Формозов Б.Н. Аэрокосмические фотоприемные устройства в видимом и инфракрасном диапазонах. Ч.1 (2002) (1095905), страница 6
Текст из файла (страница 6)
При η = 0,01 фоновый заряд будетЭнергетический контраст – отношениеQф2,7 = 1,3 ⋅ 1019 фотон с ⋅ 0,01е – фотон 2 ⋅ 10 –11 = 1,3 ⋅ 106 е – с,т. е. за 1 c накопится заряд насыщения, если в качестве накопителяиспользовать ПЗС-яму. Чтобы иметь запас по динамическому диапазону не менее 10, надо ограничить время накопления в 0,1 с. За 0,1 с отРпор = 5⋅10–13 Вт/элемент накопится σс2,7 =1,3⋅1019 фотон/с 0,01 е–/фотон⋅5⋅10–13 ⋅0,1 с = 6,5⋅103, если принять σш2,7 = 100 е – выборку сигнала.Отношение сигнал-шум ψ ≈ 50–60.
При t нак = 0,01 с⋅ψ ≈ 5–6. Дляλ = 4,3 мкмQф.4.3 = 2,3 ⋅1019 фотон элемент ⋅ с ⋅ 0,01 е – фотон ⋅ 2 ⋅10 –10 == 4, 6 ⋅ 107 е – с,т. е. tнак ≤ 0,01 с при ψ ≈ 10.Работать же на фоне Земли в тепловом диапазоне ∆λ = 8–12 мкмвообще невозможно из-за огромного теплового фона Земли.375. ЛИНЕЙНЫЕ ИК-ПРИЕМНИКИ ИЗОБРАЖЕНИЯНаибольшее распространение для изготовления линеек ИК-приемников получили следующие материалы:– PbS – из-за высокой квантовой эффективности в диапазоне до 3,0мкм (до 25–30 %), необходимости умеренного охлаждения (≈ 170 К)для обеспечения хорошей обнаружительной способности, а главное –огромной ампер-ваттной чувствительности (до (1–2)⋅105 А/Вт);– PbSe обладает многими достоинствами PbS, но его спектральнаячувствительность – до 5,0 мкм;– Hg0,8Cd0,2Te – этот материал при температурах (40–60 К) обладает высокой чувствительностью в диапазоне от 8 до 12 мкм, а при охлаждении до 170 К в другом составе компонентов упешно используетсяв диапазоне от 3,0 до 5,0 мкм; однако он отличается исключительновысокой стоимостью.Эпитаксиальные пленки теллурида кадмия, легированного ртутью,продаются буквально по квадратным сантиметрам.Линейные приемники изготавливаются методами планарной технологии на подложках с высокой теплопроводностью (сапфир, окись бериллия).
Это связано с тем, что линейные ИК-приемники устанавливаютсяна хладопроводы охлаждающих устройств с минимальным термическимсопротивлением зоны контакта подложки линейки и хладопровода.Типичная конструкция (схе5ма) линейного ИК-приемника14 приведена на рис. 5.1 (фоторезистивного).2Сдвоенные линейки приме3няют лишь тогда, когда обнаруживать необходимо цели, сравРис.
5.1нимые с Sэл.На рис. 5.1: 1 – фоточувствительные элементы 1-й линейки; 3 –фоточувствительные элементы 2-й линейки, сдвинутой на 1/2 шага эле38мента; 5, 2 – общие шины; 4 – индивидуальные выводы сигнала отэлементов. Сдвиг на пол-шага элементов между 1- и 2-й линейкамиобеспечивает отсутствие пропуска цели (точечной) в зазорах междуэлементами при сканировании.К каждому изолированному элементу может быть подключен усилитель, если необходимо параллельное считывание, либо быстродействующий коммутатор на основе регистров сдвига на микросхемах.Аналогичным образом реализуются и линейные приемники фотовольтаического типа (фотодиодные линейки).5.1.
Методы сканированияЛинейные ИК-приемники бывают от 64-х элементов до 6000 элементов. Фактически линейка является фотоэлектрическим преобра-зователем для формирования одной строки телевизионного кадра. Для тогочтобы получить полный кадр, необходимо произвести сканирование изображения строки по второй координате.Имеется огромное количество способов сканирования как одномерного (для линеек), так и двухмерного (для моноэлементных ПИ).Во время войны во Вьетнаме американские ВВС были оснащенысистемами ночного видения типа DLIR (Down Looking Infrared).
Это –линейка из соединения кадмий – ртуть – теллур, охлажденная до температуры нормального кипения азота (77,4 К), расположенная строгоперпендикулярно оси движения самолета. Сканирование изображенияместности производилось за счет движения самолета. Оптическая система (ОС) DLIR была сориентирована вперед и вниз.
