簡易主動式紅外跟蹤器畢業(yè)設計

1、第32頁 共32頁當前電子技術的新領域是空間電子技術、固體電子技術、自由電子激光技術和光電子技術。電子技術在這些新領域的發(fā)展，將會對它本身帶來一場深刻的變革，而紅外、激光和光纖通訊是光電子技術的重要內容。最近30年來，紅外技術已成為一門迅速發(fā)展的新興技術，廣泛應用于軍事、工業(yè)、農業(yè)、醫(yī)療和科學研究等各個領域。紅外技術是發(fā)展遙感技術和空間科學的重要手段。紅外輻射又稱為紅外線或紅外光，紅外光是人眼看不見的光，是一種電磁波。鑒于其靈敏度高工作效率高，近年來利用紅外作為探測、遙控、跟蹤系統(tǒng)的光源越來越受到廣大設計人員的青睞，紅外跟蹤器是廣泛應用于軍事、工業(yè)、醫(yī)療、環(huán)境等諸多領域的一類器件。根據(jù)紅外跟蹤

2、器的探測原理的不同可分為主動式和被動式兩種。主動式是基于光電效應，優(yōu)點是對波長的探測選擇性強，信噪比高，響應速度快，因而已深入應用于航空航天、導彈尋目的、紅外夜視等軍事領域，但其缺點是需要低溫工作，必須配置昂貴且笨重的制冷設備，高成本和難以小型化的缺點制約著其向民用領域應用的擴展；被動式是基于熱敏材料吸收紅外輻射產生的熱效應，根據(jù)熱效應的機制不同還可進行細分，它們的最大優(yōu)點是可在室溫工作，從而大大減少了器件的體積和成本。雖和在某一波長敏感的主動式的相比，其靈敏度較低，響應時間也較長，但20世紀90年代以來，隨著焦平面陣列、超大規(guī)模集成電路和微機電控系統(tǒng)以及信息處理等技術的發(fā)展，使得這種非制冷熱

3、紅外跟蹤器的探測率得到了極大的提高，響應時間同時也滿足了成像要求，為其在軍用和民用兩大領域開拓了更廣闊的應用前景。以軍事領域的應用為例：偵查，搜索和預警；探測和跟蹤；全天侯前視和夜視；武器瞄準；紅外制導導彈；紅外成像相機；水下探潛、探雷技術。為了滿足紅外信息獲取技術發(fā)展需求，隨著多波段紅外探測、數(shù)據(jù)融合、各種高新科技的不斷發(fā)展，紅外預警探測系統(tǒng)的靈敏度、效能、定位精度會更高，探測距離會更遠，而且虛警率也會更低。因此，紅外探測技術在未來軍事領域中的戰(zhàn)略地位是顯而易見的。紅外探測技術在天文上用于天文望遠鏡來觀察天體運行，安裝在衛(wèi)星上紅外探測技術可以讓人看到遙遠的星球間發(fā)生的奇觀。此外還可以用于氣象

4、觀測天氣。九十年代以來,紅外測溫技術的飛速發(fā)展和它在國防、航空、航天等領域的潛在應用價值,使它成為當今高科技發(fā)展的又一熱點。因此紅外技術具有廣泛的用途。1 紅外跟蹤器紅外跟蹤探測器按其工作方式可分為被動跟蹤探測方式和主動紅外跟蹤探測方式。1.1 被動跟蹤探測方式被動式：熱釋電紅外跟蹤探測器是利用紅外光敏器件將活動生物體發(fā)出的微量紅外線轉換成相應的電信號，并進行放大、處理，對被監(jiān)測的對象實施控制。它不需配置紅外發(fā)生源，而是利用紅外光敏器件來接收移動的人輻射出的紅外線，將其轉換為電信號，并作為控制信號對被控裝置（用電器、保安、防盜、自動門啟閉等裝置）進行自動控制。換而言之，熱釋電紅外跟蹤探測器件不

5、需要附加紅外光源，而是利用熱釋電紅外器件直接探測來自移動的生物體的紅外輻射，因此出現(xiàn)了被動式跟蹤探測方式。它是當前非常熱門的熱釋電紅外跟蹤探測方式，熱釋電紅外線傳感技術是在紅外探測、夜視裝置、仿入侵、安全防范、自動門控制、自動燈控制、交通管制、溫度檢測以及光電玩具等方面有著廣泛的應用。它具有二維探測、識別特性。因為滿足這種紅外探測報警的工作條件有兩個：一是存在具有一定體溫的生物體；二是必須有一定的移動速度。它對人體有很高的靈敏度。熱釋電紅外跟蹤探測器既可以進行直線型探測，也可以進行空間探測，常用于室內和空間的立體防范，其隱蔽性更優(yōu)于主動式紅外跟蹤探測器。所以它能可靠地將運動著的生物體和飄落的物

6、體加以區(qū)別。同時，它還具有監(jiān)控范圍大、隱蔽性好、抗干擾性強和誤報率低等特點。因而，被動跟蹤探測方式技術在自動控制、自動門啟閉、接近開關、自動照明、遙控遙測等方面，特別是在保安、防火、報警方面越來越受到重視和得到應用。檢測物體紅外輻射的敏感器件可分為熱釋電紅外光敏器件和量子型紅外光敏器件。熱釋電紅外傳感技術是20世紀80年代迅速發(fā)展起來的一門新型學科。熱釋電紅外傳感原理是基于：任何高于絕對溫度的物體都會發(fā)出電磁輻射紅外線，但各種不同溫度的物體所輻射的電磁能及能量隨波長的分布式不同的，物體表面的溫度越高，它輻射的能量就越強。根據(jù)不同物體及不同溫度體發(fā)出的紅外光譜的不同，可對不同目標進行紅外檢測和判

