Название: Многоэлементные фотоприемные устройства и тепловизоры - Учеб. пособие. (Илюшин В.А.)

Жанр: Технические

Просмотров: 1299


2.3.1. сканирующие системы

 

Предположим, что на расстоянии  от оптической системы с эффективной площадью входного зрачка  и фокусным расстоянием  находится протяженный источник излучения, представляющий собой абсолютно черное тело с температурой . Источник наблюдается на некотором фоне, излучение которого представляет собой также излучение абсолютно черного тела при температуре .

Спектральный поток излучения, собираемый оптической системой и попадающий на приемник излучения

                 ,               (1)

а сигнал, снимаемый с приемника

,                              (2)

где – абсолютная вольтовая чувствительность приемника, В/Вт; – спектральная плотность потока излучения абсолютно черного тела при температуре , Вт/сммкм; – угол мгновенного поля зрения приемной системы (апертурный угол отдельного элемента приемника).

Отношение сигнал-шум для немонохроматического излучения

.                        (3)

Обычно вместо абсолютной вольтовой чувствительности используют приведенную обнаружительную способность:

 ,                                     (4)

где  – площадь чувствительного элемента,  далее для простоты предполагаемого квадратным со стороной ;  – ширина полосы пропускания электронного тракта усиления сигнала и шума;  – энергетический поток излучения, при котором отношение сигнал-шум равно единице. Поскольку по определению , то 

                                (5)

и

 .                              (6)

В этом случае выражение (3) для отношения сигнал-шум принимает вид

 .             (7)

Оптимальная величина полосы пропускания электронного тракта оптико-электронных приборов зависит от назначения приемной системы, а также от спектральных характеристик сигнала и шума. Обычно используется фильтр с полосой пропускания, согласованной с полосой частот, занимаемой сигналом. В первом приближении можно принять, что ширина полосы  связана с временем, приходящимся на один элемент разложения наблюдаемой тепловой картины , соотношением

 ,                                           (8)

где c – некоторая постоянная порядка единицы. Учитывая, что угол мгновенного поля зрения равен угловому размеру чувствительного элемента приемника излучения

 ,                                         (9)

получаем, что разностный сигнал, определяющий контраст теплового изображения цели с температурой  на фоне с температурой ,

 .         (10)

 

При малых температурных контрастах  разность в подынтегральном выражении может быть заменена дифференциальной разностью  и выражение для теплового контраста примет вид

,             (11)

где , – относительная спектральная характеристика приемника излучения.

Время , приходящееся на один элемент разложения, определяется длительностью кадра  и соотношением между величинами углов мгновенного поля зрения  и полного поля обзора :

,                                             (12)

где  – полное число элементов в многоэлементной матрице приемника;  – число строк;  – число столбцов.

Таким образом, контрастный сигнал

.         (13)

При конструировании приемной системы, исходя из ее назначения, обычно задаются значениями длительности кадра , полного поля обзора , мгновенного угла зрения , а также разницей температур объекта  фона. Значением параметра  также задаются, поскольку оно определяется функциональным назначением системы. Таким образом, в ходе разработки приемной системы для обеспечения заданного соотношения сигнал-шум можно варьировать только величины , ,  и .

Увеличение размеров входного отверстия оптической системы приводит к резкому увеличению массы и габаритов приемного устройства, что не всегда допустимо. Уменьшение фокусного расстояния при неизменной величине приводит к росту аберраций в оптической системе, необходимости ее усложнения и сопутствующим этому отрицательным явлениям. Поэтому относительное отверстие  оптической системы приемного устройства фактически является заранее заданной величиной. В правильно сконструированных приемных системах значение приведенной обнаружительной способности  приемника излучения близко или равно максимально возможному, определяемому флуктуациями излучения фона (режим ограничения фоном ОФ или BLIP-режим):

,                                 (14)

где  – постоянная Планка;  – скорость света;  – квантовая эффективность преобразования излучения;  – интенсивность фонового излучения, падающего на чувствительный элемент.

Таким образом, все параметры (за исключением ), которыми может управлять разработчик, равны или близки к своим максимальным значениям, и для существенного увеличения отношения сигнал-шум у современных приемных систем есть фактически только одна возможность – увеличивать число элементов  в многоэлементном приемнике излучения.

Если не учитывать особенности изготовления и функционирования многоэлементных ФПУ, которые будут рассмотрены в последующих главах, и исходить из допущения, что в распоряжении разработчика имеются многоэлементные приемники с любым требуемым числом элементов, то максимально возможное число элементов в матрице будет определяться особенностями применения матриц в приемных системах.

Одним из основных условий, которое должно выполняться в правильно сконструированной приемной системе, является преобладание шумов приемного элемента над шумами последующей электронной схемы считывания и усиления сигнала. При выводе уравнения для контрастного сигнала предполагалось, что это условие выполняется. Ширина полосы , в которой происходит накопление шумов, определяется частотой опроса элементов в матрице. Последняя, в свою очередь, зависит от времени кадра и числа элементов в матрице, которые должны быть опрошены за время кадра. Как следствие, при заданных разработчиком исходных данных в виде времени кадра  и уровня шума предварительного усилителя максимально допустимое число элементов в матрице устанавливается автоматически.