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1、导弹制导控制系统原理第1页，共109页，编辑于2022年，星期日第二章基于点目标跟踪的红外导引系统原理第2页，共109页，编辑于2022年，星期日第二章第二章基于点目标跟踪的红外导引系统原理基于点目标跟踪的红外导引系统原理2.1导弹自动导引系统的组成及工作原理导弹自动导引系统的组成及工作原理2.2红外导引头基本原理红外导引头基本原理2.3红外探测器极其制冷红外探测器极其制冷2.4光学调制与调制盘光学调制与调制盘2.5误差信号处理电路图误差信号处理电路图2.6红外目标跟踪系统红外目标跟踪系统2.7十字叉及十字叉及L型系统型系统第3页，共109页，编辑于2022年，星期日2.1 2.1 导弹自动导
2、引系统的组成导弹自动导引系统的组成及工作原理及工作原理一、导弹自动导引的分类 自动导引方法精度比较高，因此在空空导弹和地空导弹的控制中得到广泛采用。自动导引的导弹有三种方法。第4页，共109页，编辑于2022年，星期日自动导引的导弹的三种方法自动导引的导弹的三种方法1、跟踪法、跟踪法2、平行接近法、平行接近法3、比例导引法、比例导引法跟踪法导弹的过载大平行接近法过载小，实现困难比例导引法过载小，装置简单第5页，共109页，编辑于2022年，星期日导弹制导视频第6页，共109页，编辑于2022年，星期日二、自动导系统的组成1、导引头、导引头 X-59导引头雷达导引头第7页，共109页，编辑于20
3、22年，星期日2、舵机舵机俄俄R-73空空导弹空空导弹前卫前卫-3激光导引头与激光导引头与舵机舵机第8页，共109页，编辑于2022年，星期日3、导弹外形及工作原理、导弹外形及工作原理（1）导弹外行图）导弹外行图导引头导引头舵机舵机发动机发动机尾翼尾翼第9页，共109页，编辑于2022年，星期日（2）红外导引头工作原理）红外导引头工作原理测角系统测角系统跟踪系统跟踪系统uqqqt第10页，共109页，编辑于2022年，星期日一、导引头结构组成方块图2.2 2.2 红外导引头光学系统基本原理红外导引头光学系统基本原理导引头导引头方位探测系统方位探测系统跟踪系统跟踪系统光学系统光学系统调制盘调制盘
4、探测器探测器信号处理电路信号处理电路1 1、组成图、组成图第11页，共109页，编辑于2022年，星期日2 2、导引头工作原理、导引头工作原理导引头的各部分相互协调工作，其关系如下图导引头的各部分相互协调工作，其关系如下图所示所示；（1）结构组成）结构组成第12页，共109页，编辑于2022年，星期日目标辐射目标辐射光学系统光学系统调制盘调制盘探测器探测器电子线路电子线路陀螺跟踪系统陀螺跟踪系统（2）工作原理）工作原理第13页，共109页，编辑于2022年，星期日二、红外光学系统 红外光学系统是红外导引的一个重要组成部分。红外导引通过光学系统来收集目标辐射的红外线。红外光学系统是根据光的基本传
5、播规律进行成象的。右图：采用红外光学系统的 天文望远镜第14页，共109页，编辑于2022年，星期日1 1、基本组成元件：、基本组成元件：光学系统的基本组成元件是反射镜、棱镜、及光栏。尼科耳棱镜棱镜 第15页，共109页，编辑于2022年，星期日2 2、红外成象技术的基本原理、红外成象技术的基本原理第16页，共109页，编辑于2022年，星期日3 3、光学系统的功能、光学系统的功能（1）聚集光能以探测目标）聚集光能以探测目标（2）利用象点的位置反映目标偏离光轴的）利用象点的位置反映目标偏离光轴的大小和方位大小和方位qqMy1x1yRO1OMOf光光学学系系统统等等效效的的凸凸透透镜镜第17页，
6、共109页，编辑于2022年，星期日4 4、光学系统几个主要的外形结构参数、光学系统几个主要的外形结构参数（1）有效接收口径D 有效接收口径D决定了光学系统有效接收面积的大小。（2）焦距 光学系统的焦距是决定系统成象位置及光学系统的焦距是决定系统成象位置及大小的基本参量，焦距还影响系统视角的大大小的基本参量，焦距还影响系统视角的大小。小。第18页，共109页，编辑于2022年，星期日（3）视角 视角的大小决定了系统所能观察到的有效空间的大小。为了消除背景的干扰，系统的视角不能太大。（4）相对孔径、f数 有效接收口径与焦距的比值称为光学系统的相对孔径。第19页，共109页，编辑于2022年，星期
