Классификация приемников ИК-излучения

Приемник ИК - излучения является важнейшим элементом ТП ИП. Именно в приемнике излучения происходят основные физические процессы превращения потока излучения от наблюдаемого объекта в видимое его изображение на визуальном индикаторе или в электрические сигналы для осуществления автоматического сопровождения объекта при самонаведении ЛА на него.

Приемники ИК - излучения классифицируются по принципу своей работы, спектральному диапазону чувствительности, конструктивным особенностям и топологии чувствительных элементов, по рабочей температуре чувствительного слоя.

По физическому принципу своей работы приемники ИК-излучения делятся на тепловые и фотонные (квантовые). В тепловых приемниках ИК- излучения электрический сигнал получают от теплового воздействия падающего излучения. В квантовых приемниках выходной сигнал пропорционален числу поглощенных приемником квантов излучения.

По спектральному диапазону чувствительности приемники ИК-излучения классифицируются на приемники среднего (3…5 мкм) и дальнего (8…14 мкм) ИК - излучения.

По конструктивному построению и топологии чувствительных элементов приемники ИК - излучения делятся на одноэлементные линейки датчиков, малоформатные и многоформатные матрицы.

По рабочей температуре чувствительного слоя различают неохлаждаемые приемники, работающие при комнатной температуре около 300 ºК;

охлаждаемые , работающие при температуре 195 ºК и глубокоохлаждаемые, работающие при температурах 77 ºК и 4,2 ºК.

5.2 Основные технические характеристики преобразователей «излучение-сигнал».

Технические свойства приемников ИК - излучения характеризуются следующими параметрами:

- интегральная чувствительность;

- квантовая эффективность;

- пороговая чувствительность (мощность, эквивалентная шуму, Вт, или облученность, эквивалентная шуму, Вт/см²);

- удельная обнаружительная способность;

- спектральная полоса чувствительности;

- постоянная времени инерции сигнала;

- площадь чувствительного элемента;

- уровень шума;

- температурная чувствительность (эквивалентная шуму разность температур);

- температура чувствительного слоя.

Интегральная чувствительность определяется как передаточный коэффициент между выходным сигналом приемника ИК - излучения и входным воздействием.

При этом отклик теплового излучения приемника пропорционален величине поглощенной энергии, а отклик квантового приемника – числу поглощенных квантов.

Квантовые приемники дополнительно делятся на приемники с внешним фотоэффектом – фотоэмиссионные – и на приемники с внутренним фотоэффектом – фоторезисторы.

Выходной сигнал фотоэмиссионных приемников есть ток, для фоторезисторных – изменение относительного сопротивления приемного элемента ∆R_φ/R_φ. В качестве входного воздействия рассматривается изменение облученности приемника ∆E, Вт/м², или его потока мощности ∆Ф, Вт.

Поэтому интегральная чувствительность есть

;

;

,

или с учетом величины напряжения на выходе приемника .

В ряде случаев вместо интегральной чувствительности задают квантовую эффективность приемника излучения.

Квантовая эффективность приемника η характеризуется отношением числа квантов, вызвавших фотоэффект n_ф, к общему числу квантов излучения, попавших на чувствительную площадку приемника n в единицу времени:

Так как каждому поглощенному кванту излучения соответствует один электрон, то фототок будет равен

Если число квантов, попавших на приемник излучения в единицу времени, есть n, то поток мощности равен

Ф = hνn,

где hν – энергия одного кванта.

Отсюда

а выходной ток

= = Ф.

Здесь e = 1,6∙10^-19 ºК;

h = 6,625∙10^-34 Вт с, постоянная Планка.

Ток измеряется в амперах i_ф, A; а входное воздействие Ф в ваттах, Вт.

Следовательно, интегральная чувствительность приемника через его квантовую эффективность определяется как

.

Если требуется обеспечить соотношение сигнал/шум γ, то отклик приемника на то же самое воздействие должен быть в γ раз больше.

.

Для ряда фотонных приемников ИК – излучения квантовый выход в настоящее время составляет 60…80% .

Численное значение интегральной чувствительности приемников ИК- излучения лежит в пределах 2∙10³…2∙10⁵В/Вт. Очень важной характеристикой приемника ИК – излучения является его порог чувствительности Ф_n, Вт. Именно величина порога чувствительности определяет максимальную дальность работы ТП ИП.

