探测复习

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,探测的意义是获取信息,能 量 中 包 含 着 信 息,好的探测器应该是一个“黑体”，能够反映出它所接收的所有数据，供筛选,隐身的目的是使目标成为“黑洞”，不让任何能量辐射出去（不让有用信息外泄）,探测通常是通过波动与场来完成的,Johnson,判据,Johnson,判据把视觉辨别分为四大类：即探测、趋向、识别、和确认,Johnson,判据,目标的等效条带图案,是一组黑白间隔相等的条带状图案，其总高度为基本上能被识别的目标临界尺寸，即目标的最小投影尺寸，条带长度为垂直于临界尺寸方向的横跨目标的尺寸。,等效条带图案可分辨力为目标临界尺寸中所包含的可分辨的条带数，通常以“周,/,临界尺寸”来表示,五,、,Johnson,判据,辨别等级,含义,最小尺寸上的周数,探测,存在一个目标，把目标从背景中分别出来,1.0,识别,识别出目标属于哪一类别,4.0,确认,认出目标，并能足够清晰地确定其类型,8.0,工业上辨别等级,50%,概率的近似值,五,、,Johnson,判据,目标传递概率函数,TTPF,可用于所有的目标辨别任务，只需在完成此任务的,50%,的概率上乘以,TTPF,因子,50%,的辨识概率被标为,N50,，对,探测、识别、确认,而言为,1,，,4,，,8,辨别概率,1.0,0.95,0.8,0.5,0.3,0.1,0.02,0,TTPF,因子,3.0,2.0,1.5,1.0,0.75,0.5,0.25,0,五,、,Johnson,判据,7.,目标传递概率函数,80%,的确认概率,=1.5N50=1.58=12,周,/,目标最小尺寸,辨别概率,1.0,0.95,0.8,0.5,0.3,0.1,0.02,0,TTPF,因子,3.0,2.0,1.5,1.0,0.75,0.5,0.25,0,五,、,Johnson,判据,二维辨别,用目标面积的方案需考虑大的目标纵横比。,Johnson,在他一维辨别中应用了最小尺寸，在考虑面积时的方案是用,临界尺寸为目标面积的平方根,，即,在一维判则中乘以,0.75,，这样一维和二维模型可以判别同样的距离,六、杂波,在中等杂波环境下，实验结果与上述的经验,TTPF,公式粗略吻合。因此，当考虑杂波的影响时，在低（,10,SCR,）、中（,1SCR10,）、高,(SCR1),杂波环境下，相应地用,0.5,，,1,，,2.5,作为,N,50,的因子是合适的。,因此，若有严重的杂波，则最小尺寸的周数便要增加；反之，若杂波较小时则可减小。具有强烈特征的目标也可以只需要较少的周数。,四、夜视环境,-,大气散射,瑞利散射,(,散射粒子,r,),以粒子对入射辐射的无规则的反射、折射为主与波长无关：无选择性散射,夜视技术的发展,第一代：,50,年代末 级联耦合像增强器,特点：完全被动，隐蔽可靠,第二代：,70,80,年代 微通道板（,MCP,）作为电子倍增器件,特点：结构紧凑 夜视眼镜,三代：,80,年代，高灵敏度的,GaAs,负电子亲和势光阴极,特点：高灵敏度，视距远,一、 微光夜视器件,一代微光像增强器,通过,级联以及缩小倍率,等方法，,增强图像亮度的像管,单级管亮度增益低，即使靠缩小倍率也只能达到几千倍的增益；三级级联像增强器亮度增益可达数万至数十万倍,标准一代管,输入窗和输出窗均有纤维学面板,制成，以便于级联或与其他成像元件耦合,*,一、 微光夜视器件,一代微光像增强器,光纤面板：由大量光学纤维规则排列，熔压而成的,厚度小于横截面尺寸,的板状刚性纤维学元件,其传光传像的原理是,光从光纤的一端输入，在纤维壁上经过多次全反射，最后从纤维的另一端输出,*,2.1,一代微光增强器,建立在,20,世纪,50,年代出现的多碱光阴极和纤维光学面板的基础上的,缺点：单级管亮度增益较低,解决办法：通过级联的方法逐级增强图像亮度,有强光过荷现象,细管的内壁镀有二次电子发射材料，当电子从细管的端部射入时，就在端部管壁激发出少量二次电子。