1、本章内容本章内容 6.1 红外调制的一般概念红外调制的一般概念 6.1.1 对红外辐射进行调制的意义对红外辐射进行调制的意义 6.1.2 调制盘的作用调制盘的作用 6.1.3 关于调制波的一般概念关于调制波的一般概念 6.1.4 调制波的形式及主要特征调制波的形式及主要特征 6.2 调制盘的类型及工作原理调制盘的类型及工作原理 6.2.1 概述概述 6.2.2 调幅式调制盘调幅式调制盘 6.2.3 调频式调制盘调频式调制盘 6.2.4 脉冲编码式调制盘脉冲编码式调制盘6.1 红外调制的一般概念红外调制的一般概念 6.1.1 对红外辐射进行调制的意义对红外辐射进行调制的意义 在电学领域及通信系统
2、中，广泛应用了调制在电学领域及通信系统中，广泛应用了调制与解调技术。与解调技术。 调制的概念：调制的概念： 对所需处理的信号或被传输的信息做某种形式上对所需处理的信号或被传输的信息做某种形式上的变换，使之更便于处理或传输。的变换，使之更便于处理或传输。 例直流信号放大，直接放大零点漂移严重。可将例直流信号放大，直接放大零点漂移严重。可将直流直流 交流交流 交流放大交流放大 分离出直流信号。分离出直流信号。 解调：解调： 从已调制过的信号中恢复原始信号的过程，解调从已调制过的信号中恢复原始信号的过程，解调即通常说的即通常说的“信息检测信息检测”。调制调制 红外系统的检测性能与调制波的形式和调制红
3、外系统的检测性能与调制波的形式和调制器、解调器的性能密切相关。器、解调器的性能密切相关。 红外辐射调制的目的：红外辐射调制的目的： 红外辐射调制使原本恒定的辐射通量转换成随时红外辐射调制使原本恒定的辐射通量转换成随时间断续的辐射通量，并使断续的辐射能的某些特间断续的辐射通量，并使断续的辐射能的某些特征随着目标信息的变化而变化。征随着目标信息的变化而变化。 对辐射能调制的目的，主要是为了使断续的辐射对辐射能调制的目的，主要是为了使断续的辐射能中包含目标信息，便于信号的放大、处理和检能中包含目标信息，便于信号的放大、处理和检测。测。包含目标信包含目标信息的断续的息的断续的辐射能。辐射能。包含目标信
4、包含目标信息的交变电息的交变电信号。信号。 辐射源按其对红外装置的张角大小可划分为辐射源按其对红外装置的张角大小可划分为两类：两类： 点辐射源：点辐射源： (本书讨论本书讨论) 点源点源 象点象点(象点象点孔径孔径 象点象点孔径孔径 =象点象点孔径孔径 象点象点孔径孔径象点象点 6.1.2 调制盘的作用调制盘的作用 最基本的作用：将恒定的辐射通量转换为断续的最基本的作用：将恒定的辐射通量转换为断续的辐射通量。辐射通量。 一、产生目标所在空间位置的信息编码一、产生目标所在空间位置的信息编码 目标位置变化目标位置变化调制后辐射通量调制后辐射通量(A, F, P)变化。变化。 是目标位置的信号编码器
5、。是目标位置的信号编码器。 二、用调制盘进行空间滤波以抑制背景干扰二、用调制盘进行空间滤波以抑制背景干扰 探测目标探测目标(飞机、轮船、汽车等飞机、轮船、汽车等)总是处在背景总是处在背景(大大气、云层、海水、地物等气、云层、海水、地物等)中，背景也有红外辐中，背景也有红外辐射，起到了噪声的作用。射，起到了噪声的作用。 利用目标和背景相对于系统张角大小的不同，调利用目标和背景相对于系统张角大小的不同，调制盘可以拟制背景，突出目标，从而将目标从背制盘可以拟制背景，突出目标，从而将目标从背景中分辨出来。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。调制盘这种滤去背景干扰的作用叫空间滤波。
6、调制盘空间滤波的原理：调制盘空间滤波的原理： 点源目标的象点与调制盘孔径尺寸相当，调制盘对该点源目标的象点与调制盘孔径尺寸相当，调制盘对该目标象点进行调制，产生一个由调制盘转速和调制盘目标象点进行调制，产生一个由调制盘转速和调制盘数目确定的有限载频信号。数目确定的有限载频信号。 背景相当于面源，覆盖了多个透辐射和不透辐射的栅背景相当于面源，覆盖了多个透辐射和不透辐射的栅格，透过调制盘的能量为某一定值，得到的调制信号格，透过调制盘的能量为某一定值，得到的调制信号为直流或远离载频的其他频率的调制信号为直流或远离载频的其他频率的调制信号(即在载频附即在载频附近背景感应的信号很小近背景感应的信号很小)
