Фотоприемные устройства и ПЗС. Обнаружение сла­бых оптических сигналов

МНОГОЭЛЕМЕНТНЫЕ ФПУ, ПЗС И ДРУГИЕ ПРИБОРЫ С НАКОПЛЕНИЕМ ЗАРЯДА

Задачей самых разнообразных оптико-электронных систем является определение координат оптического пятна. При меха­ническом сканировании можно использовать одноэлементные ФП и ФПУ. Замена одноэлементных приборов на многоэле­ментные, повышение числа элементов — это и упрощение меха­нической системы сканирования вплоть до полной ее замены электронной разверткой, и повышение разрешения. Но для той цели, которую упорно стараемся достичь на протяжении всей книги, многоэлементность — это, конечно же, новая возмож­ность качественно улучшить обнаружительные характеристики системы. Ясно, что М3 элементов сообща намного лучше, чем один элемент, выполнят поставленную перед ними задачу: об­наружат более слабый точечный оптический сигнал. Как зави­сит обнаружение от числа элементов Мэ? Какие особенности регистрации слабых сигналов многоэлементными ФПУ?

Отношение сигнал-шум для одного канала. Начнем с того, что запишем это отношение ЫС(Ш для ФПУ на основе оптималь­ного фильтра. Оно станет ориентиром при расчете значения Nс/щ в реальных ФПУ, как традиционных — с усилителем в каждом канале, так и с накоплением заряда. Форму сигнала принимаем колоколообразной. Нужное выражение было полу­чено еще в § 3.3, см. (3.89); перепишем его в следующем виде: ==

=0,865 ЗЕсаТс/Уя^Тс (4,2/СГС) + ?/0Гс+О,24?/0//в. (4.279у

С помощью § 4.5 можно рассчитать отношение - А/С/ш и для многоэлементных ФПУ с накоплением. Запишем искомое вы­ражение при вычитании кадров, так как это позволяет рас­смотреть общий случай, включив в анализ избыточный шум. Дисперсия накопленного в ячейке заряда при избыточном шу­ме задается (4.255), а при белом—(4.235). Остается учесть еЩе один источник — электродвижущую силу шума усилителя (шумы, возникающие при коммутации, здесь не рассматриваем как принципиально устранимые). Накопленный в ячейке сигнальный заряд фс при считывании переносится на ем­кость С, создавая на ней скачок потенциала Дис — С}с/С (рис. 4.38, а). На его регистрацию отпущено некоторое ограни­ченное время опроса Гопр, после которого заряд <2с сбрасы - вается с емкости С. Она подготавливается к считыванию заря­да следующей ячейки. В идеализированном случае задача сво­дится к обнаружению прямоугольного импульса амплитуды длительности 70Пр на фоне белых шумов ешг. При опти-

Мальной фильтрации по (3.57), выполнив в ней замены (5£са-*Д£/с; 7с->Г0пр), получим

, ^lш=V2^ucVTZ^,/VЩl = V2QcVт^/cYЪ

<)1тр=ав^-; аа = 0,5. (4.280)

1 Опр

Пороговый сигнальный заряд С2Спор найден из условия ра­венства его шуму. Все было бы хорошо, но, к сожалению, оп­тимальный фильтр из-за ограниченной полосы затягивает сиг­нал в два раза по основанию (см. § 3.6). Усилитель является общим для всех ячеек (или группы ячеек), и такое затягива­ние приводит к взаимосвязи каналов. Поэтому обычно тре­буют, чтобы все переходные процессы завершались за отпу­щенное время Топр. Приходится ограничивать время пребыва­ния заряда на емкости. Пусть, например, оно равно 0,5 Т0щ>- Если полоса усилителя формируется однозвенным /^С-фильтром, ТО длительность фронта ОКОЛО 2,2 Тф, поэтому постоянную вре­мени этого фильтра следует выбирать из условия Тф=0,5 Гопр/2,2^0,2 7оцр. При столь малой постоянной тф импульс успеет за время! Г0пр достичь амплитудного значения и срелаксировать затем почти до нуля (рис. 4.38, б, в). Для та­кой модели опроса по (4.55) и табл. 4.1 получаем

Фс пор== Г^С^вт/2 (0,27^00?)

Ав = Л/0,4 = 0.5/0,4=1,25. ■- <4.281)

В реальных выходных усилителях частотная характеристика и форма сигнала Д£/с(/) могут варьироваться. Приведенные примеры указывают метод расчета шумов этого усилителя и дают диапазон изменения типовых значений постоянной ав« 0,5 ... 1,25. __

Величина авС2ё*щ/Тоир ограничивает минимально регистри­руемый сигнальный заряд точно так же, как дисперсия заряда самой ячейки. Поэтому все эти компоненты мощности шума надо просто-напросто сложить. Сигнальный заряд задается (4.259), так что его отношение к полному эквивалентному шу­му равно

Л'с/ш = (0.5 ■ ■. 0,72) 5£'слГ11/1/ 2д!0Тн (2,77/НГН) + '“-Ьг^Г^^СХ/Гопр. (4.282)

Очевидна идентичность структуры полученных формул для отношения Л'слп в ФПУ с оптимальным фильтром (4.279) и с накоплением (4.282). Сигнал здесь выражен величиной накоп­ленного заряда, что справедливо не только для ячейки с на­коплением, но и для усилителя (оптимального и квазиопти - мального)—его ведь тоже можно рассматривать как накопи­тель с эффективным временем тэ ~ Гн (см. § 3.5). Идентичны и компоненты низкочастотного и белого шумов (о чем подробно говорилось в § 4.5). Но можно отметить и два различия в сравниваемых формулах.

Первое — отличны численные коэффициенты для составля­ющих низкочастотного и белого шумов. Почему и насколько отличаются коэффициенты, тоже обсуждалось в § 4.5. При белом шуме (4.282) дает дополнительные потери в ]/ 2 раз, что объясняется сложением мощности шумов двух кадров в методе вычитания. Однако не надо думать, что отличие коэф­фициентов отражает врожденный порок ФПУ с накоплением— Что они в 1,4... 2,4 раза обязаны уступать оптимальным ФПУ. Применяя более сложные методы суперпозиции кадров, можно существенно снизить потери, и тогда ФПУ с накоплением весь­ма мало будут уступать оптимальным ФПУ в отношении Это можно сказать и про традиционные ФПУ с усилителем в Каждом канале. Потери в усилителе при качественной (ква - зиоптимальной) обработке составляют 3 ... 10% (см. § 4.1); йз-за дискретности выборок коммутатора они несколько возра­стают, примерно на 3 .. . 30% (см. § 4.5). Из сказанного по­нятно, что вариация коэффициентов в (4.279), (4.282) просто отражает диапазон изменения отношения Ь7с/и1 в реальных си­туациях. При совершенных методах обработки в ФПУ и с уси­лителями, и с накопителями оно близко к максимальному зна­чению (4.279) — может, уступать ему около 3,5 ... 5,5% (ПРИ белом шуме и двухзвенном Я С-фильтре либо многокадровом накоплении соответственно). А при простых методах сложения кадров это отношение может падать вплоть до 2,5 раз.

Второе различие формул (4.279), (4.282)—в компоненте ЭДС-шума усилителя, что связано с различной эффективной полосой частот в ФПУ с оптимальным фильтром и с накопите­лем. На этом специально остановимся при анализе этой ком­поненты шумов.

Следующий необходимый шаг — связать полученное отноше­ние Лгс/Ш для каждого канала с числом элементов (каналов) многоэлементного ФПУ. Для этого надо рассмотреть принцип построения оптико-электронной системы, обнаруживающей то­чечную оптическую цель с помощью ФПУ.

Связь параметров ФПУ и оптико-механической системы. В фокальной плоскости оптической системы формируется изо­бражение— это площадь кадра А = ЬЬ, где Ь— линейный размер кадра. Пусть в кадре находится оптическое пятно (изображение цели) диаметра й и мощности £сА. Введем обо­значения: т=Ь/й — число строк и М=^А/с12 = т2 — число эле­ментов разложения. Наша задача — обнаружить пятно и опре­делить его координаты. Для этого будем использовать одно­элементные ФПУ, ФПУ на основе линейного ФП (линейку) и ФПУ на основе двухмерного ФП (матрицу). Площадку каж­дого элемента во всех ФПУ выберем одинаковой, такой, чтобы в нее полностью вписалось оптическое пятно:

А3=еР=А/М. (4.283)

Для одноэлементного ФПУ надо организовать быстрое по­строчное сканирование всего кадра (рис. 4.39, а). Линейка при сканировании выдает сигналы сразу всех строк (рис. 4,39,6). Число элементов в ней должно быть равно числу строк Л1э= = т = УМ. Матрица с числом элементов МЭ=М занимает всю площадь кадра и устраняет необходимость в механическом ска­нировании (рис. 4.39, в). Координата пятна определяется по номеру элемента, зарегистрировавшему сигнал (в линейке и матрице), и по моменту его прихода (в одноэлементном ФПУ и линейке).

