Сравнение приборов (систем) оптического диапазона с радиоэлектронными устройствами

3. Сравнение приборов (систем) оптического диапазона с радиоэлектронными устройствами.

Сравнение позволяет выделить ряд неоспоримых преимуществ ОЭС по отношению к радиоэлектронным приборам, которые вытекают из различий диапазонов спектра электромагнитных волн.

Действительно, если вспомнить, что минимально разрешаемый при дифракции угол пропорционален отношению длины волны  к диаметру входного зрачка D, т.е. /D, то легко объяснить более высокую разрешающую способность ОЭС. Отсюда следует принципиально более высокая точность оптико-электронных измерений, ограничиваемая разрешающей способностью ОЭС, а также их преимущество по массо-габаритным показателям. Отметим в этом случае и то обстоятельство, что для формирования диаграммы направленности радиоизлучения с расходимостью 0,1 на длине волны =1 м необходимо антенное устройство с размерами 1 (100 м), с тех же позиций в оптическом диапазоне длин волн диаметр формирующего поток излучения объектива с подобной расходимостью может иметь размеры в десятки мм или единицы сантиметров.

Частота электромагнитных колебаний в оптическом диапазоне существенно выше, чем в радиодиапазоне. Например, в видимом диапазоне частота световых колебаний в млн раз превышает частоту волн в радио и телевещании. Это определяет высокую информационную емкость оптического канала. (Напомним, что для передачи обычного телевизионного изображения требуется полоса частот 5 Мгц. Поэтому в метровом диапазоне (=1 м.,300 Мгц.) можно передать лишь около 10 телевизионных программ, в оптическом диапазоне при том же отношении сигнал/шум – это число возрастает в млн.раз).

Передача информации в оптическом диапазоне осуществляется фотонами, которые в отличие от электронов – электрически нейтральные частицы, не взаимодействующие между собой и внешними полями. Это допускает возможность идеальной гальванической развязки входа и выхода, однонаправленность потока информации, высокую помехозащищённость.

К числу других достоинств ОЭС следует отнести возможность двойной (пространственной и временной) модуляции излучения, а также близкую для восприятия человеком визуальную форму представления информации. Однако с представленными преимуществами должен быть назван ряд недостатков оптического диапазона длин волн, в частности, большее ослабление излучения в атмосфере, значительное число фоновых помех от естественных и искуственных источников.

4. Основные энергетические и фотометрические величины.

Простейший вид излучения – монохроматическое, т.е. излучение характеризуемое очень узким интервалом длин волн. ₁- (₁ при 0. Монохроматическое излучение можно характеризовать и частотой , причем связь последней с длиной волны определяет соотношение (с-скорость света).^*)

Спектральный состав излучения, т.е. распределение электромагнитной энергии по длинам волн или частотам является как качественной характеристикой, так и количественной при определении облученности входного зрачка ОЭС.

Определим основные энергетичекие величины оптоэлектроники:

Лучистый поток Ф_е - средняя мощность, переносимая оптическим излучением за время значительно большее периода электромагнитных колебаний

[Вт]

/ 1 Вт = 10^-7эргс^-1= 0234 кал.с^-1=6,2410¹⁸ эВ с^-1/.

При расчетах ОЭС особый интерес также представляют:

Энергетическая светимость (поверхностная плотность излучения) М_е: отношение испускаемого поверхностью по одну сторону от себя (т.е. – в полусферу) полного лучистого потока к площади этой поверхности

//

Облученность или энергетическая освещенность (плотность мощности) Е_е определяет отношение лучистого потока dФ, падающего на какую-либо поверхность, к площади этой поверхности dS₂

Энергия излучения

//

* Отметим также широкое применение в оптике (спектроскопии) единицы шкалы длин волн – волновых чисел

Сила излучения или энергетическая сила света – отношение лучистого потока dФ к телесному углу , в пределах которого он распространяется

Лучистостью или энергетической яркостью излучающей поверхности в данном направлении называется отношение измеренной в этом направлении силы излучения к видимой площади излучающей поверхности

Для плоских излучающих поверхностей, имеющих лучистость, одинаковую во всех направлениях действует закон Ламберта

откуда

Закон Ламберта справедлив только для АЧТ, а также идеально рассеивающих поверхностей. Широко известно следствие из закона Ламберта

Фотометрические (световые) величины:определяют спектр излучения в пределах чувствительности человеческого глаза.

Световой поток

,

где - максимальное значение так называемого коэффициента видности

, (= 683 лмВт^-1)

- относительный коэффициент видности, спектрально совпадающий с кривой видности человеческого глаза, максимум которой расположен в зеленой области спектра (0,555 мкм).

Соответственно различают:

Световую энергию /1 лмс=1 тальбот/

Силу света

Светимость /1лк=1лмм^-2=10^-4фот/

Яркость .

