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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。
l 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。

l 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。
l 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：
l 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。
l 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
l 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。
l 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。
l 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。
l 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。
l 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。
l 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：
l 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。
l 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。
l 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。
l 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，物平面上的一点对应着象平面上一个确定点。

目标和像点在物平面和象平面上的位置，用极坐标表示，分别为和。望远光学系统的象平面位于焦平面上，则

4－1

为光学系统的像方焦距；
为平面内像点至点距离，称为像点偏离量；
为像点方位角；
为失调角，它是视线与光轴的夹角，它的大小反映了目标偏离光轴的大小。
像点的位置反映了目标偏离光轴的大小和方位。

1.4调制盘的分类
按照扫描方式可分为旋转式、圆锥扫描式和圆周平移式三类。
l 旋转式调制盘
调制盘本身以一定的角速度旋转运动。当目标位置—定时，像点在调制盘上的位置就固定不动。目标位置变化，像点在调制盘上的位置亦发生相应的变化，调制盘输出包含了目标方位信息并进行了空间滤波。
l 圆锥扫描调制盘
调制盘不动，光学系统的扫描机构运动，使得当目标在空间某位置时，光点（即日标像点）在调制盘上以—定的频率做圆周运动，其轨迹为一中心在不同位置的圆，即扫描圆。
l 圆周平移调制盘
调制盘不旋转，调制盘中心绕光学系统中心做同圆周平移。调制盘平移—周，光点在调制盘上扫出一个圆，该圆偏离调制盘中心的大小和方向，与目标偏离光轴的大小和方向相对应。
调制盘按照调制方式来分，上述每一类又可分为调幅式、调频式、调相式和脉冲编码式四种。

2、结构组成
采用调制盘作为位置编码器的方位探测系统，其结构组成原理如图所示：

这种方位深测系统各部分的结构型式，都与调制盘的类型有关。

3、调幅式调制盘系统
3.1日出式调制盘
日出式调制盘是调幅调制盘中较简单的一种，其图案形式如图所示。上半圆为目标调制区，下半圆为半透区。

调制盘置于光学系统的焦平面上，调制盘中心O位于光轴上，调制盘绕中心O转动。
假定像点位于图（a）中的M点不动，若像点的大小比扇形条尺寸小得多，就形成了如图（b）所示的脉冲信号波形。
（1）调制信号与像点偏离量的关系
如果不能忽略像点的大小，像点由调制盘中心向外移动时，如图所示，在位置A、B、C时，得到不同脉冲信号。

像点由中心向外作径向移动时，出现幅度调制。根据调制盘输出辐射功率脉冲的大小，就可以确定像点的径向位置。
l 调制深度
如图所示，像点的偏离量为，方位角为。像点上辐射照度均匀分布，像点总面积为，像点上一部分辐射功率透过调制盘，其面积为；像点上一部分辐射功率不能透过调制盘，其面积为。与成正比，而与成正比。

当调制盘旋转时，透过调制盘的辐射功率就在与之间周期性地变化。此时调制盘输出的有用的调制信号应为，它与成正比。
为了表示像点辐射功率被调制的程度，特引入调制深度的概念，表征目标辐射通量中被调制部分所占的比例，表示为

式中，为像点总功率，它与像点的总面积成正比。
说明：
假定目标像点的面积不变，则随着像点偏离量增大，调制深度将逐渐增大，此时，调制信号的幅值也逐渐增大。反之，当减少时，值也将减少，调制信号的幅值也减少。即。可以用有用调制信号的幅值来表示像点偏移量的大小。
若像点的面积为变值，则调制深度将随着及两个参数变化，即