В оптико-механической системе задается также время над - ра 7К, в течение которого необходимо выдать информацию о кадре. Через период Гк положение пятна может измениться, что отразит информация следующего кадра. Как следует из рис. 4.39, а—в, длительность оптического импульса для всех трех типов ФПУ оказывается различной. Одноэлементное ФПУ сканирует очень быстро, за время Тн оно должно просмотреть все М элементов разложения. Линейка сканирует медлен* нее — каждый ее элемент «рассматривает» только т элементов разложения одной строки, а в матрице каждый элемент все

*)

*)

ФП Ялща&б ха8ри

Щель модулятора Разберта //# бер/лихаш

*)

Рис. 4.39. Принципы сканирования и модуляции в оптико-электрон - ных системах обнаружения точечных источников при использова­нии ФПУ с различной топологией ФП:

А—одноэлементное ФПУ; б — линейка; в — матрица; г — длинная площад­ка; д — большая площадка

Отпущенное время Гк наблюдает за одним элементом разложе­ния кадра: /

Одноэлементное ФПУ

Ге-Ги/М;

Линейка

Тс~Тк/т~Т„/у! й-

Матрица

Т с=Тк; обобщенное выражение Тс-ГкМв/М.

В простейших формулах (4.283) — (4.287) и заключен весь смысл, вся суть многоэлементности с точки зрения улучшения характеристик обнаружения. При увеличении числа элементов могут действовать два фактора. Первый — уменьшение площад­ки каждого фоточувствительного элемента (4.283) и, следова­тельно, его тока, собственных шумов, емкости. Второй фак - тор — увеличение длительности сигнала (4,284) — (4.287), что дает возможность дольше накапливать сигнал. Следует обя­зательно различать два способа наращивания числа элементов. Первый способ, собственно говоря, и был показан на рис, 4.39, а—в. Выбрав постоянной площадку фоточувствитель­ного элемента Аэ, меняем саму конфигурацию фотоприемника, набирая все больше и больше таких элементов, переходим от одноэлементного ФПУ к линейке (можно и к многорядной), от линейки к матрице. Здесь действует фактор увеличения дли­тельности сигнала. Другой способ наращивать число элемен­тов— уменьшать диаметр оптического пятна й (конечно, при наличии такой возможности) и соответственно площадку каж­дого фотоэлемента А3 — (I2. При заданной площади кадра в этом случае увеличивается разрешение М. Тогда при выбран­ной конфигурации многоэлементного фотоприемника число эле­ментов будет тоже возрастать: ведь в линейке Мъ=т=У М,

А в матрице МЭ = М. Здесь играет основную роль фактор умень­шения площадки (4.283) и ее собственных шумов. Правда, с ростом М может падать длительность сигнала (4.285) и (4.286) > а это ухудшает обнаружение.

Простые алгебраические формулы (4.283)—(4.287) указали направление развития современной фотоэлектроники: коль ско­ро каждый фоточувствительный элемент практически достиг своих предельных возможностей по квантовому выходу, КОЛЬ скоро обработка сигнала в электронном тракте близка к опти­мальной, то остается единственный путь улучшения обнаружи- тельных характеристик системы — многоэлементность. Так чис - VIо элементов Ыэ становится еще одним параметром, характе­ризующим обнаружение. Скажите, какое число элементов в Вашем ФПУ, и я скажу, какой у Вас достижим порог. А ска­зать это очень просто — надо подставить полученную площадь (4.283) и длительность сигнала (4.284) — (4.287) в выражения для отношения сигнал-шум (4.279), (4.282). Как всегда, прове­дем анализ этого отношения последовательно для трех случа­ев, когда преобладает одна из компонент шума — белого, избы­точного либо высокочастотного.

Случай белого шума. Этот классический случай наблю­дается прежде всего в ИК ФПУ, чувствительных К тепловому излучению (см. § 1.2 и 2.5), когда дробовая составляющая то­ка, генерированная тепловым излучением, превосходит все остальные компоненты шума и достигается радиационный пре­дел. Формулы (4.279), (4.282) приобретают известную струк­туру

АГС, Ш = УГс//2^/о = 565Яса У 7У V 2д]^Аэ-=

= В<Ц'аУМТс/А/Фп*, 2?в = 0,5... 1,22. (4.288)

В (4.288) введены удельные^ параметры для тока

(/о = /о! Аэ) и порога (Фп* = Фп!/‘ У Аэ), а также площадь кад­ра А. При дальнейшем анализе считаем эти величины посто­янными. Подставляя значение Тс из (4.284) — (4.287), получаем окончательные формулы для отношения Л^с/щ, выраженные че­рез параметры системы А, Тк и, главное, через число элемен­тов М (или Ма). Эти формулы для удобства сопоставления сведены в табл. 4.3.

При переходе от одноэлементного ФПУ к линейке, от ли­нейки к матрице пропорционально числу элементов растет дли­тельность сигнала. А поскольку отношение Лгс/ш пропорциональ­но корню из этой длительности, то получили основной закон многоэлементных ФПУ [1,6]: при белом шуме с ростом числа элементов отношение сигнала к шуму возрастает пропорционально У Мэ - Соответ­ственно пороговая засветка Еса пор уменьшается в УМЭ раз при сохранении в каждом канале значения Лтс/ш* Отметим, что при постоянной площади кадра А с ростом числа элементов разложения /Л отношение Л^/ш для матрицы также вазрастает пропорционально УМ, что обусловлено уже не увеличением времени накопления, а другим фактором — уменьшением площади ФЧЭ. В линейках эта степенная зависи­мость слабее УИь = УМ. у поскольку здесь не только умень шаются площадка и шумы ФЧЭ, что повышает Ыс/ш, но одно­временно падает время накопления, что снижает ЛГС/Ш. В одно­элементном ФПУ эти два противодействующих фактора пол­ностью компенсируются, так что отношение Л^с/Ш перестает вообще зависеть от числа элементов разложения (при А = ^сопб!: и /,< = сопз^.

Случай избыточного шума. При переходе к линейкам, осо­бенно многорядным, и матрицам эффективная полоса сигнала 1/2 7С сужается, а на низких частотах могут проявляться из­быточные шумы типа 1//. При преобладании этих шумов (4.279) и (4.282) принимают вид

Л'с/ш = Вй5£са/У 29/0/я = г„5Яед/1/2?/оЛ,/н=

= (Вн£са/Ф„4)УЛ1/Л/„. (4.289)

Получили известный по § 3.3 результат: при избыточном шуме отношение N<./ш вообще перестает зависеть от длитель­ности сигнала! Хотя для более длинного сигнала необходимая полоса частот сужается, но дисперсия шума в этой полосе все равно не снижается, поскольку плотность шумов на низких частотах возрастает пропорционально /н//. И, как следствие сказанного, увеличение числа элементов Мэ—замена одноэле­ментных ФПУ на линейки, линейки на матрицы — становится с точки зрения пороговых характеристик бессмысленным: ведь получаемое при этом увеличение длительности сигнала Тс уже не приведет к возрастанию отношения А/с/ш - Это отношение сохраняется постоянным для всех рассматриваемых топологий ФПУ (табл. 4.3). Но при увеличении числа элементов разло­жения М действует другой из указанных выше факторов — уменьшается площадка Л3 фоточувствительного элемента, уменьшаются его ток и шум (поскольку здесь сравниваются приборы с одинаковыми удельными характеристиками). Вот почему во всех трех типах ФПУ отношение А^С/ш одинаково возрастает пропорционально У М. (не путать с числом фото - чувствительных элементов Мэ).

Избыточный шум накладывает ограничение на улучшение обнаружительных характеристик системы. И если в системе есть возможность увеличивать время накопления (длительность сигнала Тс), наращивать число элементов, переходя к линей­кам и матрицам, то всего этого недостаточно для получения желаемого улучшения порога — надо устранить еще компонен­ту избыточного шума на частотах, сравнимых с эффективной полосой сигнала 1/2 Тс.

Случай высокочастотного шума. Если ток от фоновой за­светки мал, как, например, в кремниевых ФПУ или в ИК ФПУ среднего и дальнего спектральных диапазонов при пониженной температуре^ фона и ограниченном угле, если мало время опро­са, то преобладающими могут стать высокочастотные шумы — ЭДС-шумы усилителя. При оптимальной фильтрации (4.279) отношение Йс/Ш пропорционально длительности сигнала, стало быть, и числу элементов Ма (4.284) — (4.287). Но вряд ли кто - нибудь из разработчиков рискнет организовать оптимальную фильтрацию в многоэлементном ФПУ традиционного типа. Ведь эффективная полоса частот оптимального фильтра /в постоянна, меньше полосы сигнала 1/2 Тс, что затягивает сиг­нал и не дает возможность различить близкорасположенные точечные цели. Поэтому, как указывалось в § 4.2, выбирают полосу усилителя широкой, порядка или еще большей полосы сигнала: /у^ 0,9 ... 1,8/с (рис, 4.19). Из (4.105) следует, что

Отношение снгнал-шум в этом случае еще сильнее зависит от длительности сигнала:

С/шУ(2петсу А/у3" 2я ул/у'/'с^шЬ' {ешьно’

УГ^/,37'С* = 0,65 ... 0,9/2* УО,51 {0,45 ... 0,9)»»

0,23-0,48.

