～29.
[5] 周慧鑫, 殷世民, 刘上乾等. 红外焦平面器件盲元检测及补偿算法[J]. 光子学报, 2004, 33(5): 598～600.
作者简介：肖静，女，1980年4月出生，硕士研究生，主要研究方向为红外焦平面阵列参数测试。
A Test Bench for Measuring Characteristic Parameters of Infrared Focal Plane Arrays
XIAO Jing，ZHOU Hao，HE Zhao-Xiang，CHEN Si-Hai，YI Xin-Jian
(Department of Optoelectronic Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)
Abstract：Requirements of an experimental bench for measuring characteristic parameters of infrared focal plane arrays are analyzed. A testing system is established to measure the parameters of IRFPA, such as responsivity、detectivity、noise equivalent power and noise equivalent temperature difference, which consists of the module of infrared source and IRFPA, the control module and the module of amplifying, acquiring and processing of the signal. The test bench is accurate and effective through the testing of a 120×160 focal plane array and the analyzing of the data by the processing program. Requirements for the further optimizing of the test bench are mentioned at the end of the article.
Key words：IRFPA，test bench for parameters，analyzing and processing software of parameters，non-effective pixels （上接第74页）
The Beamed Scan Mode Study on Infrared Guide Unit in Field of View
YANG Le1，CHEN Shao-hua1，QING Jian-jun2，YANG Yu-gui1
(1.Engineering College, Air Force Engineering University, Xi’an 710038, China;
2. 95696 Unit of Army, Chongqing, 401329, China）
Abstract: Based on the parameter of searching field of view and by means of beamed scan, we analyzed and studied scanning question, designed scanning mode in three methods and probed into feasibility about capture primarily. According to the scanning figure, we expressed and analyzed emulation result.
Key words: field of search, IFOV, homing head, beamed scan
红外成像导引头的结构设计
第8章红外成像导引头的结构设计 8.1红外成像导引头对结构的要求及结构设计内容与原则 1.红外成像导引头对结构的要求 好的总体方案要靠好的结构设计来实现，特别是对于小体积红外成像导引头来说，结构设计至关重要，结构设计方面的一小步突破可能就会为优良的红外成像导引头总体方案提供技术基础。 红外成像导引头对结构有如下要求： （1）严格限制体积和重量。红外成像导引头一般装在导弹的前端，必须严格限制体积和质量。为了增加有效载荷，一般都要求红外成像头质量轻，把有效的载荷让给战斗部，但在某些场合为了增加导弹的静稳定度反而希望红外成像导引头有比较大的质量，小质量固然不容易实现，在体积受限的条件下实现大质量也十分困难。另外保证红外成像导引头的质心满足要求也是十分必要的。 结构设计时必须选择紧凑的组装方式，电子舱结构设计时尽可能提高装填密度，随动平台设计时尽量避免笨重的实体结构。 （2）环境适应能力强、可靠性高。红外成像导引头要承受导弹飞行过程中的冲击、振动、过载等各种恶劣力学环境条件，特别是需要具备高加速能力的导弹，红外成像导引头要承受大过载。同时，红外成像导引头的成像探测器抗冲击、抗振动能力极其有限，需要采取特殊措施，如减振设计等。除了要承受飞行时的恶劣环境外，还需要承受运输过程中的振动和冲击、高低温工作环境、盐雾和霉菌等。