这些电子被管壁电压加速。被加速的电子一面前进，一面与管壁碰撞，激发出更多的二次电子。最终，输出端的电子数将比输入端增多。,六、,微通道板,(MCP)-,结构图,*,14,内壁通道具有良好的二次电子倍增性质，产生倍增的二次电子,二次发射系数,MCP,各通道彼此隔离,*,16,为什么微光夜视仪的荧光屏上显示的图像是绿色的？,光学图像,光电子流，加速增强能量后轰击荧光屏显现图像；对余晖特性要求高，余晖时间短则闪烁，余晖时间长则拖影；专用的硫化锌荧光粉满足以上的要求。,二、微光成像系统,-,工作过程,由夜天微光照射目标，目标反射的辐射进入光学系统的物镜，,物镜把目标成像在位于其焦平面的像增强的光阴极面上，像增强器对目标进行光电转换，电子成像和亮度增强，并在荧光屏上显示目标的增强图像。,*,18,微光夜视成像系统的工作原理,微光夜视成像系统的工作原理：,物镜将景物信息收集、成像于探测器件的输入面上，经由光敏面,光电光谱转换,、高压电子能量增强、微通道板,(MCP),电子倍增,、荧光屏,电光转换,，最后在末端显示器上再现景物的图像，从而完成人眼原不可见或不易看见的景物的观察,第四章热成像,大气窗口：,通常把电磁波通过大气层时较少被反射、吸收或散射的，透过效率较高的波段称为大气窗口。,红外辐射的基本定律,1,、基尔霍夫定律,该定律表明：,吸收本领大的物体，其发射本领也大,如果物体不能发射某波长的辐射能，则也不能吸收该波长的辐射能,任何波长的黑体在单位时间，单位面积上发出或吸收的辐射能都比同等条件下的其他物体要多,红外辐射的基本定律,2,、普朗克辐射定律,普朗克量子假说：,黑体是简谐振子构成的发射体,简谐振子不能连续的发射或吸收能量,热辐射,本质：,从物质内部发射出来的，物质的运动是产生红外线的根源；,其物理本质是,热辐射,辐射体的温度,决定热辐射的强度及光谱成分,红外探测器,热探测器,:,利用某些物质对温度的敏感特性、探测红外辐射能量的热敏元件,热探测器：热电阻型，热电偶，热释电探测器 ，高莱气动型,优：响应波段宽，室温工作，使用方便，一般 无需制冷，易于维护,缺：响应时间长，灵敏度低，红外变化缓慢场合,热探测器,热敏电阻,热敏物质吸收红外辐射后，温度升高，阻值发生变化。阻值变化的大小与吸收的红外辐射能量成正比。,热电偶,把两种不同的金属或半导体细丝,(,也有制成薄膜结构,),连成一个封闭环，当一个接头吸热后其温度和另一个接头不同，环内就产生电动势，这种现象称为温差电现象。,热探测器与光子探测器性能比较,热探测器一般在室温下工作，不需要制冷,多数光子探测器必须在低温条件下才能有优良的性能,热探测器对各种波长的红外辐射均有响应，是无选择性探测器；光子探测器只对短于或等于截止波长,c,的红外辐射才有响应，具有选择性的探测器,热探测器的响应率比光子探测器的响应率低,1,2,个数量级，响应时间比光子探测器长很多,红外探测器,-,光子探测器,光子探测器,吸收光子后发生电子状态的改变，从而引起几种电学现象,。这些现象统称为光子效应。测量光子效应的大小可以测定被吸收的光子数。利用光子效应制成的探测器称为光子探测器,热探测器与光子探测器性能比较,热探测器一般在室温下工作，不需要制冷,多数光子探测器必须在低温条件下才能有优良的性能,热探测器对各种波长的红外辐射均有响应，是无选择性探测器；光子探测器只对短于或等于截止波长,c,的红外辐射才有响应，具有选择性的探测器,热探测器的响应率比光子探测器的响应率低,1,2,个数量级，响应时间比光子探测器长很多,红外辐射在大气中的传输,对红外辐射衰减最重要的是,水蒸气、二氧化碳和臭氧,若红外辐射是平行光束，则大气吸收使红外辐射在传输路程上的功率按,指数,衰减,斯特林循环制冷,-,气体等熵膨胀制冷,制冷循环过程：,两等温，两等容,a-b,等温压缩，压缩热由冷却器带走,b-c,等容降温，压缩气体通过再生器而降温,c-d,等温膨胀，压缩气体在恒定的温度,Tc,下膨胀，吸收热量,d-a,等容升温，低温低压气体由膨胀活塞推过再生器而复温,A,是压缩腔，,B,是膨胀腔，,R,是添料回热器或叫蓄冷器。