Численная оценка коэффициента Вв приведена для двух­звенного Я С-фильтра с указанной полосой, при которой дли­тельность колоколообразного сигнала увеличивается всего на 6 ... 16% (рис. 4.19).

Для ФПУ с накоплением выражение для отношения Лгс/П1 при преобладании ЭДС-шума вытекает из (4.282):

(4.291)

И при белом, и при низкочастотном шуме структура фор­мул для отношения /'/с/ш совершенно не зависела от того, об­рабатывается сигнал с помощью усилителя или накопителя. Теперь, когда преобладает электродвижущая сила шума, на­толкнулись, наконец, на отличие в структуре формул. Остано­вимся подробнее на этом весьма принципиальном отличии.

Обратимся опять к функциональным схемам ФПУ (рис. 4.40, а, б). В традиционном ФПУ с усилителями и сигнал, и все источники шума, включая электродвижущую силу шума ешг, обрабатываются одним фильтром — фильтром усилителя. Поэтому в соответствующие формулы — в том числе и

(4.290) —входит эффективная полоса этого одного усилителя, в нашем случае полоса 1 /2 Тс. Коэффициент усиления вы­

Бирают достаточно большим, таким, чтобы последующие шу­мы, в том числе шумы коммутатора и расположенного за ним выходного усилителя, были несущественны. Поэтому не играет роли и полоса частот этого выходного усилителя (рис. 4.40, а). Иначе обстоит дело с ФПУ с накоплением, например в ПЗС или ПЗИ (рис. 4.40,6). Сигнал и токовый шум ячейки накап­ливаются на емкости. Этой операции также соответствует эф­фективная полоса 1 /2ТС. Затем происходит коммутация — пе­ренос заряда на емкость выходного считывающего усилителя. Поскольку необходимого усиления в накопительной ячейке нет, то здесь шум этого усилителя уже необходимо учитывать. В этом и состоит принципиальное отличие схем на рис. 4.40, а, б: в традиционном ФПУ источник еш2 — это шум усилителя канала, он рассчитывается в полосе этого усилителя

1~1/2Тс. В ФПУ с накоплением источник еш2 — это шум вы­ходного широкополосного усилителя, соответственно этот шум. и рассчитывается в полосе этого усилителя 1/2Т0Пр - Время опроса Тоцр в ФПУ с одним информационным выходом мало — ведь за время кадра Тк надо вывести А1 единиц информации о всех М элементах разложения, так что Т0Щ)=ТК/М. Как видно из табл. 4.3, это время Топр существенно меньше длительности сигнала, поэтому полоса выходного усилителя 1/2Т0Щ} оказа­лась существенно шире полосы 1/2 Тс-

Таким образом, спецификой (плохой спецификой) ФПУ с накоплением является наличие двух характеристических полос частот: полосы накопителя для сигнала и собственных шумов ячейки 1/2 Тн— 1 /2 Т'с и более широкой полосы выходного уси­лителя 1/2 7ощ> для его источника ЭДС-шума. Часто задают вопрос: какую из эффективных полос — соответствующих на­коплению или опросу — необходимо выбрать при расчете по­роговых характеристик ФПУ с накоплением? Теперь ответ ясен: обе полосы, причем каждая из полос выбирается для своей компоненты шума.

Отметим, что в матрицах решетчатого типа с ячейками на основе ФП, ключа, усилительного МДП-транзистора также со­храняются две полосы частот (рис. 4.40, в). Хотя здесь и ор­ганизовано усиление в каждой ячейке, но не организована фильтрация — полоса частот такого усилителя сверху не огра­ничена. Поэтому источник шума ещ2 транзистора каждой ячей­ки действует в широкой полосе того же выходного усилителя считывания 1/2 Т0щ>.

Подставляя В полученные формулы ДЛЯ отношения Л/с/щ

(4.290) , (4.291) характеристические времена Тс и Т0пр, полу­чаем зависимость Мс/Ш от топологии и числа элементов (табл. 4.3). Лишь в одноэлементном ФПУ отношение Лгс/Щ практически одинаково для ФПУ с усилителем и накопителем, так как в этом случае Т0цр—Тс - В линейках и матрицах нако­питель оказывается хуже (впервые из всех рассмотренных си­туаций), и причина этого уже понятна. Переход от одноэле­ментного ФПУ к линейкам и матрицам теперь особенно вы­годен— действует указанный выше фактор увеличения Гс, а от длительности Тс отношение №С/ш стало зависеть очень сильно

(4.290) , (4.291). Однако наращивание числа элементов другим способом — в результате уменьшения площадки элемента при сохранении линейной либо матричной организации — оказы­вается не то чтобы выгодным, а даже вредным. Так, стремясь улучшить обнаружение за счет многоэлементности, можем по­лучить обратный эффект! Фактор уменьшения площадки здесь не играет роли, так как шумы ФЧЭ и так считаются малыми, если, конечно, емкость ФЧЭ не влияет на емкость выходного считывающего усилителя (выходного устройства). Поэтому увеличение разрешения М приводит только к отрицательным результатам — уменьшению времени опроса Гоар, а в одно­элементном н линейном ФПУ — и длительности сигнала Тс. И, как следствие, снижается отношение Мс/Ш, особенно в ФПУ с накоплением, поскольку здесь сказывается уменьшение обоих характеристических времен. Исключение составляет лишь матрица с усилителями: каждый из элементов вне зависимости от их числа «смотрит» за своей точкой в течение всего времени кадра Тс = Тк, так что шумы в полосе 1/2 7К не зависят от числа Л{=МЭ. Однако этот случай представляет лишь теоре­тический интерес — ФПУ с двухмерным ФП и усилителем в каждом канале технически нереализуем при большом числе каналов.

Таким образом, если при преобладании белых шумов повы­шение разрешения сопровождалось улучшением характеристик обнаружения, то, как только начинают сказываться ЭДС-шумы» эффект становится прямо противоположным и уже пороговыми характеристиками приходится расплачиваться за высокое раз­решение.

Снижению рассматриваемой компоненты шума следует уДе' лять большое внимание. К сожалению, возможности снижения

Вш ограничены. В ПЗС и ПЗИ выходной транзистор обычно приходится изготавливать с МДП-затвором, чтобы обеспечить технологическую совместимость с фоточувствительными ячей­ками, а в МДП-транзисторе шум еш2 весьма значителен (50 ... 200 нВ - Гц"1/2). Поэтому в ПЗС прежде всего снижают емкость выходного устройства {усилителя). Удается добиться очень малых значений — порядка 0,1 пФ. По этому важнейше­му параметру ПЗИ значительно уступает ПЗС. В ПЗИ в прин­ципе нельзя добиться столь малых значений емкости, основной вклад в нее дает очень длинная вертикальная шина столбца |см. § 1-1). Она зарядово связана со всеми ячейками столбца, откуда в нее по очереди переносятся заряды при считывании. Поэтому при малых фонах ПЗИ не может быть пороговым устройством, ограничены длина столбца и соответственно число элементов в столбце (обычно до 32 ... 64).

Для снижения шумов выходного устройства было предло­жено делать п идентичных усилителей с зарядово связанными емкостями. Такое устройство называют распределенным усили­телем с плавающими затворами (РУПЗ) [103]. Хотя из-за своей сложности РУПЗ не нашел широкого применения, но принцип обработки сигнала в нем, безусловно, заслуживает внимания. Считываемый заряд по очереди поступает на вход всех п усилителей, так что на их выходе имеем одинаковый сигнал ис и шум £/ш. Сигналы с выхода всех устройств скла­дываются так, что суммарный сигнал равен пЫс. Поскольку шумы усилителей не коррелированы, то при сложе­

Нии получим суммарный шум У пицД Тогда отношение сум­марного сигнала к суммарному шуму

(4.292)

Т. е. п усилителей, как и п площадок, привели к выигрышу в

У~п раз.

Принцип работы РУПЗ можно объяснить и по-другому: каждый усилитель опрашивает (считывает) заряд в течение времени Гопр, стало быть, все п усилителей проводят опрос в течение пТопр. Увеличение в п раз времени опроса по (4.291) приводит к выигрышу в Уп раз. Отсюда напрашивается еще один метод подавления ВЧ-шума — переход от последователь­ного вывода информации со всех Л1э каналов через один ин­формационный выход к ее параллельно-последовательному выводу через п информационных выходов, что дает возмож­ность вести опрос в п раз медленнее и приведет к тому же выигрышу в отношении сигнал-щум в Уп раз. Если все-таки необходимо уменьшить число выходов, то после п промежуточ­ных усилителей можно поставить вторую ступень коммутации.