7、別，如溫度的測定、火災的預警、不同物體的識別、活動目標（人）的保安和防火防盜等。常在熱釋電紅外傳感探測元件前加一紅外濾光片，以抑制人體以外的紅外輻射干擾。利用這種傳感器件，就可以非接觸式對物體對物體輻射出的紅外線進行檢測，察覺紅外線能量的變化，將其轉換成相應的電信號，并以該信號作為控制信號，對電氣設備或保安防盜裝置進行控制。熱釋電紅外探測報警的原理框圖如圖1.1所示。它主要由光學透鏡系統(tǒng)、熱釋電紅外傳感器、放大器、信號處理器、報警控制器和聲光報叫電路等組成。由圖可見，熱釋電紅外跟蹤探測報警的核心部件是熱釋電紅外傳感器。通過光學透鏡系統(tǒng)的配合和紅外光能的集聚，它可以探測一個立體防范空間內的熱輻射

8、的能量的變化。光學透鏡系統(tǒng)光學透鏡系統(tǒng)熱釋電紅外傳感器件放大器信號處理器報警控制器聲光報叫電路圖1.1熱釋電紅外探測防盜報警器的原理圖 熱釋電紅外跟蹤探測報警傳感原理是基于：任何高于絕對溫度零點的物體都會輻射出紅外線，輻射能量的大小與該物體的表面溫度有關。不同溫度的物體輻射的能量隨波長的分布有相關資料可循，在此不累贅了。在靜止狀態(tài)下，即無移動體入侵的情況下，熱釋電探測器周邊的物體，如樹木、建筑物、家具等不動物體，雖然也會發(fā)出熱紅外輻射，但這些輻射是穩(wěn)定不變的，并被稱為背景輻射。當入侵的活動體進入被監(jiān)測的防范區(qū)域后，穩(wěn)定不變的熱輻射被破壞，產生一個變化的熱紅外輻射。熱釋電紅外傳感器能接收到這變化

9、的輻射能，并將其轉換成相應的電信號，經放大、處理后去控制報警器發(fā)出聲光報警信號。但本設計以主動式紅外跟蹤探測器為主旨，所以在此不對熱釋電紅外跟蹤探測器再作詳細說明。1.2 主動紅外跟蹤探測方式主動式：主動式紅外跟蹤探測器屬于直線型探測報警器，紅外跟蹤器發(fā)出的紅外光束是一道人眼看不見的警戒線，當有人穿越或阻擋這條光束時，其警戒狀態(tài)被破壞。紅外接收器輸出的電信號強度就會發(fā)生變化，經信號處理后啟動報警控制器發(fā)出警報信號。它是需要依靠被控對象（電氣設備、活動體等）對紅外光源的光束的照射或遮蔽進行控制的，這種方式常稱為主動式紅外傳感、控制技術。主動式紅外方式需要紅外發(fā)射源和相對應的接收、檢測設備，紅外線

10、的發(fā)、收光路，或對準，或依靠發(fā)射式進行。為了加大監(jiān)控距離、要求發(fā)射功率較大。接受靈敏度較高。主動式紅外方式的最大缺點是不能把運動的生物體和運動著的非生物體區(qū)別開來，只要將紅外光束或紅外光路遮擋，就會觸發(fā)誤報。如果有物體墜落或紙張、樹葉等因風飄落，也會導致誤報。但本設計考慮到這一點，特做相關特殊處理，以減少誤報的情況。詳情見下。2 主動式紅外跟蹤器2.1 組成部分本設計的紅外跟蹤器是由發(fā)射端、接收端和控制端三大部分組成，主動式紅外探測報警器的組成框圖如圖2.2所示。發(fā)射端接收端發(fā)射端接收端 控制端有損耗2.2 主動式紅外跟蹤器的特點本設計將紅外線發(fā)射電路，接收電路，控制電路裝配在同一基座內，當紅

11、外光束覆蓋的區(qū)域內有人走動時，發(fā)射電路發(fā)出的紅外調制信號有部分被反射回來。經接收電路接收后做相應處理，從而發(fā)出相應的控制信號，使得控制電路作出相應的應答。脈沖發(fā)生器脈沖發(fā)生器載波調制紅外發(fā)射輸出級前置放大器脈沖解調器選通門輸出驅動級報警控制器報警電路圖2.2 主動式紅外跟蹤探測報警系統(tǒng)的原理框圖它由紅外發(fā)射機、紅外接收機和報警控制器等組成。圖1.2所示原理框圖，實際上是載波調制式的紅外跟蹤探測報警系統(tǒng)，由于要進行載波調制，紅外發(fā)射端包括一個低頻的脈沖發(fā)生器、載波發(fā)生器和紅外輸出級。低頻脈沖發(fā)生器產生的低頻脈沖方波對高頻的載波進行調制，使之產生相應的調制波，然后驅動紅外發(fā)射輸出級發(fā)出紅外光束。傳

