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导弹制导控制系统原理. 第三章. 基于红外线象的制导系统. 第三章 基于红外线象的制导系统. §3.1 引言 §3.2 光机扫描摄象头 §3.3 红外 CCD 摄象头 §3.4 信息处理与显示 §3.5 成象跟踪原理. §3.1 引言. 红外线象又称热成象。热成象系统摄取目标和物景发射出的红外辐射，并将其转换成图象。早在四十年代就已开始了热成象的研究工作，但直到 1952 的才制成第一台热象记录仪。. 红外成象在摄像机上的应用. 热像仪. 红外成像制导导弹. “ 贾斯姆” (JASSM) 联合防区外空对地导弹.
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第三章 基于红外线象的制导系统
第三章基于红外线象的制导系统 • §3.1 引言 • §3.2 光机扫描摄象头 • §3.3 红外CCD摄象头 • §3.4 信息处理与显示 • §3.5 成象跟踪原理
§3.1 引言 红外线象又称热成象。热成象系统摄取目标和物景发射出的红外辐射，并将其转换成图象。早在四十年代就已开始了热成象的研究工作，但直到1952的才制成第一台热象记录仪。 红外成象在摄像机上的应用 热像仪
红外成像制导导弹 “贾斯姆”(JASSM)联合防区外空对地导弹 “响尾蛇”AIM-9系列空空导弹
红外成象在医学上的应用 疼痛诊断 疾病的诊断
一、热象仪的组成 景物经热象仪的光学系统成象在接受面上：热象仪能显示出景物热图的关键是要先将景 物按一定规律进行分割：即将所观察的整个景物空间按水平及垂直两方向分割成若干个小的 空间单元；接受系统依次扫过各空间单元并将各空间单元的信号再组合而成为整个景物空间的图象。 热象仪
热象仪的组成框图 景物辐射 光学系统探测器 放大处理电路 显示 扫描机构 同步机构
二、热成象系统的特点 1．目标 热成象系统所敏感的是景物各部分的温差及发射率、反射率的差异，而不是单纯的目标辐射强度的强弱 。 镜中目标 美国AN/PVS-5A微光夜视眼镜
2、成象 热成象系统要求在较宽的视场范围内成象，象质清晰，否则热图会模糊不清，因此热成象系统的光学系统象质要求较一般的探测系统高。 医用热成象诊断器
3、探测器 4．信息处理 除了低噪声放大以外，还有很多关于悬物视频信号处理的特殊问题。由于成象系统的景物信息量较非成象系统的景物信息量主富得多，所以可以利用信号处理电路尽可能的检出景物的固有信息，以完成多种跟踪任务。
5、显示 显示器应与人眼的视觉特性相适应，且能方便地显示景物的各种特征。近年来又将显示与观代图象识别技术相结合进一步提高了热象仪的效能与应用范围。
6、热象仪的基本技术参数 在叙述红外信息检测的多元检测及扫描搜索跟踪系统时提到过有关的技术参数。这些技术参数完全适用于成象系统。现在为了便于了解热象仪的各部分具体结构及设计原则，将热象仪的基本技术参数重新分述于下：
(1)、光学系统通光口径Do和焦距f (2)、瞬时视场 瞬时视场由单元探测器尺寸a、b及光学系统焦距f决定，它的大小通常表示热象仪的空间分辨率的高低。
（3）观察视场 观察视场由所需观察的景物空间的大小和光学系统焦距决定。 （4）帧时Tf和帧速F 在扫描速度受到限制的情况下，为了提高扫过每一场画面的时间，有时将画面分成两场或若干场。
下图为隔行扫描的情况 第一场 第二场 全帧
5．扫描效率 扫描机构对景物扫描时，扫描机构实际扫过的空间范围往往比景物所张的空间角要大。 6．滞留时间 电子束扫描过程示意图
§3.2 光机扫描摄象头 目前正在使用及正在研制中的热象仪绝大多数均属于光机扫描类型。光机扫描摄象头是光机扫描热象仪的关键部分，它由光学接受系统和扫描机构两大部分组成。 采用光机扫描 “幼畜-65D“空对空导弹
