2.2. Приемники излучения с накоплением сигнала

Особенностью фотоприемных устройств, используемых в современных ИК-системах, является накопление оптического сигнала непосредственно в фоточувствительной матрице, а не в схемах электронной обработки сигнала, как это осуществляется в схемах с приемниками мгновенного действия. Матричные структуры мгновенного действия работают без накопления заряда в режиме установившегося значения фототока. Поэтому время коммутации опрашиваемого элемента , т. е. время подключения его к источнику питания, должно быть не менее собственной постоянной времени фотоприемника. Увеличение числа элементов в структуре приводит к пропорциональному увеличению времени кадра .

В приемниках "мгновенного" действия регистрируемый сигнал пропорционален интенсивности излучения, в приемниках с накоплением – произведению интенсивности излучения и времени экспозиции. Шумы фотоприемной системы в условиях, когда собственными шумами ФПУ можно пренебречь по сравнению с шумом фонового излучения, пропорциональны времени накопления в степени 1/2. Таким образом, увеличение времени накопления позволяет улучшить отношение сигнал-шум и обнаружительную способность приемной системы. В сканирующих системах время экспозиции определяется длительностью одного или нескольких элементов разложения изображения, в несканирующих системах – длительностью кадра, поэтому наиболее эффективно режим накопления проявляется в несканирующих системах.

Принцип действия структур с накоплением основан на использовании процессов заряда и разряда внешней емкости или, что предпочтительнее, емкости самого фоточувствительного элемента, например, фотодиода, диода Шотки или МДП-конденсатора. Если на р-n переход подать напряжение обратного смещения, то в эффективной емкости перехода накопится объемный заряд. Если затем разомкнуть цепь, в которую включен р-n переход, то емкость обедненной области будет раз­ряжаться за счет генерационно-рекомбинационного тока. Для Si-диодов и МОП-структур типичны постоянные времени процесса разрядки порядка нескольких секунд при комнатной температуре. При освещении такой структуры излучением, генерирующим свободные носители тока, процесс разрядки емкости ускоряется, причем скорость разрядки про­порциональна уровню освещенности. Если обеспечить преобладание оптического тока разрядки над тепловым, например, путем понижения температуры, то количество заряда, удаленного к данному моменту времени из емкости, пропорционально интегралу потока фотонов и времени от начала разрядки до момента измерения заряда на емкости. Таким образом, периодически регистрируя заряд, необходимый для воссоздания начальных условий по напряжению (или по заряду) на емкости структуры, можно измерять интенсивность потока регистрируемого излучения.

Следует отметить, что режим накопления является обычным режимом работы многоэлементных приемников изображения для видимой области спектра. Однако реализация этого режима для ИК-систем связана с существенными трудностями. Спецификой ИК-диапазона является интенсивное фоновое излучение и низкий контраст теплового изображения в фокальной плоскости оптической системы. Контрастный поток фотонов в спектральных интервалах 3–5 и 8–14 мкм по отношению к полному потоку излучения при температуре фона 300 К и разности температур между объектом и фоном T = 1K составляет лишь 810^-5 и 10^-3 соответственно. Повышение контрастности может быть достигнуто при использовании охлаждаемых фильтров, пропускающих фоновое излучение только в той спектральной области, где лежит излучение сигнала. Другим эффективным способом повышения контрастности является вычитание фонового сигнала. В этом случае увеличиваются динамический диапазон принимаемого сигнала и время накопления. Последнее особенно важно для тех случаев, когда емкости накопительных ячеек ограничены и сигнал должен считываться достаточно часто, чтобы избежать переполнения потенциальных ям и насыщения сигнала.

Высокий уровень фонового излучения в ИК-диапазоне обусловливает существование еще одной проблемы, связанной с использованием многоэлементных ФПУ, – значительного "геометрического" шума, принципиально отсутствующего в приемных системах с одноэлементным приемником. Разброс абсолютной чувствительности отдельных элементов в матрице даже в доли процента приводит, из-за большой постоянной составляющей сигнала, к появлению на тепловом изображении структурного шума, во много раз превышающего собственный шум отдельного элемента. В сканирующих системах чувствительности отдельных элементов могут быть усреднены по нескольким элементам в матрице. Для осуществления этого обычно используется режим временной задержки и накопления (ВЗН). При этом опрос элементов ФПУ синхронизиру­ют с процессами сканирования таким образом, чтобы каждый элемент разложения изображения поочередно регистрировался несколькими элементами соответствующей ему строки или столбца матрицы ФПУ, затем показатели усредняются.

В несканирующих системах режим ВЗН не может быть использован. Для получения в несканирующей системе, работающей в дипазоне длин волн 8–14 мкм, такой же пороговой чувствительности, как в сопоставимой сканирующей системе, неравномерность чувствительности отдельных элементов не должна превышать 0,1 %. При существующих технологиях изготовления ФПУ указанное требование выполнимо только для матриц диодов Шотки.

Таким образом, прямое использование в несканирующих ИК-системах приборов регистрации теплового изображения, работающих в ждущем режиме, затруднительно. Матрица приемников излучения должна работать в комплексе с эффективной схемой обработки, обес­печивающей обработку в реальном масштабе времени большого объема информации для выравнивания чувствительности отдельных элементов матрицы.