曲柄顺时转动时，膨胀活塞运动超前，压缩活塞转动 ，转动一周可以实现上述四个过程,斯特林循环制冷,-,气体等熵膨胀制冷,红外焦平面凝视系统,所谓红外焦平面列阵就是将,红外探测器与信号处理电路结合在一起,并将其设置在光学系统焦平面上。,而“凝视”是指红外探测器响应景物或目标的时间与取出列阵中每个探测器响应信号所需的读出时间相比很长。,探测器“看”景物时间很长,而取出每个探测器的响应信号所需的时间很短,即“,久看快取,”就称为,“凝视”,。,*,粒子也偶发光子发生作用，处于 的粒子就,会被诱导跃迁回基态并释放与偶发光子特性完全相同的光子,这就是激光产生的,物理基础,介质中的受激辐射会产生,光放大,（与粒子数反转密度和介质受,激辐射跃迁迁光谱线的线型有关），,其受激光子数以雪崩形式增加，,并可在相应的,光学共振腔,内形成激光发射,外部施加泵浦,当 时,也称负温度状态,外界条件,上的粒子数不断增加,反转状态,一个只有上能级 及下能级 的简单二能级系统是很难实现粒子数反转并产生激光输出的。,常用的能级系统分为三大类：,三能级系统，四能级系统，类四能级系统,a,红宝石中的铬离子,b,氩离子激光器的,Ar,离子,c,铒玻璃及掺钕钇铝石榴石,激光工作物质外，需要外界提供激励能量（即泵浦源）来激发激光工作物质，形成粒子数反转状态,粒子数反转,原子力图占据能量最低的状态，为产生激光需使某一高能级的粒子数超过某一低能级的粒子数，实现粒子数反转,实现粒子数反转使得在相应的两个能级间受激辐射胜过受激吸收,产生激光,激光的产生,粒子数反转,在常温条件以及对发光物质无激发的情况下，发光粒子处于下能级,E1,的粒子数密度,n1,大于处在上能级,E2,的粒子数密度,n2,。此时当有频率等于,的一束光通过发光物质时，受激吸收将大于受激辐射，此时光强减弱,如果采取如光照，放电等方法,从外界不断地向发光物质输入能量，把处在下 能级的发光粒子激发到上能级上去,，便可,使上能级,E2,的粒子数密 度超过下能级,E1,的粒子数密度,，我们称这种状态为,粒子数反转,。,*,36,激光测速的特点,非接触测量，不干扰目标运动,直接测速，得到真实速度和速度变化值,测定值是一个点的真实运动,-,更接近真值,激光的产生,激励,用外来能量使大量处于低能级的原子跃迁到高能级上,谐振腔,-,实现粒子数反转,反射镜,正反馈,3.,雷达,的,工作频率,频率越高,波长越小,方向性好，,不易通过,障碍,带宽越宽,传送的,信息量大,频率越低,波长越长,容易通过障碍，传播距离远,二 雷达的基本组成,由雷达,发射机,产生的,电磁能,，经,收发开关,后传输给,天线,，再定向,辐射,于大气中，如果目标位于定向天线波束内，截取一部分电磁能，再将这些截取能量向各方向,散射,，部分能量进入到雷达,接收机,。接收机将散射回波信号经信号处理送,终端显示,。,固定的杂波回波和运动目标的回波有什么区别？,1.,固定目标回波相对于雷达发射脉冲的,时延,是一个常数，而动目标不是，他是变化的。,2.,固定目标回波与雷达发射脉冲间的,相位差,是恒定的，而动目标是变化的。,3.,固定目标回波的,频率,和发射源的频率相同，而动目标是不同的，有多普勒频移。,相控阵雷达,相控阵雷达，又称作相位阵列雷达，是一种以,改变雷达波相位来改变波束方向的雷达,，因为是以电子方式控制波束而非传统的机械转动天线面方式，故又称,电子扫描雷达,。,*,42,以上两种方法都存在明显的缺点，下面我们看一下相控阵雷达是怎样解决上述问题的？,相位控制阵列雷达利用的是惠更斯原理：,当有很多点波源并且波源产生,波的频率一致时,相当于,各个,点波源为子波的波源,，点波源,以平面排列，则可产生平面波。,其原理可由图表示：,很多密集的点波源相当于子波的波源。以个波源为圆心取相同的半径画半圆，得到各波的波前。