Скопление живой силы в джунглях определялось путем наблюдения температурногоконтраста между людьми и листвой в ночное время.В настоящее время самолеты оснащаются системами FLIR (ForwardLooking Infrared). В них обычно вертикально расположена линейка, асканирование производится по горизонтали. Получается ночной индикатор переднего обзора в ИК-диапазоне. Для примера рассмотрим наиболее понятную схему сканирования зеркалами (рис. 5.2).На рис.
5.2 приведена схема двухкоординатного сканирования в пространстве предметов, где 1 – сканирующее зеркало; 2 – ПИ; 3 – конденсор; 4 – диафрагма; 5 – ОС; 6 – поле обзора; 7 – мгновеннон полезрения ОС. Сканирующее зеркало устанавливается перед ОС под углом к полю обзора.3917524136Рис.
5.2Второй способ сканирования – в пространстве изображений (рис. 5.3),где 1– сканирующее зеркало; 2 – ОС; 3 – мгновенное поле зрения ОС;4 – поле обзора; 5 – ПИ; 6 – конденсор; 7 – диафрагма.56733214Рис. 5.3Сканирование в пространстве изображения, несмотря на технические трудности, выгоднее при использовании ОС большого диаметра, таккак огромные сканирующие зеркала перед ОС нарушают пространственную стабилизацию КА, или другого летательного аппарата и требуюткомпенсации для сохранения полного момента количества движения.40Прекрасный способ сканирования применили разработчики системы IMEWS (Integrated Missiles Early Warning System) на спутниках(≈ 40000 км) DSP (Defense Support Programm) в научно-исследовательском центре Санта-Барбара (США).
КА, на котором установлендатчик изображения, смотрящий на Землю, стабилиризуется вращением вокруг оси, ориентированной в надир, со скоростью 10 об/мин. В плоскости фокусировки ПИ образовывается круговой телевизионный ИК-кадрпри вращении линейки в 6000 элементов вокруг элемента 1. Диаметрстрочной развертки – 12000 элементов.Имеются еще десятки способов сканирования: вращающимися призмами, двояколучепреломляющими клиньями перед ПИ и др.416.
МАТРИЧНЫЕ ПРИЕМНИКИ ИЗОБРАЖЕНИЯÒâåðäîòåëüíûå òåëåâèçèîííûå ôîòîýëåêòðè÷åñêèåïðåîáðàçîâàòåëèТТФЭП представляют собой сверхбольшие интегральные схемы(СБИС) с числом фоточувствителъных элементов от 120 × 128 до512 × 512 в одной матрице. Типичная схема с X-Y-организацией ТТФЭПприведена на рис. 6.1, где а – схема матрицы; б – структура.YXМультиплексорнапряженийМультиплексортоковыйа)Outб)VsпрUпитOutРис.
6.1Мультиплексор напряжения представляет собой синхрогенераторимпульсов, подаваемых с помощью регистра сдвига, и системы быстродействующих микромощных ключей поочередно во все Y-шиныматрицы.Мультиплексор токовый подключает поочередно с помощью регистрасдвига и системы токовых ключей Х-шины к входу операционного усилителя с глубокой обратной связью для регистрации выходного сигнала.42Наибольшее распространение получили ТТФЭП на основе компенсированного германия и сульфида свинца.Матрицы на основе германия легируются медью, с высокой степенью точности компенсирующей легирование исходной сурьмой.Для сведения к нулю темновых токов и повышения сопротивлениятакого полупроводникового кристалла с примесной проводимостью доуровня почти диэлектрика их охлаждают до температуры77,4 К (Tн.кN2).Ампер-ваттная чувствительность ТТФЭП на основе компенсированного германия достигает (1–2)⋅105 А/Bт и выше при фотоэлектрическойинерционности до долей секунды в диапазоне длин волн (2–3) мкм.Когда на поверхность матрицы ТТФЭП попадает инфракрасное излучение до 3,0 мкм, сопротивление пластины в точке пересечения Х- иY-шин, на которую спроецировано ИК-изображение, резко понижается,а операционный усилитель фиксирует электрический сигнал, соответствующий цели.
Эта система – координаточувствительная. Все элементыХ-Y-матрицы выводятся на экран видеоконтрольного устройства (ВКУ)с координатами.Недостатком примесных ТТФЭП, кроме инерционности, являетсянизкая квантовая эффективность, равная ≈ 1 % на 2,0 мкм и ≈ 0,1 % на3,0 мкм.Огромным достоинством ТТФЭП на примесном германии являетсягигантский динамический диапазон, достигающий ~1⋅107 . Это позволяет регистрировать сигналы при отношении облученности от фона к облученности от цели, достигающем ~1⋅103.При этом необходима сложная вычислительная обработка сигнала,использующая оперативную память на несколько кадров для вычитания кадра с неравномерностью от фоновой засветки и других межкадровых операций в реальном времени. Охлаждение на борту КА такихТТФЭП до азотных температур возможно только с помощью сублимационных аккумуляторов холода или микрокриогенных систем (МКС) замкнутого цикла.Вторым популярным материалом для изготовления матричныхТТФЭП является сульфид свинца PbS .
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