7、。 通过电路的选频作用，使目标信号的频率通过，而背通过电路的选频作用，使目标信号的频率通过，而背景景(直流或其他频率直流或其他频率)被阻止，实现探测目标抑制背景被阻止，实现探测目标抑制背景的作用。的作用。 从原理上看，调制盘的空间滤波作用有限。当背从原理上看，调制盘的空间滤波作用有限。当背景或某些人为干扰象点与调制盘栅格尺寸相当时，景或某些人为干扰象点与调制盘栅格尺寸相当时，就起不了抑制背景的作用。这时常采用其他方法就起不了抑制背景的作用。这时常采用其他方法进一步抑制背景干扰：进一步抑制背景干扰： 色谱滤波：带通滤光片色谱滤波：带通滤光片(滤掉背景辐射滤掉背景辐射) 双色调制盘：将普通调制盘中
8、的透辐射和不透辐射部双色调制盘：将普通调制盘中的透辐射和不透辐射部分用两种不同的带通滤光片分用两种不同的带通滤光片(分别对应目标辐射波段和分别对应目标辐射波段和背景辐射波段背景辐射波段)代替。代替。 三、用调制盘提高红外系统的检测性能三、用调制盘提高红外系统的检测性能 红外系统探测目标时总有噪声的干扰。红外系统探测目标时总有噪声的干扰。 为从干扰中更多地提取有用信息，红外系统必须为从干扰中更多地提取有用信息，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。及相应的具体系统结构。 检测方式确定后，要求有与之相应的信号形式。检测
9、方式确定后，要求有与之相应的信号形式。 通过调制盘图案的设计及扫描方式的选择，可以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，从而给出满足最佳检测方式所要求的信号形式，从而提高系统的检测性能。提高系统的检测性能。 *6.1.3 关于调制波的一般概念关于调制波的一般概念 设一高频信号，描述为设一高频信号，描述为 其中：其中：ac是幅度；是幅度；是角频率；是角频率；是相位；是相位；是是t t时刻信号的相角。时刻信号的相角。 载波：载波： 如果如果ac , , 是常数，上式表示未调制波，即载是常数，上式表示未调制波，即载波。此时的波。此时的= c为载频。为载频。
10、调制波：调制波： 如果如果ac 或或发生变化，则信号发生变化，则信号a(t)就成了调制波。就成了调制波。( )sin()sincca tata 调制：调制： 使载波的某一参量使载波的某一参量(如幅度、频率、相位等如幅度、频率、相位等)随时随时间按一定规律变化的过程，叫做间按一定规律变化的过程，叫做调制调制。 按照调制参量的不同，分为按照调制参量的不同，分为 调幅调幅：幅度调制，：幅度调制，AM (Amplitude Modulation) 调角调角：角度调制。调角又分两种：角度调制。调角又分两种 调频：调频：FM (Frequency Modulation) 调相：调相：PM (Phase M
11、odulation) 调制信号：调制信号： 所要传送的信息称为所要传送的信息称为调制信号调制信号。 调制信号与载波信号相比，通常可看作是慢变化调制信号与载波信号相比，通常可看作是慢变化的时间函数，即相对于载波频率的时间函数，即相对于载波频率c而言，调制信而言，调制信号频谱聚于较低的频率区域。号频谱聚于较低的频率区域。 调制波具有频谱。调制波具有频谱。 调制波可以看作由若干个不同频率的正弦型信号调制波可以看作由若干个不同频率的正弦型信号组合而成的信号。组合而成的信号。 调制波的频谱结构与调制信号的性质以及调制的调制波的频谱结构与调制信号的性质以及调制的类型有关。类型有关。 混合调制：混合调制：
12、调制过程中常产生混合调制，如调制过程中常产生混合调制，如AM-FM或或AM-PM。 混合调制中有益的调制为工作调制，另一种附加混合调制中有益的调制为工作调制，另一种附加在主要调制上的是寄生调制。在主要调制上的是寄生调制。 寄生调制产生原因：寄生调制产生原因： 实现调制的方法产生实现调制的方法产生 调制波通过电路时产生调制波通过电路时产生 6.1.4 调制波的形式及调制波的形式及*主要特征主要特征 按载波类型的不同，分为：按载波类型的不同，分为： 连续波调制：连续波调制： AM FM PM 脉冲调制：脉冲调制： 脉冲调幅脉冲调幅(PAM) 脉冲调宽脉冲调宽(PWM) 脉冲调位脉冲调位(PPM)
