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双色红外导引头热窗干扰研究

发布时间:2019-07-01 07:12 来源:未知 编辑:admin

  双色红外导引头热窗干扰研究_交通运输_工程科技_专业资料。建立了热窗干扰对双色红外探测器影响的数学模型,计算了两个工作波段在一定的温度范围内热窗干扰的影响。提出了减小热窗干扰影响的可行性办法,结果在工程设计上有一定的参考价值。

  维普资讯 第 2 5卷 第 1期 红 外 技 术 I fa e e h oo y n r r dT c n lg V o. 5 N o 12 .1 2 0 年 i月 03 Jn 20 a. 0 3 双 色 红 外 导 引 头 热 窗 干 扰 研 究 张 洪建 , 艺瀚 , 张 李伟 仁 , 尚平 邢 ( 军工 程 大学 工 程学 院机 载 导 弹武 器 系统 实验 室 , 空 陕西 西 安 7 0 3 ) 1 0 8 摘 要 : 建 立 了 热 窗 干 扰 对 双 色 红 外 探 测 器 影 响 的 数 学模 型 , 算 了两 个 工 作 波 段 在 一定 的 温度 范 围 内 计 热 窗 干 扰 的 影 响 。提 出 了减 小 热 窗 干 扰 影 响 的 可 行 性 办 法 , 结果 在 工 程 设 计 上 有 一 定 的参 考 价 值 。 关 键 词 : 热 窗 干 扰 ; 双 色 导 引头 ; 修 正 系 数 中 图 分 类 号 :TN2 6 1 文 献 标 识 码 :A 文章 编 号 :1 0 — 8 1 2 0 ) 10 4 —4 0 18 9 ( 0 3 0 — 0 70 引 言 随着现代机 载光 电设 备 的发展 和光 电对抗措施 的 不 断增 强 , 展 具 有 全 向 攻 击 能 力 和 抗 干 扰 能 力 较 强 发 的 双 色 红 外 导 引 头 是 当 前 红 外 导 弹 发 展 的 方 向 之 一 式 中 :~ J k为 目标 在 导 引头 光 敏 元 件 工 作 波 段 一 。 为间的辐 射强度 ; 为在 波 段 一 z的 目标 辐 射 能利 用率 ; 为光敏元 件 的相 对光谱 响应 度 ; a 为频 R() a ,, 率因子及波形 因子 ; 为 大气 有 效 透过 率 ; D为 星 探 测 度 ;o为 光 学 系 统 有 效 透 过 率 ;为 信 噪 比 ; r S v Ao为 光 学 系统 人 瞳 面积 ; Ad为 探 测 器 面 积 ; af为 等 效 噪 声 带 宽 。其 中 是 探 测 器 噪 声 电 压 的 均 方 根 , 般 公 一 _ l 6J 。 本 文 研 究 的双 色 红 外 导 引头 既 能 探 测 3 5 m ~ 也 能 探 测 8 1 m 的 红 外 辐 射 , 红 外 导 弹 能 够 具 ~ 2 使 有 全 向 攻 击 能 力 的 同时 具 有 较 好 的抗 干 扰 能 力 。但 在 8 1 m 波 段 , 窗 干 扰 是 需 解 决 的 突 出 问 题 之 一 。 ~ 2g 热 式 把它认为是 系统 的噪声 限 , 有 把 导 弹在 空 中高速 没 飞行 过程 中 , 热窗 干扰 的影 响 因素考 虑在 内。将 热 窗 干 扰 产 生 的 噪 声 电压 定 为 。 VN 一 () 2 热窗干扰 即导弹在 空 中高 速飞行 时 , 引头 头部 受到 导 空气动力加 热 , 温度 升高 产 生红 外辐 射对 光 电探 测器 的干 扰 。 这 种 干 扰 有 时 相 当严 重 , 使 导 引 头 不 能 正 致 常 工 作 _ 。本 文 把 红 外 导 引 头 头 部 的光 学 材 料 看 做 朗 4 ] 伯 辐 射 体 , 分 析 其 红 外 辐 射 对 导 引 头 探 测 距 离 的 影 从 响 出 发 , 立 导 引头 头 部 辐 射 与 探 测 器 噪 声 电 压 之 间 建 关 系 的数 学 模 型 , 进 行 了 分 析 和 研 究 。 并 式 中 : 为探 测 器 的 光 谱 响 应 度 ; R P为 作 用 到 探 测 器 上 的热 窗 干扰 光 谱 辐 射 功 率 。 1 影 响导 引 头 作 用 距 离 的 因 素 红外 导 引 头 的 作 用 距 离 是 红 外 探 测 系统 的 一个 重 要 的 综合 性 指 标 , 指 在 目标 辐 射 的 红 外 线 能 量 与 背 是 景 红 外 辐 射 能量 之 比 , 满 足 探 测 要 求 , 能判 定 目标 能 并 方 位 时 , 引 头 至 目标 的 最 大 距 离 。