12、播過程：紅外輻射在傳播過程中，與空氣浮塵發(fā)生碰撞的散射和吸收過程具有隨機性，一部分輻射與空氣浮塵碰撞，被碰撞的輻射一部分被空氣浮塵吸收，另一部分被散射。被散射的輻射改變原來的方向繼續(xù)向前傳播，重復以上的傳播過程，直到被被紅外探測器接收。這樣紅外探測器所接收到的來自目標的輻射，由兩部分組成：一部分來自目標經過大氣直接到達紅外接收探測端，另一部分為鄰近目標的輻射經過大氣散射后到達紅外探測器的那部分輻射。接收端包括一個與發(fā)射端相配的前置放大器、解調器和輸出驅動器等。解調器將已調載波的包絡解調出來，經積累或處理后對后級的觸發(fā)電路進行觸發(fā)或進行繼電器控制。本設計將紅外線發(fā)射電路，接收電路，控制電路裝配在

13、同一基座內，當紅外光束覆蓋的區(qū)域內有人走動時，發(fā)射電路發(fā)出的紅外調制信號有部分被反射回來。這種依靠人體反射對返回信號進行檢測、報警就是本設計采用的方案。要達到5到10米的探測距離，因為有效距離取決于發(fā)射二極管輻射的峰值功率，而峰值功率由饋給發(fā)光二極管的電流峰值功率所決定。峰值功率越大，驅動電流的平均值越小，則發(fā)光效率就越高。為了提高紅外跟蹤器的作用距離，而又不使紅外發(fā)光管過載，采用脈沖發(fā)射方式。調制載波發(fā)射方式可使紅外發(fā)射管的平均功率減少，提高系統(tǒng)的有效距離且大大提高了紅外跟蹤探測系統(tǒng)的抗干擾能力。 3 發(fā)射部分3.1 發(fā)射部分的特點 使用紅外發(fā)光二極管獲得近紅外光，是相當方便的。紅外發(fā)光二極

14、管是一種由PN結構成的注入電流型發(fā)光器件，在加上合適的正向偏置電壓后，就可以發(fā)射出一定波長的近紅外光。對紅外二極管采用脈動電流驅動方式，為了提高紅外跟蹤系統(tǒng)的作用距離，而又不使紅外發(fā)射管過載，采用調制載波發(fā)射方式。它的有效距離取決于發(fā)射二極管輻射的峰值功率，而峰值功率由饋送給發(fā)光二極管的電流峰值功率所決定的。峰值功率越大，驅動電流的平均值就越小，則發(fā)光效率就越高。調制載波發(fā)射方式可使紅外發(fā)射管的平均功率減少，提高系統(tǒng)的有效作用距離，且大大提高了紅外跟蹤器系統(tǒng)的抗干擾能力。因為要根據(jù)活動目標物體的不同特性，對于入侵者的防范和探測，可以選擇不同的檢測方式，3.1.1 載波調制本設計將目標回波信號與

15、相干用的基準信號進行比較所以發(fā)射裝置采用脈沖調制，工作在脈沖狀態(tài)，故不能直接用發(fā)射機的高頻振蕩信號作為基準信號，只能采用輔助的基準信號源作為基準信號。圖2.2.1是紅外發(fā)射電路的電路框圖，編碼波形發(fā)生器產生一定占空比的脈沖信號，經驅動級放大后驅動紅外發(fā)光二極管，使其發(fā)射出一系列等幅的紅外光脈沖信號。發(fā)射脈沖編碼信號可降低功耗，提高發(fā)射頻率。脈沖發(fā)生器 驅動級脈沖發(fā)生器 驅動級紅外發(fā)射這是最簡單的紅外線遙控方式，是一種單光束、單通道的控制方式。采用脈沖編碼方式，可以大大提高紅外發(fā)光管的發(fā)射效率，降低對發(fā)射管功率的要求。對于紅外光束編碼探測系統(tǒng)來說，紅外光的有效探測距離是極其重要的參數(shù)。而對于紅外

16、光通信來說，調制頻率、調制帶寬是光通信發(fā)光二極管的重要參數(shù)。調制頻率關系到紅外發(fā)光二極管在光通信中的傳輸速度的高低，紅外發(fā)光二極管因受到注入PN結有源區(qū)內少數(shù)載流子壽命的限制，其調制的最高頻率會受限制，從而限制了紅外發(fā)光二極管在高比特速率系統(tǒng)中的應用。通過合理的脈沖編碼和優(yōu)化驅動電路，可使紅外發(fā)光二極管有可能用于高速光通信系統(tǒng)。光輸出光輸出OI時間t光輸出波形圖3.1.2 發(fā)光二極管的數(shù)字調制示意圖為增加紅外光系統(tǒng)的探測距離，應提高發(fā)射發(fā)光二極管的瞬時功率，降低其平均功率。它的有效距離取決于發(fā)射二極管輻射的峰值功率，而峰值功率由饋送給發(fā)光二極管的電流峰值功率所決定的。峰值功率越大，驅動電流的平