Благодаря промежуточным усилителям (с узкой полосой 1/2пГ01Ч)) шум общего оконечного усилителя (с широкой поло­сой ^1/2 Гоар) влиять уже не будет. По такому Принципу обычно проводится обработка сигнала в ПЗИ. Промежуточные усилители стоят на выходе каждого столбца, за ними — общий коммутатор. Поскольку шины каждого из столбцов подсоеди­няются к раздельным усилителям (а не к одному), то допол­нительное преимущество — снижение емкости, которая, к сожа­лению, остается в ПЗИ все же большой.

Еще одна теоретическая возможность (не реализованная) ■— размножить носители в сильном поле выходного р-гс-перехода перед их считыванием точно так же, как размножаются фото- носители в ЛФД.

Варианты, варианты, варианты. Рассмотренными примера­ми не ограничивается все разнообразие ситуаций. Вариации начинаются с самого начала — с выбора системы сканирования и топологии ФЧЭ. Для простоты анализа выше рассматривали одноэлементное ФПУ с малой площадью ФЧЭ Лэ— такой же, как и в многоэлементных ФПУ. Однако при использовании од­ноэлементного ФПУ система сканирования станет проще, если выбрать площадку во всю длину кадра, АЭ=ЬХкак это по­казано на рис. 4.39, г. Если же взять ФП большой площади, равной площади кадра ЛЭ=Л, то сканирование вообще можно заменить модуляцией. Выбор методов модуляции является спе­циальной задачей [1, 5, 6, 75]. На рис. 4.39, с? изображен про­стейший метод — развертка щели площадью сначала по

Горизонтали, затем по вертикали (аналогично сканированию на рис. 4.39, г). В этих примерах длительность сигнала всего вдвое меньше, чем в линейке: 7. = Тк/2т. Но все равно замена таких одноэлементных ФПУ на линейку выгодна. Хотя время накоп­ления почти не растет, но становится существенным другой фактор — фактор уменьшения площадки Лэ и собственных шу­мов канала.

При анализе белой и избыточной составляющих мощности шума считали, что они обусловлены только фоточувствитель - ным элементом и пропорциональны его площади Лэ. Не исклю­чено, что эти компоненты шума могут зависеть и от периметра ФЧЭ, что они частично обусловлены усилителем. В этом слу­чае зависимость от площади Лэ и числа элементов разложе­ния М ослабевает. Напротив, для составляющей ЭДС-шума, где этим фактором (снижением Лэ) пренебрегли, он может сыграть определенную роль. Например, когда емкость ФЧЭ сопоставима с остальными емкостями входной цепи или в ПЗИ, где длина столбца определяет емкость считывающей (выходной) шины.

В общий шум могут давать вклад не одна, а одновременно несколько составляющих шума, например белая и высокоча­стотная. Тогда теоретически должно существовать некоторое

Оптимальное число А|ор1> при меньшем значении которого от­ношение Л^С/.Ш ухудшается из-за белого шума, а при большем__________________________________________

Из-за высокочастотного шума. В выходном устройстве ПЗС в ячейках с ключом может быть существен кТС-шум (4.275) ’ и (4.276).

Можно рассмотреть систему с прямоугольным кадром, со­поставить ситуации с вариацией Тк, Лк, 5. Сказанное свидетель­ствует, что детальный учет различных факторов при расчете параметров обнаружения — задача разработчиков конкретной оптико-электронной системы и конкретного ФПУ. При таком 'расчете может уточняться зависимость отношения Лгс/Ш от чис­ла М (или Мэ), однако приведенные в табл. 4.3 соотношения весьма полно отражают все основные тенденции в этих законо­мерностях, а оба отмеченных фактора — вариации длительно­сти Тс и площадки Аэ — объяснят полученные результаты.

Неоднородность элементов. Предыдущий анализ проведен для идеализированной ситуации однородных элементов. Реаль­ность, естественно, отличается от идеала: чем больше количе­ство элементов, тем больше разброс их параметров, выше ве­роятность появления неработоспособных каналов как при изго­товлении, так и в результате отказов во время работы (в ПЗС неработающие элементы называют темными и светлыми точ­ками) .

Для обеспечения заданной вероятности ложной тревоги все­го ФПУ Рлт потребуем, чтобы в каждом из Мэ каналов обеспе­чивалось значение не хуже РЛт = РЛт!'Мэ. Тогда во всех каналах надо установить одно и то же отношение порогового на­пряжения £/Пор г к шуму: Ллт= £/пор г/^ии-= сопб^ Численное зна­чение плг рассчитывается по (3.2), (3.5) и требуемому значе­нию Рлт и лежит обычно в пределах 3...6 (см. § 3.1).

Вероятность пропуска цели для ФПУ в целом РПр опреде­ляется суммированием условных вероятностей пропуска цели каждым элементом РПРг (условие — цель попала на данный г-й элемент). При этом Рпр,- надо умножить еще на р(1), т. е. на вероятность указанного условия — попадания пятна на -£‘й элемент:

Мэ мэ

‘~м, УГп х

■«, __________________________________

И„. , ,,, „

ХЦ;/ ш'- - ехр[ — (Е/с) — {/пор№/21/ц;]■ (4.293)

УС1------ и пор *

Здесь индекс «Ь> отнесен к параметрам 1-го элемента (кана^- принята равная вероятность попадания пятна на каждый элемент р(0 = 1/ЛГэ, для вероятности Япрг взято приближенное 'выражение (3.9).

Попытаемся теперь выразить (4.293) через параметры ФПу усредненные по всем его каналам. Введем среднее отношений

Сигнал-шум Лгг|| М9, отклонение от среднего ДДгг==

= NI — Л^с/ш и преобразуем показатель в экспоненте:

= (АГс/ш - пД1) г/2 + (;УС/Ш - п„) Д ЛГ, + А N?/2. (4.294)

• При весьма малом отклонении

ДЛГ, < 1/(ЛГс/ш - пЛТ) (4.295)

Выражение для вероятности Рпр упрощается. Прежде всего при столь малых отклонениях ДЛ^ можно пренебречь квадра­тичным членом ДЛ7?-2 в показателе экспоненты (4.294), и поэто­му (4.293) примет вид

TOC o "1-5" h z л/ Г I — _ *]

I ^ еХР ~2 (^С/Ш ллт)г (#с/ш> rtJT)AjV;J

~Т £ W

1 exp Г— у(#с/ш—ллт)*]

—-- ------------------ X

Мэ V 2л Nzfm~n

М

Ехр[—(ЛГс/Ц|—п„)д^]

I= l

Затем можно подсчитать сумму в (4.296), опять*таки учиты­вая малость отклонений ДЛ^- (4.295) и равенство нулю их суммы:

М.

УЕхр(-(7Ус/ш-пдт) АЛЦ 1-(Л^с/ш_Плт)ДЛ'г ^

& '1-ЛЛГ,/(Л? с/01_л„) ^ 1_д^/(й, _п.„)

Ж.

2 1 - (Л'с/.ш - я, т) Д/V, + ~-AAfr 1 = М3. (4.297)-

Теперь для вероятности Рпр получаем окончательно

Япр = ехр [ - (А/с/ш - йлт)2/21/К2я (ЛГС/Ш - Я„). (4.298)

Из этой выкладки видно, что вероятность пропуска цели определяется средним отношением ЛГС/Ш лишь при весьма высокой однородности^ каналов. которая при типовых значениях. ДГс/ш... 6, ... 12

(см. § 3.1) должна быть не хуже (4.295):

ДЛ^<С 1/(Л^с/ш—Лд. т) = 1/(3 ... 6) л? 0,15 ... 0,3;

Длуйс/ш= (0,15 ... 0,3)/(6 ... 12) =0,025. (4.299)

Столь высокие требования к однородности выполняются очень редко; можно назвать ПЗС на основе Шотки-барьеров, а также ФПУ, работающие в режиме временной задержки и на­копления (ВЗН). Как правило, разброс параметров ФПУ су­щественно выше указанных 2,5% [104, 105]. В этом случае

Из-за сильной нелинейной зависимости РпРг - от N1 наибольший вклад в сумму (4.293) — в вероятность пропуска РпР дают ка­налы с низким значением Аг*. Возрастание Рпр из-за таких пло­хих каналов уже не компенсируется снижением РпР, в хоро­ших каналах с высоким Л^-. Таким образом получается, что «лицо» многоэлементного ФПУ определяется не «среднестати­стическим жителем» — каналом с усредненным уровнем пара­метров, а группой наихудших элементов. Это заставляет за­давать не средние значения Л/с/ш (или соответственно средние параметры обнаружения), а минимально допустимые значения №с/ш. Они практически и определяют ошибки системы Рлт7 Рпр - Вот почему в § 4.5, рассматривая потери в отношении Л]с/т из-за асинхронности опроса, не проводили усреднения Лгс/Ш по всем возможным положениям выборок, а особое внимание уделяли ее наихудшему положению (наименьшему Л^/ш). рассматривали методы суперпозиции кадров и неполного слива для снижения потерь, возникающих при такой асинхронности.