7、日5 5、影响象质的因素、影响象质的因素 一一个物点成象并不是一个几何点，而是一个亮的扩个物点成象并不是一个几何点，而是一个亮的扩散圆斑，通常称为散圆斑，通常称为弥散圆弥散圆。弥散圆的大小对信号有相。弥散圆的大小对信号有相当大的影响。当大的影响。弥散圆弥散圆第20页，共109页，编辑于2022年，星期日 由于弥散圆的大小对信号有相当大的影响，因此需要了解影响弥散圆大小的影响因素。影响弥散圆大小的因素有两种，一是衍射，二是象差。左左图图：衍衍射射及及其其强强度度分分布布第21页，共109页，编辑于2022年，星期日（1）、衍射对象质的影响）、衍射对象质的影响 衍射是由光的波动性而引起的。即使是位
8、于光轴上的衍射是由光的波动性而引起的。即使是位于光轴上的几何点源，通过有光栏的光学系统后成的象也不是一个几何点源，通过有光栏的光学系统后成的象也不是一个几何点，而是一个明亮的中心圆斑，中心圆斑一般称为几何点，而是一个明亮的中心圆斑，中心圆斑一般称为艾利艾利(Airy)(Airy)圆圆。艾利艾利(Airy)圆圆第22页，共109页，编辑于2022年，星期日(2)、象差对象质的影响 象差象差是影响弥散圆大小的主要因素。是影响弥散圆大小的主要因素。象差可分为象差可分为色差和单色象差两类。色差和单色象差两类。色差是主于透镜的折射系数随波色差是主于透镜的折射系数随波长而变化引起的，单色象差指光学系统对单
9、色光产生的长而变化引起的，单色象差指光学系统对单色光产生的象差。象差。右图：测量象差的原理图第23页，共109页，编辑于2022年，星期日2.3 2.3 红外探测器及其制冷红外探测器及其制冷 红外探测器红外探测器实际上是一种红外线辐射能的转实际上是一种红外线辐射能的转换器。它把辐射能转换成另一种便于测量的能换器。它把辐射能转换成另一种便于测量的能量形式，多数情况下转换成电能，因为从近代量形式，多数情况下转换成电能，因为从近代的测量技术看，电量的测量最方便最精确。的测量技术看，电量的测量最方便最精确。第24页，共109页，编辑于2022年，星期日庭院灯型红外探测器庭院灯型红外探测器吸顶式智能吸顶
10、式智能红外探测器红外探测器无线被动式红无线被动式红外探测器外探测器第25页，共109页，编辑于2022年，星期日一、红外探测器的分类一、红外探测器的分类 对于探测和跟踪目标的探测器，按照探对于探测和跟踪目标的探测器，按照探测过程的物理机理，可分为两类，即热探测测过程的物理机理，可分为两类，即热探测器和光子探测器，热探测器是利用红外线的器和光子探测器，热探测器是利用红外线的热效应而工作的。热效应而工作的。第26页，共109页，编辑于2022年，星期日 1、热探测器 当红外线辐射到热探测器上后，探测器材料的温度会上升，温度的变化会引起某些物理特性相应发生改变，利用测量这些物理特性的改变程度来确定红
11、外辐射的强弱，这样的探测器称为热探测器。第27页，共109页，编辑于2022年，星期日（1）热探测器的特点）热探测器的特点热探测器要利用材料受到热辐射后温度的上热探测器要利用材料受到热辐射后温度的上升来测量的，因而反应时间较长，时间常数一升来测量的，因而反应时间较长，时间常数一般在毫秒级以上，这类探测器的另一个特点是般在毫秒级以上，这类探测器的另一个特点是对全部波长的热辐射基本上都有相同的响应。对全部波长的热辐射基本上都有相同的响应。右为电阻式热探测器右为电阻式热探测器第28页，共109页，编辑于2022年，星期日(2)热探测器工作原理热探测器工作原理热探测器是利用入热探测器是利用入射红外辐射
12、引起敏感射红外辐射引起敏感元件的温度变化，进元件的温度变化，进而使其有关的物理参而使其有关的物理参数发生相应变化，通数发生相应变化，通过测量有关物理参数过测量有关物理参数的变化可确定探测器的变化可确定探测器所吸收的红外辐射。所吸收的红外辐射。一热释电型热探测器工一热释电型热探测器工作原理图作原理图第29页，共109页，编辑于2022年，星期日2、光子探测器 光子探测器是利用红外线中的光子流射到探测器上后，和探测器材料中的束缚态电子作用后，引起电子状态的变化，从而产生能逸出表面的自由电子，以此来探测红外线。四象限四象限光电探光电探测器测器第30页，共109页，编辑于2022年，星期日（1）光子探