所有这些都要求红外成像导引头的结构必须具备很强的环境适应能力。 结构设计时要保证红外成像导引头在承受各种静、动、热载条件下有足够的强度、刚度和稳定性，并满足各项动力学性能要求。 （3）高精度。成像系统安装在随动平台上，成像系统的安装精度直接影响红外成像导引头的测量精度；陀螺安装时要保证测量轴与导弹各轴保持平行；红外光学整流罩安装在红外成像导引头壳体上，光学系统是活动的，红外光学整流罩与光学系统必须紧密配合才能可靠成像，因而对红外光学整流罩的安装精度要求较严；印制电路板与总线板之间也要求足够的连接精度，否则不能保证有效的电气连接。所有哲学都对结构设计提出了高精度的要求。 （4）气动性能要求。红外成像导引头是导弹的一个舱段，除了搜索跟踪目标外还必须维持导弹气动外形的完整性。导引头接受设计时应尽量保持与理论外形的一致性，减少设计外形与理论外形的误差并提高表面品质，尽量不出现凸起、缝隙等影响气动性能的外形结构。 2.红外成像导引头结构设计内容与原则 红外成像导引头结构总体设计的任务是按照导弹总体对红外成像导引头性能参数的要求和红外成像导引头自身的使用环境条件，将电子部件、电气元器件和机械部件合理布局并组装成完整的红外成像导引头，使其在规定的条件下实现规定的功能。结构总体设计包括机械设计和物理设计。机械设计包括整机组装结构设计，如结构单元的划分、总体布局方式的选择等；随动执行机构设计，如执行机构形式选择、平衡设计等；抗振缓冲设计，如结构件强度和刚度计算、稳定性分析、隔振和缓冲措施选择等。物理设计包括热设计（如散热和隔热设计）；电磁兼容设计（如屏蔽设计、接插件选择以及合理布线等）及三防设计等。 红外成像导引头结构设计一般遵循以下原则： （1）模块化原则。根据导引头系统要求和各分机的功能、几何特征，在结构上进行模块化设计，同时尽可能提高单元模块的安装密度。 （2）简单化原则。尽可能使结构简单、质量轻，减少零部件的品种、数量，提高产品通用化、系列化、组合化水平。 （3）加工和装配方便原则。考虑具有成熟工艺的结构设计形式以及导引头系统结构的
一种红外成像导引头通用信息处理平台
一种红外成像导引头通用信息处理平台 一种红外成像导引头通用信息处理平台 摘要：红外成像导引头集光机电于一身，设计难度大、研制周期长。为了缩短导引头研制周期、降低开发成本，提出一种通用的信息处理平台方案。本方案采用FPGA+DSP架构，有较强的通用性，易于维护和扩展，可以在原理样机阶段迅速搭建硬件平台，用于系统验证和弹载软件调试，并为后续的产品研制提供有力支持。关键词： 红外成像导引头；通用信息处理平台；实时图像处理；FPGA+DSP架构红外成像导引头是第四代红外型空空导弹的标志，具有作用距离远、抗干扰能力强、导引精度高、可自动识别目标和区分多目标、准全天候工作等显著优点[1]。根据红外 探测器的不同，红外成像导引头又可分为线列扫描成像导引头、凝视焦平面成像导引头、双色（多色）焦平面成像导引头。为了与探测器配套，需要设计不同的信息处理平台。随着技术的不断发展，信息处理平台在功能上越来越复杂，集成化程度越来越高，而要求产品的研发周期却大大缩短，更新速度加快。为了解决这一矛盾，本文提出一种通用的信息处理平台方案，在产品初期利用通用信息处理平台迅速搭建，用于系统验证和弹 载软件调试，并为后期的产品硬件研制提供有力借鉴。1通用信息处理平台特征分析[2-4]无论是哪一种红外成像导引头，信息处理平台都具有如下功能：高速图像信 号采集、图像预处理、图像处理、与外部系统通信、视频图像输出、时钟管理及时序控制等。功能组成。 1.1高速图像信号采集高速图像信号采集是对从前置放大器输出的视频信号进行A/D采样，把模拟视频信号转换为数字视频信号。由于视频输出信号电压范围未知，因此在A/D采样前还需要一个放大倍数可调的调理电路。红外成像导引头的探测灵敏度高、帧频高(达到100Hz以上)、视频传输数据量大，因此要求AD转换器精度高、速度快、通道一致性好。这部分是模拟数字混合部分，因此在电源供电、元器件布局布线上要进行低噪声设计。1.2图像预处理图像预处理包括非均匀校正、图像重构、图 像滤波、图像稳像等。非均匀校正是指由于探测器本身的固有缺陷，使得从前置放大器输出的视频信号出现了不均匀性，为了防止系统成像质量变差而对视频数据进行的处理。图像重构是指对扫描成像来说，输出的信号不是逐行顺序输出，需要对得到的视频数据进行重新排序才能得到一幅正确图像。图像滤波指的是利用高通滤波和中值滤波等算法简单、数据处理吞吐量大的算法对视频数据进行处理，提高图像质量。图像稳像是指探
红外制导
红外制导导弹 制导是指导弹、火箭、飞船等运动物体，依靠其上的仪器或人的控制自动奔向目标的过程，该过程是由制导装置来完成的。一般可分为 (1)自主制导。制导信息不是指挥站或目标所发送的能量，完全由安装在飞行器内部的设备动作来制导飞行器。 (2)遥控制导。利用装设在飞行器内部和外部的设备，在指挥站(可设在地面或别的飞行器上)制导该飞行器，驾束制导和指令制导都属遥控制导。 (3)寻的制导。利用来自目标的信息，测算出目标的位置，控制器根据计算出来的信号控制飞行器的飞行方向而将飞行器导向目标。 (4)全球定位系统(GPS)制导。利用飞行器上安装的GPS接收机接收4颗以上的导航卫星播发的信号来修正飞行器的飞行路线。 (5)复合制导。综合利用几种制导方式的优点于飞行全过程的制导。 按照制导时携带信息的载波可分为无线电制导、红外制导和激光制导等。 红外制导是利用红外探测器捕获和跟踪目标自身辐射的能量来实现寻的制导的技术。大多数红外制导系统是被动式的。 