Теория и расчет оптико-электронных приборов - Якушенков Ю.Г.
ISBN 5-88439-035-1
Скачать (прямая ссылка):
Из простейших геометрических соотношений видно, что проекция площади ДА = ql2/f'2 или ДА = ACl03n-I2, где Ailmn~q/f'2 — телесное угловое поле ОЭП.
Если значение AA подставить в формулы (14.6) и (14.7), то для этого случая получим
ДФе = тсLeQAsJf2 = XzLeAQ03nAbx; Ee=xcLeq/f2. (14.8)
При круглой форме входного зрачка
ДФ>тст 0Le(nq/4)(D/rf,
т.е. очевидна зависимость значений потоков и облученностей от относительного отверстия системы.
Величины ДФе и Ee не зависят от расстояния до излучателя при условии, что коэффициент пропускания среды не является функцией I. Если хс = f{l), например хе = ехр (-аI), то зависимость ДФе, ДФ'е и Ee от I существует, хоть и не в столь явной форме, как в двух предыдущих случаях.
К полученным формулам полностью применимы рассмотренные выше преобразования при учете спектральной селективности излучения и пропускания, а также других факторов. Например, для протяженного излучателя — черного тела, имеющего температуру Т, при работе прибора в диапазоне X1,... X2 можно записать
dX.
Эта формула получена последовательной подстановкой в (14.8)
x2
значений Le = Me / п, Me = jMeXdX и формулы закона Планка (3.8)
для величины Mek.
Приведенные выше формулы могут быть использованы для нахождения потоков или облученностей, создаваемых как источниками полезных сигналов, так и источниками помех или излучающими фонами. Соответствующее конкретным условиям работы ОЭП их сочетание составляет основу энергетического уравнения прибора.
Структура оптического сигнала (потока, освещенности), поступающего на вход ОЭП, представлена на рис. 14.3. Она соответствует
416
¦Cl 1OX '
ехр
XT. Глава 12. Краткая классификация основных методов приема оптических сигналов
фоточувствительный слой отдельных квантов излучения. Среднее число фотоэлектронов, возникающих в цепи приемника при попадании на него потока излучения Ф,
где г| — квантовая эффективность фотоприемника; v — оптическая частота излучения; h — постоянная Планка.
Если в качестве приемника используется фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), то каждый отдельный фотоэлектрон вызывает на аноде лавину электронов, число которых определяется коэффициентом усиления ФЭУ и которые заряжают его распределенную выходную емкость С (обычно С = 4... 20 пФ). Если С успевает разрядиться через нагрузку R до прихода следующей лавины электронов, то регистрируются неперекрывающиеся одноэлектронные импульсы, соответствующие приходу на фотокатод отдельных квантов излучения. Устанавливая определенный уровень срабатывания следующей за приемником электронной схемы, можно подавить значительную часть шумовых импульсов, возникающих вне фотокатода.
Число регистрируемых в единицу времени квантов (скорость счета квантов) Ifn = п1 задается неравенством п1 > RC. При п1 < RC импульсы перекрываются и на выходе регистрируется интегральный фототок, т.е. приемник работает в «токовом» режиме (прямой метод приема).
Если достигнуто разрешение всех импульсов во времени, то вероятность появления п импульсов в единицу времени описывается законом Пуассона (число п флуктуирует около пс)'
где тс — время измерения (длительность сигнала); пш — среднее число фотоэлектронов, возникающих вследствие внутренних шумов и воздействия внешнего фона на приемник.
Если для срабатывания ОЭП необходимо, чтобы число электронов пс превысило некоторый порог пп, то вероятность срабатывания определяется как
пс = г[ Ф/Av,
(12.4)
При этом отношение сигнал/шум
13 Якушенков Ю.Г.
385 Ю.Г. Якушенков. Теория и расчет оптико-электронных приборов
Из последнего выражения можно получить число Tlcmin , соответствующее заданной по техническим условиям вероятности p(n,rie Подставив Ticmin в формулу (12.4), можно найти значение потока, соответствующее заданной вероятности, и вести дальнейший энергетический расчет по обычной методике.
Достоинством этого метода является то, что при счете импульсов используется вся энергия сигналов, в то время как при прямом и гетеродинном методах, осуществляемых с модуляцией сигнала, часть его энергии теряется. Дискретная регистрация каждого импульса позволяет исключить влияние шума, обусловленного умножительной системой фотоприемника.
Однако при увеличении уровня полезного сигнала эффективность метода счета уменьшается вследствие увеличения вероятности наложения одного импульса на другой, что может произойти, если при длительности импульса тс наблюдается соотношение пс тс > 1.
По этой причине метод счета используется для приема слабых оптических сигналов.
Перспективным направлением применения метода счета импульсов является оптическая локация, где интервал времени регистрации, в течение которого может появиться группа пришедших от излучателя (отражателя) фотонов, мал по сравнению со средним интервалом времени между двумя одноэлектронными импульсами фона.
Очевидно, что уменьшить вероятность наложения импульсов друг на друга можно путем применения весьма малоинерционного приемника. Обычно для счета импульсов используют ФЭУ, что в режиме счета теоретически позволяет существенно снизить порог чувствительности. Однако реальные свойства фотоумножителей заметно ухудшают ожидаемый теоретический выигрыш, а иногда приводят и к проигрышу в чувствительности. Это объясняется тем, что не все ФЭУ обеспечивают достаточно большое усиление, необходимое для того, чтобы все одноэлектронные импульсы превышали уровень шумов. Для распространённых катодов типа Cl, С 11 и С20 число темновых отсчетов, вызванных термоэмиссией при 25° С и ограничивающих порог разреше-