13、测器的特点）光子探测器的特点光子探测器的反应时间短，但要使物体内光子探测器的反应时间短，但要使物体内部的电子改变运动动态，入射的光子能量必须部的电子改变运动动态，入射的光子能量必须足够大。当光子能量小于某一值时，就不能使足够大。当光子能量小于某一值时，就不能使束缚状态电子变成载流子或能逸出材料表面的束缚状态电子变成载流子或能逸出材料表面的自由电子。自由电子。日本滨松光子光子-光电管探测器光电管探测器第31页，共109页，编辑于2022年，星期日热探测器和光子探测器优缺点的比较热探测器和光子探测器优缺点的比较名称优点 缺点热探测器不需冷却，全波段有平坦响应 灵敏度较低，反应较慢 光子探测器灵敏度
14、高，反应时间短 只适用于一定的波长范围，需冷却第32页，共109页，编辑于2022年，星期日在导弹的红外制导系统中，由于要求灵在导弹的红外制导系统中，由于要求灵敏，反应快。一般采用光子探测器。敏，反应快。一般采用光子探测器。PL-9C红红外外空空空空导导弹弹挂装在武装直升机上挂装在武装直升机上的的TY90导弹导弹第33页，共109页，编辑于2022年，星期日二、光子探测器分类及工作原理二、光子探测器分类及工作原理光子探测器是基于入射光子对探测器材料内的电光子探测器是基于入射光子对探测器材料内的电子作用而产生的光电子效应而工作的。光电子效应有子作用而产生的光电子效应而工作的。光电子效应有外光电效
15、应和内光电效应两种。外光电效应和内光电效应两种。光电探测器光电探测器光电导探测器光电导探测器光生伏特探测器光生伏特探测器光磁电探测器光磁电探测器光子探测器光子探测器外外光光电电内内光光电电第34页，共109页，编辑于2022年，星期日1光电探测器光电探测器当光照射到某些材料的表面上时，如果入射光子当光照射到某些材料的表面上时，如果入射光子的能量足够大，就能够使电子逸出材料的表面，这种的能量足够大，就能够使电子逸出材料的表面，这种现象称为现象称为外光电效应外光电效应。利用这种效应制成的探测。利用这种效应制成的探测器，称之为光电探测器。器，称之为光电探测器。光电效应原理图光电效应原理图第35页，共
16、109页，编辑于2022年，星期日常用的光电探测器有光电二极管和光电倍常用的光电探测器有光电二极管和光电倍增管。光电倍增管常用于激光制导系统中作为增管。光电倍增管常用于激光制导系统中作为红外激光探测器。红外激光探测器。光电二极管光电二极管光电倍增管光电倍增管第36页，共109页，编辑于2022年，星期日光电探测器，存在一个长波限。长波限光电探测器，存在一个长波限。长波限的存在可以从的存在可以从光量子理论光量子理论得到解释。根据光得到解释。根据光量子理论，认为辐射能量是以粒子形式存量子理论，认为辐射能量是以粒子形式存在的，这种粒子称为光子。其公式为：在的，这种粒子称为光子。其公式为：光电探测器的
17、工作原理光电探测器的工作原理第37页，共109页，编辑于2022年，星期日当入射光子与材料中的电子相遇碰撞当入射光子与材料中的电子相遇碰撞时，光子就消失而将其全部能量转给了电时，光子就消失而将其全部能量转给了电子。若光子的能量大于探测器材料的电子子。若光子的能量大于探测器材料的电子逸功率，电子就可逸出材料的表面逸功率，电子就可逸出材料的表面 。根。根据此原理据此原理爱因斯坦爱因斯坦提出了光电发射公式：提出了光电发射公式：第38页，共109页，编辑于2022年，星期日 当光照射到某些半导体材料上后，光子与半导体内的电子作用后，会形成载流子，载流子会使半导体的电导率增加，这种现象称为光电导现象。2
18、、光电导探测器、光电导探测器半导体材料半导体材料第39页，共109页，编辑于2022年，星期日利用光电导现象制成的利用光电导现象制成的 探测器叫探测器叫光电导探测器。常见的光电导探测器。常见的 光电导器件由光电导器件由硫化铅、硒化铅、锑化铟等材料制成。硫化铅、硒化铅、锑化铟等材料制成。这是红外技术中应用最广泛的一类探这是红外技术中应用最广泛的一类探测器。测器。第40页，共109页，编辑于2022年，星期日在纯净半导体中，当价电子受到热或光子的 激发而跳到导带后，在价带中就留下了一个空穴，电子和空穴对材料导电率都有提高作用。这种在纯净半导体中一个电子被激发而在导带和价带分别发生电子的过程叫本征激
19、发。第41页，共109页，编辑于2022年，星期日本征激发本征激发第42页，共109页，编辑于2022年，星期日 为了使探测器能在较长的波段工作，需要增大探测器的截止波长。一般在纯净半导体中掺入少量其他杂质，根据掺入的杂质不同，可以做成P型半导体和N型半导体.第43页，共109页，编辑于2022年，星期日3 3光生伏特探测器光生伏特探测器在P型，N型半导体接触面处会形成一个阻挡层。在阻挡层内存在内电场E，如果光照射在结附近，由光子激发而形成光生载流子，由于内电场的作用，光生载流子的电子就会跑到N区，而空穴就跑到P区，这时在P-N结两侧就会出现附加电位差，这一现象称为“光生伏特”效应。第44页，