光机扫描原理图 高精度制冷式热像光机扫描仪
反射镜 扫描光束 入射光束 扫描机构有两种扫描方式，即平行光束扫描器和会聚光束扫描器 。
入射的平行光束直接经可摆动的平面反射镜扫描后再进入探测器聚焦系统。这种扫描机构是直接对由物方来的光线进行扫描的，所以又称作物扫描系统。 光机扫描机构中的扫描部件有下面几种： 1．摆动平面镜； 2．旋转多面镜； 3．旋转折射棱镜； 4．旋转光楔； 5．摆动透镜， 6．旋转V型反射镜；
n-n n-n x h n+n y n+n 多级棱镜扫描器 d E 入射光 x z y 双KDP楔形棱镜扫描器 目前，扫描系统已广泛应用在很多方面，其中扫描器是光学扫描仪的关键部分。下面就列举了一些常见的扫描器。 多级棱镜扫描器 楔形棱镜扫描器
一、摆动平面反射镜 当平面反射镜用作平行光束扫描时，扫描机构转角与物空间转角的关系，显然为线性关系。在这种情况下，平面反射镜只将入射的平行光束转折一个方向，对系统象差没有任何影响。 摆动平面镜光轴扫描轨迹
二、旋转多面镜 反射镜鼓是由n个矩形面镜组成的棱柱，它绕棱柱轴转动 。摆镜摆动时镜面只能转动不发生位移；转鼓转时，镜面除转动外还有位移。若入射光束宽度为定值，则当镜鼓转动时因镜面唯一可能会使扫描区边缘部分的入射光束不能全部进入视场而产生渐晕现象。
三、旋转折射棱镜 旋转折射棱镜为正n面棱柱，绕棱柱中心轴转动。入射光线透过棱柱后出射。棱柱为正n面体，若入射光束为平行光束，则出射光束仍为平行光束且方向与入射光束方向相同。 六面棱柱
§3.3 红外CCD摄象头 电荷耦合器件CCD是同MOS电容器集戒的移位寄存器。将红外探测器阵列和电荷藕合器件组成在一起，可以用来接收景物红外辐射，并将所得的多路信号依次传输出去，这种器件称为红外电荷耦合器件(IRCCD)。 CCD芯片
IRCCD为多元阵列，有线阵的和面阵的两类。IRCCD摄象头的扫描方式有串联扫描、并联扫描、串并联扫描及凝视等几种，线阵的IRCCD用于串联扫描及并联扫描，面阵的IRCCD则用于串并扫描及凝视。 线阵的CCD
一、CCD的工作原理 CCD是由若干个MOS电容器阵列组成的集成器件。它是N型或P型硅衬底上生长成一层很薄的二氧化硅层，然后再在二氧化硅层上蒸发多个间距很小的并排铝电极，这样便形成了 由金属电极、氧化层和半导体衬底组成的多个MOS电容器阵列结构。
CCD结构及工作原理图 一面阵型CCD
1．电荷贮存 能贮存少数载流子的区域称为势阱。外加电压越高，势阱深度也越大，因而贮存电荷的容量也越大。势阱内存入少数载流子后，表面势要有所下降。
2．电荷耦合 3．信号电荷的输入和输出 电荷贮存和电荷耦合
二、CCD的结构 面在叙述CCD的工作原理时都是以三相分离电极为例来说明的。实际上使用的CCD结构有三相、二相和四相多种结构形式，电极式样也发展有多种式样；驱动时钟脉冲波形除上面所述的不对称结构式样外，也有直接采用方波形式的。
三、CCD的应用 CCD（Charge Coupled Device，电荷耦合组件）的应用 －－可拍照手机
资源一号卫星的红外相机和CCD相机 于1999年10月14日首次发射并成功入轨的、中国和巴西联合研制的资源一号卫星携带了3台遥感器：中国研制的可见光-红外线多光谱扫描仪（简称“红外相机”）和CCD（电荷耦合器件）相机及巴西研制的宽视场成像仪。本文简要介绍红外相机和CCD相机的具体组成和主要性能。
四、CCD的主要特性 1．电荷负载能力 当CCD电极上加上电压后便建立起一定深度的势阱，电荷可以贮存于势阱中，电荷存于势阱后，该势阱单元表面势变低。当电荷存入量达到使得该势阱单元的表面势和相邻势阱单元的表面势相等时，便不能再存入电荷了。势阱从空阱到填满电荷的总存入电荷量称为电荷负载能力，它决定CCD的动态范围。