像点面积实际上在整个视场范围内是变化的，如果能控制像点的面积使其随偏离量按一定规律变化，如，则

（2）调制信号与像点在调制盘上的方位角之间的关系。
日出式调制盘，图案有明显的分界线，令这一分界线Ox为起始坐标线，见图所示。

当日标像点偏离Ox不同方位角时，所得调制波包络的初相角不同，因此可以用包络的初相角来反映目标的方位。
基准信号的产生有多种方法。

（3）空间滤波
由于红外系统要保证一定的视场，就不可避免地引入背景辐射干扰，如地物、云层的辐射和太阳反射散射等。系统中设置的调制盘可以大大地抑制这些背景干扰，提高系统的信噪比。
若有面积比目标大得多的背景进入视场，则它在调制盘上所成的像会覆盖多个扇形(如图)。
背景不会造成有用信号输出。这就是调制盘的空间滤波作用——抑制大面积背景。

若有面积不甚大的背景出现在上述调制盘边缘区域，如图，

“响尾蛇”AIM－9B导弹所用
则仍可产生调制信号，对目标信号形成干扰。为进一步抑制背景，改进为“棋盘格”式调制盘。
为提高抗干扰能力，从中心到边缘，“棋盘格”的径向宽度逐渐减小，但各“格”的面积相同。

（4）调制特性分析
红外系统在捕获目标、跟踪目标的过程中，目标像点通常具有一定的偏离量，目标的偏离量常常以失调角表示。失调角与有用调制信号之间的关系曲线称为调制曲线。

OE区域：
目标处于光轴上或处于光轴附近很小的区域时，像点透过的面积和不透过的面积几乎相等，调制深度很小，有用信号很小，小于噪声，此时系统输出电压大小取决于噪声值，因而调制曲线出现变化比较平缓的一个区域。
EF区域：
继续增加，调制深度也随之迅速增加，有用信号值也增加，调制曲线出现线性上升区。
FG区域：
继续增加，进入棋盘格区。由于该区每一环带宽度随增加逐渐变窄，则调制深度随增加显著下降，即有用信号值下降，调制曲线出现下降区。
像点在跨越径向环带的分界处时，有用信号值将显著下降，因此实际在调制曲线的下降段还会有许多很窄的凹陷区。
l 决定调制曲线形状的因素
1）调制盘本身图案形式的影响
同样的像点，同样的偏离量，调制图案不同时，像点透辐射面积和不透辐射面积也不相同，因而调制深度不相同。调制曲线形状，即盲区大小、线性上升区的宽度和斜率、以及下降区的宽度和斜率等都会发生变化。
2）像点大小及其变化规律的影响
任何一个光学系统，在整个视场内像点的大小和形状都是变化的，它按一定的象差规律变化。因此，当调制盘图案不变，而像点大小随视场角的变化规律不同时，调制曲线形状也不相同。
3）距离的影响
对于给定目标，当目标与系统之间的距离变化时，使得像点大小和像点能量同时发生变化。在距离较远时，能量变化因素的影响较强，像点面积影响较弱，因而随着距离减小，有用信号值的增加是主要的，则调制曲线的斜率增大。当距离很近时，像点面积变大而起的作用占主导地位，使调制深度降低，有用信号减小，调制曲线斜率降低。

3.2光点扫描式调制盘
也称圆锥扫描式调制盘。工作时，光点扫描式调制盘本身不动，由光学系统的专用机构（偏轴次镜或光楔）旋转做圆锥扫描，使目标像点在调制盘上做圆周运动，得到一光点扫描圆，被调制盘所斩割，输出调制信号,如图所示。

下图为光点扫描式调幅调制盘的一种图案。里面的图案是根据空间滤波的考虑设计的，故各环带上的黑白面积应尽量相等；外圈三角形的数目根据所选择的载波频率和光点扫描频率来确定。