20、共109页，编辑于2022年，星期日+PNEU阻挡层内存在内电场阻挡层内存在内电场E如图下所示如图下所示第45页，共109页，编辑于2022年，星期日 4 4光磁电探测器光磁电探测器光磁电探测器由一薄片本征导体材料和一块磁铁组成。当入射光子产生电子空穴对时，它们被外加磁场分开形成电动势。这类探测器不需要致冷，可响应到7微米，时间常数也小。但由于其灵敏度较前两种低，故目前应用较少。第46页，共109页，编辑于2022年，星期日二、探测器的主要特性参数二、探测器的主要特性参数导引头所用的探测器大部分都是光电导探测器和光生伏特探测器，由于它们都是光子探测器，所以又都称为光敏元件。光敏元件有一系列根据
21、实际应用需要而制定的特性参数。用这些参数可以区别一个光敏元件在应用中的优劣。第47页，共109页，编辑于2022年，星期日1 1电压灵敏度电压灵敏度 电压灵敏度反映了光敏元件对入射辐射能的转换能力。2 2驰豫时间驰豫时间驰豫时间是表征光敏元件对光照反映 快慢的物理量，是进行系统设计选用元件 时必须考虑的重要参数。第48页，共109页，编辑于2022年，星期日矩形脉冲光照弛豫过程图矩形脉冲光照弛豫过程图正弦光照弛豫过程图正弦光照弛豫过程图第49页，共109页，编辑于2022年，星期日4 4噪声：噪声：由以上的讨论，我们知道，光照射到光敏元件上后，就会有一个有用的信号产生，但光敏元件工作时除了有用
22、信号之外，还有噪声存在。5 5噪声等效功率于探测度噪声等效功率于探测度：光敏元件存在着噪声，噪声限制了光敏元件对微弱信号的探测能力。第50页，共109页，编辑于2022年，星期日三、红外探测器的致冷三、红外探测器的致冷1致冷的必要性致冷的必要性目前性能较好的探测器均需要冷却，致冷可以降低热激发产生的载流子，从而降低探测器的噪声；致冷在一定程度上也可减少禁带宽度，从而加大载止波长。第51页，共109页，编辑于2022年，星期日2 2致冷的方法致冷的方法目前对红外探测器的致冷有多种方法，按照换 热方式，可大体分为:(1)利用低温液体或气体进行对流换热而致冷探测器。(2)利用固体传导换热而致冷探测器
23、的固体致冷器。(3)利用辐射散热而致冷的辐射致冷器。(4)利用珀尔贴效应而致冷的半导体致冷器。(5)其他。第52页，共109页，编辑于2022年，星期日2.4 2.4 光学调制与调制盘光学调制与调制盘 一、对辐射能进行调制的意义一、对辐射能进行调制的意义来自目标的红外辐射能，一般是不能直接利用的因此就需要对光能进行某种形式的调制，这种调制的类型要适合信号处理的有利型式。第53页，共109页，编辑于2022年，星期日连续激光束需要斩光才能变成脉冲激光束，高温物体的红外辐射也需要调制成脉冲光才便于测量。为此，设计出了如图3所示的调制盘，该调制盘的旋转速度为2400转/分，同时具有激光束斩光、红外辐
24、射调制这两种功能。调制盘结简图构调制盘结简图构第54页，共109页，编辑于2022年，星期日二、调制盘基本功用二、调制盘基本功用1使恒稳的光能转变成交变的光能使恒稳的光能转变成交变的光能2产生目标所在空间位置的信号编码产生目标所在空间位置的信号编码3空间滤波空间滤波抑制背景的干扰抑制背景的干扰光的调制光的调制第55页，共109页，编辑于2022年，星期日调制盘按调制方式来分类，可以分为调幅、调制盘按调制方式来分类，可以分为调幅、调频和脉冲编码式调制盘。前两种与电学上的调频和脉冲编码式调制盘。前两种与电学上的调幅和调频是一致的，即它们分别用调制信号调幅和调频是一致的，即它们分别用调制信号幅度、频
25、率的变化来反映目标的位置。脉冲编幅度、频率的变化来反映目标的位置。脉冲编码式调制盘是用一组组脉冲的频率和相位来反码式调制盘是用一组组脉冲的频率和相位来反映目标的方位。映目标的方位。三、调幅调制盘的工作原理及特性分析三、调幅调制盘的工作原理及特性分析第56页，共109页，编辑于2022年，星期日由于调幅式调制盘的信号处理系统较简单、可由于调幅式调制盘的信号处理系统较简单、可靠，其性能可以满足导引系统的要求，因此在一靠，其性能可以满足导引系统的要求，因此在一些小型空空弹和地空弹上都采用了调幅式调制盘。些小型空空弹和地空弹上都采用了调幅式调制盘。第57页，共109页，编辑于2022年，星期日2.5