13、一、连续波调制一、连续波调制 (一一)调幅调幅 调幅波调幅波 其中其中k为比例系数，为比例系数， g(t)为调制信号为调制信号， fc为载频。为载频。 定义调制指数定义调制指数(调制度系数调制度系数) M=k/ac 调幅波可以写成调幅波可以写成 gmax(t)和和M应满足应满足 如不满足，则可能产生过调制现象。如不满足，则可能产生过调制现象。( )cos(2)AMcceakg tf t1( )cos(2)AMcceMg t af tmax|( )| 101gtM 调幅的特点：调幅的特点： 载波信号的包络线按被传送信号的规律变化。提载波信号的包络线按被传送信号的规律变化。提出有用信号时，可采用包
14、络检波的解调方法。出有用信号时，可采用包络检波的解调方法。 不产生新的频谱，只是将调制信号的频谱从原点不产生新的频谱，只是将调制信号的频谱从原点附近移到了载频谱线附近。附近移到了载频谱线附近。 能量利用效率较低：总功率中只有能量利用效率较低：总功率中只有1/3用来传输有用来传输有用信号。用信号。 在大信噪比条件下，调幅系统的输出噪声平均功在大信噪比条件下，调幅系统的输出噪声平均功率等于输入噪声平均功率。输出信噪比是输入信率等于输入噪声平均功率。输出信噪比是输入信噪比的两倍。即调幅系统具有噪比的两倍。即调幅系统具有3dB的信噪比增益。的信噪比增益。 小信噪比下有门限效应。即当输入信噪比低于某小信
15、噪比下有门限效应。即当输入信噪比低于某个值时，信号淹没在噪声中。个值时，信号淹没在噪声中。 (二二)调角调角 调角波的一般表达式调角波的一般表达式 调相调相 调相波调相波 瞬时频率瞬时频率 调频调频 瞬时频率瞬时频率 调频波调频波cos2( )cos( )accceaf ttatcos2( )PMccPeafk g t( )2pickdg tffdt( )2Fickffg t0cos2( )tFMccFeaf tk g t dt可见调频与调相密切相关，两者虽然调制方式不同，但可见调频与调相密切相关，两者虽然调制方式不同，但实质上有共同之处。下面分析调频的特点。实质上有共同之处。下面分析调频的特
16、点。调频的特点：调频的特点： (1)载波信号幅度不变，但频载波信号幅度不变，但频率随调制信号的变化而变化。率随调制信号的变化而变化。 (2)调制的结果调制的结果使频谱展宽使频谱展宽。 (3)调频波的能量集中于载频调频波的能量集中于载频附近。能量的集中度与调制附近。能量的集中度与调制指数指数M有关，有关，M值较小时，值较小时，能量集中于载频附近，随着能量集中于载频附近，随着M的增大，有效频谱宽度增的增大，有效频谱宽度增大。大。 (4)能量的利用效率高于调幅。能量的利用效率高于调幅。 (5)抗干扰性能优于调幅。在抗干扰性能优于调幅。在输入噪声功率密度相同及载输入噪声功率密度相同及载波幅值相同的情况
17、下，调频波幅值相同的情况下，调频系统的输出信噪比是是调幅系统的输出信噪比是是调幅系统输出信噪比的系统输出信噪比的3M2倍。倍。 (6)存在门限效应。存在门限效应。M越大，越大，门限越高。门限越高。fMF其中：其中：f是最大频率偏移；是最大频率偏移；F是调制信号的频率。是调制信号的频率。二、脉冲调制二、脉冲调制用脉冲串作为载波的调制称为脉冲用脉冲串作为载波的调制称为脉冲调制。调制。(一一)脉冲调幅脉冲调幅周期性脉冲的幅度，按调制信号规律而周期性脉冲的幅度，按调制信号规律而变化的过程叫做脉冲调幅。变化的过程叫做脉冲调幅。特点：特点： 脉冲调幅波的频谱中包含有调制频脉冲调幅波的频谱中包含有调制频率分
18、量。所以检波时用低通滤波器率分量。所以检波时用低通滤波器(0-F，F调制信号频率调制信号频率)实现解调。实现解调。 脉冲调幅波的解调对信号和噪声的脉冲调幅波的解调对信号和噪声的作用是相同的，所以这种检测系统作用是相同的，所以这种检测系统的信噪比增益为的信噪比增益为0，而传输带宽为，而传输带宽为F。由于带宽只是连续波调幅系统的一由于带宽只是连续波调幅系统的一半，所以在输入信号平均功率相同半，所以在输入信号平均功率相同的条件下，脉冲调幅系统的输入信的条件下，脉冲调幅系统的输入信噪比是连续波调幅系统的噪比是连续波调幅系统的2倍，加之倍，加之连续波调幅系统的信噪比增益为连续波调幅系统的信噪比增益为2倍
19、，倍，故这两种调幅系统的输出信噪比相故这两种调幅系统的输出信噪比相同。同。(二二) 脉冲调宽脉冲调宽(PWM) 是指脉冲串载波的幅度与是指脉冲串载波的幅度与频率均无变化，而只有脉频率均无变化，而只有脉冲宽度按调制信号规律变冲宽度按调制信号规律变化。化。 特点：特点： 脉冲调宽频谱图与脉脉冲调宽频谱图与脉冲调幅频谱图基本相冲调幅频谱图基本相同，只是组合频率更同，只是组合频率更加复杂。频谱中包含加复杂。频谱中包含直流分量、调制频率直流分量、调制频率分量、载波及其高次分量、载波及其高次谐波。解调时仍可用谐波。解调时仍可用低通滤波器分离出低低通滤波器分离出低频调制信号。频调制信号。(三三) 脉冲调位脉