Основные характеристики излучателей

Для сравнения различных излучателей целесообразно иметь общий эталон. Им является черное тело или полный излучатель, имеющий при заданной температуре для всех длин волн максимально возможную спектральную плотность энергетической яркости. Черное тело полностью поглощает все падающее на него излучение независимо от длины волны, поляризации и направления падения, поэтому обычно говорят об абсолютно черном теле (АЧТ).

Любой реальный излучатель характеризуется коэффициентом излучения (коэффициентом черноты)  - отношением его энергетической яркости к энергетической яркости АЧТ при той же температуре.

Тепловой излучатель для которого величина () не зависит от длины волны называется неселективным и, наоборот, при условии  =f() мы имеем дело с селективным излучателем (см.рис.1).

Световым КПД излучателя называется отношение

Световая отдача К_св – это отношение М_ к величине энергетической светимости

Яркостная температура – это температура черного тела, при которой оно имеет ту же спектральную плотность энергетической яркости, что и рассматриваемое тело (излучатель)

Распределение энергии по спектру длин волн в излучении АЧТ описывает закон Планка

, (1)

где С₁=3,741510^-16Втм², С₂=1,4387910^-2мК

Из формулы Планка можно получить выражение для закона Стефана-Больцмана:

(2)

т.е. энергетическая светимость АЧТ определяется его температурой в четвертой степени (=5,6697110^-8Вт м^-2к^-4 – постоянная Стефана-Больцмана).

Экстремум функции (1) определяет закон Голицина –Вина

(3)

( - [мкм], Т-[K])

Как пример применения соотношения (3) можно оценить область максимума излучения такого тела как планета Земля, средняя температура которой Т_З290 К. Видно, что эта величина близка в то время как для Солнца (Т6000К) соответствует зеленой области видимого спектра.

Рис.1. Зависимость спектрального коэффициента излучения материалов _ от длин волн. Альб.лист

Для удобства использования в расчётах соотношения (1) в справочниках представляется единая изотермическая кривая, которая получается заменой в (1) переменных на .

Чтобы по значениям единой изотермической кривой y(x) вернуться к кривой Планка необходимо:

Определить по (3)

Определить

для выбранных  определить

найти y(x) и в заключение-

.

Полезно отметить, что для длин волн величина изменяется пропорционально Т, а в области - увеличивается пропорционально Т⁵.

Взяв производную , можно найти длину волны , при которой скорость изменения максимальна.

В частности,

(4)

Типовая структура канала ОЭС и основные его характеристики.

Практически для большинства видов ОЭС на стадии создания разработчикам следует учитывать взаимозависимость (взаимообусловленность) характеристик, определяющих весь канал функционирования прибора, а именно – систему “объект-фон–атмосфера-прибор-оператор”. В указанной системе соотношение яркостей наблюдаемого объекта и окружающей среды (т.е. фона) или, как принято, их определять, контраст объекта

(5)

и его динамика во времени очевидным образом должны учитываться при определении конструктивных особенностей самой ОЭС.

Контраст объекта деформируется как по спектральному составу, так и по амплитуде за счёт влияния участка атмосферы, разделяющего объект и входной зрачок ОЭС. В атмосфере происходит неодинаковое для различных длин волн поглощение и рассеяние оптического излучения, формирование поля рассеянного излучения.

ФОН

атмосфера

ОЭС

оператор

Таким образом в системе наблюдения ОЭС-объект необходимо рассматривать следующие составляющие части трассы визирования:

объект

Непосредственно с ОЭС связаны следующие части оптического канала:

оптическая система (зеркальная, линзовая или зеркально-линзовая), которая осуществляет формирование изображения наблюдаемого участка пространства, фотоприемное устройство, которое состоит из приемника оптического излучения и предусилителя, сигнал с которого подается в электронную систему обработки и видеоконтрольное устройство.

В последнем случае заключает канал ОЭС оператор, на принятие решения которым (с этим также следует считаться) влияют свойства зрительного восприятия (т.е. глаза)- психофизические свойства человеческого мозга.

Количественную оценку свойств и эффективности ОЭС в том или ином режиме его применения осуществляют с помощью ряда основных характеристик, в числе которых:

Пороговая чувствительность – это наименьшая величина потока излучения, наименьшая величина освещенности, при воздействии которой на входной зрачок оптической системы прибора, обеспечивается заданная вероятность выполнения основной функции прибора (обнаружение объекта, точность слежения, адекватность восприятия изображения и т.д.).

В тех случаях, когда необходимо характеризовать непосредственно фотоприемник, то говорят об обнаружительной способности – величине обратно пропорциональной пороговой чувствительности. В практике создания ОЭС, работающих в тепловой области спектра удобно характеризовать качество изделия способностью различать минимальную разность температур  двух участков наблюдаемого тела. Эта характеристика, типичные значения которой изменяются в пределах 0,01-0,5, наиболее информативна и наглядна в инженерной практике.

