Формозов Б.Н. Аэрокосмические фотоприемные устройства в видимом и инфракрасном диапазонах. Ч.1 (2002) (1095905), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Все источники – протяженные. Но на практике при больших дальностях облученность от точечного источника на расстоянии от неговычисляется по формуле:E=Jd2, Вт ⋅ стер –1 ⋅ см−2 .(1.2)1.1. Òåïëîâîå èçëó÷åíèåНагретые тела (твердые и жидкие) характеризуются непрерывнымраспределением излучения по спектру длин волн с единственным максимумом, положение которого зависит от температуры источника. Такие источники называют тепловыми, а тела эти обычно находятся всостоянии термодинамического равновесия. Излучение пламени илиэлектрического разряда в газах не непрерывно по спектру, а сконцентрировано в узких интервалах – линиях и полосах. Такие источники называют селективными.8Примерами селективных излучателей являются факелы двигателейсамолетов и ракет, а также слои в скачке уплотнения, окружающие возвращающийся в атмосферу космический аппарат (КА) и отделившиесябоеголовки МБР.Фундаментальным понятием при изучении теплового излучения является понятие об абсолютно черном теле (АЧТ), т.
е. теле, поглощающем все падающее на него излучение любых длин волн.Спектральное распределение излучения АЧТ описывается закономПланка (в табл. 1.1 ε ≡ 1 ):Wλ =2πhc 21ch / kT λ5λ−1eФормулу (1.3) обычно записываютc1Wλ = 15 c / λT,λ e2−1.(1.3)(1.4)где Wλ – спектральная плотность излучения, Вт ⋅ см −2 ⋅ мкм −1 ; λ – дли-()2−34на волны, мкм; h – постоянная Планка 6,62 ⋅10 Вт ⋅ c ; Т – абсо-лютная температура, К; с – скорость света,24C1 = 2πhC = 3,74 ⋅10 Вт ⋅ см(–24W = ∫ Wλ d λ =02 π5 k 415c 2 h344T σT . (1.5)Спектральная плотность излучения,Вт⋅см–2⋅мкм, λ∞−2310)см ⋅ с –1 ;4⋅ мкм ;k – постоянная Больцмана, 1,38 ⋅10Спектральная плотность излучения АЧТ в диапазоне температур от 500 до 900 К показана на рис. 1.2.Из рис. 1.2 видно, что полныйлучистый поток, излучаемыйАЧТ, быстро возрастает с ростом температуры.
Закон этоговозрастания можно получить,проинтегрировав уравнениеПланка (I.3)(3 ⋅10C2 = ch / k = 1, 44 ⋅10 мкм ⋅ К ;)Вт ⋅ c ⋅ К −1 .0,80,40,103915Длина волны, мкмРис. 1.29Соотношение (1.5) называется законом Стефана – Больцмана, аσ – постоянной Стефана – Больцмана:σ = 5,67 ⋅10−12 Вт ⋅ см −2 ⋅ К −4 .Итак, полное излучение АЧТ возрастает пропорционально Т4. Продифференцировав уравнение Планка (1.2), получим закон смещенияВина:λ max T = a,(1.6)где λ max – длина волны, на которой наблюдается максимум распределения спектральной плотности излучения по длинам волн, аa = 2898 мкм ⋅ К.Из квантовой механики известно, что тепловое излучение есть поток квантов Бозевского газа – фотонов.Энергия теплового фотона:hc 1,99 ⋅ 10−19, Вт ⋅ с,=λλ(1.7)т.
е. 1,0 Вт ≈ 5 ⋅1018 фотон ⋅ с –1.1.2. Прохождение излучения через атмосферуПри проектировании инфракрасной системы любой разработчикрешает задачу создания аппаратуры по следующей схеме (рис. 1.3).Далее будет показано, что модулятор необходим только при использовании линейных приемников. При использовании телевизионных матричных приемников модулятор не нужен. Однако почтивсегда (за исключением случая "космос–космос") излучение отцели проходит сквозь слой земной атмосферы и либо ослабляется, либо вовсе затухает за счет рассеяния и поглощения молекулами водяного пара, углекислого газа и озона. Спектральное пропускание атмосферой излучения, измеренное на горизонтальной трассе протяженностью 1,8 км на уровне моря, приведено на рис.