20、冲调位(PPM) 是指用脉冲串载波中脉冲的位置参是指用脉冲串载波中脉冲的位置参量来传输信息，也叫脉位调制。量来传输信息，也叫脉位调制。 特点：特点： 脉冲调位波的频谱中，仍有脉冲调位波的频谱中，仍有直流分量与调制频率分量，直流分量与调制频率分量，并有无穷多个未调载波的谐并有无穷多个未调载波的谐波与以各谐波频率为中收的波与以各谐波频率为中收的无穷多个组合频率，且各组无穷多个组合频率，且各组合频率是不相等的。在未调合频率是不相等的。在未调制脉冲相同和调制信号相同制脉冲相同和调制信号相同的情况下，调位脉冲频谱中的情况下，调位脉冲频谱中的调制频率分量幅值比调幅的调制频率分量幅值比调幅或调宽的调制频率分
21、量幅值或调宽的调制频率分量幅值小得多，且有失真。所以不小得多，且有失真。所以不能简单地用低通滤波器直接能简单地用低通滤波器直接分离出低频调制信号。往往分离出低频调制信号。往往先转换成调幅或调宽脉冲后先转换成调幅或调宽脉冲后再进行解调。再进行解调。在这三种脉冲调制方式中，脉冲调在这三种脉冲调制方式中，脉冲调幅的抗干扰性差一些幅的抗干扰性差一些(不能使用限幅不能使用限幅器消除噪声干扰器消除噪声干扰)。 当象点较调制盘分格小时，红外信号的调制当象点较调制盘分格小时，红外信号的调制属于脉冲调制；而象点超出调制盘分格时，属于脉冲调制；而象点超出调制盘分格时，属于连续波调制。属于连续波调制。 对于连续波调
22、制：对于连续波调制： 调频系统的抗干扰性能强于调幅系统。调频系统的抗干扰性能强于调幅系统。 无论大信噪比输入还是小信噪比输入，调频系统的输无论大信噪比输入还是小信噪比输入，调频系统的输出信噪比高于调幅系统。出信噪比高于调幅系统。 大信噪比输入情况下，宽带调频信噪比增益更高。大信噪比输入情况下，宽带调频信噪比增益更高。 调频系统的能量利用效率高于调幅系统。调频系统的能量利用效率高于调幅系统。 调幅系统的信号处理系统比调频系统结构简单、调幅系统的信号处理系统比调频系统结构简单、工作可靠。工作可靠。 对于脉冲调制：对于脉冲调制： 抗干扰性：抗干扰性：PWM，PPM优于优于PAM 解调方式：解调方式：
23、PPM的解调比的解调比PWM和和PAM复杂。复杂。 PAM和和AM相比，相比，AM的信噪比增益略高。的信噪比增益略高。6.2 调制盘的类型及工作原理调制盘的类型及工作原理 6.2.1 概述概述 红外系统中调制盘类型多，图案各异，象点红外系统中调制盘类型多，图案各异，象点与调制盘间相对运动的方式也各有不同。与调制盘间相对运动的方式也各有不同。 从位置编码的基本原理从位置编码的基本原理(即调制方式即调制方式)来分：来分： 调幅式调幅式(AM) 调频式调频式(FM) 调相式调相式(PM) 调宽式调宽式(WM) 脉冲编码式脉冲编码式 目标点目标点M (, )在物平面，经光学系统成象在象平面上，象在物平
24、面，经光学系统成象在象平面上，象点为点为M (, ) 。对于望远系统，象平面在焦平面上，则有。对于望远系统，象平面在焦平面上，则有 式中，式中，f为光学系统焦距；为光学系统焦距； 为为xoy平面内象点平面内象点M到到o的距离；的距离；为象点方位角；为象点方位角；q为失调角，反映目标偏离光轴大小为失调角，反映目标偏离光轴大小。 象点位置反映了目标偏离光轴大小。象点位置反映了目标偏离光轴大小。 本节分析调制盘如何将目标象点位置转化为可用信号，及如本节分析调制盘如何将目标象点位置转化为可用信号，及如何进行空间滤波。何进行空间滤波。()f tgq 6.2.2 调幅式调制盘调幅式调制盘一、初升太阳式调制
25、盘一、初升太阳式调制盘(旭日式旭日式) (一一) 工作原理工作原理 1、调制盘图案及调幅波的产生、调制盘图案及调幅波的产生 调制盘放在焦平面上，中心位于光轴。象点不动，调制调制盘放在焦平面上，中心位于光轴。象点不动，调制盘转动，象点交替通过透过和不透过栅，从而使象点能盘转动，象点交替通过透过和不透过栅，从而使象点能量在最大值与最小值之间交替变化。量在最大值与最小值之间交替变化。 调制盘转动角频率调制盘转动角频率，转动一圈为一个周期，转动一圈为一个周期T(=2/ )半透半透不透不透全透全透上半圆：上半圆：目标目标调制区，透辐调制区，透辐射与不透辐射射与不透辐射扇形条呈辐射扇形条呈辐射状。状。下半
