Инфракрасные системы «смотрящего» типа

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИСХОДНЫХ ТРЕБОВАНИЙ К ОСНОВНЫМ ПАРАМЕТРАМ И ХАРАКТЕРИСТИКАМ МНОГОЭЛЕМЕНТНОГО ПРИЕМНИКА ИЗЛУЧЕНИЯ

Основное энергетическое уравнение ИКС (см. гл. 5, а также [48, 61]) позволяет дос­таточно полно проанализировать влияние различных параметров и характеристик звеньев ИКС, а также условий ее эксплуатации на важнейшие показатели качества сис­темы: энергетическое и пространственное разрешение, отношение сигнал-шум, обеспе­чиваемое системой, и др. В полной мере это относится к решению важной и часто встречающейся на практике задачи - выбору того или иного типа приемника излуче­ния, обеспечивающего наиболее эффективную работу ИКС.

Усредненные значения основных параметров наиболее распространенных совре­менных МПИ, изготавливаемых серийно или отдельными партиями, приведены в табл. 7.8, призванной помочь читателю оценить общий уровень достигнутых на конец 2002 г. параметров МПИ и сопоставить на первом этапе выбора МПИ возможности, обес­печиваемые тем или иным типом приемника. Значения АТП соответствуют температуре

Наблюдаемого фона 300 К и диафрагменным числам объектива К, приводимым в скоб­ках. Как правило, частота кадров при оценке АТп составляла 30...50 Гц. При необходи­мости эквивалентную шуму разность температур АТП легко пересчитать к условиям ра­боты конкретной ИКС, например к другим диафрагменным числам объектива или дру­гим кадровым частотам, обратившись к формулам для ДТп в §5.4.

Как следует из простейшего анализа выражений для оценки показателей качества ИКС (см. гл. 4 и 5), их значения во многом зависят от параметров и характеристик ФПУ: спектрального рабочего диапазона, в частности верхней его границы; размеров элементов чувствительного слоя, их числа и расположения (формата МПИ); времени нако­пления сигналов и емкости ячейки накопления; скорости (частоты) счит ывания и динами­ческого диапазона сигналов; шумов МПИ; рабочей температуры; мощности рассеяния; на­пряжения питания; уровня фонового потока излу-

К °/ /к

Чения; однородности чувствительности отдельных д’ элементов МПИ и др. Все эти параметры тесно связаны друг с другом, а также с параметрами схемы считывания и первичной обработки сигна­лов. В этом легко убедиться, анализируя, напри­мер, формулы (4.5), (5.32) и др.

Рассмотрим вкратце такие взаимосвязи, кото­рые приходится учитывать при выборе ФПУ с МПИ, электронного тракта и других звеньев ИКС.

Анализ условий работы ИКС с точки зре­ния обеспечения оптимальных или требуемых энергетических, пространственных, темпера­турно-частотных и других параметров качест­ва обычно начинается с выбора спектрального рабочего диапазона. От этого зависит большое число параметров и характеристик ИКС и прежде всего уровни полезного и фонового сигналов, энергетическое и про­странственное разрешение всей системы, а также важнейшие показатели качества ИКС (см. гл. 4). Для очень многих ИКС такими диапазонами являются 3...5 и 8...12 (или 8... 14) мкм. В этих диапазонах, определяемых главным образом соответствую­щими окнами пропускания атмосферы и достигнутым уровнем развития элементной базы, сосредоточена большая или значительная часть излучения многих объектов ес­тественного или искусственного происхождения. Здесь же, особенно в диапазоне

8.. . 12 (14) мкм, велико влияние излучения фона, что ведет к насыщению емкостей накопления схем считывания за счет излучения фона даже в отсутствие полезного сигнала, а следовательно, к необходимости обеспечивать большие зарядовую емкость и динамический диапазон ячеек схем считывания. Одновременно следует помнить, что излучение наиболее мощного источника помех и фоновой засветки - Солнца - сильно поглощается в земной атмосфере, и его влияние часто сравнительно невелико (для 3...5 мкм) или даже пренебрежимо мало (для 8... 12 мкм).

Наиболее распространенные матричные многоэлементные

Для излучателей типа черных тел с температурами около 300 К яркость, а следова­тельно, и поток излучения в диапазоне 8... 12 мкм в десятки раз больше, чем в диапазо­не 3...5 мкм.