17、均值就越小，則發(fā)光效率就越高。對于防盜報警系統(tǒng)來說，一個以正常速度行走的人在通過的人在通過任何一個給定的場地時，需要200ms，但這并不意味著要求紅外發(fā)光二極管一直處于發(fā)射狀態(tài)，而只需以遠少于200ms的周期重復。持續(xù)1ms的20khz脈沖串持續(xù)1ms的20khz脈沖串50msI圖3.1.3 載波調制方式的編碼波形對于紅外光束跟蹤器探測系統(tǒng)，選取合適的遮光時間至管重要。若遮光時間選得過短，某些外界干擾會引起誤報；若遮光時間選得過長，則可能導致漏報。若來犯者以10m/s的速度通過鏡頭的遮光區(qū)域，人體最小粗度為20cm,光束被遮擋超過20ms時，探測報警系統(tǒng)就會報警，而少于20ms時不會報警。這樣

18、，較小的活動體，如動物、昆蟲等不會導致誤報。而紅外發(fā)光二極管的脈沖峰值電流I1與該管的所能承受的平均工作電流I2之間存在如下關系 I1=I2*exp(T/t)式中：I2為紅外二極管的平均工作電流，即手冊上給出的工作電流；T為編碼脈沖的周期；t為發(fā)射的光脈沖寬度。t/T為脈沖電流的占空比。因此，在I2為定值的情況下，占空比越小，則峰值電流I1越大，發(fā)射的紅外光峰值功率越大，紅外光的作用距離就越遠。3.1.2相位法測距紅外發(fā)射系統(tǒng)在設計時，為了達到5-10米的探測距離的要求，相位法測距發(fā)射裝置主要包括：紅外發(fā)光器件、調制頻率發(fā)生芯片和發(fā)射光學系統(tǒng)三部分。根據(jù)相位法測距原理給出方案，設計出調制電路圖

19、，根據(jù)電路圖連接元器件發(fā)出調制紅外光，并對調制光進行準確的發(fā)射。用PIN管探測器件對調制光進行接收放大分析，該系統(tǒng)對紅外進行了較好的調制準直發(fā)射。相位法測距就是利用發(fā)射的調制光和被測目標反射的接收光之間光強的相位差包含的距離信息來實現(xiàn)對被測目標距離的測量。相位法激光測距無論在軍事應用，還是在科學技術、生產建設方面都起著重要的作用。原理 ：相位法測距是將一調制信號對發(fā)射光波的光強進行調制，利用測定“調制光波”往返于被測距離的相位差，間接求得待測距離D，如下圖所示。AADDA圖3.1.4 測距的原理圖在圖中，A 表示調制光波的發(fā)射點，A表示安置反射器的地點。AA兩點間的距離即是待測距離的2 倍。相

20、位式激光測距儀有著測距快、精度高的特點。相位式激光測距是通過間接測定調制光波信號在被測距離上往返一次所需要的時間來計算距離D，即2D=C式中：D為紅外跟蹤器所能探測的距離，C為光速，為在載波頻率。但由于發(fā)射機采用脈沖調制，工作在脈沖狀態(tài)，故不能直接用發(fā)射機的高頻振蕩信號作為基準信號，只能采用輔助的基準信號作為基準信號。脈沖調制器脈沖調制器高頻振蕩器 功 放收/發(fā)開關接 收 機相位檢波器濾波放大器相干振蕩器Uco(t)Ui(t)Ua(t)侵入者圖3.1.5 用相干脈沖檢測法檢測活動目標的裝置的功能框圖用相干脈沖檢測法檢測活動目標的裝置的功能框圖如上所示。圖中的接受機包括混頻器、本振源和中頻放大器

21、。加至相位檢波器的信號有兩個，一個是探測信號Ui(t),另一個是作為基準信號的相干振蕩信號Uco(t)。Ui(t)= Ui(t)cosw0(t-td)+a1+a2 Uco(t)= Uco(t)cos(w0cot+a3)在相位檢波器的一端接輸入信號Ui（t），另一端接比較信號UD（t）。相位檢波器可對這兩種信號進行相位比較，產生一個兩信號差成正比的電壓信號Uo（t），即Uo（t）=（i-D）OOui圖3.1.6 PD的鑒相特性由上圖可知，兩信號的相位差不同，其對應的輸出電壓值就不同。從而5-10米的距離就可以得到對應的輸出電壓值。aatTU0 cosaU0U01U01uo0(a) 只有靜態(tài)物體回

22、波時的差拍矢量圖和相位檢波器的輸出ttTToU1Uo1U1AUo1WdTU01 （b）有動目標回波時相位檢波器上的差拍信號矢量圖和隨時間變化的波形圖圖3.1.7 差拍信號矢量圖的波形圖特性3.2發(fā)射部分的電路圖及分析圖3.2.1 紅外發(fā)射電路的電路圖發(fā)射器部分電路如圖3.2.1所示，它由編碼脈沖發(fā)生器、驅動級和紅外發(fā)光二極管等組成。編碼脈沖發(fā)生器輸出的波形是調制信號1.92KhZ，編碼信號經R1加至VT1的基級。當編碼脈沖信號波形為高電平時，VT1飽和導通，VT2也導通，驅動紅外發(fā)光二極管VD1發(fā)出紅外光；當編碼脈沖信號波形呈低電平時，VT1、VT2均不導通，VD1不發(fā)光。這樣就可實現(xiàn)紅外光脈