26、圆：下半圆：半透半透区。区。 2、调幅波包络的幅值与象点偏离量、调幅波包络的幅值与象点偏离量和象点和象点大小的关系大小的关系 象点：象点： 位置：位置：偏离量；偏离量；方位角。方位角。 象点为有限半径圆形。象点为有限半径圆形。 如图：象点面积如图：象点面积S=S1+S2 S1为透辐射区面积为透辐射区面积 S2为不透辐射区面积为不透辐射区面积 象点上辐照度均匀分布象点上辐照度均匀分布 总能量总能量F=F1+F2 透过能量透过能量F1 S1 不透过能量不透过能量 F2 S2 调制盘转动时，透过调制盘的能量：调制盘转动时，透过调制盘的能量： 上半圆：在上半圆：在F1和和F2之间变化之间变化 下半圆：
27、下半圆：F/2 调制度调制度D： D越大，调制信号的幅度越大。越大，调制信号的幅度越大。 S一定一定 增大，增大，D增大；增大； 减小，减小，D D减少减少( (趋于趋于0)0)这时可将这时可将D D看成是的看成是的函数，即函数，即 D=f() 所以可用调制信号的幅值表示偏移量所以可用调制信号的幅值表示偏移量的大小。的大小。 如果如果S的值也是变化的，则的值也是变化的，则 D=f(, S)如果控制如果控制S随随按一定规律变化，则按一定规律变化，则 D=f(, S)=f(, g() 可见，通过调制盘图案形式和目标象点大小变化相配可见，通过调制盘图案形式和目标象点大小变化相配合，可满足有用信号与目
28、标偏移量呈某一特定关系。合，可满足有用信号与目标偏移量呈某一特定关系。1212FFSSDFS 3、包络相位与目标方位角的关系、包络相位与目标方位角的关系 旭日型调制盘，图案有明显的分界线旭日型调制盘，图案有明显的分界线(ox)，可用，可用其产生其产生基准信号基准信号以检测包络的相位以检测包络的相位(初相角初相角)。 通过前面的分析可以看出，目标象点信息与调幅通过前面的分析可以看出，目标象点信息与调幅波的关系：波的关系： 偏离量偏离量 ：调幅波的幅度：调幅波的幅度 方位角方位角 ：调幅波包络的初相位：调幅波包络的初相位 4、关于半透区的设置与径向分格问题、关于半透区的设置与径向分格问题 对于大面
29、积的象点，由于跨越调制盘多个透辐射和不透辐射栅格，对于大面积的象点，由于跨越调制盘多个透辐射和不透辐射栅格，所以透过的和不透过的辐射能基本相等所以透过的和不透过的辐射能基本相等(调制度调制度D约为约为0)，即如果，即如果象点总能量为象点总能量为F0，则：，则： 上半圆透过辐射能上半圆透过辐射能F0/2 下半圆透过辐射能下半圆透过辐射能=F0/2 这样调制盘转动时，基本没有有用信号输出。从而实现空间滤波这样调制盘转动时，基本没有有用信号输出。从而实现空间滤波。可见：可见：“对大面对大面积的背景辐射，积的背景辐射，在整个周期内保在整个周期内保持调制盘的透过持调制盘的透过系数为某一恒定系数为某一恒定
30、值值”是空间滤波是空间滤波的一条重要原则。的一条重要原则。一个周期一个周期T内输出基本恒定内输出基本恒定F0/2 从上面分析可见，当辐射面积较小的背景成像于从上面分析可见，当辐射面积较小的背景成像于调制盘的边缘时，仍可产生调制信号。调制盘的边缘时，仍可产生调制信号。 这时采用在调制盘边缘径向分格的方法抑制背景干扰。这时采用在调制盘边缘径向分格的方法抑制背景干扰。 注意各格点面积应尽可能相等。注意各格点面积应尽可能相等。 空间滤波中，为了进行步消除背景干扰而进行径向分空间滤波中，为了进行步消除背景干扰而进行径向分格的另一个原则格的另一个原则-等面积原则等面积原则。响尾蛇空响尾蛇空空导弹导引头中实
31、际采用的调制盘空导弹导引头中实际采用的调制盘 实物直径为实物直径为6.3mm。上半圆为调制区，分成上半圆为调制区，分成12个等分扇形个等分扇形区，中心扇形区的半径为区，中心扇形区的半径为1.1mm，边，边缘各环带分成三组，从内层环带算起。缘各环带分成三组，从内层环带算起。 14环带，每环带间距为环带，每环带间距为0.2mm。 59环带，每环带间距为环带，每环带间距为0.15mm。1014环带，每环带间距为环带，每环带间距为0.1mm, (图中只画出图中只画出12个环带个环带)下半圆为半透明区。由下半圆为半透明区。由62条宽为条宽为0.025mm(=25 um)，间距也为间距也为0.025mm的