“尾刺”地空导弹所用
（1）误差信号的产生
如上图，当目标位于A、B、C时，经过滤波后得到如下图的波形：

目标在光轴时，输出为等幅波，此时包络信号为零，没有交流部分，即无有用信号输出。
目标偏离光轴时，由调制盘出射的光脉冲包络信号不为零，即产生了误差信号。
l 误差信号来源
a.像点调制深度的影响
假定像点大小不变，像点上能量均匀分布。如图，当像点从三角形中部移向根部时，调制深度增加，则载波信号电压幅值增加；移向尖部时，调制深度减小，载波信号电压幅值减小。

b.载波波形的影响
假定各点的调制深度D都相同， A、B、C各点对应的像斑能量密度不同——由A至C逐渐减小,如图所示。

由此可见，各点的波形不同。由于波形不同，其载波基波分量的幅值也不相同，经滤波后，载波的幅值就不相同。显然，像点从三角形中部移向根部时，波形从梯形波变成三角波，载波电压幅值增加；像点移向三角形尖部时，从梯形波变成间隔更小的梯形波，载波电压幅值下降。

c.载波频率变化的影响
所谓载波频率，即载波每秒钟变化的次数。

光点扫描的角速度是一定的，而扫描圆的大小又不变，因为扫描圆的线速度也是一定的。因而，当光点移向三角形根部时，载波频率升高，光点移向三角形尖部时，载波频率降低。

（2）调制信号与目标像点位置之间的关系
l 偏离量与调制信号
目标偏离光轴一失调角以后，扫描圆中心相应地偏离调制盘中心，光点也就偏离了三角形中部。当扫描圆在三角形区域内移动时，包络的幅值随偏离量增大而增大，所以三角形区对应于调制曲线的上升段。
当目标的偏离量再继续增大，这样光点转动一周时间内，有时有光脉冲输出（上半圆），有时无光脉冲输出（下半圆），这种情况称为单边调制。单边调制情况下，随着偏离量增大，调制光脉冲数目减少。单边调制时的包络幅值较三角形区调制的包络幅值有所下降，随着偏离量的继续增大，包络幅值下降得更严重，所以三角形以内的区域对应了调制曲线的下降段。
l 方位角与调制信号
当目标偏离的方位角为任意角时，则扫描圆中心偏离调制盘中心的方位角亦为角，这时载波的包络信号也具有初相角。将包络信号检出，与基准信号相比较，所得的相位差即为目标在空间的方位角。

（3）调制曲线及其影响因素
光点扫描式调制盘的调制曲线形状通常如图所示，它只包含上升段及下降段，r为上升区宽度，(a-r)为下降区宽度，上升区宽度比较窄，下降段斜率较大。
决定上升区宽度的因素是外圈三角形的高度和光学系统的焦距，设三角形高为，光学系统焦距为，则上升区宽度为

影响上升段斜率的因素是三角形的形状，短粗三角形对应的调制曲线上升段的斜率大；细长的三角形，虽然可以得到较宽的上升区，但上升段的斜率却不大。
下降段对应了三角形以内的区域，光点扫到此区域时．载波波形及载波频率都相对三角形区变化较大，因此包络幅值下降很快。

（3）特色
优点：
ü 一是调制曲线无盲区，斜率大，线性区窄，使系统的灵敏度高，因此多用于跟踪精度要求较高的系统；
ü 二是实际工作的有效现场大，比由调制盘图案决定的视场扩大了近一倍。如图所示。也就是说，要求有效视场相同的情况下，采用此种调制盘时，调制盘尺寸可以比采用日出式调制盘小得多。

缺点:
ü 空间滤波特性比日出式调制盘要差，因为在圈三角形区，透明和不透明栅格面积相差很大，在三角形内部有些地方透明和个透明分格连在一起，造成分格不均匀，这就便大面积像点在一个旋转周期内的透射比不均匀，因而空间滤波性能大降。
ü 当目标偏离时，载波频率变化较大，信号频谱变宽，给电子线路设计带来了麻烦。
4、调频式调制盘系统
4.1旋转调频式调制盘
对基频信号进行频率调制同样可以获得目标的方位及偏差信号，并起到空间滤波的作用。

（1）图案及调制波形
如图所示为一种旋转调频调制盘。整个调制盘划分为三层环带，各层环带中黑白相间的扇形分格从内向外为8、16、32。每层环带扇形角度分格大小也是不均匀的，系沿圆周基线OO’起按正弦规律变化。

