Якушенков Ю.Г., Луканцев В.Н., Колосов М.П. Методы борьбы с помехами в оптико-электронных приборах (1981) (1095907), страница 7
Текст из файла (страница 7)
2.1 дано выражение для общего случая (для любых Т). Если температура, при которой надодится цепь включения приемника, близка к комнатной, то Ь4йТ„„— очень малая велйчина и спектральная плотность мощности этого шума приближенно равна 4йТ„„К. Генерационно-рекомбинационный шум присущ полупроводниковым, а дробовой шум — фотоэмиссионным приемникам излучения. Спектр этих шумов является белым (равномерным).
Спектр вида Ц имеет токовый (избыточный) шум, который иногда называют 1/~-шумом. Природа этого шума до конца не выяснена. Наибольшую его составляющую обычно объясняют поверхностными и контактными явлениями. Как видно из табл. 2.1, только у этого Зб Таблвца 2.1 Шумы приемников излучения Спектрахьиаи плат- ность мощности шума Физическая природа Примечание Шум Для интегрального (полихроматического) потока от черных или серых излучате- лей Флуктуа- ции потока 86/сол(Тбф+ Т' ) Радиацион- ный (фотон- ный) (/зч)-! Ф„ 1 — ехр ( — /чч/и Тпи) Флуктуации числа фотонов Для моиохроматического потока Ф Температу- рный Флуктуации темпе ратуры 4)) т„„к/гч/йтпи Для моиохроматического по- тока хт+ (2кТС)УХ Х [ехр(йч/йТ.и) — Ц Джонсона (тепловой) Флуктуации напря- жения 4Й /пиМУ//б Тпи При малых йч/ВТгш ою = 2 =6 Усу„„йд| ех р(/г ч/йТ,и) — 1 дииков с собст- венной проводи- мостью Генера- ционно-рекомбинаци онный Флуктуации числа и времени жизни но- сителей (2 т, /'т/) Пз)l е 1ь [) + (2 УР е)21 2 Флуктуация числа влектроиов (тока), образуютцих фототок 2еуо Для фотозмиссионных прием- ников Дробовой Токовый (избыточный) Я/6/у" а Обычно а-ь1, 37 П р и м е ч а и и я: à — температура приемника излучения; Уф — темиепи Рагура фана; з — излучательная (паглащательиая! способность чувствительного слоя приемника! е =6,67.!а ' Вт м* К ' — постоянна» закона стеФана— больцмана; А — площадь чувствительного спея; а=!,За !6 и Вт.с К постоянная больцмаиа; с — теплоемкость приемника; * — постояииая теп.човых потерь приемника в окружающую среду; ! — частота модуляции: й 6,62.Ю э' Вт с — постоянная Планка; е=!,б !О " К вЂ” заряд электрона: г установившееся зиачение тока в цепи; с — время жизии носителей; е гу — обпгее число носитепса и зоне проводимости! Р— подвижность носителея; «, 6, А — постаяииыс коэффициенты для конкретного типа прием и"ка: " — оогическая частота излучения; Р— напрвжеиие питания приемника; — моиохроматическия поток излучения.
Размерности всех величии в табл. 2.! взяты в' основных единицах СИ шума отмечается заметная зависимость спектральной плотности мощности от частоты. Это очень важно учитывать на практике, так как у многих приемников, например у многих фоторезисторов, 1Ч-шум является преобладающим над остальными. Указанные в табл. 2.1 виды шумов аддитивны, поэтому результирующая мощность шума получается путем сложения отдельных составляющих.
За исключением радиационного шума, свойственного только приемникам излучения, формулы, приведенные в табл. 2.1, применимы и для описания шумов усилителя. В большинстве современных ОЭП шумы усилителя, приведенные к его входу, т. е. к выходу приемника излучения, гораздо меньше шумов приемника. Методы расчета шумов усилителя по известным параметрам его входной цепи или эквивалентной схемы хорошо известны [37, 851 и здесь не рассматриваются. 2.2. ВНЕШНИЕ ПОМЕХИ Основными источниками наиболее часто встречаю- шихся на практике внешних естественных помех являются излучение небесных тел, Земли и ее покровов, атмосферы и ее образований, полярных сияний, а также искажающее влияние среды распространения излучения на сигнал. Последнее сказывается, главным образом, в ослаблении полезного сигнала в результате поглошения и рассеяния энергии излучения, а также в достаточно быстрых изменениях показателя преломления среды, приводящих к мерцанию и дрожанию изображений источников излучения.
Кроме того, в ряде случаев необходимо учитывать медленные изменения показателя преломления среды, приводящие к рефракции оптических лучей. Искажения сигнала в земной атмосфере, обусловленные влиянием указанных источников помех, доста. точно хорошо изучены и рассмотрены в многочисленных публикациях (см,, например, 1211). Поэтому в настояшей книге они не рассматриваются.
По отношению к приемной оптической системе ОЭП внешние источники помех разделяют на точечные, фоновые и боковые. К точечным относят помехи, изображения которых в плоскости оптического анализатора ОЭП имеют малые размеры, близкие к кружку рассеяния объектива ОЭП. Фоновые помехи — излучатели, на- зз ходящиеся в угловом поле ОЭП и перекрывающие все угловое поле или его значительную часть. Источники боковых помех находятся за пределами углового поля прибора, а на приемник излучения попадает их рассеянное или отраженное (непрямое) излучение.