如图所示为势阱的电荷存储和转移的过程。即当电荷存入量达到使得该势阱单元的表面势和相邻势阱单元的表面势相等时，便不能再存入电荷了。势阱从空阱到填满电荷的总存入电荷量称为电荷负载能力。如图所示为势阱的电荷存储和转移的过程。即当电荷存入量达到使得该势阱单元的表面势和相邻势阱单元的表面势相等时，便不能再存入电荷了。势阱从空阱到填满电荷的总存入电荷量称为电荷负载能力。
2．存贮时间与暗电流 设最初CCD势阱为空阱，在没有外界电荷注入的情况下，暗电流也将慢慢地将势阱填满。由暗电流贡献少数载流子使MOS器件达到稳态所需的时间称为贮存时间。
3．转移效率 信号电荷包从一个势阱转移到另一个势阱时，由于界面态的俘获以及转移速度的限制致使部分信号电荷不能全部转移。设势阱中的信号电荷为Q，转移到下一势阱的信号电荷为Q’，则转移效率:
五、红外电荷藕合器件(IRCCD) 电荷耦合器件可用于信号处理，数据贮存及摄象等方面。 CCD用于信号处理、数据贮存时，输入信号电荷是电注入的；用于摄象时，输入信号电荷则是用光载流子注入的。对红外敏感的常用材料有PbS、InSb、HgCdTe等光敏材料以及TGS等热电材料。
红外探测器有单元、线列、面阵等种类。对于扫描成像系统，整帧图象的获取可以用单元探测器二维扫描。如用线列器件，只需一维扫描即可获取二维图像，帧频较单元扫描高。面阵器件主要用于凝视成像系统。红外探测器有单元、线列、面阵等种类。对于扫描成像系统，整帧图象的获取可以用单元探测器二维扫描。如用线列器件，只需一维扫描即可获取二维图像，帧频较单元扫描高。面阵器件主要用于凝视成像系统。 线列或面阵都是通过透明衬底背面光照的，其焦平面结构有：
（a）图直接混成 （b）图间接混成 （c）图单片结构 （d）图Z技术 （e）图环孔技术
§3.4 信息处理与显示 摄象头对景物摄象时，首先将景物进行空间分割，然后依次将这个单元空间的景物温度转换成相应的电信号，最后输出的是与整个空间景物温度分布相应的连续的时序视频信号。无论是光机扫描类型的摄象头，热释电类型的摄象头或者是固体自扫描类型的摄象头所得出的视频信号都具有相同的性质，只是因空间分割的方法不同，时序视频信号也有不同的形式。
视频信号所反应的是景物的空间温度分布信息，所以信息的处理与显示的基本任务就是要根据景物的视频信号标示出景物各部分的温度，并显示出景物的热图象，这属于图象信号的读出与显示问题。在实际应用中还有将图象信号加以进一步处理的。视频信号所反应的是景物的空间温度分布信息，所以信息的处理与显示的基本任务就是要根据景物的视频信号标示出景物各部分的温度，并显示出景物的热图象，这属于图象信号的读出与显示问题。在实际应用中还有将图象信号加以进一步处理的。 摄象头 视频信号 温度信号 电信号 景物
如图象增强、图象修复、图象相关、运动景物的示迹等则属于图象处理范畴，我们不再加以介绍。本节主要叙述温度标示和热图象显示两个基本问题。如图象增强、图象修复、图象相关、运动景物的示迹等则属于图象处理范畴，我们不再加以介绍。本节主要叙述温度标示和热图象显示两个基本问题。 信息处理在红外成象中的作用
一、温度信号的处理 从摄象头输出的信号往往须要经过预处理、放大和线性化后才能读出与景物温度相应的温度值。现将这些方面的问题分述于下。 红外夜视仪
1．信号的预处理 从摄象头输出的信号有些是单一的景物图象视频信号，有些从摄象器件中输出的信号却须要经过再处理才能成为景物的视频信号。
2.通频带 从摄象器件输出的信号往往是相当微弱的，因此需要放大。关于放大倍数的要求涉及成象系统的动态范围，留待系统设计中去讨论。这里只叙述放大器的通频带问题。摄象器输出的信号是一系列脉冲。放大器的通频带应使输入的脉冲信号经放大后基本上不失真。