在各种精确制导体系中，红外制导因其制导精度高、抗干扰能力强、隐蔽性好、效费比高等优点，在现代武器装配发展中占据着重要的地位。 导弹（guided missile）依靠自身动力装置推进，由制导系统导引、控制其飞行弹道，将战斗部导向并摧毁目标的武器。属于精确制导武器。具有射程远、速度快、精度高、威力大等特点。 自50年代中期出现了美国“响尾蛇”、英国“火光”为代表的红外制导导弹以来，世界各国普遍开展了对红外制导导弹的研究，红外制导已经用于空-空、地-空、空-地、地-地导弹中，近年来在反坦克弹中也开始采用红外制导，但其中以空-空导弹采用红外制导为数最多。据不完全统计，世界各国研制的红外导弹有50多种型号，现已装备部队的有30多种，其中正在服役的红外空-空导弹就有数十种。 如图1所示为被动式红外导弹制导系统原理图。 导引头由整流罩、光学系统、探测系统、信号处理系统组成。 导引头是导弹的重要部位，就像导弹的眼睛一样，由它接收到目标的红外辐射，再转为电的信号，送入电子装置处理，经放大后带动控制系统，控制舵的转动方
长波红外激光成像雷达技术的研究进展_王春晖
第31卷 第3期 激光与红外V o l.31,N o.3 2001年6月 L A SER & IN F RA RED J une,2001 文章编号:1001-5078(2001)03-0133-03 长波红外激光成像雷达技术的研究进展 王春晖,王 骐,尚铁梁 (哈尔滨工业大学光电子技术研究所,黑龙江哈尔滨150001) 摘 要:文中论述了长波红外激光成像雷达国内外最新研究进展。以CO2激光成像雷达为典 型代表,分析了长波红外激光成像雷达(与短波红外和中波红外相比)所拥有的技术优势。其中 CO2长波红外激光成像雷达已步入技术成熟阶段,现向高帧频、小型化、多用途波导CO2激光 成像雷达方向发展。随着近年来量子级联半导体激光器(QCL)迅猛发展,全固化QCL激光成 像雷达,将是未来长波红外激光成像雷达技术研究的热点之一。 关键词:激光雷达;波导CO2激光器;量子级联半导体激光器(QCL) 中图分类号:TN958.98 文献标识码:A State of the Art of Long Wave Infrared Laser Imaging Radar W ANG Chun-hui,W AN G Qi,SHAN G Tie-lia ng (Institute of o pto eletro nics,Harbin institute of T echnolog y,P.O.B309,Har bin150006,China) Abstract:In this paper,the latest r esea rch adv a nces o f lo ng wav e(LW)infr ared(IR)laser imag ing radar(L I R) a re ex pounded.The technolog ic adva nta ges o f LW I R L IR ov er sho rt-a nd mid-I R ones ar e analy zed.T he LW I R CO2LI R hav e matur ed,and is a dv ancing o n w aveg uide CO2L IR with high fra me f requency, miniaturiza tio n a nd multi-use.As recent qua ntum casca de la se r(Q CL)is dev eloping r apidly,a ll-sta te QCL L IR will be one o f th e best study task o n the LW IR LI R techno log y. Key words:laser imaging ra da r(L IR);wav eguide CO2laser;qua ntum cascade laser(Q CL). 1 引 言 激光成像雷达的研究始于七十年代“火池”(Firepond)激光雷达,它采用CO2激光外差探测体制,对GECO S-3卫星进行了跟踪演示试验[1]。激光主动成像雷达多以激光束快速扫描照射目标,落在目标各个部分的光斑其回波中即含有目标相应部分的反射强度信息,目标点至雷达的距离和速度信息(外差探测),经光电成像探测器接收,进行信息处理,即可在显示器上得到区别于背景的目标图像。利用反射强度得到目标强度像,利用目标距离信息得到距离像,如果将强度像和距离像的图像叠加,那就可以得到更精确反映目标外形特征的三维图像。另外,由于激光波束窄、工作频率非常高,角分辨率和速度分辨率极高,它的三维图像用于目标识别,与被动红外成像及合成孔径雷达相比,可大大提高目标识别精度,是目标自动识别和分类技术(ART)的一个重大进展[2]。例如,美国AGM-129A巡航导弹上加装CO2激光主动成像制导雷达以后,使它的目标精度由原来的40m提高到3m,提高了一个数量级[3]。 激光成像雷达按工作体制一般可分为两大类:直接探测和相干探测(包括零差、偏置外差和外差探测)激光成像雷达。按激光成像雷达的工作波长可分为:可见光及短波红外激光成像雷达(0.6328～3μm)、中波红外激光成像雷达(3～5μm)和长波红外激光成像雷达(8～12μm)。其中长波红外激光成 作者简介:王春晖(1965-),男,硕士,副研究员,1987年毕业于哈尔滨工业大学应用物理系,现在哈工大光电子技术研究所工作,主要从事长波红外相干激光探测技术研究。 收稿日期:2000-10-08