Такое разделение условно, тем более что один и тот же излучатель в одних случаях является, например, точечной помехой, а в других — источником фоновой или боковой помехи. Однако практически, поскольку во многих случаях преобладающее влияние па ОЭП оказывают помехи одного вида, конструктивные средства борьбы с ними могут существенно различаться. Поэтому прежде чем рассматривать способы описания точечных, фоновых и боковых помех, кратко рассмотрим некоторые физические свойства основных источников внешних помех естественного происхождения и их спектральные, энергетические и отчасти пространственные характеристики.
Солнце, Общий поток излучения Солнца составляет 3,8 10те Вт. Спектр его излучения за пределами земной атмосферы примерно совпадает со спектром излучения черного тела, имеющего температуру 6000 К. Энергетическая светимость его 6,2 ° 10т Вт м т. До поверхности Земли от Солнца через атмосферу доходит в основном излучение в диапазоне длин волн 0,3...3,0 мкм; на площадке, перпендикулярной направлению на Солнце, оно создает энергетическую освещенность 1350 Вт м '. В видимой области спектра за пределами земной атмосферы освещенность, создаваемая Солнцем, составляет 1,37 10' лк. Иногда принимают, что в диапазоне 0,47...
...0,54 мкм цветовая температура Солнца равна 6500 К, а средняя его яркость в видимом диапазоне 2 10э кд м '. В приземном слое атмосферы Солнце эквивалентно черному телу с температурой 5600 К, а максимальная освещенность здесь составляет около 10з лк.
Угловой размер Солнца б при наблюдении с Земли равен приблизительно 32', что соответствует телесному углу 7.10-з ср. Яркость солнечного диска уменьшается от центра к краям, одновременно меняется и спектральный состав излучения. Более подробные сведения об излучательных свойствах Солнца содержатся в [1, 51. Земля, Луна и планеты Солнечной системы. При наблюдении Земли из космоса можно рассматривать две составляющие ее излучения: отраженный поток и собственное излучение. Значения коэффициента отражения зэ Характеристики собственного температура, К еффсктнн- наа е, мрак Альбгна Планета макснма- льнае среннаа 323 307 324 625 145 1ОТ 270 217 229 102 76 255 255 329 450 122 90 0,39 0,017...
0,120 1,148 0,048... 0,314 0,76 0,023... 0,62 0,058 0,150... 0,240 0,51 Земли Марс Венера Меркурий Юпитер Сатурн 0,072... 0,100 0,5 40 (альбедо) мокнут составлять 0,1...0,8. Такой разброс альбедо объясняется различными метеорологическими условиями на отдельных участках земной поверхности и различными условиями их освещения Солнцем. По, мере удаления от Земли ее альбедо становится все более интегральным, т. е. усредненным для всего диска нашей планеты.
Цветовую температуру излучения Земли, осве-. щенной Солнцем, часто принимают равной 7725 К. Собственное излучение Земли сравнимо с отраженным солнечным на волнах длиннее 3...4 мкм. Уже па длине волны 5 мкм эти две составляющие равны. Спектр собственного излучения Земли в окнах прозрачности атмосферы зависит от температуры и типа подстилающей поверхности. Этот спектр определяется также поглощающей способностью атмосферы и атмосферных образований типа облаков. Интегральная плотность излучения системы «Земля — атмосфера» в космос равна примерно 2.10т Вт ° м Луна имеет визуальную звездную величину — 12",2.
Ее средний угловой размер б составляет около 33'. т. е. почти такой же, что и угловой размер Солнца. Освещенность, создаваемая Луной на земной поверхности в зависимости от ее положения, сезона наблюдения и других факторов, может меняться от 4,1 ° 1О т лк (через +7 дней до и после полнолуния, при фазовом угле Луны +.85') до 37,7 ° 10 'лк (в полнолуние, при нулевом фазовом угле). На верхней границе земной атмосферы полная Луна создает освещенность 0,322 лк.
Эффективная температура отраженного Луной солнечного света , равна 5э00 К, а коэффициент отражения от лунной поверхности (сферическое альбедо) в среднем равен 0,07, он меняется по ее поверхности от 0,054 до 0,175. Эффективная температура поверхности Луны равна 400 К на освещенной стороне и 120 К на неосвещенной, т. е. максимумы собственного излучения приходятся на длины волн 7 и 24 мкм. Энергетическая яркость освещенной части Луны 0,046, неосвещенной — 0,0004 Вт ср-' ° м-'. Излучение планет (табл.
2.2) также может быть источником помех. Основная доля собственного излучения планет приходится на инфракрасную область. Отраженное солнечное излучение зависит от положения терминатора планеты, ее альбедо и характера атмосферы. Основная, доля отраженного излучения приходится на видимую и ближнюю инфракрасную области — до 2 мкм. Максимум спектра излучения !л,м„, меняется для различных участков планет в зависимости от изменения температуры этих участков. Так, при изменении температуры Марса от экватора к полюсу от 280 до 205 К максимум излучения смещается с 1О до !4 мкм.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