Пороговому значению чувствительности естественно соответствует предельное значение отношения сигнал/шум S/N ОЭС, при котором возможна работоспособность прибора.

Дальность действия – определяется порогом чувствительности ОЭС и характеризует максимальную дистанцию (или определённый диапазон дистанций), на который при строго определенных внешних условиях реализуется основная функция прибора.

Поле обзора – телесный угол с вершиной в центре входного зрачка оптической системы, в пределах которого реализуется основная функция прибора, например для систем наблюдения - возможность различать объект. Для систем сканирующего типа поле обзора формируется как совокупность мгновенных полей зрения.

Мгновенное поле зрения – это телесный угол с вершиной в центре входного зрачка оптической системы, в пределах которого ОЭс фиксирует часть пространства с заданным пространственным разрешением в данное время t, при условии, что обзор всего пространства занимает интервал времени t₀=t.

Время обзора t₀– время осмотра поля обзора. Иногда задают число кадров- величину, определяющую телевизионные системы и частоту обновления информации. Мгновенное поле ОЭС определяется размером входного зрачка и так как всегда в приборе присутствует полевая диафрагма, её размером и фокусным расстоянием объектива.

Фоны, их общая характеристика

Основные свойства фонов рассмотрим для классов ОЭС, работающих на естественных оптических трассах в приземном слое воздуха, с авиационных и космических носителей. Подобный подход означает лишь тот факт, что внимание будет уделено практике применения ОЭС для наблюдения удаленных объектов.

Практически для всех случаев следует подчеркнуть, что классифицировать большинство источников излучения (объектов наблюдения) как цель или фон затруднительно, так как в зависимости от задачи, решаемой ОЭС, один и тот же объект может быть как фоном, так и целью. Например, облака – фон, мешающий пеленгации стартующих с поверхности земли ракет и эти же облака – цель для ОЭС, устанавливаемых на космических аппаратах -спутниках погоды. Вместе объекты и окружающий их фон образуют поле излучений – фоноцелевую обстановку (ФЦО), спектральные характеристики которой изменяются в пространстве и во времени. Для систем обнаружения и распознавания одной из основных функций является оперативный анализ ФЦО, завершающийся выделением из шума сигнала реальной цели. Эта задача осложняется тем, что если источником полезного сигнала является только излучение реального объекта – цели, то источником шума могут быть излучения как естественного фона, так и ложных целей, собственное излучение оптической системы, шум приемника и усилителя сигнала, а также флуктуации параметров всех элементов ОЭС.

Данные в ФЦО необходимы для решения следующих задач –

создания моделей типовых целей и алгоритмов обнаружения, распознавания и сопровождения, целей с разделением их по приоритетности;

управления основными оптическими параметрами объекта для их оптимизации при создании малозаметных целей, например, по технологии, определяемой в зарубежной практике как “Стелс-технология”

имитации и моделирования различных режимов работы ОЭС на стадии отработки конструкции и, в том числе, в плане решения задачи снижения стоимости прибора;

разработки системы идентификации объектов сложной конструкции в автоматическом режиме за счет фильтрации фона и корреляции путем сравнения характерных параметров принимаемого изображения и эталона цели.

Объем информации о ФЦО, необходимый разработчикам ОЭС, зависит от типа и назначения прибора. Например, является ли прибор пассивным или активным. При этом по мере увеличения средств радиоэлектронного противодействия, по единодушной оценке, специалистов все шире будут использоваться комбинированные пассивно-активные многоспектральные ОЭС.

В виде таблицы дадим иллюстративный пример комплексирования различных диапазонов длин волн для получения требуемой информации о летательных аппарата.

ОЭС комбинированного типа из двух датчиков	Объект обнаружения	Информация, которая должна быть получена
Коротковолновый. + длинноволн. ИК диапазон ИК диапазоны Коротковолн. + Видимый ИК диапазон диапазон УФ диапазон + Видимый диапазон	Факел Холодные Объекты Аэродинамические цели	Высота полёта цели, величина тяги, состав топлива Габариты, форма конструкции, ориентация относительно солнца, температура корпуса Состав топлива

Примеры исходных условий наблюдения:

Излучение мощных ракетных двигателей на активном участке полета сконцентрировано в области 2,7 и 4,26 мкм и характеризуется температурой 1400 К. При этом сила излучения факела может достигать (1…8)10⁶втср^-1, что на несколько порядков превосходит силу фонового излучения. На заключительном этапе активного участка, при разделении головной части ракеты, двигательные установки отдельных субэлементов существенно маломощны, сила их излучения 30-100 втср^-1, а температура нагрева поверхности 300 К, что сравнимо с тепловым фоном Земли. В данном случае удобнее различать такие субэлементы на фоне “холодного” космоса, температура которого 4 К.

