Инфракрасные системы «смотрящего» типа

ШУМЫ ФОТОПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВ И ИХ ВКЛАД В ОБЩИЙ ШУМ ИНФРАКРАСНОЙ СИСТЕМЫ

Шумы, имеющие место в ФПУ современных ИКС «смотрящего» типа, могут быть разделены на следующие группы:

- фотонный (радиационный) шум, вызванный флуктуациями числа фотонов, испус­каемых источником и поглощаемых приемником; среднее квадратическое значение этих флуктуаций пропорционально квадратному корню из числа приходящих на при­емник фотонов; этот вид шума особенно важен для ИКС, работающих в длинноволно­вом ИК-диапазоне по источникам слабых сигналов, сравнимых с этим шумом;

- тепловой шум Джонсона, вызываемый флуктуациями числа носителей заряда в цепи нагрузки приемника;

- избыточный (//-исум), спектр плотности мощности которого подчиняется закону М/;

- генерационно-рекомбинационный шум, возникающий в полупроводниковых МПИ, где носители заряда преодолевают потенциальный барьер; частным случаем его явля­ется дробовый шум;

- шум, вносимый электронной схемой считывдния (усилителем, мультиплексо­ром);

- геометрический шум, вызванный неоднородностью параметров и характеристик отдельных элементов ФПУ, а также рядом других факторов.

Совокупность первых пяти составляющих иногда не совсем строго называют слу­чайной временной составляющей шума ФПУ [142]. К шумам, возникающим в ФПУ, в последующих звеньях ИКС добавляются специфические виды шума, обусловленные особенностями способа обработки сигналов в электронном тракте ИКС, например, вы­боркой и квантованием сигнала, сдвигом фаз отдельных сигналов, нелинейными эф­фектами, межкадровой обработкой и др.

Многие приемники, служащие для обнаружения низкотемпературного излучения, работают практически в режиме ограничения фоном, когда основной составляющей шумов является фотонная (радиационная). При средних и больших облученностях и экспозициях часто принимается, что именно эта составляющая определяет временной шум, изменяющийся от кадра к кадру для каждой ячейки ФПУ.

Иногда радиационный шум рассматривают как разновидность дробового, обуслов­ленного флуктуациями тока, протекающего через /^«-переход.

Во многих современных ФПУ на базе матричных МПИ наиболее сложно бороться с геометрическим шумом. К числу основных его источников обычно относят:

- дефекты материала чувствительного слоя, пробои в /»-«-переходах, короткие за­мыкания, разрывы соединений и др.;

- неоднородность чувствительности, включая спектральную; неоднородность коэф­фициентов передачи (усиления) сигналов; нелинейность энергетических и фоновых ха­рактеристик элементов;

- неоднородность темнового тока отдельных элементов.

Кроме того, иногда к составляющим геометрического шума относят:

- шум коммутации (мультиплексирования), обусловленный помехами, проникаю­щими на выход ФПУ от источников импульсных управляющих напряжений;

- шум фотоэлектрических связей между отдельными элементами МПИ (перекрест­ные искажения), например, из-за растекания зарядов.

Природа геометрического шума может быть различной. Так, у МПИ на базе КРТ или InSb при использовании схем прямой инжекции для передачи накопленных на эле­ментах МПИ зарядов в мультиплексор (см. гл. 10) основными источниками геометри­ческого шума являются разброс пороговых напряжений МОП-структур схем считыва­ния зарядов и разброс накопительных емкостей. В ФПУ монолитной конструкции весьма заметной часто оказывается неоднородность фотоэлектрических связей, приво­дящая к размытию изображений.

Низкочастотный If-щи сравнительно медленно изменяется во времени. Поскольку каждый элемент ФПУ характеризуется своим значением 1^шума, низкочастотные со­ставляющие его проявляются в виде флуктуаций напряжений смещения (пьедесталов). Разброс пьедесталов характеризует отдельную составляющую геометрического шума, которая может меняться во времени.

Наиболее трудно учитывать различия в спектральной чувствительности и гранич­ных длинах волн спектральных характеристик отдельных элементов МПИ, которые мо­гут возникать при изменении температуры этих элементов, и корректировать их в про­цессе работы ИКС. Для коррекции геометри­ческого шума используются различные мето­ды, рассмотренные в гл. 10.

Вклад отдельных составляющих шума ФПУ в общий шум ИКС, обусловленный, помимо описанных факторов, помехами и искажениями сигналов в других звеньях сис­темы, а не только в ФПУ, удобно оценивать с помощью так называемой трехмерной моде­ли шумов [62,142,143,151 и др.]. Эта модель используется при расчете таких важных по­казателей качества работы ИКС, как мини­мальная разрешаемая разность температур ДГР и минимальная обнаруживаемая разность температур. Общий шум ИКС разделяется на отдельные составляющие, характеризуемые изменениями сигналов в условиях равномер­ного облучения МПИ, в трехмерной ортого­нальной системе координат (х, у, t). Коорди­ната t относится к временному представлению последовательности NK кадров, а х и у - к де­картовой пространственной системе (рис. 7.5). Для удобства и полноты описания модель включает общее статистически усредненное значение шума £ср.

В табл. 7.1 сгруппированы пространственные и временные составляющие шума, а в табл. 7.2 указаны некоторые возможные источники шумов для ИКС «смотрящего» типа.

В зависимости от конкретной системы в общем случае может доминировать любая из приведенных в табл. 7.1 и 7.2 составляющих. В общем случае, считая все состав­ляющие шума независимыми, среднее квадратическое значение общего шума ИКС можно представить в виде

°икс = 5ср = + < + < + < + °1+^у+^ •

Вклад отдельных составляющих общего шума в сикс зависит от типа ИКС, причем некоторые из этих составляющих могут вообще отсутствовать или быть пренебрежимо малыми. Так, если имеет место только случайный шум ФПУ, то оИкс = определяет, по сути дела, величину АТп (см. п.4.2.3 и §5.4).

Как правило, заранее можно рассчитать только составляющую т. е. ДТп, а ос­тальные определяются путем измерений, т. е. экспериментально. Часто считают, что а, можно пренебречь по сравнению с другими составляющими общего шума ИКС, и для большинства ИКС «смотрящего» типа обычно можно принять