英国早期“天空闪光”空空导弹所用
目标像点与盘心距离增大时，经调制后输出辐射脉冲的平均宽度就变窄。如目标像点位于图(a)中外层P处，方位角为，则经调制后辐射脉冲波形如图(b)所示。

（2）方位提取
图中矩形脉冲频率在调制盘的一个旋转周期内呈正弦规律变化，用公式表示为

式中，为目标像点辐射功率；为像点所处环带内黑白扇形分格完全均匀的，所对应的载波角频率；为调制盘的旋转角频率；为与像点所处环带扇形角度分格大小的变化范围相应的调制系数，（即像点所处环带内最大偏频与调制盘频率之比）； 为目标像点的方位角。
由于各环带内黑白扇形分格数目不等，因而不相同；同时不同环带内的最大频偏不同，所以不同环带内的调制系数也不相同，即与都是像点偏离量的函数。
对任一环带，上式又可写成下列一般表达式

式中、分别为与偏离量相对应的角频率、调制系数。
这种调制辐射功率经探测器转换成脉冲电压，再经放大，鉴频后可变换成正弦电压。此正弦电压与基准电压信号的相位差，即为目标方位角。正弦电压信号的幅值由、 决定，这样，就可用和配合起来反映目标偏离量的大小，并可用初相角表示目标的方位。
上图所示的调制盘只有三个环带，如欲使信号能较精确地反映目标偏离的情况或使信号能满足特定的调制曲线的要求，则环带数可以增加。环带中的角度分格也可按不同的要求来安排。

（3）特点（与调幅式比较）
ü 调制效率高，在考虑最佳信噪比情况下，这种调制盘的调制效率最高可达0.822，这较之调幅式系统高得多；
ü 抗干扰能力强，这是由于调频信号的处理线路能较好地抑制噪声；
ü 由于各环带角度分格不均匀，使得这种调制盘的空间滤波能力不够理想。
ü 和其它调频调制盘一样，这种调制盘系统的电子处理线路较复杂。

（4）其他类型
图示是另一种旋转调频调制盘。整个调制盘沿着半径方向分成四个环带，每一环带又分成若干个黑白扇形格子，同一环带内的黑白格子所对应的扇形角度相等，每一环带内的扇形黑白格子的数目随径向距离而变化。由内向外每增加一个环带，扇形黑白格子数目增加一倍。

目标位置一定，则像点处于调制盘上某固定位置。调制盘旋转，当像点在A时，产生的脉冲数目为像点处于B点时的脉冲数目的一半，因而像点由某环带移到相邻的外边一个环带时，调制频率便升高一倍。因此，可根据调制频率的变化决定目标的径向位置。但这种调制盘却不能反映目标的方位角，原因是同一环带内扇形分格间距相等，处于同一环带内不同方位角的像点，调制频率都相同。

4.2圆锥扫描调频调制盘
前述的两种旋转式调频调制盘，当目标处于同一环带内不同径向位置时，输出信号的幅值相同，所以它们不能反映目标偏离量的连续变化情况。
图所示的扇形辐条式调制盘，则可以连续地反映目标的偏离量。

调制盘置于光学系统焦平面上，且不运动，光学系统通过次镜偏轴旋转作圆锥扫描，在调制盘上得到一个光点扫描圆。
当目标位于光轴上时，光点扫描圆的圆心与调制盘中心重合，信号波形如图b所示，载波频率为一常值，如图C所示，无误差信号输出。
当目标偏离光轴时，扫描圆中心偏离调制盘中心，此时，光点扫描一周扫过扇形辐条的不同部位，扫描轨迹靠近调制盘中心那部分，载波信号频率升高，扫描轨迹远离调制盘中心部分，载波信号频率降低，光点扫描一个周期内，载波频率不等，便产生了调频信号，如图d所示，其瞬时频率的变化情况如图e所示。调频信号通过鉴频后与基准信号相比较，便可以确定目标的偏离量和方位角。