В системе УФ/видимый каналы условия наблюдения существенно изменяются – здесь должны учитываться факторы отражения солнечного излучения корпусом, минимальный контраст холодной цели в УФ и наличие здесь информационного сигнала от неё в том случае, если действует двигательная установка (ДУ) / минимальный контраст цели без ДУ в УФ обусловлен практически полным поглощением излучения озоном атмосферы в области  0,22 мкм и резким снижением в области длин волн короче 0,3 мкм коэффициентов отражения современных конструкционных материалов/.

Как уже отмечалось, фоновые образования являются сложными нестационарными источниками, оптические характеристики которых зависят от многих причин:

условий освещения,

географического положения,

сезона,

метеоусловий,

типа подстилающей поверхности, времени и т.д.

Поэтому наиболее адекватные результаты описания фонов могут быть получены только на основе статистического анализа экспериментальных данных с выделением дисперсии, коэффициентов корреляции, средних величин и т.д.

С учетом излучения Солнца и температурного режима естественных источников излучения на Земле в общем потоке радиации воспринимаемой ОЭС в диапазоне длин волн 3…3,5 мкм доминирует отраженное излучение - это так называемая подсветочная область спектра. В области > 5 мкм преобладает собственное излучение объектов и фонов. Участок длин волн 3-5 мкм –как бы переходный.

Ниже на рис.2-19 проиллюстрируем энергетические характеристики фонов типичными примерами в виде спектральных зависимостей изменения яркости фонов и объектов или составляющих их элементов.

Рис.2 Схематический спектральный ход яркости оснащенной

Солнцем стороны Земли, наблюдаемой со спутников.

Пунктирными кривыми показана яркость абсолютно

черного тела при температуре 300С и 200К.

Рис.3. Спектральная сигнатура фона – поверхности

земли (а) и факела ракетного двигателя (б).

Рис.4. Спектральный состав отраженной солнечной составляющей

от инверсионного следа самолета В-57 на высоте 8,5 км

(измерения сверху).

Рис.5. Спектральная интенсивность излучения факела

в функции длины волны для пяти типов РДТТ

ракеты “Сатурн”

Рис.6. Спектральный ход яркости облаков и льда

(1-перистые, 2-кучевые, 3-лед со снегом).

Рис.7. Спектральная яркость ясного солнечного

неба в районе Колорадо на высоте 3,3 км,

t=+8С (различные углы возвышения).

Рис.8 Изотермы факела турбореактивного двигателя

на максимальной тяге на уровне моря без

дожигания и на форсаже.

Рис.9. Поле температур факела ракетного двигателя.

Рис.10. Индикатрисы излучения самолета “В-66”

с двумя турбореактивными двигателями;

а – в вертикальной плоскости, в – в горизонтальной.

Рис.11. а,б – относительная спектральная лучистость для некоторых

фоновых образований, в- спектральная лучистость типичных

земных фонов при наблюдении днем: 1-снег, 2 – черное тело 35С;

3 - почва 32С; 4-белый песок; 5 – трава.

Рис.12. Пример съемки местности в видимом (а) и ИК(б) диапазонах.

На рис.12 б видно яркое белое пятно – пленка нефтепродуктов на воде.

Рис.13. Изображение объекта в области 8-14 мкм

(Виден яркий двигательный отсек).

Рис.14. Тот же объект, зарегистрированный в области 4-5 мкм:

в изображении: превалирует яркость факела ДУ

Рис.15. ИК съемка местности на участке

слива в реку промышленных стоков.

Рис.16. Демонстрация эффекта, достигаемого синтезированием

(объединением) изображений, полученных в нескольких

спектральных диапазонах: А) 1-2 мкм: Б) 3,5-5,5 мкм;

В) 8-13 мкм; Г) – синтезированное изображение.

Рис.17. Некоторые примеры данных по учету

особенностей изменения ФЦО.

Рис.18. Изменение яркости одного и того же объекта

в разных условиях (пример модельного расчета)

Рис.19 Физическое и математическое моделирование в лазерной локации (ЭПР – эффективная поверхность рассеяния).

24

Оптические системы, формирующие изображения в ИК области спектра

В коротковолновой – УФ и видимой области спектра формирующая сигнал оптика ОЭП выполняется в виде системы линз –линзовых объективов. Успехи в развитии оптического материаловедения и технологии обработки материалов позволяют изготовить линзовые объективы и в ИК области спектра. Характерный пример – германиевые объективы, основной недостаток которых прежде всего высокая стоимость. С другой стороны, оптика в ИК диапазоне волн может быть чисто зеркальной. В этом случае она полностью ахроматична и может работать с очень высоким пропусканием на всех длинах волн Неудобство зеркальной оптики в том, что невозможно обеспечить большое поле из-за внеосевых геометрических аберраций. Увеличить поле можно путем введения преломляющих элементов, называемых корригирующими, т.е. применением зеркально-линзовых систем.

Коррекция ухудшает спектральное пропускание.