合成波的波前即为各子波波前的包络线，如果在单位面积里点波源的数量越多，合成波的波前就越接近平面，即产生平行于雷达阵面的波，所以相控阵雷达的天线为平面。这就很好的解决了要求雷达波尽可能,平行发射,以聚焦能量的问题。,惠更斯原理,障碍物的小孔成为新的波源,原波阵面,新波阵面,S,1,S,2,t,时刻,t+,D,t,时刻,u,D,t,这些不同天线单元的相位是可以通过,移相器,来控制的，而,不用转动整个天线阵面，因此扫描速度不受到天线大小的限制，即能够更,有效快速,的扫描跟踪目标。,相控阵雷达的分类,相控阵雷达可分,有源,/,主动,、,无源,/,被动,两种,：,（,1,）,有源,相控阵雷达：,其,“,天线,”,是一种称为,T/R,模组的接收与发射装置，每一块都能自己产生电磁波，即每个阵原都有完整的发射和接收单元！,（,2,）,无源,相控阵雷达：,无源相控阵雷达则是使用,统一,的发射机与接收机，外加具有相位控制能力的相控阵天线而成，即天线本身不能产生雷达波。,合成孔径雷达,理论上可证明，聚焦型合成孔径天线的横向分辨力为真实天线尺寸的一半为,D/2,，与距离,R,无关,实际天线方位孔径,D,越小方位分辨力越好（与普通雷达概念相反,),，原因是实际天线越小，目标受到照射的区间越长，最大综合长度也越长，从而分辨力越好。实际天线的尺寸减小要受产生足够信号功率的限制，但理论上能达到非常高的分辨率。,实际,SAR,的分辨率一般介于其天线长度的一半到一倍之间。,雷达,-,雷达角分辨力,合成孔径雷达,合成孔径雷达思想提出,没有必要如长线阵天线每个阵元同时发射接收信号形成窄波束,而是,依次发射接收信号后进行存贮后叠加处理,合成孔径雷达,用一定的方式综合处理天线信号数据，以获得一个大尺寸的雷达天线孔径，而不是实际用若干个单元天线构成大尺寸的线阵天线,合成孔径雷达工作原理,雷达天线的安装使其辐射方向与飞行方向垂直,若,把每个位置上接收的回波脉冲存贮起来,，,最后将,n,个脉冲组合加权,，,其结果就与长度等于发射,n,个脉冲期间载机运动距离,L,的线性阵列天线的作用相似,雷达,-,合成孔径雷达工作原理,合成孔径天线与真实天线的不同,各个单元不是像实际线阵那样同时发和收的，而是依次发和收,普通线阵一般不聚焦，而合成孔径天线可以同时聚焦在所有距离上,什么是天基雷达？,航天器上搭载的雷达系统称为天基雷达,目前，天基雷达按用途分为三类：,轨道交会雷达,遥感卫星雷达,（合成孔径雷达）,大型相控阵监测雷达,毫米波,通常指,30,300GHz,频域,(,波长为,1,10mm),的波。,波长介于厘米波和光波之间，,因此毫米波雷达,制,导,兼有微波制导和光电制导的优点。,毫米波导引头特点,体积小,质量轻,空间分辨率高,与厘米波导引头相比,穿透雾、烟、灰尘的能力强，具有全天候,(,大雨天除外,),全天时的特点。,与红外、激光、电视等光学导引头相比,图像匹配制导的工作流程,原始图像,图形预处理,图像分割,特征提取,目标识别,当代潜艇的隐身技术,降噪措施,加吸声涂层和反雷达波涂层,优化潜艇结构,增大潜深,隐蔽通讯,降低电磁及红外辐射,声波是唯一能在海洋中远距离传输信息的信息载体,声波的衰减,1,分贝,/,公里，,10kHz,频率，（声波的衰减与频率的平方成正比），利用海洋中的波导效应，声波可以传播的更远。,电磁波的衰减,4500,分贝,/,公里（每米能量衰减百分之九十），所以海洋中是漆黑的，即使蓝绿激光，能穿透的距离也只有百米量级，并且是水质清澈条件下。,利用雷达、红外探测器、无线电侦查测向技术和磁探测技术都有可能探测到潜艇，但对潜入水下的潜艇最有效的方法还是,声纳探测法,“,俄国潜艇一下水，太平洋的监测站就能听见交响乐。中国潜艇一下水，就连俄国潜艇声都听不见了,.”,原理,“,猫眼效应,”,猫眼在黑暗中发光， 是由于猫的视网膜比身体其他部位 的反射能力强。同样，狙击手 的瞄准望远镜也比周围背景的 反射能力强。