AIM-9L导弹所用

4.3圆周平移扫描调频调制盘
前述的圆锥扫描调频调制盘，其优点是调制特性曲线无盲区，如用于测角或跟踪系统时，其测角精度和跟踪精度较高。主要缺点是，采用次镜偏轴旋转的方式来产生光点扫描圆，光学系统始终工作在偏轴状态下，因此光学系统的成象质量较差。
若采用调制盘绕光轴作圆周平移的扫描方式，则可以在光学系统共轴（无倾斜和旋转部件）情况下，产生与上述圆锥扫描相同的扫描效果（即在调制盘平面上产生光点扫描圆，且光点扫描圆中心位置随目标像点在视场内偏离大小和方位而变化）。
圆周平移扫描与次镜偏袖旋转的圆锥扫描调频调制盘，只是扫描方式不同，误差信号产生的原理及解调方式均相同。

（1）工作原理
调制盘中心始于A点，系统的视场范围对应在调制盘下部; 当调制盘按图示方向章动，使其中心先后在B、C、D点时，则系统的视场范围噩依次处于调制盘右部、上部和左部；调制盘章动一周时，其中心回到A点，系统的视场范围也回至调制盘下部。
假定调制盘不动，则视场范围相对调制盘的位置如图(c)所示。从相对位置而言，(c)、( b)是等效的。
由于章动的特性，当视场所决定的圆(图中划阴影线的部分)绕调制盘中心A章动一周时，视场内任一点的轨迹都是半径为AM的圆。
当目标在光轴上时，其像点M（见图(b) (c)]在视场中心，章动使M沿M→M1→M2→M3→M轨迹扫出如(c)所示的虚线圆。调制盘输出的等幅、等宽、等间隔短形脉冲序列，如图(a)所示。

对应的载波频率为一恒量。 这与前面圆锥扫描之视场中心的像“点”所表现出来的情况完全一样。
若目标偏离光轴到极限位置，且其像“点”位于视场范围最下方的M'（见图(d)）。章动一周时， M'沿图中M'l→M'2→M'3→M'方向扫出半径也为AM的圆，但圆心在A点的正下方，成为一个偏心圆(如虚线所示)。这种偏心导致章动一周过程中，载波频率不断变化，如图(b)所示。
若目标像“点”在图(d)中M"点，连线AM"与AM'有夹角ψ，则在调制盘章动一周的过程中，M"点将扫出圆心在连线AM"上、半径亦与线段AM 相等的圆，如图(d)中双点划线所示。由于M"所处方位与M'不同，故与之相应的载波波形与M'的也不一样，如图(c)所示。
调频波经过鉴频并与基准信号比较，就可得到目标失调角和方位角。
（2）特色
实用表明，章动调制盘除了无“盲区”、可用于高精度跟踪等优点之外，与圆锥扫描相比，它还有以下特色:
ü 次镜不偏轴，整个光学系统为共轴系统，且无运动部件，因此成像质量好。
ü 所采用的探测器小得多，原因是，若不用场镜进行二次聚焦，圆锥扫描的探测器要做成与调制盘同样大小，而圆周平移扫描的探测器则只要做成与象平面上的视场面积一样大小，通常视场比调制盘小，探测器面积减小，噪声降低，提高了系统探测灵敏度，增加了作用距离。
ü 圆周平移扫描与圆锥扫描相比的缺点是，圆周平移扫描运动的实现方法较复杂些。

«调幅与调频调制盘的比较
ü 调频调制盘对目标能量的利用率高，抗干扰能力强，因而探测距离较远。但信号带宽较宽，信号处理系统较复杂（必须采用鉴频器）。
ü 调幅调制盘最大的缺点是目标能量利用率低，抗干扰能力铰弱，但它的信号处理电路却比较简单（采用包络检波的解调方法），因而系统工作稳定、可靠。