Наконец для широкоугольной по полю оптики применяется в основном преломляющие элементы. Введение асферических поверхностей позволяет существенно уменьшить число элементов в системах, предназначенных для решения конкретной задачи. Оптическое пропускание можно увеличить за счет просветления преломляющих поверхностей.

Зеркальные телескопические системы

Параболическое зеркало

З₁

ПР

З₁

(гиперб)

З₂ (плоск)

Телескоп Ньютона

Телескоп Кассегрена

З₂(гиперб)

Пр

З₁ (парабола)

З₂ (эллипт.)

З₁ (парабола)

Пр

Телескоп Грегори

Телескоп Гершеля (без экранирования)

Пр

Осевой телескоп без экранирования

Пр-к

З₂

З₁(параб.)

З₃ (эллипс)

Зеркально-линзовые телескопы

Телескоп Шмидта

З₁ (сфера)

М₁ (мениск)

Телескоп Максутова –Бауэра

З₁(сфера)

М₁(толст. мениск концентр. с З₁)

Телескоп Манжена –корригирующий элемент непосредственно на зеркале

З₁+М₁

Телескоп Кассегрена с корригирующим элементом Максутова

З₁

М₁

З₂

Телескоп Кассегрена с корригирующим элементом Манжена

З₁

Телескоп с корригирующим элементом вблизи фокуса

З₁

М

З₂

Иммерсионная система Шмидта

ФП

Вспомогательная оптика

Обтекатели

Линза для спрямления поверхности изрбражения

Призмы

Делители

Линзы Рэлея и световыоды

/Линза Рэлея служит для перефокусировки изображения в новую более удобную плоскость. Применяется редко. Световод служит для переноса изображения без перефокусировки/. К вспомогательным элементам следует отнести бленды (рис.31).

Рис.31

Формирование изображения, аберрации

Попадая в ОЭС , излучение проходит внутри её ряд сред. Входная оптика – это та часть системы, которая собирает излучение и формирует изображение, анализируемое затем модулем пространственного разложения. Поэтому характеристики оптических компонентов являются одним из факторов, ограничивающих качество ОЭС по такому, например, параметру как обнаружение. Указанные ограничения связаны прежде всего с геометрическими и хроматическими аберрациями.

Хроматические аберрации

Для тонкой линзы с фокусным расстоянием f и показателем преломления n() и радиусами кривизны R и R для оптической силы

можно получить соотношение

, (39)

12

11

10

9

8

о пределяющее расплывание в диапазоне =₁…_i изображения точки, связанное со спектральной зависимостью n()/

Исправление хроматических аберраций осуществляется комбинацией линз в объективе т.о., чтобы дисперсия одной линзы компенсировалась дисперсией другой. Результатом создания такого дублета формируется ахромат. В некоторых случаях требуется применение более сложной оптической системы, составленной из трех линз (апохромат)

Продольная хроматическая аберрация dx в зависимости от длины волны иллюстрируется графическими рисунками (1-ахромат, 2-апохромат, 3-нескорригированная система).

Геометрические аберрации.

а

dx

В соответствии с геометрической оптикой в Гауссовом приближении изображение объекта, расположенного вблизи главной оптической оси (оси вращения оптической системы) можно получить для параксиальных лучей, образующих с осью малые углы: на практике системы должны иметь достаточно большие относительные отверстия и поля зрения, т.е. работать в условиях , далеких от сформулированного выше допущения. Результатом этого является возникновение четырех видов аберраций.

Сферическая аберрация (СА)

СА сильно увеличивается с ростом апертурного угла, не зависит от размера изображения y. Поперечная сферическая аберрация dy имеет круговую симметрию. Причем dy=ah³ D/f, где а – коэффициент сферической аберрации, D/f- относительное отверстие объектива. Коррекция СА производится за счет достижения условия, что в объективе а_0 расчетным путем (за счет достижения взаимной компенсации членов третьего порядка членами пятого порядка в полиноме, определяющем аналитическое выражениеdx.Линза, соответстующая, минимальной аберрации называется линзой оптимальной формы. Коэффициент формы

-1

0

-2 -1 0 1 2

Сферическая аберрация простых линз быстро уменьшается с уменьшением показателя преломления.

Кома – определяется отклонением условия Аббе для апланатических систем. Её характеризует отношение

Кома проявляется вне оптической оси (в косых пучках дает изображение не обладающее круговой симметрией и увеличивается с увеличением поля и апертуры системы.

Для этого типа аберрации

здесь  - угловое поле в пространстве предметов.

Так как кома в реальном объективе накладывается на СА при определенных условиях СА может скомпенсировать этот вид аберрации (изопланатизм).

Астигматизм и кривизна поля

При астигматизме вблизи изображения пучок излучения образует две узкие зоны. Эти зоны или геометрическое место “фокусов” астигматизма состоят из двух взаимно перпендикулярных сегментов, называемых соответственно тангенциальным (меридиональным, перпендикулярным плоскости симметрии пучка) и сагиттальным (лежащим в этой плоскости) геометрическим местом точек схода лучей.