При очень большом числе элементов необходимо учитывать наличие некоторого числа неработающих каналов тнр. По­скольку они не способны обнаружить цель, то для каждого из них РПрг=1, а все эти отнр каналов по (4.293) дают вклад в вероятность пропуска тнр/7Иэ. Пусть весь лимит отпущенных ошибок [Рпр] исчерпывается неработающими элементами, а ос­тальные Мэ—тИр элементов работают безошибочно. Тогда до­пустимая величина [тнр] находится из простого соотношения

[я1нр]/Л1э —[Рпр]; [^нр]—Л1э[Рпр]. (4.300)

Даже при не очень жестком требовании [РпР]= 10~2... Ю~3 до­пускается лишь один неработающий канал из каждой сотни— тысячи! Чтобы гарантировать малую вероятность ошибок в процессе эксплуатации (даже после относительно большого числа отказов каналов, когда тНр>“Л1э[Рпр]) и обеспечить высо­кий процент выхода годных, надо применять дублирование —
«подстраховывать» неработоспособный элемент работоспособ­ным. В матрице можно дублировать кадры: принимать решение по двум (или нескольким) подкадрам, смещая матрицу в каж­дом подкадре на шаг й. В линейке дублируют саму линейку — переходят к двум или нескольким рядам. Обработка сигнала в многорядной линейке имеет свои особенности.

Режим временной задержки и накопления (ВЗН). Рассмот­рим гс-рядную линейку. С равным правом такой прибор можно назвать матрицей с числом элементов Мэ — тУ^п. Согласно из­ложенной теории гс-кратное увеличение числа элементов долж­но привести к улучшению параметров обнаружения в У п раз (при белом шуме). Если следовать прежней логике — поручать каждому элементу просматривать свой участок кадра, то надо было бы разбить кадр на п секторов и сканировать каждый сектор своей линейкой, как это показано на рис. 4.41, а. Тогда скорость сканирования по сравнению с однорядной линейкой упала бы в п раз, во столько же раз возросла длительность сигнала Тс — (п/пг)Тк, что и объясняет выигрыш в отношении Л^с/ш^ ]/ Тс~ ]/гп. Применяют, однако, другой метод, который называют методом временной задержки и накопления. Прин­цип метода схематически поясняется рис. 4.41,6, в: в отличие от предыдущего случая каждый ряд последовательно сканирует всю площадь кадра. Пусть в момент ^ пятно попадает на вто­рой элемент первого ряда (столбца) (рис. 4.41,6). Поскольку линейка обязана просмотреть весь кадр — все т столбцов — за время Гк, то через интервал Д/ = Гк/т = Тс она перемещается на один шаг — на один столбец. Все указанное время £0 • * • (^о+ +Д/) пятно «пребывает»— накапливая заряд — в первом ря­ду линейки. По истечении времени пятно окажется на вто­ром элементе второго ряда (( = 2), накопление в котором идет на следующем временном отрезке (£о+Д*) (^>+2Д/). Так с

Временным сдвигом (задержкой) А/ пятно «побывает» на каж­дом из п элементов. В целом фотоэлектроны, генерированные этим пятном, накапливаются во всех п элементах второй стро-

Рис. 4.41. Принцип обработки сигнала в режиме временной задержки и на­копления

Ки в течение Времени пЫ=Ткп(т, т. е. в п раз дольше, чем в однорядной линейке, поэтому здесь отношение Л^с/ш обязано улучшиться в те же у п раз. Дальнейшая идеология обработ­ки сигнала очевидна: выборки (накопленные заряды) каждого £-го элемента (*'=1 . .. п) надо складывать, причем брать их с временной задержкой, возрастающей от номера к номеру на Л/:

П.. .

+ (4.30!)

Г-1

П • ‘ .

О Га ‘ Ы 1*0 — (* ~ 1) Л*] - • ПО ш ь '

^* = т2 (♦г302)

Где Пск, и2ш ч — усредненные по всем п элементам &-й строки

Сигнал и шум. Задержка, синхронная со скоростью сканиро­вания, обеспечивает выборку синфазных откликов во всех ка­налах, так что разброс определяется разбросом чувстви­тельности по к-й строке. Из приведенных (4.301) и (4.302)

Следует

Л^с/ш = (.Щ/^ ^ ш (^) ^ № с к/ЛС/ш ^ ” У Л N ь*

Як^иск/У1Ль - , (4.303)

Получили то, что и должны были получить: выигрыш в от­ношении сигнал-шум в У п раз. Конечно, при белом шуме ВЗН не может превзойти свой прототип — умозрительный метод, представленный на рис. 4.41, а. Но коллективность работы — обнаружение точечного сигнала сразу всеми п элементами строки — дает ряд серьезных преимуществ.

Первое: при выводе (4.301) не было необходимости рас­сматривать спектр шумов каналов, стало быть, выигрыш в У п раз сохраняется при любом спектре, в том числе и при избыточном шуме. Это и понятно: шумы каналов не коррели - рованы, что и дает право складывать их геометрически. При увеличении накопления в п раз в одном и том же канале п раз складываются его собственные шумы, а при спектре шума ви­да 1// они коррелированы, поэтому вместо геометрического сложения шумов имеем арифметическое:

П ______ ___ 7'

И1т = п? игш» <4.304)

1 = 1 ....

Так что выигрыша в отношении №с/ш не будет. Так, при из­быточном шуме из-за применения ВЗН матрица с числом эле­ментов т'Х. п оказывается в 1/И раз лучше, чем и однорядная линейка, и наша матрица — прототип с тХп элементами (рис. 4.41, а), и даже полная матрица с т'Хт элементами в обычном режиме работы.

Второе: в прототипе на рис. 4.41, а сигналы снимаются независимо со всех А1э=тХгс каналов. Параметры об­наружения описываются матрицей значений ^ [Ми]> в ко­торой содержится ту^п чисел, к= 1 .. . т, г = 1 .. .п. Од­нородность матрицы характеризуется разбросом этих чи­сел— их среднеквадратичным отклонением от канала к каналу

У АА7тп. В методе ВЗН сигналы снимаются с т строк, значе­ния Nы усредняются по п элементам строки, так что матрица параметров обнаружения содержит теперь только т чисел

[Л^], к=............ т, а каждое из чисел Мк становится ближе

К своему среднему значению; лГс/ш — среднеквадратичное откло­нение У^ДЛ'« уменьшается в раз. Это легко показать, считая для простоты выкладки шумы всех каналов одинако­выми и используя (4.301):

П

1=1

V дл^1 /Л'сш=УШТЩ/ ис (*)=У «дУе«»/ли с „«

~ мЛп, п /УпО^У ДЛОКП Яс/ш. (4.305)

Повышение однородности является важным преимуществом режима ВЗН и облегчает обработку сигнала внешними устрой­ствами. Третье преимущество — следствие предыдущего. Пусть, например, исходная неоднородность составляет

У /ДГС/Ш _ 1^ /5 = 10 .. . 20%. (4.306)

При достаточно большом числе п = 25...Ю0 из (4,305) следует, что разброс параметров матрицы в режиме ВЗН сни­жается до 2% и условие (4.299) уже выполняется, для вероят­ности пропуска цели становится справедливой (4.298). Поэтому матрица характеризуется средним значением Лгс/ш, а не его

• минимальной величиной, как это было раньше.

Если в какой-либо строке окажутся неработоспособными тпнр элементов, то, иСключая их, получаем в режиме ВЗИ выигрыш в раз вместо Уп (4,303). Таким образом*

ПоТери по срАвнению с полностью работающей строкой составят

У № Шн$)/п раз. Даже при одном негодном элементе из десяти коэффициент потерь составит всего 5%; Так режим ВЗН

Ешает сформулированную задачу обеспечения требуемых зна- ений РПр за счет дублирования.

Алгоритм ВЗН можно осуществить как внешними устрой - твами, так и в самом ФПУ. ПЗС как будто специально изо - ретены для режима ВЗН. И неудивительно, что этот метод ча - то реализуется именно в ПЗС [18]: ячейки строки

РИС> 4.41,6, в) зарядово связываются, накапливаемые заряды мешаются влево с той же скоростью, с какой сканируется зображение относительно ПЗС, т. е. с временем такта TYJm. огда сигнальные заряды все время накапливаются в той же чейке, которая в данный момент находится под световым пят­ом (рис. 4.41,6 — ячейка М, рис. 4.41, в — ячейка i-2 т. д.). Когда пятно сходит с матрицы (ячейка i-n пересечет ятно), накопление завершается и сигнальный заряд поступает на выход для считывания.