其 主 要 与 目标 辐 导 射 特 性 、 气 传 输 、 景 辐 射 、 学 系 统 特 性 , 测 器 件 大 背 光 探 的 性 能 和信 号 处 理 有 关 。 据 文献 [ ] 红 外 导 引 头 的 作 用 距 离 的 方 程 如 下 : 1, L一 ( ~L ?7 . , 2 )?( )?( )?— A0 一 , 图 1 导 引 头 光 路 图 Fi . Di g a fo tc ls s e g 1 a r m o p ia y t m 2v  ̄ r V s v 2 导 引 头 头 部 光谱 辐 射 功 率 的计 算 , nr D盯 - — (p ) ( d? f l R() A A ) ‘ / 导引头 整流罩受 到 空气 动 力加 热 温 度升 高 , 流 整 罩 头 部 光 学 材 料 的温 度 分 布 并 不 均 匀 , 顶 部 形 成 驻 在 + 收 稿 日期 :0 20 ~8 2 0 ~ 40 4 7 维普资讯 第 20 年 第 1 2 3 1月 0 5卷 期 张洪 建 等 : 色红 外 导 引头 热窗 干扰 研 究 双 Vo. 5 No 1 12 . Jn 20 a. 0 3 点 , 点 的 温 度 最 高 。引 起 热 窗 干 扰 的 主要 因 素 有 导 此 弹 的飞 行 速 度 、 行 高 度 和 外 界 温 度 。据 文 献 E 3 以 飞 2可 分 析 出导 引 头 头部 平 均 温 度 一 般 在 4 3K 左 右 。 7 在 建 立 数 学 模 型 时 , 了 计 算 上 的方 便 , 行 了 一 为 进 些 简 化 : 设 导 弹 的 飞 行 方 向 和 导 弹 的 纵 轴 方 向基 本 假 一 得到: P^一 0 5 ' ?M A d c s 0 一 c 2 2 .n q (o 2 1 os 0 ) () 8 由 M 一 致 ; 标 器 方 向和 导 弹 纵 轴 方 向 的 夹 角 为 小 角 度 ; 位 整 计 算 出 导 引 头 光 敏 元 件 工 作 波 段 ~ z间 的 光 谱 辐 射强度 : 流 罩 光 学 材 料 为 温 度 均 匀 分 布 的 朗伯 辐 射 体 , 温 度 其 为 各 点 温 度 的 平 均 值 。 根 据 普 朗 克公 式 , 光 谱 辐 射 其 发射量 为 : P- 一 d A ̄ JP A 1 一 R m — a .( 一 . 1. 5. ( 一 1 一 e ) () 3 0。do0 c2)R 。 ( ? A(s1 o0J  ̄ 9 5 c2一 s22 ( ) 式 中 : 辐 射 系 数 ; K) 绝 对 温 度 ; 1 W ?c ) a为 T( 为 C( m 为 第 一 辐 射 系 数 ;zm ? 为 第 二辐 射 系 数 。 c( K) 从 图 1可 以看 出 , 位 标 器 的 静 态 视 场 角 内整 流 在 3 热 窗 干 扰 对 探 测 器 噪 声 电 压 的 影 响 据 文 献 [] R 3 , 一 , 中 : 为敏 感 式 D 罩 中 间 阴 影 部 分 是 光 敏 元 件 的 探 测 盲 区 。光 敏 元 件 探 测 到 的 是 一 个 环 形 的 球 带 , 图 2所 示 。此 处 认 为 整 如 流 罩 为 半 球 形 状 ,整 流 罩 上 的 热辐 射 是 经 图 1中 的 光 元 件 的光 谱 探 测 度 。 在 某 一 波 段 区 间 ~ z范 围 内 可 近 似 地 用 其 间 的平 均 值 D来 代 替 。于 是 可 得 到 探 测 器 上 的 干 扰 电压 为 : — 路 反 射 和 折 射 后 到 达 探 测 器 , 此 把 探 测 器 静 态 视 场 在 角 范 围 内 的 整 流 罩 看 成 相 对 于 光 学 元 件 半 径 为 R 的 圆球 。其 中把 R 看 成 等 效 半 径 。Aa为 光 敏 元 件 的 有 效探 测 面 积 ; 0为 光 敏 元 件 法 线 方 向 和 球 带 上 元 面 积 d 连线 的夹角 。 A 式 中 :A 为 : d d — Rd A O.R .d sn  ̄ iO () 4 P~ ?R一 P~ ? , , (。 1) 假 设 热 窗 干扰 产 生 的 干 扰 电压 为 加 性 干 扰 , 以 探 测 所 器 的干 扰 电 压 应 为 : 一 V,1 LVN 把 (0 式 带 人 得 : 1) 一 [P ? I + ? ] () ? 