Аэрокосмические фотоприемные устройства в видимом и инфракрасном диапозонах - Формозов Б.Н.
Скачать (прямая ссылка):
По законам Кирхгофа тела не излучают энергии в своей полосе прозрачности. Коэффициент поглощения ??
? ?= 1 ? ?????, (1.8)
где Tb - коэффициент пропускания; ?? - коэффициент поглощения.
Его можно приравнять к спектральному коэффициенту теплового излучения (?? = ??), т. е. к спектральной степени черноты.
Типичные значения ?, ?, ?, и ? приведены в табл. 1.3
Таблица. 1.3
Материал образца Оптические характеристики Коэффициент теплового излучения ?
? ? ?
Германий ГМО 0,49 0,44 0,07 0,13
Кварц КИ 0,69 0,15 0,16 0,75
Лейкосапфир 0,49 0,24 0, 27 0,60
Данные усреднены по результатам спектральных измерений в диапазоне от 2 до 25 мкм (кварц КИ и лейкосапфир - до 6 мкм).
В качестве холодного АЧТ удобно использовать диск из сотового набора отрезков капилляров из нержавеющей стали, покрытых толстым слоем черной матовой эмали КС-818; ? такого имитатора АЧТ CD0,95 .
13 Для имитации нагретых АЧТ с тыльной стороны диска монтируется спиральный нагреватель и датчик температуры.
Из горячих АЧТ упомянем Солнце - АЧТ с температурой 6040 К
(Пmax = 0,48 мкм). Сопла реактивных самолетов и ракет можно рассматривать как серое тело c ^=0,9. Из материалов с низкой излуча-тельной способностью следует отметить хорошо отполированное золото с ?? 0,02 и медь с ?? 0,05 .
Чаще всего пользуются глобаром: прямонакальным вольфрамовым стержнем в кожухе, имеющем диафрагму для излучения и охлаждаемом холодной водой; температура глобара Тгл ? 1400 К.
Для телевизионных испытаний чаще всего используют источник типа А - вольфрамовая нить с Т = 2856 К. Тогда применяют световые единицы; люмен и люкс (1 лм/м2).
14 2. ЦЕЛИ И ФОНЫ
Собирательным термином "цели" обозначаются объекты, которые должны обнаруживаться ИК-системами или формирователями видимого изображения.
Турбореактивные двигатели (ТРД) самолетов. Они имеют два источника излучения: раскаленную металлическую трубу и струю выхлопных газов, называемую "факелом". Температура факела ТРД составляет 600-900 °С, а ?? 0,9, площадь примерно равна площади сопла. " Полоса излучения факела ТРД (СО2) представлена на рис. 2.1, где 1 - результаты наблюдений; 2 - коррекция на поглощение СО2 атмосферы; 3 - аппроксимация.
Имеется еще и вторая полоса поглощения атмосферой (2,6-2,9 мкм), которая по спектральной яркости слабее полосы 4,3 мкм в 2,5-10 раз (в зависимости от видов топлива). Однако решающим фактором выбора рабочей полосы приемника является уровень фона.
Ракетные двигатели (РД). Температура сгорания топлива РД лежит в пределах от 600 до 4500 °С, а ^0,9 . Для ракет с жидкостным реактивным двигателем (ЖРД), работающем на керосине и жидком кислороде, температура сгорания равна 3520 К, а расчетная температура
выхлопных газов - 1940 К; ?? 0,9 .
Аэродинамический нагрев. Самолеты, летящие со скоростью v > 2 М (М - скорость звука), нагреваются настолько, что излучение их передней полусферы легко обнаруживается не только в диапазоне 8-12 мкм, но и в диапазоне З-5 мкм. Аналогично, крылатые ракеты, летящие в плот-
15
Длина волны, мкм
Рис 2.1 ных слоях атмосферы со скоростью 700-800 км/ч, излучают примерно также передней полусферой за счет аэродинамического нагрева. Их также можно обнаруживать в диапазонах 8-12 и 3-5 мкм.
Живая сила. Коэффициент излучения ? человека ? 0,99 на длинах волн ? ? 4 мкм. Во время войны во Вьетнаме ВВС США обнаруживали скопление вьетконговцев в джунглях, измеряя температурный кон -траст живой силы и листвы (особенно ночью) с помощью тепловизоров, установленных на самолетах.
Наземные транспортные средства. Коэффициент излучения ? красок ? 0,85 и выше. Работающие двигатели обнаруживаются в диапазоне 3-5 мкм, а холодные части автомобилей - в диапазоне 8-12 мкм.
Звезды и планеты. Большинство из наиболее ярких звезд хорошо обнаруживается в видимой и ближней ИК-области спектра в ночных условиях. Максимумы собственного излучения планет лежат в интервале от 3 мкм для Меркурия до 5 мкм для Луны, Венеры, Марса без учета отраженного солнечного излучения.
Цели обычно наблюдаются на различных фонах, что осложняет процесс обнаружения. Особый интерес представляют такие фоны, как земная поверхность, небо, космос, звезды и планеты.
Описание фонов представляет значительные трудности, особенно фон
дневной Земли (рис. 2.2).
Из рис. 2.2 видно, что максимум уровня фона Земли приходится на ? ? 8 ? 9 мкм. Особый случай представляет снег 1 , от которого идет зеркальное отражение Солнца. Спектральная лучистость АЧТ: 35 оС - 2; почвы - 3; белого песка - 4; травы - 5. Виден явный минимум фона в районе ? 3 мкм. Этот минимум еще меньше в ночное время.
Вообще для всех ситуаций с помощью ИК-спектрометров, установленных на искусственных спутниках Земли (ИСЗ), постоянно разрабатываются и уточняются модели фонов во всех спектральных интервалах. Точные данные о моделях фонов по естественным причинам строго засекречены.
&
м
U G О
ft и
н
0,2 0
2 4 6 8 10 12 14 16
18 20 ->
Длина волны, мкм
Рис. 2.2
16 Из рис. 2.2 явно виден минимум излучения фона дневной Земли в районе 3,0 мкм. Именно это обстоятельство, как будет показано в следующих разделах, и определило тот факт, что вся ИК-аппаратура обнаружения стартов МБР по излучению их факелов строится именно в диапазоне вблизи 3,0 мкм по первой ступени и вблизи 4,0 мкм - по второй. Фон ночного неба простирается от 5 до 20 мкм и существенного вклада в общий фон не вносит. Температура холодного космоса с учетом звездного фона Гкф ? 3,5 К. Фон звезд и планет для ИК-приемников аэрокосмического базирования практически несущественен.