26、2.5 误差信号处理电路框图误差信号处理电路框图 红外探测器输出的电信号包含了目标的位红外探测器输出的电信号包含了目标的位置信息，通常称之为误差信号。此误差信号极置信息，通常称之为误差信号。此误差信号极其微弱，且为调制信号，因此必须经过误差信其微弱，且为调制信号，因此必须经过误差信号处理电路进行放大、解调等处理以后，方可号处理电路进行放大、解调等处理以后，方可形成控制陀螺跟踪目标的进动电流及输给自动形成控制陀螺跟踪目标的进动电流及输给自动驾驶仪的控制信号以操纵导弹飞行。驾驶仪的控制信号以操纵导弹飞行。第58页，共109页，编辑于2022年，星期日红外传感器工作原理红外传感器工作原理红外线光电传
27、感器红外线光电传感器第59页，共109页，编辑于2022年，星期日1对目标误差信号进行电压放大和电流放大；对目标误差信号进行电压放大和电流放大；2对误差信号作解调变换；对误差信号作解调变换；3使导引头跟踪系统的工作不受导弹与目标间使导引头跟踪系统的工作不受导弹与目标间距离距离变变化的影响；化的影响；4.导引头捕获目标时，给射手或载机飞行员提供音响导引头捕获目标时，给射手或载机飞行员提供音响信号；信号；5.使导弹在未发射前陀螺转子轴与弹轴相重合。使导弹在未发射前陀螺转子轴与弹轴相重合。一、误差值号处理电路的功用一、误差值号处理电路的功用第60页，共109页，编辑于2022年，星期日 某型地空导弹
28、红外导引头，调制盘为调幅式调制盘，其图案如图231所示，调制盘 随陀螺转子以100转/秒的转速转动，因此调幅信号载波频率为：f=12fT=1200Hz 式中为调制盘转动频率fT，即为调制信号包络频率。二、误差信号处理电路工作原理二、误差信号处理电路工作原理第61页，共109页，编辑于2022年，星期日 2.6 2.6 红外目标跟踪系统红外目标跟踪系统 一、跟踪系统的功用一、跟踪系统的功用跟踪系统用来对运动目标进行跟踪。当目标运动时，便出现了目标相对于系统测量基准的偏离量，系统测量元件测量出目标的 相对偏离量，并输出相应的误差信号送入跟踪机构，跟踪机构便驱动系统的测量元件向目标方 向运动，消除其
29、相对偏离量，使测量基准对准目标，从而实现对目标的跟踪。第62页，共109页，编辑于2022年，星期日红外跟踪系统可以对点源目标和扩展源目标进行跟踪。红外跟踪系统与测角机构组合在 一起，便组成红外方位仪。红外跟踪系统在导弹的制导系统中应用越来越广泛。红外跟踪系统在导弹的制导系统中应用越来越广泛。红外制导最早应用于空空导弹，近三十年来在技术上不断改进.第63页，共109页，编辑于2022年，星期日美国的美国的AIM-9萨姆萨姆-7目前已出现了以美国的AIML,法国的R550等为代表的典型格斗导弹,红外地空导弹，如苏联的萨姆-7、美国的针刺型.第64页，共109页，编辑于2022年，星期日美国导弹预
30、警卫星美国导弹预警卫星红外跟踪还可用于预警探测装置中，如七十年代后开始出现的预警卫星。预警装置中的红外跟踪系统，可对入侵的飞机和弹道导弹进行捕获和跟踪，对其他测量系统和测距系统实施引导，从而测量飞行目标的相对位置和飞行轨迹。第65页，共109页，编辑于2022年，星期日“幼畜幼畜”(Maverick)AGM-65空地导弹空地导弹以美国幼畜型为代表的空地导弹采用了红外成象制导，它可在一定恶劣气候下昼夜使用。第66页，共109页，编辑于2022年，星期日二、跟踪系统的组成及工作原理1跟踪系统的组成跟踪系统的组成红外跟踪系统包括方位探测系统和跟踪机构两大部分。方位探测系统由光学系统、调制盘、探测器和
31、信号处理电路四部分组成.方位探测系统跟踪机构第67页，共109页，编辑于2022年，星期日2、跟踪系统工作原理、跟踪系统工作原理当目标位于光轴上时，方位探测系统无误差信号输出。由于目标的运动，使目标偏离光轴，系统便输出与失调角相对应的方位误差信号。该误差信号送入跟踪机构，跟踪机构便驱动位标器向着减小失调角的方向运动.qmqtq位标器位标器基准线基准线第68页，共109页，编辑于2022年，星期日 三、对跟踪系统的基本要求三、对跟踪系统的基本要求对跟踪系统的主要要求有以下四点：对跟踪系统的主要要求有以下四点：1跟踪角速度及角加速度跟踪角速度及角加速度跟踪角速度及角加速度是指跟踪机构能够输出的最大