23、沖的發(fā)射。VT1上端的LED為普通發(fā)光二極管。當VT1導通時，LED發(fā)出綠光，以示發(fā)射電路正在工作，紅外發(fā)光二極管VD1發(fā)出的是人眼不可見的近紅外光束。三極管VT1使用的S8050,VT2采用S9012，紅外發(fā)光二極管VD1用是TSHG6200。紅外發(fā)光二極管的脈沖峰值電流Ipk與該管所能承受的平均工作電流If間的關系：Ipk=Ifexp(T0t) T0為編碼脈沖周期，t為發(fā)射脈沖的寬度。tT為脈沖電流的占空比，而Ipk越大，發(fā)射的紅外光峰值功率越大，紅外光的作用距離就越遠，紅外系統(tǒng)的有效作用距離取決于發(fā)光二極管的驅動峰值功率，而峰值功率是由饋送給發(fā)射發(fā)光二極管的電流峰值所決定的，電流平均值越

24、小，其效率越高。TSHG6200的手冊上給出的工作電流If=100mA，UR=5V，P=250mW。從而算得R4=1000，此時Ipk=141.4mA。4 傳輸過程4.1 傳輸過程的介紹紅外輻射在傳播過程中，與空氣浮塵發(fā)生碰撞的散射和吸收過程具有隨機性，一部分輻射與空氣浮塵碰撞，被碰撞的輻射一部分被空氣浮塵吸收，另一部分被散射。被散射的輻射改變原來的方向繼續(xù)向前傳播，重復以上的傳播過程，直到被被紅外探測器接收。這樣紅外探測器所接收到的來自目標的輻射，由兩部分組成：一部分來自目標經過大氣直接到達紅外接收探測端，另一部分為鄰近目標的輻射經過大氣散射后到達紅外探測器的那部分輻射。所以發(fā)射端的峰值功率

25、要足夠，能夠滿足損耗及驅動接收端的那部分功率。4.2 大氣的傳輸對紅外的作用分析目標表面溫度、表面的紅外特性以及表面形狀決定了目標所產生紅外輻射的大小。其中，目標表面溫度隨外界天氣變化，目標表面的紅外特性包括目標的紅外發(fā)射率、目標材料的對流導熱系數(shù)、目標材料的比熱容等。在不同情況下，對于目標的紅外輻射模型，需要建立目標與周邊環(huán)境的數(shù)學模型，確定目標溫度及目標表面紅外特性與大氣參數(shù)之間的數(shù)學模型。在研究大氣對測溫的影響時，也需要建立紅外輻射衰減等大氣傳輸作用的數(shù)學模型。本章將對以上影響因素逐一進行研究。大氣分子和氣溶膠粒子對紅外輻射的吸收、散射，大氣湍流的散射和折射都將導致紅外輻射在傳播方向上的

26、衰減。紅外輻射的這種大氣衰減將降低目標灰度，導致紅外能量下降。大氣分子和氣溶膠對紅外輻射的散射、大氣湍流引起的路徑變化使紅外光線偏離光路，對周邊光程較長時，大氣湍流會引起相位變化和輻射強度起伏，使紅外信號變形、閃爍。通常一般從以下幾個方面對紅外傳輸過程中的大氣效應進行研究：（1） 大氣組成和紅外光學特性分析。主要介紹大氣主要成分，對紅外輻射傳輸影響較大的大氣吸收、大氣的瑞利散射和 Mie 散射、大氣湍流等。（2） 紅外傳輸過程大氣效果模型研究。從紅外傳輸機理出發(fā)，研究紅外輻射在大氣中的傳播機制、大氣對紅外傳輸?shù)挠绊懸约凹t外接受大氣效應的模型研究方法。（3） 大氣衰減的經驗估計。討論利用一般氣象

27、參數(shù)計算紅外大氣透過率。4.2.1 大氣的組成及光學特性大氣由多種不同氣體混合組成，主要成份有氮氣，氧氣，二氧化碳和水蒸氣。除了這些氣體成份之外，大氣中還含有大量固態(tài)和液態(tài)懸浮粒子。這些粒子構成了氣溶膠分散系統(tǒng)，稱之為“大氣氣溶膠”粒子。紅外輻射衰減與以下三種現(xiàn)象有關：（1）大氣中氣體分子的吸收（2）大氣中分子、氣溶膠、微粒的散射（3）因氣象條件 (云、霧、雨、雪 )而產生的衰減在進行紅外傳輸過程研究時，必須考慮上述三種不同現(xiàn)象。大氣由不同的氣體分子和氣溶膠粒子組成，成分不同其具有的光學性質也不相同。對紅外輻射而言，紅外輻射在大氣中的衰減主要是由于大氣各種組成粒子的吸收和散射。大氣對紅外輻射的

28、吸收主要來自大氣分子的吸收、大氣的分子轉動和振動所形成吸收譜線。而這種對紅外輻射的吸收有很強的譜線選擇性。大氣對紅外輻射吸收占主導地位的分子有水蒸氣分子、CO 分子，臭氧分子、甲烷分子等。對紅外輻射散射占主導地位的是氣溶膠粒子的散射，由大氣中散射質點半徑與濃度的表格可見，大氣分子的尺度參數(shù)小于0.1，因而大氣分子的散射一般用瑞利散射理論來處理，氣溶膠粒子的尺度參數(shù)大多大于0.1，因而氣溶膠粒子的散射一般用Mie 散射理論來處理。紅外輻射在湍流大氣中的傳輸也是紅外輻射與大氣作用的一個重要方面。湍流不僅引起紅外輻射能量損耗，而且輻射的強度、相位、傳播方向也隨湍流起伏。大氣湍流對光束特性的影響程度和