1 V 1 ( 2 1) d 取 : y 1一 I+ P - 把 () 带人 (2式得到 : 9式 1) 一 1+ 0 5 . ? a? A 图 2 球带 对 光 学元 件 的辐 射 Fi . Th n a e a ito O d t c o g 2 e if rd r da in t ee tr (o21 cs2 t c cs0 一 o0)?l 1 ' A 2 J ^ 1 f ? _ 。 ? 元 面 积 d 对 Aa 张 的立 体角 为 d A 所 n: d — Ado O R。 n c s/ ( 寿 一 1) e ( 3 1) () 5 探 测 器 距 离 公 式 中 的 信 噪 比 为 V s 在 此也 要 修 正 为 : 由 d 发 出并 为 Aa所 接 受 的 光 谱 辐 射 功 率 为 : A dP^一 叩 ?N z dAdf , ] 一7? 。在 此 称 7为 信 噪 比修 正 系 数 , 意 义 是 其 式 中 : 导 引头光学效 率 ; 为面光谱辐射率 。 为 把 () 和() 带人得 : 3式 4式 d P^一 叩?』 、 Ad?c s o O?sn i 0?d O?d& 5 () 6 在 相 同探 测 距 离 时 , 信 噪 比要 乘 7倍 才 能 满 足 探 测 原 要 求 , 7越 大 热 窗 干 扰 影 响 越 小 。 此 处 7是 小 于 1 即 的正 数 。 整 个 球 带 发 出并 为 Aa所 接 受 的 光 谱 辐 射 功 率 为 对 0 和 5的 积 分 。 & r2 n r d 4 对信 噪 比修 正 系数 的计 算 0 P 一d ^ I 4 8 ^ ? oO? i0 d Ad cs s ? O n () 7 在此设 x C , 一丽 7的 计 算 公 式 经 整 理 得 : 2 维普资讯 第 2 5卷 第 1期 红 外技 术 I fa e c n l g n r r d Te h o o y V 0 . 5 NO 1 12 . 20 0 3年 1月 Jn 2 0 a. 0 3 一 + 0 2 。 厶 , ? c /】 2 丁 (2 s) 』差 c0 2 ? o ̄ 0 s 2 C2/ T ) , 在 根 据 公 式 (4 作 者 编 制 了一 个 计 算 程 序 , 所 研 1) 对 究 的 双 色 导 引头 的 工 作 波 段 3 5 m 和 8 1 ~ ~ 2 计算 。 计 算条件 : 导 引 头 头 部 光学 材 料 平 均 温 度 为 2 3 4 3K 进 行 了 7  ̄ 7 等 效 噪 声 带 宽 ( ) 2 0 . Hz :0 0 0 星探 测 度 D(mHz 2w ) ×1 c u / :2 O 图 5 波段 范 围 : ~5 3 m,y和 0 系 关 Fi . W a e b n g5 v a d:3 5 m e s s 0 ~ yv r u O 5 0 10 0 整 罩 平 均墨 度 10 5 图 3 波段 范 围 : ~5岬 , 3 y和温 度 的关 系 Fi . W a e b n :3 5 mn 7 v r u e p r t r g 3 v a d ~ e s stm ea u e 02 5 内唾 环 把对 椽洲 光敏 元 件 的挂 ,I 9 02 《 篙05 1 ■ ≥: 一 二 1u 0 整 佩 宅 平 均温 度 图 6 波段 范 围 :~ 1m,y和 0 系 8 2 关 Fi . W a e b n g 6 v a d:8 1 i y v r u ~ 2 tm e s s 0 薹 0 1 0O 5 = = = = = 5 0 10 5 研究 的红 外双色导引头 的热 窗 干扰 主要集 中在 8 2 ~1 m 工作波段 。解决 双色红外 导 引热 窗干扰 的主要 问 题 是解 决 8 1. 波 段 的 热 窗 干 扰 。 从 公 式 中也 可 ~ 2p m 以 看 到 , 引头 温 度 和 工 作 波 段 的 选 取 是 热 窗 干 扰 的 导 两 大 主 要 因素 , 就 要 求 在 导 引 头 设 计 时 , 流 罩 材 料 这 整 O 0 2 00 图 4 波段 范 围 :~ 1 a ,, 8 2/ )和温度 的关系 m Fi . W a e b n g4 v a d:8 1 m e s s t mp r t r ~ 2 7 v r u e e au e 的选取上在满足 光学要求 的情况 下尽量选取 比热值较 高 的材料 ; 在外形设计 上要 尽 量避 免 整 流罩 在高 速气 流 中气 动加热效应 , 整流罩 的温度尽量低 。 