Режим ВЗН можно осуществить и в фоторезисторе: накоп­ление пакета фотоносителей происходит в объеме полупровод- ика (в течение времени жизни), а смещение пакета — синхрон - о со сканированием — осуществляется из-за дрейфа в сильном оле. Общее время дрейфа должно быть меньше времени диф­фузионного размыкания пакета. Такой прибор (см. § 1.1) полу­чил название SPRITE-signal processing in the element (прибор с обработкой сигнала в элементе). Число п в приборе SPRITE невелико, порядка десяти, мало и число строк т, зато удалось реализовать этот прибор на КРТ на спектральный диапазон

8., .12 мкм, где вообще число элементов ограничено.

В некоторых системах (например, космических для спектро­зональных исследований Земли) развертка вдоль строки осу­ществляется самим летательным аппаратом. Режим ВЗН в этом случае является, пожалуй, единственной возможностью нара­стить число элементов заменой линейки на матрицу. В кремни­евых ПЗС число п в строке может быть порядка числа строк пжт и достигать нескольких сотен [18, 106, 107].

Геометрический шум. В § 4.5 было показано, что в ФПУ с накоплением сигнал поступает на выход в смеси с постоянной составляющей £/0ь которая при большом уровне фона может в 3000 раз превышать шум. Постоянная составляющая Uoi изме­няется (флуктуирует) от элемента к элементу даже при равно­мерном фоне. Это вызвано различного рода неоднородностя­ми — чувствительности, коэффициента переноса, емкостей Накопителя. Флуктуацию постоянной составляющей А (Уoi называ­ют геометрическим шумом, поскольку она маскирует простран­ственное (геометрическое) распределение мощности оптическо­го сигнала. Даже при весьма высокой однородности парамет­ров ФПУ около 10... 20% [104, 105] лишь в ПЗС на основе Щотки-барьеров удается достичь лучшей однородности, отно­шение геометрического шума к собственному шуму ячейки ос­тается очень большим — около (0,1 ... 0,2) *3000 ... 600 «28. ■ -

• • - 210. Когда неоднороден сам фон, когда он меняется от свое­го максимального значения до уровня темного, то указанное отношение может достигать уровня яп 3000 яй 2й.. • 212 (§ 4.5). В решетчатых матрицах к геометрическому шуму добавляется неоднородность стирания — установки начального уровня по­тенциала {/уст. Из приведенной оценки видно, что для регистра­ции пороговых сигналов надо: применять восьми-двенадцати - разрядный АЦП; запоминать постоянную составляющую каж­дого канала; поканально вычитать постоянную составля­ющую, т. с. использовать процессорную обработку сигнала.

Самый простой метод вычитания—вычитать заряды, накоп­ленные при наличии и в отсутствие сигнала (заряды светового и темнового кадров). Однако при таком методе мощность - шумов удваивается (4.284). Если нет избыточного шума, то постоянную "О{а выгодно рассчитать, усреднив ее по п темно - вым кадрам. Дисперсия найденного при тАком усрЕдненИи

Значения Ц01 уменьшается в п раз (4.305): (л) = Д£/5,Ул,

Так что шумы возрастают всего в у"1-|-1/гс - раз. Из-за временной нестабильности такие замеры надо периодически возобновлять.

«Не было счастья, да несчастье помогло!» Коль скоро для подавления геометрического шума нужен процессор, то с его помощью можно, естественно, выполнять и более сложные ме­тоды межкадровой обработки.

Максимальное число элементов и обнаружение. Поскольку основное направление развития фотоэлектроники — увеличение числа элементов Мэ, то естествен вопрос: каково предельно до­стижимое значение Мэ? Конечно, максимальное число элемен­тов определяется не в последнюю очередь возможностями технологии. Высокий уровень кремниевой технологии, быстрое развитие за последние два десятилетия ПЗС позволяют созда-

- '^ь на их основе кремниевые линейки и матрицы с очень боль - ши числом элементов: (1 ... 4) • 103 в линейке и 2,5-105 в мат - оит, в отдельных образцах до 106 [20, 108]. «Очувствляя»

.^емний в среднем ИК-диапазоне (введением мелкой примеси, созданием барьеров Шотки), можно получать и на этот диапа­зон полноформатные матрицы. В гибридных ПЗС, ПЗС на уз­козонных материалах технология зачастую ограничивает число элементов значениями 103... 104, хотя в последнее время и в этих типах приборов удается достичь форматов 256X256 [109].

Однако с точки зрения темы книги представляют интерес ■принципиальные ограничения, которые может накладывать на число элементов обработка пороговых сигналов. Определим максимально допустимое число каналов Мэ в одном информаци­онном выходе из простого соображения:

Теоретически приборы с накоплением могут регистрировать сигналы на уровне их собственных флуктуаций, так же как ЛФД в режиме счета фотонов (§ 4.3 й 4.4). При таких пре­дельно малых сигнальных зарядах шум выходного устройства (4.280) должен быть меньше шума сигнала (4.131):

Д<3уст < Д<2н2 = Д@с2; ааС2еш/Т опр < т. (4.308)

Отсюда следует ограничение на время опроса

^ав/Сеш2 0,5 ... 1,25 П0~13 (50 ... 200)-10->-|2

7опр>Ж? Г Я, L 1,6.10-« J :

’■t / X

5-10-* ... 2- Ю-3

Для численной оценки взяты типовые значения емкости вы­ходного устройства ПЗС [110, 111] и электродвижущей силы шума (табл. 2.2).

Время опроса оказывается обратно пропорциональным чис­лу регистрируемых фотоэлектронов. При Nx = 20 ... 1000 оно из­меняется в пределах 5' 10~7... 10~3 с, так что телевизионный стандарт (Гк = 0,02 с) обеспечивается в пороговом режиме при ограниченном числе элементов Л1Э = 20 ... 4-104 на один инфор­мационный выход соответственно.

При большом числе фотоэлектронов значение Топр падает, и при полном заполнении ячейки (Art~107) ее дробовые шумы уже столь велики, что шум усилителя заметен лишь при очень малых временах опроса (4.309)—менее 5» 10-11 ... 2* 10-9 с. В этом случае Гопр ограничена быстродействием самой матрицы и системы обработки сигнала. В кремниевых ПЗС достигнуты времена переноса и соответствующие им 7V, np«10“7 с. И это не теоретический предел — сообщалось о получении в специ­альных перистальтических ПЗС времени переноса 10~9 с. Столь малые времена Т0пр позволяют в матрицах ПЗС телевизионного стандарта получать большое число элементов Л1э = 0,02/10~7 = “2-105. Решетчатые матрицы, ПЗС на узкозонных материалах и гибридные уступают по быстродействию кремниевым ПЗС. При обработке сигналов в реальном масштабе времени Т0Пр ограничивается также быстродействием и самого процессора, и устройств преобразования и ввода сигналов. Как было пока­зано, при большом фоновом заряде требуются восьми-двенад - цатиразрядные АЦП с быстродействием 10~7. . . 5-10-6 с.

Особенно трудно наращивать число элементов в ИК ФПУ на 3...5 и 8 ... 14 мкм при высоком уровне фонового теплово­го излучения. С одной стороны, из-за большого фона накопи­тель заполняется быстро, так что сбрасывать накопленный за­ряд приходится очень часто: Тн тах~ Ю~5 ■.. Ю~3 с (табл. 4.2). С другой стороны, для выделения слабого сигнала на уровне

Фона (1/3000) необходим АЦП с большим числом разрядов что ограничивает скорость вывода информации: Т0лр—10“7.,’

•. • 5*10-6 с. Поэтому в таких пороговых ФПУ по (4.307) удает­ся через один информационный выход выводить сигналы лишь с числа элементов Мэ — (Ю-5... 10_3)/(10-7 -. • 5-10~6) «10... 104.

