Аэрокосмические фотоприемные устройства в видимом и инфракрасном диапозонах - Формозов Б.Н.
Скачать (прямая ссылка):
Существует масса приемных устройств, которые способны воспринимать эти виды излучений. Здесь будем рассматривать только те виды приемников и приемных устройств, которые представляют собой большие интегральные схемы (БИС) или целые гибридные интегральные сборки (ГИС), содержащие несколько БИС, элементы соединений, обработки и формирования электрического сигнала.
Кроме того, из всего многообразия таких устройств будем рассматривать только те приборы и устройства, которые обеспечивают необходимые параметры технической характеристики только при глубоком охлаждении - от температур 220-240 К до криогенных температур (ниже 120 К), т. е. 30-80 К. Это обусловлено, во-первых, тем, что все они предназначены для обнаружения и формирования изображений от слабых источников излучения при большой дальности. Указанные приемники предназначены для:
- тепловых головок самонаведения ракет и навигационных систем крылатых ракет;
- систем типа FLIR (Forward Looking Infrared) самолетов;
- систем обнаружения стартов межконтинентальных баллистических ракет (МБР) и их разделяющихся частей;
Во-вторых, аэрокосмическое базирование этих систем предъявляет повышенные требования к ним по стойкости к внешним воздействиям: механическим, климатическим и специальным (это - факторы ядерного взрыва, 9 СКИ (солнечных корпускулярных излучений), электроны и протоны ЕРПЗ и ИРПЗ - естественных и искусственных радиоактив-6 ных поясов Земли. Правда, созданный американцами ИРПЗ (13-14 тыс. км) уже в основном рассеялся.
Длина волны и частота электромагнитного излучения связаны соотношением
?и = с, (1.1)
где ? - длина волны, мкм; ? - частота, Гц; с - скорость света, 3-1010 см-с-1.
Из всего электромагнитного спектра от 0,1 АО (гамма-лучи) до 100 км (звуковые частоты) рассмотрим лишь область длин волн, представленную на рис. 1.1.
0,4 0,6 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0
Видимое излучение Ближняя ИК-область Средняя ИК-область Дальная ИК-область
Длина волны, мкм ->
Рис. 1.1
Независимо от того, приемники видимого или инфракрасного диапазонов рассматриваются, все параметры представлены в энергетических величинах для точечных источников (табл. 1.1).
Таблица 1.1
Энергетические величины
Обоз-наче-ние Наименование Определение Размерность
U Энергия излучения Энергия, переносимая электро- Дж
магнитными волнами
u Плотность энергии Энергия излучения на единицу Дж-см-3
излучения объема
P Лучистый поток Скорость передачи энергии Вт
излучения
W Плотность излуче- Число фотонов, испускаемых фотон-с-1-см-2
ния в секунду с единицы площади
J Сила излучения Лучистый поток в единичном Вт-стер-1
телесном угле
7 Продолжение табл. 1.1
Обоз- Наименование Определение
наче-
ние
N Лучистость (энерге- Лучистый поток в единичном
тическая яркость) телесном угле с единицы
E Облученность Лучистый поток, падающий
на единицу площади
? Коэффициент излу- Отношение плотности излучения
чения (излучатель- источника к плотности излучения
ная способность, АЧТ при той же температуре
интегральная
степень черноты)
? Коэффициент погло- Отношение поглощенного лучис-
шрния (поглощатель- того потока к падающему лучис-
ная способность) тому потоку
? Коэффициент отра- Отношение отраженного лучис-
жения того потока к падающему
? Коэффициент про- Отношение пропущенного лучис-
пускания того потока к падающему
Размерность
Вт-см-2-стер-1 Вт-см-2
На самом деле понятие точечного источника излучения - идеальное. Все источники - протяженные. Но на практике при больших дальностях облученность от точечного источника на расстоянии от него вычисляется по формуле:
?-J
E л 2 ,
Вт йтер 1 ИЪм
?2
(1.2)
1.1. Тепловое излучение
Нагретые тела (твердые и жидкие) характеризуются непрерывным распределением излучения по спектру длин волн с единственным максимумом, положение которого зависит от температуры источника. Такие источники называют тепловыми, а тела эти обычно находятся в состоянии термодинамического равновесия. Излучение пламени или электрического разряда в газах не непрерывно по спектру, а сконцентрировано в узких интервалах - линиях и полосах. Такие источники называют селективными.
8 Примерами селективных излучателей являются факелы двигателей самолетов и ракет, а также слои в скачке уплотнения, окружающие возвращающийся в атмосферу космический аппарат (КА) и отделившиеся боеголовки МБР.
Фундаментальным понятием при изучении теплового излучения является понятие об абсолютно черном теле (АЧТ), т. е. теле, поглощающем все падающее на него излучение любых длин волн.
Спектральное распределение излучения АЧТ описывается законом Планка (в табл. 1.1 ? ? 1):
Wn =
Inhcz
1
П П5
ech/kT nD 1'
Формулу (1.3) обычно записывают
C1 1
Wn =
n5 e
;2/ПТ D1
(1.3)
(1.4)
где Wa - спектральная плотность излучения, Вт ИмD2 Иккм-1; П - длина волны, мкм; h - постоянная Планка (6,62 Q0-34 Вт HC2); Т - абсо-
, (з [1010 см й-1); C2 = ch / k = 1,44 Q04 мкм Ж ;