32、角速度及角加速度。它表明了系统 的跟踪能力。第69页，共109页，编辑于2022年，星期日2跟踪范围跟踪范围3跟踪精度跟踪精度跟踪范围是指在跟踪过程中，位标器光轴相对跟踪系统纵轴的最大可能偏转范围。它由 系统使用要求提出，由系统本身结构进行限制。一般可达+30，有些竟达+65左右。系统的跟踪精度即指系统稳定跟踪目标时，系统光轴与目标视线之间的角度误差。第70页，共109页，编辑于2022年，星期日红外自动跟踪系统同其他自动跟踪系统一样，是一个闭环负反馈控制系统。为使整个系统稳定，动态性能好及稳态误差小，同时为了满足前述跟踪角速度及精度要求，则对方位探测系统的输出误差特性曲线应有一定要求。这些要
33、求是 对盲区、线性区、捕获区的要求 4对系统误差特性的要求对系统误差特性的要求调制盘特性曲线调制盘特性曲线第71页，共109页，编辑于2022年，星期日四、调制盘跟踪装置结构调制盘跟踪装置的测量元件为采用调制盘的方位探测系统。由跟踪机构驱动位标器跟踪 目标。下面介绍几种结构型式。1电机跟踪电机跟踪这种型式的跟踪装置用电动机或力矩电机作跟踪机构。光学系统、调制盘、探测器、次镜旋轨电机一起组成镜筒组合件。第72页，共109页，编辑于2022年，星期日2陀螺跟踪陀螺跟踪采用三自由度陀螺作为跟踪机构，光学系统采用三自由度陀螺作为跟踪机构，光学系统装于陀螺转子上，光轴与转子轴重合。转子高速装于陀螺转子上
34、，光轴与转子轴重合。转子高速旋转，通过转子的进动运动跟踪目标。旋转，通过转子的进动运动跟踪目标。陀螺陀螺第73页，共109页，编辑于2022年，星期日转子可绕自身轴转动，又可与内框架一起绕水平轴转过一个角度，也可以与外框架一起绕垂直轴转过一个角度，这样转子就有三个自由度，可向空间任意方向运动。第74页，共109页，编辑于2022年，星期日二、陀螺跟踪系统工作原理二、陀螺跟踪系统工作原理陀螺跟踪原理即为它的进动原理，关键是进动力矩陀螺跟踪原理即为它的进动原理，关键是进动力矩是如何产生的，以及进动力矩的大小和方向是怎样确定是如何产生的，以及进动力矩的大小和方向是怎样确定的。根据陀螺仪的结构，现就下
35、面几个问题讨论其工作的。根据陀螺仪的结构，现就下面几个问题讨论其工作原理。原理。陀螺仪结构陀螺仪结构第75页，共109页，编辑于2022年，星期日1 1进动电流的形式进动电流的形式2 2在进行电流作用下，陀螺转子的受力分析在进行电流作用下，陀螺转子的受力分析反馈式速率陀螺仪工作原理示意图反馈式速率陀螺仪工作原理示意图第76页，共109页，编辑于2022年，星期日5陀螺转子在电磁力矩作用下的运动分陀螺转子在电磁力矩作用下的运动分析析陀螺仪原理图陀螺仪原理图第77页，共109页，编辑于2022年，星期日3求转子转动一个周期内转子受到的平均电求转子转动一个周期内转子受到的平均电磁力矩磁力矩4在平均力
36、矩作用下转子的运动在平均力矩作用下转子的运动陀螺的进动陀螺的进动第78页，共109页，编辑于2022年，星期日.7.7 十字叉及十字叉及L L型系统型系统 十字叉及L型系统，是指探测器排列成十字叉型或L型的方位探测系统。而十字叉系统与L型系统工作原理基本相同。因此以下着重叙述十字叉系统的基本工作原理，对L型系统只指出其与十字叉系统的不同特点。十字叉跟踪目标图十字叉跟踪目标图第79页，共109页，编辑于2022年，星期日一、结构组成情况一、结构组成情况十字叉系统由光学系统，探测器及信号处理电十字叉系统由光学系统，探测器及信号处理电路三大部分组成。光学系统可为反射式、折射式路三大部分组成。光学系统
37、可为反射式、折射式或折反式，其工作方式为圆锥扫描式，在象平面或折反式，其工作方式为圆锥扫描式，在象平面上产生象点扫描圆。象平面上放置十字型探测器上产生象点扫描圆。象平面上放置十字型探测器阵列，目标象点以圆的轨迹扫过十字形探测器列阵列，目标象点以圆的轨迹扫过十字形探测器列阵。阵。第80页，共109页，编辑于2022年，星期日二、目标位置信号的形式二、目标位置信号的形式 当目标位于光轴上时，扫描圆中心与十当目标位于光轴上时，扫描圆中心与十字叉探测器阵列中心重合，各通道信号脉冲字叉探测器阵列中心重合，各通道信号脉冲等间隔。当目标不在光轴上，产生的信号脉等间隔。当目标不在光轴上，产生的信号脉冲不等间隔