Для этого вида аберрации .

Благодаря кривизне поля, к которой приводит астигматизм, уже не существует плоскости изображения, а есть кривая поверхность изображения.

Дисторсия

Дисторсия определяется соотношением

dy=y³d³

здесь d- коэффициент дисторсии системы и не зависит от апертуры h

Если d>0, изображение вытягивается к краям поля (подушкообразная дисторсия), если dV₂ это приводит к перемещению заряда к электроду с более отрицательным потенциалом V₂. Заряды задерживаются теперь около этого нового электрода, в то время как два соседних – имеют потенциал V₀ (момент t₃). Затем циклы последовательно повторяются. Заряды, продвигающиеся т.о. вперед, доходят до последнего электрода и попадают в выходной диод, где видеосигнал принимается и усиливается.

Рис. 33 Схема действия трехфазного ПЗС

V₀

V₁

V₂

V₀

V₁

V₂

V₀

V₁

V₂

t₁ t₂ t₃ t₄ t₅ t₆

`

Рис.34

Двухфазный ПЗС

Чтобы упростить механизм управления, можно обеспечить преимущественное направление движения зарядов несимметричной конфигурацией емкостных электродов (например, сделать толщину диэлектрика переменной, что сформирует в п/п два потенциальных уровня, соответствующих одному данному потенциалу электрода) (рис.35).

Эффективность переноса заряда на практике по различным причинам (особенно из-за существования уровня захвата на границе кремний-окись кремния) уменьшается – часть зарядов теряется при каждом переносе. Обычно эффективность 90% на тысячу переносов. Разрабатывают методы, облегчающие диффузию зарядов в кремние. ПЗС регистр позволяет выделять сигналы с различных чувствительных элементов линейки приемников. Эта операция протекает в три этапа (см.рис.37).

этап накопления, во время которого излучение создает электрический сигнал в фоточувствительных элементах;

параллельный перенос сигнала с каждого элемента в ПЗС;

перенос сигнала вдоль ПЗС.

Рис.35. Схема действия двухфазного ПЗС

₁

> t

₂ > t

0

-V

время

t₁

Рис. 36. Диаграмма напряжений S₁,S₂ к рис. 35

Изображение с помощью матрицы ПЗС можно получить двумя способами.

В первом случае (рис.38 а) облучаемая матрица ПЗС считывается путем переноса индуцированных зарядов вдоль каждой строки к выходному регистру, представляющему столбец элементов ПЗС, используемых в мультиплексном режиме. Заряды каждого столбца одновременно передаются соседнему столбцу. В результате каждого такого шага выходной регистр заполняется новой информацией, которая тут же считывается и передается видеоусилителю. Рабочая частота устройства очень высока, поскольку требуется очень большая скорость переноса.

Во втором случае информация с элементов облученной матрицы передается в матрицу памяти, имеющую ту же структуру и затем мультиплексируется выходным ПЗС-регистром. Этот метод позволяет согласовать время накопления сигнала от излучения в течениие одного кадра, время очень быстрой передачи информации в матрицу памяти и время считывания. Таким образом рабочая частота оказывается существенно сниженной (рис.38 б).

Приборы с инжекцией заряда (ПЗИ) (рис.39, 40)

ПЗИ работают аналогично ПЗС с той лишь разницей, что в случае ПЗИ возникает ток в подложке благодаря инжекции зарядов, составляющих видеосигнал. Этот ток пропорционален числу принятых фотонов.

Мозаичные структуры ПЗИ состоят из набора элементарных ячеек – два прозрачных электрода нанесены на подложку п-типа и разделены полученной диффузией областью р-типа.

Рис. 37. ИК-ПЗС-фотоприемник

Приемник излучения

Ключи переноса

ПЗС

Выходной диод

Виделсигнал

Электрод управления ключами

Электроды управления ПЗС

Рис. 38 Матричный ПЗС – фотоприемник

Фоточувствительная структура

Выходной регистр

ПУ видео

Видеосигнал

Управляющий генератор строчной развертки

Управляющий генератор кадровой развертки

Рис.39

Рис.40. Топология мозаики ПЗУ

1.Фоточувствительная структура

2.Строчный сдвиговый регистр

3.Кадровый сдвиговый регистр

4.Элемент, с которого происходит считывание

75

Системы охлаждения приемников излучения

Чтобы повысить обнаружительную способность ИК ФП нужно “заглушить” собственное излучение чувствительного элемента и примыкающих к нему элементов (подводящих электродов, диафрагму поля зрения) Это достигается охлаждением приемника до температур, при которых шум собственного излучения становится пренебрежимо малым.

