Диссертация (1090210), страница 22
Текст из файла (страница 22)
В этом месте БЭ располагается приемник излучения, причем, конструктивно он размещен на узле юстировки, позволяющем установитьприемник в фокальной плоскости объектива и съюстировать его относительноплоскостей сканирования.В качестве приемника излучения был использован АМФД формата128×128 с отечественным мультиплексором М30Р. Матричный АМФД изго-товлялся по технологии, описанной в п. 3.3.5, за исключением размера и формата.По длинной стороне основания с двух сторон от приемника излучениярасположены элементы источника электропитания, предназначенного для питания всех электронных модулей прибора наблюдения от бортовой сети электропитания КА и гальванической развязки от нее.Через дополнительные стойки к основанию крепятся печатные платы модулей и элементов электронного обеспечения.В качестве интерфейса связи с аппаратурой КА используется стандартныйинтерфейс SpaceWire, который разработан в соответствии с требованиями перспективных космических применений и обладает следующими положительными качествами:• Высокая пропускная способность, низкие задержки распространениясигнала.• Устойчивость к отказам и сбоям.• Низкое энергопотребление.• Компактная реализация в СБИС.• Соблюдение требований ЭМС.• Поддержка систем реального времени, системных функций бортовыхкомплексов.На боковых стенках основания размещены разъемы для подключения кабелей бортовой сети электропитания КА и интерфейса SpaceWire.157БЭ закрывается кожухом, предназначенным для защиты блока от механических воздействий.4.3.3 БлендаДля защиты приемника излучения от попадания внеосевого излученияприбор наблюдения имеет защитную бленду, конструкция которой одновременно позволяет нам значительно сократить размеры прибора и защитить объектив от механических повреждений в транспортном положении.БЛ конструктивно состоит из жесткой цилиндрической части, на которойподвижно закреплены 12 ламелей.
К ламелям прикреплена соединяющая ихчасть бленды из мягкого материала (на чертежах условно не показана). БЛ размещена на МО и может свободно двигаться в продольном направлении относительно его. Все составные части БЛ в узлах соединений имеют пружины, которые обеспечивают перемещение БЛ из транспортного положения в рабочее относительно МО и раскрытие ламелей в рабочее положение.В транспортном положении (рисунок 4.9) бленда, преодолевая натяжениепружин, надвигается на цилиндрическую часть МО, ламели, преодолевая натяжение пружин, собираются к центру (оптической оси) прибора наблюдения ився конструкция фиксируется путем поворота кольца запорного (см. ГЧ) и установки его таким образом, что бы выступы кольца перекрыли выступы ламелей.
Конструкция БЛ становится жесткой и прибор наблюдения способен выдерживать механические воздействия при транспортировке и выведении КА.В рабочем положении (рисунок 4.10) кольцо запорное поворачивается спомощью электромагнитного механизма на 15º, при этом выступы кольца выходят из зацепления с выступами ламелей.
Ламели под действием пружин поворачиваются и раскрываются в рабочее положение, растягивая прикрепленную к ним часть бленды из мягкого материала. Одновременно бленда под действием пежин перемещается вперед относительно МО, принимая рабочее положение.158Рис.4.9 – Прибор наблюдения в транспортном положении. 1 – блок электроники, 2 – бленда.Рис.4.10 – Прибор наблюдения в рабочем положении. Бленда открыта и выдвинута в рабочее положение.Весприбора,рассчитанныйпрограммойSolidWorks,составляет1,8 кг ±20%.4.3.4 Определение основных электрофизических характеристик приборанаблюдения.Спектральный диапазон чувствительности прибора наблюдения зависит отсвойств алмаза использованного для его изготовления и функции пропусканиявходной оптики.
В нашем случае использовалась зеркальная система, коэффи-159циент отражения элементов которой примерно одинаков для всех длин волн вовсём спектральном диапазоне чувствительности алмазного многоэлементногофотодетектора (АМФД).Схема и порядок измерения спектрального диапазона чувствительностиАМФД приведена в приложении Б.График относительной спектральной чувствительности изображён на рисунке 4.11.Рис. 4.11 – График относительной спектральной чувствительности алмаза, изкоторого изготовлен АМФДИз графика, по методике, изложенной в приложении Б, определяется спектральный диапазон чувствительности.