1.4.Сверхкоротковолновое ультрафиолетовое излучение задерживает озоновый слой на высоте около 80 км.На рис. 1.4: а – обычный ультрафиолет – от 0,2 до 0,4 мкм и видимыйдиапазон – от 0,45 до 0,8 мкм; б – ближний ИК – диапазон (0,8–2,6 мкм);10ЦельАтмосфера,ослабляющаяизлучениеОптическаясистемаУстройствоохлажденияприемникаОптическиймодуляторПриемникизлученияИндикаторСхемаобработкисигналаРис. 1.380604020а б0 1 2гв34 5 6 7Пропускание, %1008 9 10 11 12 13 14 15 16Длина волны, мкмРис. 1.4в – средний ИК – диапазон (2,9–6,0 мкм); г – дальний ИК-диапазон(8,0–14,0 мкм).
В атмосфере имеются окна прозрачности, которые стандартизованы в Международной фотометрической системе (МФС) через λ ± ∆λ :11– в видимом и начале ближнего ИК-диапазонов: B, V, R, J – до1,2 мкм;– H-диапазон – (1,6 ± 0,1) мкм;– К-диапазон – (2,2 ± 0,3) мкм;– L-диапазон – (3,6 ± 0,45) мкм;– М-диапазон – (4,6 ± 0,5) мкм;– N-диапазон – (10,0 ± 2,0) мкм;– Q-диапазон – (20,0 ± 0,4) мкм.Между полосами прозрачности имеются полосы полного поглощения ИК-излучения атмосферой, в основном, углекислым газом СО2:2,6–2,9 мкм; 4,2–4,4 мкм и парами воды Н2О: 5,0–8,0 мкм.Аэрокосмические приемники изображения используют те или другие полосы пропускания или поглощения в зависимости от назначения.1.3.
Входные оптические окна и фильтры изображенияВсе глубоко охлаждаемые приемники изображения должны бытьизолированы от внешней среды путем размещения в устройстве, именуемом "криостатом". Криостатам в дальнейшем будет посвящен специальный раздел.Криостатом называется устройство, в котором за счет различных фазовых превращений в твердых телах, жидкостях или газах обеспечиваетсятермостатирование на том или ином уровне криогенных температур.Для пропускания излучения криостаты снабжаются входными оптическими окнами, имеющими необходимую полосу пропускания излучения, а для формирования заданной рабочей полосы длин волн ИК-приемника – охлаждаемыми фильтрами изображения.В табл. 1.2 приведены наиболее распространенные материалы, используемые для изготовления входных оптических окон.Таблица 1.2МатериалПолоса пропускания,мкмКоэффициентпреломленияПлавленный кварц КИЛейкосапфир0,3–4,50,3–5,51,431,67Иртран-2 (ZnS)0,8–15,02,20КремнийГерманий1,06–15,01,7–25,03,424,0012Из указанных материалов изготавливают оптические диски необходимой толщины, чтобы выдерживать давление атмосферы при вакууме внутри криостата диаметром до 0,5–0,6 м.
Для видимого диапазонаудобен еще кварц марки КУ и КВ. Для ИК-диапазона (особенно дальнего) чаще всего применяют монокристальный германий марки ГМО-1,ГМО-2, ГМО-3 и др. Отличаются они только диаметром слитка исходного монокристалла.Неудобством германия является его высокий показатель преломления (n = 4).
Поэтому окна из германия, как правило, просветляют, покрывая полуволновыми и четвертьволновыми слоями прозрачного в заданном диапазоне материала, но с меньшими показателями преломления. Охлаждаемые фильтры делают обычно на германии.Следует несколько подробнее остановиться на оптических показателях, указанных в табл. 1.1: ε, α, ρ, τ .По законам Кирхгофа тела не излучают энергии в своей полосе прозрачности.