Однако в ИК ПЗС на основе примесного кремния и барь­еров Шотки имеют большое число элементов 104 .,.2*105. Как это удается? Ответ очень прост: квантовый выход г) в таких ПЗС мал, в 20... 1000 раз меньше, чем в ФП на собственном материале. Пропорционально падает ток /о, растут время ТКП1ах и число элементов. Но это Пиррова победа: выигрыша в У Л1э раз в отношении сигнал-шум не получим. Этот очевидный вы­вод непосредственно следует из (4.288), которую запишем в следующем виде:

V р беса -1 УТСМ р 5£сА л/ т, ~М __

: =вХ§Щ-, (4.310)

У 2?£фЛ

Где Еф — плотность эффективного потока фонового (теплового) излучения (см. § 1.2); ЕСА — сигнал. Оба излучения £са и Еф пересчитаны к максимуму чувствительности Лшах, 5 — чувстви­тельность в этом максимуме (§ 1.2). Произведение 8М3ТК яв­ляется обобщенным критерием качества ФПУ как порогового устройства в режиме радиационного предела. Само по себе число Мэ еще не характеризует качество ФПУ, если его увели­чение достигнуто из-за снижения 5 (как в предыдущем приме­ре) либо времени Тк, Но, к сожалению, обычно удается макси­мизировать лишь два из трех перечисленных параметров. Для конкретности рассмотрим примеры выбора ФПУ для оптико­электронной системы со следующими типовыми характеристи­ками:

Спектральный диапазон, мкм................................................................ 3 . .. 5

Число элементов разложения (формат)............................................... 1 СЮX100

TOC o "1-5" h z Время кадра, с....................................................................................... .10~2

Угол зрения, рад................................................................................... 2л

В ФПУ для такой системы в принципе достижимы следую­щие параметры:

Чувствительность (т) —0,8; Хт0х = 5 мкм), А/Вт. . . .3,2

Максимальное время накопления Тк шах, с......................... 10-4

Время опроса Гопр, с....................................................................... Ю”5

Первый тип ФПУ — это уже рассмотренная матрица с боль­шим числом элементов, низкой чувствительностью. Пусть в ней Мз^ЮО* 100 — 104; т] = 0,8; 5=3,2-10~2 А/Вт. Из-за стократного снижения чувствительности и фонового тока в 100 раз возра­стает допустимое время накопления — оно станет равным

10-2 с. Тогда можно накапливать в течение всего отпущенного времени кадра ТН~ТН~ 10~2 с, выводить сигналы всех элемен­тов через один информационный выход: Мэ=*Тн/т01111=*

*= 10-г/10_р=* Юь. Критерий качества для этой матрицы

5Л1эГк=(3,2-10-)-10МО'2=3,2. (4.311)

Второй тип ФПУ — линейка с числом элементов 1ХЮ0. Здесь технология позволяет выбрать ФП с предельной чув­ствительностью 3,2 А/Вт. Длительность сигнального импульса ^.//7^= Ю“2/102= 10"4 с не превышает время ТиЛЯх. Для такой линейки

5Мэ7к=3,2-102-10-2=3,2. (4.312)

Третий тип — опять матрица с тем же числом элементов ЮОХЮО. Но, допустим, удалось технологически устранить не­достаток первой матрицы, достичь чувствительность 3,2 А/Вт. При сохранении одного информационного выхода за время кадра возможен один опрос элемента, в этом случае удается накапливать сигналы лишь в течение времени ТнжТитах& «10"4 с, иначе матрица «слепнет» (ограничение времени Гн можно достичь введением механических или электронных за - ; творов). Для такой матрицы опять получаем

5Л1Э7Н=3,2 ■ Ю4 • 10~4 = ЗД (4.313)

Эти три примера отражают направления современных по­исков и разработок ИК-ФПУ для систем с высоким уровнем фона. Все типы ФПУ полностью идентичны по своим порого­вым характеристикам, и их выбор определяется конструктивны­ми и эксплуатационными свойствами. В технической литерату­ре часто говорят, что малая чувствительность матрицы первого типа компенсируется большим временем накопления в ней. Но с равным правом можно было бы сказать, что высокая чув­ствительность компенсирует в линейке малое число элементов, я в последней из рассмотренных матриц она компенсирует низ­кое время накопления. Увы! Потери в любом из параметров 5, Мэ, Тн компенсировать уже нельзя. Сравнение надо проводить с идеальным ФПУ, в котором все эти три параметра близки к предельным значениям:

5Л4эГа=3,2 • 104 • 10-2=320. (4.314)

Такое идеальное ФПУ будет на порядок превосходить опи­санные три типа по пороговым характеристикам. Путь к его технической реализации — в усовершенствовании ФПУ третьего типа: параллельный вывод информации и повышение скорости «е вывода, методы деления и слива заряда в самой ячейке, поиск методов вывода ограниченного полезного массива ин­формации.

Таковы основные принципиальные ограничения, препятству­ющие повышению числа элементов пороговых матриц, и неко­торые пути преодоления этих ограничений.

Пространственная фильтрация. При рассмотрении систем сканирования было принято, что размер элемента I равен диаметру оптического пятна й. Сформулируем теперь задачу в общем виде.

Оптимальный пространственный фильтр. Начнем анализ с простого одномерного случая: пусть задано некоторое распре­деление облученности Ес{х—х о) в пятне, где #0 — положение, максимума облученности (центра) пятна (рис. 4.42, а). Поме­хой обнаружению является пуассоновская флуктуация равно­мерного фона Еф(х). В такой постановке получили полную - аналогию с рассматриваемой задачей временной фильтрации— задачей выделения импульса фототока SEc. lt—tй) из дробового шума 1ш2, лишь переменную / заменила переменная .V,

Электрический сигнал 5£с(^—А») регистрируется с помощью усилителя, преобразуя его на выходе тоже в электрический сигнал ис. Функцией преобразования усилителя является его импульсная характеристика —('). Оптический сигнал ре­гистрируется с помощью ФП, который преобразует его на вы­ходе в фототок сигнала /ф. Здесь характеристикой преобразо­вания является распределение чувствительности по площадке

Рис. 4.42. Пространственная филь­трация

О

Рис. 4.43. Матрицу можно рассматри­вать как квазиоптимальный прост­ранственный фильтр: каждая фата- Чувствительная площадка — это ин­тегратор падающей на нее оптичес­кой мощности сигнала

5(х). Алгоритмы линейного преобразования в сопоставляемых

Случаях одинаковы:

Оо

£/,.(/„)= ^ Я (<„-<,) (/,-*„> <«!• (4.315)

—-оо

Оо

Л<*о)= 5 5(х-^0)£'с(д:)^. (4.316)

—со

Оптимальная характеристика 5(дг) (см. § 3.5) должна пол­ностью повторять форму сигнала 5(л:0—х) <*> Ес(х)

|'(рис, 4.42, а, б), точно так же, как Щ^м—повторяет: форму ЕС{Ъ—*о). Если положение импульсов строго задано — фикси­рованы их максимумы и хэ, то функции Я(/—/*) и 5 (х—х„) полностью совмещаются на оси абсцисс с сигналами Я£с (*—/„) и Ее{х—*„). Напомним, что для временной фильтра­ции это обеспечивается выбором соответствующего момента от­счета. Если положение импульса —^о) во времени неиз­

Вестно — неизвестно ^o, то приходилось непрерывно наблюдать за выходным сигналом (брать непрерывно выборки) на всем временном интервале Т, на котором возможен приход сигнала. Если неизвестно пространственное расположение оптического пятна Ее(х—X«) в пределах кадра (длины I), то точно так же надо сформировать непрерывную последовательность выборок /с(хо). (4.316), перемещая максимум чувствительности

Б(х—я0) вдоль оси х.

Отсюда получаем необходимость сканирования ФП относи­тельно изображения с некоторой скоростью V. Координата х линейно преобразуется в переменную 1=х(ь (рис. 4.42, в).

Обобщение на двухмерный случай представляется фор­мальной операцией. Функция распределения облученности Е0(х—х0, у—у0) однозначно задает оптимальное распределение чувствительности по площадке 5(л:—лг0, у—£■<.(*—х„, У—Уо), и при фиксированном положении центра пятна (х0, у0) с ним совмещается максимум чувствительности. Однако при переходе к случаю произвольного расположения пятна возни­кает осложнение. По аналогии с одномерным случаем опти­мальная фильтрация здесь тоже требует замены переменных х~~*^ уНо ось времени 1: одна, второй оси времени? не существует, и двухмерному пространству (0, х), (0, у) нельзя Поставить в однозначное соответствие одномерное пространство.(О» 0. Поэтому оптимальный пространственный фильтр в этом случае физически нереализуем.

Матрица элементов — квазиоптимальный пространственный фильтр. Однако оснований для уныния нет — опять выручают: квазиоптимальные методы обнаружения. Начнем с более про­бой одномерной задачи: ФЧЭ с достаточно сложным колоко-

Сообразным распределением S(x—х0) заменим ФЧЭ с одно­родной чувствительностью и длиной I (рис. 4.42, б, г). Опять получили прямоугольную форму характеристики 5(*—*0)—в точности такую же, как у характеристики емкостного накопи­теля H(t—t0). ФЧЭ суммирует излучение, падающее на всей его длине I, как емкость суммирует носители заряда на интер­вале накопления Тн. В многоэлементной линейке (рис. 4.42, д) зафиксировано положение каждого элемента по оси х, как в емкостном накопителе по оси t фиксировались начало и конец накопления. Соответственно в двухмерном ФП (рис. 4.43, а) каждый прямоугольный и однородный фоточувствительный элемент можно рассматривать как двухмерный пространствен­ный накопитель — сумматор оптической мощности на площади /X/. Он является оптимальным пространственным фильтром при трех условиях, аналогичных тем, которые перечислялись в начале § 4.5: шум белый; пятно прямоугольной формы 1Х.1 и постоянной интенсивности; пятно полностью совмещено с фо - точувствительной площадкой (рис. 4.43, а).

