Аэрокосмические фотоприемные устройства в видимом и инфракрасном диапозонах - Формозов Б.Н.
Скачать (прямая ссылка):
эл
На рис. 5.1: 1 - фоточувствительные элементы 1-й линейки; 3 -фоточувствительные элементы 2-й линейки, сдвинутой на 1/2 шага эле-
Рис. 5.1
38 мента; 5, 2 - общие шины; 4 - индивидуальные выводы сигнала от элементов. Сдвиг на пол-шага элементов между 1- и 2-й линейками обеспечивает отсутствие пропуска цели (точечной) в зазорах между элементами 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 фотоволь-таического типа (фотодиодные линейки).
5.1. Методы сканирования
Линейные ИК-приемники бывают от 64-х элементов до 6000 элементов. Фактически линейка является фотоэлектрическим преобра-зо-вателем для формирования одной строки телевизионного кадра. Для того чтобы 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 оснащены системами ночного видения типа DLIR (Down Looking Infrared). Это -линейка из соединения кадмий - ртуть - теллур, охлажденная до температуры нормального кипения азота (77,4 К), расположенная строго перпендикулярно оси движения самолета. Сканирование изображения местности производилось за счет движения самолета. Оптическая система (ОС) DLIR была сориентирована вперед и вниз. Скопление живой силы в джунглях определялось путем наблюдения температурного контраста между людьми и листвой в ночное время.
В настоящее время самолеты оснащаются системами FLIR (Forward Looking Infrared). В них обычно вертикально расположена линейка, а сканирование 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 поле зрения ОС. Сканирующее зеркало устанавливается перед ОС под углом к полю обзора.
39 Второй 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.
Рис. 5.3
Сканирование в пространстве изображения, несмотря на технические трудности, выгоднее при использовании ОС большого диаметра, так как огромные сканирующие зеркала перед ОС нарушают пространственную стабилизацию КА, или другого летательного аппарата и требуют компенсации для сохранения полного момента количества движения. 40
5
2 Прекрасный 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 установлен датчик изображения, смотрящий на Землю, стабилиризуется вращением вокруг оси, ориентированной в надир, со скоростью 10 об/мин. В плоскости фокусировки ПИ образовывается круговой телевизионный ИК-кадр при вращении линейки в 6000 элементов вокруг элемента 1. Диаметр строчной развертки - 12000 элементов.
Имеются еще десятки способов сканирования: вращающимися призмами, двояколучепреломляющими клиньями перед ПИ и др.
41 6. МАТРИЧНЫЕ ПРИЕМНИКИ ИЗОБРАЖЕНИЯ
Твердотельные телевизионные фотоэлектрические преобразователи
ТТФЭП представляют собой сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) с числом фоточувствителъных элементов от 120 • 128 до 512 • 512 в одной матрице. Типичная схема с X-Y-организацией ТТФЭП приведена на рис. 6.1, где а - схема матрицы; б - структура.
а)
Г Y
X
15
Мультиплексор б)
напряжении
( !>
Рис. 6.1
Мультиплексор напряжения представляет собой синхрогенератор импульсов, подаваемых с помощью регистра сдвига, и системы быстродействующих микромощных ключей поочередно во все Y-шины матрицы.
Мультиплексор токовый подключает поочередно с помощью регистра сдвига и системы токовых ключей Х-шины к входу операционного усилителя с глубокой обратной связью для регистрации выходного сигнала.
42 Наибольшее 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 сопротивления такого полупроводникового кристалла с примесной проводимостью до уровня почти диэлектрика их охлаждают до температуры77,4 К (Тн кШ).
Ампер-ваттная чувствительность ТТФЭП на основе компенсированного германия достигает (1-2)Q05 А/Вт и выше при фотоэлектрической инерционности 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- и Г-шин, на которую спроецировано ИК-изображение, резко понижается, а операционный усилитель фиксирует электрический сигнал, соответствующий цели. Эта система - координаточувствительная. Все элементы Х-Г-матрицы выводятся на экран видеоконтрольного устройства (ВКУ) с координатами.