38、出现。随着目标偏离光轴的大小冲不等间隔出现。随着目标偏离光轴的大小和方向不同，信号脉冲出现的时间先后及脉和方向不同，信号脉冲出现的时间先后及脉冲间隔都不相同。显然十字叉探测系统的位冲间隔都不相同。显然十字叉探测系统的位置信号为脉冲位置调制信号，简称脉位调制置信号为脉冲位置调制信号，简称脉位调制信号。信号。第81页，共109页，编辑于2022年，星期日三、基准信号形式三、基准信号形式次反射镜转动电机次反射镜转动电机驱动次镜旋转的同时，驱动次镜旋转的同时，带动基准信号发生器转带动基准信号发生器转动，基准信号发生器为动，基准信号发生器为两个两个 旋转变压器，分别旋转变压器，分别产生相位相差的两个基产
39、生相位相差的两个基准电压。准电压。主镜主镜基准信号产生器基准信号产生器探测器探测器驱动电机驱动电机次镜次镜第82页，共109页，编辑于2022年，星期日四、影响测角精度的因素1光学系统的影响光学系统的影响光学系统的分辨率，即弥散圆的大小，直接光学系统的分辨率，即弥散圆的大小，直接影响信号脉冲的宽度和形状，它将直接影响采样影响信号脉冲的宽度和形状，它将直接影响采样输出波形相对于基准信号的位置，因而也就影响输出波形相对于基准信号的位置，因而也就影响最后输出的直流误差电压的大小。为保证一定的最后输出的直流误差电压的大小。为保证一定的测角精度，通常取元件的宽度为光学系统弥散圆测角精度，通常取元件的宽度
40、为光学系统弥散圆直径的直径的1 13 3倍。倍。弥散圆弥散圆第83页，共109页，编辑于2022年，星期日2扫描电机稳定性的影响扫描电机稳定性的影响次镜旋转电机转速的稳定性以及它本身的次镜旋转电机转速的稳定性以及它本身的晃动，都影响测角误差。因此对电机的转速稳晃动，都影响测角误差。因此对电机的转速稳定性有一定要求，对轴向串动、径向跳动误差定性有一定要求，对轴向串动、径向跳动误差都有一定的限制。都有一定的限制。轴承对称安装行扫描电机示意图1.多面体棱；2.定子；3.轴；4.轴承。第84页，共109页，编辑于2022年，星期日3红外探测器制做误差的影响红外探测器制做误差的影响红外探测器阵列每一臂窄
41、边(即长边)互相不平行或每一窄边呈锯齿状，以及同一通道两探测器不在一条直线上或两通道探测器互相不垂直等，也都直接影响测量精度。4基准信号的影响基准信号的影响基准信号本身波形失真，两通道基准信号相位差偏离的误差也影响测角精度。第85页，共109页，编辑于2022年，星期日五、L型系统的特点L L型方位探测系统，是指探测器阵列排列成型方位探测系统，是指探测器阵列排列成L L型，型，L L型系统的目标信号形式、基准信号形式以型系统的目标信号形式、基准信号形式以及方位误差信号提取的原理都与十字叉系统及方位误差信号提取的原理都与十字叉系统 相同，相同，区别仅在于，光点转动一周一个通道内只产生一区别仅在于
42、，光点转动一周一个通道内只产生一个脉位调制脉冲，因此对基准信号一个周期内只个脉位调制脉冲，因此对基准信号一个周期内只采样一次。采样一次。第86页，共109页，编辑于2022年，星期日哈特曼（Hartman）光栏 哈特曼哈特曼（Hartmann,Johannes Hartmann,Johannes FranzFranz）德国天文学家。德国天文学家。1904 1904年，他研究了猎户座年，他研究了猎户座星的星的光谱，哈特曼得出了这样的结论：光谱，哈特曼得出了这样的结论：存在着以尘埃或气体形式出现的星存在着以尘埃或气体形式出现的星际物质，其中包含着钙；在恒星与际物质，其中包含着钙；在恒星与地球之间的
43、遥远距离上，这种气体地球之间的遥远距离上，这种气体和尘埃吸收的光多得足以产生可探和尘埃吸收的光多得足以产生可探测的暗光谱线。这是存在着星际物测的暗光谱线。这是存在着星际物质的第一个征兆质的第一个征兆。返回返回第87页，共109页，编辑于2022年，星期日红外光学系统1.26米红外望远镜。米红外望远镜。R-C光学系统，口径为光学系统，口径为1.26米，米，焦比焦比f/30。利用副镜摆动技术可以。利用副镜摆动技术可以从很强的天空背景光中探测出微从很强的天空背景光中探测出微弱的红外天体辐射，于弱的红外天体辐射，于1986年在北年在北京天文台投入观测。京天文台投入观测。1989年获中科院科技进步一等年
44、获中科院科技进步一等奖奖,1991年获国家科技进步二等奖。年获国家科技进步二等奖。返回返回第88页，共109页，编辑于2022年，星期日棱镜 棱镜是透明材料（如玻璃、水晶等）做成的多面体。在光学仪器中应用棱镜是透明材料（如玻璃、水晶等）做成的多面体。在光学仪器中应用很广。棱镜按其性质和用途可分为若干种。很广。棱镜按其性质和用途可分为若干种。例如，在光谱仪器中把复合光分解为光谱的例如，在光谱仪器中把复合光分解为光谱的“色散棱镜色散棱镜”，较常用，较常用的是等边三棱镜；在潜望镜、双目望远镜等仪器中改变光的进行方向，的是等边三棱镜；在潜望镜、双目望远镜等仪器中改变光的进行方向，从而调整其成像位置的称