Порог чувствительности – это минимальный поток мощности, который вызывает на выходе приемника сигнал, равный среднеквадратическому значению шума

Пусть выходной сигнал U, B при входном сигнале , Вт, равен

Если выходной сигнал равен среднеквадратичному значению шума , то

=

Обычно при создании информационного прибора требуется, чтобы выходной сигнал был в γ раз больше шума, то есть

= .

Таким образом, порог чувствительности – мощность, эквивалентная шуму – равен

Мощность, эквивалентная шуму, для приемников излучения достигает уровня 10^-10 Вт. Аналогично вводится понятие «облученность, эквивалентная шуму». Она достигает уровня 10^-9Вт/см² [10].

Для надежного захвата цели и ее автоматического сопровождения требуется, чтобы соотношение сигнал/шум γ было равно 3…5. Если сигналы ТП ИП формируют для оператора тепловизионную картину местности для поиска объекта, то для обеспечения достаточно высокой вероятности обнаружения объекта на визуальном экране необходимо обеспечить соотношение сигнал/шум не менее 7…10. В бытовом телевизионном приемнике реализуется отношение сигнал/шум, равное 28. При аттестации приемника ИК – излучения среднеквадратическое значение сигнала и шума может быть измерено только в определенной полосе частот приемного тракта ∆f. Поэтому мощность шума для сравнения различных приемников ИК – излучения нормируют на единицу эффективной полосы усиленного тракта приемника:

, или =

Тогда нормированный порог чувствительности определяется как

Мощность потока излучения, эквивалентная шуму, может быть получена, если на местности температура объекта несколько отличается от температуры фона. Тогда можно говорить о температурной чувствительности ИК – прибора, эквивалентной шуму.

Температурная чувствительность эквивалентная шуму, обычно определяется для объектов значительной площади. У современных ИК- приборов температурная чувствительность, эквивалентная шуму, лежит в пределах 0,05ºК [10].

Для точечных объектов – объектов малой площади – разность температур «объект – фон» должна быть значительно выше – 3…5 ºК.

В качестве оценки информационных возможностей преобразователя «излучение – сигнал» вводят понятие «удельная обнаружительная способность приемника излучения Д*(λ)».

Данная характеристика вводится для сравнения различных приемников излучения, отличающихся своими площадками чувствительных элементов q_n и рабочей полосой частот ∆f усилительного тракта. Как бы порог чувствительности нормируют на полосу один герц и на единицу площади чувствительного элемента

.

Тогда обнаружительная способность приемника излучения есть

,

где Ф_n – паспортная величина для данного приемника излучения.

Следует заметить, что сравнение обнаружительной способности приемников следует проводить при постоянной заданной для них температуре чувствительного слоя.

Обнаружительная способность приемников ИК – излучения лежит в пределах 5∙10⁸…5∙10¹¹см∙Гц^1/2∙Вт ^-1[10].

Чувствительность ИК – приемников излучения меняется с изменением длины волны падающего потока мощности. Подобная зависимость чувствительности от длины волны определяет спектральную характеристику чувствительности.

Спектральные характеристики большинства приемников имеют вид плавных кривых с одним максимумом.

На рис. 5.2 -5.7 для примера даны спектральные характеристики ряда приемников ИК – излучения.

Рис 5.1

Рис 5.2

Рис. 5.3

Рис. 5.4

Рис. 5.5

Рис.5.6

Рис.5.8

Рис. 5.7

Динамические свойства приемников излучения – быстротой их отклика на изменение падающего излучения – могут быть достаточно точно описаны апериодическим звеном с постоянной времени T;

.

Постоянная времени T зависит от выбора материала чувствительного элемента, от температуры его чувствительного слоя и других факторов.

Величина T лежит в пределах 1 мкс…100 мс и не оказывает существенного влияния на динамику ТП ИП в системах управления ЛА.

Максимальное значение постоянной времени у тепловых приемников излучения ∆ = 100 мс. У квантовых приемников постоянная времени составляет 1…5 мкс.

Шум приемников ИК – излучения является одним из важных параметров, определяющих максимальную дальность обнаружения и захвата цели.

Поскольку шумы являются случайным процессом, их величина оценивается мощностью или среднеквадратическим значением в полосе пропускания ∆f .