32、不透明同心半圆黑线组成的，因为目的不透明同心半圆黑线组成的，因为目标象点线度通常标象点线度通常 讲远较讲远较0.025mm为大，所以可认为这个区为大，所以可认为这个区域的透过系数无论对目标或对背景都是域的透过系数无论对目标或对背景都是50。( (二二) ) 调制特性分析调制特性分析 1、调制曲线的形状、调制曲线的形状 目标象点的偏离量目标象点的偏离量(=f q)可用失调角可用失调角q来表示。来表示。 失调角失调角q与有用调制信号与有用调制信号u之间的关系曲线称为之间的关系曲线称为调制曲线调制曲线。OE段：段： 对应象点离光轴很近，对应象点离光轴很近，u很小很小(小于小于噪声噪声)，表现为调制曲
33、线比较平缓。，表现为调制曲线比较平缓。 该区称为调制盘的盲区该区称为调制盘的盲区。EF段：段： 随随q的增加，调制深度增加，有用的增加，调制深度增加，有用信号也增加，调制曲线表现为上升信号也增加，调制曲线表现为上升区。区。FG段：段： 当当q继续增大，目标象点进入棋盘继续增大，目标象点进入棋盘格区域，由于棋盘格区域每一环带格区域，由于棋盘格区域每一环带宽度随宽度随q增加逐渐变窄，则调制深增加逐渐变窄，则调制深度明显下降，有用信号也下降，调度明显下降，有用信号也下降，调制曲线表现为下降区。制曲线表现为下降区。整个调制曲线相对于光轴对称整个调制曲线相对于光轴对称。注意：注意： 调制盘的径向分格，一
34、方面是从消调制盘的径向分格，一方面是从消除背景干扰着想，另一方面又对调除背景干扰着想，另一方面又对调制曲线的形状有所影响。在设计时制曲线的形状有所影响。在设计时两者应兼顾。两者应兼顾。A 2、影响调制曲线形状的因素、影响调制曲线形状的因素 (1) 调制盘本身图案形式的影响调制盘本身图案形式的影响 图案影响调制深度图案影响调制深度D，从而影响调制曲线。，从而影响调制曲线。 (2) 象点大小及其变化规律的影响象点大小及其变化规律的影响 (3) 距离的影响距离的影响 距离变化距离变化象点大小和能量变化象点大小和能量变化 象点大小与能量是一对矛盾象点大小与能量是一对矛盾： 距离减小，象点面积增加距离减
35、小，象点面积增加调制深度减小调制深度减小有用有用信号减少信号减少 距离减小，同时能量增加距离减小，同时能量增加有用信号增加有用信号增加 距离较远时，能量的影响较大距离较远时，能量的影响较大 距离较近时，象点面积的影响较大距离较近时，象点面积的影响较大例如响尾蛇空例如响尾蛇空空导弹，在最后接近目标的空导弹，在最后接近目标的50-100米内，由于象点面积急剧增加，有用信号也急剧减小，米内，由于象点面积急剧增加，有用信号也急剧减小，信号小到比噪声还小，系统失去控制，靠惯性飞向目信号小到比噪声还小，系统失去控制，靠惯性飞向目标。所以最后的标。所以最后的50100米为失控距离。米为失控距离。二、二、*光
36、点扫描式调制盘光点扫描式调制盘 也称为圆锥扫描式调制盘。也称为圆锥扫描式调制盘。 (一一) 工作原理工作原理 1、调制盘图案及光点扫描圆的形成、调制盘图案及光点扫描圆的形成 最外围：三角形最外围：三角形(调制区调制区)，用于，用于产生调制曲线的上升段，三角形产生调制曲线的上升段，三角形的数目根据选择的载波频率和光的数目根据选择的载波频率和光点扫描频率确定。点扫描频率确定。 内层：扇形分带棋盘格式图案，内层：扇形分带棋盘格式图案，根据空间滤波的考虑设计，所以根据空间滤波的考虑设计，所以各环带上的黑白面积应尽量相等。各环带上的黑白面积应尽量相等。 调制盘置于光学系统的焦平面上，调制盘置于光学系统的
37、焦平面上，图案中心与光学系统主光轴重合，图案中心与光学系统主光轴重合，调制盘本身不转，目标象点相对调制盘本身不转，目标象点相对于调制盘作圆运动。于调制盘作圆运动。 光点扫描圆的形成：光点扫描圆的形成： 目标象点在调制盘上的运动轨迹称为目标象点在调制盘上的运动轨迹称为光点扫描圆。光点扫描圆。 折反式光学系统：折反式光学系统： 次反射镜旋转形成扫描圆次反射镜旋转形成扫描圆 通过改变倾角可以改变扫描圆的通过改变倾角可以改变扫描圆的大小。大小。 透射式光学系统：透射式光学系统： 光楔旋转形成扫描圆光楔旋转形成扫描圆 通过改变光楔的楔角及光楔在光通过改变光楔的楔角及光楔在光轴上的位置可以改变扫描圆的大轴
38、上的位置可以改变扫描圆的大小。小。 目标位于光轴上时，光点扫描圆是一目标位于光轴上时，光点扫描圆是一个与调制盘同心的圆。目标偏离光轴，个与调制盘同心的圆。目标偏离光轴，扫描圆中心偏离调制盘中心。扫描圆中心偏离调制盘中心。 目标偏离光轴的偏离量大小和偏离方目标偏离光轴的偏离量大小和偏离方位决定了扫描圆中心偏离调制盘中心位决定了扫描圆中心偏离调制盘中心的偏离量大小和偏离方位。的偏离量大小和偏离方位。 2、误差信号的产生、误差信号的产生 误差信号的来源：误差信号的来源： 象点调制深度的变化象点调制深度的变化 载波波形的变化载波波形的变化 载波频率的变化载波频率的变化目标在光轴上，扫描目标在光轴上，扫