В нашем случае он будет составлять 190– 225нм.Пороговая чувствительность определялась по методике, изложенной вприложении Б.Измеренный шум составлял Uш = 300 мкВ; при напряжении сигнала Uс =4 В; энергетическая освещённость E = 1,2·10-5 Вт/см2; площадь элемента А =4·10-6см2.Вычисляем пороговую чувствительность [33,119]:160U шФ U ш E ⋅ A 3 ⋅ 10 −4 ⋅ 1,2 ⋅ 10 −5 ⋅ 4 ⋅ 10 −6Фп ==== 3,6 ⋅ 10 −15 Вт/см2UcUc4Коэффициент подавления сигналов в спектральном диапазоне более0,4 мкм определялся по методике, изложенной в приложении Б.Измеренное напряжение сигнала Uc = 4 В; энергетическая освещённость вдиапазоне чувствительности АМФД E = 1,2·10-5 Вт/см2; площадь элемента А =4·10-6 см2.
Следовательно, вольтовая чувствительность будет:Su =UUс4= c == 8,33 ⋅ 1010 В/Вт−5−6Ф E ⋅ A 1,2 ⋅ 10 ⋅ 4 ⋅ 10Измеренное напряжение сигнала на волне 0,4 мкм Uc = 0,01 В; энергетическая освещенность на длине волны 0,4 мкм E0,4 = 1,23·10-3 Вт/см2.
Следовательно, вольтовая чувствительность на волне 0,4 мкм будет:S u (0,4) =UсUc0,01=== 1,19 ⋅ 10 3 В/Вт−6Ф E0,4 ⋅ A 2,1 ⋅ 4 ⋅ 10Следовательно, коэффициент подавления на длине волны 0,4 мкм будет:Su8,33 ⋅ 1010K λ = 0, 4 === 7 ⋅ 107 .3Su ( 0,4) 1,19 ⋅ 10Постоянная времени определялась по времени накопления в ячейке мультиплексора при постоянном освещении. Измеренная постоянная времени составила τ < 3 мкс.Динамический диапазон по входному сигналу определялся по методике,изложенной в приложении Б.U max4,5== 5,4 ⋅ 10 −11 Вт/см210Su8,33 ⋅ 10Следовательно, динамический диапазон будет равен:Фmax 5,4 ⋅ 10 −11D=== 1,5 ⋅ 104−15ФП3,6 ⋅ 10Диапазон спектральной чувствительности составляет 180-220 нм, и ограФmax =ничен со стороны больших длин волн значением 220 нм.
Это связано со свойствами алмаза, из которого изготовлен чувствительный элемент АМФД, его фундаментальный край поглощения находится на длине волны 225 нм. Продление161чувствительности алмаза в более длинноволновую область (вплоть до 280 нм)возможно, путём подбора алмаза с большим количеством примеси азота, но этоприведёт к кардинальному уменьшению чувствительности АМФД. Исследоватьдиапазон спектральной чувствительности на длинах волн короче 180 нм мы несмогли, из-за отсутствия вакуумного спектрометрического оборудования.
Но,согласно литературным данным [14], вплоть до 50 нм, чувствительность алмазасоставляет 0,1 от его чувствительности в максимуме фоточувствительности, тоесть входит в рабочий диапазон спектральной чувствительности.Средняя пороговая чувствительность изготовленного АМФД оказаласьравной 3,6·10-15 Вт/см2. Если рассматривать АМФД в составе оптоэлектронноготракта, то общая пороговая чувствительность прибора наблюдения существенно повышается за счёт концентрации потока излучения оптической системой.Так, зеркало прибора наблюдения, согласно ТЗ, имеет диаметр 150 мм, следовательно, его площадь будет равна:PЗ = π ⋅ r 2 = 3,14 ⋅ 0,0752 = 0,018 м2Площадь АМФД равна:PФПУ = а 2 = 0,004 2 = 0,000016 м2Следовательно, увеличение потока излучения, равное отношению площадей зеркала и АМФД будет равно:∆Ф =PЗ ⋅ K отр ⋅ K затPФПУ=0,018 ⋅ 0,9 ⋅ 0,7= 7,09 ⋅ 102 ,0,000016где Kотр – коэффициент отражения алюминия в УФ – диапазоне; Kзат – коэффициент затенения зеркала объектива вторичным зеркалом.Следовательно, пороговая чувствительность прибора наблюдения в целом, будет ФП = 3,6·10-15/7,09·102 = 5,08·10-18 Вт/см.Согласно (Б.9), повышать пороговую чувствительность прибора наблюдения можно тремя способами.