使 同 时 , 图 5和 图 6也 可 以 看 出 : 导 引头 的 内部 从 在 位 标 器 的 设 计 上 , 静 态 视 场 角 不 变 的情 况 下 , 大 次 在 增 反 射 镜 的尺 寸 也 是 一 个 有 效 的途 径 , 又 要 考 虑 到 入 但 射孔径不 能太 小 , 大 次 反 射镜 的 尺 寸是 有 限制 的。 增 内圆环相对探 测光敏元件 的张角的变化对信噪 比 修 正 系 数 的 影 响 如 图 5 图 6所 示 。 取 整 流 罩 平 均 温 、 度 为 3 3K。 2 5 结 果分 析 从 图 3和 图 4可 以 看 出 3 5p 波 段 的 热 窗 干 扰 ~ . m 但此方法不 改变位标器 静 态视 场 角 , 够在 满 足导 弹 能 跟 踪 要 求 的 同时 减 小 热 窗 干 扰 。可 以说 是 导 引 头 设 计 时 为减 小 热 窗 干扰 的有 效 途 径 。 49 影 响 较 小 , ~ 1 m 波 段 热 窗 干 扰 影 响 比较 严 重 。所 8 2g 维普资讯 第 20 2 3年 第月 5卷 0 1 1期 张洪 建 等 :双 色红 外 导引 头热 窗 干扰 研究 Vo. 5 No 1 12 . J n2 0 a 03 6 结 束 语 在 发 展 红 外 双 色 中 距 导 弹 过 程 中 , 窗 干 扰 一 直 热 选 取 热 窗 干扰 影 响 较 严 重 的 8 1 . 红 外 辐 射 作 为 ~ 2/ z m 工 作 波 段 。这 就 更 迫 切 地 要 求 定 量 的研 究 热 窗 干扰 的 影 响 , 出减 小 热 窗 干 扰 的 有 效 途 径 , 者 找 出 在 设 计 找 或 过 程 中折 衷 的 办 法 。此 外 利 用 热 窗 干 扰 的特 性 在 信 号 处 理 算 法 上 抑 制 干 扰 的影 响 也 是 一 个 有 效 的 途 径 。 是 有 待 于解 决 的关 键 问 题 之 一 , 以往 在 设 计 导 弹 时 只 是 定 性 地 分 析 热 窗 干 扰 , 选 取 的工 作 波 段 尽 量 避 免 使 热窗干扰 ( 般选 取波 长较 短 的工作 波 段 )或减 小探 一 , 本文 在建立数学 模 型时 做 了一 些 简化 , 这 不影 但 响对 热 窗 干 扰 的定 量 分 析 , 果 和 以 往 的 定 性 分 析 相 结 测 器 的静 态 视 场 角 来 减小 热 窗 干 扰 。但 要 发 展 抗 干扰 能 力 强 且 具 有 全 向攻 击 能 力 的 双 色 红 外 导 引 导 弹 , 要 参 考 符合 。计 算结果 可供工 程设计参 考 。 文 献 [] 谢 邦荣 , 1 张艺 瀚 , 尚 平.红 外 中距导 引头 作用 距离研 究U 3 邢 .红外 技术 ,02 2 1 :~ 1 20 .4()8 1 [ ] 何爱 民.红 外导 弹制 导 系统E q 西安 : 2 - . ,  ̄ 空军 工程 大学 工程学 院 , 9 1 18. [ ] 杨宜 禾 , 敏.红外 系统 [ 幻. 3 岳 ^ 北京 : 国防工 业 出版 社 ,9 5 18 . E 3 张幼 文.红 外 光学 工程 [ ] 上海 : 海科 学技术 出版 社 , 9 2 4 M . 上 18. E ] 张维 力 , 广礼 .热成 像 [ . s 宋 明 北京 : 时代 出版社 ,18 . 新 98 [ l 邓 仁亮 .光学 制导 技术 [ , 6 M] 北京 : 国防工 业 出版社 ,9 2 19 . 作者 简 介 : 张 洪 建 , ,9 6年 生 , 南开 封人 , 士研究 生 , 男 17 河 硕 主要研 究 方 向为 机载 导 弹系统 工 程与 信 号处 理 。 