Типичное распределение спектра мощности шума по частотам имеет вид, приведенный на рис. 5.1 и 5.8.

На малых частотах (область шума I) до частоты f₁=1000Гц имеют место так называемые «токовые» шумы. Токовые шумы вызываются не хаотическим движением электронов в цепи приемника, а некоторым, так называемым «темновым» током – током на выходе в отсутствие полезного сигнала.

Область шума II определяется генерационно–рекомбинационным шумом, который проявляется во всех квантовых приемниках ИК – излучения. Флуктуации могут быть вызваны случайностью актов поглощения квантов равновесного фона. Поэтому этот шум иногда называют радиационным. У фоторезисторов этот шум является преобладающим.

Флуктуации температуры фоточувствительного элемента, вызванные радиационным теплообменом с окружающей средой и теплопроводностью, порождают флуктуации напряжения сигнала. Шум проявляется в приемниках любого типа. В правильно сконструированных квантовых приемниках температурный шум неизменен. Тепловой приемник работает на теоретическом пределе в том случае, если его температурный шум вызывается только радиационным теплообменом.

В ИК – приемниках наблюдают также модуляционный шум, спектральная плотность которого пропорциональна 1/f ⁿ, где n = 0,8…2. Этот шум также проявляется во всех типах приемников излучения. Механизм шума не вполне ясен [10].

Дробовой шум проявляется в фотодиодах и тонкопленочных приемниках излучения. Шум вызывается дискретностью зарядов. Ток, протекающий через фоточувствительный элемент, образуется как сумма импульсов тока, вызванных отдельными электронами. Данный шум практически ощутим только в фотодиодах.

Область шума III определяется хаотическим тепловым движением свободных электронов. Дисперсия этого шума определяется формулой Найквиста

Ū²= 4KTR_T∆f,

где K – постоянная Больцмана, равная 1,38∙10^-23 Вт∙с/град;

T – температура чувствительного слоя, ºК;

R_T - внутреннее сопротивление чувствительного слоя;

∆f – полоса частот, в которой измеряется шум.

Данный шум называется тепловым или шумом Найквиста, шумом Джонсона. Формула для величины теплового шума была выведена Найквистом из термодинамических соображений и экспериментально проверена Джонсоном. Публикации обоих исследователей были помещены в одном и том же номере журнала «Physical Review».

Величина шума в приемниках ИК – излучения достигает значения 0,1…0,5 мк Вт. Частотная зависимость шума для конкретного приемника излучения дана на рис. 5.8.

Площадь чувствительных элементов в настоящее время, учитывая необходимость создания мозаичных структур с большим числом приемных детекторов, доведена до 10^-6 см². В неохлаждаемых многоформатных матрицах площадь чувствительного элемента 50х50 мкм.

Одним из условий достижения высокой чувствительности приемников ИК – излучения является их глубокое охлаждение. Температура охлаждения выбирается такой, чтобы концентрация носителей «темнового» тока была меньше концентрации фотоносителей, возникающих от ИК – излучения. Охлаждению подвергается не только чувствительная мозаика датчиков, но и устройства предварительной обработки информации с целью уменьшения их собственных шумов.

Рабочая температура чувствительности слоя приемника ТП ИП для стабилизации его характеристик поддерживается в довольно узких пределах постоянной.

Обычно это зависит от температуры, при которых ряд газов находится в жидком состоянии.

Температура жидкого гелия обеспечивает рабочую температуру чувствительного элемента 4,2º К, температура жидкого неона 27ºК, температура жидкого азота 77 ºК.

В приемниках, не требующих глубокого охлаждения, применяются термоэлектрические холодильники, основанные на эффекте Пельтье (см. раздел 5.6).

Охлаждение чувствительного слоя существенно повышает чувствительность приемника ИК – излучения, значительно уменьшая его шум.

С точки зрения стоимости охлаждаемых приемников ИК – излучения наиболее оптимальными являются приемники излучения, выполняемые из силицида платины.

Чувствительные элементы, выполненные на основе других материалов, существенно дороже.

Стоимость многоформатных матриц резко падает, если в них отсутствует глубокое охлаждение чувствительных элементов жидким азотом. В настоящее время подобные неохлаждаемые матрицы являются наиболее перспективными с точки зрения стоимости при создании ИК – приборов.