当不可见光波段的激光束照射到其表面时，就会产生狙击手不易察觉而激光探测系统能够察觉到的较强反光，从而发现狙击手。,激光探测技术,探测所要涉及的波与场,波,场,横,波,纵波,电磁场,声信号,尾流,舰艇信号的辐射途径,可见光 红外线 电磁波,磁信号,电磁波在水中的衰减特性决定了隐身设计时可以忽略舰艇在水中部分的,电磁辐射,声信号受海水的衰减不大，并且能够保证探测的精度，减弱自身的声辐射成为隐身的关键,消声瓦不仅能够削弱潜艇自身向外的声辐射，也能够削弱探测信号，降低回波强度,消声瓦还能够降低潜艇在水下航行时的阻力,推进系统降噪,与机械噪声不同，推进器噪声产生在艇体外面，是由螺旋桨转动所引起的，即主要是由螺旋桨叶片振动和螺旋桨空泡产生的,，这种噪声的频率较低，能在水中传播很远,对于空泡噪声解决方案是采用大直径低转速螺旋桨,7,叶桨是不对称结构，有效地防止共振,采用特殊的桨叶外形，这种桨叶在与尾流相遇时发生的扰动是逐渐并缓慢的，避免了强力的振动和噪声,消磁,将舰艇置于高频磁场中，一边频繁改变外磁场，,一边减弱外磁场强度，使舰艇自身的磁场降到最,低值,WINTER,Template,遮挡尾喷管：,用机身、机翼或尾翼遮挡尾喷管，使尾喷管的红外辐射更具方向性，使红外探测器不能从地面探测到飞机。,采用涡轮风扇发动机：,涡轮风扇发动机的尾喷管温度比涡轮喷气发动机低得多，使用涡扇发动机有利于作战飞机的红外隐身。,等离子隐身技术,等离子体简介：,等离子体是尺度大于德拜长度（静电作用的屏蔽半径）的宏观中性电离气体，其运动主要受电磁力的支配，并表现出显著的集体行为。,它是继物质存在的固体、液体、气体三种形态之后出现的第四态物质,它是一种处于电离状态的物质高能聚集态。,通常在这种凝聚态中电子所带负电荷与离子所带正电荷的总数相等，宏观上呈现中性。,等离子隐身技术,原理：,当电磁波与等离子体相互作用时，电磁波的一部分能量传给带电粒子，被带电粒子吸收，同时受一系列物理作用的影响，电磁波会绕过等离子体，从而降低目标的,RCS,值。,还有等离子体能以电磁波反射体的形式对雷达进行电子干扰，即通过雷达波往返传播途径弯曲，雷达显示屏上出现的是攻击武器的虚像，而不是武器的真实位置以实现隐身。据报道，采用该技术的飞行器被敌方发现的概率可降低,99%,。,隐身技术,-,降低雷达散射截面积,与波长和频率有关,雷达频率加倍，,RCS,增加四倍,目标长度为雷达波长一半，,RCS,最大,RCS,的测试,在变化的雷达频率下对拟定的设计进行测试,光电有源干扰技术,-,红外干扰弹,特点：,与目标有相似的光谱特征,能快速形成高强度红外辐射源,具有很高的效费比,光电有源干扰技术,-,红外干扰弹工作原理,光电有源干扰技术,-,红外干扰弹,红外干扰弹干扰成功的判断准则是：,使红外制导导弹脱靶，且脱靶量应大于导弹的杀伤半径，还应加上一定的安全系数,无源干扰技术,无源干扰：,用无源器件,改变光学通道的传输特性,，使己方光电设备的辐射被吸收和散射，从而大幅削弱敌方光电火控、制导设备的能效。,无源干扰,烟幕、水汽和气溶胶,箔条,角反射器,烟幕、水汽和气溶胶,（,Smoke,Water Vapor and Aerosol,）,工作原理：,烟幕、水汽和气溶胶对可见光、红外辐射和激光都具有散射和吸收作用，可以使目标的特征信号强度得到有效抑制，防止敌方的精确打击。,无源干扰技术,角反射器,（,Corner Reflector or Radar Reflector,）,工作原理：,当雷达的电磁波扫描到角反射器后，在金属角上发生反射，形成很强的回波信号,误导敌方雷达。,角反射器使任意方向光线经,23,次反射后按原方向返回,有源干扰技术,激光制导诱惑：,向假目标发射干扰激光，使敌方寻的器追踪光强重心，进而脱靶。,干扰机照射在假目标上的激光功率大于真目标上的激光功率；,有效诱惑条件：,干扰脉冲能够,“,挤入,”,寻的器接受机波门内；,假目标能够进入寻的器视场；,真假目标距离大于激光制导武器杀伤半径；,