Увеличить падающий на АМФД поток излучения, изменяя входной зрачок системы, увеличить чувствительность АМФД,либо скомбинировать эти два способа.162Пороговую чувствительность АМФД, в данном конструктивном исполнении, можно увеличить более чем на один порядок, если использовать алмазнуюплёнку или мультиплексор с полярность входа n-на-p, а не p-на-n, как в нашемслучае. Это становится возможным из-за разного времени жизни носителей валмазе, что делает световую вольт-амперную характеристику АМФД существенно несимметричной (рисунок 4.23).Из рисунка видно, что в правой части чувствительность АМФД можетбыть в пятнадцать раз выше, чем при противоположном смещении, где вынужден работать исследуемый АМФД. Но, отечественная промышленность такоймультиплексор не выпускает, требуется его отдельная разработка, а зарубежный аналог не удалось приобрести из-за высокой стоимости минимальной партии кристаллов.Рассмотрим, от чего ещё зависит пороговая чувствительность АМФД.
Если посмотреть на формулу (Б.9), то станет ясно, что пороговая чувствительность АМФД прямо пропорциональна шуму и обратно пропорциональна чувствительности АМФД. Шум понижать довольно проблематично, это требует таких энергоёмких мероприятий как охлаждение АМФД или многократное сканирование изображения. Что, кроме всего прочего может привести к ухудшению массогабаритных и временных характеристик.Рассмотрим, от чего зависит чувствительность АМФД. Токовая чувствительность твёрдотельного АМФД может быть вычислена по формуле:Si ( λ ) =eη0 λG.hc0(4.5)где e – заряд электрона; η 0 – квантовая эффективность преобразования излучения; λ – длина волны; h – постоянная планка; с0 = с / n – скорость света в среде; G – коэффициент фотоэлектрического усиления, равный числу электроновтока во внешней цепи, отнесенному к одному поглощенному фотону.При фиксированной длине волны, изменять можно только коэффициентыη 0 и G.
Повышая напряжение смещения, можно увеличить η 0 на 2 порядка163[33,120]. Но, это потребует подачи киловольтных смещений на чувствительныйэлемент. Что потребует дополнительных исследований по технической и технологической реализации таких решений.Коэффициент G можно увеличить в сотни раз, но это потребует разработкилавинопролётных диодов на основе алмаза, что является нетривиальной задачей.4.3.5 Построение математической модели прибора наблюдения4.3.5.1 Построение математической модели оптической системыНа системотехническом уровне математическая модель оптической системы (ОС) представляется в рамках скалярной теории дифракции как пространственный фильтр, характеризуемый функцией рассеяния (импульсным откликом)~H0 (x’, y’) или оптической передаточной функцией (ОПФ) H N (ν x ,ν y ) .
Кромеэтого, геометрические и энергетические преобразующие свойства ОС описываются спектральным коэффициентом пропускания τ0(λ), диаметром входногозрачка D0, а также фокусным расстоянием f0. Перечисленные характеристики ипараметры при проектировании рассматриваются как переменные, которыетребуется определить.Оператор преобразования ОС входного сигнала в выходной описывается сточностью до множителей интегралом суперпозиции, а именно, распределениеполезной составляющей спектральной освещенности в плоскости изображенияx’, y’ ОС равно∆E ( x ′, y ′, λ ) = τ a (λ )τ 0 (λ )π sin 2 σ ′A ∆Lλ (λ ,где: ∆Lλ (λ ,x′ y′, ) ⊗ H 0λ ( x ′, y ′)β β(4.6)x′ y ′, ) – распределение спектральной яркости пространства предме-β βтов, приведенное к плоскости изображения;σ ′A − задний апертурный угол ОС;β – линейное увеличение ОС;164⊗− символическое обозначение математического оператора свертки.На начальной стадии проектирования требуется определить ориентировочные значения переменных проектирования.Рассмотрим общие соображения по синтезу вида функции рассеяния илиОПФ ОС.Иногда в качестве первого приближения принимают, что ОС не имеетаберраций, а качество формируемого ОС изображения ограничено лишь дифракцией на выходном зрачке (дифракционно ограниченная ОС).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