29、形式與光束的直徑d 和湍流尺度l 的相對大小有關。當d/11 時，光束截面內包含許多湍渦，從而使光束的強度和相位在空間和時間上出現(xiàn)隨機分布。4.2.2紅外傳輸過程大氣效應模型的建立紅外輻射在到達紅外探測器成為電信號之前，必須經過大氣的吸收和散射，我們稱之為大氣效應，大氣效應是紅外探測需要解決的重要課題之一。紅外探測器所接收到的輻射亮度由三部分組成：H = H0 + H j + Hs （3.1）式中H o為來自目標經大氣衰減而達到紅外探測器的直接輻射項； Hj 為相鄰像元的輻射經過大氣的散射后到達紅外探測器的那部分輻射； Hs 為空間雜散光的輻射。空間雜散光的分布在探測器表面是均勻的，其強度和紅

30、外攝像系統(tǒng)的光學系統(tǒng)有關。因此，在考慮紅外成像的大氣效應時，我們可以忽略空間雜散光的影響。在大氣狀況已知的情況下，大氣的衰減和相鄰像素之間的影響可以采用輻射傳輸方程計算。需要針對不同應用采用不同的近似解法。大氣點擴展函數(shù)（Atmospheric point spread function）是一種在空間域描述大氣對相鄰像素之間輻射影響的函數(shù)。它包括該像素元對應目標點的輻射直接達到該像元的能量以及散射到周邊像元上的能量。因此，大氣點擴展函數(shù)的物理意義是描述了相鄰像元之間總輻射亮度貢獻率的空間分布。大氣對紅外圖像的作用可以看作是目標和背景輻射場與大氣點擴展函數(shù)的卷積。紅外輻射在大氣中的能量損失主要體

31、現(xiàn)在大氣的吸收，而散射的作用使輻射能量分布在其相鄰像元上。 大氣調制傳遞函數(shù)（Atmospheric modulation transfer function）是近年來發(fā)展起來的一種精確、有效的像質評價方法。大氣調制傳遞函數(shù)是大氣點擴展函數(shù)傅立葉變換的模，它從頻域空間表達了大氣對紅外成像的影響。大氣調制傳遞函數(shù)包括氣溶膠調制傳遞函數(shù)、湍流調制傳遞函數(shù)。大氣湍流的調制傳遞函數(shù)又包括短曝光調制傳遞函數(shù)和長曝光調制傳遞函數(shù)。計算特定天氣下的大氣調制傳遞函數(shù)，就可得到大氣的點擴展函數(shù)。4.2.3 大氣衰減經驗計算光譜透過率可用布蓋爾-朗伯定律表示，即a = exp ( ( )l )其中 ( )為衰減系

32、數(shù)，l 為目標與紅外跟蹤器之間的距離。輻射在某一波段(1 ,2 )以下分別就與大氣有關的幾種衰減進行說明。一大氣分子的吸收衰減用理論方法只能求出近似的大氣衰減和透過率，而在一定的天氣條件和高度下，可用經驗公式求出較精確的近似值。在離地20 公里高度以下的紅外系統(tǒng)， 臭氧 、一氧化氮、CO 的衰減作用可以忽略不計。水汽、二氧化碳分子產生最強的選擇性紅外輻射吸收。二大氣分子和微粒的散射衰減微粒散射為僅存在于大氣中的地球表面灰塵、煙霧、水滴、鹽粒等不同粒子的散射。采用標準氣象能見度Dv 確定的試驗數(shù)據(jù)，可用來計算光譜透過率。氣象能見度Dv 表征大氣的模糊度，是白天目視能看見天空背景下水平方向上角尺度

33、大于 30模糊物體的最大距離。它代表了大氣的透射性能。在可見光區(qū)的指定波長0在這些波長處，大氣的吸收為零，因而影響透射的原因將只是散射這一種因素。三與氣象有關的衰減因為氣象 (霧、雨、雪 )粒子尺寸通常比紅外輻射波長大得多，所以根據(jù)米氏理論，這些粒子產生非選擇的輻射散射。霧粒的尺寸各有不同，對于小粒狀（輻射的）霧，在可見光和紅外光譜區(qū)，雨和雪的輻射衰減與霧的衰減不同，是非選擇性的。因此，對于雨、雪的衰減系數(shù)可采用在850nm波長能得到經驗公式。在此不作詳細推敲。4.3 模型中背景環(huán)境對紅外測溫精度的影響紅外跟蹤器接收到的輻射有一部分來自于大氣路徑上所處環(huán)境和背景反射的輻射。被測目標表面溫度隨時

34、都會發(fā)生變化，它與所處的地理位置、季節(jié)、太陽輻射、天空輻射、氣候變化、空氣流動和有無熱源等因素有關。同時目標表面不斷的以輻射、對流和傳導等形式和外界介質進行熱交換。對目標溫度的外界影響基本上可以歸于環(huán)境因素和背景因素兩方面來考慮。環(huán)境因素主要是自然環(huán)境對目標的影響，在地理緯度、目標的朝向及地形條件確定的條件下，主要影響因素是目標環(huán)境對比度。而背景因素主要集中在背景溫度的影響上。當然還有其它很多因素，比如太陽輻射和風速變化等等 。此簡易設計僅做了解，不予考慮。5接收部分 光電探測器用來將接收到的紅外脈沖信號轉換成相應的電信號。接收光電管在沒收到紅外光信號時，光電管中流過的電流很少，即只有很少的“