45、从而调整其成像位置的称“全反射棱镜全反射棱镜”，一般都采用直角棱镜。，一般都采用直角棱镜。返回返回第89页，共109页，编辑于2022年，星期日象差象差（aberration）象差指透镜或反射镜所呈的像与原物面貌并非完象差指透镜或反射镜所呈的像与原物面貌并非完全相同的现象。造成球面象差的原因是由于一点光全相同的现象。造成球面象差的原因是由于一点光源发散的光线被分聚在不同的点上的缘故。色彩象源发散的光线被分聚在不同的点上的缘故。色彩象差的原因是透镜的折光指数随光波的长短而变化，差的原因是透镜的折光指数随光波的长短而变化，从而引起象的边缘呈现色彩。从而引起象的边缘呈现色彩。返回返回第90页，共10
46、9页，编辑于2022年，星期日弥散圆弥散圆 Circle of ConfusionCircle of Confusion 又译为弥散圈、弥散环、散光圈又译为弥散圈、弥散环、散光圈,模糊圈模糊圈;散射圆盘散射圆盘物点成像时，由于像差，其成像光束不物点成像时，由于像差，其成像光束不能会聚于一点，在像平面上形成一个扩散的能会聚于一点，在像平面上形成一个扩散的圆形投影，成为弥散圆。圆形投影，成为弥散圆。如果此圆形足够小，肉眼依然可被视为点如果此圆形足够小，肉眼依然可被视为点的合焦成像。这个可以被接受的最大直径被的合焦成像。这个可以被接受的最大直径被称为容许弥散圆直径。称为容许弥散圆直径。返回返回第91
47、页，共109页，编辑于2022年，星期日Airy(1801-1892)BACK第92页，共109页，编辑于2022年，星期日外光电效应效应外光电效应效应 金属或半导体受光照时，如果入射的光子能量h足够大，它和物质中的电子相互作用，使电子从材料表面逸出的现象。它是真空光电器件光电阴极的物理基础。第93页，共109页，编辑于2022年，星期日光电效应光电效应在光的照射下，使在光的照射下，使物体中的电子脱出的现物体中的电子脱出的现象叫做光电效应象叫做光电效应(Photoelectriceffect)。下页外光电效应的两个定律下页外光电效应的两个定律第94页，共109页，编辑于2022年，星期日外光电
48、效应的两个基本定律外光电效应的两个基本定律1光电发射第一定律光电发射第一定律斯托列托夫定律：斯托列托夫定律：当照射到光阴极上的入射光频率或频谱成分不变时，饱和当照射到光阴极上的入射光频率或频谱成分不变时，饱和光电流（即单位时间内发射的光电子数目）与入射光强度成光电流（即单位时间内发射的光电子数目）与入射光强度成正比：正比：Ik=SkF0Ik：光电流：光电流Sk：光强：光强F0：该阴极对入射光线的灵敏度：该阴极对入射光线的灵敏度返回返回下一页下一页第95页，共109页，编辑于2022年，星期日2光电发射第二定律光电发射第二定律爱因斯坦定律爱因斯坦定律光电子的最大动能与入射光的频率成正比，而与光电
49、子的最大动能与入射光的频率成正比，而与入射光强度无关：入射光强度无关：Emax=(1/2)m2max=h-h0=h-AEmax：光电子的最大初动能。：光电子的最大初动能。h：普朗克常数。：普朗克常数。0：产生光电发射的极限频率，频率阈值。：产生光电发射的极限频率，频率阈值。A：金属电子的逸出功：金属电子的逸出功入射光子的能量至少入射光子的能量至少要等于逸出功时，才能发生光电发射。要等于逸出功时，才能发生光电发射。返回返回第96页，共109页，编辑于2022年，星期日阿尔伯特阿尔伯特爱因斯坦爱因斯坦AlbertEinstein1879年年3月月14日出生于德国乌尔姆日出生于德国乌尔姆1955年年
50、4月月18日日逝世于美国普林斯顿，著名理论物理学家，相对论的逝世于美国普林斯顿，著名理论物理学家，相对论的创立者，创立者，1921年诺贝尔物理学奖获得者。年诺贝尔物理学奖获得者。1905年，爱因斯坦在科学史上创造了一个史无前例奇迹。年，爱因斯坦在科学史上创造了一个史无前例奇迹。这一年他写了六篇论文，在三个领域做出了四个有划时代意这一年他写了六篇论文，在三个领域做出了四个有划时代意义的贡献，他发表了关于光量子说、分子大小测定法、布朗义的贡献，他发表了关于光量子说、分子大小测定法、布朗运动理论和狭义相对论这四篇重要论文。运动理论和狭义相对论这四篇重要论文。爱因斯坦爱因斯坦返回返回第97页，共109