5、调相式调制盘
图示的是一种简单的调相式调制盘。目标像点聚焦在旋转着的调制盘上，用透过辐射脉冲串的相位信息，去标识目标的径向位置。

当像点位于小于的一根辐条上，则得到图a所示的波形。若像点位于同一根细条大于的位置上，则波形与a类似，但相位与a相差l800，如图c所示。若像点正好处于分界线上，得到图b所示的波形，这是由于凋制盘转动的一个周期中，像点能量始终只有一半被调制扇形区调制，因而其幅度为a、c波形的一半。很显然，这种调制盘只能给出目标沿径向处于“界外”、“压线”、“界内”的信息，而无法表示偏离量的具体大小，也不能反映目标偏离的方位角。
调相体制很少单独使用，因为它不能全面反映目标的位置。

6、脉冲调宽式调制盘
图示是一种脉冲调宽式调制盘，白色为全透射区，黑色为不透射区。调制盘绕中心O旋转，目标像点不动。当目标像点位干中心O附近时，则透射辐射所产生的波形如图a所示；而当目标像点靠近调制盘边缘时，形成如图b所示的波形。由图可见，当目标像点沿径向偏离中心时，透射辐射脉冲的周期T不变，而脉冲宽度逐渐变大，则脉冲占空比增大。在脉冲占空比的变化中，包含了目标沿径向偏离光袖的位置信息。

对于图示的调制盘形式，脉冲宽度的变化只能反映目标像点径向偏离量的大小，而不能反映目标的方位。因此，脉冲调宽体制往往与其他调制形式综合起来反映目标的位置。

三、十字叉及L型系统
所谓十字叉及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。它们不采用调制盘，因此其工作原理与调制盘系统截然不同。而这两种系统工作原理基本相同。

1、机构组成情况
十字叉系统由光学系统、探测器及信号处理电路三部分组成。光线系统可采用反射式、透射式或折反式，其工作方式为圆锥扫描式，在像平面上产生光电扫描圆。像平面上放置由四元探测器构成的十字型阵列，目标像点以圆的轨迹扫过十字型探测器阵列。

2、目标位置信号的形式
上下两探测器和为方位通道误差信号敏感元件，左右方向的和为俯仰通道误差信号敏感元件。
像点在十字叉型探测器阵列上作圆形扫描，像点扫过每个探测器的瞬间，就使光导探测器的电阻值发生变化，造成同一通道的两个元件或的电阻值形成瞬间的不平衡，这样在每一通道元件的输出端引起相对于地的电位瞬间变化而产生正、负极性的脉冲信号。
3、基准信号形式
次反射镜转动电机驱动次镜旋转的同时，带动基准信号发生器转动，基准信号发生器为两个旋转变压器，分别产生相位差90o的两个基准电压，电压按照余弦形式变化，基准信号的频率与光电扫描频率严格同步。

4、方位信息的提取
十字叉探测器信号处理电路原理如图所示:

处理电路各点波形示意图为：

5、特色
十字叉系统与调制盘相比，突出的优点是：
ü 无调制盘，无二次聚焦系统，因此目标能量利用率高；
ü 误差特征曲线在整个视场范围内都是线性的，线性度高；
ü 该系统理论上没有盲区，测角精度高。
主要的缺点是：
ü 没有调制盘所具有的空间滤波性能；
ü 系统电子带宽较宽，探测器噪声大；
ü 若做成多元十字叉探测器较困难。

6、抗背景干扰的措施
在不减小系统瞬时视场的前提下，可以采用目标位置实时波门跟踪器，即实时“选通”门电路，滤去视场内的背景，但它不能滤去极靠近目标周围的背景辐射。
从提高系统灵敏度的角度出发，为减小探测器单元面积，可把十字形探测器的每一臂做成多元，以提高系统的信噪比。此时可将多元探测器每两两相邻的元件做成正负相减元件，这也可以达到抑制大面积背景干扰的目的。这种方法称为“面积相减技术”。

