关于缓变辐射信号检测方法的研究

摘要:辐射信号通常指红外波段内的辐射。被测目标辐射有两种类型,一是主动式辐射,由辐射光源照射目标,然后由目标反射。它一般应用于制导或主动式夜视系统中,二是被动式辐射,没有人为的辐射光源,而是被测对象本身的辐射或借助于星光的辐射。辐射信号按时域特性分为缓变信号、脉冲信号和交变信号。在检测辐射信号的同时,也存在着背景辐射,而背景辐射将引起不期望的干扰噪声。因此如何抑制背景干扰将是辐射信号检测的关键之一。 关键词: 缓变辐射信号 检测方法 噪声 1、缓变信号探测

辐射信号采用直接检测方法的系统框图如图1-1所示。 图1-1系统框图

光学系统的作用,除了将辐射目标成像到器件的光敏面上外,还应有抑制背景干扰的能力。 2、光学结构

对于缓变辐射信号通常需要在光学系统焦平面上安放调制盘,这样探测器就必须放在焦平面后面几个毫米的地方。由于光束增大,探测器面积增大,噪声增大。如果在焦平面后放一块场镜(正薄透镜),把边缘光线折向光轴,就可用较小的探测器接收全部光束,这就是场镜的聚光作用。另外,场镜可以校正光偏差,在同样探测器光敏面积下,加入场镜后就可以增大入射角。为了减小镜筒的重量和结构尺寸,一般希望缩短镜筒尺寸,采用双反射系统,其中大的叫主

镜,小的叫次镜。次镜采用卡塞格伦系统(简称卡式系统),放在主镜焦点之内;双反射镜系统的次镜把中间一部分优质光挡掉,并且一旦视场和相对孔镜变大,像质变坏,这是它的最大缺点。

为了校正光偏差和提高会聚作用,也可以采用光锥元件。光锥为一种空腔圆锥或具有合适折射率材料的实心圆镜。光锥内壁具有高反射率,其大端放在物镜的焦面附近,收集物镜所会聚的光。然后依靠内壁的连续反射把光引导到小端,被探测器接收。因此,光锥起着场镜的作用。 3、 调制盘

对于缓变辐射信号采用调制盘进行光学调制有如下作用: (1)缓变信号经调制后变为交变信号,这样可用交流前置放大器,避免了直流放大器零点漂移的缺点。

(2)大背景成像到调制盘上,将覆盖整个或大部分调制盘面积,所以背景辐射只改变调制信号的直流分量。通过滤波器可以滤掉其直流分量,达到过滤背景的作用。

(3)经调制和窄带滤波后,可以消除探测器和前置放大器的低频 噪声。

(4)采用特殊设计的调制盘可以判别辐射信号的幅值和相位。 调制盘是用来处理辐射信号的一种手段,其功能是将光场的幅度或相位变为周期信号,即将空间分布的二维辐射信号变成一维的时间信号。基本类型有:幅度调制盘,相位调制盘和频率调制盘。实际中我们常常用到双调制盘。

双调制盘由两个半圆部分组成:一个半圆为扇形格作为目标幅度调制,另一半圆为半透明区(透过率为0.5),作为目标的相位调制。目标辐射信号经双调制盘调制后输出。

双调制盘相位调制区选择0.5透过率的目的是使上下两部分对大面积背景像透过的辐通量相等,这样就无调制信号输出,可以消除背景影响,有较强的过滤背景能力。而单扇面调制盘由于透明面积比较大,所以对背景过滤能力要差些。双调制盘产生的调制频率为 (1-1)

式中为调制盘总面积是目标幅度调制区所占面积的倍数,为扇形格对数目,为调制盘旋转频率。 ,即调制频率为调制盘旋转频率的10倍。它由若干同心环带的扇形格子组成,每一环带上的黑白相间的扇形格子对的数目随径向距离变化,每增到外圈一个环带,黑白格子数目增加一倍,反之,每减至内圈一个环带,黑白格子数目减半。

当调制盘以相同角速度旋转时,像点在a圈时产生的脉冲数为像点在b圈时产生的脉冲数的一半。因此,目标像点由某一环带移到相邻的外圈(或内圈)的一个环带时,调制频率就增加(或减少)一倍,这样,通过判别频率的大小就可以确定目标的径向位置。 4、调制盘对背景信号的空间滤波

以简单的扇形幅度调制盘为例来分析调制盘对背景的过滤能力,根据应用场合,安放位置不同,其空间滤波效果也有差异,下面讨论调制盘安放在接收机里情况。

例如用红外系统跟踪目标或测量炉温等仪器,调制盘要安放在接收系统内,这时,目标辐射 和背景辐射通过光学系统同时入射到调制盘上,被调制盘所调制,但因目标和背景的空间分布特性不同,所以调制度是不同的。令辐射信号的调幅度为,背景的调幅度为 调制频率为,则经调制后入射探测器的幅通量为 (1-2)

探测器输出的电流为(1-3)

经带通滤波后,第一项直流分量被滤掉。只有交流量通过,但交流量中含有信号和背景电流,而信 号电流和背景电流之比为 (1-4)

如果不加调制时为(1-5)

比较式(1-4)和式(1-5)可知,只要利用调制盘的空间滤波特性,使得>>,式(1-4)的比值就远大于式(1-5)的比值,这样就能达到抑制背景干扰的作用。下面通过典型例子来进一步说明调制盘的空间滤波作用。

以工作在2~2.5大气窗口的探测系统来说,由背景云彩所反射的太阳光在探测器上的照度值,可为远距离涡轮喷气机目标照度值的 倍。而调制盘恰恰能提供这一量级的背景过滤。这些被探测的目标与背景比较,它们都是一个视角很小的物体。调制盘的空间滤波就是用来增强小视角物体的辐射信号,而抑制大视角背景的辐射,即达到背景空间滤波作用。

图1-2表示了用幅度调制盘进行空间滤波的一个简单例子。调制盘置于光学系统的像平面上,其调制中心与光轴重合。目标与太阳照射的云彩(背景)通常一起成像于调制盘上。为了便于看出调制盘的作用,将目标与云彩的像画在调制盘的边上,当调制盘以高速旋转时,并缓慢地向右移动(扫描)以便穿越目标和云彩的像。当调制盘越过目标像时,辐射像被明暗相间地格子交替地传输和遮挡,使探测器输出一列脉冲信号。

当调制盘扫过相对大些的云彩像时,在任一瞬间,云彩像均覆盖调制盘的面积,结果探测器上的入射照度增加了,但云彩像被调制的作用却很小。当云彩和目标同时成像于调制盘上时,探测器输出由云彩辐射产生的波纹很小的大直流信号和目标辐射产生的脉冲信号所组成。当复合信号被放大并通过中心频率为调制频率的电子滤波器后,只有交流信号被保留,云彩的影响被滤掉了。但由于大多数云彩的边缘形状是不规则的,它将会产生一定的波纹信号。 因此有时为了得到最佳的滤波效果,我们会将调制盘放在发射机内,如主动式辐射检测系统及红外有线制导等,这时只有辐射信号被调制,而背景没有被调制。探测器输出电流经放大滤波后,只保留交流信号,而不会产生纹波信号,这里不再讨论。

可见,在探测辐射信号中,所检测到的是辐射缓变信号、脉冲信号和交变信号,同时背景辐射将引起不期望的干扰噪声。因此如何抑制背景干扰将是辐射信号检测的关键之一。 参考文献:

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