39、描圆扫过三角形腰部圆扫过三角形腰部目标偏离光轴，扫描圆目标偏离光轴，扫描圆扫过三角形不同部位扫过三角形不同部位目标偏离光轴过大，部分扫目标偏离光轴过大，部分扫描圆扫过三角形不同部位描圆扫过三角形不同部位载波频率载波频率fc=n，n是三角形数目，是三角形数目， 是扫描圆旋转速度是扫描圆旋转速度(r/s) (1) 象点调制深度的影响象点调制深度的影响设象点大小不变，象点从三角形不同设象点大小不变，象点从三角形不同部位扫过时的调制深度不同。部位扫过时的调制深度不同。 (2) 载波波形的影响载波波形的影响设调制深度相同，象点从三角形不同设调制深度相同，象点从三角形不同部位扫过时的产生的调制波形不同。部
40、位扫过时的产生的调制波形不同。载载波波幅幅值值增增加加付里叶变换后付里叶变换后比较基频比较基频 (3) 载波频率变化的影响载波频率变化的影响 扫描圆的线速度是固定的。扫描圆的线速度是固定的。 弧长：弧长： 扫过弧长所用时间扫过弧长所用时间 相应扫过三个不同部位的载波频相应扫过三个不同部位的载波频率率 A BABA Bttt cccfff频率对载波信号幅值的影响，取决频率对载波信号幅值的影响，取决于滤波器的频率特性。于滤波器的频率特性。如果滤波器的频率特性如右图，则如果滤波器的频率特性如右图，则无论频率升高或降低，都会导致载无论频率升高或降低，都会导致载波信号电压幅值减小。波信号电压幅值减小。
41、调制盘如何反映目标的偏离量调制盘如何反映目标的偏离量和方位角和方位角 ？(1)目标偏离一失调角目标偏离一失调角q后，扫描圆中心后，扫描圆中心偏离调制盘中心，如偏离调制盘中心，如B：90方位调制深度增加，方位调制深度增加，270方位调制深度方位调制深度减小，扫描一周，在调制盘不同位置上减小，扫描一周，在调制盘不同位置上载波幅值不同，产生调幅波。载波幅值不同，产生调幅波。对应于调制曲线上升段。对应于调制曲线上升段。(2)失调角失调角q进一步增加，如进一步增加，如C：90方位进入三角形根部以内，方位进入三角形根部以内，270方位扫方位扫出了调制盘，出现单边调制。单边调制出了调制盘，出现单边调制。单边
42、调制包络幅值下降，随着包络幅值下降，随着q的增加包络下降的增加包络下降更严重。更严重。进入调制曲线的下降段。进入调制曲线的下降段。(3)方位角方位角的确定：的确定：目标方位角体现在扫描圆中心相对于调制盘中心的方位角上。这时载波包络信目标方位角体现在扫描圆中心相对于调制盘中心的方位角上。这时载波包络信号也具有初相位角号也具有初相位角 。将包络检出后，通过与基准信号相比较，可得目标方位。将包络检出后，通过与基准信号相比较，可得目标方位角角 。 与初升太阳式调制盘与初升太阳式调制盘(旭日式旭日式)的比较：的比较： 调制方式相同：调制方式相同： 都是用包络的幅值来反映目标的偏离角都是用包络的幅值来反映
43、目标的偏离角 用包络的初相位来反映目标的方位角用包络的初相位来反映目标的方位角 与旭日式调制盘相比，光点扫描式调制盘的空间滤波与旭日式调制盘相比，光点扫描式调制盘的空间滤波能力较差。能力较差。 外围三角形区，分格面积相差大外围三角形区，分格面积相差大 内部：透过内部：透过(或不透过或不透过)面积不均匀面积不均匀 (二二) 调制曲线及其影响因素调制曲线及其影响因素 调制曲线如图：调制曲线如图： 只有上升段和下降段只有上升段和下降段 r为上升区宽度为上升区宽度 (a-r)为下降区宽度。为下降区宽度。 上升区宽度的影响因素上升区宽度的影响因素 外圈三角形的高度外圈三角形的高度 光学系统的焦距光学系统
44、的焦距 其中其中H为三角形高度，为三角形高度，f为光学系统焦距。为光学系统焦距。 影响上升区斜率的因素是三角形的形状。影响上升区斜率的因素是三角形的形状。 细长三角形：斜率小，但细长三角形：斜率小，但r大大 粗而短的三角形：斜率大粗而短的三角形：斜率大(包络幅值变化大包络幅值变化大)，但，但r小。小。 调制盘的特点：调制盘的特点： 调制曲线无盲区，跟踪精度高调制曲线无盲区，跟踪精度高 有效视场大有效视场大(比调制盘决定的瞬时视场大近一倍比调制盘决定的瞬时视场大近一倍)()2Hrarctgf 6.2.3 调频式调制盘调频式调制盘一、旋转调频调制盘一、旋转调频调制盘 图案图案1(如图如图)： 径向