7、影响测角精度的因素
1）光学系统的影响。弥散圆的大小会影响信号脉冲的宽度和形状，它直接影响对基准信号的采样，也就影响最终输出的误差信号。
2）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晃动，都影响测角误差。
3）红外探测器制作误差的影响。红外探测器阵列每一臂长边相互不平行或窄边有锯齿，及同一通道的两个探测器不在同一直线上或两通道的探测器相互不垂直等，都会影响测角精度。
4）基准信号的影响。基准信号波形失真，两通道基准信号相位差偏离90o的误差也影响测角精度。
5）电路相移的影响。目标信号或基准信号通过电路时所产生的相移，直接影响目标脉冲与基准信号的相对位置，故也影响测角精度。
通过采取措施，十字叉系统的测角精度可以达到秒级。

四、L型系统
L型方位探测系统，是指探测器阵列排列成L形，如下图所示：

美国“陶”（TOW）式反坦克导弹所用
1、信号形式
L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相同。区别仅在于，光电旋转一周，一个通道内只产生一个脉位调制脉冲，因此对基准信号只采样一次。
2、测量精度
十字叉系统由于一周采样两次，因此当基准波形不对称时，波形的局部误差、相位差、取样脉冲宽度等都会造成取样误差，降低测量精度。
L型系统每周采样一次，克服了上述几种误差的影响，因而L型系统的测量精度更高。

3、视场大小
当光学系统视场大小相同的情况下，L型和十字型探测器的每臂长是不同的。为保证不丢失目标，L型探测器一个臂的长度要等于光学视场的直径，而十字型系统的一个臂长只需为视场直径的一半。
如果视场大，又采用多元相减技术，则必然使L型探测的基片尺寸太大，每臂元数多，使多元的均匀性难以保证，器件性能下降。
为克服上述缺点，又充分发挥L型系统测量精度高的优势，有些红外探测系统做成两种视场，大视场时主要要求捕获能力高，精度要求是次要的，因此采用十字型探测器；小视场时测量精度要求是主要的，因此采用L型探测器。

五、玫瑰线扫描系统
图示是一种可以实现多种像“点”扫描运动的系统示意。它由平行光路中的两旋转光楔、物镜、探测器组成。

1、扫描图案
若以光轴为x轴， x-y平面为子午面，组成xyz右手直角坐标系，并设光楔对光线的偏折角为A（两光楔材料一样，楔角相同），各自绕x轴以圆频率ω1、ω2旋转，则总的光线偏折角可沿y、z轴分解为

选择光楔的转动方向和转速，可使光轴上的探测单元在物空间按人们所要求的轨迹扫描。例如，令

则有

若用极坐标表示，则不难证明

显然，这就是花瓣长度为2A的四叶玫瑰线。

2、实现方案
图示是采用反射镜反向旋转实现玫瑰线扫描的方案示意。其中主镜、次镜相对于一般意义上的“光轴”各自倾斜一个不大的角度，且倾角大小一样，但符号相反；主镜、次镜分别绕系统“光轴”反向旋转。选择二者转速，可产生如图所示的由N个花瓣组成的扫描图案——多叶玫瑰线。

3、特色
在这种方案中，视场中心是各叶扫描线的交会处，故每帧有2N次脉冲提供目标的位置信息。当目标偏离视场中心后，每帧至少有一次脉冲提供其位置信息。这也是玫瑰线扫描系统比采用调制盘的系统优越之处——对采用调制盘者，不论目标成像于调制盘上何处，每帧都只有一次提供目标的位置信息。
采用玫瑰线扫描的系统具有很小的瞬时视场(例如，可使它与最远工作距离对应的目标张角相当) ，因而可使用很小的探测器。由于探测器噪声与其面积的平方根成正比，故有利于减小噪声。同时，小面积探测器制作容易，有利于降低成本和提高成品质量；小型探测器便于制冷，也是使信噪比提高的因素之一。
当然，小的瞬时视场对应着窄的脉冲宽度，相应的要求是电子线路带宽扩大，这就增加了电子系统的噪声。但这种损失远比上述收益为小。
计算表明，此类系统的灵敏度明显优于采用调幅式调制盘的系统。
美国“尾刺(Stinger)-POST”便携式地－空导弹是性能很好的导弹，它的显著特点之一就是采用了玫瑰线扫描方案。

