Аэрокосмические фотоприемные устройства в видимом и инфракрасном диапозонах - Формозов Б.Н.
Скачать (прямая ссылка):
Система стабилизации параметров ФПУ на КА защищена авторским свидетельством СССР.
Проблема создания ФПУ на базе ИК-приемников диапазона 8-12 мкм
Область длин волн от 8 до 12 мкм относится к дальнему ИК-диапазону, или к диапазону теплового излучения.
Основные области применения ИК-приемников диапазона (8-12) мкм: тепловидение; FLIR; обнаружение крылатых ракет по тепловому аэродинамическому излучению передней полусферы; противодействие самолетам-невидимкам " Стеллз"; противоспутниковые системы " спутник-спутник"; обнаружение и наведение при противодействии морским ракетам; обнаружение и сопровождение отделяющихся боеголовок МБР.
Первым практическим применением систем телловидения в диапазоне 8-12 мкм были ночные операции американских ВВС во Вьетнаме. Это так называемые системы "Down Looking Infra-Red".
Если самолет летит прямым курсом на небольшой высоте над скоплением живой силы противника (вьетконговцев) в зарослях кустарников, то ИК-линейка (? 64 элемента), расположенная в фокусе германиевого объектива перпендикулярно оси движения самолета, сканирует плоскость предметов за счет движения самолета и постоянного счи-
106 тывания информации в строчном режиме. В итоге на мониторе получается тепловизионная картина местности. Сила излучения (Тизл = 36 °С) человеческого тела больше силы излучения "зеленки" (Т ? 36 °С). Поэтому на тепловизионной картине фиксируется температурный контраст живой силы и листвы.
Аналогичным образом могут быть организованы системы наведения ракет "воздух-земля" по живой силе и частям техники и т. п.
В отличие от систем обнаружения слабых сигналов на пространственно-неоднородном фоне в том же ИК-диапазоне, где основной характеристикой МК-приемника является Рпор и удельная обнаружитель-ная способность D*, в тепловидении основной характеристикой ИК-приемника является пороговая разность температуры ?T (NETD) - Noise Equivalent Temperature Difference.
Для ИК-приемников обнаружения NEP, или мощность, эквивалентная шуму, и определяла его пороговую чувствительность.
В тепловидении рассматривается эквивалентная шуму разность температур.
Определение: величина ?T представляет разность температур объекта и фона, излучающих как черные тела в стандартном тест-объекте, при которой отношение пикового значения сигнала к среднеквадратичной величине шума на выходе стандартного эталонного электронного фильтра системы, рассматривающей тест-объект, равно единице.
Современные системы тепловидения достигают ?T 0,1-0,04 К. Основной проблемой при создании ФПУ на основе ИК-приемников 8-12 мкм, работающих в режиме тепловизора, является создание фоточувствительного материала на основе узкозонных полупроводников.
Основным материалом, на котором создаются ИК-приемники 8-12 мкм, является соединение HgxCd1xTe (КРТ). Хорошо известно:
Hg0,8Cd0,2Te.
Наибольшую ценность представляют эпитаксиальные пленки соединения кадмий-ртуть-теллур (КРТ), выращенные на монокристальных подложках из лейкосапфира.
Очень хорошие результаты давали эксперименты по выращиванию монокристаллов КРТ в условиях невесомости на станциях "Мир", а ранее - на "Салюте-6".
В рамках создаваемой национальной программы ПРО США планируется использование матричных ИК-приемников на ?? = 8-12 мкм на спутниках "Low SBIRS Satelite" (SBIRS - Space Based Infrared System).
107 14. ФПУ НА ОСНОВЕ ПЗС С ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИМ
ОХЛАЖДЕНИЕМ
Термоэлектрические охладители (ТЭО) и термоэлектрические батареи (многокаскадные ТЭО), или ТЭБ, основаны на эффекте Пельтье.
Каскадирование обеспечивает:
- более глубокое охлаждение;
- повышение энергетической эффективности преобразования электричества в холод.
Холодильный коэффициент
V=QJW, (14.1)
где: Qo - холодопроизводительность; W - потребляемая мощность.
Термоэлектрическая цепь
Электрон Io- на рис.14.1, а движется слева направо; для перехода из металла в полупроводник ему необходимо преодолеть потенциальный барьер (рис. 14.1,6):
U=(-EF+2kT)/l0, (14.2)
где Ep - энергия Ферми; 2 кТ - средняя тепловая энергия в полупроводнике электронов, участвующих в переносе теплоты. Переход возможен только для Io с энергией, большей берьера. Электроны из внешней цепи не могут скомпенсировать убыли энергии, так как средняя энергия Io- в полупроводнике много больше, чем в металле. Нарушается тепловое равновесие электронов и решеткой: металл в контакте А охлаждается. Соответственно, контакт Б нагревается.
Основные соотношения:
1) холодильный коэффициент П = Qo/W - отношение холодопроиз-водительности к затрачиваемой мощности;
уггггг-ггптт
Валентная зона
Рис. 14.1
108 2) термоэлектрическая эффективность (добротность)
Z = 12/Rk,
где / - коэффициент термоэдс термоэлемента; R- омическое сопротивление полупроводника; k - коэффициент теплопроводности полупроводника. Для изготовления термоэлементов используются твердые растворы халькогенидов сурьмы в халькогенидах висмута и теллура.
(14.3)
Q=Q+w
T I Холод 2
9
0
© ^
Рис. 14.3