Как правило, полезный сигнал зависит от контраста яркостей объекта и фона, на ко­тором наблюдается объект. На рис. 7.21 приведена зависимость нормированного кон­траста КА =<7ф'(^ф/^г) от длины волны X при близких температурах объекта и фона

(Т= 300 К) [151], где <7ф - плотность фотонов, создаваемых на приемнике излучения, фотон/м2. Видно, что в диапазоне 3...5 мкм контраст в среднем в 2,25 раза выше, чем в диапазоне 8... 12 мкм, т. е. это отчасти может уменьшить преимущество диапазона

8.. . 12 мкм по потоку, приходящему на каждый диапазон.

Для больших разностей температур зависимость контраста К& = (ЬоЪ - Ьф)/Ьф ярко­стей объекта 1-0б и фона 1ф от разности температур А Т = Тоб - Тф приведена на рис. 7.22 [151]. И здесь контраст в диапазоне 3...5 мкм больше, чем в диапазоне 8... 12 мкм.

Таким образом, выбор спектрального рабочего диапазона МПИ не однозначен и требует учета многих факторов, а также особенностей конкретного типа и конструкции МПИ и ФПУ на их основе.

Рабочая температура фотонного охлаждаемого приемника обычно определяется верх­ней границей его спектральной характеристики, от которой зависит темновой ток (ток тер­могенерации заряда). Поскольку этот темновой ток интегрируется и складывается с фото­током, возникающим при облучении приемника, от его значения, в свою очередь, зависит максимальный заряд, накапливаемый в одной ячейке ФПУ. Поэтому можно установить требования к рабочей температуре МПИ и всего ФПУ исходя из допустимого значения темнового тока.

Для повышения чувствительности МПИ следует увеличивать его квантовую эф­фективность. Приемники, имеющие узкую спектральную характеристику и сравни­тельно невысокую квантовую эффективность, например фотоприемники на квантовых ямах (ФКЯ), не могут обеспечить большую частоту кадров, так как для увеличения уровня сигнала требуется сравнительно большое время накопления зарядов.

Кд Ужесточение требований к пространствен­

Ному разрешению МПИ ведет к уменьшению размеров отдельных элементов фоточувстви- тельного слоя и промежутков между ними. При необходимости обеспечить достаточно большое угловое поле ИКС это ведет к увеличению числа элементов (формата) МПИ. Все эти геометриче­ские параметры во многом ограничиваются со­временной технологией изготовления МПИ и пе­риферийной электроники.

Стремление увеличить формат МПИ и уменьшить размеры одного элемента, т. е. увели­чить пространственную разрешающую способ­ность МПИ, усложняет технологию изготовления и удорожает МПИ. При этом уменьшение разме­ров элемента ведет к уменьшению емкости ячей­ки схемы считывания, т. е. допустимого числа на­капливаемых в ячейке зарядов Л^, а следователь­но, к увеличению АГп, которая обратно пропор­циональна корню квадратному из уменьшения N..

При увеличении рабочей длины волны рас­тут дифракционные, а часто и аберрационные кружки рассеяния оптических систем ИКС. При этом соответственно возрастает размер элемента чувствительного слоя МПИ, что

Препятствует получению высокой разрешаю­щей способности в пределах заданного огра­ниченного углового поля ИКС.

На первом этапе общий размер чувстви­тельной площадки МПИ и размеры отдельных его элементов, а, следовательно и формат МПИ (числа элементов), можно выбрать на основе геометрооптических соотношений и требова­ний к угловому полю и пространственному разрешению оптической системы и всей ИКС (см. §4.2). Хорошо известно соотношение с1э = = Лсйэ/7, где сі3 - период расположения элемен­тов МПИ (размер одного пиксела приемника); Д(оэ - угловое поле одного элемента; /' - фо­кусное расстояние объектива (рис. 7.23). По­вышение пространственного разрешения за счет уменьшения позволяет уменьшить/1', но при необходимости оставить прежний диаметр

Входного зрачка, например с позиций энергетических соотношений, ведет к заметному ус­ложнению конструкции объектива, так как при уменьшении /' растет относительное отвер­стие объектива И//', а следовательно, могут увеличиться аберрации системы. Если же можно сохранить относительное отверстие постоянным, т. е. уменьшить диаметр входного зрачка, то уменьшение размеров пикселов МПИ путем повышения геометрооптического разрешения системы может привести к заметному снижению стоимости ИКС, так как при этом возможно уменьшить фокусное расстояние и диаметр входного зрачка оптической системы, а также размер подложки, на которой размещается приемник излучения. Так, только уменьшение диаметра объектива в два раза ведет примерно к восьмикратному сни­жению его стоимости.