35、暗電流”，負載上無電脈沖信號輸出；當有紅外光脈沖信號照射時，光電管的內阻急劇減少，電流增大，并在負載上得到相應的電脈沖信號輸出。由于檢測出的信號微弱，需要經高增益電壓放大器放大，然后經整流濾波電路后輸出正極性脈沖，加至觸發(fā)電路，使觸發(fā)器可靠翻轉，并輸出規(guī)范的控制信號，驅動執(zhí)行機件動作。執(zhí)行機件可以是繼電器或音響電路等。前置放大電路前置放大電路脈沖編碼解調器輸出驅動器控制電路（報警）圖5.1 紅外接收端的基本組成框圖5.1光電探測器（光敏三極管）在紅外線檢測和遙控系統(tǒng)中，與紅外發(fā)射器配套的是紅外光電檢測、接收系統(tǒng)。在紅外接收器中，紅外光電二極管、光敏三極管將接收到的紅外光指令信號轉換成相應的電信

36、號。為了實現(xiàn)對微弱的紅外信號進行轉換和檢測，除了要求高性能的紅外光電轉換器件外，還應合理的選擇并設計性能優(yōu)良的電路形式。紅外光電轉換器件是紅外接收系統(tǒng)中的傳感器件，是紅外接收前端的光電探測器件。紅外接收前端的光電探測器件有光電二極管、光敏三極管和少量其他光電器件。根據(jù)任務書的要求，本設計采用的是光敏三極管。光電三極管是靠光的照射來控制電流的器件，它可以等效為一個光電三極管與一個晶體三極管的結合，具有放大的作用。光電三極管的結構雖屬三極管形式，但基極一般不外接。目前的光電三極管是采用硅材料制作而成的。這是由于硅元件較鍺元件有小得多的暗電流和較小的溫度系數(shù)。硅光電三極管是用N型硅單晶做成NPN結構

37、的。管芯基區(qū)面積做得較大，發(fā)射區(qū)面積卻做得較小，入射光線主要被基區(qū)吸收。與光電二極管一樣，入射光在基區(qū)中激發(fā)出電子與空穴。在基區(qū)漂移場的作用下，電子被拉向集電區(qū)，而空穴被積聚在靠近發(fā)射區(qū)的一邊。由于空穴的積累而引起發(fā)射區(qū)勢壘的降低，其結果相當于在發(fā)射區(qū)兩端加上一個正向電壓，從而引起了倍率為+1(相當于三極管共發(fā)射極電路中的電流增益)的電子注入，這就是硅光電三極管的工作原理。光電三極管的集電極接正電位，其發(fā)射極接負電位。當無光照射時，流過光電三極管的電流，就是正常情況下光敏三極管集電極與發(fā)射極之間的穿透電流Iceo 它也是光電三極管的暗電流，其大小為Iceo =(1 + hFE) I式中:Icb

38、o集電極與基極間的飽和電流;hFE 共發(fā)射極直流放大系數(shù)。當有光照射在基區(qū)時，激發(fā)產生的電子-空穴對增加了少數(shù)載流子的濃度，使集電結反向飽和電流大大增加，這就是光電三極管集電結的光生電流。該電流注入發(fā)射結進行放大，成為光電三極管集電極與發(fā)射極間電流，它就是光電三極管的光電流?？梢钥闯觯怆娙龢O管利用普通半導體三極管的放大作用，將光電二極管的光電流放大了( 1 + hFE) 倍。所以，光電三極管比光電二極管具有更高的靈敏度。由于光電三極管較光電二極管有放大作用，其響應時間更短，因而用途更多。而根據(jù)任務書的要求，本設計采用的是光敏三極管TBCB30三極管相關參考資料見附錄。5.2前置放大電路在紅外

39、光接收電路中，紅外光敏器件用于將收到的紅外光指令信號轉換為相應的電信號。通常，轉換后的電信號十分微弱，必須通過前置放大電路放大到一定值后，才能送到信號處理電路或執(zhí)行機件。紅外光敏器件檢測出的相應于紅外光指令的電信號通常為微伏級，因此需要前置放大電路的電壓增益不少于60DB，且要求有良好的穩(wěn)定性能。通用型集成運算放大器具有較高的開環(huán)增益，且體積小、使用方便，價格便宜，性價比高。使用它可以很方便的設計成紅外接收小信號交流放大器。本設計采用是市場上常見且價廉的雙電源運放A741（第一塊集成運放電路是美國仙童（fairchild）公司發(fā)明的A741），A741是一種單片高性能內外補償運放，具有較寬的共