六、扫描探测系统
扫描探测系统（检测扫描系统）无需对目标辐射能进行调制，而是系统本身对景物空间进行扫描，扫描到目标时，系统输出一个脉冲，该脉冲对基准信号采样，这样就测到了目标的方位误差信号。
扫描系统与前面介绍的系统相比，它可以在瞬时视场（探测器面积和光学系统决定）很小的情况下，通过扫描观察到较大的空间范围，提高了系统的灵敏度和抗背景干扰的能力。

1、结构简介
扫描系统的基本结构组成包括光学系统、探测器、信号处理电路、扫描驱动机构和扫描信号发生器。
扫描驱动机构使光学系统在一定空间范围按一定规律进行扫描。扫描运动规律（即扫描图形）由扫描信号产生器产生的扫描信号来控制。扫描图形有多种形式，如下图所示的一线扫描、三线扫描或四线扫描。

探测器置于光学系统的焦平面上，它可以是单元探测器，也可以是线阵的或面阵的多元阵列。按多元排列方式扫描方向之间的关系，扫描系统可分为串联扫描、并联扫描和串并联扫描三种方式。

2、目标信号的形式
若在扫描空域范围内，空间某一位置有一个目标点存在，则瞬时视场扫过这一点时，便产生一个视频脉冲。若是单元扫描系统，则这个视频脉冲经过放大后即可用来提取目标位置信息。若是多元并扫系统，则需经过多路信号处理，从而把空间某一位置的目标信号转换成按时序输出的视频脉冲，再从这个时序视频脉冲中提取目标的位置信息。
下面是一个六元并扫系统的工作示意图。
在扫描过程中，信号在探测器上的驻留时间为，由扫描速度以及探测器在方位方向的瞬时视场决定。
信号门由电子开关控制，在顺序接通1至6号信号门过程中，实际上就是在俯仰方向上完成六倍探测器俯仰瞬时视场的电扫描。电子开关顺序接通一遍的时间为一个采样周期，。这样在时间内每个信号门接通次。
若空间某个位置有目标，使第二个探测器接收到红外辐射，则第二号探测器输出一个宽度为的脉冲。当二号信号门开启时，脉冲输出一次，在内共输出脉冲个。
6个脉冲积累器对前端的输入脉冲进行积累，而后在时序驱动下，顺序输出。由于仅二号积累器有脉冲输入，故积累器输出时，也仅有二号积累器有脉冲输出。

3、基准信号形式
基准信号分为方位基准和俯仰基准，它们分别加入方位和俯仰采样保持电路。
方位基准信号为三角波，周期为，俯仰基准为阶梯波，周期为。对于单元探测而言，内的阶梯数由俯仰观察视场内所包含的俯仰瞬时视场数决定（扫描行数）；对于多元探测器，当探测器并联，扫描图像为一线时，内的阶梯数等于探测器数目。

基准信号的周期、值及基准信号形式，与探测器数目及扫描图像有关。若观察视场为，探测器单元瞬时视场为，则内包含个瞬时视场，其中为扫描列数，；为扫描行数，。若扫描一行所需的时间为，帧时为，则基准信号的周期，。

4、方位信息提取
无论单元还是多元扫描系统，所得的目标信号都是一个视频脉冲，该视频脉冲出现的时间先后与目标所在的空间位置有关，因此扫描系统的目标信号实际上就是脉冲位置编码信号。目标脉冲对两个通道的基准信号进行采样，采样保持电路输出的幅值就是误差信号，误差值的大小反映了目标脉冲与基准信号之间的相对位置，即反映了目标的空间位置。

如上图。假定瞬时视场扫到第列第行，接收到目标辐射，产生的目标脉冲分别对基准信号进行采样保持，得到该点的方位和俯仰误差电压。对于多元探测系统来说，原理是一样的，只是基准信号要相应的换成多元扫描信号。

5、扫描系统的测角精度
扫描系统的测角精度由单个探测单元的瞬时视场决定。一般瞬时视场为0.5～1，测角精度在2’～3.4’。