Взаимосвязь углового поля 2<о, просматриваемого МПИ заданного размера 1т, и диа - фрагменных чисел К = /'/О объектива для диаметра входного зрачка объектива £> - 200 мм иллюстрирует рис. 7.24 [151]. Пользуясь эти- 2оо, ми и им подобными графиками, можно на градус первоначальном этапе выбора МПИ опре­делить основные геометрические парамет­ры приемника, увязав их с параметрами оп­тической системы.

Требование иметь достаточно большое число элементов МПИ для обеспечения тре­буемого пространственного разрешения час­то ведет к заметному усложнению техноло­гии изготовления МПИ и ФПУ, а также к ус­ложнению схем электронной коррекции не­однородностей отдельных их элементов.

Кроме того, часто возникает проблема обес­печения достаточного быстродействия сис­темы считывания и обработки сигналов, снимаемых с отдельных элементов приемни­ка. Для охлаждаемых МПИ сюда же добав­ляются трудности создания надлежащей системы охлаждения. При больших угловых по­лях вступает в действие ограничение на рост размера чувствительного слоя МПИ и одно­временное увеличение числа элементов МПИ (для сохранения высокой разрешающей способности), накладываемое известным в оптике условием синусов [40,61].

Улучшение качества изображения, создаваемого ИКС, в ряде случаев достигается увеличением уровня сигнала - потока, поступающего на приемник излучения. Поэтому в ФПУ многих ИКС необходимо иметь значительную накопительную емкость (ем­кость ячейки считывания). Как уже отмечалось, такое требование особенно важно для ИКС, работающих в спектральных диапазонах, где контраст между объектом и фоном, на котором он наблюдается, мал, а излучение фона велико.

Из-за различий в числах фотонов, испускаемых тепловыми излучателями в разных спектральных диапазонах, также приходится изменять время накопления зарядов

Так, если сравнивать диапазоны 3...5 и 8...14 мкм, то для распространенных фонов с температурами около 300 К различие в интенсивности излучения (числе испускаемых фотонов) в этих диапазонах может привести к необходимости в несколько раз умень­шить tH при работе в диапазоне 8... 14 мкм по сравнению с работой в диапазоне

З...5мкм.

Как следует из формул, приведенных в §5.4, значение ДТп возрастает при увеличе­нии частоты кадров FK. Поэтому для обеспечения требуемого температурного разре­шения ДТп ИКС следует тщательно подбирать схему считывания, обеспечивающую не­обходимые FK и накопительную емкость.

В [261] был проведен подробный анализ взаимозависимости отдельных параметров ФПУ на базе КРТ, который показал, что для спектрального диапазона 8... 12 мкм тем­пературное разрешение МПИ умеренного формата (порядка 320x240 и менее) опреде­ляется ёмкостью ячеек схемы считывания, а основным фактором, ограничивающим возможность уменьшения АТП, оказывается большое значение темнового тока.

Обеспечение достаточной емкости ячеек N„ более важно для ИКС, работающих в «смотрящем» режиме, т. е. с матричными двумерными МПИ, чем для систем со скани­рованием. Частота кадров FK более критична для сканирующих ИКС, нежели для сис­тем «смотрящего» типа, поскольку при сканировании время накопления сигнала огра­ничивается временем пребывания изображения на чувствительном элементе.

Предотвратить насыщение ячеек схемы считывания можно и другим путем - уменьшением относительного отверстия объектива ИКС (увеличением диафрагменного числа К). Иногда для этого уменьшают ширину рабочего спектрального диапазона. Од­нако эти меры ведут к снижению отношения сигнал-шум, т. е. к ухудшению энергетиче­ского разрешения ИКС. Во избежание этого предпринимались попытки использовать быстрое считывание изображения и накопление (цифровое интегрирование сигнала) не в ФПУ, а в последующем электронном тракте. Однако пока они признаются неудобны­ми и дорогими, так как требуют использования высокоскоростных аналого-цифровых преобразователей, значительно увеличивающих энергопотребление, габариты и стои­мость системы.