Первое условие в рассматриваемом классе задач, как пра­вило, выполняется. Легко оценить потери при отступлении от двух последних условий. Выводы здесь тоже не будут для нас новыми.

При отклонении от прямоугольной формы пятна потери ма­лы. Реально оптическое пятно является круглым. Для просто­ты выкладки положим сначала его интенсивность постоянной в пределах диаметра d. Оптимальный пространственный фильтр — эго ФЧЭ с круглой площадкой, равной площади пят­на: Аэ opt —я^/4, /—d. При прямоугольном ФЧЭ его площадь Аъ=12 несколько больше (рис. 4.43,6), что обусловливает не­сколько больший ток и шум и соответственно коэффициент лотерь;

П = V2ql0 ovt/VWo= VA, opt/A, =

, =УяТ4 = 0,89. (4.317)

Интересно, что и при более реальном гауссовском распре­делении энергии в пятне потери по отношению к оптимальному пространственному фильтру составят те же 11%, если размер элемента I выбрать равным эффективному диаметру пятна.

Весьма заметными потери могут стать при несовпадении центров пятна и площадки. В худшем случае, когда энергия пятна равномерно делится между соседними площадками, сиг­нал падает вдвое при сканировании линейкой (рис. 4.43, в, где полная аналогия с асинхронным опросом временного интеграто­ра, см. §4.5). В матрице сигнал падает вчетверо (рис. 4.43,г)-

В § 4,5 были указаны возможные методы борьбы с этим не­достатком: весь интервал, на котором ведется суммирование, разбивается на 3...5 подынтервалов, и затем отсчеты на этих подынтервалах последовательно складываются. При этом шаг между отсчетами по каждой из осей становится в 3 ... 5 раз меньше. Так приходим к необходимости в данном случае уве­личить число элементов в матрице в З2... 52 = 9 ... 25 раз (рис. 4.43,6?). Для указанной матрицы пятно перекрывает ее участок 3X3 элемента. При сложении сигналов с пяти заштри­хованных элементов разбаланс центра светового пятна и ФЧЭ приводит к снижению сигнала всего в 1,3 раза (а не в 4 раза, как в обычной матрице при 1 = й). Наибольший проигрыш оп­тимальному пространственному фильтру в отношении сигнал - шум составляет 1,45 раз (а не 4,5 раз, как в обычной матрице при 1 = (1). Если еще увеличить число элементов в матрице, так чтобы на пятно приходилось 5X5 элементов, то практически приблизимся к оптимальному пространственному фильтру: в зависимости от положения центра пятна проигрыш в сигнале будет составлять всего 2... 16%, а в отношении сигнал-шум

5.. . 19% (при сложении сигнала с заштрихованных на ■'рис. 4.43,5 элементов). Все оценки указаны для круглого лятна постоянной облученности.

Итак, не только временная, но и пространственная филь­трация призывает увеличивать число элементов. К двум ранее отмеченным факторам — возрастанию времени накопления и снижению шумов с ростом Мэ и М — добавится третий: регист­рируемая энергия пятна почти перестает зависеть от его поло­жения, растет точность определения координаты.

Такова теория. Практика накладывает ограничение на уве­личение числа Мэ. В матрицах, как правило, удается выбрать шаг I не менее эффективного диаметра пятна с1, как и было принято. Но это вовсе не значит, что обязательно надо ми­риться с четырехкратными потерями энергии. Если время кадра в матрице достаточно большое, то можно разбить его на четыре подкадра Т/^ТК14 и снять четыре отсчета, смещая матрицу на полшага 1/2 по осям х, у. В одном из четырех подкадров пятно почти полностью «поймается» одним из элементов. Уменьшение времени накопления в 4 раза привело к уменьше­нию отношения сигнал-шум соответственно в ']/' 4 — 2 раза (а не в 4 раза, как при однокадровом накоплении). В линейке достаточно разбить кадр на два, потери оптимальному прост­ранственному фильтру составят соответственно У 2 раз. Мож­но использовать и двухрядную линейку, смещая ряды на поло­вину шага относительно друг друга, т. е. применяя шахматное расположение (рис. 4.43, е).

Функция рассеяния и частотно-контрастная характеристика^ Аналогию между временной и пространственной фильтрацией можно продолжить. Вернемся к линейке (рис. 4.42, д) и осве­тим центральный элемент бесконечно тонким пятном. Из-за ко­нечных размеров элемента воспринимается выходное изображе­ние как пятно размером I (рис. 4.42,г). Такая — в данном случае прямоугольная — реакция на дельтообразное входное воздействие является пространственной импульсной характери­стикой нашего прибора (см. § 3.5). В приемниках изо­бражения ее называют иначе — функцией рассеяния. Спектр импульсной характеристи усилителя является его частотной характеристикой, а спектр функции^ рассеяния является частотно-контрастной характеристикой (ЧКХ), которая определяет пропускание пространственных частот. Эффективная полоса усилителя-накопителя связана с его временем накопления соотношением /У = 1/2ТН, точно так же эф­фективная полоса для пространственных частот при размере элемента I в идеале равна 1/2/. В реальных приборах из-за взаимосвязи между элементами функция рассеяния расширяет­ся, соответственно полоса пропускания пространственных частот уменьшается.

Пространственно-временная фильтрация [112]. И наконец, более общая постановка задачи—описание источника излуче­ния в трехмерном пространстве координат х, у и I. Если трех­мерная функция облученности Ес(х, у, /) задана, то приходим к необходимости построения трехмерного фильтра 5 (я, у, £), В рассматриваемом классе задач обнаружения оптического пятна распределение интенсивности в нем известно, поэтому известен и вид функции 5(х, у)~Ес{х, у). Однако траектория движения пятна обычно неизвестна и фильтр 5 (я, у, /) априори неизвестен. Задача как раз и состоит в поиске этой траекто­рии— временной зависимости координат максимума *о(0» #о(0- Но это уже составляет предмет более обшей теории при­ема и измерения сигналов.

В теории приема показано, что при пороговых сигналах» близких к шуму, оптимальный обнаружитель является и опти­мальным измерителем (точнее, его составной частью). В нашем случае неизвестен один из параметров сигнала — скорость пят­на V. Для его определения надо вначале (при t = to) опросить все элементы, успев провести опрос за время Тк~й/1 Найдя координаты целей х0г{(0), Уог^о), можно затем через указанный интервал Тк возобновив опрос уже ограниченного числа элемен­тов, расположенных в окрестности текущих координат Хсн, у<м на расстоянии с1 от этих точек.

Подведем итог. Если исчерпаны возможности ФЧЭ — по лучей, кванто­вый выход, близкий к 100%, исчерпаны возможности электроники — фильт­рация близка к оптимальной, то единственный путь дальнейшего улучшения параметров обнаружения — многоэлементность. С ростом числа элементов М3 увеличивается время накопления (каждый элемент дальше «смотрит» яа порученный ему участок изображения), уменьшается площадь элемента и, следовательно, его шум. Эти два фактора и приводят к тому, что в класси­ческом случае белых шумов отношение сигнал-шум Л^/шсс V М3. При низко -

Я высокочастотных шумах эта зависимость нарушается: при НЧ-шуме дли_ тельное накопление не улучшает отношения Мс/Ш, и поэтому с точки зрения пороговых характеристик увеличение Л1э бессмысленно, если одновременно не устраняется НЧ-шум. При преобладании ВЧ-шумов (электродвижущей -силы шумов усилителя) с увеличением разрешения частота опросов воз­растает, растут полоса и шумы усилителя, так что отношение Л^с/Ш может даже падать. «Лицо» ФПУ определяют элементы с меньшим отношением Мс/ш (а не со среднестатистическим). Повысить однородность, задублиро­вать неработоспособные элементы работоспособными (снизив тем самым вероятность пропуска цели) помогает режим временной задержки и накоп­ления: кадр сканируется п-рядной линейкой (т. е. ■матргщей формата и сигналы всех п линеек, накопленные от одной и той же точки кадра, по­элементно складываются.

Пространственная фильтрация аналогична временной. Каждый элемент ъюжно рассматривать как квазиоптимальный пространственный фильтр-на­копитель, суммирующий всю падающую на него оптическую мощность. Ес­ли мы сумеем на диаметре пятна уложить 3 - - 5 элементов, то потери оп­тимальному пространственному фильтру составят 5... 31%, а если только ■один элемент, то в худшем случае эти потери могут возрасти до 4 ... 4,5 раз (когда пятно облучает одновременно четыре соседних элемента, так что его энергия делится между ними).