Аэрокосмические фотоприемные устройства в видимом и инфракрасном диапозонах - Формозов Б.Н.
Скачать (прямая ссылка):
D:m
Ситуация сильно осложняется, когда облученность на входном зрачке ОС от фона превышает соответствующую облученность на входном зрачке ОС от цели в 100-1000 раз.
Облученность от фона на входном зрачке ОС создает облученность в плоскости фокусировки ОС на поверхности ПИ через формулу (3.15), которая зависит от фокусного расстояния ОС F.
35 OC
hD Ч 1
—>--
А і
h ? ТІ Vt" I
—>- I
I
Рис. 4.6
Кроме внешнего фона (в основном, от дневной Земли), присутствует приборный (или аппаратурный) внутренний фон, так как при неохлаждаемой ОС полость заднего отрезка ОС и входная оптическая часть криостатирующего устройства ПИ образуют "серую" полость с температурой порядка 300 К, излучающую на ПИ. Величина внутреннего фона также зависит от F, особенно для ОС с большой
выходной апертурой (рис. 4.6). Апертура А:
A =
D
2F'
(4.10)
Телесный угол : , в котором поглощается фоновое излучение заднего отрезка ОС:
= Dsin
2
(4.11)
где ; - половина угла обзора поверхности ПИ из любой точки в пространстве заднего отрезка ПИ.
Для широкоапертурных объективов даже в коротковолновом диапазоне до 3,0 мкм аппаратурный фон может превышать фон дневной Земли.
Типичные значения Рпор для ИК-приемника на геостационарной орбите (около 40000 км), необходимые для обнаружения 1-й ступени старта МБР Рпор = 5Q0-13 Вт/элемент при 8 ? 3 при облученности от фона дневной Земли Еф ? 1Q0-6 Вт/см2 и аппаратурного фона Еф ? 1Q0-> Вт/см2.
При площади элемента S = 30
30 мкм ? Ш0-5 см2
> 1
от суммарного фона
на ПИ попадает поток Рф ? 2Q0-11 Вт/элемент.
Таким образом, динамический диапазон должен быть не менее 120, а при обычно требуемых 8 ? (>-10) он должен быть ? 1000. Реально необходим запас по динамическому диапазону еще, как минимум в 100 раз, так как 1Q0? - это диапазон только на уровне порога обнаружения, а для селекции целей, приоритезации и выдачи целеуказаний необходимо работать с 8 ? (10-100).
Определим отношение сигнал-шум для указанного выше случая в диапазонах 2,7 мкм и 4,3 мкм при уровне фона.
36 Облученность фона (внешнего и внутреннего примем равной Еф2 7 = 2 [10-6 Вт/см2 , а в диапазоне 4,3 мкм Еф4 3 = 2 Q0-5 Вт/см2 . При этом и Рпор2,7 соотносится с Рпор4 3, как 1:5; /Лор2,7 ?
? 5 [10-13 Вт/элемент , а Рпор4,3 ? 2 Q0-12 Вт/элемент . Энергия фотона
hc
Ефот =^ , так что Ефот2,7 = 7,4 [10 20 Дж; Ефот4,3 = 4,6 [10 20 Дж, гдe
5___2
?
площадь элемента S^ = 1 [10-5 см2 . Отсюда находим, что 1 Вт27 мкм ?
? 1,3 [1019 фотон / элемент сс, а Вт4 3 мкм ? 2,3 Q019 фотон/элемент [с.
Квантовая эфективность диода Шоттки V = 0,01 на 2,7 мкм (силицид платины) и V = 0,01 на 4,3 мкм (силицид палладия); Рф2 7 = Еф2 7 S^ =
= 2 [10-11 Вт/элемент; Рф4,3 = Еф4,^эл = 2 [10-10 Вт/элемент.
Рф
Энергетический контраст - отношение — ? 50 на ? = 2,7 мкм и ? 100
Pc
на ? = 4,3 мкм. При V = 0,01 фоновый заряд будет
бф2,7 = 1,3 [1019 фотон/с Э,01е-/фотон2 [10-11 = 1,3 [106 е с,
т. е. за 1 с накопится заряд насыщения, если в качестве накопителя использовать ПЗС-яму. Чтобы иметь запас по динамическому диапазону не менее 10, надо ограничить время накопления в 0,1 с. За 0,1 с от Рпор = 5Q0-13 Вт/элемент накопится D^7 = 1,?Q01A фотон/с 0,01 е/фо-
тонЗП0-1? [0,1 с = 6,5П0?, если принять D^ 7 = 100 е-/выборку сигнала. Отношение сигнал-шум 8 ? 50-60. При t = 0,01 с [8 ? В->. Для
? = 4,? мкм
еф 4 3 = 2,3 [1019 фотон/элемент й CD,01 е фотон [2 [10-10 =
= 4,6 [107 е 7с, т. е. t ? 0,01 с при 8 ? 10.
нак
Работать же на фоне Земли в тепловом диапазоне ?? = 8-12 мкм вообще невозможно из-за огромного теплового фона Земли.
37 5. ЛИНЕЙНЫЕ ИК-ПРИЕМНИКИ ИЗОБРАЖЕНИЯ
Наибольшее распространение для изготовления линеек ИК-приемников получили следующие материалы:
- PbS - из-за высокой квантовой эффективности в диапазоне до 3,0 мкм (до 25-30 %), необходимости умеренного охлаждения (? 170 К) для обеспечения хорошей обнаружительной способности, а главное -огромной ампер-ваттной чувствительности (до (1-2)Q05 А/Вт);
- PbSe обладает многими достоинствами PbS, но его спектральная чувствительность - 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 используется в диапазоне от 3,0 до 5,0 мкм; однако он отличается исключительно высокой 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 устанавливаются на хладопроводы охлаждающих устройств с минимальным термическим сопротивлением зоны контакта подложки линейки и хладопровода.
Типичная конструкция (схема) линейного ИК-приемника приведена на рис. 5.1 (фоторе-зистивного).
Сдвоенные линейки применяют лишь тогда, когда обнаруживать необходимо цели, сравнимые с S .