Кроме того охлаждение очень маленьких чувствительных элементов с малой теплоемкостью позволяет предотвратить чрезвычайный их нагрев под действием интенсивного и продолжительного облучения, наконец охлаждение примеников уменьшает шум от теплового возбуждения носителей заряда внутри чувствительного элемента, т.е. повышает обнаружительную способность.

В настоящее время существует три способа охлаждения:

сжиженными газами;

криогенными машинами;

за счет эффекта Джоуля – Томсона;

за счет термоэлектрического эффекта.

Охлаждение сжиженными газами

Обычная конструкция

сосуд Дьюара (рис.41).

Хладоагенты:

жидкий азот (77 К)

жидкий гелий (4,2 К)

жидкий водород (20,3 К)

Сосуды Дьюара обеспечивают одной заливкой 3-4 ч. работы приемника.

Охлаждение за счет эффекта Джоуля – Томсона

Этот метод охлаждения основан на эффекте понижения температуры при быстром дросселировании газа под высоким давлением (20-40 Мпа). Получаемый перепад Т невелик, поэтому необходим теплообменник, использующий полученный холод для понижения температуры газа перед дросселированием.

Выпущенный охлажденный газ, поднимаясь к выходу из сосуда Дьюара, отбирает тепло (рис.42) от спирали, охватывающей трубку с газом высокого давления и охлаждает её. Через насколько минут вблизи чувствительного элемента приемника образуется несколько капель жидкого азота.

Криогенные машины

Это машины с замкнутым циклом для непрерывной выработки холода механическим путем за счет расширения предварительно сжатого газа. Машины работают на основе различных термодинамических циклов.

Рис.41.Сосуды Дьюара (стеклянный и металлический)

Цикл Стерлинга

Это замкнутый цикл, основанный на процессе регенерации при постоянном объеме; фазы сжатия и расширения изотермические.

Цикл имеет четыре фазы:

сжатие при постоянной температуре Т, в камере А (рис.43);

переход газа через регенератор (здесь газ охладится до температуры Т₂) в камеру В;

расширение газа в камере В при Т₂ с поглощением тепла из окружающей среды;

возврат газа в камеру А.

Вытесняемый поршнем камеры В при прохождении через регенератор газ отбирает тепло. Поглощение тепла от окружающей среды происходит благодаря тепловому контакту с металлическим стержнем, находящемся в сосуде Дьюара.Особенность машины данного цикла – малые габариты и малое потребление мощности.

Цикл Джифорда Мак – Магона

Фазы цикла этой машины основаны на тех же принципах сжатия и расширения, что и в цикле Стерлинга.

Поршень находится в нижней части цилиндра, впускной клапан V₁, открыт, давление в регенераторе резко поднимается (рис.44)

Впускной клапан V₁ закрыт, и поршень перемещается в верхнюю часть цилиндра (расширение-генерация холода).

Выпускной клапан V₂ открыт, поршень перемешается в нижнюю часть цилиндра, газ отбирает тепло в регенераторе и понижает его температуру.

Следующий цикл такой же, но газ предварительно охлаждается, проходя через регенератор.

Следует упомянуть и машины с разомкнутым циклом, которые включают фильтр, компрессор, осушитель и теплообменник с использованием эффекта Джоуля –Томпсона. Эти устройства по существу заменяют в системах раздела 14.2 баллон со сжатым воздухом на компрессор, выигрывая в габаритах и надежности.

Рис.42 .Холодильник с использованием эффекта Джоуля-Томсона

1-баллон с азотом под давление, 2-фильтр для очистки газа,

3-теплообменник с использованием эффект Джоуля-Томсона,

4- сосуд Дьюара, 5,6 -спиральная обмотка для улучшения теплообмена,

7- дросселирующее отверстие, 8- охлажденный газ

Рис.43. Цикл Стирлинга.

1-регенератор; 2-отвод тепла, 3- подвод тепла

Рис.44. Цикл Джиффорда – Мак-Магона

1-регенератор;2-компрессор

Термоэлектрическое охлаждение

I

Q

Пр-к 2

Пр-к I

Термоэлектрический эффект Пелтье состоит в поглощении или выделении тепла на спае двух различных металлов или полупроводников, когда по этим проводникам протекает электрический ток . Если Е₁ и Е₂ термоэдс первого и второго спаев, то количество тепла, получаемого на спае при температуре Т(К) выражается формулой : Q=(Е₁ - Е₂)xTxI.

Q

Один каскад конструкции на основе Bi₂Te₃ позволяет получить температуру

(-30)С, два каскада (-75 ), шесть (-100)

Сканирующие системы

Для преобразования многомерного оптического сигнала в одномерный электрический, содержащий адекватную информацию о распределении параметров оптического сигнала, в ОЭП используется сканирование – процесс последовательной, непрерывной или дискретной, выборки значений оптического сигнала. Наиболее часто в ОЭП выполняется преобразование пространственного распределения потока излучения в видеосигнал. Поэтому процесс сканирования в этом случае есть последовательный просмотр сравнительно большого поля обзора малым мгновенным полем.