The Re e r h n H otW i o I e f r nc f Du lSpe t u s H o i a sa c o nd w nt r e e e o a c r m m ng he d Z a g Ho gj n Z a gYi a , IW e rn Xig S a gpn h n n -J , h n — n L i e , n h n — ig a h — ( a f Ai-a n h d M i i ma e t y tm , rF reU iestf En iern XIn 7 0 3 , hn ) L bo rlu ce s l Ar n n s se S e Ai o c n vri o gn eig, a 1 0 8 C ia y Ab ta t sr c : T h a h m a ia o e f t e i fu n e t a o n o i t re e c c n d ls e t a a g e m t e tc lm d lo h n l e c h t h twi d wn e f r n e a to ua p c r lr n e h m ig h a s e t b ih d Th n l e c fh t wi d wn e f r n e i ac lt d i w o s e tu s Som e o n e d i s a l e . s e i fu n e o o n o i t re e c s c lu a e n t p c r m . m e h dsa e s e u a e n d c e sn h o n o i t re e c . Thec n l so r au b ei n i e rn t o r p c l t d i e r a i g t e h twi d wn e fr n e o cu insa e v l a ln e g n e i g d sg . e i n Ke r s ywo d : ho nd wn e fr n e, d a pe t a a g o i g he d, r v s a a e e twi o i t r e e c u ls c r lr n e h m n a e ie p r m t r 骨 者 者 奢 ; : ; : : ! ! ! : ! ! : : :; : 、 : ( 接第 4 上 6页 ) 参 考 文 献 。 E l 周 鼎新 . 美 国第 三 代肩射 红 外 防空导 弹 (t g r)s) l 对 s n eot 导引 头特色 的分 析 [] 红 外与 激光 技术 , 9 4 3 : i 1 J. 1 8 .( ) [ ] 冯炽焘 , 文. 2 李 使用 “ 玫瑰 线/ 螺线 ” 图形 扫描 的双 色红 外制导 技术 L ] 红外 技术 ,9 3 2 1 : ~8 J. 1 9 . 5( ) 2 . 作者简介 : 张磊 , 西安 电子科技 大学计算机学 院 , 硕士研 究生 。研究方 向: 多媒体信 息处理 , 计算机仿真 技术 。 裘雪 红 , 西安 电子科 技大学计算机学 院 , 副教授 , 硕士生导师 。研究 方向 : 多媒体信息处理 , 音信号处理 , 语 计算 机仿 真技术 。 A e M e ho o Ca c a e t nsa a ou ed o iw s te S a ni N w t d t l ul t he I t nt ne sFi l fV e ofRo e t c n ng ZHANG iQI Xu - o g Le , U e h n (De to mp tr p. fc o ue ,Xi inU i . d a nv ,Xin 7 0 7 , hn ) a 1 0 1 C ia Ab t c : Th sp p rp e e st et e r fRo e t c n n nd t ec n e to a t o o c lu a e t ei — s r t a i a e r s nth h o y o s te S a nig a h o v n i n 1me h d t ac lt h n s a t n o il fv e ( FOV) t n a e usfed o iw I .The e me h d i o o e , Fi a lh e u t ft et o m e h d r n an w t o spr p s d n l t e r s Iso h w t o sa e y . c m p r d o ae . Ke r y wo d: r s te s a n n o e t c n i g, i s a t n o s fed o iw (FOV) t t lfed o iw ( n t n a e u il fv e I o ail fv e TFOV) 5 O

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