Коэффициент поглощения αλα λ = 1 − τλ − ρ λ ,(1.8)где τλ – коэффициент пропускания; ρλ – коэффициент поглощения.Его можно приравнять к спектральному коэффициенту теплового излучения ( αλ = ελ ) , т. е. к спектральной степени черноты.Типичные значения τ , ρ , α , и ε приведены в табл. 1.3Таблица. 1.3Материал образцаОптические характеристикиτГерманий ГМОКварц КИЛейкосапфир0,490,690,49ρ0,440,150,24α0,070,160, 27Коэффициенттепловогоизлучения ε0,130,750,60Данные усреднены по результатам спектральных измерений в диапазоне от 2 до 25 мкм (кварц КИ и лейкосапфир – до 6 мкм).В качестве холодного АЧТ удобно использовать диск из сотовогонабора отрезков капилляров из нержавеющей стали, покрытых толстымслоем черной матовой эмали КС-818; ε такого имитатора АЧТ ε ≥ 0,95 .13Для имитации нагретых АЧТ с тыльной стороны диска монтируетсяспиральный нагреватель и датчик температуры.Из горячих АЧТ упомянем Солнце – АЧТ с температурой 6040 К(λ max = 0, 48 мкм ) .
Сопла реактивных самолетов и ракет можно рассматривать как серое тело c ε = 0,9 . Из материалов с низкой излучательной способностью следует отметить хорошо отполированное золото с ε ≤ 0,02 и медь с ε ≤ 0,05 .Чаще всего пользуются глобаром: прямонакальным вольфрамовымстержнем в кожухе, имеющем диафрагму для излучения и охлаждаемом холодной водой; температура глобара Tгл ≈ 1400 К.Для телевизионных испытаний чаще всего используют источник типаА – вольфрамовая нить с Т = 2856 К. Тогда применяют световые единицы; люмен и люкс (1 лм/м2).142. ЦЕЛИ И ФОНЫОтносительная спектральнаяяркостьСобирательным термином "цели" обозначаются объекты, которыедолжны обнаруживаться ИК-системами или формирователями видимого изображения.Турбореактивные двигатели (ТРД) самолетов.
Они имеют дваисточника излучения: раскаленную металлическую трубу и струювыхлопных газов, называемую "факелом". Температура факела ТРДсоставляет 600–900 °С, а ε ≈ 0,9 , пло2щадь примерно равна площади сопла.Полоса излучения факела ТРД (СО2)представлена на рис. 2.1, где 1 – ре3зультаты наблюдений; 2 – коррекция на поглощение СО2 атмосферы;3 – аппроксимация.Имеется еще и вторая полоса поглощения атмосферой (2,6–2,9 мкм),которая по спектральной яркости сла1бее полосы 4,3 мкм в 2,5–10 раз(в зависимости от видов топлива).4,04,2 4,44,64,8Однако решающим фактором выбоДлина волны, мкмра рабочей полосы приемника являРис 2.1ется уровень фона.Ракетные двигатели (РД).
Температура сгорания топлива РД лежит в пределах от 600 до 4500 °С, а ε ≈ 0,9 . Для ракет с жидкостнымреактивным двигателем (ЖРД), работающем на керосине и жидком кислороде, температура сгорания равна 3520 К, а расчетная температуравыхлопных газов – 1940 К; ε ≈ 0,9 .Аэродинамический нагрев. Самолеты, летящие со скоростью v > 2 М(М – скорость звука), нагреваются настолько, что излучение их переднейполусферы легко обнаруживается не только в диапазоне 8–12 мкм, но ив диапазоне З–5 мкм. Аналогично, крылатые ракеты, летящие в плот15Спектральная лучистостого,103 Вт⋅см–2/стер.
мкм λных слоях атмосферы со скоростью 700–800 км/ч, излучают примернотакже передней полусферой за счет аэродинамического нагрева. Ихтакже можно обнаруживать в диапазонах 8–12 и 3–5 мкм.Живая сила. Коэффициент излучения ε человека ≈ 0,99 на длинахволн λ ≥ 4 мкм.
Во время войны во Вьетнаме ВВС США обнаруживали скопление вьетконговцев в джунглях, измеряя температурный контраст живой силы и листвы (особенно ночью) с помощью тепловизоров,установленных на самолетах.Наземные транспортные средства. Коэффициент излучения ε красок ≈ 0,85 и выше. Работающие двигатели обнаруживаются в диапазоне 3–5 мкм, а холодные части автомобилей – в диапазоне 8–12 мкм.Звезды и планеты. Большинство из наиболее ярких звезд хорошообнаруживается в видимой и ближней ИК-области спектра в ночныхусловиях. Максимумы собственного излучения планет лежат в интервале от 3 мкм для Меркурия до 5 мкм для Луны, Венеры, Марса безучета отраженного солнечного излучения.Цели обычно наблюдаются на различных фонах, что осложняет процесс обнаружения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