Важной функцией сканирования является повышение помехозащищенности ОЭП. Действительно, применение малого мгновенного поля зрения при обзоре большого пространства, содержащего малоразмерный объект на фоне помех, безусловно более предпочтительно, чем выполнение той же операции прибором с большим полем зрения.

Сканирующие системы могут быть классифицированы различным образом:

по способу разложения поля обзора (одноэлементное, параллельное, последовательное, комбинирование).

по физической сущности явлений, лежащих в основе работы сканирующей системы (механические, оптико-механические, фотоэлектронные, ультразвуковые и т.д.)

по пространственному признаку (одномерные, двумерные).

При одноэлементном сканировании малое мгновенное поле зрения может быть просмотрено , как показано ниже на рисунке, по самым различным траекториям.

При параллельном сканировании все поле OYLX просматривается одновременно по горизонтальным строкам, например, путем перемещения линейки ФП , ориентированной перпендикулярно направлению сканирования.

При последовательном сканировании линейка ФП ориентирована параллельно направлению сканирования каждую точку пространства просматривают все элементы. Сигналы от них поступают на линию задержки и в сумматор. В этом случае возможно не только осреднение сигнала, но и получение большого разрешения в (n) раз при усложнении электронной схемы и повышении стоимости ОЭП, которые могут быть несопоставимы с достижимым преимуществом.

При параллельно-последовательном сканировании просмотр поля зрения обеспечивается матрицей.

Траектории сканирования при регулярном поиске

В оптико-электронных приборах используются различные траектории сканирования. Вид конкретной траектории определяет прежде всего форму контролируемой области поля обзора (форму растра).

Круглая форма поля образуется осесимметричными траекториями, которые создаются за счет двух составляющих сканирования. Одной из них является вращательное движение с постоянной скоростью, второй – как вращательные, так и колебательные движения.

Прямоугольная форма поля создается двумя колебательными перемещениями, хотя в некоторых случаях используются сочетания вращательного и поступательного движения.

Осесимметрические траектории сканирования могут быть разделены на ряд классов в зависимости от типа слагающих движений и соотношения между их скоростями. При этом различают спиральную и розеточную траектории сканирования.

Траектории сканирования при колебательно-вращательном движении сканирующего поля.

Архимедова спираль образуется, когда за время одного колебания вдоль некоторой оси ОУ последняя совершает несколько оборотов вокруг неподвижной точки О (рис.45).



r

a

а-шаг спирали.

Рис.45

Для осмотра поля обзора без (2r) пропусков размер мгновенного поля зрения должен быть равен (а).

Если при колебательно-вращательном движении сканирующего поля за время одного оборота совершается несколько колебаний, то создается розеточная траектория (рис.46, 47,48)





y y



t

0 T/2 T 2T

Рис.46.

Розеточная траектория характеризуется числом лепестков N, которое определяется угловой скоростью вращения , линейной скоростью и амплитудоколебания r

,

где

В зависимости от соотношения между r, радиусом поля обзора R, а также направления и начала сканирующего колебания изменяется характер заполнения поля линиями сканирования изменяется.

Траектории сканирования при вращательно-вращательном движении достаточно наглядно представлены на рис. 49-51.

Траектории сканировании при колебательных перемещениях.

Колебательные перемещения сканирующего поля в двух взаимно перпендикулярных направлениях позволяют осуществить так называемую построчную и прогрессивную траекторию сканирования. В этом случае в процессе развертки сканирующее поле (СП) перемещается слева направо и одновременно смещается на ширину строки вниз. Пройдя одну строку, СП быстро перемещается влево и затем процесс повторяется до заполнения кадра –поля обзора. Для получения равномерного движения СП вдоль строки или кадра перемещения его в исходное положение необходимо обеспечить пилообразный закон движения (рис.52). В заключении приведём рис.53, который иллюстрирует некоторые специальные траектории сканирования.

Типы сканирующих устройств

Обычно различают ОЭП с фотоэлектронным сканированием, сканирование электронным лучом, сканирование световым лучом, оптико-механическое сканирование.

Сканирование электронным лучом (СЭЛ)

СЭЛ осуществляется в телевизионных передающих трубках (иконоскоп, супериконоскоп, ортикон, диссектор, видикон и др.).

Большинство современных передающих трубок являются фотоэлектрическими приемниками излучения с внешним фотоэффектом,обладающим достаточной чувствительностью в области длин волн до ~1,2 мкм.

В ряде случаев в качестве фотокатода в трубках используются фоторезистор, т.е.явление внутреннего фотоэффекта, что сдвигает область чувствительности до 2-2,5 мкм.

Рис.47. Розеточная траектория сканирования при колебательно-вращательном движении сканирующего поля

Рис. 48.Траектория сканирования при колебательно-вращательном движении сканирующего поля для r