45、分成四个环带径向分成四个环带 每个环带分成若干个黑白格子，每个环带分成若干个黑白格子， 同一环带中的格子的对应的扇形角度相等。同一环带中的格子的对应的扇形角度相等。 每一环带内的扇形格子数目随径向距离而变化，由内每一环带内的扇形格子数目随径向距离而变化，由内向外每增加一个环带，黑白格子的数目增加一倍。向外每增加一个环带，黑白格子的数目增加一倍。 根据根据载波频率载波频率判断象点位置判断象点位置： 如如A点的频率是点的频率是B点频率的一半。点频率的一半。 缺点：缺点： 无法判断目标的方位角，处于同一环带内的象点无法判断目标的方位角，处于同一环带内的象点无法区分。无法区分。 图案图案2(如图如图)
46、 径向分三个环带径向分三个环带 各环带中黑白扇形各环带中黑白扇形分格从内向外逐渐分格从内向外逐渐增加增加 每一环带的分格大每一环带的分格大小不均匀，其角度小不均匀，其角度分格自分格自OO线起按线起按正弦规律变化。正弦规律变化。 如果目标的方位角如果目标的方位角为为0，形成的调频，形成的调频波近似为波近似为00( )cos()()sin()F tFtMt 其中其中F0是目标象点辐射能；是目标象点辐射能； 象点偏离量；象点偏离量； ()是载波的频率；是载波的频率；是调制是调制盘旋转角频率；盘旋转角频率；M(= /)是调制指数；是调制指数； 0是目标象点的方位角。是目标象点的方位角。对于象点：对于象
47、点：调制盘旋转一周形成的矩形脉冲的频率呈正弦规律变化调制盘旋转一周形成的矩形脉冲的频率呈正弦规律变化。象点偏离量象点偏离量 ()和和M()调频波的频率调频波的频率鉴频和滤波鉴频和滤波正弦电压信正弦电压信号幅值。号幅值。 正弦电压信号与基准信号比较相位正弦电压信号与基准信号比较相位初相位角初相位角方位角方位角0。 通过分析可见，以上两种图案的调制盘都无法判通过分析可见，以上两种图案的调制盘都无法判断目标偏离量的连续变化。断目标偏离量的连续变化。二、圆锥扫描调频调制盘二、圆锥扫描调频调制盘 如图为扇形辐条式调制盘：使用时置于光学系统如图为扇形辐条式调制盘：使用时置于光学系统的焦平面上，光学系统通过
48、次镜偏轴旋转作圆锥的焦平面上，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。扫描，在调制盘上得到一个光点扫描圆。优点：优点：调制特性曲线无盲调制特性曲线无盲区，测角精度与跟区，测角精度与跟踪精度高。踪精度高。缺点：缺点：光学系统工作在偏光学系统工作在偏轴状态下，成象质轴状态下，成象质量差。量差。三、圆周平移扫描调频调制盘三、圆周平移扫描调频调制盘 光学系统共轴，调制盘绕光轴作圆周平移。光学系统共轴，调制盘绕光轴作圆周平移。 误差信号产生的原理和解调方式与圆锥扫描调频误差信号产生的原理和解调方式与圆锥扫描调频调制盘相同。调制盘相同。 优点：优点： 无盲区、跟踪精度高无盲区、跟
49、踪精度高 成象质量好；成象质量好； 所用探测器小所用探测器小(与视场大小相同，而圆锥扫描的探测器与调制与视场大小相同，而圆锥扫描的探测器与调制盘大小相同盘大小相同)，探测器面积小则噪声小，灵敏度高，作用距离，探测器面积小则噪声小，灵敏度高，作用距离大。大。 缺点：缺点： 圆周平移扫描运动实现方法复杂。圆周平移扫描运动实现方法复杂。象点象点A象点象点B象点象点C 调频与调幅调制盘的比较：调频与调幅调制盘的比较： 调频调制盘的目标能量利用率高、抗干扰能力强，调频调制盘的目标能量利用率高、抗干扰能力强，因而探测距离较远。因而探测距离较远。 调频调制盘的信号带宽较宽，信号处理系统较复调频调制盘的信号带
50、宽较宽，信号处理系统较复杂杂(应采用鉴频器应采用鉴频器)。 调幅调制盘目标能量利用率低，抗干扰能力弱，调幅调制盘目标能量利用率低，抗干扰能力弱，但信号处理电路简单，工作稳定、可靠。但信号处理电路简单，工作稳定、可靠。 6.2.4 *脉冲编码式调制盘脉冲编码式调制盘 属于光学系统不动，而调制盘转动的调制盘。属于光学系统不动，而调制盘转动的调制盘。 属于脉冲调制。对象点进行调制时，脉冲幅度不属于脉冲调制。对象点进行调制时，脉冲幅度不变，而脉冲包络的宽度、相位及脉冲重复频率随变，而脉冲包络的宽度、相位及脉冲重复频率随象点位置而变化。象点位置而变化。 用脉冲包络宽度、相位及载频脉冲重复频率的变用脉冲包
