- •Новосибирский государственный технический уНиверситет
- •В.А. Илюшин
- •V курса факультета рэф по специальностям
- •200100 «Микроэлектроника и твердотельная электроника»
- •Глава 1 Тепловизионные системы
- •Глава 2 Принципы построения тепловизионных систем
- •2.1. Предельные характеристики приемных систем
- •2.2. Приемники излучения с накоплением сигнала
- •2.3. Расчет параметров приемных систем
- •2.3.1. Сканирующие системы
- •2.3.2. Несканирующие системы
- •2.4. Конфигурации матричных фпу
- •Глава 3 Основные характеристики фотонных приемников
- •3.1. Примесный фоторезистор
2.3. Расчет параметров приемных систем
2.3.1. Сканирующие системы
Предположим, что на расстоянии от оптической системы с эффективной площадью входного зрачка и фокусным расстоянием находится протяженный источник излучения, представляющий собой абсолютно черное тело с температурой . Источник наблюдается на некотором фоне, излучение которого представляет собой также излучение абсолютно черного тела при температуре .
Спектральный поток излучения, собираемый оптической системой и попадающий на приемник излучения
, (1)
а сигнал, снимаемый с приемника
, (2)
где – абсолютная вольтовая чувствительность приемника, В/Вт; – спектральная плотность потока излучения абсолютно черного тела при температуре , Вт/см мкм; – угол мгновенного поля зрения приемной системы (апертурный угол отдельного элемента приемника).
Отношение сигнал-шум для немонохроматического излучения
. (3)
Обычно вместо абсолютной вольтовой чувствительности используют приведенную обнаружительную способность:
, (4)
где – площадь чувствительного элемента, далее для простоты предполагаемого квадратным со стороной ; – ширина полосы пропускания электронного тракта усиления сигнала и шума; – энергетический поток излучения, при котором отношение сигнал-шум равно единице. Поскольку по определению , то
(5)
и
. (6)
В этом случае выражение (3) для отношения сигнал-шум принимает вид
. (7)
Оптимальная величина полосы пропускания электронного тракта оптико-электронных приборов зависит от назначения приемной системы, а также от спектральных характеристик сигнала и шума. Обычно используется фильтр с полосой пропускания, согласованной с полосой частот, занимаемой сигналом. В первом приближении можно принять, что ширина полосы связана с временем, приходящимся на один элемент разложения наблюдаемой тепловой картины , соотношением
, (8)
где c – некоторая постоянная порядка единицы. Учитывая, что угол мгновенного поля зрения равен угловому размеру чувствительного элемента приемника излучения
, (9)
получаем, что разностный сигнал, определяющий контраст теплового изображения цели с температурой на фоне с температурой ,
. (10)
При малых температурных контрастах разность в подынтегральном выражении может быть заменена дифференциальной разностью и выражение для теплового контраста примет вид
, (11)
где , – относительная спектральная характеристика приемника излучения.
Время , приходящееся на один элемент разложения, определяется длительностью кадра и соотношением между величинами углов мгновенного поля зрения и полного поля обзора :
, (12)
где – полное число элементов в многоэлементной матрице приемника; – число строк; – число столбцов.
Таким образом, контрастный сигнал
. (13)
При конструировании приемной системы, исходя из ее назначения, обычно задаются значениями длительности кадра , полного поля обзора , мгновенного угла зрения , а также разницей температур объекта фона. Значением параметра также задаются, поскольку оно определяется функциональным назначением системы. Таким образом, в ходе разработки приемной системы для обеспечения заданного соотношения сигнал-шум можно варьировать только величины , , и .
Увеличение размеров входного отверстия оптической системы приводит к резкому увеличению массы и габаритов приемного устройства, что не всегда допустимо. Уменьшение фокусного расстояния при неизменной величине приводит к росту аберраций в оптической системе, необходимости ее усложнения и сопутствующим этому отрицательным явлениям. Поэтому относительное отверстие оптической системы приемного устройства фактически является заранее заданной величиной. В правильно сконструированных приемных системах значение приведенной обнаружительной способности приемника излучения близко или равно максимально возможному, определяемому флуктуациями излучения фона (режим ограничения фоном ОФ или BLIP-режим):
, (14)
где – постоянная Планка; – скорость света; – квантовая эффективность преобразования излучения; – интенсивность фонового излучения, падающего на чувствительный элемент.
Таким образом, все параметры (за исключением ), которыми может управлять разработчик, равны или близки к своим максимальным значениям, и для существенного увеличения отношения сигнал-шум у современных приемных систем есть фактически только одна возможность – увеличивать число элементов в многоэлементном приемнике излучения.
Если не учитывать особенности изготовления и функционирования многоэлементных ФПУ, которые будут рассмотрены в последующих главах, и исходить из допущения, что в распоряжении разработчика имеются многоэлементные приемники с любым требуемым числом элементов, то максимально возможное число элементов в матрице будет определяться особенностями применения матриц в приемных системах.
Одним из основных условий, которое должно выполняться в правильно сконструированной приемной системе, является преобладание шумов приемного элемента над шумами последующей электронной схемы считывания и усиления сигнала. При выводе уравнения для контрастного сигнала предполагалось, что это условие выполняется. Ширина полосы , в которой происходит накопление шумов, определяется частотой опроса элементов в матрице. Последняя, в свою очередь, зависит от времени кадра и числа элементов в матрице, которые должны быть опрошены за время кадра. Как следствие, при заданных разработчиком исходных данных в виде времени кадра и уровня шума предварительного усилителя максимально допустимое число элементов в матрице устанавливается автоматически.