40、模和差模電壓范圍，一般不需要進行外部頻率補償，具有短路保護及失調電壓調到零的能力，而且功耗低，是一種性價比較高的通用型運算放大器。使用運放作為交流放大器的電路也是一種比例放大電路。A741構成的反相交流放大器電路。該電路的輸出電壓與輸入電壓是反相的，即輸入信號通過R1加至放大器的反相器的反相輸入端。Rf和R1構成反饋網(wǎng)絡。該電路的電壓增益為Gf=-(Rf/R1)由此可知，放大器的電壓增益只與Rf和R1有關，式中的負號表示輸出信號與輸入信號的相位相反關系。Ci與Co分別為電路的輸出端與輸入端電容器，其值視工作頻率范圍而定。若工作在高頻范圍，可選2000pF-0.22F。其具體電路圖，見附錄（一）

41、。要求接收到得紅外信號應該放大60dB，所以，電壓增益為1000.所以取得R1=910，Rf=910K。5.3解調電路5.3.1鎖相環(huán)CD4046（一）CD4046的內部組成和引腳排列1414PDPD162131VSS3VCO4671112源極跟隨器5815910圖 5.3.1 CD4046的內部組成框圖112345678161514131211109CD4046圖5.3.2 CD4046的引腳圖符號引腳號名 稱 功 能PH1114相位比較器輸入端（基準信號輸入 ），相位比較器輸入信號，輸入允許將0.1V左右的小信號或方波信號在內部放大并再經過整形電路后，輸出至相位比較器。PH123相位比較器

42、輸入端（比較信號輸入） 通常PD來自VCO的參考信號。PH012PD輸出端 相位比較器1輸出的相位差信號，它采用異或門結構，即鑒相特性為 。PH0213PD輸出端 相位比較器的輸出端，它采用，上升沿控制邏輯。PH031輸出端（相位脈沖輸出） 相位比較器2輸出的相位差信號，為上升沿控制邏輯。環(huán)路人鎖時為高電平，環(huán)路失鎖時為低電平VC019壓控振蕩器的控制端。VC004壓控振蕩器輸出端INH5VCO禁止端，有效控制信號輸入，高電平時禁止，低電平時允許壓控振蕩器工作。R111VCO外接電阻R1R212VCO外接電阻R2C16 7并接振蕩電容C1，以控制VCO的振蕩頻率。DEM010解調信號輸出端15

43、內部獨立的齊納穩(wěn)壓二極管負極。表5.3.3 CD4046引腳功能CD4046引腳功能描述如下：16和8腳分別為供電電壓的正端和負端；14腳是信號輸入端，一般要求其輸入信號不宜小于100mV；2和13腳分別是相位比較器PC和PC的輸出端，通過它們的外接電阻R3、C2組成的低通濾波器送入VCO的控制端9腳；6和7腳外接電容C1，11腳外接電阻R1，C1和R1決定VCO的振蕩頻率；12腳外接R2，R2決定VCO的最低振蕩頻率，R2阻值減少時，最小頻率增大，頻率范圍會縮?。?5腳是VCO的禁止端，當5腳置于高電平時VCO便停止工作，而置于低電平時，VCO才開始工作；4腳是VCO的輸出端；3腳是比較輸入

44、端；10腳是低通濾波后源跟隨器的輸出端；15腳為內部穩(wěn)壓二極管VDW的正電壓輸出端，在電路中需外接限流電阻Rs；1腳是相位比較器PC的鎖定指示輸出端，當電路進入鎖定狀態(tài)時，1腳輸出高電平，而在失鎖時1腳輸出低電平。（二）工作原理：鎖相環(huán)CD4046為數(shù)字鎖相環(huán)(PLL)芯片，內有兩個PD、VCO、緩沖放大器、輸入信號放大與整形電路、內部穩(wěn)壓器等。它具有電源電壓范圍寬、功耗低、輸入阻抗高等優(yōu)點，其工作頻率達1MHz，內部VCO 產生50% 占空比的方波，輸出電平可與TTL電平或CMOS 電平兼容。同時，它還具有相位鎖定狀態(tài)指示功能。R1 、R2、C確定VCO 頻率范圍。R1控制最高頻率，R2控制

45、最低頻率。 R2=時，最低頻率為零。無輸入信號時， PD 將VCO調整到最低頻率。鎖相環(huán)CD4046的一個重要功能是：內部壓迫、控振蕩器的輸出信號從第4腳輸出后引至第3腳輸入，與從第14腳輸入的外部基準頻率信號和相位的比較。當兩者頻率相同時同，壓控振蕩器的頻率能自動調整，直到與基準頻率相同。PD為異或門鑒相器，PD為具有鑒頻功能的數(shù)字鑒頻器。由于PD具有鑒頻功能，由它組成的環(huán)路具有很好的捕捉性能且線性范圍大。而PD無鑒頻功能，由它組成的環(huán)路捕捉范圍小，工作不穩(wěn)定。所以人們幾乎普遍采用PD，有時還把PD組成的環(huán)路作為低頻增益環(huán)路來處理。鎖相環(huán)的基本工作原理如下：輸入信號UI從14腳輸入后，經過A1進行放大和整形，加至相位比較器和的輸入端。圖中將開關S撥到第2腳，相位比較器就把從第3腳輸入的比較信號與輸入信號UI進行相位比較，由第2腳輸出的誤差電壓U即反映出二者的相位差。U經過由R3、R4、C2組成的低通濾波器濾除高頻之后，就獲得控制電壓Ud，加至VCO的輸入端來調整其振蕩頻率，使f2迅速逼近于f1。（三）CD4046的主要電性能參數(shù)及設計參考表主要講CD4046的特