Более рациональным представляется устранение постоянной составляющей сигна­ла (пьедестала) и «сжатие изображения» перед переносом заряда, образуемого фото­нами, в ячейку хранения. Размер пьедестала определяется сложностью наблюдаемой сцены, прежде всего фона. В табл. 7.9 приведены типичные значения средних квадра­тических отклонений oL яркости распространенных фонов от их средних значений для дневного времени [234]. В ночных условиях эти отклонения значительно меньше. В соответствии с этими данными в случае фона города удаляемый пьедестал (среднее значение) может составить около 80% для отклонений 2aL. При этом информативный сигнал может быть увеличен в пять раз, а отношение сигнал-шум возрастет в идеаль­ном случае в раз.

С учетом того факта, что наиболее информативная часть изображения большинства объектов содержится на высоких пространственных частотах, а пространственный шум, напротив, имеет низкочастотный характер, «сжатие изображения» обычно подра­зумевает его фильтрацию путем удаления низких пространственных частот.

Очень часто необходимо одновременно учитывать накопительную емкость ячеек ФПУ и неоднородность чувствительности отдельных элементов МПИ (принимая во внимание ее компенсацию в схеме первичной обработки информации, т. е. так называемую остаточ­ную неоднородность), которые в сочетании с выбранными или заданными спектральным диапазоном работы МПИ и временем накопления (интегрирования) сигнала чувствитель­ным элементом, а также с частотой съема информации (частотой кадра) могут предопреде­лить выбор того или иного приемника для конкретных условий его работы.

Зачастую именно накопительная емкость и остаточная неоднородность наиболее за­метно влияют на выбор параметров объектива ИКС, а также квантовой эффективности (чувствительности) приемника, т. е. конкретного его типа. Так как геометрический шум, возникающий из-за неоднородности чувствительности отдельных элементов МПИ, прямо пропорционален облученности приемника или числу фотонов, создаваемых фо­новым излучением и приходящих на чувствительные элементы МПИ, он сильнее ска­зывается при использовании приемников с высокой квантовой эффективностью. При этом может оказаться, что система с приемником, имеющим высокую квантовую эф­фективность т]9, например на базе КРТ с т)9 = 70%, могут уступать по ряду показателей качества работы ИКС с приемником, имеющим гораздо меньшую квантовую эффек­тивность, например на базе PtSi с т]9 = 0,6%. Это объясняется и тем, что при использо­вании приемника с высокой скоростью создания зарядовых пакетов для предотвраще­ния насыщения ячейки накопления и считывания и возможного растекания зарядов приходится ограничивать время накопления tn, если оно в совокупности с числом чув­ствительных элементов (ячеек) определяет частоту кадров FK. Поэтому, даже если ФПУ на приемниках с разными rig имеют одни и те же зарядовые емкости ячеек, приходится использовать различные и FK.

При оценке допустимых пределов частоты считывания необходимо учитывать ряд факторов, и в первую очередь допустимую мощность рассеяния МПИ (для больших скоростей считывания), размеры МПИ (формат), время накопления, частоту кадров. Часто именно требования к скорости считывания определяют максимальное время на­копления.

Напряжение смещения чувствительного элемента влияет в первую очередь на тем - новой ток, 1/^шум и чувствительность приемника Во многих случаях качество прием­ника оценивается произведением его динамического сопротивления /?0 и площади чув­ствительного слоя АПИ. Обычно ЯоАпк уменьшается по мере увеличения длинноволновой границы спектра. Для сохранения линейности энергетической характеристики прием­ника необходимо в течение времени накопления стабилизировать напряжение смеще­ния, которое для некоторых современных МПИ требуется поддерживать постоянным с допуском в несколько милливольт.

Требуемый динамический диапазон сигналов, т. е. отношение максимального накоп­ленного сигнала (числа зарядов) к среднему квадратическому уровню шума, определя­ется конкретным применением МПИ и ИКС. При работе ИКС в условиях большого контраста между отдельными участками наблюдаемой сцены очень важно, чтобы МПИ обеспечивал достаточно большой динамический диапазон принимаемых сигналов, а геометрический шум МПИ, определяемый разбросом параметров отдельных элементов приемника, не превышал допустимых пределов. Часто этот диапазон ограничен диапа­зоном работы современных аналого-цифровых преобразователей (обычно не более 70 дБ), а также накопительной емкостью ячеек схем считывания.